Tunnelbau : 60 Prozent weniger Stahl: Wie Strabag-Tochter Züblin Hamburgs U5-Tunnel auskleidet

Was unter Hamburg entstehen soll, lässt sich am besten von hinten erzählen: Eine Tunnelbohrmaschine frisst sich durch den Boden, und unmittelbar in ihrem Schutz montiert eine Maschine namens Erektor gebogene Betonfertigteile zu geschlossenen Ringen. Diese Segmente heißen Tübbinge, Ring für Ring entsteht daraus die tragende und abgedichtete Tunnelhülle. Genau an dieser Stelle, direkt hinter der Maschine, setzt die Neuerung an, um die es in diesem Artikel geht.

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Für die U5 sollen erstmals Segmente mit deutlich reduziertem konventionellem Bewehrungsstahl eingesetzt werden. Statt eines weitgehend aus Stäben und Matten aufgebauten Bewehrungskorbs enthält der Beton fein verteilte Stahlfasern. Laut Projektangaben sinkt der Stahlbedarf gegenüber konventionellen Tübbingen dadurch um rund 60 Prozent.

Trotz der Materialreduktion müssen Tragfähigkeit, Dauerhaftigkeit und Sicherheit dem konventionellen Aufbau entsprechen. Weniger sichtbare Bewehrung bedeutet also nicht geringere Anforderungen, sondern unveränderte statische Anforderungen an ein permanentes Bauteil, keine vorübergehende Bauhilfe.

Die Stahlfasertübbinge gehören zum Los 2 des ersten U5-Bauabschnitts, der von der Sengelmannstraße in Richtung Bramfeld führt. Züblin und Wayss & Freytag realisieren gemeinsam einen rund vier Kilometer langen Abschnitt zwischen Sengelmannstraße und Bramfeld, darin einen etwa 3,35 Kilometer langen maschinellen Tunnelvortrieb, eine durchgehende zweigleisige Tunnelröhre, die Stationen Barmbek Nord, Steilshoop und Bramfeld, fünf Notausstiege sowie die dazugehörigen Baugruben im Spezialtiefbau. Die rund vier Kilometer bezeichnen also das gesamte Los, die rund 3.350 Meter den eigentlichen maschinellen Vortrieb.

Für den Tunnel ist eine Hydroschildmaschine mit rund 10,7 Metern Durchmesser vorgesehen, die die Ortsbrust während des Abbaus durch eine unter Druck stehende Suspension stabilisieren kann. Das ist angesichts des wechselhaften Baugrunds relevant: Auf der Strecke werden unter anderem sandige Auffüllungen, Torfschichten, Schluffe, Tone, Schmelzwassersande und eiszeitliche Ablagerungen erwartet. Die drei Stationen und die Notausstiege werden nicht von der Tunnelbohrmaschine hergestellt, dafür entstehen Baugruben mit Schlitzwänden, teilweise in Deckelbauweise, sodass an der Oberfläche früher weitergearbeitet werden kann, während darunter weiter ausgehoben wird.

„Auskleiden" ist im Titel zwar verständlich, technisch aber verkürzt: Die Tübbinge sind keine dekorative Verkleidung, sie bilden die dauerhafte Tragstruktur des maschinell gebauten Tunnels. Ein Segment muss mehrere sehr unterschiedliche Belastungsphasen überstehen, vom Ausschalen im Fertigteilwerk über Wenden, Lagern und Transport bis zum Greifen und Positionieren durch den Erektor, dem Einpressen in den Ring, den Kräften der Vortriebspressen und schließlich dem Druck aus Boden und Grundwasser im späteren Betrieb.

Gerade die Vortriebspressen erzeugen örtlich hohe Lasten: Die Maschine stützt sich beim Weiterfahren auf dem zuletzt montierten Tübbingring ab, dieser muss die konzentrierten Kräfte aufnehmen, obwohl er erst kurz zuvor zusammengesetzt wurde. Nach dem Einbau bleibt zwischen Außenseite des Tübbingrings und dem ausgebrochenen Boden ein Ringspalt, der verfüllt wird, damit die Tunnelschale gleichmäßig im Untergrund gebettet wird und keine unerwünschten Hohlräume zurückbleiben.

Beton kann Druckkräfte sehr gut aufnehmen, bei Zugbeanspruchung beginnt er dagegen vergleichsweise früh zu reißen. Im klassischen Stahlbetontübbing übernehmen Bewehrungsstäbe die Zugkräfte und begrenzen die Rissöffnung. Beim Stahlfaserbeton sind kurze Stahlfasern dreidimensional in der Betonmischung verteilt, entsteht ein feiner Riss, kreuzen Fasern dessen Verlauf, verbinden die beiden Rissseiten, übertragen weiterhin Zugkräfte und bremsen das weitere Öffnen des Risses.

Entscheidend ist dabei nicht, dass überhaupt kein Riss entsteht, maßgebend ist das Verhalten nach dem ersten Riss: Wie viel Kraft kann das Bauteil weiterhin aufnehmen, wie stark öffnet sich der Riss, und wie verteilt sich die Beanspruchung auf andere Bereiche? Der klassische Bewehrungsstab wirkt an einer geplanten Position, die Stahlfasern bilden dagegen ein fein verteiltes Netz im gesamten Betonquerschnitt und werden dort wirksam, wo sich ein Riss tatsächlich entwickelt. Dass die Fasern bei der U5 den kompletten Bewehrungskorb ersetzen, ist damit nicht gesagt, öffentlich bestätigt ist eine Reduktion des Stahlbedarfs um rund 60 Prozent, an Fugen, Kanten oder besonders beanspruchten Stellen können abhängig von der Detailplanung weiterhin lokale Stabbewehrungen notwendig sein.

