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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Herstellen eines tunnel – oder
trogförmigen
Bauwerkes aus Beton, insbesondere für einen Verkehrsweg, wobei
entlang einer Trasse eine offene Baugrube für das Bauwerk mit einer beidseitigen
Sicherung angelegt und dann das Bauwerk abschnittsweise auf einer Betonsole
erstellt wird sowie ein Vorrichtungssystem zum Herstellen des Bauwerkes.
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Für
die Herstellung von Tunneln und den dafür nötigen Grundbau war am 28.10.2002
um 8.10 Uhr vom Autor Univ.-Prof. Dr.-Ing. B. Walz im Internet unter
http://www.bauing.uniwuppertal.de/grundbwz/daten/download/skripte/tunnelbau/tunnelbauA.pdf
bzw. http://www.bauing.uniwuppertal.de/grundbwz/daten/download/skripte/grundbau/grundbau2-vorlesung.pdf eine
generelle Abhandlung ersichtlich. Im Folgenden werden die traditionellen
Bauweisen zusammenfassend dargestellt, wobei die betroffenen Abschnitte
des Bauwerks in Tunnelform, also im Querschnitt geschlossen oder Trogform,
also ohne Deckel z. B. an der Tunnelzufahrt, bei einer Baustelle
in der Regel gleichartig hergestellt werden.
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Bei Tunneln und Trögen, die
in offener Baugrube hergestellt werden ist heute die übliche Baufolge:
Die
erste Variante betrifft Tunnel, deren Unterkante Sohle von Tunnel
bzw. Trog sich über
dem Grundwasserspiegel im der Oberfläche nahem Bereich befindet.
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Generell wird entlang der Trasse
zur Herstellung einer offenen Baugrube eine beidseitige Sicherung,
meistens Bauweisen mit Schlitzwand bzw. Bohrpfahlwand bzw. Spundwand,
eingebracht. Es folgt der Bodenaushub und Einbau von Schutzbeton und
Abdichtung. Im Einzelnen:
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Alternative 1:
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- – Betonieren
der Sohle, in der Regel auf einem Schutzbeton über einer Dichtung;
- – Herstellung
des restlichen Tunnelrahmens unter Verwendung eines Schalwagens.
Es entsteht eine Arbeitsfuge an der Schnittlinie zwischen Wand und
Sohle, die bei der Ausführung
mit wasserundurchlässigem
Beton mit Arbeitsfugenbändern
zu sichern ist. Die unterste Steifenlage der Sicherung muss bereits
nach der Herstellung der Sohle ausgebaut werden, was entsprechende Rückwirkungen
auf die Statik des Baugrubenverbaus hat.
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Alternative 2:
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- – Betonieren
des gesamten Tunnelrahmens inklusive der Sohle in einem Zuge. Diese
Methode wird insbesondere bei der Herstellung des Tunnels mit wasserundurchlässigem Beton
angewendet. Zunächst
wird jeder zweite Tunnelblock von ca. 10 m bis 12 m Länge mit
Hilfe eines außerhalb
des zu betonierenden Blockes abgestützten Schalwagens hergestellt.
Für die
Zwischenblöcke
stützt sich
die Schalung auf die Sohlplatte der bereits fertig gestellten Nachbarblöcke ab.
Das Kernstück der
Schalung sind stählerne
Brückenkonstruktionen
mit einer Spannweite von 12 m bis 14 m, die die Schalung tragen.
Diese Methode erfordert eine Baugrube, die im Bereich des Tunnelbauwerkes
frei von Aussteifungen ist.
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Die zweite Variante betrifft Tunnel,
deren Unterkante Sohle Tunnel bzw. Trog sich unterhalb des Grundwassers
befindet.
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Alternativen 3 und 4
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- – Es
wird eine Baugrubensicherung wie bei Alternative 1 eingebracht.
Das Grundwasser wird im Bereich der Baugrube abgesenkt. Das abgepumpte
Grundwasser wird mit Sickerbrunnen versickert oder in Vorfluter
eingeleitet. Der Boden wird ausgehoben.
- – Bau
des Tunnels/Troges in trockener Baugrube wie bei Alternative 1 oder
Alternative 2
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Alternative 5 – Deckelbauweise
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- – Die
mit weitgehend wasserundurchlässigen Wänden umschlossene
Baugrube erhält
einen Deckel,
- – der
Bodenaushub unterhalb des Grundwasserspiegels und die Herstellung
des Tunnels erfolgt unter Druckluft.
