Sonderanwendungen von Verpresspfählen und Dauerankern. 2 Vorgespannte Zugpfähle im Hafenbau

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1 Klaus Dietz, Horst Köster, Thomas Groß Sonderanwendungen von Verpresspfählen und Dauerankern Dipl.-Ing. Klaus Dietz 1), Dipl.-Ing. Horst Köster 2), Dipl.-Ing. Thomas Groß 3) 1) Stump Spezialtiefbau GmbH, ZT Langenfeld 2) Stump Spezialtiefbau GmbH, ZN Hannover 3) Stump Spezialtiefbau GmbH, NL Langenfeld 1 Einleitung Verpresspfähle und Daueranker sind wesentliche Sicherungselemente im Spezialtiefbau. Auf der Grundlage von über 30 Jahren Erfahrung werden die Einsatzgrenzen stetig erweitert. Anhand von drei Ausführungsbeispielen wird gezeigt, wie unter Beachtung projektspezifischer Sondermaßnahmen und eines durchgängigen Qualitätssicherungsprogramms auch unter schwierigen Untergrundverhältnissen erfolgreich Daueranker und Verpresspfähle hergestellt werden können. 2 Vorgespannte Zugpfähle im Hafenbau 2.1 Projekt Das ehemalige Gelände der Werft AG Weser in Bremen wird in einen Hafenund Industriepark umgewandelt. Die vorhandenen Kaianlagen müssen dazu ertüchtigt und für einen tieferen Aushub stabilisiert werden. In einem Teilbereich, dem sog. Pier II (Abb. 2), kann die vorhandene Spundwand weiter genutzt werden und muß nur durch einen im Tide-Bereich liegenden Bohrverpressanker zusätzlich gesichert werden. Im Bereich des Pier I wird eine vollständig neue Spundwand gerammt, deren Kopfbalken durch einen Bohrverpresspfahl gehalten wird (Abb. 1).

2 2 16. Chr. Veder Kolloquium, Graz 2001 Abb. 1: Sanierung Gelände AG Weser Gelände Pier I 2.2 Baugrund und Randbedingungen Oberflächennahe ist der Untergrund im Projektgebiet durch zahlreiche Veränderungen auf dem Gelände mit Kulturschutt überdeckt. Dieser Bereich der Auffüllungen mit Ziegelresten und Betoneinbauten reicht bis ca. - 7 m. Darunter stehen weitere sandig-kiesige Auffüllungen an, die als Gründungsbereich aufgeschüttet worden waren. Schließlich folgt ein locker gelagertes Kies-Sand- Gemisch, das ab 8 bis - 10 münn von Ton und Schluff unterlagert wird. Durch die lockere Lagung des Kies-Sand-Gemisches war es notwendig, Zusatzmaßnahmen in Form eines aufgedüsten Fußes- zu ergreifen, um die Gebrauchskräfte der Pfähle von 900 kn mit der nötigen Sicherheit in den Untergrund einzubringen. Da die Ankeransatzpunkte im Pier II im Wasserwechselbereich lagen, konnten das Setzen der Anker und die Spannarbeiten nur bei Niedrigwasser erfolgen.

3 Klaus Dietz, Horst Köster, Thomas Groß Abb. 2: Sanierung Gelände AG Weser Gelände Pier II 2.3 Sondermaßnahmen und Qualitätssicherung Die Tragfähigkeit der Pfähle sowie der Anker wurde durch einen aufgedüsten HDI-Fuß gewährleistet. Dazu wurde zuerst eine Bohrung im Überlagerungsbohrverfahren Ø 160 mm abgeteuft. Nach Erreichen der Endteufe von ca. 27 m wurden die letzten 3 m der Krafteinleitungsstrecke im HDI- Verfahren aufgefräst. Danach wurde die Verrohrung wieder auf Endteufe gebracht und das Stahltragglied aus St 52 Ø 90 mm eingeführt. Anschließend erfolgte stufenweise die Verpressung der 12 m langen Krafteinleitungsstrecke. Sämtliche Anker wurden einer Abnahmeprüfung unterzogen und auf 1200 kn gespannt. Alle Zugglieder haben die zulässigen Verformungswerte eingehalten. Neben der Gewährleistung der Tragfähigkeit der Pfähle stellte die Herstellung der Bohrlöcher eine weitere Herausforderung dar. Im Bereich des Pier I, wo der Pfahl im Kopfbalken endete, wurde mit einem Hängegerüst gearbeitet, das auf der Kaimauer verschoben werden konnte (Abb. 3). Am Pier II dürfte die Spundwand im Bauzustand nicht zusätzlich belastet werden, so daß das Hängegerüst nicht eingesetzt werden konnte. Die Arbeiten erfolgten deshalb von der Wasserseite mittels eines Pontons(Abb. 4). Während des Bohrvorgangs mußte infolge des Tideeinflusses ( Tidehub ca. 3,0 m) das Bohrgestänge ständig nachjustiert werden. Aufgrund der sorgfältigen Arbeitsweise der Bohrmannschaft traten nur vereinzelt Gestängebrüche auf.