Stahlfasertübbinge werden international bereits bei Tunnelprojekten eingesetzt. Für Deutschland bestand jedoch eine Lücke zwischen dieser internationalen Baupraxis und den hier geltenden technischen Vorschriften, für die Hamburger U5 war deshalb eine Zustimmung im Einzelfall durch die zuständige technische Aufsichtsbehörde erforderlich. Damit wird die U5 nach den Projektangaben zum ersten Tunnelbauvorhaben in Deutschland, bei dem Stahlfasertübbinge eingesetzt werden dürfen.

Diese Zustimmung ist keine allgemeine Zulassung für sämtliche deutschen Tunnelprojekte, sie gilt zunächst für die ersten maschinell aufgefahrenen Abschnitte der U5. Andere Projekte können die Hamburger Erkenntnisse später nutzen, müssen daraus aber nicht automatisch dieselbe Freigabe ableiten. Verlangt wurden Nachweise und Untersuchungen zu Tragverhalten, Rissbildung und Rissöffnung, Materialzusammensetzung, Dauerhaftigkeit sowie Verhalten während Herstellung und Einbau. In das Prüfverfahren waren nach Angaben von Strabag unter anderem die Technische Universität München, ein Materialprüfungsamt und unabhängige Prüfingenieure eingebunden. Die vermeintliche Materialinnovation war damit technisch nicht das eigentliche Problem, die größere Hürde bestand darin, ihre Gleichwertigkeit für sämtliche Belastungszustände so nachzuweisen, dass die Aufsichtsbehörde den Einsatz in einem deutschen Verkehrstunnel gestattet.

Ein Tübbing kann während Transport und Montage ungünstiger beansprucht werden als später im geschlossenen Ring: Beim Lagern wirken Lasten nur an einzelnen Auflagern, der Erektor greift das Segment an definierten Punkten, die Vortriebspressen leiten hohe Druckkräfte über begrenzte Kontaktflächen ein. Bei Stahlfaserbeton muss zudem nachgewiesen werden, dass die Fasern in der Mischung ausreichend gleichmäßig verteilt und richtig orientiert sind. Ihre Wirkung wird über das sogenannte Nachrissverhalten beurteilt, in Biegeprüfungen wird untersucht, wie viel Kraft ein Probekörper nach dem Auftreten des ersten Risses weiterhin übertragen kann.

Die Herausforderung liegt damit nicht nur in der Bemessung des fertigen Tunnels, sie reicht bis in das Fertigteilwerk: Mischungszusammensetzung, Faserverteilung, Betonierprozess, Ausschalfestigkeit, Maßhaltigkeit, Dichtungsprofile, dokumentierte Qualitätskontrolle. Die 60-Prozent-Zahl ist damit Ergebnis einer komplexen Bauteilentwicklung, nicht das Resultat des bloßen Beimischens einiger Metallfasern.

Die Hochbahn verfolgt für die gesamte U5 das Ziel, die baubedingten Treibhausgasemissionen gegenüber einer konventionellen Realisierung um ungefähr 70 Prozent zu reduzieren. Die veröffentlichte Roadmap stellt einer konventionellen Vergleichsvariante mit rund 2,7 Millionen Tonnen CO2-Äquivalenten einen Zielwert von ungefähr 850.000 Tonnen gegenüber, eine Prognose und ein Projektziel, keine bereits erreichte Einsparung.

Die Stahlfasertübbinge sind dabei nur ein Baustein neben klinkerärmeren und CO2-reduzierten Betonen, emissionsärmer produziertem Bewehrungsstahl, materialeffizienterer Planung, optimierter Boden- und Baustellenlogistik, der Erprobung elektrisch betriebener Baumaschinen und der laufenden Erfassung der tatsächlich verursachten Emissionen. Für den einzelnen Stahlfasertübbing oder für das gesamte Los wurde bisher keine eigenständige CO2-Einsparung veröffentlicht, aus der 60-prozentigen Stahlreduktion lässt sich also keine eigene CO2-Zahl berechnen.

Nach aktuellem Planungsstand soll die U5 rund 29 Kilometer lang werden, 24 neue Haltestellen erhalten, Bramfeld im Osten mit Osdorf im Westen verbinden, mehr als 345.000 Fahrgäste täglich befördern, vollständig automatisiert fahren und im dichtesten Betrieb einen 90-Sekunden-Takt ermöglichen. Die Hochbahn bezeichnet die U5 als Deutschlands größtes U-Bahn-Projekt. Der erste Bauabschnitt im Nordosten umfasst rund 5,8 Kilometer und vier neue Stationen, die Stahlfasertübbinge betreffen zunächst die maschinell hergestellten Tunnelbereiche dieses ersten Abschnitts.

Derzeit entstehen die Baugruben, Stationen, Notausstiege und die Voraussetzungen für den maschinellen Vortrieb. Ab 2027 soll die Tunnelbohrmaschine eingesetzt werden, erst dann werden die Stahlfasertübbinge tatsächlich unter Hamburg montiert. Der Einsatz ist damit mehr als ein Labortest, aber noch kein abgeschlossener Praxiserfolg, die U5 wird zeigen müssen, ob sich die geprüfte Materialeinsparung auch in Serienfertigung, Transport, Ringbau und Tunnelvortrieb zuverlässig umsetzen lässt.

Gelingt der Einsatz wie geplant, könnte die wichtigste Hinterlassenschaft des ersten U5-Tunnels nicht nur eine neue Bahnverbindung sein, sondern ein Regelwerksvorbild für weitere deutsche Tunnel.