Durch einen ausreichenden form- und kraftschlüssigen¹¹ Kontakt zwischen dem Dichtelement und dem Wirt­gestein werden Instabilitäten bzw. Konvergenzen und folglich eine Schädigung der geologischen Barriere weitestgehend verhindert. Durch die Herstellung einer möglichst hohen und homogenen Einbaudichte im Gesamtquerschnitt des Dichtelements wird angestrebt, diesem Ziel nahe zu kommen.

Gute Sorptionseigenschaften und niedrige Durchlässigkeiten des Opalinustons führen zu langen charakterisitischen Transportzeiten für den Radionuklidtransport durch das Wirt­gestein. Wenn keine alternativen Transportpfade existieren, führt dies zu einer äusserst langsamen Radiokunklidfreisetzung. Ziel ist es deshalb, Wasserströmungen in und aus dem geologischen Tiefenlager entlang der Zugänge zu minimieren, um so auch den Transport von Radionukliden entlang der Tiefenlagerzugänge weitestgend zu unterbinden.

Der Wassereintritt durch die untertägigen Zugänge in die Lagerstollen und -kavernen ist so lange wie möglich zu verzögern, um die Radionuklidrückhaltung zu unterstützen (siehe Punkt 2) und das Potenzial von chemischen Reaktionen zu reduzieren (z. B. Verzögerung von Korrosions­­prozessen). Das Bemessungsziel der Versiegelungsbauwerke ist es daher, den Wasser­fluss entlang der Zugänge zu den Lagerkammern zu minimieren.

Der Gasfluss durch den Porenraum eines Dichtelements aus Bentonit im gequollenen (gesättigtem) Zustand ist äusserst gering.¹² Um eine gewisse Gasdurchlässigkeit auch im gequollenen Zustand für die SMA-relevanten Versiegelungsbauwerke aufrechterhalten zu können, wird eine Sand-Bentonit-Mischung (80:20) verwendet. Versuche zeigen, dass sich in diesem Fall die Permeabilitäten für Flüssigkeiten und Gas um bis zu sechs Grössen­ordnungen unterscheiden können (Spillmann et al. 2015). Die speziellen Eigenschaften des Bentonit­­baustoffs der HAA- und SMA-Versiegelungen werden später im Abschnitt 4.2 diskutiert.

Alle Massnahmen – insbesondere auch der Bau von Versiegelungsbauwerken als massgeb­liche technische Barrieren – haben das übergeordnete Ziel, ein insgesamt ausgegliche­nes Sicher­heitsniveau herzustellen und als redundantes Mehrfachbarrierensystem zusammenzuwirken.

Sowohl der Zutritt von Wasser in ein Tiefenlager als auch der Radionuklidaustrag sollen durch das System aus geologischen Barrieren und Verschlussbau­werken verzögert und reduziert werden. Dabei sind alle Barrieren auf­einander abzustimmen und die Prinzipien von Redundanz und Diversität, soweit möglich und sinnvoll, ortsspezifisch umzusetzen. Für die Versiege­lungs­bauwerke bedeutet dies im Hinblick auf ihre Dichtigkeit und Rück­halte­wirkung:

• Im Sinne einer bestmöglichen Redundanz sind – hinsichtlich der abdichtenden Wirkung – V1-, V2- und V3-Versiegelungsbauwerke mit ähnlichen Beiträgen zu bevorzugen.

• Die Auslegung der Versiegelungen berücksichtigt die an ihrem Einbauort zu erwartenden Einwirkungen.

Durch die Reihenschaltung von ähnlich wirksamen Versiegelungen werden robuste Redundanzen im Verschlusssystem erreicht.

Ein schneller Rückzug aus dem geologischen Tiefenlager während der Betriebsphase soll berück­­sichtigt werden und bei ausreichendem Sicherheitsniveau möglich sein. Das Aus­legungs­­prinzip stammt aus der gesetzlichen (Art. 11 KEV 2004) und regulatorischen Forderung (ENSI 2020a) des temporären Verschlusses (Abschnitt 2.1.2).

