Unterirdisches Bauen - Vorbereitung der Projekte und aktuelle Forschungen

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1 Unterirdisches Bauen - Vorbereitung der Projekte und aktuelle Forschungen Dipl.-Ing. Rolf Bielecki, Ph.D. Chairman EFUC und WSDTI Vortrag TU Bratislava

2 Gründe für die Nutzung des unterirdischen Bauraumes - Neue Gewerbe- und Industriegebiete, Straßen und Siedlungen erfordern in Deutschland täglich mehr als 95 Hektar unberührte Natur (eine Fläche von 150 Fußballfeldern). - Städte wachsen und das bei gleichbleibender oder regional sogar sinkender Bevölkerungszahl. Freiflächen in den Dörfern werden zu Gewerbegebieten umgewandelt. - Die stetig wachsende Weltbevölkerung (2 Menschen pro Sekunde) und die nicht vermehrbare Erdoberfläche machen den notwendigen Blick in die Tiefe immer mehr zur einem Blick in die Zukunft. 2

3 Bauliche Anlagen des unterirdischen Bauraumes wie - Verkehrstunnel - Ver- und Entsorgungstunnel - Produktions- sowie Kommunikationseinrichtungen - Geschäfts- und Kultureinrichtungen, Restaurants, Sportstätten - Lager, Park- und Speicherstätten - Anlagen der Abfallbeseitigung - Anlagen der Energiegewinnung schaffen über der Erde zusätzlich Platz für menschengerechtes Wohnen und naturschonende Lebensverhältnisse 3

4 Unterirdisches Bauen Allgemeine Hinweise Planung und Ausführung Für die Planung und Ausführung unterirdischer Hohlraumbauten sind u.a. generelle Angaben des Untergrundes notwendig über: das Gebirge im Gebiet des herzustellenden unterirdischen Bauwerkes die Größe des Gebirgsdruckes bzw. der Primärspannungen, die Standfestigkeit des Hohlraumes die Notwendigkeit eines vorübergehenden oder dauerhaften Ausbaues den möglichen Wasserfluss das Auftreten gefährlicher Gase und das Vorkommen höherer Temperaturen. 4

5 Bauvorbereitung Baumaßnahmen, insbesondere Tiefbaumaßnahmen, erfordern eine zeitaufwendige Planungsphase verbunden mit umfangreichen Abstimmungen u.a. in der Öffentlichkeit. Um hierbei den Zeitaufwand bzw. die Risiken des Scheiterns einer Maßnahme zu minimieren, bedarf es bei der Bauvorbereitung des Auftraggebers (AG) besonderer Planungsschritte. Arbeitsvorbereitung Nur wer Risiken, die mit der Planung und Ausführung von Baumaßnahmen verbunden sind, transparent macht und hierfür ein Konzept zur Risikominimierung auch für die Arbeitsvorbereitung des Auftragnehmers (AN) entwickelt bzw. in Auftrag gegeben hat, darf erwarten, dass er ein einwandfreies Bauwerk zu einem wirtschaftlich akzeptablen Preis termingerecht erhält. 5

6 zeigt an, dass in dieser Phase eine Überprüfung durch einen unabhängigen Prüfer erforderlich ist. In den Risikophasen 1-3 sowie 4 und 5 kann die Prüfung durch den gleichen Prüfer erfolgen 6

7 Thesen zur Risikoverteilung Die meisten Schadensfälle im Bauwesen sind vorhersehbar, damit zu vermeiden und nicht versicherbar. Mit einer sachgerechten Bauvorbereitung und Bauvertragsgestaltung mit transparenter Risikoverteilung sind Risiken im Bauwesen zu minimieren und damit Schäden zu vermeiden. Die Bedingungen für eine Versicherung der nicht vorhersehbaren Schäden sollten Bestandteil des abzuschließenden Bauvertrages werden, d.h. auch, dass die Bedingungen des Bauvertrages vor seinem Abschluss dem Versicherer bekannt sein müssen. 7

8 Anforderungen an herzustellende unterirdische Infrastrukturbauwerke Standfestigkeit Funktionsfähigkeit Dichtigkeit (DB Modul , Dichtigkeitsklasse 2) Dauerhaftigkeit (Nutzungsdauer > 100 Jahre) Laborqualität Einbauqualität Betriebsqualität Entsorgungsqualität Korrosionsbeständigkeit / Brandschutz 8

