Erläuterung der Grundlagen

Ein im Opalinuston erstellter Hohlraum muss nach dem Ausbruch mit einer Ausbruchsicherung stabilisiert werden, um die Arbeitssicherheit während der Bauphase zu gewährleisten. Der Ausbau der HAA-Lagerstollen muss im aktuell verfolgten Lagerkonzept das Gebirge nur in der operativen Phase stützen, weil der Bentonit das Gebirge nach Verfüllung des Lagerstollens stützt. Die anschliessend eingebrachte Verkleidung (Innenschale) definiert den Querschnitt des Tunnels und muss auf die geplante Nutzungsdauer der jeweiligen Untertagbauwerke dimensioniert werden.

Grundsätzlich wird zwischen einem zweischaligen und einem einschaligen Ausbau unterschieden (Figur 182-1). Bei einem zweischaligen Ausbau wird nach der Erstellung des Hohlraums zunächst eine starre oder nachgiebige Ausbruchsicherung eingebaut. Die Ausbruchsicherung gewährleistet die Stabilität des Hohlraums. Die endgültige Verkleidung folgt anschliessend mit zeitlichem Versatz. Übernimmt die eingebaute Tragstruktur sowohl die Funktion der Ausbruchsicherung als auch der endgültigen Verkleidung, oder wird die Ausbruchsicherung kraftschlüssig mit der Verkleidung verbunden, spricht man von einem einschaligen Ausbau.

Die Wahl des Ausbaus ist überwiegend abhängig von der vorhandenen Geologie (relevante Gefährdungsbilder) und der geplanten späteren Nutzung des Tunnels.

Gemäss Norm SIA 198 Untertagbau – Ausführung werden im Untertagbau im Fels die Vortriebsverfahren Sprengvortrieb, Tunnelbohrmaschinenvortrieb sowie der maschinenunterstützte Vortrieb im Fels mit Teilschnittmaschine unterschieden (siehe Figur 182-2).

Bei Tunnelbohrmaschinen wird zusätzlich danach differenziert, ob eine mitlaufende Stützvorrichtung vorhanden ist. Tunnelbohrmaschinen-Vortriebe ohne Stützvorrichtung werden als Gripper-Maschinen beziehungsweise als offene Tunnelbohrmaschinen bezeichnet. Befindet sich hingegen hinter dem Bohrkopf eine Stützvorrichtung in Form eines Schildes (Stahlmantel), spricht man von Schild-Tunnelbohrmaschinen. Weitere Informationen zu Tunnelbohrmaschinen findet man auf der folgenden Webseite eines Herstellers inklusive Erklärvideo: Einfachschild-TBM. Die folgenden Bilder zeigen Maschinen der unterschiedlichen Vortriebsverfahren (Figur 182-3).

Die Wahl des geeigneten Vortriebsverfahrens (Sprengvortrieb, Tunnelbohrmaschinenvortrieb oder maschinenunterstützte Vortrieb im Fels) hängt von verschiedenen Kriterien ab. Zu den massgebenden Einflussfaktoren zählen insbesondere der anstehende Baugrund sowie die hydrogeologischen Verhältnisse wie Berg- und Grundwasser. Darüber hinaus spielen weitere Randbedingungen – beispielsweise Topographie, Umweltaspekte, benachbarte Bauwerke oder Montageverhältnisse – eine wichtige Rolle. Ebenfalls von Bedeutung sind projektspezifische Merkmale wie das Normalprofil, die Vortriebslänge, die Überdeckung, die gewählte Ausbauart sowie Terminvorgaben. Nicht zuletzt müssen auch Aspekte der Arbeitssicherheit und des Gesundheitsschutzes berücksichtigt und im Kontext mit der Langzeitsicherheit abgewogen werden.

Eine nachgiebige Ausbruchsicherung (Figur 182-4) wird eingesetzt, wenn das Gefährdungsbild «druckhaftes Gebirge» vorhanden ist, was für ein geologisches Tiefenlager in Nördlich Lägern zutrifft. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass die eingebaute Ausbruchsicherung in der Lage ist, Deformationen des Gebirges aufzunehmen, um die langfristigen Lasten auf die Tragstruktur zu reduzieren. Neben der Systemankerung zur Stabilisierung des Gebirges wird in der Regel eine geschlitzte Spritzbetonschale eingebaut, häufig in Kombination mit Gleitbögen. Dabei handelt es sich um Stahlbögen mit Gleitschlössern, die sich um ein bestimmtes Mass ineinanderschieben können. Es besteht die Möglichkeit, die Ankerlänge mit Kupplungen zu verlängern, d.h. längere Anker einzubauen, als es die geometrischen Randbedingungen wegen der Manövriermöglichkeit im Tunnel erlauben. Die nachgiebige Ausbruchsicherung ermöglicht das kontrollierte Zulassen von Konvergenzen, also Verformungen des Gebirges in Richtung des ausgebrochenen Hohlraums. Dadurch kann sich der Gebirgsdruck teilweise abbauen. In der Folge reduziert sich der erforderliche Ausbauwiderstand, sodass die Verkleidung (Innenschale) sowohl technisch als auch wirtschaftlich auf ein sinnvolles Mass dimensioniert werden kann.

