1 Einleitung

Die Wiederverwendung von Tunnelausbruchmaterial ist aus ökologischen und ökonomischen Gründen zu einem entscheidenden Faktor in unterirdischen Bauprojekten geworden. Technische Machbarkeit und gesetzliche Rahmenbedingungen sind die beiden Hauptelemente, um diesen Sektor der Kreislaufwirtschaft umsetzbar zu machen. Bau- und Abbruchabfälle machen heute etwa ein Drittel des Gesamtabfallaufkommens in der Europäischen Union (EU) mit einer Wiederverwendungsrate von durchschnittlich 46 % aus [1, 2]. Von nationalen Gesetzen gefordert, birgt die in Einklang mit der Natur und ökonomisch vertretbare Lösungssuche jedoch politische, rechtliche und technische Hürden in sich. Nach heutigem Stand wird Aushubmaterial als Abfall deklariert, was eine effiziente Wiederverwendung erschwert. Diverse Initiativen der EU und nationaler Organisationen (z. B. CETU und AFTES in Frankreich, GESDEC in der Schweiz, ÖBV in Österreich) haben dazu geführt, dass organisatorische und technische Richtlinien für die Wiederverwendung von Aushubmaterial in den letzten zwei Jahrzehnten entstanden sind. Eine sich verbessernde Situation hin zu einer einheitlichen europäischen Gesetzgebung fehlt [3].

Eine Vorreiterrolle nehmen die Staaten Schweiz, Frankreich und Österreich ein, die mit ihren großen Tunnelbauprojekten und unterschiedlichsten geologischen Formationen zu innovativer Lösungssuche gefordert sind. Die beiden erstgenannten Staaten sollen zukünftig den Untergrund für den größten Teilchenbeschleuniger der Welt am CERN nahe Genf beherbergen. Er soll nicht nur das Standardmodell der Physik, sondern auch die Verwertbarkeit von etwa 9 Mio. m3 Aushubmaterial mit großem Molasse-Anteil in einem neuen, verbesserten geologischen Untergrundmodell revolutionieren. Da für dieses Material nach heutigem Stand der Technik keine ökonomisch relevante Wiederverwertungstechnologie im Einsatz ist, wurde im September 2018 ein Forschungsprojekt im Rahmen eines Doktorats am CERN in Zusammenarbeit mit der Montanuniversität Leoben, Österreich und der Université de Genève, Schweiz initiiert, über das in diesem Artikel berichtet werden soll.

2 CERN und die Future Circular Collider Studie

Das CERN erstreckt sich am Fuße des Genfer Sees auf schweizerischem (Meyrin, Kanton Genf) sowie französischem (Prévessin-Moëns, région Auvergne-Rhône-Alpes) Terrain und betreibt den derzeit mit 27 km Länge größten Teilchenbeschleuniger, den Large-Hadron-Collider (LHC) (siehe Abb. 1). Mit mehr als 3500 Wissenschaftlern vor Ort und über 10.000 weltweit stellt er eine der größten Forschungsinfrastrukturen überhaupt dar. Ab dem Jahr 2040 könnte ein 100 km langer neuer Teilchenbeschleuniger, dessen Projektname derzeit noch als Future Circular Collider (FCC) [4, 5] betitelt wird, in Betrieb gehen, um einer weltweiten Gemeinschaft von Wissenschaftlern ein Forschungsprogramm bis zum Ende des 21. Jahrhunderts zu ermöglichen. Hierfür müssen in den geologischen Formationen des lokalen Molassebeckens ein etwa 100 km langer, kreisförmiger Tunnel sowie 18 Schächte und 14 Kavernen gebaut werden (siehe Abb. 2). Im Jahr 2022 sollen erste Erkundungsbohrungen entlang der aktuellen Trassenwahl abgeteuft werden, die, zusammen mit bestehenden geologischen Daten wie Aufschluss- und Bohrprobenanalysen, seismischen Messungen und Bohrloch-Daten, ein erstes geologisches Untergrundbild liefern. Diese Unternehmung ist Teil eines technischen Projektrisikomanagements, um Design und Umsetzungsplanung für den Bau der Infrastruktur zu optimieren.

