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Tunnelblick

Tunnel sind oft die kürzeste Verbindung zwischen zwei Punkten. Außerdem können sie den Großstadtverkehr erheblich entlasten

    Vor etwa 2.500 Jahren baute der Architekt Eupalinos einen mehr als einen Kilometer langen Tunnel, um die griechische Stadt Samos mit dem Wasser einer Quelle jenseits des Berges Kastron zu versorgen. Wie es Eupalinos gelang, die Entstehung von gewaltigen Wasseransammlungen zu vermeiden, ist ein Rätsel, aber irgendwie hatte der Tunnel die richtige Neigung, so dass das Wasser von einem Ende zum anderen abfließen konnte.
    Wasser bewegt sich ungern aufwärts. Das gleiche gilt für Hochgeschwindigkeitszüge oder auch Kraftfahrzeuge. Deshalb erlebt zurzeit der Tunnelbau eine Renaissance, zunehmende Geschwindigkeiten fordern immer geradere und ebenere Schienentrassen und Straßen. Der Tunnel schafft alle Hindernisse aus dem Weg. So werden beispielsweise nach Fertigstellung der neuen Eisenbahnstrecke zwischen Köln und Frankfurt im Jahre 2002 die Reisenden in weniger als einer Stunde die Berge durchqueren, während sich die Züge heute zwei Stunden lang durchs Rheintal schlängeln.
    Geschwindigkeit ist jedoch nicht der einzige Aspekt, Tunnel bieten auch andere Vorteile. „Einige Teile der Welt ersticken im Verkehr", sagt Rolf Katzenbach, Professor für Geotechnik an der Technischen Universität Darmstadt. „Die Orte an den Alpenpässen zwischen der Schweiz, Österreich und Italien bemühen sich verzweifelt darum, die tägliche Invasion von Schwerlasttransportern zu stoppen. Und das geht nur durch den Bau von weiteren Tunneln, die die Berge durchqueren." Dank der neuen Eisenbahntunnel durch den Gotthard und den Lötschberg können die Züge ebenerdig fahren.

    Eupalinos und seine Männer schlugen mit Hammer und Meißel einen Weg durch den Fels, der so hart war, dass er am Ende die relativ dünnwandige Konstruktion halten konnte. Aber bald lernten Bergleute und Tunnelbauer, dass Tunneldecken in weniger festem Gestein abgestützt werden müssen. Einen Durchbruch erzielte der britische Ingenieur Marc Isambard Brunel im 19. Jahrhundert mit der Entwicklung eines zylinderförmigen Schutzschildes für die Arbeiter, dessen Abmessungen denen des Tunnels entsprachen. Wenn die Arbeiter weiter in den Berg vordrangen, wurde der Zylinder nach vorn verschoben. Dabei entfernten sie gleichzeitig die Gesteinsmassen. Hinter ihnen bauten Maurer die Tunnelwände. Die Technik wurde erstmals beim Bau des 1843 fertiggestellten Tunnels unter der Themse eingesetzt.
    An dem Grundprinzip hat sich bis heute nichts geändert, wohl aber an den Maschinen, die die Arbeiten ausführen. Gigantische Tunnelbohrmaschinen (TBM) graben sich durch das Gestein, während gleich hinter dem Schutzschild die Tunnelwände durch Stahlbetonbögen verstärkt werden. Ein Schlamm aus feinen Lehmpartikeln dient als eine Art Schmiermittel für den Bohrvorgang und den Abtransport der Felsbrocken. Der Schlamm wird vom Gestein separiert und dem Prozess erneut zugeführt, während die Felsbrocken über ein Förderband zu bereitstehenden LKW oder Güterwagen transportiert und dann entsorgt werden.
    Eine solche unterirdische Fabrik ist teuer - etwa 25 Millionen US-Dollar (54 Millionen Mark). Sie wird für jedes Projekt neu errichtet und an die jeweiligen geologischen Verhältnisse angepasst. Je nach den Gegebenheiten werden spezielle Rollenmeißel und Zerkleinerer angewendet. Auch die Methoden zur Erzeugung der Druckdifferenz am Bohrkopf sowie zur Beseitigung des Gesteins sind auf die jeweiligen Bedingungen zugeschnitten.

