Untersuchungen zum Quellverhalten von Anhydrit und Tongesteinen im Tunnelbau

Danksagungen 6
1. Aufgabenstellung 7
2. Allgemeiner Überblick über das ingenieurgeologische Problem des Quellens von Gesteinen 7
2.1 Geologische Formationen mit quellfähigen Gesteinen in Mitteleuropa 8
2.2 Tunnelbauten mit Quellerscheinungen in Mitteleuropa 8
2.3 Anhydrit und Gips 21
2.4 Quellfähige Tongesteine 26
2.5 Versuchstechniken/Untersuchungsmethoden 28
2.6 Quellgesetze 31
2.7 Konstruktive Maßnahmen 32
3. Grundlagen des Quellens 34
3.1 Quellen von Tonmineralen 34
3.2 Volumenvergrößerung bei der Umwandlung von Anhydrit zu Gips 36
3.3 Weitere Arten von Quellvorgängen 38
4. Einflussfaktoren auf die Volumenvergrößerung von Anhydrit und quellfähigen Tonmineralen 39
4.1 Gebirge (Beschaffenheit des Materials) 40
4.2 Wasser 46
4.3 Spannungen (Gebirgsdruck) 53
4.4 Zeit 55
5. Durchgeführte Laborversuche zur Charakterisierung der Gesteine 55
5.1 Gesteinsphysikalische und mineralogische Analysen 55
5.2 Quellversuche 59
6. Ergebnisse der durchgeführten Versuche 68
6.1 Probenmaterial 68
6.2 Anhydrit-Proben 68
6.3 Quellfähige Tongesteine 76
7. Diskussion der Ergebnisse 81
7.1 Abschätzung des Quellpotentials und Klassifikation von reinen Anhydriten aufgrund von Labortests 81
7.2 Quellhebungen von Tonproben beim Pulverquellversuch 85
7.3 Korrelation Quelldruck-/Pulverquellversuch 90
7.4 Schlussfolgerungen und Überlegungen zu den Laborversuchen 90
8. Auswirkungen des Quellens auf den Stollen- und Tunnelbau 91
8.1 Gebirgsklassifizierungen und Normen im deutschsprachigen Raum 91
8.2 Bisher angedachte Möglichkeiten zur Lösung der Quellproblematik 92
9. Ausblick 95
10. Quellenverzeichnis 96
10.1 Literatur 96
10.2 Normen und Empfehlungen 103
10.3 Internetadressen 104
Anhang 105
A1 Glossar 105
A2 Zusammenstellung der Untersuchungsergebnisse aller Gesteine 107
A3 Empfehlungen zum Pulverquellversuch 109
A4 Hinweise zur geologischen Vorerkundung und Dokumentation von quellfähigen Gesteinen 110

In der vorliegenden Arbeit wurde versucht, den aktuellen Kenntnisstand über quellfähige Gesteine und ihr Verhalten im Tunnelbau umfassend darzulegen. Dazu wurden eine umfangreiche Literaturauswertung durchgeführt und unveröffentlichte Erfahrungen aus Tunnelbauprojekten zusammengetragen. Um das Quellpotential für zukünftige Bauprojekte besser abschätzen zu können, wurden verschiedenste mineralogische und geologische Untersuchungen durchgeführt. Mithilfe eigener, langwieriger Laborversuche konnten neue Erkenntnisse zum Quellverhalten von Anhydrit und Tongesteinen gewonnen werden.

Aufgrund einer guten geologischen Vorerkundung kann die Linienführung eines Tunnels dahingehend optimiert werden, dass die Probleme mit quellfähigem Gebirge minimiert oder ganz umgangen werden. Bei vielen Tunnelprojekten war das nicht möglich bzw. wird dies in Zukunft nicht möglich sein. Einige Beispiele von Verkehrswegebauten, bei denen es zu Problemen durch Quellvorgänge gekommen ist, werden ausführlich dargestellt. Zusätzlich wurden einige Tunnelbauwerke in die Zusammenstellung aufgenommen, die sich derzeit in der Planungsphase befinden und quellfähige Gesteine durchörtern werden.