4 4 16. Chr. Veder Kolloquium, Graz 2001 Abb.3: Bohrarbeiten im Kopfbereich vom Hängegerüst aus (Pier I). Abb.4: Bohrarbeiten im Tidebereich vom Ponton (PierII)

5 Klaus Dietz, Horst Köster, Thomas Groß 3 Daueranker in aggressivem Baugrund 3.1 Projekt Die DB AG baut zwischen Köln und Frankfurt eine neue Trasse für Hochgeschwindigkeitszüge. Im Rahmen dieses Bauvorhabens sind zahlreiche Sonderbauwerke erforderlich, die teilweise auch mit Ankern gesichert werden. Im besonderen Fall war eine Stützwand zur Sicherung eines Hangeinschnitts notwendig. Die zunächst vorgesehene Winkelstützmauer wurde durch eine am Kopfbalken rückverankerte, aufgelöste Bohrpfahlwand ersetzt (Abb. 5). Insgesamt mußten 431 Daueranker mit Gebrauchslasten bis zu kn und Längen bis zu 45 m hergestellt werden. Bei ca. 290 Dauerankern lag die Verankerungslänge unter dem Grundwasserspiegel. Da das Grundwasser betonangreifende freie Kohlensäure enthielt, mußten Sondermaßnahmen getroffen werden. Abb. 5: Querschnitt Stützwand Hombach NBS Köln Rhein/Main

6 6 16. Chr. Veder Kolloquium, Graz Baugrund und Randbedingungen Unter einer etwa 1 m starken Überlagerung steht eine ca. 1,5 m mächtige Schicht aus Hanglehm an. Darunter folgt zersetzter bis verwitterter Fels und schließlich mäßig verwittert devonischer Fels, der überwiegend aus Ton, Schluff und Sandsteinen sowie Sand und Tonschiefer besteht. In Abhängigkeit von den mehr oder weniger offenen Klüften und Störzonen sind diese Gesteine des rheinischen Schiefergebirges in der Regel mäßig durchlässige Grundwasserleiter. Gemäß Baugrundgutachten konnte mit einer mittleren Durchlässigkeit von k f 10-7 m/s ausgegangen werden. Aufgrund der kalkaggressiven Kohlensäure mit Anteilen zwischen etwa 20 und 100 mg/l muß das Grundwasser nach DIN 4030 als schwach bis stark betonangreifend bezeichnet werden. 3.3 Sondermaßnahmen und Qualitätssicherung Gemäß DIN 4125, dürfen Daueranker im Fels nur dann bei aggressiven Angriffsgraden eingebaut werden, wenn durch geeignete Sondermaßnahmen die Tragfähigkeit der Anker auf Dauer sichergestellt ist, z. B. Bohrlochvergütung durch Einpressen nach DIN 4093, um aggressives Wasser vom Verpreßkörper fernzuhalten (Abb. 6). Entscheidend ist, daß eine Entfestigung der Zementsteinoberfläche nur dort zu erwarten ist, wo das in den Kluft- oder Störzonen fließende Wasser auf den Verpreßkörper trifft. In den Bereichen des Verpreßkörpers ohne offene Klüfte oder Störungen sind keine Entfestigungen der Zementsteinoberfläche zu erwarten. Zunächst wurde im Rahmen von Eignungsversuchen überprüft, inwieweit das anstehende Gebirge ausreichend verpreßt werden konnte. Abb. 6: Verdrängung des Kluftwassers durch Vorinjektion

