4. Versieglungsbauwerke (NAB 21-12)

Bei den Versiegelungsbauwerken handelt es sich um technische Bauwerke in Form von Tunnel- und Schachtverschlüssen. Gemeinsam mit weiteren Elementen des Mehrfachbarrierensystems (Abschnitt 2.2), wie beispielweise den Endlagerbehältern und dem Wirtgestein, gewährleisten sie den sicheren Einschluss der radioaktiven Abfälle.

Die Versiegelungen V1-HAA, V2-HAA, V1-SMA, V2-SMA sowie V3 erfüllen unterschiedliche Funktionen und Aufgaben im Verschlusssystem. Basierend auf Abschnitt 3.1 kann die Funktions­weise der Versiegelungsbauwerke wie folgt zusammengefasst werden:

Die Versiegelungsbauwerke mit Dichtelementen auf Bentonitbasis hindern portalseitig an­stehendes Wasser daran, über die untertägigen Zugänge in Richtung der Lagerkammern der Lager (HAA-Lagerstollen und SMA-Lagerkavernen) zu fliessen. Als Konsequenz sättigt sich das geologische Tiefenlager aller Voraussicht nach nur sehr langsam und hauptsächlich aus dem intakten Wirt­gestein auf. Durch die Limitierung des Wasserflusses mit den Dichtelementen der Ver­siege­lungen wird das Ziel der Verhinderung der Bildung eines dominanten Transportpfads entlang unter­tägiger Zugänge erreicht. Zudem werden Prozesse, wie z. B. Gasbildung und Radio­nuklid­frei­­setzung, begrenzt. Gleichzeitig ermöglicht die Verwendung eines Baustoffs auf Basis von Bentonit durch dessen Sorptionskapazität (unabhängig von der konkreten Aus­führung) eine zusätz­liche Radio­nuklid­rückhaltung.

Aus den Vorüberlegungen in Kapitel 2 und 3 lassen sich Auslegungsgrundsätze für die Ver­siegelungs­­bauwerke ableiten und festlegen. Anschliessend wird ein prinzipieller Auf­bau der Versiegelungsbauwerke dargestellt (Abschnitt 4.1). In den jeweiligen Unterkapiteln zu den einzelnen Versie­ge­lungsbauwerken sind exemplarische Umsetzungen dargestellt (Abschnitt 4.2 und 4.3), die auf Planungsannahmen beruhen.

Folgende Auslegungsgrundsätze können, basierend auf den diskutierten Anforderungen der Ver­siegelungen zur Gewährleistung der Sicherheitsfunktionen (Abschnitt 3.1), abgeleitet werden:

Langzeitsicherheit

1. Keine Schädigung des Wirtgesteins

2. Ein bedeutender Radionuklidtransport entlang der Tunnel und Zugangsbauwerke ist zu unterbinden.

3. Der Zutritt von Wasser in die Lagerstollen und -kavernen soll möglichst über das intakte Wirtgestein erfolgen und nur so gering wie möglich über die untertägigen Zugänge.

4. Der Gasfluss – wenn auch nur bedingt –, insbesondere entlang eines SMA-Versiegelungs­bau­werks, muss gewähr­leistet werden.

5. Alle Versiegelungen sollen einen Beitrag zur Sicherheit des Tiefenlagers leisten

6. Ein schneller Rückzug aus dem geologischen Tiefenlager, im Falle der Anordnung eines temporären Verschluss, soll möglich sein.

Baustoffauswahl

7. Versiegelungsbauwerke werden auf Basis von Bentonitbaustoff errichtet.

8. Zementbasierte Baustoffe sollen im Umfeld des abdichtenden Bentonits nur einge­setzt werden, wenn bautechnische Alternativen fehlen.

Aufbau des Versiegelungsbauwerks

Zur Veranschaulichung stellt Fig. 4‑1 den prinzipiellen, generischen Aufbau der Versiegelungs­bauwerke dar.

9. Tragende und dichtende Funktionen werden bei den Versiegelungsbauwerken getrennt.

Das Versiegelungsbauwerk verhindert oder (zumindest) reduziert Wegsamkeiten entlang der Tunnel und Stollen. Dies verlangt für den Baustoff des Dichtelements eine aus­reichend geringe Permeabilität und für die Kontaktfläche/-zone zum Wirtgestein einen aus­reichenden kraftschlüssigen Kontakt.

10. Versiegelungsbauwerke werden konstruktiv symmetrisch aufgebaut.

11. Der konstruktive Aufbau der Versiegelungsbauwerke soll einfach gehalten werden.

Bautechnik

12. Die Errichtung von vertikalen Versiegelungen ist im Falle einer Wahl derjenigen von hori­zontalen Versiegelungen vorzuziehen.

