Nachhaltiger Tunnelbau: Innovationen zwischen Maschinentechnik und ökologischer Verantwortung

Der Tunnelbau hat sich vom reinen infrastrukturellen Erschliessungsprojekt zu einem zentralen Instrument der nachhaltigen Stadt- und Verkehrsentwicklung entwickelt. Unter dem Titel «Materialbewirtschaftung und Nachhaltigkeit im Tunnelbau» stand der Swiss Tunnel Congress 2024 in Luzern ganz im Zeichen ökologischer Innovationen. Gleichzeitig erreichen Tunnelvortriebsmaschinen (TBM) technische Dimensionen, die sie zu Giganten der Baubranche machen.

Maschinentechnik und Vortriebsmethoden

Dimensionen und Funktionsweise von Tunnelvortriebsmaschinen

Moderne Tunnelvortriebsmaschinen (TBM) gehören zu den grössten Baumaschinen der Welt. Sie wiegen über 6.000 Tonnen und erreichen Längen von mehr als 150 Metern. Der Einsatz einer TBM erfordert grosse Krümmungsradien, da die Maschine keine scharfen Kurven fahren kann. Die Investitionskosten sind beträchtlich: Maschinen mit einem Durchmesser von 4 bis 6 Metern kosten bis zu 11 Millionen Euro, während 15-Meter-Maschinen bis zu 25 Millionen Euro erreichen können.

Der Vortrieb erfolgt über einen rotierenden Schneidkopf mit hydraulischem oder elektrischem Antrieb. Die Vorschubkräfte werden durch Perimeterpressen auf Ringe übertragen, die wiederum durch weitere Pressen gegen die Tunnelwand gedrückt werden. Hinter der Maschine befindet sich eine Schienenplattform («Lagging Equipment» oder «Buck-up»), auf der Lüfter, Transformatoren und ein Förderband zum Abtransport des Ausbruchmaterials montiert sind. Nach dem Ausbruch werden Tübbingringe aus vorgefertigtem, bewehrtem Beton installiert, die den Tunnel stabilisieren.

Bauweisen im Vergleich

Grundsätzlich unterscheidet man zwischen der offenen Bauweise (Cut and Cover) bei geringer Überdeckung und der geschlossenen bergmännischen Bauweise bei grosser Tiefe. Moderne geschlossene Bauweisen umfassen die Neue Österreichische Tunnelbaumethode (NÖT) mit Spritzbetonausbau sowie den kontinuierlichen Vortrieb mit TBM. Bei der NÖT wird gezielt eine Verformung des Gebirges zugelassen, um Spannungsumlagerungen zu ermöglichen und Material zu sparen.

Geologische Rahmenbedingungen und Ressourcenmanagement

Geologische Vielfalt am Beispiel des Gotthard

Die Geologie des Baugrunds prägt jedes Tunnelprojekt. Beim Bau der zweiten Röhre des Gotthardtunnels durchquert die Tunnelbohrmaschine vom Norden her zunächst das Aar-Massiv (Granite und Paragneise), anschliessend die Urseren-Zone (Gesteine des Mesozoikums und Permokarbons) und das Gotthard-Massiv (Gneise und Granite). Beim Portal Airolo trifft man auf die Nufenen-Zone aus Metasedimenten. Diese geologische Heterogenität erfordert spezifische Sicherungsmassnahmen und Vortriebsmethoden.

Kreislaufwirtschaft bei Ausbruchmaterialien

Der Bau der zweiten Gotthardröhre generiert rund 7,4 Millionen Tonnen Ausbruchmaterial. Durch gezielte Wiederverwertung werden die Umweltauswirkungen minimiert: Aus 1,8 Millionen Tonnen entsteht direkt neues Baumaterial, rund 1,9 Millionen Tonnen dienen der Geländemodellierung in Airolo, und weitere 3,5 Millionen Tonnen werden für die Renaturierung der Flachwasserzone im Urnersee genutzt.

Ein Pilotprojekt am Eisenbahntunnel Rastatt zeigt, wie auch kontaminiertes Material aufbereitet werden kann. Durch den Einsatz von Bentonit beim Nassschnittverfahren entstehen Sande und Kiese, die bisher deponiert werden mussten. Eine innovative Aufbereitungsanlage trennt das Bentonit vollautomatisch im Waschwasserkreislauf. Dies reduziert die Abfallmenge nahezu zu 100 Prozent, spart 700.000 Kubikmeter Deponievolumen und reduziert den Frischwasserbedarf um 85 Prozent. Die gewonnenen Sekundärrohstoffe erfüllen die Qualitätsanforderungen der EU-Bauproduktenrichtlinie für die Betonindustrie.