Hieraus leitet sich die Konsequenz ab, dass die V1-Versiegelungsbauwerke derart beschaffen sein müssen (Funktionstüchtigkeit), dass sie die Sicherheit auch ohne die Unterstützung der weiteren V2- und V3-Ver­siegelungs­bauwerke – wenn auch (temporär) eingeschränkt – gewährleisten. Dieser Auslegungs­grund­satz stützt die These, auf eine Hierarchisierung bzw. auf ein Gefälle von V3 zu V1 bei den Versiegelungs­bauwerken zu verzichten (siehe Punkt 5) und steht im Einklang mit den regulatorischen Vorgaben eines temporären Ver­schlusses in seiner Umsetzung. Der temporäre Verschluss wird im Kapitel 7 behandelt.

Bentonit stellt ein arteigenes Material zum Wirtgestein Opalinuston dar. Denkbar sind Aus­führungen in Form von Granulat, Pellets, Formsteinen, Bentonitmehl oder Mischungen der genannten Ausführungen mit vorgegebenen Körnungslinien. Bei Kontakt mit Wasser quillt Bentonit und wird dadurch nahezu wasser- und gasundurchlässig.¹³ Zur Beibehaltung einer gegebenenfalls not­wendigen Gasdurchlässigkeit nach der Aufsättigung wird Bentonit mit Sand (z. B. 20:80) vermischt (siehe Punkt 4). Dichtelemente des Versiegelungs­bauwerks auf Basis von Bentonit haben daher bei Zutritt von Wasser einen selbstabdichtenden Charakter. Zusätz­lich besitzt Bentonit, wie das Wirtgestein, sorbierende Eigenschaften, was dafür sorgt, dass sich hinsichtlich vieler Radio­­nuklide ein allfälliger Transport verzögert. Die Lang­zeit­beständig­keit des Bentonits im Dichtelement sorgt somit für eine dauer­hafte Dichtwirkung gegen anstehendes Wasser in Richtung der Lagerkammern einerseits und ent­gegen einem Austrag von Radionukliden aus den Lagerkammern andererseits.

Der Einsatz von zementbasierten Baustoffen (Beton, Mörtel) ist in Nahbereichen von Dicht­elementen eines Versiegelungsbauwerks, wo möglich, zu begrenzen. Die langfristige Interaktion von Wasser mit zementbasierten Baustoffen kann zu einer negativen Veränderung der Wasserchemie und Toneigenschaften führen (Nagra 2021a).

Bentonit besitzt im initialen, ungequollenen Zustand keine ausreichende Festigkeit und Steifig­keit, um als tragender Baustoff eines Versiegelungsbauwerks zu wirken oder einen Quell­druck ohne Unterstützung aufzubauen. Daher ist es notwendig, die tragende Wirkung (Stand­sicher­heit) und die dichtende Wirkung (Funktionstüchtigkeit) auf verschiedene Elemente des Versiegelungsbauwerks aufzuteilen:

(a) Versiegelungsbauwerk in Längsrichtung (axial)

(b) Versiegelungsbauwerk in Querschnittsebene (radial)

(c) Übergangsschichten

Als konstruktive Elemente oder Bauteile besitzen Versiegelungsbauwerke Übergangs­schichten, bestehend aus Filterschichten und Trennwänden.

Die Übergangsschichten sorgen für die bautechnische Trennung von Dichtelementen, Widerlagern und Resthohlraumverfüllungen zur Vermeidung unerwünschter geochemischer Wechselwirkungen (Nagra 2024c).

Die Filterschichten können auch zur gleichmässigen Verteilung des anstehenden Wassers über die Querschnittsfläche des Dichtelements dienen. Dadurch wird ein gleichmässiges Quellen des Bentonits¹² und damit der selbstnivellierende Charakter des Prozesses unter­stützt. Darüber hinaus dienen Filterschichten auch dem Vermeiden der Bildung präferierter Fliess­pfade durch das Versiegelungsbauwerk.