13. Alle Versiegelungsbauwerke basieren auf einem einheitlichen Bauwerkstyp.

14. Das Bauverfahren soll ein möglichst gebirgsschonendes Lösen des Gebirges erlauben

15. Falls es die felsmechanischen Verhältnisse zulassen, wird der Ausbau vor der Errichtung der Ver­siegelungs­bauwerke soweit wie möglich gebirgsschonend geraubt.

16. Die Wahl der Orte für die Versiegelungsbauwerke erlaubt eine gewisse Flexibilität.

Prinzipieller Aufbau einer Versiegelung

Auf Basis der Auslegungsgrundsätze und des prinzipiellen, generischen Aufbaus werden die spezifischen Versiegelungsbauwerke hinsichtlich ihrer jeweiligen Anforderungen und Randbedingungen beispielhaft konstruktiv durchgebildet (Fig. 4‑1). 

Fig. 4‑1:Prinzipieller, generischer Aufbau der Versiegelungsbauwerke (nicht massstäblich)

Die Ziffern 1, 3, 5 und 7 entsprechen den Übergangsschichten, die Ziffern 2 und 6 den beiden Widerlagern und die Ziffer 4 dem Dichtelement.

Die jeweiligen Unterkapitel zu den einzelnen Versie­ge­lungsbauwerken enthalten noch keine finalen und vollumfänglichen geometrischen Angaben, sondern exemplarische Abmessungen, die auf Planungsannahen beruhen. Der derzeitige Stand der Planungen legt bewusst noch keine endgültigen Angaben fest.

Die nachstehenden Beschreibungen im Abschnitt 4.2.1 und 4.2.2 beziehen sich auf die V1- und V2-Versiegelungen beider Lagerteile, das heisst auf Versiege­lungs­bauwerke in horizontalen bzw. sub­­horizontalen Tunnelabschnitten. Unterschiede und Besonderheiten der Ver­siegelungs­­bauwerke werden in den zugehörigen Abschnitten thematisiert. Aufgrund der vertikalen Lage und den teilweise abweichenden Randbedingungen wird die V3-Versieglung von den anderen Ver­siege­lungsbauwerken getrennt und umfassender im Abschnitt 4.3 beschrieben.

Um die statische Auslegung bei der Planung einfach und nachvollziehbar zu gestalten und die Qualitäts­­sicherung bei der Ausführung zu vereinfachen, werden einige einfache Dimensionie­rungs­grundsätze berücksichtigt. Mit ihrer Hilfe lässt sich beispielsweise die konstruktive Durch­bildung der Versiegelungen weitgehend vereinheitlichen und die Einbauqualität von Bentoniten leichter prüfen.

Die V1- und V2-Versiegelungsbauwerke bestehen aus 3 wesentlichen Elementen: dem Dicht­element, den Widerlagern und den Übergangsschichten (Fig. 4‑1). Die beiden Ver­siegelungs­bauwerks­typen werden beidseitig von Ver­füllungen in Form von Lockermassen (z. B. Bentonit oder aufbereiteter Opalinuston) umschlossen. Im Fall der SMA-Lagerkavernen wird als einzige Ausnahme ein hochporöser Mörtel als Lagerkavernenverfüllung ver­wendet.

• Dichtelement

  • Das Dichtelement besteht aus einem kompaktierbaren Bentonit, der den Bentonit als fein­körniges Material, Granulat, Pellets, Formsteine oder eine Kombination davon ent­hält. Alternative Sand-Bentonit-Gemische¹⁶ (siehe Abschnitt 4.2.2) sind bei SMA-Ver­siegelungs­­bauwerken zur Erhöhung der Gasdurchlässigkeit vorgesehen. Über­schlägige Berechnungen zeigen, dass von einer Mindestlänge der Dichtelemente von ca. dem drei­fachen Tunneldurchmesser auszugehen ist, um die geforderten Permeabi­litäts­werte zu erreichen. Angestrebt wird eine intrinsische Permeabilität des Bentonits im ge­quollenen Zustand von etwa 10-19 bis 10-17 m2 (Nagra 2024c). Die Dimensionie­rung des Dicht­elements erfolgt über die Trocken­einbaudichte derartig, dass der Bentonit bei vollständiger Sättigung einen definierten Quelldruck¹⁷ aufweist.

