Vergleich unterschiedlicher Verbauvarianten für Start- und Zielschächte Planung und Ausführung

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1 Vergleich unterschiedlicher Verbauvarianten für Start- und Zielschächte Planung und Ausführung Dipl.-Ing. Garbers, Dipl.-Ing. Hauser Überreicht durch Ingenieurservice Grundbau GmbH Hittfelder Kirchweg Seevetal Tel.: +49 (0) Fax: +49 (0)

2 Veröffentlichungen des Grundbauinstitutes der Technischen Universität Berlin Heft Nr. 57, Berlin 2011, S. xx-xx Vortrag zum 7. Hans Lorenz Symposium am Vergleich unterschiedlicher Verbauvarianten für Start- und Zielschächte -Planung und Ausführung- Dipl.-Ing. Thomas Garbers Ingenieurservice Grundbau GmbH Dipl.-Ing. Torsten Hauser Franki Grundbau GmbH & Co. KG Bereich Ost Zusammenfassung Schachtbauwerke werden bei zahlreichen Infrastrukturmaßnahmen als Start- und Zielschächte der Rohrvortriebe oder Vortriebsmaschinen benötigt. Sei es für Regen- und Abwasserkanäle oder Fernwärmeleitungen mit Rohrvortrieb oder Straßen- und Bahntunnel mit Vortriebsmaschinen. Um die vorhandenen Gebäude, Gewässer aber auch den Verkehr möglichst wenig zu beeinflussen bzw. zu unterqueren, sind oftmals große Tiefen erforderlich. Dies führt zu hohen Anforderungen an die Baugruben der Schachtbauwerke sowohl in planerischer und ausführungstechnischer aber auch in logistischer Hinsicht. In dem folgenden Beitrag werden anhand zweier ausgeführter Projekte mögliche Verbausysteme vorgestellt. Es werden Vor- und Nachteile der Systeme sowie die Erfahrungen bei der Ausführung geschildert. 1 Einleitung 1.1 Haveldüker In Berlin-Spandau hat die Vattenfall Europe Berlin zur Unterquerung der Havel einen Düker gebaut. Die Überdeckung zur Gewässersohle beträgt ca. 9,0 m. Die Baugruben des Start- und Zielschachtes waren mit überschnittenen Bohrpfahlwänden d = 120 cm und einer verankerten Unterwasserbetonsohle d = 200 bzw. 150 cm geplant. Die Innendurchmesser der Baugruben sollten 10,2 und 8,2 m betragen. Die Einbindetiefe in das Grundwasser war mit 20 m vorgesehen. Zur Abdichtung des Vortriebes beim Aus- und Einfahren in die Schächte waren HDI-Dichtblöcke geplant.

3 2 T. Garbers, T. Hauser Nach dem Lenzen der Baugrube bestand die Vorgabe, die Restwasserhaltung war auf eine Durchlässigkeit von 1,5 l/s pro 1000 m² benetzter Fläche zu begrenzen. Da es sich um ein Fernwärmebauwerk handelt, waren auch die Anforderungen an das zu planende spätere Schachtbauwerk aus Stahlbeton sehr hoch. Gegenüber der Planung wurde die Ausführung in folgenden Punkten geändert: Reduzierung des Pfahldurchmessers auf 88 cm Bewehrung der Bohrpfähle nur im Bereich der Unterwasserbetonsohle Auftriebssicherung der Unterwasserbetonsohle durch die Bohrpfahlwand ohne zusätzliche Auftriebspfähle Für die Erstellung der Baugruben (Bild 1 bis 3) wurden folgende Arbeiten ausgeführt: 1) 96 Großbohrpfähle d = 88 cm und einer Tiefe bis 24,5 m 2) 275 m³ Unterwasserbetonsohle mit einer Dicke von d = 200 / 150 cm 3) m³ Unterwasseraushub 4) 80 m³ HDI-Dichtschild im Ein- und Ausfahrtsbereich des Vortriebes Bild 1: Querschnitt Startschacht Bild 2: Längsschnitt Startschacht

