Tunnel im Blick

Fast 120 Jahre Gebirge hat der Horchheimer Tunnel auf dem Buckel. Jetzt wird er erneuert. Dazu muss Gestein abgetragen werden, auch Hohlräume wirken sich auf die Planungen aus. Bauingenieur Lukas Schilder zeigt in seiner Bachelorarbeit, wie das digitale Building Information Modeling dazu beiträgt, die Arbeiten per 3D-Verfahren noch genauer zu machen.

Von Simon Colin, 29.03.2021

Früher oder später erhält jeder Tunnel einmal seine eigene Kernkiste. In diesen Holzkisten liegen in Fächern aufeinandergestapelt Bruchstücke von Steinen oder auch mal sandiger Boden. Diese Materialproben stammen aus so genannten Bohrkernen, die bei Bohrungen rings um die Tunnelwände und im umliegenden Gebirge gewonnen werden, um sich bei Sanierungen oder Neubauprojekten einen Eindruck vom benachbarten Erdreich zu verschaffen. „Mit diesen Proben kann man Festigkeitsversuche durchführen, sie zeigen vor allen Dingen aber, was im Berg drin ist“, erläutert Prof. Dr. Jürgen Schmitt, Tunnelbauexperte am Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwesen der h_da. Bohrungen gehören im Tunnelbau sozusagen zum Kerngeschäft, geben sie den Planenden doch unter anderem Hinweise darauf, wie viel Aufwand betrieben werden muss, um das Erdreich und somit den Baugrund zu bearbeiten.

Bohrungen liefern vor allen Dingen aber auch Daten, von denen die sich zunehmend digitalisierende Tunnelbaubranche profitiert. Künftig wird es für öffentliche Bauprojekte sogar verpflichtend sein, digital zu planen; und hier kommt das so genannte Building Information Modeling (BIM) ins Spiel. Diese digitale Modellierung stellt Bauwerke in 3D dar und soll dazu dienen, den gesamten Lebenszyklus eines Gebäudes oder Bauwerks präzise abzubilden. Ziel ist, alle Prozesse rund um Planung, Bau und Betrieb zu optimieren.

An der Hochschule Darmstadt wird BIM im Fachbereich Architektur und im Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwesen gelehrt. Lukas Schilder hat sich für seine Bachelorarbeit im Studiengang Bauingenieurwesen mit dem Verfahren auseinandergesetzt und sich hierfür den Horchheimer Tunnel in Koblenz vorgenommen. Der 1902 eröffnete Tunnel ist in die Jahre gekommen und zeigt die üblichen Macken dieser Jahrgänge: „Das Wasser im Gebirge schwächt langsam Beton und Mörtel, auch Hohlräume belasten das Mauerwerk“, ordnet Prof. Dr. Jürgen Schmitt ein. Die Deutsche Bahn will den 576 Meter langen Tunnel komplett erneuern, im Spätsommer sollen die Bauarbeiten beginnen. Die Projektleitung liegt bei der DB Netz AG in Frankfurt am Main.

Bohrungen und Laserscans

In seiner Bachelorarbeit beim Ingenieur- und Bauunternehmen CDM Smith hat sich Lukas Schilder damit beschäftigt darzustellen, wie viel Massen an Gestein und Erdreich im Zuge der Tunnelerneuerung aus dem Gebirge geholt werden müssen. Daraus lässt sich unter anderem ableiten, wie viel Zeit hierfür benötigt wird und wie hoch die Kosten sind. Kniffelig hierbei: Der eingleisige Horchheimer Tunnel mit seinem schmucken Portal ist zu niedrig für heutige Anforderungen und wird daher erweitert. Mit seiner BIM-Modellierung wollte Lukas Schilder daher auch sichtbar machen, wie sich der neue Tunnel im Vergleich zum alten in das Gebirge einfügt.

Grundsätzlich ist es so, dass bei Sanierungen oder Erneuerungen von Tunnels durch Bohrungen und Laserscans möglichst viele Daten zusammengetragen werden, die den Ingenieurprofis als Grundlage für ihre Berechnungen dienen. So war es auch beim Horchheimer Tunnel. Mit Flugzeugen wurde das umliegende Gelände per Laser vermessen, auch im Tunnel wurde vermessen sowie in Wände und Böden gebohrt, um Aufschluss über das Dahinterliegende zu erhalten und von ganz oben im Gebirge wurde dutzende Meter tief gebohrt, um Kenntnis über die genaue Zusammensetzung des Schiefergebirges zu erhalten.