  • Der Bentonit kann mit fortlaufendem Schütt­kegel, z. B. mit sogenannten Stopfschnecken, eingebracht werden. Mit fortlaufendem Schüttkegel können, im Gegensatz zu einem Einbau in Lagen (vertikaler Einbau), auch die Firstbereiche verfüllt werden. Schütt­kegel können durch vertikale Hilfselemente (Mauern o.ä.) verringert werden. Eine Alter­native ist der Einbau vorgefertigter Blöcke aus kompaktierten Materia­lien und das Ver­füllen verbleibender Hohlräume mit Bentonitgranulat. Der Einbau erfolgt so, dass ein Kontakt zur Ausbruchlaibung hergestellt wird (formschlüssig). Ein kraftschlüssiger Anschluss im Gewölbe erfolgt aber erst, wenn das Gebirge weiter in Richtung des verfüllten Bauwerks konvergiert bzw. der Bentonit in Richtung Bauwerk quillt.

• Widerlager

  • Alle Widerlager bestehen z. B. aus einem unbewehrten, hochwertigen Konstruktionsbeton mit einer Nenndruckfestigkeit von mindestens 25 MPa. Aus statischen Gründen soll der Last­abtrag in das anstehende Gebirge möglichst über Normalspannungen erfolgen, und zur Gewähr­­leistung der Lagestabilität ist das Widerlager in einer doppeltkonischen Form ausgebildet. Um Spannungsüberhöhungen aus Biegeeffekten zu vermeiden, ent­spricht die Länge der Widerlager in etwa ihrem Durchmesser. Ein Aufweitungswinkel im Bereich von ca. 20° bis 25° stellt den Lastabtrag in das umgebende Wirtgestein in der gewünschten Art und Weise sicher. Einschnitte in der genannten Grössenordnung lassen sich unter Tag erfahrungs­gemäss¹⁸ gut realisieren.

  • Beide Widerlager nehmen hauptsächlich den anstehenden Gebirgsdruck sowie den sich ausbildenden Quelldruck aus dem Dichtelement des Versiegelungsbauwerks auf. Weiter sind auch lagerseitig auftretende Quelldrücke aus dem Quellen der Tunnelverfüllung und dem hydro­statischen Druck aus potenziell portalseitig anstehendem Wasser mit der Aus­legung abzudecken.

  • Die Widerlager werden anfangs eine gewisse Dichtigkeit gegen Fluide aufweisen. Sie werden jedoch konservativ als nicht langzeitbeständig angenommen und leisten somit keinen Beitrag zur Dichtigkeit im Rahmen von Langzeitsicherheitsanalysen.

• Übergangsschichten

  • Die Übergangsschichten sorgen als konstruktive Elemente für die bautechnische Trennung von Dichtelementen, Widerlagern und Resthohlraumverfüllungen zur Ver­meidung unerwünschter geochemischer Wechselwirkungen (Nagra 2024c). Dazu gehören einerseits Filterschichten aber auch z. B. Mauerwerk¹⁹ als «Schalung» für geschüttete Filterschichten. Zum Einsatz kommen ausschliesslich langzeitbeständige Materialien, wie z. B. Sande, Kiese²⁰ oder Kalksandsteine, die das geochemische Milieu gar nicht oder tendenziell eher positiv beein­flussen.

  • Eine Mächtigkeit von etwa einem halben Meter je Lockermassenschüttung oder je Mauer­­werk reicht bei geeigneter konstruktiver Durchbildung aus, um die zugewiesenen Aufgaben – z. B. als verlorene Schalung oder als Filter – zu erfüllen. Längere Über­gangs­schichten zur Einhaltung ihrer Funktion als Stabilisator des geochemischen Milieus sind allerdings auch denk- und realisier­bar.

  • Die Übergangsschichten werden in den V1- und V2-Versiegelungsbauwerken beidseitig der Widerlager positioniert. Somit werden die abträglichen Wechselwirkungen zwischen Bentonit und Zement limitiert (vgl. Abschnitt 4.1, Punkt 8). Sie erhalten zudem je eine Filter­schicht. Somit unterstützen sie eine gleich­mässige Sättigung des Dichtelements (innen­seitig) und eine gleichmässige ­ Beauf­schlagung durch anstehendes Wasser (aussen­seitig).

  • Ergänzend könnten auch Filterschichten innerhalb des Dichtelements eingesetzt werden, um bei grösseren Längen eine gleichmässigere Sättigung zu unterstützen und um bevor­zugte Wegsamkeiten im Dichtelement zu unterbrechen. Solche und alle weiteren Filter­schichten nehmen jeweils den gesamten Querschnitt des Versiegelungs­bauwerks ein und wären in Längsabständen vom ca. ein- bis zweifachen ihres Durchmessers zu realisieren.

Nachstehend werden die Besonderheiten der Versiegelungsbauwerke V1-HAA erläutert. Einen exemplarischen Aufbau des Versiegelungsbauwerks zeigt Fig. 4‑2.

Errichtungszeitpunkt

Die Errichtung der Versiegelungsbauwerke V1-HAA findet unmittelbar nach Abschluss der Einlagerung von HAA-Abfällen in den jeweiligen HAA-Lagerstollen statt. Die zeitnahe Ver­siegelung der HAA-Lagerstollen stellt die schnelle Isolation der radioaktiven Abfälle sicher.