4 Vergleich unterschiedlicher Verbauvarianten für Schachtbauwerke 3 Bild 3: Zufahrt zum Zielschacht Die Baugruben wurden in der Zeit vom Januar bis Juni 2009 hergestellt. 1.2 Überstau Friedenau In Berlin-Schöneberg / OT Friedenau baut die Berliner Wasserbetriebe GmbH zurzeit eine Sielleitung zur Unterquerung der U-Bahntrasse in der Bundesallee. Die Baugruben des Start- und Zielschachtes werden mit Schlitzwänden d = 100 cm und einer unverankerten Unterwasserbetonsohle d = 200 bzw. 150 cm ausgeführt. Die Innendurchmesser der Baugruben betragen 10,4 und 6,4 m. Die Einbindetiefe in das Grundwasser ist mit 18 m vorgesehen. Die zur Verfügung stehenden Arbeits- und Lagerflächen sind durch den aufrecht zu erhaltenden Straßenverkehr auf dem Südwestkorso und der Varziner Straße stark eingeschränkt (Bild 4). Nach dem Lenzen der Baugrube bestand die Vorgabe, die Restwassermenge ebenfalls auf eine Durchlässigkeit von 1,5 l/s pro 1000 m² benetzter Fläche zu begrenzen. Eine mögliche Reduzierung der Schlitzwandstärken wurden durch den Bauherrn nicht zugestimmt. Für die Erstellung der Baugruben Überstau (Bild 4 bis 6) waren 1) m² Schlitzwand mit einer Dicke von d = 100 cm und einer Tiefe bis 22 m 2) 230 m³ Unterwasserbetonsohle mit einer Dicke von d = 200 / 150 cm

5 4 T. Garbers, T. Hauser 3) m³ Unterwasseraushub erforderlich. Die Baugruben wurden in der Zeit vom Mai bis August 2011 hergestellt. Bild 4: Straßensituation im Bereich des Startschacht Südwestkorso Bild 5: Querschnitt Startschacht Bild 6: Längsschnitt Startschacht

6 Vergleich unterschiedlicher Verbauvarianten für Schachtbauwerke 5 2 Anforderungen an die Verbausysteme Wasserdichter Verbau Beengte Platzverhältnisse Große Aushubtiefen Kleine Querschnitte Große Erd- und Wasserdrücke Ausführung möglichst als Kreisquerschnitt oder Ellipse Keine Bewehrung im Ein- und Ausfahrbereich Horizontale Abdichtung Große Pressenkräfte durch Rohrvortrieb 3 Gegenüberstellung der Systeme 3.1 Vor- und Nachteile senkrechter Verbau System Vorteile Nachteile Schlitzwand Bewährtes System, große Wandsteifigkeit, geringere Fugenanzahl, höhere Leistung, größere Tiefen aufgrund größerer Kontaktflächen einzelner Lamellen möglich, Einbau Sohlanschlüsse möglich, Aufnahme Pressenkräfte ohne Zusatzmaßnahmen Aufgrund der Greiferbreiten nur als Vieleck ausführbar, Einsatz von Abschalrohren erforderlich, größerer Platzbedarf Bohrpfahlwand Bewährtes System, große Wandsteifigkeit, Ausführung als Kreisring möglich, kostengünstigere Baustelleneinrichtung Große Fugenanzahl, größere Abweichungen, höherer Betonverbrauch, geringere Leistung, Unterwasserstemmarbeiten für Sohlanschlüsse erforderlich, Zusatzmaßnahmen für Aufnahme der Pressenlasten erforderlich