9 Maßnahmen zur Festlegung des Projektzieles, der Bauaufgabe Erfassung der umweltspezifischen Randbedingungen Gebiets- / Flächenfeststellungen Lage Innenbereich / Außenbereich Einstufung der Schutzwürdigkeit Flächennutzung Zustand der Fläche Nutzung bei innerstädtischer Lage Angrenzende Gebäude und Sachgüter Ansässige Pflanzen und Tiere Art und Frequentierung der Verkehrswege Erkundung der topographischen, geologischen, hydrologischen Standortbedingungen. 9

10 Aufnahme der Örtlichkeit Zustandserfassung vorhandener Bauwerke Hydrogelogische Baugrunderkundung, im Einzelfall mit Einsatz von Methoden der Ingenieurgeophysik (u. a. Elektrik, Radar, Seismik) Analyse der Schadensursache und des Schadensbildes bei Sanierungen bzw. vorhandener benachbarter baulicher Anlagen (z. B. bei Tunneln: Bettung, Auflasten, Betrieb, Verformung, Temperaturdifferenzen, Korrosion / Erfassung der Schäden) Formulierung der technischen und betrieblichen Anforderungen an das herzustellende Bauwerk unter Berücksichtigung notwendiger Ausgleichsund Ersatzmaßnahmen Erfassung örtlicher Vorgaben Hier sind u. a. polizeiliche Auflagen, Andienbarkeit (Akzeptanz), Brandschutzauflagen (z. B. Zufahrt für Feuerwehr, Rauchgasabführung) zu beachten. 10

11 Mit den vorstehenden Bedingungen ist die Bauaufgabe formuliert, deren Bauweise nach verfahrenstechnischen, ökologischen, juristischen und ökonomischen Kriterien im Einzelfall auszuwählen ist. 11

12 Bauweisen zur Herstellung unterirdischer Infrastrukturmaßnahmen Hohlraumbauten in offenen und geschlossenen Bauweisen werden in Ortbeton- bzw. Fertigteilbauweise hergestellt. Zur Herstellung unterirdischer Infrastrukturmaßnahmen wie Ver- und Entsorgungsleitungen sowie Verkehrstunnel können folgende Bauweisen auch unter Einsatz der Bodengefriertechnik zur Anwendung kommen: 12

13 offene Bauweisen mit eingefassten Baugruben oder Baugruben auf Böschungen mit und ohne Grundwasserabsenkung bzw. mit und ohne Einsatz von Flüssigboden für die Verfüllung der Baugruben im Einschwimm- und Absenkverfahren mit Senkkästen mit und ohne Druckluft 13

14 geschlossene Bauweisen in klassischen bzw. bergmännischen Bauweisen mit und ohne Grundwasserabsenkung bzw. mit und ohne Druckluft in Spritzbetonvortrieben mit und ohne Grundwasserabsenkung bzw. mit und ohne Druckluft in konventionellen Schildvortrieben mit und ohne Grundwasser- absenkung bzw. mit und ohne Druckluft in Schildvortrieben mit besonderer Ortsbruststützung in Bodenverdrängungsverfahren mit und ohne Grundwasserabsenkung bzw. mit und ohne Druckluft in Bohr- und Einpflügverfahren. 14

15 Mit all diesen Bauweisen sind Eingriffe in die Natur und Landschaft sowie in die bebaute Umwelt mehr oder weniger verbunden. Daher gilt es, für die jeweilige Verfahrensauswahl einer Baumaßnahme projektspezifische Eingriffe in die Umwelt einzelfallbezogen ökologisch und ökonomisch zu bewerten, ebenso Einflüsse auf den Klimawandel z. B. durch Reduzierung des CO2 -Ausstoßes. 15

16 Notwendige Projektdaten Bei der Planung eines in geschlossener Bauweise herzustellenden Projektes sind folgende technische Daten festzulegen: Zweck des Tunnels Innendurchmesser des Tunnels Längen der Vortriebsstrecken Sohlenhöhen und -gefälle des Tunnels Kurvenradien in der Tunneltrasse Kurvenradien in der Tunnelgradiente Bodenüberdeckungen des Tunnels Baugrund- und Wasserverhältnisse Auffahrtoleranzen 16

17 Abstand der in der Trasse herzustellenden Sonderbauwerke Maßnahmen für zu unterfahrende bauliche Anlagen Angaben zu möglichen Setzungen bzw. Hebungen In den statischen Berechnungen zu berücksichtigende, auf den Tunnel einwirkende besondere Lasten im Bau- und Gebrauchszustand. 17

18 Ausführungsbeispiele für in geschlossener Bauweise hergestellte unterirdische Infrastrukturmaßnahmen Ver- und Entsorgungsleitungen: DN Verkehrstunnel (durchschnittlich): 4,00-16,00 m 18