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Alternative 6 – Caissonbauweise
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Der Tunnel wird in der Caisson- oder Schwimmkasten-
oder Senkkastenbauweise hergestellt. Die Caissonbauweise kann vorteilhaft
sein bei weichen Böden
unterhalb des Grundwasserspiegels, da der sonst erforderliche Baugrubenverbau
und die Wasserhaltung entfällt
oder wenn er andernfalls nur in offener Baugrube herstellbar wäre. Dabei
wird häufig
ein rechteckiger Stahlbetonrahmen verwendet, der normalerweise eine
Außendichtung
erhält
und aus wasserundurchlässigem
Beton und einer Außenhautdichtung
nur auf der Tunneldecke konstruiert ist. Meist werden Schwimmstücke mit
Längen
von bis zum 140 m in Baudocks hergestellt. Wie auch bei in offener
Baugrube erstellten Tunneln sind in einem Abstand von ca. 25 m bis
30 m Fugen anzuordnen, die wegen der schwierigen Unterwassergründung des
gesamten Schwimmstückes
als Gelenke wirken, so dass sich das Schwimmstück wie eine Gliederkette auf
die vorbereitete Gründungssohle
auflegt, wobei vertikale Verschiebungssprünge durch die querkraftschlüssige Fugenausbildung
nicht auftreten können.
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Alternative 7 – Bau im
Schutz einer weitgehend wasserundurchlässigen Baugrube
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Aus ökonomischen bzw. ökologischen
Gründen
ist es vielfach nicht möglich,
das Grundwasser wie bei den Alternativen 3 und 4 abzusenken. In
diesem Fall wird die Baugrube mit weitgehend wasserundurchlässigen Wänden wie Schlitzwände, Bohrpfahlwände, Spundwände und
einer weitgehend wasserundurchlässigen
Sohle umschlossen.
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- – Die
Ausbildung einer weitgehend wasserundurchlässigen Baugrubensohle erfolgt
wahlweise durch:
- – Erreichen
einer natürlichen,
wasserstauenden Bodenschicht, was selten angetroffen wird;
- – Errichtung
einer Injektionssohle;
- – Unterwasserbetonsohle,
deren Auftriebssicherheit nur durch ihr eigenes Gewicht erreicht
wird oder deren Auftriebssicherheit durch Eigengewicht der Sohle
und der Wände
sowie durch die vertikale Erddruckkraft gewährleistet ist;
- – mit
Zugkraft aufnehmenden Elementen gegen Auftrieb gesicherte Unterwasserbetonsohle;
- – eine
Unterwasserbetonsohle, die gegen Auftrieb gesichert wird nur durch
ihr Eigengewicht und gegebenenfalls dem Gewicht der Baugrubenwände und
der Vertikalkomponente des Erddrucks;
- – eine
Kombination beider letztgenannten oder ähnlichen Varianten.
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Aus dieser weitgehend wasserdichten
Baugrube wird das vorhandene Wasser abgepumpt. Danach erfolgt eine
Restwasserhaltung für
Niederschlags- und Sickerwasser.
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Das eigentliche Bauwerk Sohle/Wand/Decke wird
anschließend
in diese Baugrube eingebaut. Der Tunnel/Trog wird in der Regel als
für sich
auftriebssicher hergestellt.
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Wird die Baugrubenwand als Bohrpfahlwand-
oder als Schlitzwand oder in Form einer Spundwand ausgeführt, so
kann die Baugrubenwand gleichzeitig als Bauwerkswand für den Tunnel
oder für
das unterirdische Bauwerk ausgebildet werden in „Berliner Bauweise" oder Tunnel/Trog
wird bei der „Hamburger
Bauweise" mit Abstand
zur Schalung/Baugrubenwand errichtet.
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Aus der AT-PS 330 677 ist ein Verfahren
zur Herstellung von Tunneln in Schlitzwandbauweise bekannt, was
wegen des nachträglichen
Aushubs der Baugrube und Fertigung der Sohle nur bei über dem Grundwasser
liegenden Tunneln anwendbar ist.
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Von daher liegt der Erfindung das
Problem zugrunde, ein verbessertes Bauverfahren sowie eine dafür verwendbare
Maschine vorzuschlagen, mit der Tunnel und trogförmige Rampen dafür sowohl
bei über
als auch unter dem Grundwasserspiegel liegenden Bauwerken errichtbar
sind.