Positionierung

Eine Versiegelung V1-HAA wird im Anschluss an den Abzweiger im Anfangsbereich (vgl. Fig. 3‑1) des HAA-Lagerstollen errichtet. Die Versiegelung grenzt den kompaktierten Bentonit der HAA-Lager­stollenverfüllung von der VF1-Resthohlraumverfüllung im Ein­lagerungs­­feld ab. Hin­sichtlich der Kompartimentalisierung trennt die Versiegelung die HAA-Lager­stollen vom übrigen Lagerfeld. Zur Errichtung der Versiegelungsbauwerke V1-HAA werden einige wenige Deka­meter des jeweiligen HAA-Lagerstollens beansprucht.

Entfernung des Ausbaus

Wie bei allen anderen Versiegelungsbauwerken wird der vorhandene Ausbau möglichst geraubt. Mögliche Varianten inklusive jener, in der Teile des Ausbaus verbleiben, werden im Kapitel 5 erläutert und diskutiert.

Baustoffauswahl

Für das Dichtelement wird Bentonit verwendet. Bei Bedarf können geringe Mengen an Zusätzen (z. B. Sand) beigemischt werden. Die Baustoffe der Übergangsschichten und Widerlager sind vorne angegeben.

Abmessungen

Den abgeschätzten Abmessungen liegt ein Bauwerksdurchmesser von ungefähr 3.5 m zugrunde, der sich aus einem lichten Durchmesser des HAA-Lagerstollens von 2.8 m und dem geraubten Ausbau von zweimal 0.35 m zusammensetzt.

Das gesamte Versiegelungsbauwerk hat – hier in der exemplarischen Umsetzung – eine Länge von 20 m bis 25 m. Davon werden für das eigentliche Dichtelement 10 m (das Dreifache des Durch­messers), für die beiden Widerlager etwa je 4 m und für jede der vier Übergangsschichten ca. 1 m²¹ resp. 1.5 m²² benötigt.

Anzahl

Die aktuellen Planungen sehen insgesamt 23 Versiegelungen V1-HAA vor. Davon befinden sich 20 im Hauptlager und drei im Pilotlager (Fig. 3‑1).

Fig. 4‑2:Exemplarischer Aufbau der Versiegelung V1-HAA eines HAA-Lagerstollens (Längs­schnitt)

Nachstehend werden die Besonderheiten der Versiegelungsbauwerke V1-SMA erläutert. Einen exemplarischen Aufbau des Versiegelungsbauwerks zeigt Fig. 4‑3.

Errichtungszeitpunkt

Die Errichtung der Versiegelung V1-SMA findet unmittelbar nach der vollständigen Beschickung der jeweiligen SMA-Lagerkaverne mit Abfällen statt. Die zeitnahe Versiegelung der SMA-Lager­kavernen stellt die schnelle Isolation der radioaktiven Abfälle sicher.

Positionierung

Eine Versiegelung V1-SMA wird nach der Verfüllung der zugehörigen SMA-Lagerkaverne im ent­sprechenden Abzweiger (vgl. Fig. 3‑1) errichtet. Sie grenzt die VF1-Lockermassenverfüllung im Lagerfeld von der Verfüllung der SMA-Lagerkaverne mit einem hochporösen Mörtel ab. Zur Errichtung der Versiegelungsbau­werke V1-SMA werden, ähnlich wie bei V1-HAA, einige Dekameter benötigt.

Die Kompartimentalisierung betrifft im Gegensatz zu den Versiegelungen V1-HAA nur die hydraulischen Verhältnisse, d. h. die Bewegung von Gebirgswasser. Mit der erzielten Gas­durch­lässigkeit der Versiegelungen V1-SMA werden ungünstig hohe Gasdrücke innerhalb der SMA-Lager­kavernen vermieden, indem Gas in den übrigen Tiefenlagerbereich abgeleitet wird.

Widerlager

Der M1-Mörtel der SMA-Lagerkavernenverfüllung übernimmt die lagerseitige Widerlager­funktion und kann die entstehenden Quelldrücke des Dichtelements aufnehmen. Somit kann lagerseitig auf die Errichtung eines Widerlagers bei den Versiegelungsbauwerken V1-SMA «verzichtet» werden. Der prinzipielle Aufbau resp. die Auslegungsgrundsätze der Funktions­trennung sowie der symmetrische Aufbau bleiben ansonsten erhalten.

Entfernung des Ausbaus

Wie bei allen anderen Versiegelungsbauwerken wird die Ausbruchsicherung nach Möglichkeit geraubt resp. rückgebaut. Entsprechende Varianten werden in Kapitel 5 diskutiert.