Besonderes Augenmerk wird in dieser Arbeit auf die geologischen Ansatzpunkte bei der Quellproblematik gelegt. Dazu wurde versucht, die Grundlagen der Quellvorgänge nach dem aktuellen Kenntnisstand möglichst umfassend darzulegen. Darauf aufbauend werden die Einflussfaktoren auf die Volumensvergrößerung ausgiebig diskutiert. Aufgrund von theoretischen Überlegungen wurde der so genannte »Tonquellspiegel« in quellfähigen Tongesteinen eingeführt. Dieser stellt eine Zone im Gebirge dar, oberhalb derer das Material bereits ausgequollen ist, und somit keine Quellvorgänge mehr zu erwarten sind. Unterhalb des Tonquellspiegels kann das Material noch Wasser aufnehmen, so dass mit Quellerscheinungen gerechnet werden muss.

Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit lag darin, den Pulverquellversuch nach THURO (1993) weiter zu entwickeln. Durch zahlreiche Reihenuntersuchungen konnte eine Klassifizierung der Ergebnisse aus Pulverquellversuchen vorgenommen werden. Es wurde sowohl für Anhydrit als auch für Tongesteine eine Einstufung nach der relativen Quellfähigkeit aufgestellt. Um die Aussagekraft des Pulverquellversuches zu erweitern, wurden Parallelversuche mit identisch zusammengestelltem Probenmaterial durchgeführt. Es konnten über den gleichen Bentonitanteil lineare Bezüge zwischen der Quellhebung beim Pulverquellversuch und den Quelldrücken aus den Quelldruckversuchen nach HUDER & AMBERG (1970) und HENKE et al. (1975) gefunden werden. Somit wird eine Parallelisierung von im Labor ermitteltem Quelldruck auf das Quellhebungsergebnis des Pulverquellversuches möglich.

Bei der Verwendung von Anhydrit beim Pulverquellversuch zeigte sich der entscheidende Vorteil in der Geschwindigkeit der Umwandlung. Muss bei Versuchen mit unbehandeltem Ausgangsmaterial mit Versuchsdauern von bis zu 10er Jahren gerechnet werden, liegen die Endergebnisse der Quellhebung beim Pulverquellversuch bereits nach ungefähr 1 bis 2 Jahren vor. Neben den versuchstechnischen Erfolgen liegt der Schwerpunkt dieser Arbeit vor allem in der Charakterisierung der Quelleigenschaften reiner Anhydrite. Es konnte dabei bestätigt werden, dass verschiedene reine Anhydrite unterschiedliche Vergipsungsbereitschaften und damit Quellpotentiale besitzen. Anhand von vergleichenden Untersuchungen mit identisch aufbereitetem Ausgangsmaterial zeigte sich der entscheidende Unterschied in der »Reife« des Anhydrits. Die Reife kann vereinfacht mit der ehemaligen Gesteinsüberlagerung ausgedrückt werden, die wiederum gewisse Temperatur- und Druckbedingungen impliziert. Je reifer und damit besser auskristallisiert der Anhydrit ist, desto geringere Quellhebungen sind zu verzeichnen. Die Reife des Anhydrits kann mithilfe qualitativer Methoden (makroskopische Ansprache, Dünnschliffuntersuchungen, Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen) und quantitativer Analyse (Luftdurchströmungsverfahren nach Blaine, DIN EN 196-6 1990) nachgewiesen werden. Aufbauend auf diesen Untersuchungen wird es in Zukunft möglich sein, innerhalb von relativ kurzer Zeit das potentielle Quellvermögen von reinem Anhydrit vorherzusagen.

Im abschließenden Kapitel wird noch einmal deutlich gemacht, wie sich quellendes Gebirge auf den Hohlraumbau auswirkt. Es wird beschrieben, wie die gebräuchlichen Gebirgsklassifizierungen auf quellendes Gebirge eingehen und welche Möglichkeiten zum Umgang mit diesem Gebirge darin vorgegeben werden. Des Weiteren wird eine Zusammenstellung bisher üblicher Maßnahmen gegen das Quellen gegeben. Daneben werden theoretische Ansätze zur Beherrschung der Quellproblematik aufgezeigt, die noch nicht verwirklicht wurden, da sie entweder nicht finanzierbar oder technisch (noch) nicht machbar sind.