Im Gebirge wirken natürliche Spannungen, deren Gleichgewicht durch den Bau eines Tunnels verändert wird. Spannungsumlagerungen können zu Rissen oder zu einer Aktivierung neuer Bruchflächen führen. Um mehrfache Spannungsumlagerungen im Gebirge zu vermeiden, wird ein möglichst schneller Ringschluss angestrebt. Unter einem Ringschluss wird der zeitnahe und vollständige Einbau der Ausbruchsicherung über den gesamten Tunnelquerschnitt verstanden.

Diese Art der Ausbruchsicherung kann sowohl beim Sprengvortrieb als auch beim maschinenunterstützten Vortrieb im Fels eingesetzt werden. Erfolgt der Tunnelvortrieb hingegen mit einer Schild-Tunnelbohrmaschine, werden Tübbinge (Betonfertigteile) als Ausbruchsicherung und zugleich als endgültige Verkleidung eingebaut (Figur 182-5).

Die Tübbinge werden im Schutz des Schildes zu einem geschlossenen Ring zusammengefügt. Der maschinenbedingt entstehende Ringspalt zwischen Gebirge und Tübbingring wird anschliessend mit Mörtel verfüllt. Um ein Verklemmen des Schildmantels während des Vortriebs zu vermeiden, wird der Tunnel mit einem Überschnitt – ähnlich dem Überprofil – aufgefahren.

a)

Welche Ausbruchtechnik ist für einen bündigen Einbau der Tunnelverstärkung am besten geeignet?

Für einen bündigen Einbau der Ausbruchsicherung eignen sich insbesondere die Vortriebsverfahren Sprengvortrieb, Schild-Tunnelbohrmaschine sowie der maschinenunterstützte Vortrieb im Fels. Die Ausbruchsicherung wird dabei in Form von Spritzbeton oder – bei maschinellem Vortrieb mit Tübbing – durch die Mörtelverfüllung des Ringspalts bündig an die Ausbruchsfläche des Tunnels angebracht.

Zudem wird ein früher Ringschluss, d.h. ein möglichst zeitnaher und vollständiger Einbau der Ausbruchsicherung, angestrebt. Im Vergleich zu den genannten Verfahren weist die Gripper-Tunnelbohrmaschine diesbezüglich Nachteile auf, da das Aufbringen des Spritzbetons maschinenbedingt erst im Nachläuferbereich^[1] erfolgt. Dadurch kommt es zu einem verzögerten beziehungsweise späteren Ringschluss.

Welche Technik ist für das Tiefenlager tatsächlich vorgesehen und warum?

Weder Vortriebs- noch Ausbauverfahren sind definitiv festgelegt. Erst die baubegleitenden Untersuchungen im zentralen Bereich und die Aktivitäten in den Testbereichen werden belastbare Informationen zu den in-situ Verhältnissen liefern. Wie vom Gesetzgeber mit dem schrittweisen Vorgehen zur Realisierung des Tiefenlagers vorgesehen, wird die Nagra erst mit diesen Informationen die Baumethoden und die Auslegung des Lagerbereichs festlegen. Zum Zweck des Standortvergleichs wurden pro Lagertyp vergleichbare Lagerprojekte für alle Standortgebiete erstellt. Dazu sind exemplarisch Vortriebs- und Ausbauverfahren gewählt worden, die für alle Standortgebiete die Anforderungen aus Bau, Betrieb und Langzeitsicherheit erfüllen. Anhand dieser Projekte wurden die lagerbedingten Einflüsse sowie die bautechnische Eignung des Untergrundes im Rahmen des Sicherheitstechnischen Vergleichs der SGT-Etappe 3 bewertet. Exemplarisch wurde für die Bauwerke auf Lagerebene der Sprengvortrieb angenommen, während für die HAA-Lagerstollen der Vortrieb mit einer Schild-Tunnelbohrmaschine berücksichtigt wurde.