7 6 T. Garbers, T. Hauser 3.2 Vor- und Nachteile horizontale Abdichtungen System Vorteile Nachteile Natürliche Schicht Kostengünstig, Aushub im Trockenen HDI-Dichtsohle Bewährtes System, keine Genehmigungsprobleme, Aushub im Trockenen, Verankerung möglich vorhanden, deshalb eventuell nicht homogen, erst in größeren Tiefen, oder nicht auftriebssicher Auftriebssicher Höhenlage erforderlich, größere Tiefe der Verbauwand, Düßschatten, Tiefen begrenzt, Risiko bei Verankerung, höhere Kosten Weichgel-Dichtsohle Bewährtes System, kostengünstiger als HDI, Aushub im Trockenen, Ggf. Genehmigungsprobleme auftriebssichere Höhenlage erforderlich, größere Tiefe der Verbauwand, Tiefen begrenzt, Keine Verankerung möglich Unterwasserbetonsohle Bewährtes System, kostengünstig, Verankerung möglich Unterwasseraushub, Tiefen begrenzt 3.3 Vor- und Nachteile der Abdichtungen des Rohrvortriebs System Vorteile Nachteile HDI-Dichtblock Bewährtes System, keine Genehmigungsprobleme Düßschatten, Tiefen begrenzt, Kosten, Fuge zwischen Wand und Block Dichtblock mit Kostengünstig wenn Geräte auf der zusätzliche Vorratsbehälter Dichtwandmasse Baustelle, bessere Abdichtung der Fuge erforderlich, größerer zur Wand, keine Materialaufwand Genehmigungsprobleme

8 Vergleich unterschiedlicher Verbauvarianten für Schachtbauwerke 7 4 Berechnung 4.1 Grundlagen Die Berechnung / Ausführung der Baugruben erfolgte nach der 4. Auflage EAB Unnachgiebige Systeme gem. EB 73 Berechnung der Erddrucklast mit Eo als oberen Grenzwert Berücksichtigung unvorhergesehene Abweichungen mit einseitiger Verkehrslast Nachweis der Auftriebssicherheit gem. EB Statisches System Aufgrund der engen Platzverhältnisse ist ein Einbau von Abstützungen nur sehr schwer möglich, da der gewonnene Boden aus und die erforderlichen Rohre für den Vortrieb in den Schacht transportiert werden müssen. Somit sind Kreis- und ellipsenförmige Grundrisse statisch als auch bautechnisch die günstigsten Varianten, da hier die Erd- und Wasserdrucklasten über Gewölbespannungen aufgenommen werden können. Diese können vom Beton aufgrund seines guten Drucktragverhaltens auch für große Lasten realisiert werden. Abweichungen aus der Solllage reduzieren die Übertragungsflächen zwischen den einzelnen Wandelementen und sind bei den Nachweisen entsprechend zu berücksichtigen. Die Schlitzwand hat hier deutliche Vorteile gegenüber der Bohrpfahlwand. Die Berechnungen können auf Grundlage der EAB, EB ausgeführt werden. Neben den gleichmäßig angreifenden Erd- und Wasserdrücken, sind auch mögliche einseitige Lasten z.b. aus Verkehr und Pressenkräften und die Ausbruchsquerschnitte bei der Bemessung zu berücksichtigen. Bild 7: Ansatz einer Verkehrslast nach EAB, EB 73-1

9 8 T. Garbers, T. Hauser 4.3 Berechnungsergebnisse Bei beiden Bauvorhaben konnte die Auftriebssicherheit ohne zusätzliche Verankerung der Unterwasserbetonsohle erreicht werden. Die Wasserdrucklasten wurden über Gewölbedruck in der Unterwasserbetonsohle auf die Verbauwände übertragen (Bild 8). Zur gezielten Lasteinleitung in die Wände wurden Konsolen in Form von Taschen in den Wänden vorgesehen. Die Auftriebslasten konnten so auf den Baugrund übertragen werden. Die Bohrpfahlwand wurde zur Aktivierung der gesamten Pfahllänge und zur Lastverteilung der Pressenkräfte und Gewölbedrucklasten im unteren Bereich bewehrt. Um die Pressenlasten übertragen zu können, war eine gesonderte Lastverteilungskonstruktion erforderlich (Bild 9). Die Schlitzwand wurde überwiegend mit einer Mindestbewehrung bewehrt, nur im Bereich der Sohlen und der Pressenauflager waren Zulagen erforderlich. Bild 8: Verformungen aus Gewölbedruck der Unterwasserbetonsohle in der Schlitzwand