7 Klaus Dietz, Horst Köster, Thomas Groß Dazu wurden nach Abteufen (Abb. 7) der Bohrlöcher im Bereich der Krafteinleitungstrecke Wasserdurchlässigkeitsversuche mit einem Maximaldruck von 1,5 bar durchgeführt. Als Qualitätskriterium für den Einbau eines Dauerankers wurde festgesetzt, daß der Durchfluß bei 1 bar kleiner als 3 l/min auf der gesamten Verpreßstrecke von 6 m sein mußte. Die WD-Tests wurden automatisch aufgezeichnet und mittels EDV ausgewertet. Beim Überschreiten des WD-Kriteriums erfolgte die Vorinjektion der Krafteinleitungsstrecke mit Zementsuspension. In Abhängigkeit von der Injektionsgutaufnahme wurde der W/Z-Wertes zwischen 1,0 und 0,45 variiert. Zum Einsatz kam CEM 42,5R mit einer Beimengung von 20% Flugasche. Die mittlere Verpreßmenge bei den Probeankern lag über 500 kg. Am folgenden Tag wurde die Verpreßstrecke aufgebohrt und erneut ein WD-Test durchgeführt. Bei positiven Ergebnis konnte dann der Anker eingebaut werden oder die Vorinjektion mußte wiederholt werden. Jeder Arbeitsgang wurde in einem Qualitätssicherungsplan eingetragen und von der Bauüberwachung abgezeichnet. Abb. 7: Bohrarbeiten mit Magazinbohrgerät 3.4 Ausführung Während der Ausführung zeigte sich, daß die Durchlässigkeit des anstehenden verwitterten Felsens deutlich höher war als im Baugrundgutachten angenommen. Dies führte dazu, daß insgesamt etwa 840 WD-Tests durchgeführt werden

8 8 16. Chr. Veder Kolloquium, Graz 2001 mußten, teilweise bis zu sieben mal in einer Bohrung. Daraus resultierten erhebliche Störungen im Bauablauf. Auch bei der Bauausführung wurde jeder einzelne Arbeitsschritt festgehalten und abgezeichnet, von WD-Tests über die Vorvergütung, den Einbau bis zum Spannen (Abb. 8). Die Daueranker wurden in einer Bauzeit von 8 Monaten hergestellt. Abb. 8: Abnahmeprüfung gemäß DIN Verpreßpfähle in Böden mit organischen Beimengungen 4.1 Projekt Die Staatsbibliothek Unter den Linden ist das Stammhaus der größten wissenschaftlichen Universalbibliothek in Deutschland. Das zwischen 1903 und 1904 errichtete Bauwerk stellt den weitläufigsten historischen Gebäudekomplex in Berlin dar. Zur Sicherung der Bausubstanz aber auch zur Umsetzung einer neuen Nutzungskonzeption wurden umfangreiche Nachgründungsarbeiten an

9 Klaus Dietz, Horst Köster, Thomas Groß dem denkmalgeschützten Gebäude erforderlich. Neben einer Untergrundverfestigung in Düsenstrahlverfahren von m³ und einer Bodenverfestigung mittels Feinstzementinjektionen von m³ wurden lfm Kleinbohrpfähle mit Gebrauchslasten von 860 kn und maximalen Längen von 32 m hergestellt. 4.2 Baugrund und Randbedingungen Der Gebäudekomplex, welcher sich auf einer Grundfläche von 106 m x 170 m erstreckt, ist im Berliner Urstromtal im Bereich der Spreeniederung gegründet. Die ausgeführten Baugrunduntersuchungen ergaben, daß unter dem Gebäudekomplex aus nordwestlicher Richtung bis zum Brunnenhof eine Mudde - Rinne verläuft. Diese Rinne ist durch eine diskontinuierliche Wechsellagerung aus Sanden und Torf gekennzeichnet. Die Ablagerungen bestehen aus Faulschlamm und rolligen Bodenmaterial mit starken organischen Beimengungen und sind deshalb als nicht tragfähig einzustufen. Unterhalb dieser Rinne stehen mitteldicht gelagerte Sande an, welche als tragfähige Bodenschichten zur Abtragung der Gebäudelasten herangezogen werden (Abb. 9). Aufgrund der stark diskontinuierlichen Baugrundsituation wurden bei der Errichtung der Staatsbibliothek drei verschiedene Gründungsvarianten eingesetzt: Abb 9: Baugrundsituation Staatsbibliothek, Neues Museum Berlin

