Der Münchner Baugrund

Die Geologie des Münchner Untergrunds bringt eine Vielzahl an Herausforderungen für den U-Bahn-Bau mit sich. Die komplexe Entstehungsgeschichte spielt dabei eine entscheidende Rolle bei der Planung und Umsetzung.

Ein Geologischer Exkurs

Die Landeshauptstadt München liegt inmitten der Münchner Schotterebene (Abb. 1), einem von Süden nach Norden flach abfallenden Schwemmfächer. Dieser bildete sich im Zuge der letzten Eiszeiten (Glaziale) im Quartär - beginnend vor ca. 2,6 Millionen Jahren bis vor 11.590 Jahren. Während dieser Eiszeiten breiteten sich mächtige Gletscher aus, die von den Alpen ins nördliche Vorland vorstießen. 

Die Gletscher transportierten dabei große Mengen an Gesteinsmaterial, wie Geröll, Kies und Sand aus den Alpen in das Vorland. Mit dem Abtauen der Gletscher bildeten sich große Schmelzwasserströme, welche sich über die verschiedenen Glaziale (Abb. 2) immer tiefer in die Landschaft hinein einschnitten und das mitgeführte Material in der Münchner Schotterebene ablagerten. Hierdurch entstanden unterschiedlich mächtige Abfolgen von Kiesen mit Sand- und Schlufflagen (siehe Abb. 5 und Abb. 6). Im Süden von München bei Holzkirchen beträgt die Mächtigkeit der quartären Schotterlagen bis zu 100 Meter. Nach Norden hin dünnen diese quartären Schotterlagen bis auf wenige Meter Schichtstärke aus. 

• Im Stadtgebiet ist die Mächtigkeit der quartären Schotter dabei an verschiedenen Stellen unterschiedlich groß: im Süden beträgt sie ca. 25 bis 30 Meter, im Westen 4 bis 25 Meter, im Osten 5 bis 15 Meter und im Norden 3 bis 11 Meter. 

Die Schüttungsrichtung der quartären Sedimente, sowie das ausgeprägte Relief der Oberfläche des Tertiärs beeinflussen die Schichtstärke der quartären Ablagerungen stark (4). Während des Tertiärs, vor etwa 65 bis 2,6 Millionen Jahren, wurde das Vorland der Alpen durch die Auflast des entstehenden Gebirges zu einem Becken geformt. In zwei Zyklen füllte sich dieses Becken sukzessive mit marinen und terrestrischen Sedimenten. 

Der jüngste Ablagerungszyklus aus dem Tertiär, der für den Münchner Baugrund relevant ist, ist die „Obere Süßwassermolasse“. Vor etwa 10-15 Millionen Jahren gelangten über riesige Schwemmfächer Schutt aus den Alpen in ein nach Westen gerichtetes Flusssystem im nördlichen Vorland der Alpen. Während in den Flüssen hauptsächlich Sande und zum Teil auch Kiese abgelagert wurden, setzten sich im Bereich von Überschwemmungs- und Stillwasserbereichen vor allem Feinsedimente wie Tone und Schluffe ab. Diese Tone, Schluffe und Sande sind häufig lagenförmig oder als Linsen ausgebildet. 

• Der tertiäre Baugrund ist daher von verschiedenen Bodenarten mit unterschiedlichen Eigenschaften geprägt (siehe Abb. 3, 4, 7 & 8). Gegen Ende des Tertiärs veränderte sich das Flusssystem durch regionale Hebungsprozesse in das heutige Ost-gerichtete Flusssystem der Donau. Die jüngsten tertiären Sedimente wurden allerdings durch Erosion wieder abgetragen.

Bildergalerie 
Abbildungen 1 bis 8.

Hydrogeologie

Der Untergrund von München beherbergt zahlreiche Grundwasserkörper. Hierbei ist zu erwähnen, dass Grundwasser nach der EU-Wasserrahmenrichtline keine übliche Handelsware ist, sondern ein „ererbtes Gut, das geschützt, verteidigt und entsprechend behandelt werden muss“ (5). 

Das oberste Grundwasserstockwerk Münchens befindet sich in den quartären Schottern. Hier fließt das Grundwasser mit einer Geschwindigkeit von wenigen Metern am Tag ungefähr parallel zur Isar. Der Abstand der Grundwasseroberfläche zur Geländeoberfläche beträgt wenige Meter.

Im Tertiär bilden die aus Sandablagerungen aufgebauten Bereiche mehrere gespannte Grundwasserleiter. Üblicherweise sind diese durch Ton oder Schlufflagen mit geringen Wasserdurchlässigkeiten horizontal voneinander und von der Geländeoberfläche getrennt (siehe Abb. 4). Durch natürliche oder auch künstliche Verbindungen können die einzelnen Grundwasserstockwerke jedoch miteinander „kurzgeschlossen“ sein.