Baustoffauswahl

Beim Dichtelement wird ein Bentonit verwendet, welcher sich aus einem Sand-Bentonit-Gemisch im Verhältnis 80:20 zusammensetzt. Das Sand-Bentonit-Gemisch vereint die Vorteile des Bentonits-abdichtende Wirkung gegen Wasser und Sorption von Radionukliden – mit der ange­strebten Gasdurchlässigkeit (siehe Abschnitt 4.1, Punkt 4). Die Baustoffe der Übergangs­schichten (Sande, Kiese, Mauer­werk etc.) und Widerlager (hochwertiger Konstruktionsbeton) bleiben gegenüber den bisherigen Beschrei­bungen unverändert.

An dieser Stelle wird erneut auf die massgebende Anforderung bezüglich der Gaspermeabilität des Ver­siegelungs­bauwerks verwiesen, welche die Versiegelungen V1-SMA und V2-SMA im SMA‑Lagerteil betrifft. Die dort eingelagerten Abfälle (siehe Abschnitt 2.4) zeichnen sich im Vergleich zu den Abfällen im HAA-Lagerteil durch ein wesentlich höheres Gas­bildungspotenzial aus. Für das sich bildende Gas muss ein ausreichendes Gasspeichervolumen zur Verfügung gestellt werden. Solche Volumina stehen in der Verfüllung der SMA-Lagerkaverne selbst sowie im Porenraum der VF1- und VF2-Verfüllungen (bis zum V3-Versiegelungsbauwerk) zur Ver­fügung.

Abmessungen

Den exemplarischen Abmessungen liegt ein Bauwerksdurchmesser von ungefähr 6.5 – 7.0 m zugrunde. Der lichte Durchmesser der SMA-Abzweigertunnel beträgt etwa 5.5 m. Hinzu kommt die Mächtigkeit des zu raubenden Ausbaus. Damit benötigt das doppelkonusförmige Widerlager etwa eine Länge von ca. 7.5 m, während sich das eigentliche Dichtelement über etwa 20 m erstrecken soll (etwa dreifacher Tunnel­durch­messer).

Die drei Übergangsschichten, inklusive Mauerwerke als verlorene Schalungen, werden zu jeweils ca. 1 m²³ resp. 1.5 m²⁴ beidseitig des portalseitigen Widerlagers sowie als Trenn­schicht zwischen Lager­kavernenverfüllung und Dichtelement vorgesehen. Daraus ergibt sich eine Gesamt­länge von etwa 30 m für die exemplarische Umsetzung.

Anzahl

Gemäss heutiger Planung sind insgesamt acht Versiegelungen V1-SMA vorgesehen, davon sieben im Haupt­lager und eine im Pilotlager (Fig. 3‑1).

Fig. 4‑3:Exemplarischer Aufbau der Versiegelung V1-SMA einer SMA-Lagerkaverne im Abzweiger (Längsschnitt)

Im Folgenden werden die Eckdaten zu den Versiegelungsbauwerken V2-HAA und V2-SMA zusam­men­gefasst. Die beiden Typen unterscheiden sich, wegen der bereits im Abschnitt 4.2.2 thematisierten, unterschiedlichen Anforde­rungen hin­sichtlich der Gaspermeabi­lität, lediglich durch die Baustoffauswahl für das Dicht­element. Sie werden daher gemeinsam behandelt. Einen exemplarischen Aufbau der Versiegelungsbauwerke zeigt Fig. 4‑4.

Errichtungszeitpunkt

Die Errichtung der jeweiligen V2-Versiegelungsbauwerke findet unmittelbar nach der voll­ständigen VF1-Verfüllung der Lagerfeldzugänge (bzw. der Zugänge der Pilotlager) statt. Durch die zeitnahe Versiegelung der Lagerfelder wird bereits früh eine zusätzlich in Reihe geschaltete Barriere zu den V1-Versiegelungsbauwerken geschaffen und die vollständige Trennung der Lager­felder vom restlichen Bereich des geologischen Tiefenlagers realisiert.

Positionierung

Die V2-Versiegelungsbauwerke werden in den subhorizontalen Tunneln der Lager­feld­zugänge errichtet. Dabei handelt es sich zum einen um die drei Tunnel für Bau, Betrieb und Lüftung des HAA-Lagerteils und zum anderen um die zwei Tunnel des SMA-Lagerteils für den Betrieb und die Lüftung (vgl. Fig. 2‑2). Des Weiteren wird je Lagertyp ein V2-Ver­siege­lungsbauwerk in den Zugangstunneln der jeweiligen Pilotlager eingebaut.