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Das Problem wird erfindungsgemäß gelöst durch
die Merkmale der Ansprüche
1 und 9. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Die erfindungsgemäße Lösung bei dem gattungsgemäßen Verfahren
umfasst vorzugsweise die folgenden Schritte:
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- – die
Sicherung wird nur auf einer Teillänge der Trasse beidseits der
Baugrube mit möglichst
planparalleler Sicherungsoberkante erstellt,
- – die
Baugrube wird bis auf ein Maß entsprechend der
Unterkante einer Sauberkeitsschicht ausgehoben,
- – die
Sicherung wird an der Sicherungsoberkante als Verschubbahn für eine Fertigungsmaschine für das Bauwerk
hergerichtet,
- – die
Fertigungsmaschine wird oberhalb der Baugrube für den zu fertigenden Abschnitt über die Verschubbahn
eingefahren und positioniert,
- – mindestens
ein Abschnitt des Bauwerkes wird in der Fertigungsmaschine hergestellt
und mindestens teilweise ausgehärtet,
- – der
Abschnitt wird mittels der Fertigungsmaschine in die Baugrube abgesenkt
bis auf Sollhöhe,
- – in
die Baugrube wird unter dem Abschnitt bis auf Sollhöhe Unterwasserbeton
eingebracht und ausgehärtet.
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Der Bauablauf kann im Rahmen der
Erfindung in einzelnen Phasen ergänzt oder verändert werden.
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Zum Beispiel kann anstelle der Herrichtung der
Sicherungsoberkante als Verschubbahn auch eine entsprechende Arbeitsbühne zur
Aufnahme der Lasten der Fertigungsmaschine erstellt werden. Dies empfiehlt
sich, wenn der Boden nicht tragfähig
genug ist, auf der Sicherung diese Maschine zu tragen.
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Mit der Erfindung entfällt die
Notwendigkeit der Grundwasserabsenkung oder der Herstellung einer
temporär
gegen Aufschwimmen gesicherten Sohle. Ein weiterer Vorteil ist,
dass der jeweilige Abschnitt, sei es ein Tunnelelement oder ein
trogförmiges
Rampenteil von einer Tunnelzufahrt, komplett direkt über seinem
späteren
Verwendungsort über
der Baugrube hergestellt und nach Aushärten in seine Position vertikal
absenkbar ist. Das freie Hantieren mit Schaltischen, der Bewehrung
und das Betonieren über
dem Grundwasserspiegel erleichtern die Arbeit und Verringern die
Kosten für
die Baustelle.
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Die Sicherung ist dabei als Spundwand
mit Abstand zu dem abzusenkenden Abschnitt des Bauwerkes ausgebildet
und kann nach Aushärten
des Unterwasserbetons gezogen und wieder verwendet wird. Es können allerdings
auch andere stabile Baugrubensicherungssysteme verwendet werden
wie Rammpfähle
mit dazwischen gefügten
Schalwänden, wenn
diese Systeme stabil genug sind, die Traglast für die Fertigungsmaschinerie
aufzunehmen.
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Erfindungsgemäß wird weiterhin in der Fertigungsmaschine
zunächst
ein Schaltisch für
die Sohle und äußere Wandung
des Abschnittes eingesetzt;
Bewehrungen der Sohle und der Wandung
sowie aus der Sohle hervorragende und darin zu vergießende Aufnahmeelemente
für Zugmittel
werden in der Schalung positioniert;
die Innenwandschalung
hergestellt; und sodann die Wandungen und Sohle als monolithischer
Baukörper betoniert,
bevor das Ausbauen der Innenwandschalung nach Abbinden des Betons
beginnt. Letztlich werden dann die Zugmittel, beispielsweise Gewindestangen,
in zum Beispiel als Muttern ausgebildete Aufnahmeelemente eingesetzt
und mit einer Hebevorrichtung an der Fertigungsmaschine verbunden, um
die Sohle und damit zugleich den bereits fertig gestellten Tunnel-
oder Trogabschnitt anzuheben um wenige cm, damit der Schaltisch
zur nächsten
mit einer entsprechenden Baugrubensicherung versehenen Teillänge verschoben
werden kann.
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Das Verfahren wird fortgesetzt, wenn
der betreffende Abschnitt ein Tunnelabschnitt ist mit den weiteren
Schritten:
Positionieren einer Deckenschalung; Deckenbewehrung
einbauen und gegebenenfalls mit der Bewehrung der Wandung verbinden;
Decke betonieren und aushärten
lassen; Verschieben der Deckenschalung zum nächsten zu fertigenden Abschnitt.