Bei dem angenommenen Sprengvortrieb mit nachgiebiger Ausbruchsicherung, wie in den Grundlagen beschrieben, handelt es sich um eine im druckhaften Gebirge bewährte und vielfach erprobte Methode, welche einen Vollausbruch mit raschem Ringschluss ermöglicht. Ein weiterer Vorteil des Sprengvortriebs besteht darin, dass mehrere Tunnelvortriebe parallel betrieben werden können. Die beim Ausbruch entstehenden freien Ausbruchsflächen lassen sich zeitnah durch das Aufbringen von Spritzbeton sichern und versiegeln. Darüber hinaus erlaubt der Sprengvortrieb eine hohe Flexibilität hinsichtlich der Ausbruchsgeometrie (Nischen, Abzweiger, etc.), sodass auch komplexe Bauwerksformen umgesetzt werden können. Auch die Beherrschung der beim Ausbruch entstehenden Staubbelastung (Sprengschwaden) ist mit den heute üblichen technischen und organisatorischen Massnahmen realisierbar.

Für die HAA-Lagerstollen wurde exemplarisch das Vortriebsverfahren Schild-Tunnelbohrmaschine zugrunde gelegt. Der Tunnelvortrieb mit einer Schild-Tunnelbohrmaschine ermöglicht einen schonenden und kontinuierlichen Ausbruch des Gebirges. Durch den unmittelbaren Einbau der Tübbinge hinter dem Bohrkopf zu einem Tübbingring wird ein früher Ringschluss erreicht, wodurch die Stabilität des Hohlraums gewährleistet werden kann. Da in den langgestreckten HAA-Lagerstollen keine Geometrieänderungen erforderlich sind, kann der Stollen mit einer Tunnelbohrmaschine aufgefahren werden. Zudem bietet der mechanisierte Vortrieb bei längeren Strecken durch den kontinuierlichen Abbauprozess betriebliche Vorteile. Die Arbeitssicherheit wird durch das starre Schild erhöht und der beim Abbau entstehende Staub kann direkt am Entstehungsort gefasst und gefiltert werden. Die Schild-Tunnelbohrmaschine ist insbesondere bei kleineren Tunnelquerschnitten vorteilhaft. Bei einem Innendurchmesser der HAA-Lagerstollen von etwa 2.8 m kommt eine Gripper-Tunnelbohrmaschine derzeit nicht in Betracht. Am geplanten Vortriebsende der Stollen wird ein grosser Teil der Maschine durch den Stollen zurückgezogen, während das Schild am Stollende verbleibt. In das Stollenende wird anschliessend eine Ortbetoninnenschale eingezogen.

Mit dem Entscheid für ein Kombilager am Standort Nördlich Lägern besteht nun die Möglichkeit, das Projekt an diesem einen Standort hinsichtlich der baulichen und betrieblichen Abläufe weiter zu optimieren. Andere Vortriebsverfahren sind grundsätzlich denkbar und werden im weiteren Verlauf des Verfahrens geprüft. Das optimale Vortriebsverfahren für den gewählten Standort und die zu realisierende Anlage wird im weiteren Bewilligungsverfahren festgelegt.

Welche Ziele werden verfolgt, welche Stärken und Schwächen haben die Ausbruchmethoden?

Sowohl projektspezifische Anforderungen wie auch geomechanische und sicherheitstechnische Randbedingungen fliessen in die Wahl des Vortriebsverfahrens ein.

Ziele aus Projektsicht

Aus projektspezifischer Sicht besteht das übergeordnete Ziel darin, für die verschiedenen Bauwerke das jeweils am besten geeignete Vortriebsverfahren auszuwählen. Dabei werden Anforderungen an die Sicherheit bei Bau und Betrieb im Kontext mit der Langzeitsicherheit abgewogen. Es wird sichergestellt, dass alle Anforderungen eingehalten werden. Weitere wichtige Kriterien sind unter anderem Termine, logistische Randbedingungen sowie Kostenaspekte.

Ziele aus geomechanischer und statischer Sicht

Aus geomechanischer beziehungsweise statischer Sicht ist insbesondere ein möglichst schneller Ringschluss anzustreben. Durch den zeitnahen vollständigen Einbau der Ausbruchsicherung kann die Stabilität des Hohlraums frühzeitig gewährleistet und Spannungsumlagerungen im Gebirge stabilisiert werden. In der nachfolgenden Tabelle 182-1 sind die Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Vortriebsverfahren für das geologische Tiefenlager rudimentär gegenübergestellt.

b)

Wird der Raum zwischen Tunneleinbau und Fels aufgefüllt?