19 Auffahrgenauigkeiten von unterirdischen Tunnelvortrieben Tunnelvortriebe können unter Anbindung an das Landesnetz, ein auf das Einzelprojekt bezogenes Grundlagernetz und Portalnetz entsprechend dem Tunnelquerschnitt, der Tunnellänge, dem Trassenverlauf, dem Förder- bzw. Abbauverfahren mit Hilfe folgender Navigationssysteme gesteuert werden: Gerichteter Laser mit elektronischer Zieltafel Gerichteter Laser mit elektronischer Zieltafel und elektronischer Schlauchwasserwaage Mitfahrendes Lasertheodolit-System mit elektronischer Zieltafel Mitfahrender nordsuchender Kreiselkompass mit elektronischer Schlauchwasserwaage. 19

20 Dabei können entsprechend dem jeweiligen Tunnelbauverfahren mit Ausnahme der HDD-Technik folgende Auffahrgenauigkeiten erzielt werden: Kurzstreckenvortriebe ( 300 m) Maximale Abweichung in der Lage ± 50 mm Maximale Abweichung in der Höhe ± 30 mm Langstreckenvortriebe ( 300 bis m) Maximale Abweichung in der Lage ± 100 mm Maximale Abweichung in der Höhe ± 50 mm 20

21 Projektbewertungen Anforderungen an Bewertungen von unterirdischen Infrastrukturprojekten sollten objektiv, nachweisbar, transparent und nachvollziehbar sein Für die Auswahl der für den Einzelfall einzusetzenden Bauweise eignet sich ein multikriterielles Bewertungsverfahren. 21

22 Ausschreibungsarten / Vertragstypen Leistungsbeschreibung mit Leistungsverzeichnis Sonderangebote Leistungsbeschreibung mit Leistungsprogrammen (Funktionale Leistungsbeschreibung) Risikoverteilung bei Bauverträgen Störfallanalyse Versicherungen 22

23 Tunnelbohrmaschinen im Lockergestein Bodenabbau und Ortsbruststützung sind wesentliche Kriterien des Schildvortriebes. Im nachfolgenden Bild sind die Verfahren des Gebirgsausbruches dargestellt. 1. Handschilde 2. Mechanisch teilflächig abbauende Schilde Mechanisch vollflächig abbauende Schilde offener Handschild 1.2 offener Handschild mit Arbeitsbühne 1.3 Handschild mit Brustverbaubühne Teilschnittmaschine mit Brustverbau 2.2 Mobile Teilschnittmaschine 2.3 Integrierte Teilschnittmaschine Vollschnittmaschine mit Schürfscheibe, wahlweise Brustabstützung 3.2 Vollschnittmaschine mit Schneidrad 3.3 Vollschnittmaschine mit Rollenmeißelbohrkopf Bild1: Schildsysteme. Übersicht über verschiedene Ausbruchverfahren(nach Maidl, B.,2004). 23

24 Anmerkung: Kleinster Außendurchmesser eines Schildes für dünnwandigen Tübbingausbau. Bei Druckluftbeaufschlagung muss der Außendruckmesser des Schildes jedoch min. 1,97 m betragen (für Schleusenhöhe min. 1,60 m und Arbeitskammerhöhe min. 1,80 m). Bild 2: Schild mit Flüssigkeitsstützung, Da = 1,61 m 24

25 Bild 3: Mixschild Da = 15,43 m (Shanghai) 25

26 Bild 4: Nachläufer einer TBM 26

27 Einschaliger/Zweischaliger Tunnelausbau Tunnelbau in geschlossener Bauweise Einschaliger Ausbau Zweischaliger Ausbau temporär, vorläufig Spritzbetonsicherung Tübbingsicherung endgültig Spritzbetonschale Tübbingausbau Ortbetonschale Ortbetonschale Inliner-Rohr Bild 5: Mögliche Ausbaumethoden 27

28 Aktuelle Forschungen und Entwicklungen der HDD-Technik (für Da 50 bis max mm) Ein übliches Horizontalbohrsystem besteht aus mehreren Systemkomponenten. Diese sind: die Bohranlage, bestehend aus Bohrlafette (Oberteil und Unterteil), Drehschlitten, Schlagwerk, Klemm- und Lösevorrichtung, Hydraulikstation, Bohrstangenmagazin, Bedienpult, Sicherheitseinrichtungen u. a., die Bohrflüssigkeitsmischanlage und -spülungstechnik, der Bohrstrang, bestehend aus Bohrwerkzeug, Bohrgestänge, die Steuerungs- und Ortungstechnik, die Transport- und Versorgungsvorrichtungen und optional eine Recyclinganlage. 28