Als weiteres konstruktives Element werden Trennwände erstellt, welche als Schalung die Schüttung kohäsionsloser Baustoffe über den gesamten Versiegelungsquer­schnitt er­möglichen.

Die Versiegelungen sollen in axialer Richtung einen möglichst symmetrischen Aufbau besitzen. Der Auslegungsgrundsatz ergibt sich einerseits daraus, dass jede Versiegelung zwei Prozesse verzögern bzw. verhindern soll:

• Zutritt von Wasser in das Tiefenlager entlang der Zugänge

• Austrag (advektiver Transport in Wasser) von Radionukliden entlang der Zugänge aus dem Tiefenlager

Andererseits werden zwei Widerlager benötigt, um – bevor der radiale Quelldruck des Bentonits in ausreichendem Masse aktiviert ist – das Dichtelement am gewünschten Ort zu halten. Eine (axiale) Volumendehnung des Dichtelements als Folge des Quellens wird bei geeigneter Auslegung weitgehend verhindert, sodass sich der gewünschte Quelldruck aufbaut und die Kontaktflächen zwischen Dichtelement und Wirtgestein plan­mässig kraftschlüssig sind. Die Widerlager befinden sich dafür beidseitig vom Dichtelement.

Der Bauwerksentwurf eines Versiegelungsbauwerks soll einfach und übersichtlich sein sowie wenige Einzelelemente umfassen.

Das Konstitutivverhalten eines Bentonits ist komplex. Dies gilt umso mehr bei der notwendigen Berücksichtigung des geochemischen Milieus. Es empfiehlt sich daher, möglichst «einfache» Geometrien und Einbautechniken bei gleich­zeitig einfachem Aufbau zu planen und einzusetzen. Die Qualitätssicherung beim Bau soll mit Hilfe weniger, leicht messbarer Grössen erfolgen können. Dazu bieten sich zum einen die Hohl­raum­volumina-Vermessung, beispielsweise mittels Laser-Scans, und die eingebaute Massen-Quanti­fizierung mittels Wägen an. Aus diesen beiden Messgrössen lassen sich die vor­gegebenen, aus der Dimensionierung resultierenden Verfüll­grade oder Trockeneinbaudichten des Bentonits verifizieren.

Vertikale oder zumindest stark geneigte Versiegelungsbauwerke sind einfacher zu planen, zu dimensionieren und zu errichten als horizontale. Die V3-Versiegelungen werden daher ausschliesslich in den Schächten und nicht in dem am Schachtfuss angeschlossenen Tunnel realisiert. Als Vorteile eines Versiegelungsbauwerks in einem Schacht werden genannt:

• Die Schwerkraft «unterstützt» den Bau. Die Thematik einer ausreichenden Firstbündig­keit, die bei einem Versiegelungsbauwerk in einem horizontalen bzw. subhorizontalen Bau­werk bautechnisch zu lösen ist, entfällt.

• Geforderte Einbaudichten, zum Beispiel beim Bentonit, lassen sich leichter realisieren. Während in horizontalen Strecken «gestopft» werden muss, kann in Schächten lagen­weise eingebaut und beispielsweise mit Rüttelplatten verdichtet werden.

• Beim Einsatz von hydraulisch abbindenden Baustoffen wie Beton entfällt ein Teil der Schalungen.

• Filterschichten und andere konstruktive Elemente lassen sich in vertikal aufgebauten Ver­siegelungs­­bauwerken mittels eines lageweisen Einbaus sehr einfach realisieren.

• Der Ausbau lässt sich leichter rauben als in einem subhorizontalen Tunnel. Zwischen­bau­zustände sind einfacher zu handhaben.

Für die V1-, V2- und V3-Versiegelungen wird, abgesehen von der Einbaurichtung (vertikal, (sub-)horizontal), der gleiche generische Bauwerksentwurf bevor­zugt. Eine Unter­scheidung ist bei den Abdichtungslängen jedoch in Abhängigkeit vom Ort des Bauwerks notwendig.

