Das Kasseler Becken stellt den Tunnelbau vor besondere Herausforderungen. Während die Hänge von verwittertem Keuper und Muschelkalk geprägt sind, dominieren im weiten Talraum der Fulda holozäne Auelehme und fluviatile Sande die oberen 10 bis 30 Meter. Diese geologische Zweiteilung bedeutet in der Praxis: Wer im Bereich der Friedrich-Ebert-Straße oder unter der Karlsaue einen Tunnel auffährt, hat es mit drückendem Grundwasser und kaum standfesten Lockergesteinen zu tun. Eine reine Erfahrungsannahme reicht hier nicht. Wir kombinieren in solchen Fällen die Korngrößenanalyse zur präzisen Klassifikation der oft organisch durchsetzten Auesedimente mit Laborversuchen, die das realistische Verformungsverhalten unter den Spannungszuständen eines Tunnelvortriebs abbilden. Nur so lassen sich realistische Setzungsmulden prognostizieren und Schäden an der dichten innerstädtischen Bebauung vermeiden.
In der Kasseler Fuldaaue bestimmt nicht der Fels, sondern das Porenwasser die Standsicherheit der Ortsbrust – wer hier ohne realistische cu-Werte plant, riskiert jeden Meter Vortrieb.
Leistungsmerkmale in Kassel
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Lokale geotechnische Bedingungen in Kassel
Der Hauptrisikofaktor im Kasseler Tunnelbau ist der Grundwasserandrang in Kombination mit geringer Scherfestigkeit. Die quartären Talfüllungen der Fulda erreichen Mächtigkeiten von über 25 Metern, und der Grundwasserspiegel liegt oft nur 2 bis 3 Meter unter Geländeoberkante. Bei einem Tunnelvortrieb unter der Frankfurter Straße bedeutet das: hydrostatischer Druck auf die Ortsbrust, der ohne ausreichende Stützung sofort zu Ausbläsern und Tagbrüchen führen kann. Eine weitere Schwachstelle sind die Übergangszonen zwischen dem verwitterten Keuperton und den auflagernden quartären Kiesen – hier sammelt sich Schichtenwasser, das beim Anfahren plötzlich einbricht. Unsere Analysen zielen daher gezielt auf die Ermittlung der kritischen Stützdruckuntergrenze ab, basierend auf Bruchmechanismen nach Horn und der Berücksichtigung von Porenwasserüberdrücken, die beim Vortrieb entstehen. Ohne diese Parameter ist eine realistische Vortriebssimulation nicht möglich.
Unsere Leistungen
Unser Labor in Kassel deckt die gesamte Bandbreite der geotechnischen Analyse für maschinelle und konventionelle Tunnelvortriebe in weichen Böden ab. Von der ersten Probenahme im Vorfeld bis zur versuchsbegleitenden Überwachung während der Bauphase liefern wir die Kennwerte, die für eine standsichere und setzungsarme Ausführung erforderlich sind.
Triaxiale Scherversuche mit Porenwasserdruckmessung
Konsolidierte, undrainierte (CU) und drainierte (CD) Triaxialversuche an ungestörten Sonderproben aus den Auelehmen und Keupertonen. Ermittlung der effektiven Scherparameter φ' und c' sowie der Kohäsion bei verschiedenen Konsolidierungsspannungen zur Kalibrierung von Stoffmodellen wie dem Hardening Soil Model für FEM-Berechnungen.
Ödometerversuche zur Steifigkeitsermittlung
Bestimmung des spannungsabhängigen Steifemoduls Es und des Erstbelastungs- sowie Wiederbelastungsmoduls. Besonders relevant für die Abschätzung von Setzungen über dem Tunnelfirst in der dicht bebauten Kasseler Innenstadt und entlang der Wilhelmshöher Allee.
Häufige Fragen
Welche geotechnischen Kennwerte sind für einen Schildvortrieb im Kasseler Auelehm entscheidend?
Die undrainierte Scherfestigkeit cu und der Steifemodul Es bei kleinen Dehnungen sind die zwei kritischsten Parameter. Der Auelehm neigt unter deviatorischer Belastung zu plastischem Fließen, sodass wir die cu-Werte mittels Triaxialversuch und ergänzend über CPT-Sondierungen ermitteln, um die Bandbreite der natürlichen Heterogenität zu erfassen. Für die Setzungsprognose brauchen wir zudem die Spannungsabhängigkeit des Steifemoduls aus Ödometerversuchen, da die Überlagerungsspannung im Stadtgebiet Kassel je nach Tiefenlage des Tunnels stark variiert.
Wie berücksichtigen Sie den Grundwassereinfluss in der Fuldaaue?
Wir führen die Triaxialversuche mit Porenwasserdruckmessung durch, sodass wir zwischen totalen und effektiven Spannungen unterscheiden können. Für die Ortsbruststabilität ist das entscheidend: Der hydrostatische Druck aus der nahe gelegenen Fulda wirkt als äußere Last, während Porenwasserüberdrücke im Boden selbst die effektive Spannung und damit die Scherfestigkeit reduzieren. In den feinkörnigen Schluffen der Aue dauert die Konsolidierung zudem lange, was wir in der Versuchsdurchführung durch langsames Abscheren mit angepasster Abschergeschwindigkeit berücksichtigen.
Welche Normen gelten für Tunnel in Lockergestein in Deutschland?
Maßgebend sind der Eurocode 7 (DIN EN 1997-2:2010-10) für die geotechnische Erkundung und die DIN 4020 für die geotechnischen Untersuchungen. Für den Tunnelbau selbst greifen die ZTV-ING Teil 5 sowie die Empfehlungen des Arbeitskreises Tunnelbau (EAB und EAU). Unser Labor ist nach DIN EN ISO/IEC 17025 akkreditiert und führt sämtliche Versuche konform zu diesen Regelwerken durch, inklusive der spezifischen Anforderungen an Probenlagerung und Versuchsdurchführung für weiche Böden.
Mit welchen Kosten muss ich für eine geotechnische Analyse eines Tunnelprojekts rechnen?
Die Kosten für ein geotechnisches Untersuchungsprogramm in weichen Böden liegen je nach Umfang zwischen €3.640 und €15.710. Der Preis hängt von der Anzahl der Triaxialversuche, der erforderlichen Ödometerversuche und der Komplexität der Probenaufbereitung ab. Bei stark heterogenem Baugrund wie im Kasseler Becken empfehlen wir eine ausreichende Anzahl von Versuchen, um die statistische Streuung der Kennwerte belastbar abzubilden und Nachträge während der Bauausführung zu vermeiden.
Warum reichen einfache Rahmenscherversuche für Tunnel in weichem Boden nicht aus?
Rahmenscherversuche erzwingen eine vorgegebene Scherfuge und können keine realistischen Spannungspfade abbilden. Bei einem Tunnelvortrieb wird der Boden aber triaxial belastet, mit Spannungsumlagerungen, die zu volumetrischem Verhalten führen. Nur der Triaxialversuch erlaubt die Messung von Porenwasserdruckänderungen und die Ermittlung der deviatorischen Verformungen, die für die Prognose von Setzungen an der Tagesoberfläche – etwa an der historischen Orangerie oder den Wohngebäuden am Weinberg – unverzichtbar sind.