Abb. 1
figure 1

Blick vom Genfer See aus auf die Hauptstandorte des CERN in der Schweiz (CH) und Frankreich (FR) und des im Untergrund verlaufenden LHC-Teilchenbeschleunigers

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Abb. 2
figure 2

Nicht-maßstabsgetreue 3D Skizze des geplanten FCC Tunnels sowie dessen Schächte und Kavernen. (Modifiziert nach [4])

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Es soll hier ein erster Einblick in das Forschungsvorhaben gegeben und sowohl die rechtlichen Grundlagen von Wiederverwertung im europäischen und speziell französisch-schweizerischen Kontext dargelegt, als auch geomechanische, petrophysikalische sowie chemisch-mineralogische Analysen bestehender Bohrungen mitsamt Bohrloch-Logdaten für ein geologisches Modell erörtert werden.

3 Einblick in die Geologie

Das in Abb. 3 dargestellte Westalpine Molassebecken (WAMB), das in der Westschweiz oft als Genfer Becken oder „bassin franco-genevois“ bezeichnet wird, ist Teil des Schweizer Mittellandes und durch den Salève im Südosten und den Jura im Nordwesten begrenzt. Diese markanten geologischen Erhebungen wurden durch tektonische Deformationen während der Einlagerung im Alpenvorland, den damit verbundenen Vergletscherungen des Pleistozäns und nacheiszeitlichen Prozessen beeinflusst [6, 7].

Abb. 3
figure 3

Chronostratigraphische Abfolge des Molasse-Beckens in der Westschweiz und französischen Umgebung. Für das FCC-Projekt entscheidend sind die Formationen des Känozoikums (Molasse). (Modifiziert nach [7])

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Das WAMB gliedert sich in das Alpenvorland, bestehend aus der Jurahochebene und Haute Chaîne, sowie in die alpinen Einheiten, die durch die Voralpen bzw. penninischen, subalpinen und helvetischen Decken und äußeren kristallinen Massive repräsentiert werden [8]. Die im Becken vorhandenen Gesteinseinheiten der Molasse treten entlang des Salève, der Vuache und des Jura zutage, die aus mesozoischen Sedimentgesteinen bestehen. Die mesozoische Abfolge beginnt mit Evaporiten an der Basis, gefolgt von einer Sukzession von Kalksteinen und Mergeln, die zum südlichen Rand des europäischen Kontinents vor der alpinen Orogenese gehörten und auf den Tethys-Ozean zurück zu führen sind. Die mesozoische Abfolge wurde auf dem paläozoischen kristallinen Grundgebirge abgelagert. Diese zeigt grabenartige Strukturen, die mit kontinentalen, siliziklastischen Sedimenten während des Perm und Karbon im Anschluss an die variszische Orogenese gefüllt waren [9]. Die obersten Einheiten der mesozoischen Sequenz weisen auf eine ausgedehnte, erosive Oberfläche hin, die sich während der Hebung des Vorlandbeckens durch Komprimierung des Alpengürtels bildeten. Oberhalb der Erosionsoberfläche wird oligozäne, heterogene, siliziklastische Molasse von quartären glazialen bis fluvialen Ablagerungen überlagert. Die Molasseeinheiten wurden während der alpinen Orogenese als Detritalformationen abgelagert [10] und repräsentieren die von der FCC angestrebte Bautiefe bis in 250 m Tiefe.