10 Chr. Veder Kolloquium, Graz Flachgründung mittels Streifenfundamenten 2. Tiefgründung aus Kiefernholzpfählen mit einem Durchmesser von ca. 30 cm 3. Tiefgründung auf Holzsenkkästen mit einer Auffüllung aus Geröll und Beton Im Zuge der Errichtung von Neubauten in der Nachbarschaft in den 70er und 80er Jahren wurde periodisch der Grundwasserspiegel, welcher in diesem Bereich bei ca. 31 m ünn liegt abgesenkt. In der Folge gelangten die Köpfe der Holzpfahlgründung in einen Bereich ständigen Wechsels zwischen Durchfeuchtung und Austrocknung mit Sauerstoffzutritt. Der dadurch eingeleitete Fäulnisprozeß war inzwischen soweit fortgeschritten, daß eine Schädigung von durchschnittlich 70%, in Teilbereichen sogar bis zu 95%, des ursprünglichen Querschnitts festgestellt wurde. Aufgrund dieser Tatsachen wurde eine umfassende Sanierung der Gründung beschlossen. Das Sanierungskonzept beruhte auf einer Umlagerung der Vertikallasten von den vorhandenen geschädigten Holzpfählen auf neu herzustellende Kleinbohrpfähle. Abb. 10: Sanierungsmaßnahmen Durchsteck- und Einsteckträger in Verbindung mit Rohrpfählen oder Verbundpfählen System Stump Um die vorhandene Gründungssituation nicht negativ zu beeinflussen wurde jeweils eine Pfahlreihe beiderseits von den alten Kopfbalken angeordnet ( Abb. 10). Gemäß einem Sondervorschlag der Stump Spezialtiefbau GmbH kamen Verbundpfähle System Stump mit GEWI-Stahltraggliedern zu Einsatz. Die ungünstigen Baugrundbedingungen wurden dadurch berücksichtigt, daß der Pfahlschachtdurchmesser auf 240 mm vergrößert wurde. Durch eine intensive, stufenweise Verpressung des Pfahlschachtes wurde ein inniger Verbund zwischen dem Untergrund und ein dichter Pfahlbeton hergestellt. Die durchgeführten Probebelastungen erbrachten den Nachweis der geforderten Lastabtragung von 800 kn mit zweifacher Sicherheit.

11 Klaus Dietz, Horst Köster, Thomas Groß Die Bohrungen für die im Gebäude angeordneten Pfählen mußten mit Spezialbohrgeräten nieder gebracht werden, da teilweise nur eine Raumhöhe von 2,50 m zur Verfügung stand. (Abb. 11) Abb. 11: Bohrarbeiten für die Pfahlherstellung Zur Überprüfung der Baugrundsituation und zur Feststellung von Bohrhindernissen wurden während des Bohrvorgangs alle relevanten Bohrdaten wie zu Beispiel Vorschub und Andruck kontinuierlich aufgezeichnet. Da die sorgfältige Injektion für die Dauerhaftigkeit der Gründungsmaßnahme ebenfalls von entscheidender Bedeutung war, wurde jeder Injektionsvorgang über einen Druck-Mengen-Schreiber ebenfalls vollständig aufgenommen. Die Bohrungen für die Steck- beziehungsweise Durchsteckträger in den vorhandenen Fundamenten wurden schonend als Kernbohrung ausgeführt. Nach Einbau der Träger erfolgte eine Verpressung mit Spezialmörtel, um den Kraftschluß sicher zu gewährleisten (Abb. 12).

12 Chr. Veder Kolloquium, Graz 2001 Abb. 12: Pfähle und Steckträger vor dem Betonieren der Bodenplatte 5 Zusammenfassung Anhand der vorgestellten Beispiele konnte gezeigt werden, daß auch unter schwierigen Umwelt- und Untergrundbedingungen Anker und Verpreßpfähle sicher hergestellt werden können. Dazu ist es erforderlich, daß projektspezifische Sondermaßnahmen mit einem gezielten Qualitätssicherungsprogramm überwacht werden.