Nach wie vor gilt im Tunnelbau der Grundsatz, quellfähige Gesteine so weit als möglich zu umgehen (u. a. FECKER 1996). Dieser Vorsatz lässt sich oftmals nicht verwirklichen und im Zuge von Bauvorhaben müssen immer wieder quellfähige Gesteine durchörtert werden. Trotz intensiver Forschungsanstrengung ist es bisher nicht gelungen die Problematik des Aufquellens von bestimmten Gesteinen im Bauwesen hinreichend vorher zu sagen und zu beherrschen. Bei einigen geplanten Tunnelprojekten, aber auch bei einigen aktuellen Bauprojekten, wird mit quellendem Gebirge gerechnet.

Aufgrund der Anregung von Herrn Prof. Dr. Spaun und Herrn Prof. Dr. Thuro habe ich mich deshalb intensiv mit diesem Thema auseinandergesetzt und versucht, einige neue Aspekte zu erforschen.

Im Mittelpunkt der Arbeit standen:
- Einen Gesamtüberblick über die Quellproblematik zu erstellen.
- Die geologischen Gesichtspunkte der Quellproblematik heraus zu arbeiten.
- Mögliche Lösungsansätze zur besseren Vorhersage von Quellpotentialen aufzuzeigen.
- Den Pulverquellversuch nach THURO (1993) weiter zu entwickeln und Parallelisierungen mit anderen Quellversuchen zu ermöglichen.
- Die Untersuchung und der Vergleich verschiedener Anhydrite hinsichtlich ihres Quellvermögens.

Diese Ziele wurden zum einen durch eine umfangreiche Literaturrecherche und einer Darstellung des aktuellen Kenntnisstandes erreicht. Zum anderen wurde eine Vielzahl von Laboruntersuchungen durchgeführt, bei denen sowohl verschiedene Anhydrit-Proben, als auch verschiedene quellfähige Tonproben intensiv analysiert wurden.

Zur Charakterisierung der Gesteine wurden folgende Parameter ermittelt:
- Rohdichte (nach DIN 18125-1 1997).
- Wassergehalt (nach DIN 18121-T1 1998).
- Korngrößee (nach DIN 18123 1996).
- Mineralzusammensetzung mithilfe der Röntgendiffraktometrie (XRD).
- Mineralzusammensetzung und Gefüge mit Dünnschliffuntersuchungen (DS).
- Mikrogefüge mithilfe von Rasterelektronenmikroskopaufnahmen (REM).
- Spezifische Oberfläche (Blaine-Wert nach DIN EN 196-6 1990).
- Einaxiale Druckfestigkeit (einaxialer Druckversuch-UCS) (nach der Empfehlung der DGEG 1979 bzw. der DGGT 2004).
- Einaxiale Druckfestigkeit (Punktlastversuch-PLT) (nach der Empfehlung der DGEG 1982).

Das Quellverhalten der verschiedenen Proben wurde mit einer Reihe von standardisierten und neuartigen Quellversuchen untersucht:
- Pulverquellversuch nach THURO (1993).
- Quellversuch nach HENKE et al. (1975).
- Quellversuch nach HUDER & AMBERG (1970).
- Freiquellversuch nach DGEG (1986).
- Tunnelmodellversuch.

Besonderes Augenmerk wurde dabei auf den Pulverquellversuch nach THURO (1993) gelegt. Es galt hierbei eine Verbesserung des Versuchs zu erreichen und gleichzeitig Quellhebungsergebnisse in überschaubaren Zeiträumen zu erhalten. Um diese Ergebnisse mit anderen Quellversuchen korrelieren zu können, wurden parallele Versuchsreihen an quellfähigen Tonproben mit den aus der Literatur bekannten Quelldruckversuchen nach HUDER & AMBERG (1970) und HENKE et al. (1975) durchgeführt.