In der exemplarischen Umsetzung für das RBG erfolgt nach dem Ausbruch des Hohlraums beim Sprengvortrieb oder beim maschinenunterstützten Vortrieb im Fels mit Teilschnittmaschine zunächst eine bündige Sofortsicherung beziehungsweise Versiegelung der Ausbruchsflächen mit Spritzbeton. Anschliessend wird die Ausbruchsicherung aus Spritzbeton, Gleitbögen und Ankern vervollständigt, der Ringschluss wird erzeugt. Beim Vortrieb mit einer Schild-Tunnelbohrmaschine wird im Schutz des Schildes ein Tübbingring erstellt. Anschliessend wird in der exemplarischen Umsetzung für das RBG der zwischen Gebirge und Tübbingring verbleibende Ringspalt mit Mörtel verfüllt.

Welches Material wird in den Hohlraum eingebracht?

Es wird Spritzbeton oder Mörtel eingebracht (siehe auch TFS-Frage 170). Im Falle von Sprengvortrieb oder maschinenunterstütztem Vortrieb im Fels mit Teilschnittmaschine werden zusätzlich Anker und Gleitbögen zur Hohlraumsicherung eingesetzt.

Ist eine Befeuchtung oder Austrocknung des Hohlraums und des Gesteins mit der Belüftung möglich?

Die Bewetterung sowie Kühlung sind aus Gründen der Arbeitssicherheit erforderlich, um geeignete klimatische Bedingungen am Arbeitsplatz sicherzustellen. Durch die aktive Bewetterung der Untertagarbeiten während der Erstellung der Tunnelbauwerke kann es zu einer oberflächennahen Austrocknung des Opalinustons kommen. Diese beschränkt sich auf den unmittelbaren Bereich der Ausbruchsoberfläche. Bisherige Messungen haben gezeigt, dass Veränderungen im Wassergehalt bis maximal wenige Dezimeter tief im Gestein auftreten.

Der beim Sprengvortrieb bzw. beim maschinenunterstützten Vortrieb im Fels eingesetzte Spritzbeton sowie der Mörtel zur Ringspaltverfüllung bei einer Schild-Tunnelbohrmaschine enthalten geringe Mengen an freiem Wasser. Dadurch kann eine minimale, temporäre Befeuchtung der Oberfläche des Opalinustons auftreten. Lokale und oberflächliche Austrocknungs- oder Befeuchtungseffekte infolge der Erstellung der Untertaganlagen können somit auftreten. Das Potential zur Befeuchtung ist zeitlich und volumetrisch jedoch sehr begrenzt und nicht relevant. Die Austrocknung durch die Bewetterung erfasst den Opalinuston nur im oberflächennahen Bereich und hat keine negativen Konsequenzen auf die Stabilität des Ausbaus. Nach der Verfüllung wird dieser Bereich sehr langsam durch die Diffusion  von Wasser aus dem Gebirge wieder aufgesättigt. Die Wirkungsweise von Entsättigung und Aufsättigung ist auch nachfolgend beschrieben.

c)

Ausbruchbedingte Rissmuster um den Tunnelhohlraum, die sogenannte Ausbruchzone, sind im Tonstein gut charakterisiert. Einerseits durch direkte Untersuchungen in Untertagelabors, etwa im Mont Terri für den Opalinuston (z.B. Nagra 2014, Marschall et al., 2017) oder in Bure in Frankreich für den sehr ähnlichen Callovo-Oxfordian Tonstein (z.B. Armand et al., 2014), andererseits durch konzeptuelle und numerische Modelle unter Berücksichtigung von Kennwerten aus Laboruntersuchungen (z.B. Nagra 2014, Lisjak et al., 2015).

Der Widerstand des Tunnelausbaus limitiert die Verformungen des Gebirges. Dadurch wird auch die durch den Ausbruch verursachte Rissausbreitung im Gebirge limitiert. Durch den Widerstand des Ausbaus auf die Konvergenzen des Gebirges entstehen zwar Lasten auf dem Tunnelausbau, diese sind aber geringer als die ursprünglichen Spannungen im Gebirge. Der Tunnelausbau führt also vorwiegend zu einer Stabilisierung der ausbruchsbedingten Gebirgsschädigung und nicht zu weiteren Rissen. Der Widerstand des Tunnelausbaus kann wiederum durch die Ausbaumethode und den Ausbautyp beeinflusst werden (siehe Abschnitte a) und b)).

Durch den Kontakt mit dem Gebirge wird am Tunnelausbau schliesslich ein Stützdruck aufgebaut, welcher das Verschliessen der Risse und damit auch eine deutliche Verringerung der hydraulischen Durchlässigkeit in der Ausbruchzone begünstigt. Dieser Prozess wird Selbstabdichtung genannt. Dies wurde in diversen Experimenten am Mont Terri nachgewiesen (z.B. Marschall et al., 2017) und ist im Hinblick auf die Rückhaltewirkung der geologischen Barriere primär für die Langzeitsicherheit von Bedeutung.