Räumlich trennen die V2-Versiegelungsbauwerke somit die VF1-Lagerfeldverfüllungen von den VF2-Resthohlraumverfüllungen des zentralen Bereichs ab. Weiterhin grenzen sie im Falle eines Kombi­lagers die beiden Lagertypen voneinander ab. Die Übersicht in Fig. 3‑1 veranschaulicht die Positionierung der Versiegelungsbauwerke.

Zur Realisierung werden Tunnelabschnitte von mehreren Dekametern Länge benötigt. Auf­grund des Lagerdesigns besteht hinsichtlich der genauen Lokalisierung die grösste Flexibilität, sodass auf unvorhergesehene und gegebenenfalls weniger günstige Verhältnisse, die erst bei der Auf­fahrung erkannt werden, reagiert werden kann.

Entfernung des Ausbaus

Wie bei allen anderen Versiegelungsbauwerken werden die Gebirgssicherung auch hier so weit wie möglich geraubt bzw. rückgebaut und Teile der Auflockerungszone werden entfernt. Wenn die fels­mechanischen Verhältnisse dies zulassen, ist es auch denkbar, bereits beim Vortrieb auf einen flächenhaften Ausbau an den in Frage kommenden Orten zu verzichten.

Gegebenenfalls erforderliche Varianten diskutiert Kapitel 5.

Baustoffauswahl

Die Baustoffe der Versiegelungsbauwerke V2-HAA²⁵ entsprechen denjenigen der Ver­siegelungs­bauwerke V1-HAA, die Ver­siegelungsbauwerke V2-SMA denen der Ver­siegelungsbauwerke V1-SMA. Unterschiede ergeben sich demnach nur bei den Bentonit­baustoffen der Dicht­elemente.

Beim Dichtelement der Ver­siegelungsbauwerke V2-SMA kommen folglich wieder Sand-Bentonit-Gemische (z. B. Verhältnis 80:20) zum Einsatz. Analog zur Begründung zu den Ver­siegelungsbauwerken V1-SMA schafft dieses Material einen Zugang für Gase in den Porenraum der Resthohlraumverfüllungen ausserhalb der Lagerfeldzugänge. Damit vergrössert sich das zur Verfügung stehende Gasspeichervolumen.

Die Baustoffe der Übergangsschichten und Widerlager bleiben unverändert (siehe Abschnitt 4.2).

Abmessungen

Die exemplarischen Abmessungen gehen von einem Bauwerksdurchmesser von etwa 6.5 – 7.0 m lichter Durchmesser der Tunnel – zuzüglich geraubtem Ausbau – aus. Für die Widerlager ist eine Länge von ca. 7.5 m erforderlich. Die Dichtelemente haben eine Länge von etwa 20 m, was wieder ca. dem dreifachen Durchmesser entspricht. Die vier Übergangsschichten, inklusive Mauerwerke als verlorene Schalungen, werden zu jeweils ca. 1 m²⁶ resp. 1.5 m²⁷ beidseitig der beiden Widerlager vorge­sehen. Daraus ergibt sich eine Gesamtlänge in der exemplarischen Umsetzung von etwa 40.0 m (vgl. Fig. 4‑4).

Anzahl

Gemäss heutigem Planungsstand sind insgesamt vier Versiegelungen V2-HAA und drei Ver­siegelungen V2-SMA geplant, davon jeweils eines zur Abgrenzung des Pilotlagers im jeweili­gen Lagerteil.

Fig. 4‑4:Exemplarischer Aufbau der Versiegelungen V2-HAA (oben) und V2-SMA (unten) der Lagerfeldzugänge (Längsschnitte)

Nachstehend werden die Besonderheiten der vertikalen V3-Versiegelungsbauwerke erläutert. Einen exemplarischen Aufbau des Versiegelungsbauwerks zeigt Fig. 4‑5.

Der exemplarischen Aufbau der V3-Schachtversiegelungen berücksichtigt die folgenden vier Vor­aus­setzungen:

• Anordnung des geologischen Tiefenlagers etwa in der Mitte des Wirtgesteins:

  • Zur Errichtung der V3-Schachtversiegelungen steht etwa die halbe Mächtigkeit des Opalinustons zur Verfügung (von Lagerebene bis zur Oberkante des Wirtgestein).

• vollständiger Rückbau gebirgssichernder Ausbauelemente:

  • Um den hydraulischen Widerstand der Versiegelung im Zusammenwirken mit dem Wirtgestein zu maximieren, wird der Schachtausbau über die vollständige Ausdehnung der V3-Versiegelung geraubt (abschnittsweise während der Bauausführung). Lediglich punktuelle oder linienhafte Sicherungselemente verbleiben in allfälligen Schwächezonen im Gebirge.