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Alternativ ist es möglich, die
Sohle vorweg zu erstellen und Wandungen und Decke, monolithisch vergossen,
zu erstellen.
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Die erfindungsgemäße Lösung umfasst ebenfalls ein
Vorrichtungssystem als Fertigungsmaschine zum Herstellen eines tunnel-
oder trogförmigen
Bauwerks aus Beton längs
einer Trasse, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens, nämlich
einen
Portalgerüst,
geeignet eine Baugrube für
das Bauwerk zu überspannen,
das auf einer beidseitigen Baugrubensicherung verschiebbar anzuordnen
ist, je einen verschiebbaren Schaltisch für mindestens die Sohle und
die Wandungen sowie die Decke des Bauwerks, eine Hebeeinrichtung
für das
vertikale Bewegen eines Abschnittes des Bauwerks mittels an der Hebevorrichtung
anschlagbarer Zugmittel und Rollen zum Führen des Abschnitts in Kooperation
mit der Hebeeinrichtung oder das Verschieben von Teilen des Systems.
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Verschiedene Rollen-Einrichtungen
dienen unterschiedlichen Zwecken: Das Portalgerüst auf der Oberkante der Sicherung
und den Schaltisch auf der oberen Steifenlage der Baugrubensicherung
mittels Rollen horizontal verschiebbar zu halten, sobald diese beim
nächsten
Abschnitt gebraucht werden bzw. als Rollen zum Führen des Abschnitts in Kooperation mit
der Hebeeinrichtung, an der Spundwand nach Entfernen der Steifenlage
angeordnet und vertikal ausgerichtet, beim geführten Absenken des Abschnitts
in seine genaue Endposition. Zugleich wird während des Absenkvorganges erreicht,
dass der abzusenkende Abschnitt über
die ihn beim Absenken führenden
Rollen die beidseitigen Spundwände
anstelle der demontierten Steifenlage in Position halten und so
bis zur Fertigstellung die Baugrube seitlich stabil bleibt.
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Der Zweck und die Vorteile der Erfindung werden
noch deutlicher durch die folgende Beschreibung der Merkmale anhand
einer Zeichnung.
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Es zeigen:
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1 eine
Querschnittsansicht eines Tunnelabschnittes über der Baugrube nach dessen
Fertigstellung in der Fertigungsmaschine und im abgesenkten Zustand;
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2 ein
Detail des erfindungsgemäßen Vorrichtungssystems
gemäß 1;
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3 einen
Längsschnitt
durch fertig gestellte und im Bau befindliche Tunnelabschnitte.
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Im Folgenden bezeichnen identische
Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Teile.
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In den gewachsenen Boden 1 mit
einem Grundwasserspiegel 5 nahe der Bodenoberfläche wurde
gemäß 1 entlang einer Bahntrasse
beidseits der Trasse eine Spundwand 2 mit Steifenlage 3 zur
Sicherung einer Baugrube 6, die bis Unterkante Sauberkeitsschicht 7 ausgehoben
dargestellt ist, eingerammt. Auf der planparallelen Oberkante der Spundwand 2 wurde
eine Verschubbahn 8 angebracht, die als Unterlage für eine Rolleinrichtung 9 dient,
auf der ein Portalgerüst 10 in
die Zeichnungsebene hinein verschiebbar angeordnet. Das Portalgerüst 10 überspannt
die Baugrube quer und verfügt
auf seinem Obergurt 11 über
eine Hebeeinrichtung 12.
