Unterbau

Schüttgerüst [1]
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Die Schlüsselrolle des Unterbaus gleicht der eines Gebäudefundaments. Einwirkende Kräfte werden durch die Durchbiegung der Schiene auf das Schotterbett übertragen und über den Unterbau in den Untergrund abgeleitet. Die Auswirkungen eines wenig tragfähigen Untergrunds sind verheerend. Bereits im 19. Jahrhundert erkannte man die erfolgreiche Ableitung des Wassers und die ausreichende Dimensionierung der Tragfähigkeit als wesentliche Erfolgsfaktoren für das System Eisenbahn.

Erdbauwerke erleichtern dem Fahrweg die Anpassung an das bestehende Gelände. 97 % der Eisenbahnstrecken in Europa werden auf Dämmen, Einschnitten, Anschnitten oder geländegleich geführt. Beim Bau wurde versucht, die auf der einen Stelle gewonnenen Massen auf der anderen Seite wieder für Dammschüttungen heranzuziehen. Die früher beliebige Schüttung des Materials und unzureichende Verdichtung lässt sich oft noch heute auf bestimmten Eisenbahnstrecken deutlich erkennen. [2]

Das Planum ist Grenzschicht zwischen dem Schotterfahrweg und dem darunterliegenden Unterbau oder Untergrund. Als Unterbau wird jener Teil des Fahrwegs zwischen Untergrund und Schotteroberbau beschrieben, der durch bautechnische Maßnahmen in seinen Eigenschaften verändert wurde. Zum Unterbau zählen damit nicht nur Forstschutz- und Planumsschutzschichten, sondern auch Kunstbauwerke und sonstige geotechnische Bauwerke (z. B. Durchlässe, Bahngraben, etc.).

Der Untergrund ist das letzte Glied in einer Kette von unterschiedlichen Komponenten. Diese nimmt die hohen Lasten des Eisenbahnfahrwegs auf, verteilt sie und trägt sie ab. In den Anfängen versuchte man durch den Einsatz von Reisig, Packlagen, Zement, Sand etc. die Eigenschaften des Untergruns positiv zu beeinflussen und die Tragfähigkeit zu erhöhen. Auch heute noch verursachen Packlagen bei Gleisbaustellen gravierende Verzögerungen, wenn sie in der Planung nicht erkannt oder berücksichtigt wurden. 1954 untersuchte die Deutsche Bahn unterschiedliche Methoden der Untergrundertüchtigung, insbesondere den Einsatz von Sand-Kies-Gemischen.

Frostlinse in Bohrprobe [3]
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 Der Boden wird aber nicht nur über die bloße Krafteinwirkung beansprucht, sondern unterliegt zahlreichen Witterungseinflüssen. Sinkt die Temperatur im Winter über längeren Zeitraum unter null Grad, wirkt sich das auch auf die Böden aus. Das im Boden enthaltene Wasser beginnt zu frieren und dehnt sich durch den Wechsel des Aggregatzustandes aus. Bei nichtbindigen Böden entstehen dadurch keine Probleme, denn das Wasser hat in der vorhandenen Porenstruktur genug Raum, um sich auszudehnen. Ganz anders ist dies bei schwach- oder mittelbindigen Böden. Aufgrund des thermischen Potenzialgefälles bewegt sich das Wasser gegen die Schwerkraft aus tieferen Regionen nach oben und bildet im Bereich des Potenzialausgleichs Wasserlinsen. die bei niedrigen Temperaturen gefrieren. Die Zunahme des Volumens führt zu Frosthebungen. In der Tauperiode nimmt der Boden nicht nur das geringste Verformungsmodul des Jahres an, sondern der im Winter mit Eis hinterfüllte Hohlraum gibt durch die einwirkenden Kräfte nach, wodurch eine plötzliche Setzung des Gleisrostes eintreten kann. Wasser, das nicht abgeleitet werden kann, ändert das Tragverhalten, sodass es vor allem in der Übergangszone zwischen Schotter und Unterbau zu einer Anreicherung von Feinteilen kommt. Der Anstieg des Feinkornanteils im Schotterbett selbst führt wiederum zu einer Reduktion der Scherfestigkeit und in weiterer Folge zu einer Abnahme der Tragfähigkeit des Gesamtsystems. In umgekehrter Weise trocknen die Böden nach langen Hitzeperioden aus, verbunden mit dem Anstieg des Verformungsmoduls, jedoch kann es zu Gleissenkungen kommen. [1]   

Eindringen von Feinteilen aus dem Untergrund
© Franz Piereder

In den letzten Jahren gewann die dynamische Gebrauchstauglichkeit aufgrund des Anstiegs der Belastung und vor allem der Geschwindigkeit bei Eisenbahnstrecken über Weichschichten zusätzlich an Bedeutung.

Neben tiefgreifenden Maßnahmen hat sich der Einbau von Sand-Kies-Gemischen in Kombination mit Geokunsttoffen bewährt. Da lange Sperrpausen große Mengen an Kapital binden,  versucht man sie durch den Einsatz von mehrschichtigen Tragschichtaufbauten zu vermeiden.

Schlammstelle [1]
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Probleme im Unterbau lassen sich oft erst spät erkennen. Treten sie in Form von Schlammstellen an die Oberfläche, sind die Auswirkungen auf das Gesamtsystem meist schon so weit fortgeschritten, dass ein Austausch aller Komponenten erforderlich ist. Auch wenn Untergrundsanierungen deutlich teurer sind als herkömmliche Streckenneulagen, so zeigt sich ihr positiver Effekt bei der Betrachtung des gesamten Lebenszyklusses der Anlage. Schlechter Unterbau erhöht die Instandhaltung und reduziert die Nutzungsdauer der Eisenbahnanlage. Studien aus unterschiedlichen Ländern quantifizieren diesen Effekt mit zwei bis vier Mal höheren jährlichen Kosten der Anlage. [4]  

Das Problem beschränkt sich oft lediglich auf Untergründe mit zu geringer Tragfähigkeit. Erfahrungen zeigen jedoch, dass Inhomogenitäten jeglicher Art zu unterschiedlichen Setzungen im Gleisrost führen können. Besonders steife Untergründe beanspruchen den dazwischenliegenden Schotteroberbau immens. In diesem Fall ist es notwendig, durch die Anordnung von elastischen Elementen im Oberbau (Erhöhung der Schotterbettdicke, Unterschottermatten etc.) die Lasten noch weiter zu verteilen und schlagartige Beanspruchungen zu kompensieren.


  1. [1] Fischer, R.; Göbel, C.; Lieberenz, K. et al.: Handbuch Erdbauwerke der Bahnen. Planung, Bemessung, Ausführung, Instandhaltung. Eurailpress in DVV Media Group, Hamburg, 2013.
  2. [2] Lieberenz, K.; Piereder, F.: Entwicklung von Schutzschichten mit Geokunststoffen. Eisenbahningenieur Kalender 2013, S. 252–270.
  3. [3] Grossmann, St.; Untersuchungen der HTW Dresden
  4. [4] Hansmann, F.: Großmaschineneinsätze bei Untergründen mit geringer Tragfähigkeit, Sonderheft Geotechnik. Der Eisenbahningenieur 2016, Heft 6, S. 13–16