  • Um ein gebirgsschonendes Rauben des Ausbaus zu ermöglichen, soll der Schachtausbau nach Möglichkeit mit geeigneten konstruktiven Massnahmen dafür vorbereitet werden.

• Langzeitbeständigkeit aller eingesetzten Baustoffe:

  • Dieser Grundsatz garantiert die Standsicherheit der gesamten Füllsäule, insbesondere die Lagestabilität des eigentlichen Dichtelements der V3-Versiegelung. Lediglich oberhalb des Dicht­elements werden eingeschränkt langzeitbeständige Baustoffe wie zement­basierter Beton zuge­lassen. Die Langzeitbeständigkeit des Bentonits sorgt für eine dauer­hafte Dichtwirkung gegen ggf. anstehendes Deckgebirgswasser.

• Trennung von Dichtfunktion und Widerlagerfunktion:

  • Das eigentliche Dichtelement wird auf Basis von Bentonit errichtet, welches seine Dicht­wirkung erst mit dem Quelldruck nach dem Zutritt von Wasser ausbildet. Die Gewähr­­leistung der Dichtigkeit bzw. Gebrauchstauglichkeit verlangt daher die Ein­spannung des Dichtelements zwischen zwei im Vergleich zum Dichtelement näherungs­weise starren Widerlagern. An die Widerlager werden keine langfristigen Anforderungen hinsicht­lich der Dichtwirkung gestellt. Lediglich das obere Widerlager übernimmt bis zur vollständigen Sättigung des Dichtelements eine temporäre Dichtwirkung. Die Sättigung des Dicht­elements erfolgt – im Gegensatz zu den (sub-)horizontalen Versiegelungen auf Lager­ebene – aufgrund seiner Positionierung im Schacht auch über portalseitiges Gebirgs­wasser und nicht hauptsächlich über das Wirtgesteins.

Fig. 4‑5:Exemplarischer Aufbau der V3-Versiegelung eines vertikalen Zugangsbauwerks / Schachts (Längsschnitt)

Die in Fig. 4‑5 gewählten exemplarischen Abmessungen gehen von einem Schachtdurchmesser von 9.5 – 10.0 m²⁸ (8.5 m lichter Durchmesser des Schachts zuzüglich des geraubten Ausbaus und geraubter loser Fels­teile), einer Höhe des angeschlossenen Tunnels von 7.0 m und einer Mächtigkeit des Opalinus­tons von beispielhaft 100 m aus. Zur Errichtung der V3-Versiegelung steht somit ein Teufen­bereich von etwa fünfzig Metern zur Verfügung. Standortspezifisch können barriere­wirk­same Rahmengesteine mit einbezogen werden.

Die Elemente der V3-Versiegelungsbauwerke und die anstehenden Verfüllungen können exemplarisch wie folgt beschrieben werden:

• Dichtelement:

  • Das eigentliche Dichtelement besteht aus einem Bentonit, der sich aus fein­körnigem Material, Granulat, Pellets, Formsteinen oder einer Kombination der genannten zu­sammensetzt. Die Dimensionie­rung des Dicht­elements erfolgt über die Trocken­einbaudichte derartig, dass der Bentonit bei vollständiger Sättigung den gewünschten Quelldruck aufweist.

  • Angestrebt wird eine mittlere Permeabilität des Bentonits im gequollenen Zustand von 10-19 bis 10-18 m2 (Nagra 2022). Die V3-Versiegelung verhindert somit dauerhaft einen relevanten Zutritt von Gebirgswasser in das geologische Tiefenlager.

  • Alle zehn Meter wird eine Filterschicht aus Feinsand eingebaut. Ihre Mächtigkeit beträgt einen halben Meter. Sie unterstützt eine gleichmässige Aufsättigung resp. ein gleich­mässiges Quellen des Bentonits und bricht bevorzugte Wegsamkeiten. Die Abstände der Filter­schichten entsprechen ungefähr dem Durchmesser des Dichtelementes im Schacht.

• unteres Widerlager:

  • Das untere Widerlager besteht aus einem setzungsstabil eingebauten Hartgesteins­schotter.²⁹  Auf einen zementgebundenen Baustoff als Alternative wird verzichtet, weil dieser keine ver­gleichbare Langzeitbeständigkeit beim Zutritt von Gebirgswasser aufweist (Gefahr der Korrosion), was die notwendige Lagestabilität des Dichtelements – in seiner vertikalen Lage – beeinträchtigen könnte.

  • Das untere Widerlager füllt den gesamten Schachtsumpf aus, sodass geringe Mengen an durch den Schacht zu tretendem Gebirgswasser hier zunächst aufgefangen werden. Es reicht oberhalb des Sohlenniveaus bis zur zweifachen Höhe des angeschlossenen Tunnels. Im Firstbereich des Anschlusstunnels wird ein Keil geraubt, um einer­seits die gebirgs­mechanischen Verhält­nisse zu verbessern und andererseits die Ver­füllung mit Schotter zu erleichtern.

