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21. Mai 2016 00:00 Uhr

Gotthard-Tunnel

Tunnelbauer mussten sich durch verschiedenste Gesteine kämpfen

Kilometertief haben sich die Tunnelbauer in das Bergmassiv am Gotthard gebohrt. Sie müssen dabei genau wissen, worauf sie sich einlassen – denn Stein ist nicht gleich Stein. Ein geologischer Überblick.

  1. Für jeden Tunnelbau braucht es die passende Maschine. Hier zu sehen: die Tunnelbohrmaschine S164 von Herrenknecht. Foto: BZ

  2. Schiefer Foto: Carlos Caetano

  3. Gneiss Foto: Alp Transit

Wer je versucht hat, ein Loch in eine Wand zu bohren, weiß: Stein ist nicht gleich Stein. Und wer sich einen besonderen Stein aus dem Urlaub mitbringt, um ihn sich als Anhänger an die Halskette zu hängen, steht vor einer ganz anderen Herausforderung. Ohne passendes Werkzeug geht nichts. Wer sich kilometertief in ein Bergmassiv bohren will, wie jetzt am Gotthard geschehen, sollte deshalb genau wissen, worauf er sich einlässt – und für alle Fälle das richtige Werkzeug mitführen.

"Es ist die Entstehungsgeschichte, die ein Gestein von einem anderen Gestein unterscheidet", sagt Professor Frank Preusser, Geologe an der Universität Freiburg. Nach ihrer Entstehung lassen sich Gesteine in die drei großen Kategorien magmatische, sedimentäre und metamorphose Gesteine unterteilen. Magmatische Gesteine entstehen nach dem Abkühlen und Aushärten – der Kristallisation – eines ganz kleinen Teils der flüssigen Erdkruste. Je nachdem, unter welchen Bedingungen dieser Prozess verläuft, entstehen unterschiedliche Strukturen. Gelangt das Magma an die Erdoberfläche und härtet dort, entstehen Basaltgesteine – welche genau, entscheidet die chemische Zusammensetzung. Aber es bleibt Basalt. Auf die gesamte Oberfläche der Erde bezogen ist dies die häufigste Gesteinsform, vor allem, weil große Teile der Meeresböden aus Basalten bestehen.

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Basalt ist die häufigste Gesteinsform auf der Erde

Erkaltet das Magma hingegen im Erdinnern, so erfolgt die Kristallisation in einem eher langsamen Prozess, der zudem unter unterschiedlichen Druckverhältnissen erfolgt. Am Ende steht zum Beispiel Granit. "Granit ist gekennzeichnet durch seine Körnung aus Mineralien, die aus der Schmelze herauskristallisiert sind", sagt Preusser. Granit setzt sich bevorzugt zusammen aus Feldspat, Quarz und Glimmer. Der Stein kommt in verschiedenen Farben vor, je nachdem, welche chemischen Verbindungen enthalten sind. Granit ist hart und ausgesprochen widerstandsfähig – daher das Sprichwort: auf Granit beißen. Aber manch ein Granit ist auch spröde. So etwa im südlichen Teil des ansonsten bautechnisch günstigen Gotthard-Massivs, wo der Granit extrem hart ist, aber unter Spannung stand und es zu zahlreichen Bergschlägen kam.

Eine ganz andere Art Gestein sind die sogenannten klatischen Sedimente, die an der Erdoberfläche durch Umschichtungen und Verwitterung entstehen. Sie weisen völlig andere Eigenschaften auf. Markant für die meisten Sedimentgesteine sind die sichtbaren Schichtungen. Etwa weil Gletscher Gestein wie unter einem Mahlstein zerrieben haben. Zurück bleiben feine Körner: Sand. Solche Reste lagern sich Schicht für Schicht übereinander, im Laufe der Zeit und unter sehr hohem Druck entstehen verschiedene Sedimentgesteine. Sandstein ist an der eher groben Körnung leicht zu erkennen. Der rote Sandstein, wie er in Freiburg verbaut wurde, ist vor 250 Millionen Jahren in wohl weniger als fünf Millionen Jahren in Südbaden entstanden, das einst eine Wüstenregion im germanischen Becken war.

Ebenfalls ein Sedimentgestein ist Ton, der sich durch die deutlich feinere Körnung vom Sand unterscheidet. Tongestein ist weich und geschmeidig. Bleibt der Druck lange Zeit sehr hoch, kann sich Ton in Schiefer verwandeln, ein hartes Gestein, dessen dünne Platten aber auch leicht brechen. Zu den Sedimenten gehören auch die Gesteine, die durch Ausfällen aus einer Flüssigkeit entstehen, die sogenannten Evaporite. Das wohl Bekannteste ist Kalk. Wie schnell dieser sich zum Beispiel aus Wasser löst, weiß jeder Benutzer eines Wasserkochers. Für Tunnelbauer sind Kalkformationen tückisch, weil sich darin häufig Höhlen bilden.