In Bezug auf Bauprojekte müssen also zum einen Maßnahmen zum Schutz des Bauwerks oder der Baugrube ergriffen werden - beispielsweise gegen Wasserzutritte, Setzungen oder hydraulischen Grundbruch. Zum anderen muss aber das Grundwasser auch vor Verunreinigung, unzulässigem Aufstau oder zu starker Erwärmung geschützt werden.

Auswirkungen auf den U-Bahn-Bau

Die quartären Schotter sind bei Anwendung von erprobten Wasserhaltungs- und Sicherungsmaßnahmen ein sehr gut beherrschbarer Baugrund.

Auch die tertiären Böden stellen grundsätzlich einen soliden Baugrund für den Bau der Münchner U-Bahn dar, sofern das Grundwasser in den tertiären Sanden entspannt bzw. entwässert werden kann (Abbildungen 7 und 11).

Aus den oben beschriebenen geologischen Verhältnissen ergeben sich dennoch diverse Herausforderungen für den U-Bahn-Bau in München. Doch sind auch diese durch sorgfältige Erkundung und durch die Wahl geeigneter, technischer Maßnahmen gut beherrschbar. Einige Beispiele werden im Folgenden aufgezählt und erläutert (2): 

• Rollkies: Hierbei handelt es sich um meist einkörnige bzw. enggestufte Kieslagen mit fehlendem Sand- und Feinkornanteil. Rollkieslagen sind in Erkundungsbohrungen nicht sehr gut erkennbar. Sie haben jedoch eine hohe bautechnische Bedeutung, da sie, wie der Name andeutet, gerne „ausrollen“ – also instabil gelagert sind. So können sie sich zum Beispiel negativ auf die Böschungsstabilität auswirken (Abbildung 9).
• Nagelfluh: Lokal oder flächenhaft können die Schotter durch kalkhaltige Ausfällungen aus dem Grundwasser schwach bis stark durch natürlichen Kalkzement zu Festgestein verfestigt sein. Der Baugrund besteht dann sowohl aus Lagen von Lockergestein als auch aus Lagen von Festgestein. Der Wechsel aus Locker- und Festgestein kann beim Aushub und beim Tunnelvortrieb zu Problemen hinsichtlich der Lösbarkeit des Gesteins sowie hinsichtlich Werkzeugverschleiß führen. Andererseits stabilisieren die verfestigten Lagen den Baugrund. Leider sind die verkitteten Lagen sehr unregelmäßig im Baugrund verteilt und nicht leicht zu erkunden (Abbildung 9).
• Bröckeltone: Diese speziellen, dichtständig geklüfteten Tone treten häufig in den oberen Schichten des Tertiärs nahe der Grenze zwischen Quartär und Tertiär auf. Sie sind von einer Vielzahl von spiegelglatten, glänzenden Trennflächen durchzogen. Eine Entlastung durch den Baubetrieb führt meist dazu, dass die Tone ihren Zusammenhalt verlieren und zerbröckeln. Dadurch kann es beispielsweise zu Stabilitätsproblemen in Böschungen kommen. Außerdem kann über die Trennflächen in den Bröckeltonen beim Einrammen von Spundwänden unerwartete Wasserwegigkeiten entstehen, wodurch gespanntes Grundwasser nach oben dringen und zu einem schleichenden hydraulischen Grundbruch bei Baugruben führen könnte (Abbildung 10).
• Bindige Böden und Verklebungen: Die feinkörnigen Böden (Tone, Schluffe und Mergel) können aufgrund ihrer bindigen Eigenschaften im Zusammenwirken von Wasser und mechanischer Bearbeitung zu klebrigem Brei werden. Dies kann zum Beispiel beim Bohren, Baggern, Laden, Fräsen oder auch beim maschinellen Tunnelvortrieb passieren. Verklebungen können den Baufortschritt behindern und verlangsamen.
• Kiese und Sande im Zusammenspiel mit bindigen Böden: Die Verbreiung und das Potential der bindigen Böden zu Verkleben können weitere unangenehme Auswirkungen im Baubetrieb entwickeln. Nämlich dann, wenn der bindige Brei Sandkorn und Kieskorn aufnimmt. Hierdurch entstehen meist Schleifpasten, welche die Abbau- und Lösewerkzeuge im Erdbau und Tunnelbau stark verschleißen können.
• Geogene Belastung:  Die tertiären Sedimente können durch natürlich auftretende Schwermetallkonzentrationen belastet sein. Solches Material muss nach dem Aushub abhängig von Schadstoff und vorgefundener Konzentration getrennt von „sauberem Material“ gelagert, beprobt und abtransportiert werden. Durch die beengten Platzverhältnisse in München kann dies zu einer großen logistischen Herausforderung führen.