    TBMs arbeiten schnell. Unter günstigen Bedingungen können sie mit einer Geschwindigkeit von mehr als einem Meter pro Stunde in den Berg vordringen, weshalb sie in den letzten Jahren bei vielen spektakulären Tunnelbauprojekten eingesetzt wurden. Der vierte Tunnel unter der Elbe wurde zum Beispiel von der größten TBM der Welt gebohrt, die Platz für eine zweispurige Autobahn in einem Zug ausgrub.
    Angesichts der Kosten lohnt sich der Einsatz einer solchen Maschine nur für Entfernungen von mehr als zwei Kilometern. Deshalb wird nur einer der 30 Tunnel auf der neuen Eisenbahnstrecke zwischen Köln und Frankfurt mit einer TBM gebaut. Die übrigen Tunnel werden auf konventionellem Wege gebohrt und nach der Spritzbetonbauweise gesichert. Die Tunnelwände werden dabei direkt nach dem Ausgraben mit schnelltrocknendem Beton verkleidet.
    Auch Wasser kann unangenehme Überraschungen mit sich bringen. Brunels Tunnel musste wegen einbrechendem Wasser mehrmals geräumt werden. Viele der Felsen, in die heute Tunnel gegraben werden, sind mit Wasser gesättigt. Früher war es üblich, das Wasser einfach abzupumpen. Dadurch sinkt allerdings der Grundwasserspiegel, weswegen heute dieses Verfahren aus ökologischen Gründen nur noch als vorübergehende Maßnahme während der eigentlichen Bauarbeiten verwendet wird. Statt dessen hält man das Wasser durch Luftüberdruck aus dem Bohrprozess fern. In diesem Fall müssen die Arbeiter den Tunnel durch eine Luftschleuse betreten. Die TBM löst das Problem, indem der Bohrkopf von der übrigen Maschine getrennt ist. Gleichzeitig dichten die Tunnelsegmente den Tunnel direkt hinter dem Schutzschild ab. In der Spritzbetonbauweise vorgetriebene Tunnel benötigen eine zusätzliche Betonverkleidung, die sie gegen Wasser abdichtet und langfristig die Stabilität der Konstruktion gewährleistet, denn die Festigkeit des Spritzbetons lässt langsam nach.

Nach Ansicht von Giovanni Barla, Professor für Gesteinsmechanik an der Technischen Universität Turin, sollten bei einem Tunnelprojekt vier bis fünf Prozent des Budgets für Voruntersuchungen verwendet werden, um Risiken und Überraschungen während des Baus zu vermeiden. So wurde zum Beispiel für den Gotthard-Basistunnel ein 5,5 Kilometer langer und fünf Meter breiter Sondierstollen in die Piora-Mulde gebohrt. Dadurch konnte ein geologisch schwieriger Bereich mit sehr hohen Wasserdrücken umgangen werden. „Die Tunnel werden immer länger. Das bedeutet, dass man unterschiedliche geologische Verhältnisse antrifft", erklärt Claus Erichsen der Firma Prof. Dr.-Ing. W. Wittke Beratende Ingenieure für Grundbau und Felsbau GmbH in Aachen. „Deshalb brauchen wir neue Methoden."
Laut Katzenbach besteht der wahre Fortschritt der letzten 30 Jahre Tunnelbau in der Erkenntnis, dass der Berg sich selbst trägt. Die Aufgabe der Spritzbetonverkleidung oder der Tunnelbögen ist lediglich, die unmittelbare Umgebung abzustützen. „Es brauchen nur etwa drei Meter abgestützt zu werden", so Katzenbach. „Der Berg trägt den größten Teil der Last."

Diese Erkenntnis hat man auch auf den Bau von Kavernen übertragen. Dabei wird in der Regel der Tunnel zunächst vorgetrieben und dann auf seine endgültige Größe erweitert. Bevor die Tunnelkonstruktion nach unten erweitert wird, muss die Decke gesichert werden. „Früher war es üblich, einen Betonbogen zu bauen, aber heute erfolgt die Felssicherung durch Felsanker und Spritzbeton", erklärt Barla. Kavernen dienen hauptsächlich zur Lagerung - Barla war kürzlich in den Bau von gigantischen Kerosintanks in Israel involviert - , aber gelegentlich werden sie auch anderweitig genutzt, wie etwa bei der Winterolympiade 1994 in Lillehammer, als eine Kaverne als Eishockeystadion fungierte.