  • Um die Auslaufsicherheit zu gewährleisten, dehnt sich das untere Widerlager in den Anschlusstunnel an die Schächte über die drei­fache Tunnelhöhe aus, bevor sich die ver­gleichs­­weise weiche VF2-Ver­füllung anschliesst.

  • Beim Einbau des Schotters wird eine Einbaudichte angestrebt, die eine Steifigkeit (Elasti­zi­tätsmodul) von 200 – 300 MPa aufweist. Diese reicht aus, um gemeinsam mit dem Last­­abtrag über den Siloeffekt die Lagestabilität des Dichtelements der V3-Versiegelung lang­fristig zu gewährleisten.

  • Als wesentliche Last nimmt das untere Widerlager neben dem Eigengewicht den sich aus­bildenden Quelldruck aus dem Dichtelement auf.

• oberes Widerlager:

  • Das obere Widerlager besteht aus einem nicht armierten, hochwertigen Konstruktions­beton mit einer Nenndruckfestigkeit von mindestens 25 MPa. Um den Lastabtrag in das anstehende Gebirge möglichst über Normalspannungen zu erreichen und die Lage­stabilität zu gewährleisten, besitzt es eine doppeltkonische Form. Um Spannungs­erhöhungen aus Biegung zu vermeiden, entspricht die Höhe des oberen Widerlagers annähernd seinem Durchmesser. Ein Auf­weitungswinkel von ca. 25° unterstützt den gewünschten Lastabtrag über Normalspannungen in das Gebirge und vereinfacht zudem den Ausbruch sowie die Betonage bei der Errichtung.

  • Das obere Widerlager nimmt als wesentliche Lasten neben dem Eigengewicht den sich aus­bildenden Quelldruck aus dem Dichtelement von unten und den hydrostatischen Druck im anstehenden Deckgebirgswasser von oben auf. Das Widerlager wird anfangs eine Dichtigkeit gegen Fluide aufweisen. Es wird jedoch konservativ als nicht lang­zeit­beständig angenommen und leistet somit keinen Beitrag zur Dichtigkeit im Rahmen von Langzeitsicherheitsanalysen. Das Dichtelement in der V3-Versiegelung wird auf­grund seiner Nähe zu den überliegenden Aquiferen im Vergleich zu den anderen Ver­siegelungen (V1 und V2) schneller vollständig gesättigt sein und somit die abdichtende Funktion über­nehmen, welche das obere Widerlager nur temporär erfüllen kann.

• Übergangsschichten:

  • Die Übergangsschichten sorgen für die bautechnisch konstruktive Trennung der Wider­lager vom Dichtelement. Sie bestehen aus gestuften Kiesen und Sanden, um die Filter­stabilität der einzelnen Schichten untereinander zu gewährleisten. Eine Mächtigkeit von ca. drei Metern reicht bei geeigneter konstruktiver Durchbildung aus, um diese Aufgabe zu erfüllen.

  • Die untere Übergangsschicht umfasst vier bis sechs Einzelschichten, um bei gleich­zeitiger Filter­stabilität den Übergang vom grobkörnigen Hartgesteinsschotter zum Bentonit her­zustellen. Der allfällige Einsatz von nicht korrodierenden Geotextilien kann den Her­stellungsprozess erleichtern.

  • Die konstruktive Durchbildung der oberen Übergangsschicht besteht im einfachsten Fall, wenn die Funktion der Filterstabilität nicht benötigt wird, nur aus einer Feinsandschicht mit einem halben Meter Mächtigkeit. Die obere Übergangsschicht entspricht dann der Filter­­schichten im Dichtelement. Sie übernimmt in diesem Fall vor allem die Aufgabe, durch das obere Widerlager zutretendes Wasser über den Versiegelungs­quer­schnitt zu ver­teilen, was die gleichmässige Sättigung des Bentonits unter­stützt.

  • Um Setzungen zu beschränken, werden Alle Sand- und Kiesschichten der Übergangs­schichten beim Einbau lagenweise eingebaut verdichtet.

• Schachtverfüllung mit zusätzlicher Funktion als Grundwasserstockwerkstrenner (obere Wider­lagersäule und Schachtabschlussbauwerk):

  • Formal gehört die obere Widerlagersäule nicht mehr zur V3-Versiegelung. Sie trennt die natürlichen Grundwasserstockwerke dauerhaft, um den natürlichen hydrogeologischen Zustand vor dem Abteufen der Schächte wiederherzustellen. Die Schachtverfüllung und das Schachtabschlussbauwerk werden im Abschnitt 6.1.5 behandelt.