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Der Tunnelabschnitt 13,
bestehend aus Sohle 14, Wandungen 15 und Decke 16,
ist fertig betoniert und wartet auf das Absenken in die Baugrube 6 in
die mit 13' angegebene
Position. Das Absenken geschieht wie folgt: Beim Herstellen der
Sohle 14 auf dem entlang der Trasse verschiebbaren Schaltisch 19,
der auch eine nicht dargestellte Außenschalung für die Wandungen 15 aufweist,
wurde zugleich mit der nicht sichtbaren Bewehrung ein Ankerelement mit
Mutter 17 in die Sohle eingesetzt und anschließend im
Beton vergossen. In die Mutter 17 werden Gewindestangen 18 als
Zugmittel eingeschraubt, durch Bohrungen in der Decke 16 geführt und
in der Hebeeinrichtung 12 angeschlagen. Die Zugmittel erlauben
es nun, zunächst
den Tunnelabschnitt 13 anzuheben, damit der Schaltisch 19 verschoben
werden kann und der Weg in die Baugrube 6 frei wird. Die
Hebeeinrichtung 12 senkt nun mittels Zugmittel 18 den
Abschnitt 13 in Baugrube ab und die Sohlenunterkante wird
mit etwa 10 cm Abstand über
dem Boden der Baugrube gehalten. Nun wird Ausgleichsbeton 20 in
Grube unter die Sohle 13' gepumpt;
zugleich wird auch Beton etwas seitlich der Sohle eingebracht bis
nahe an die Spundwand 2, die einen Abstand von etwa 40
cm zur Wandung 15 des Tunnelabschnitts hat. Nach Aushärten des
Ausgleichsbeton 20 werden die Stangen 18 gelöst und gezogen,
sodass der Tunnelabschnitt auf der Ausgleichsbetonsohle ruht. Nunmehr
kann das Portalgerüst 10 zum nächsten Bauabschnitt
verschoben werden. Die Spundwand 2 wird gezogen und für einen
weiteren Trassenabschnitt neu gerammt.
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Die Deckenschalung für die Decke 16 des Tunnels 13,
normalerweise außen
am Obergurt 11 oder den Streben 21 des Portalgerüstes 10 geführt, ist
ebenfalls nicht dargestellt; sie wurde nach Fertigbetonieren des
Abschnitts 13 bereits zum nächsten Abschnitt verschoben.
Die nicht gezeigten Innenschalungen für Wandungen, Sohle und Decke
wurden ebenfalls schon entfernt.
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2 zeigt
ein Detail von 1 in
vergrößerter Darstellung.
Hier ist die oben liegende Steifenlage 3, auf der Schaltisch – in üblicher
fachmännischer
Ausführung – abgestützt wird,
zu erkennen. Der Schaltisch ist auf nicht gezeigten eigenen Rolleinrichtungen
horizontal verschiebbar.
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Dargestellt sind noch Rollen 22,
angebracht an der Spundwand zu deren Versteifung in Kombinationswirkung
mit dem Abschnitt 13, die zugleich der vertikalen Führung des
Tunnelabschnittes 13 beim Absenken dienen.
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3 zeigt
im Längsschnitt
links zwei bereits verlegte, auf Ausgleichsbeton 20 ruhende
Tunnelabschnitte 13, während
zwei weitere Abschnitt 13 vor dem Absenken und dabei ein
Abschnitt 13, beide auf Schaltischen 19 mit fertig
gestellter Sohle 14 und Wandung 15, jedoch ohne
Decke 16, dargestellt sind. Mittels Rücksprüngen 23 bzw. 24 werden
die Abschnitte formschlüssig
unter Belassung von Dehnungsfugen 25, die später genau
wie eine Deckfuge 26 mit Dichtungen verschlossen werden,
verhakt.
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Der gesamte Bauablauf in der bevorzugten Variante
der Erfindung für
einen Abschnitt dauert etwa zwei Wochen für die folgenden Arbeiten:
Sicherung/Verbau
herstellen einschließlich
der Steifenlage;
Bodenaushub bis Unterkante Sauberkeitsschicht;
Aufbau
des Schaltisches;
Schalung der Sohle und der Wandung von außen;
Einbau
der Bewehrungen in Sohle und Wandungen;
Einsetzen der Anker
für Zugmittel
in die Sohlenbewehrung;
Herstellen der Innenschalung für Sohle
und Wandungen;
Sohle und Wandungen als monolithischen Baukörper betonieren;
Portalgerüst über Abschnitt
schieben;
Innenschalung ausbauen;
Deckenschalung positionieren;
Zugmittel
in Anker einbringen und an Hebeeinrichtung anschlagen und betonierten
Baukörper
anheben;
Schaltisch zum nächsten
Abschnitt verschieben;
Decke betonieren;
Nach Aushärten der
Decke den Deckenschaltisch zum nächsten
Abschnitt verschieben;
Absenken des Tunnelabschnittes bis über die
Steifenlage;
Ausbau der Steifenlage und weiteres Absenken des Abschnittes
auf Sollhöhe;
Einbau
der vertikalen Roll-Einrichtungen an der Spundwand;
Dichtungen
einbringen;
Einbringen von Unterwasserbeton als Ausgleichsbeton
unter und seitlich des abgesenkten Abschnittes;
Nach Aushärten des
Ausgleichsbetons werden die Zugmittel gelöst und entfernt;
Portalgerüst wird
zum nächsten
Abschnitt verschoben.