 

  • Bald ganz neu: Der Horchheimer Tunnel in Koblenz stammt aus dem Jahr 1902 und wird ab Spätsommer komplett erneuert. Auf 576 Metern wird er erweitert, um neuesten Sicherheitsanforderungen zu entsprechen.   Foto: DB Netz AG

  • Tat gar nicht weh: Bei Erkundungsarbeiten im umliegenden Gebirge und auch im Tunnel wurden Bohrmaschinen eingesetzt, um mehr über die Beschaffenheit des angrenzenden Erdreichs zu erfahren. Auch Laserscans des Geländes und des Tunnels wurden durchgeführt.  Foto: CDM Smith

  • Mehr als Souvenirs: Bohrproben kommen in so genannte Kernkisten. Sie geben beispielhaft Auskunft über die Zusammensetzung des Gebirges rund um den Tunnel.  Foto: CDM Smith

  • Die Erkundungsarbeiten liefern aber auch nützliche Daten, um das Bauprojekt digital darzustellen. Das Foto zeigt die Innenkante der Schale des Horchheimer Tunnels, die abstehenden Säulen visualisieren die Bohrungen in die Tunnelschale sowie von ganz oben durch das Gebirge.  Foto: CDM Smith

  • Lindwurm? Nein. Die gewonnenen Daten waren wiederum hilfreich für h_da-Student Lukas Schilder. Im Rahmen seiner Bachelorarbeit im Bauingenieurwesen konnte er mit dem digitalen 3D-Verfahren BIM unter anderem zeigen, wie viel mehr Volumen der neue Tunnel im Vergleich zum bestehenden (blau) einnimmt. Hieraus lässt sich ableiten, wie viel Masse an Erdreich zusätzlich aus dem Gebirge herausgebrochen werden muss.  Foto: CDM Smith

  • Ganz schön groß: Bei Tunnels wie dem Horchheimer Tunnel kommen kleinere Maschinen oder auch Sprengungen zum Einsatz. Ab zwei Kilometer Länge kann es wirtschaftlich sinnvoll sein, mit gigantischen Vortriebsmaschinen zu arbeiten, die oft Unikate sind. Die größten Kolosse haben einen Durchmesser von 17 Metern. Das Foto zeigt den Bohrkopf einer Tunnelbohrmaschine in der Montagehalle von Weltmarktführer Herrenknecht.   Foto: Jürgen Schmitt

„Trotz allem ist die Tunnelplanung aber bislang recht grob, denn mit Bohrungen kann der Baugrund nur stichprobenartig erkundet werden, alles dazwischen ist Interpretation“, weiß Tunnelprofi Prof. Dr. Jürgen Schmitt. Das kann durchaus herausfordernd sein, denn hinter der Tunnelwand, der Tunnelschale, kann es auch Überraschungen geben.

Aktuell hat der Horchheimer Tunnel ein hufeisenförmiges Profil bei einer Breite von gut acht Metern und einer Höhe von zirka sechs Metern. Der neue Tunnel wird kreisrund und voluminöser. Statt einer Steinhülle erhält er eine Betonschale. Lukas Schilder konnte anhand der vorliegenden und prognostizierten Daten beide Tunnelmodelle übereinanderlegen und so exakt kenntlich machen, an welchen Stellen das Gebirge bearbeitet oder auch herausgebrochen werden muss.

Hohlräume werden sichtbar

Auch Hohlräume sind von Relevanz. Die derzeitige Schale des Horchheimer Tunnels besteht aus Bruch- und Ziegelsteinmauerwerk, das aber nicht überall bündig an den Felsen anschließt. Zwar wurde beim Bau des Tunnels versucht, Hohlräume hinter dem Mauerwerk zu verhindern, indem es mit Steinen aufgefüllt wurde, doch das ist nicht durchgängig möglich. Auch an der Decke, im so genannten Firststollen, gibt es Hohlräume. Bislang zeigte sich erst während der Bauarbeiten die tatsächliche Lage der Dinge. Lukas Schilder konnte die während der Erkundungsarbeiten gefundenen Hohlräume nun mit seiner 3D-Animation sichtbar machen.

„Für die anstehende Erneuerung und Erweiterung des Tunnels könnte diese Darstellung hilfreich sein, denn überall dort, wo Lücken sind, muss das Erdreich nicht herausgebrochen werden. Mit diesem Wissen lassen sich Aufwand und Kosten viel besser kalkulieren und bestenfalls auch reduzieren“, sagt Lukas Schilder. „Das BIM-Modell ist auch gut für die so genannte Kollisionsprüfung“, ergänzt Prof. Dr. Jürgen Schmitt. „Der im neuen Tunnel eingesetzte Beton erhält für die Festigkeit eine Stahlbewehrung. Bislang ist es herausfordernd, so zu planen, dass diese Bewehrung dann auch wirklich dort ist, wo sie sein soll. Mit BIM lässt sich dies nun sehr präzise planen, Fehler lassen sich vorab besser entdecken.“

Optimierung dank Datenfülle

Lukas Schilders Erkenntnisse kommen bei der Erneuerung des Horchheimer Tunnels zwar nicht zur Anwendung, denn die Planungen waren zum Zeitpunkt seiner Bachelorarbeit schon fortgeschritten. „Aufgrund der vorliegenden Datenfülle ließ sich aber sehr gut darstellen, wie Projekte künftig noch optimiert werden können“, sagt Lukas Schilder. „Unsere angewandte Forschung trägt dazu bei, in Zukunft quasi durch ein Bauprojekt zu laufen und so ein realistisches Bild zu erhalten“, ergänzt Prof. Dr. Jürgen Schmitt.

