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Einfluss der Grundwasserströmung auf das Quellverhalten des Gipskeupers im Tunnelbau
Prof. Dr. P. Huggenberger, Dr. E. Zechner, Dr. C. Butscher, Dr. H. Dresmann
Das Quellen von sulfathaltigen Tongesteinen ist eine im Tunnelbau bekannte Gefährdung, die zu grossen Schwierigkeiten und hohen Extrakosten bei der Erstellung und Wartung von Tunnels führen kann. Mögliche Folgen des Gebirgsquellens sind die Hebung der Tunnelsohle, eine Zerstörung der Tunnelummantelung oder eine Anhebung der Tunnelröhre als Ganzes.
Im Rahmen von zwei Forschungsprojekten des Bundesamts für Strassen (ASTRA) untersuchen wir das im Gipskeuper stattfindende Gebirgsquellen im Belchen- und im Chienbergtunnel. In diesen Tunnels findet das Gebirgsquellen nur in gewissen Abschnitten des Gipskeupers statt. In anderen, geologisch ähnlichen Abschnitten ist jedoch kein Gebirgsquellen zu beobachten. Für das Verständnis dieser Unterschiede spielt die Grundwasserzirkulation eine wichtige Rolle: Das Quellen wird durch die Umwandlung des Minerals Anhydrit in Gips bei Wasserzutritt verursacht (Hydration von Anhydrit), wobei eine Volumenzunahme von 60 % stattfindet. Wir nehmen an, dass sich die Umwandlung über die Auflösung des Anhydrits, den Transports der gelösten Stoffe mit dem Grundwasserfluss, und schliesslich der Ausfällung des Gipses vollzieht.
In den Forschungsprojekten werden deshalb die regionalen und lokalen Grundwasser-Zirkulationssysteme in Zusammenhang mit dem Tunnelbau untersucht und ihre Beziehung zu den auftretenden Quellerscheinungen erforscht. Dazu werden die Potenzialverteilung und Wasserflüsse in verschiedenen räumlichen Richtungen und Massstäben mit Hilfe von Grundwassermodellen ermittelt. Die hydrogeologischen Studien haben zum Ziel, die Beziehungen zwischen Oberflächenhydrologie, Topographie, geologischen Strukturen und dem Grundwasserfluss einerseits, und dem Gebirgsquellen andererseits herauszuarbeiten.
Die Projekte sind Bestandteil einer Forschungskooperation zwischen der ETH Zürich und der Universität Basel bei der Erforschung der Quellvorgänge im Gipskeuper. Die Ergebnisse können zu Vorschlägen für Massnahmen im Belchen- und Chienbergtunnel führen. Sie bilden ausserdem eine wissenschaftliche Basis für Entscheide bei der Projektierung und Durchführung zukünftiger Bau- oder Sanierungsprojekte von Tunnels im Gipskeuper.