Nachhaltigkeitsstrategien und Klimaschutz

CO2-Fußabdruck und Lebenszyklusbetrachtung

Grosse Infrastrukturprojekte verursachen unvermeidlich CO2-Emissionen. Für den Fehmarnbelt-Tunnel wurden 2,25 Millionen Tonnen CO2-Äquivalente für die Bauphase berechnet, resultierend aus Stahl- und Zementproduktion sowie Maschineneinsatz. Doch über seine geplante Lebensdauer von mindestens 120 Jahren amortisiert sich die Investition: Die elektrifizierte Bahnstrecke spart 160 Kilometer Umweg über den Storebælt und verlagert Güterverkehr von der Strasse auf die Schiene.

Zur Reduktion der Klimaauswirkungen werden Wärmepumpen in der Tunnelelementfabrik und der Wohnanlage eingesetzt, Bagger mit Akkutechnologie verwendet und Baumaterialien sowie Wasser in Kreisläufen geführt. Verträge mit Hauptauftragnehmern fordern explizit den Einsatz erneuerbarer Energien und klimaschonender Materialien.

Mikrotunnelbau als umweltfreundliche Alternative

Der Mikrotunnelbau bietet insbesondere in städtischen und sensiblen Gebieten ökologische Vorteile. Die Methode reduziert Bodenstörungen erheblich, da keine grossen Gräben ausgehoben werden müssen. Moderne Maschinen arbeiten mit minimalem Lärm und geringen Vibrationen, während der reduzierte Transportbedarf die Emissionen senkt. Das Verfahren schützt Grundwasserleiter und natürliche Ökosysteme wie Feuchtgebiete oder Wälder, da die Oberfläche nahezu unberührt bleibt.

Innovative Nutzung des Underground Space

Beyond pure transportation infrastructure, tunnels serve as spaces for sustainable logistics and energy storage. The Cargo Sous Terrain (CST) project in Switzerland plans to connect production and logistics sites with urban centers via underground tunnels starting in 2031. By 2045, the entire route from the Härkingen-Niederbipp area to Zurich will be operational. The system operates with 100% renewable electricity and distributes goods above ground using environmentally friendly vehicles. Additionally, underground caverns offer potential for hydrogen storage, paving the way for a climate-neutral energy supply.

Am Beispiel des Speicherkraftwerks Kühtai in Tirol zeigt sich die multifunktionale Nutzung unterirdischer Räume. Hier entsteht ein unterirdisches Pumpspeicherwerk mit einem zusätzlichen Speichersee von 31 Millionen Kubikmetern Fassungsvermögen, das die Speicherkapazität um 50 Prozent erhöht und jährlich 216 Millionen Kilowattstunden zusätzlichen Strom erzeugt.

Sicherheitstechnische Herausforderungen und Lösungen

Befestigungssysteme unter dynamischer Belastung

Tunnelbauwerke unterliegen zyklischen Belastungen durch Verkehrslärm, maschinelle Vibrationen und seismische Aktivitäten. Diese wiederholten Beanspruchungen können zum Ermüdungsversagen von Materialien führen. Chemische Injektionssysteme leiten Kräfte grossflächig ein und reduzieren Belastungsspitzen, wodurch sie sich besonders für dynamische Anwendungen eignen. Mechanische Bolzenanker punkten hingegen mit sofortiger Lastaufnahme und hoher Robustheit bei mittleren dynamischen Anforderungen.

Um die Eignung nachzuweisen, sind zyklische Belastungstests sowie Zulassungen durch das Deutsche Institut für Bautechnik (DIBt) oder Europäische Technische Bewertungen (ETA) erforderlich. Bei der Sanierung heterogener und beschädigter Strukturen bieten chemische Systeme den Vorteil spreizfreier Verankerung in rissigem Material.

Brandverhalten und Langzeitstabilität

Die Sicherheit im Brandfall ist kritisch: Kabeltrassen, Lüftungs- und Leitungssysteme müssen nach speziellen Tunnel-Brandkurven geprüft werden. Systeme wie Kabeltrassen werden nicht nur auf Feuerbeständigkeit, sondern auch auf Funktionstauglichkeit während eines Brandes getestet. Risse im Beton beschleunigen die Korrosion der Bewehrung und ermöglichen Wassereintritt, weshalb Abdichtungssysteme und regelmässige Überwachung unverzichtbar sind.

Die Umweltverträglichkeit wird durch kontinuierliche Monitoring-Programme sichergestellt. Am Gotthardtunnel werden beispielsweise quartalsweise Messungen zu Luftqualität, Lärm, Erschütterungen und Gewässerschutz in den Bereichen Göschenen und Airolo durchgeführt, um die Auswirkungen auf die Umwelt zu kontrollieren und zu minimieren.