Ähnlich zur Geologie hat auch die Hydrogeologie Auswirkungen auf unsere Baumaßnahmen. Zwei Beispiele erläutern das im Folgenden:

• In den Grundwasserstrom eingreifende Baumaßnahmen: Unterirdische Bauwerke können den natürlichen Grundwasserstrom beeinträchtigen und zum Aufstau und zur Umlenkung des Grundwasserstroms führen. Aus diesem Grund muss der Anstieg des Grundwassers im Bauzustand und nach Fertigstellung des Bauwerks begrenzt werden. Häufig werden im Bauzustand als Überleitungsmaßnahme Förderbrunnen auf der Anstromseite und Schluckbrunnen auf der Abstromseite erstellt. Das Wasser kann so übergepumpt werden. Im Endzustand geschieht die Überleitung gravitativ über sogenannte Dükeranlagen. Dies sind Bauwerke, die das anströmende Wasser über Horizontalfilter in einem Schacht aufnehmen, mittels einer Rohrleitung unter dem Bauwerk durchleiten und auf der anderen Seite wieder in den Untergrund abgeben. So bleibt der natürliche Grundwasserstrom erhalten.
• Wasserhaltung: Neben dem wasserdichten Umschließen der Baugrube muss die Baugrubensohle in der Regel natürlich oder künstlich abgedichtet werden. Um zu verhindern, dass sich eine Baugrube mit Wasser füllt oder es durch den Wasserdruck aus tieferliegenden Schichten zum Aufbrechen der Baugrubensohle kommt, ist eine Wasserhaltung notwendig. Gegebenenfalls müssen unterhalb der Baugrube liegende gespannte Grundwasserstockwerke durch Brunnen entspannt werden.

Faktor Mensch

Nicht zuletzt hat der Mensch im Laufe der Geschichte einen maßgeblichen Einfluss auf den Münchner Baugrund gehabt. Mit seinen Hinterlassenschaften müssen wir uns auch beim Bau der Münchner U-Bahn eingehend befassen. 

• Archäologie: Von Werkzeugüberresten aus der Altsteinzeit über römische Landhäuser, mittelalterliche Grabstätten bis in die Neuzeit. Solch historischen Funde müssen vor unseren Baumaßnahmen im Rahmen der Bodendenkmalpflege sichergestellt und dokumentiert werden. Häufig kommt es dabei im Vorfeld auf den entsprechenden Baufeldern zu aufwändigen Ausgrabungen.
• Kampfmittel: Im Zuge des zweiten Weltkriegs wurden viele deutsche Großstädte gezielt bombardiert. Die Munitionsarten reichen von Patronenmunition bis hin zu Stabbrand-, Spreng- und Streubomben. Nach Schätzungen sind etwa zehn Prozent der abgeworfenen Bomben nicht explodiert und können sich bis zu mehrere Meter unter der Oberfläche befinden. Durch Bauarbeiten werden immer wieder solche Blindgänger angetroffen. Umso wichtiger sind eine gründliche Sondierung im Vorfeld und gegebenenfalls die Kampfmittelräumung durch Fachfirmen.
• Altlasten: Von Altöl, über Asbest, verschiedensten Chemikalien oder Giftstoffe und Schwermetalle - der Baugrund in Großstädten ist häufig vorbelastet. Dieses Material muss abhängig von Schadstoff und vorgefundener Konzentration getrennt von „sauberem Material“ gelagert, beprobt und abtransportiert werden. Durch die beengten Platzverhältnisse kann dies zu einer großen logistischen Herausforderung werden.
• Sparten: Zu den unterirdisch verlegten Leitungen aller Art zählen Gas-, Wasser-, Fernwärme- und Stromleitungen, Kanäle oder Kommunikationskabel. Durch die hohe Bebauungsdichte in München liegen im Untergrund etliche solcher Leitungen eng beieinander. Bei großen Baumaßnahmen müssen diese mit hohem logistischem Aufwand temporär oder permanent umverlegt werden.

Quellen

1. Meschede, M.: Geologie Deutschlands, ein prozessorientierter Ansatz. – Berlin: Springer Spektrum (2015)
2. Bauer, M., Neumann, P., Scholz, M., Thuro, K.: Die Geologie des Münchner Untergrunds und seine Bedeutung für die Baugrundmodellbildung in städtischen Gebieten. Geotechnik 2, 83–92 (2005)
3. Lehrberger, G., & Thuro, K.: Geologie am Tagungsort München: Gesteine in und unter der TUM. Beiträge zur Jahrestagung München 25./26. Oktober 2013, 21
4. Kerl, M., Runge, N., Tauchmann, H., & Goldscheider, N. (2012). Hydrogeologisches Konzeptmodell von München: Grundlage für die thermische Grundwassernutzung. Grundwasser, 17(3), 127-135
5. Richtlinie 2000/60/EG des europäischen Parlaments und Rates – zur Schaffung eines Ordnungsrahmens für Maßnahmen der Gemeinschaft im Bereich der Wasserpolitik (Wasserrahmenrichtlinie), 23.10.2000