4 Legale Aspekte der Wiederverwertung von Tunnelausbruchmaterial

In den Jahren 2000 bis 2010 schlug die Europäische Union (EU) eine klare Richtung für eine effiziente Wiederverwendung von Ressourcen ein, was zu einer verstärkten Einführung von nationalen Gesetzen und Richtlinien in diesem Zeitraum führte. Rechtliche Überlegungen und gesetzliche Verabschiedungen florierten, doch die daraus resultierende Heterogenität und mangelnde Kommunikation der Gesetzgeber untereinander sind noch bis heute eines der Schlüsselthemen, die es für eine effiziente Wiederverwertung zu beseitigen gilt.

Das Abfallkonzept der Europäischen Union ist in der Abfallrahmenrichtlinie 2008 definiert und legt Maßnahmen zum Schutz der Umwelt fest [11]. Gesteins- und Bodenaushub sind Teil des Abfallregimes und unterliegen damit der Gültigkeit des Abfallwirtschaftsgesetzes. Für Tunnelausbruchmaterial, das nach EU-Richtlinien auf Baustellen wiederverwertet wird, ist die objektive Definition von Abfall nicht erfüllt. Um Ausbruchmaterial von Tunnelbaustellen wiederzuverwenden, ist es notwendig, das Ende des Abfallstatus zu erreichen. Abfälle können verwertet werden, wenn die gleichen Anforderungen wie an Primärrohstoffe erfüllt sind. Die Tatsache, dass das meiste Aushubmaterial nicht in einer Form zur sofortigen Wiederverwendung zur Verfügung steht und dass die Möglichkeiten der Wiederverwertung sorgfältig geprüft werden müssen, erfüllt die Definition des Ziels von Abfall. Die abfallrechtliche Terminologie wird durch Bundesregierungen und EU-Richtlinien geregelt, die in nationales Recht in den einzelnen Mitgliedsstaaten umgesetzt werden müssen. Eine umfassende Liste von europäischen Gesetzen, Richtlinien und Empfehlungen für Österreich, die Schweiz, Frankreich, Italien und die EU im Rahmen der Wiederverwertung von Gesteins- und Bodenaushub aus dem Untergrund können [3] entnommen werden.

Die Entwicklung in Richtung einer einheitlichen europäischen Gesetzgebung hat sich in den letzten fünf Jahren verbessert. Österreich, die Schweiz und Frankreich erweisen sich als Vorbilder bei der Wiederverwertung von Aushubmaterial, die durch eine solide Gesetzgebung und nationale Richtlinien untermauert ist, was durch die Tatsache, dass sich das FCC-Projekt um eine sowohl umweltfreundliche als auch ökonomisch wertvolle Wiederverwertung bemüht, unterstrichen wird. Einschränkungen für die Definition der relevanten Endverbraucher beinhalten eine mineralogische und geochemische Charakterisierung von Aushubmaterial und Boden sowie deren Positionierung in Bezug auf die Grenzwerte für inerte Abfälle, wie sie in den verschiedenen nationalen Gesetzgebungen definiert sind. Eine Anpassung und Homogenisierung dieser Schwellenwerte wird unter den Alpenländern dringend empfohlen und könnte zu einer gemeinsamen europäischen Gesetzgebung führen, indem technische Messungen und rechtliche Ansätze standardisiert werden [3].

Im Rahmen des FCC-Forschungsvorhabens wird bereits heute an Verwertungskonzepten gearbeitet, deren zugrunde liegende Messkonzepte und Apparaturen einfach und schnell auf eine Tunnelbohrmaschine installiert und deren Messanalysen während des Materialstroms des Aushubs erste Einblicke in die zu verwertenden Möglichkeiten geben sollen. Im Zuge dessen ist auch ein Vergleich von on-line (on-site) und Laborergebnissen bezüglich Art der Vortriebsmethode sowie detaillierte geomechanische, petrophysikalische und chemisch-mineralogische Analysen von reinem oder kontaminiertem Ausbruchsmaterial aus dem Untertagebau zu erstellen, die ein hochauflösendes geologisches Untergrundmodell liefern sollen.