Der Einbau von in Serie und gleich aufgebauten Versiegelungen hat insbesondere folgende Vorteile:

• Der Bau läuft mit der Zeit routinierter ab und erfordert insgesamt kürzere Erprobungs- und Testphasen sowie Bauzeiten.

• Durch Verwendung eines einheitlichen Versiegelungsbauwerkstyps gleicht sich das über­geordnete Sicherheitsniveau aus (vgl. dazu auch Punkt 5).

Die tunnelnahe Auflockerung des Wirtgesteins ist zu minimieren. Beim Vortrieb und Sichern der für die Versiegelung vorgesehenen Tunnel- und Schachtabschnitte sowie beim Rauben sind gebirgsschonende Verfahren, wenn technisch sinnvoll und möglich, anzuwenden.

Sowohl durch den Vortrieb, als aber auch durch ein allfälliges Rauben des Ausbaus, kommt es zur Bildung einer neuen resp. Vergrösserung einer vorhandenen Auflockerungs­zone. Dies kann temporär zu einer Erhöung der Durchlässigkeit im Nahbereich des Ausbruchsrands führen. Durch die Auflockerung entstandenen Risse im Wirt­gestein beginnen sich infolge Tonquellens bei Feuchtigkeitseintrag jedoch wieder zu schliessen («Selbstabdichtung»), so dass davon ausgegangen werden kann, dass die Durchlässigkeit in der Auf­lockerungs­zone nach Einbau der Ausbruchsicherung über die Zeit wieder abnimmt. Je feiner und disperser die Volu­menvergrösserung in der Auflockerungs­zone verteilt ist, desto geringer ist die temporäre Durchlässig­keits­erhöhung und desto schneller die Abnahme der Durch­lässig­keit infolge der «Selbstabdichtung». Ein schonender Ausbruch oder ein Rauben des Ausbaus mit einen nachfolgenden direkten Einbau einer Aus­bruch­sicherung wirkt sich günstig auf die auflockerungsbedingte Rissbildung aus. Potenzielle Wegsamkeiten im anstehenden Tonstein werden damit reduziert und im Idealfall vermieden.

Nach dem Bau der Versiegelungsbauwerke sollen sich potenzielle Wegsamkeiten im angren­zenden Wirtgestein überwiegend in Radial- oder Umfangsrichtung – das heisst im Tunnel­querschnitt – ausdehnen. Der Auslegungsgrundsatz hat das Ziel, eine Ausbildung von höher transmissiblen Wegsamkeiten in Tunnellängsrichtung zu verhindern. Somit ist der Ausbau in den Bereichen der späteren Versiegelungsbauwerke bei Möglichkeit vollständig zu rauben. Linienhafte oder punktuelle Sicherungselemente können beibehalten werden. Gegebenenfalls ist auch das Verbleiben von Teilen der flächenhaften Ausbruchsicherung im Falle der V1- und V2-Versiegelungen erforderlich. Verbleibende oder angrenzende Teile des Anbaus sind entsprechend auf die Zusatz­belastung auszulegen. Weitere Variationen hinsichtlich der Reaktionsmöglich­keiten auf die In-situ-Bedingungen an den Einbauorten der Versiegelungs­bauwerke werden im Kapitel 5 diskutiert.

Die genaue Positionierung der Versiegelungsbauwerke soll möglichst nicht durch baulich vor­definierte Randbedingungen beeinträchtigt werden. Versiege­lungsbauwerke sollten vor allem an geomechanisch günstigen Orten platziert werden und möglichst kleine Ausbruch­quer­schnitte und günstige Profilformen aufweisen.

Die Entscheidung zur genauen Platzierung einzelner Versiegelungsbauwerke soll möglichst lange offengehalten werden. Bei den V1- und V3-Versiegelungsbauwerken ist diese Flexi­bilität kleiner als bei den V2-Versiegelungsbauwerken.