10 Vergleich unterschiedlicher Verbauvarianten für Schachtbauwerke 9 Bild 9: Bewehrung der Lastverteilungswand für die Pressenkräfte 5 Ausführung 5.1 Maßnahmen zur Qualitätssicherung im Bauablauf Beweissicherung an umliegenden Gebäuden, Straßen, Leitungen usw. Verkehrssicherung der Baustelle Erstellung eines Havarie und Qualitätssicherungsplans Raster für die Beprobung des Baugrundes auf Kontamination Vermessungstechnische Überwachung der Leitwand- bzw. Bohrschablonenherstellung Inklinometermessungen bei der Wandherstellung Setzungskontrollen in der Umgebung der Baugrube Wasser- bzw. Suspensionspegelkontrolle bei der Wandherstellung Massenbilanz beim Unterwasseraushub Überwachung der Außen- und Innenwasserstände während des Aushubs

11 10 T. Garbers, T. Hauser Kontrolle der Aushubtiefe und der Anschlusstaschen der Sohle Kontrolle der Festigkeitsentwicklung des Unterwasserbetons Schlammabsaugung vor dem Betonieren oder Grobkiesschicht unterhalb der Unterwasserbetonsohle Wasseranalyse und Neutralisierung des Lenzwasser Überwachung der Hebungen der Unterwasserbetonsohle während des Lenzens Bild 10: Herstellung Bohrschablone Haveldüker

12 Vergleich unterschiedlicher Verbauvarianten für Schachtbauwerke Bild 11: Verkehrssicherung Startschacht Überstau 5.2 Erkenntnisse der Maßnahmen Eine gute Arbeitsvorbereitung mit der Aufstellung von Qualitätssicherungs- und Havarieplänen ist die Grundlage einer qualitätsgerechten Herstellung von Schachtbaugruben. Die Einhaltung und ständige Kontrolle der Toleranzen, Materialqualität und Umgebungsbedingungen sichern letzten Endes den technischen und wirtschaftlichen Erfolg der Baumaßnahmen. Bei den ausgeführten Bauvorhaben konnten die geforderten Herstelltoleranzen und Wasserdurchlässigkeiten eingehalten werden. Schäden an der umgebenen Bebauung wurden nicht festgestellt. Bei der Schlitzwandherstellung ergaben sich Mehrverbräuche an Bentonit und Beton, die aber im Rahmen der ortsüblichen Größenordnung lagen. Hier empfiehlt es sich in der Ausschreibungsphase bodenabhängige Mehrverbräuche genau zu definieren, um Streitigkeiten und Irritationen bei der Bauausführung auf der Bauherrenseite zu vermeiden. Auch ist es sinnvoll die Feststellung, Dokumentation und Nachweisführung bei Mehrverbräuchen vor Bauausführung einvernehmlich zu regeln. Zur Überwachung der Sohlhebung während des Lenzvorgangs, wurde ein Gewicht an einem Stahlseil auf der Sohle abgesetzt. Über eine Konstruktion mit Umlenkrollen und einem Gegengewicht konnten die Hebungen gemessen werden. Auch hier ist eine Definition der zulässigen Sohlhebung und der Messtoleranzen vor Ausführung sinnvoll. 11

13 12 T. Garbers, T. Hauser 6 Erkenntnisse aus der Ausführung Die Ausführung hat gezeigt, dass die Herstellung von Baugruben mit den gewählten Systemen als Bohrpfahlwand oder Schlitzwand technisch und wirtschaftlich sicher herzustellen sind. Welches System zur Anwendung kommt, hängt von vielen zuvor beschriebenen Randbedingungen der jeweiligen Baumaßnahme ab und muss immer explizit untersucht werden. Die hohen Anforderungen an die Systemdichtigkeit wie auch an die Vertikalität und Stabilität wurden sowohl bei der Bohrpfahlwand als auch bei der Schlitzwand durchgehend erfüllt. Bild 12: Herstellung der Ausfahrbuchse im Startschacht Haveldüker Literatur 4. Auflage EAB [2005], Verlag Ernst & Sohn, Berlin 7. Auflage Grundbautaschenbuch [2009], Verlag Ernst & Sohn, Berlin A. Hettler, A. Weißenbach [2010]. Baugruben, Teil III, Verlag Ernst & Sohn, Berlin