Dritte große Gesteinsgruppe sind die metamorphen Gesteine, die durch Verwandlung ("Metamorphose") entstanden sind. Dazu erforderlich sind hohe Temperaturen und ein hoher Druck oder beides. Gneise gehören zu dieser Gruppe, aber auch Marmor, ein extrem nachgehärteter Kalkstein. Das ist vor allem dann wichtig zu wissen, wenn Marmor im Haus verbaut ist – denn zum Reinigen des Marmorfußbodens darf kein kalklösender Essig benutzt werden. Schiefer wird bisweilen auch den metamorphen Gesteinen zugeordnet. "Metamorphite zeichnen sich durch mineralogische und zum Teil chemische Veränderungen aus", sagt Preusser. Ganze Gesteinsverbände würden durch die Veränderungen dieser Metamorphite in ihrer Struktur zerstört.

Beim Gotthard, so der Experte, sei das eine große Befürchtung gewesen: Dass man auf Störzonen trifft, also auf Schichten mit sehr schlechten Baueigenschaften – in diesem Fall vor allem bröseliges Gestein. "Man denkt immer, hartes Gestein sei das größte Hindernis beim Tunnelbau, aber das stimmt nicht. Das größte Problem ist die fehlende Standfestigkeit." Solche Störzonen seien "der Alptraum eines jeden Tunnelbauers", sagt Preusser.

Störzonen können auch beim Auffalten der Alpen entstanden sein. In der Folge verlaufen die Gesteinsschichten nicht mehr horizontal, sondern vertikal. Bei diesem Prozess werden auch zusammenhängende Schichten zerstört und zerbröselt. Auf solche Kakirite, brüchiges Gestein, stieß die Bohrmannschaft im Gotthard, die sich von Süden nach Norden vorarbeitete. Und zwar nicht dort, wo man es am ehesten erwartet hatte, in der sogenannten Piora-Mulde, in der bröseliger Dolomit vorkommt. Unmittelbar davor überlagerten sich eine vertikal- und eine horizontal geschichtete Gneisformation, wodurch sich die Bedingungen ständig änderten. Auch im Nordabschnitt saß eine Maschine zeitweise still, nachdem im Juni 2005 mit Bergwasser vermischtes aufgelockertes Gestein über den Bohrkopf hereinbrach und ihn lahmlegte. Anfangs versuchten die Arbeiter, das feine Material von Hand wegzuschaffen, doch das gelang ihnen nicht. Bevor es weitergehen konnte, musste das über der Stelle liegende Gestein mit Injektionen verfestigt worden.

Zerstört werden bei solchen Faltungen besonders die metamorphen Schichten. Für die Tunnelplaner liegt das Problem darin, dass solche Störzonen zum Teil recht klein und durch Messungen von außen oder Probebohrungen kaum zu orten sind. Man bohrt sich also durch unbekanntes Terrain. In einer der Störzonen zeigte sich das Gotthardmassiv eher geschmeidig. Der Berg gab nach, das 9,5 Meter große Loch schloss sich bis auf acht Meter, es musste nachgebohrt und gesichert werden.

Weil all solche Bedingungen berücksichtigt werden müssen, sind Tunnelbohrmaschinen Spezialanfertigungen für genau diesen Bau, im Falle des Gotthard stammen sie vom Schwanauer Hersteller Herrenknecht. Es funktionieren aber alle nach einem ähnlichen Prinzip: Hydraulikpressen klemmen die Maschine fest, an der Spitze dreht sich ein Bohrkopf oder Schild. Je nach Gestein wird mehr geschnitten, gerieben, gefeilt, gefräst oder gekratzt. Was dabei an Gestein ausgebrochen wird, wird mit der Drehung über Schlitze im Schild eingesammelt und auf Förderbändern nach hinten befördert. Dann wird der Anpressdruck an die Seitenwände gelockert, die Maschine schiebt sich wie ein Wurm nach vorne, klemmt sich fest und zieht sich wieder zusammen. Die Werkzeuge an einem Schild müssen je nach Gestein täglich ausgewechselt werden. Am Gotthard kamen im Laufe der Bauzeit 23 000 Schneidrollen zum Einsatz.

Noch spezieller waren zuletzt die Herausforderungen beim Bau des Eurasia-Tunnels unter dem Bosporus. Denn dort führt die Röhre nicht nur durch sehr unterschiedliches Gestein – weiches Sediment- und hartes magmatisches Gestein –, der Tunnel führt von der Meereshöhe aus bis in eine Tiefe von 106 Metern und zurück. Das machte zum einen eine kombinierte Maschine erforderlich, die mit beiden Gesteinen klarkommt. Gearbeitet wurde außerdem zum Teil unter einem Außendruck von elf Bar. Dadurch wurde der Werkzeugwechsel zu einer besonderen Herausforderung, denn die Arbeiter waren eigens in Hochdruckkammern untergebracht, um sich an die Bedingungen anzupassen.

Autor: fs