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Einfluss hydrogeologischer Parameter auf das Quellen anhydritführender Tonsteine im Tunnelbau

Christoph Butscher1
1 Institut für Angewandte Geowissenschaften, Karlsruher Institut für Technologie

O 1.3 in Numerische Simulation von Strömungs- und Transportprozessen in Grundwasserleitern und angrenzenden Kompartimenten

30.05.2014, 11:40-12:00, H17, NW II

Tunnel sind für eine moderne Infrastruktur von großer Bedeutung. Das Quellen anhydritführender Tonsteine ist häufig eine große Gefahr im Tunnelbau (z.B. Einstein 1996). Es kann Tunnels stark beschädigen und dadurch hohe Zusatzkosten beim Bau und Betrieb verursachen. Beispiele sind insbesondere aus dem Gipskeuper im Großraum Stuttgart und im Schweizer und Französischen Jura bekannt (z.B. Steiner 1993), aber auch  aus Tertiären Formationen in Spanien (Alonso & Olivella 2008). Ein wichtiger Prozess, der zum Quellen beiträgt, ist die Umwandlung von Anhydrit in Gips unter Einwirkung von Wasser. Bei dieser Reaktion kann eine Volumenzunahme von bis zu 60% stattfinden.

Das Quellen tritt nicht jedes Mal auf, wenn ein Tunnel eine Formation mit anhydritführenden Tonsteinen schneidet. Außerdem findet das Quellen zumeist in wohldefinierten Quellzonen statt. Dies legt nahe, dass bestimmte hydrogeologische und geochemische Bedingungen erfüllt sein müssen, um das Quellen auszulösen. Um diese Bedingungen zu  bewerten, muss berücksichtigt werden, dass die Umwandlung von Anhydrit in Gips indirekt stattfindet (Jeschke et al. 2001): zuerst löst sich der Anhydrit in Wasser; die Lösung kann mit dem Grundwasserfluss transportiert werden; und zuletzt fällt aus der Lösung Gips aus. Angesichts dieses Reaktionswegs ist es naheliegend, dass Fließpfade des Grundwassers eine Schlüsselrolle für das Verständnis der Quellprozesse spielen.

Wir präsentieren eine Fallstudie aus dem Schweizer Jura, die aufzeigt, wie hydrogeologische Überlegungen in einen Ansatz zur Abschätzung des Quellpotenzials im Tunnelbau integriert werden können. Weil der Grundwasserfluss ein Hauptfaktor ist, der das Quellen kontrolliert, verwenden wir einen Ansatz, der die Grundwasserfließsysteme am Untersuchungsort analysiert. Der Ansatz beruht auf der Annahme, dass eine Erhöhung der Fließraten in anhydritführenden Schichten nach dem Tunnelbau maßgeblich zum Quellen beiträgt. Wir verwenden numerische Grundwassermodelle, um Fließraten am Anhydritspiegel in verschiedenen Tunnelabschnitten zu berechnen (Butscher et al. 2011). Eine Sensitivitätsstudie analysiert den Einfluss hydrogeologischer Parameter auf die Fließraten. Die analysierten Parameter sind die hydraulische Leitfähigkeit von geologischen Einheiten und Störungszonen, Eigenschaften der Auflockerungszone um den Tunnel und des Tunnelausbaus sowie das hydraulische Potenzial in Aquiferen nahe dem Tunnel. Wir schließen mit einer Diskussion der Folgerungen aus der Sensitivitätsstudie für die Planung von Tunnelprojekten, Erkundungsmaßnahmen und möglichen Strategien, dem Quellproblem in anhydritführenden Tonsteinen zu begegnen.

 

Schlagworte: Gesteinsquellen, anhydritführende Tonsteine, Grundwasserfluss, Tunnelbau



Alonso, E.E. & Olivella, S. (2008): Modelling tunnel performance in expansive gypsum claystones. International Association for Computer Methods and Advances in Geomechanics (IACMAG), Goa, India, 891-910.

Butscher, C., Huggenberger, P., Zechner, E. & Einstein, H.H. (2011). Relation between hydrogeological setting and swelling potential of clay-sulfate rocks in tunneling. Engineering Geology 122, 204-214.

Einstein, H.H. (1996): Tunnelling in difficult ground – Swelling behaviour and identification of swelling rocks. Rock Mechanics and Rock Engineering 29 (3), 113-124.

Jeschke, A.A., Vosbeck, K. & Dreybrodt, W. (2001): Surface controlled dissolution rates of gypsum in aqueous solutions exhibit nonlinear dissolution kinetics. Geochimica et Cosmochimica Acta 65 (17), 27-34.

Steiner, W. (1993): Swelling rock in tunnels: Characterization, effect of horizontal stresses and Construction Procedures. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences & Geomechanical Abstracts 30 (4), 361–380.



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Letzte Änderung 24.03.2014