Während der Erneuerung des Horchheimer Tunnels ab Spätsommer sollen unter anderem Bagger und Sprengungen zum Einsatz kommen. Theoretisch ließe sich aber auch eine so genannte Tunnelerweiterungsmaschine einsetzen. Die klammert sich wie eine Spinne oben um das Tunnelgewölbe und räumt den Weg frei. Untendrunter können Züge weiterhin den Tunnel passieren. Von der Bauweise her ist der Horchheimer Tunnel in geschlossener Tunnelbauweise errichtet, also ein Tunnel, der in den Berg getrieben wurde. Im Gegensatz hierzu gibt es die offene Tunnelbauweise, bei der ein Tunnel in einer Baugrube liegt und diese mit Erdreich zugeschüttet wird.

Bis zwei Kilometer Länge werden Bagger und kleinere Maschinen verwendet. Längere Tunnels sind ein Fall für die maschinelle Bauweise. Vortriebsmaschinen leisten hier dann die Arbeit, „die können bis zu 400 Meter lang sein, das sind vier Fußballfelder, und sind entsprechend teuer“, weiß Prof. Dr. Jürgen Schmitt. Übliche Maschinen haben einen Durchmesser von neun bis zehn Meter, die Giganten kommen auf 17 Meter. Beim Gotthardt-Basistunnel, dem längsten Eisenbahntunnel der Welt (siehe Info unter dem Artikel), kamen solche Vortriebsmaschinen zum Einsatz.

Tunnelbau an der h_da

Die maschinelle Bauweise ist das Spezialgebiet von Prof. Dr. Jürgen Schmitt. Gemeinsam mit Prof. Dr. Ulrich Burbaum forscht und lehrt er im Bachelor- und Masterstudiengang Bauingenieurwesen Tunnelbau mit einem Fokus auf Erneuerung und Sanierung. „Wir sind eine der ganz wenigen Hochschulen für Angewandte Wissenschaften mit einem Schwerpunkt auf Tunnelbau, da haben wir bundesweit ein Alleinstellungsmerkmal“.

Lukas Schilder kann sich gut vorstellen, auch für seine anstehende Masterarbeit den Tunnelblick einzunehmen. Ihn interessiert, wie sich die Trassierung des Horchheimer Tunnels optimieren ließe, also der Verlauf des Tunnels. Hat er sich eigentlich schon ein Andenken aus der Kernkiste besorgt? Nein, vor Ort war er bislang noch nicht, seine BIM-Arbeiten gehen digital vom Rechner aus. Die Datengrundlage wird allerdings auch künftig auf Maschinenkraft und Handarbeit vor Ort basieren. Tunnels erhalten also auch in Zukunft früher oder später ihre eigene Kernkiste.

Tunnel-Rekorde

Mit seinen knapp 600 Metern ist der Horchheimer Tunnel in Koblenz (siehe Artikel) ein eher kurzer Tunnel. Längster Eisenbahntunnel Deutschlands ist der Landrückentunnel bei Fulda mit 10,8 Kilometern. Längster Straßentunnel ist der Rennsteigtunnel in Thüringen: 7,9 Kilometer. Längster Eisenbahntunnel der Welt darf sich der Gotthard-Basistunnel nennen, der es auf 57 Kilometer bringt. Noch länger ist der U-Bahn-Tunnel der Chengdu-Metro in China: Mit 69,7 Kilometer ist er internationaler Rekordhalter.

Kontakt

Simon Colin
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E-Mail: simon.colin@h-da.de

BIM an der h_da

Building Information Modeling (BIM) ist eine digitale Modellierung, die Bauwerke in 3D darstellt. Das Verfahren soll dazu dienen, den gesamten Lebenszyklus eines Gebäudes oder Bauwerks für alle am Projekt Beteiligten präzise abzubilden. Ziel ist, alle Prozesse rund um Planung, Bau und Betrieb zu optimieren. Für alle öffentlichen Bauprojekte wird BIM künftig verpflichtend sein. An der h_da erhalten Studierende in den Fachbereichen Bau- und Umweltingenieurwesen sowie Architektur Know-how in Sachen BIM. Architektur-Studierende unter der Leitung des Lehrbeauftragten Dill Khan zeigen am Modell des neuen Studierendenhauses, was BIM kann.