5 Datenakquisition und Datenanalyse

Im Zuge der Erarbeitung eines geologischen Untergrundmodells und der Fragestellung zur potentiellen Wiederverwertung der Molasse werden entlang der möglichen FCC-Trassen Proben aus Bohrungen und Aufschlüssen chemisch-mineralogisch, geomechanisch und petrophysikalisch sowie mit weiteren in-situ-Bohrlochdaten wie geophysikalischen Logkurven, geomechanischen Tests oder seismischen Datensätzen verglichen und analysiert. Diese Tests beinhalten u. a. XRF-, XRD- und ICP-MS-Analysen, QEMSCAN©, TOC-Gehaltbestimmungen, Eluatversuche, FT-IR Spektren, Porositäts- und Permeabilitätsmessungen sowie LCPC, Cerchar, Point-Load und einaxiale Druckfestigkeitstests. Abb. 4 zeigt den Ablauf von einer genommenen Probe an einem Aufschluss in Frankreich, bis zur Extraktion von Tonmineralen und weiterer Wiederverwertung. Für eine interessante Entdeckung sorgte eine Bohrung im schweizerischen Kernlager aus dem Jahre 1944 (siehe Abb. 5), die Bohrkerne exzellenter Qualität enthielt und für diverse weitere Tests verwendet werden konnte. Die Aufschlüsse – wie in Abb. 6 dargestellt – verteilen sich quer über das gesamte Molassebecken und werden sukzessive beprobt und analysiert.

Abb. 4
figure 4

Das Verfahren der Probenahme und Analyse wird gezeigt. a Molasse-Aufschluss entlang des zukünftigen Tunnels in Frankreich. Orange Linien stellen Molasse dar, blaue Linie heben Gipsschichten hervor (Heterogenität). b Nahaufnahme der Gipsschicht (blau) mit Molasse (orange Linien). c Probenahme in einer Baustelle nahe Genf. d Tonminerale, die aus Proben im Labor extrahiert wurden, um schließlich (e) potenziell für z. B. Geopolymere oder Ziegelherstellung wiederverwertet werden zu können

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Abb. 5
figure 5

Eine im Jahr 1944 durchgeführte Bohrung im FCC Trassenbereich. Gesteinsproben in den 98 Kernboxen wurden geologisch (sedimentologisch), mineralogisch sowie geotechnisch und petrophysikalisch in Feldversuchen und Laboren untersucht

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Abb. 6
figure 6

Molasse-Aufschluss entlang der FCC-Trasse. Proben wurden aus dem Gesteinsverband entnommen und als vollständige Kerne oder als Plugs (kleine, zylinderförmige Proben) im Labor analysiert

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6 Technische Herangehensweise und erste Ergebnisse

Ein erstes Klassifizierungsmodell der Molasse-Gesteinsmasse wurde anhand von QEMSCAN©-, XRF- und ICP-Datenanalysen auf Grundlage von Lithotypen und modaler Mineralogie vorgestellt. Erste Modelle zeigen, dass das Vorhandensein von Anhydrit in der Molasse Herausforderungen beim Tunnelbau darstellen könnte [12]. Die geologische Heterogenität des Gesteins wurde durch die Verwendung elementarer mineralogischer und lithologischer Analysen überwunden, wobei die Radioaktivität von natürlich vorkommendem Uran und Thorium ermöglicht, Molasse als erste Schnellmethode zu klassifizieren.