Der Effekt von Jahreszeiten auf die Luftfeuchtigkeit und entsprechend der Sättigung des Fels im Bereich der Tunnelkontur ist gut bekannt (z.B. Ziefle et al., 2024), spielt aber sicherheitstechnisch keine Rolle. Durch saisonale Feuchtigkeitszyklen verursachte Öffnungen / Schliessungen von Rissen dringen während dem Betrieb maximal einige Dezimeter tief hinter die Tunnelwand und damit wenig im Vergleich zur Ausbruchszone, die mehrere Meter umfassen kann.

Wie unter b) erläutert muss die Luftfeuchtigkeit aus Gründen der Arbeitssicherheit durch angemessene Lüftung reguliert werden. Das begünstigt auch die Stabilität des Tunnelausbaus: Aufgrund der geringen Durchlässigkeit des Opalinustons kann es im Tunnelnahbereich zu einer Entsättigung kommen, was die Steifigkeit des Gebirges erhöht und die Belastung auf den Tunnelausbau reduziert. 

Nach Verfüllung und Verschluss wird die Feuchtigkeit nicht mehr abgeführt. Es kommt wiederum zur Aufsättigung des Opalinustons im Tunnelnahbereich und aufgrund der Selbstabdichtung zum hydraulischen Verschluss der durch die Exkavation entstandenen Risse. Die Feuchtigkeit bzw. das Selbstabdichtungsverhalten sind also günstig für die Nachverschlussphase.

Diese Prozesse sind bereits so gut verstanden, wie für den aktuellen Stand des Verfahrens nötig. Als nächsten wichtigen Meilenstein zur Erlangung von Information zum Gebirgsverhalten strebt die Nagra, wie vom Gesetzgeber vorgesehen, die Erschliessung des Opalinustons im Standortgebiet an. Ziel ist es, beim Auffahren der zentralen Lagerbereiche und der Testbereiche zusätzliche standortspezifisch Daten zu gewinnen, um die Lagerauslegung gezielt auf den Standort hin weiterzuentwickeln. Die Langzeitsicherheit wird fortlaufend bestätigt.

Referenzen

Armand, G., Leveau, F., Nussbaum, C., De La Vaissiere, R., Noiret, A., Jaeggi, D., et al. (2014): Geometry and properties of the excavation-induced fractures at the Meuse/Haute-Marne URL drifts. Rock Mechanics and Rock Engineering, 47(1), 21–41.

Einfachschild-TBM: Webseite von Herrenknecht (2026) abgerufen am 21.07.2026 https://www.herrenknecht.com/de/produkte/productdetail/einfachschild-tbm/

Lisjak, A., Tatone, B. S. A., Mahabadi, O. K., Grasselli, G., Marschall, P., Lanyon, G. W., et al. (2016): Hybrid finite discrete element simulation of the EDZ formation and mechanical sealing process around a microtunnel in Opalinus Clay. Rock Mechanics and Rock Engineering, 49(5), 1849–1873.

Marschall, P., Giger, S., De la Vaissière, R., Shao, H., Leung, H., Nussbaum, C. et al. (2017): Hydro-mechanical evolution of the EDZ as transport path for radionuclides and gas: insights from the Mont Terri rock laboratory (Switzerland). In Swiss Journal of Geosciences 110 (1), pp. 173-194. DOI: 10.1007/s00015-016-0246-z.

Nagra (2014): SGT Etappe 2: Vorschlag weiter zu untersuchender geologischer Standortgebiete mit zugehörigen Standortarealen für die Oberflächenanlage: Geologische Grundlagen. Dossier IV Geomechanische Unterlagen. Nagra Technischer Bericht NTB 14-02.

Nagra (2023): Bautechnisches Dossier Standortvergleich, Band 6: Technischer Beschrieb und Pläne Lagerprojekte. Nagra Arbeitsbericht NAB 23-01.

SIA 198: Untertagbau – Ausführung, 2023.

Ziefle G., Cajuhi T., Costabel S. et al., (2024): CD-A twin niches in the Mont Terri Rock Laboratory: Characterization and interpretation of hydraulic parameters with regard to safety aspects. Int. Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences 174, 105624.

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[1] Als Nachläuferbereich einer Tunnelbohrmaschine wird der technische Arbeits- und Versorgungsbereich hinter dem Bohrkopf bezeichnet. Die Nachläufer beherbergen alle Systeme, die für den Tunnelvortrieb benötigt werden.