Die Ilmtalbrücke ist eine zweigleisige Eisenbahnüberführung der Eisenbahn-Neubaustrecke Ebensfeld–Erfurt zwischen Streckenkilometer 151,385 und 153,066. Mit einer Länge von 1681 m ist sie die längste von 29 Talbrücken der Strecke und die längste Brücke Thüringens.
Das Bauwerk liegt rund ein Kilometer südlich des Bahnhofs Ilmenau-Wolfsberg und setzt die Trasse Richtung Süden fort. Dabei überspannt sie zwischen Gehren und Langewiesen das Ilmtal mit Fischteichen, die in diesem Bereich umverlegte Bundesstraße 88, eine 110-kV-Freileitung sowie die ehemalige Bahnstrecke Ilmenau–Gehren–Großbreitenbach. Die Bundesstraße 88 wurde im Bereich der Brücke abschnittsweise neu trassiert, die Freileitung während der Bauarbeiten als Kabel geführt. Die Brücke gilt als letztes Bauwerk des Nordabschnitts der Neubaustrecke. Südlich schließt sich der Beginn der Querung des Thüringer Waldes an.Die Streckentrasse verläuft – bei einer Entwurfsgeschwindigkeit von 300 km/h – ab dem südlichen Widerlager zunächst in einem Bogen mit 7000 m Radius, die über einen Übergangsbogen in eine Gerade zum nördlichen Widerlager hin übergeht. Die Gradiente fällt in Richtung Norden mit 12,5 Promille und geht nördlich des nördlichen Widerlagers in eine Steigung von 2,477 Promille. Die Brücke hat eine Feste Fahrbahn mit 4,5 m Gleisabstand sowie beidseitig Lärmschutzwände von 2,0 m bis 4,0 m Höhe, auf der westlichen Seite über die gesamte Länge.
Die geplanten Baukosten lagen bei 29,2 Millionen Euro. Die Europäische Union beteiligte sich mit EFRE-Mitteln an der Finanzierung.
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