Die Analysen zeigen Nickel- und Chromgehalte im oberen und Anhydrit im oberen und unteren Molassebereich der FCC-Konstruktionstiefen. Feinkörnige, mergelige Sandstein-Lithotypen enthalten Cr-Spinell und Serpentinit. Dies ermöglicht einerseits eine Sub-Lithotyp-Klassifizierung zwischen Sandstein und Mergel. Andererseits steigen die im Serpentinit enthaltenen Nickel- und Chrom-Konzentrationen mit zunehmender Tiefe und könnten somit eine Wiederverwertung aufgrund von Verschmutzung als äußerst schwierig und teuer gestalten. Die Klassifizierung schlägt eine mineralogische Brücke zu einer einheitlichen europäischen technischen Richtlinie zur Wiederverwendung von Tunnelausbruchsmaterial vor. Das vorgeschlagene Klassifizierungsmodell dient als Bindeglied zur französischen und schweizerischen Gesetzgebung sowie zu einer europäischen technischen Richtlinie für eine Wiederverwertung von Tunnelausbruchmaterial auf internationalen Baustellen. Es liefert die Grundlage für zukünftige umweltfreundliche technische Vertragsmodelle aus Sicht des Auftraggebers und des Auftragnehmers unter den Bedingungen und unter dem Schutz der nationalen, europäischen und internationalen Gesetzgebung und Umwelt.

7 Fazit und Ausblick

Eine weltweite Zusammenarbeit von über 150 Instituten plant am CERN den weltweit größten Teilchenbeschleuniger in schweizerischem und französischem Untergrund. Der hierfür benötigte etwa 100 km lange Tunnel könnte noch vor Ende des Jahrzehnts in Bau gehen und wird seit 2014 von technischen, rechtlichen und sozio-ökonomischen Machbarkeitsstudien begleitet. Dies erfordert die Entwicklung eines neuen geologischen Untergrundmodelles des westlichen Molassebeckens sowie die Darstellung der Wiederverwertbarkeit von Ausbruchmaterial. Das von der EU im H2020 Rahmenprogramm für Forschung kofinanzierte Projekt FCCIS (FCC Innovation Study) beinhaltet dazu konkret ein Evaluierungsprogramm. Im Zuge dessen wurden Proben aus Bohrlöchern und Aufschlüssen entlang der derzeit verlaufenden FCC-Trassen entnommen und mineralogisch-chemisch, petrophysikalisch und geomechanisch analysiert.

Technische Einschränkungen implizieren die physikalische und chemische Charakterisierung von Ausbruchmaterial sowie deren Positionierung im Verhältnis zu den Grenzwerten für inerte Abfälle, was eine ausgefeilte Materialflussanalyse erfordert und bereits bei einer beim FCC eingesetzten Tunnelbohrmaschine zukünftig eingesetzt werden könnte. Ein Materialflussanalysekonzept, das auf einer Tunnelbohrmaschine installiert wird und On-line-Analysen durchführt, die Konditionierung, Trennung und Transport von Ausbruchmaterial zu den Endverbrauchern effizient gestaltet, könnte als innovative Lösung für den Bau zukünftiger Tunnel am Paradebeispiel FCC dienen.

Da diese vorläufigen Ergebnisse einen mineralogisch-chemischen Klassifizierungsansatz zeigten, sehen zukünftige Arbeiten vor, dass weitere Bohrungen entlang des FCC unter Berücksichtigung aller Daten in verschiedenen Bohrlöchern in Betracht gezogen werden. Diese Daten sollen kontextbezogen mit bestehenden geotechnischen Werten sowie mit neuen Messungen innerhalb desselben Untersuchungsgebiets verknüpft werden. Gegenwärtig gemessene multidisziplinäre, insbesondere geotechnische und petrophysikalische Labordaten sowie alte Archivdaten, die digitalisiert werden, sollen mit geophysikalischen Bohrlochdaten (z. B. Schall‑, Widerstands‑, Gammastrahlen- und Induktionslogs) verglichen werden, um daraus geotechnisch relevante Parameter abzuleiten. Solche Korrelationen müssen im Rahmen der folgenden Arbeiten ihre Genauigkeit, Glaubwürdigkeit und Zuverlässigkeit unter Beweis stellen. Neue Daten werden im Zuge der im Jahr 2022 stattfindenden Erkundungsbohrungen verfügbar sein, die das geologische Untergrundmodell sukzessive vervollständigen.