29 Einteilung der Bohrgerätetypen gemäß den Technischen Richtlinien des DCA Bohrgerät (Typ) Max. Zugkraft in kn Max. Moment in knm Gewicht in t Mini < 10 Midi >150 bis Maxi >400 bis Mega >2.500 >100 >60 29

30 Bei großkalibrigen HDD-Maßnahmen empfiehlt sich nach der Push and Pull Technology zur Bewältigung von Havarien durch Festsetzen des Produktenrohres der Einsatz eines Pipe Thrusters mit Zugkräften bis KN, KN bzw KN zur Unterstützung der Zug- und Schubkräfte des eingesetzten HDD-Rig. Erreichte Bohrlängen der HDD-Großbohrtechnik mit Pipe Thruster- Unterstützung Flussquerung in Turkmenistan : m Länge / ØBohrung 14 und 72 Flussquerung in Indien: m Länge / Ø Bohrung mm Berri Causeway Pipelines Saudi-Arabien: 2 x m Länge (Weltrekord) / Ø Bohrung 32 und

31 Bild 6: Mud-Motor (Schraubenmotor) 31

32 Kombinierte Verfahren Mit dem heutigen Stand der HDD-Technik sind systembedingt Einsatzgrenzen in grobem Kies mit Steineinlagen gegeben. Diese Grenzen können überwunden werden, durch eine Kombination aus beiden Techniken: Microtunneling und HDD = PPT (Push and Pull Technologie), eine Entwicklung der deutschen Firma Herrenknecht. Die Synergien aus diesen beiden Verfahren sind: Rohrverlegung in groben Kiesen mit Steinen möglich hohe Produktivität im Vergleich zum Microtunneling in größeren Durchmessern und auf langen Strecken. 32

33 Weitere Entwicklungen sind durch das Einziehen von Gussrohrsträngen mit sehr schnell herzustellenden, längskraftschlüssigen abwinkelbaren Tyton-Muffenverbindungen der Rohre z.b. DN 500 die Verwendung von biologisch abbaubaren, Polymerspülungen für den Einbau von Drainagerohren und das DDD-Dry Directional Drilling Verfahren unter Einsatz von Druckluft (12 25 bar) statt einer Bentonitsuspension gegeben. 33

34 Sonder-Messverfahren Bei Bohrungen, die in schwer zugänglichen Bereichen mit starken magnetischen Störfeldern durchgeführt werden müssen, kommt zunehmend der Einsatz eines Kreiselkompasses in Betracht. Kreiselkompasse arbeiten unabhängig vom Magnetfeld der Erde und können damit die Richtung einer Bohrachse unabhängig von den Umgebungsbedingungen sehr genau bestimmen. Diesem Vorteil stehen als Nachteile die relativ große Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Belastungen (Stöße etc.) sowie die relativ hohen Kosten beim Einsatz gegenüber. Außerdem hat sich in der Praxis gezeigt, dass Kreiselkompasse zwar Präzisionsinstrumente sind, der Erfolg ihres Einsatzes aber ganz entscheidend von der Qualifikation des Bedienpersonals abhängig ist. 34

35 Tab: Zusammenstellung der verschiedenen Ortungsverfahren mit Angabe der Einsatzbereiche 35

36 des Großtunnelbaus Großtunnelvortriebsmaschinen für mehrsstöckige Verkehrstunnel (> 15 m Außendurchmesser) und zurableitung von Hochwasserereignissen die Automatisierung z. b. für maschinelle, kontinuierlich zu betreibende Tunnelvortriebe als Alternative zur konventionellen Spritzbetonisierung der modulare Aufbau von Vortriebsmaschinen, auch für Felsbohrungen der Einsatz von Mischgasen für Arbeiten unter hohen Überdrücken die Entwicklung eines deformierbaren Tübbingausbaues für druckhaftes und quellfähiges Gebirge 36

37 Vereinfachungen bei der Schildfahrt aus dem Startschacht und der Schildeinfahrt in den Zielschacht die Reduktion und Messung des Verschleißes der Abbauwerkzeuge der TBM das Process-Controlling beim hoch technisierten Schildvortrieb die Robotertechnik Unterfassungstechniken zur Hohlraumherstellung unter vorhandener Bebauung zur Lösung z. B. von Parkplatzproblemen in den Innenstädten die Herstellung von Teufen > m zur Abfallentsorgung und Energiegewinnung. 37