Spezialtiefbau bei Infrastrukturmaßnahmen

1 Baugrubenumschließungen

Aus Gründen des Lärm- und Landschaftsschutzes werden immer häufiger Verkehrswege unter die Erde verlegt. Die Baugruben für innerstädtische Stadtbahnen, U-Bahnen und Hauptverkehrsstraßen können aufgrund der beengten Platzverhältnisse in den seltensten Fällen in abgeböschten Baugruben erstellt werden. Wenn kein bergmännischer Vortrieb erfolgt, sind in offener Bauweise meist senkrechte Baugrubenumschließungen erforderlich. Häufig liegen diese Baugruben im Grundwasser. Da in Innenstädten aus ökologischen Gründen und zur Vermeidung von Setzungsschäden Grundwasserabsenkungen nur in Ausnahmefällen genehmigt werden, müssen diese Baugrubenumschließungen meist wasserdicht ausgeführt werden. Bekannte und wirtschaftliche Verfahren für temporäre Baugrubenumschließungen sind die Trägerbohlwand und die Spundwand. Bohrpfahl- und Schlitzwände kommen zum Einsatz, wenn größere horizontale und vertikale Lasten abzutragen sind und zum Schutz angrenzender Bebauung – wie meist in Innenstädten – die Verformung des Verbaus gering bleiben soll. Sie können konstruktiv in das entstehende Bauwerk – z. B. ein Tunnel – einbezogen werden und neben Horizontallasten aus Erddruck auch hohe Vertikallasten abtragen.

Bohrpfahlwand

Bei der Bohrpfahlwand erfolgt die Abtragung der vertikalen Lasten über Spitzendruck und/oder Mantelreibung, Zur Ausführung kommen die:

aufgelöste Bohrpfahlwand
Die Bohrpfähle haben untereinander einen Abstand größer als der Eigendurchmesser. Der Zwischenraum wird beim Aushub mit Spritzbeton gesichert.
tangierende Bohrpfahlwand
Die Bohrpfähle berühren jeweils die Nachbarbohrpfähle
überschnittene Bohrpfahlwand
Die immer unbewehrten Primärpfähle werden im Abstand erstellt, der etwas kleiner ist als der Eigendurchmesser. Die bewehrten Sekundärpfähle werden in die verbleibenden Zwischenräume eingebracht, wobei die Primärpfähle angeschnitten werden.

Während die aufgelöste Bohrpfahlwand und die tangierende Bohrpfahlwand keine wasserundurchlässige Baugrubenumschließung ergeben, kann die überschnittene Bohrpfahlwand auch im Grundwasser eingesetzt werden.

Die Herstellung einer Bohrpfahlwand beginnt mit der Herstellung einer Bohrschablone aus Beton an der Geländeoberfläche. Anschließend werden im Drehbohrverfahren – je nach Standfestigkeit des Bodens verrohrt oder unverrohrt – Bohrungen abgeteuft. Nach dem Einstellen des Bewehrungskorbs wird der Pfahl – im Grundwasser im Kontraktorverfahren – betoniert und ggf. mit dem Betonierfortschritt die Verrohrung gezogen. Wenn es die Bodenverhältnisse zur Aufnahme großer Vertikalkräfte (auch Zugkräfte) erfordern, wird eine Fuß- und Mantelverpressung vorgenommen.

Nach der Fertigstellung der Bohrpfahlwand beginnt der Aushub der Baugrube. In Deutschland werden häufig Bohrpfähle mit einem Durchmesser um ca. 1,2 m eingesetzt. Übliche Einbindetiefen in den Boden liegen zwischen 20 m und 25 m [1].

Je nach Beanspruchung und Wandhöhe werden Bohrpfahlwände unverankert, einfach oder auch mehrfach verankert, so dass die Kopfverformungen und die Pfahldurchmesser reduziert werden können. Dabei werden meist Verpressanker verwendet, bei denen in eine waagerechte oder geneigte Bohrung durch die Bohrpfahlwand in den Erdkörper ein Stahlzugglied eingeführt wird, an dessen Ende Zementmörtel eingepresst wird (Verpresskörper).

Verdrängungspfähle

Verdrängungspfähle als Fertigteile aus Stahl- oder Spannbeton werden in den Boden gerammt oder gerüttelt. Die Fertigteile müssen für die auftretenden Lastfälle beim Transport, Einbau und bei der Nutzung bemessen werden. Überschnittene Bohrpfahlwände können nicht hergestellt werden.

Schlitzwand

Auch Schlitzwände können als permanenter Baugrubenumschließungen konstruktiv in die Konstruktion des entstehenden Bauwerks einbezogen werden. Es handelt sich dabei um Ortbetonwände, die entsprechend der Wandhöhe und der auf die Wände einwirkenden Beanspruchungen bemessen werden. Üblicherweise liegen die Wanddicken zwischen 0,40 m und 1,20 m. Das Verfahren wird häufig bei dem Bau von Tunnels in Deckelbauweise eingesetzt.

Für die Herstellung der Schlitzwände werden abschnittsweise oder kontinuierlich Schlitze im Baugrund hergestellt, die mit einer thixotropen Stützflüssigkeit – meist Bentonit – temporär gestützt werden. Thixotrop bedeutet vereinfacht, dass die Flüssigkeit im Ruhezustand fest ist und sich bei Erschütterung verflüssigt. Im oberen Bereich dient eine Leitwand aus Spundbohlen oder Beton auf beiden Seiten des Schlitzes der Führung des Baggergreifers. Nach dem Aushub wird die vorgefertigte Bewehrung in den Schlitz eingeführt und der Beton eingebaut. Dabei wird die Stützflüssigkeit verdrängt, abgepumpt und gesammelt.

Bei Bedarf werden auch Schlitzwände einfach oder mehrfach mit Verpressankern horizontal gehalten.

Anforderungen an den Beton

DIN EN 1536 „Ausführung von Arbeiten im Spezialtiefbau - Bohrpfähle“ regelt in Verbindung mit DIN EN 206-1 Herstellung und Ausführung von Bohrpfahlbeton. An den Beton für Bohrpfähle, Verdrängungspfähle und Schlitzwände werden Anforderungen bezüglich Druckfestigkeit, Wasserundurchlässigkeit und Widerstand gegen chemischen Angriff gestellt.

Bei Einbringen des Betons unter Wasser muss er ein gutes Zusammenhaltevermögen aufweisen. Gesteinskörnungen dürfen deshalb keine Ausfallkörnung enthalten. Beim Einbringen des Betons im Trockenen muss der Zementgehalt mindestens 325 kg/m³ betragen, beim Einbringen unter Wasser mindestens 375 kg/m³. Flugasche nach DIN EN 450 darf im Unterwasserbeton gemäß DIN 1045-2 je nach verwendetem Zement auf den Wasserzementwert (w/z)eq mit einem k_f-Wert von 0,7 angerechnet werden.

Bei überschnittenen Bohrpfahlwänden ist bezüglich der Festlegung der Betondruckfestigkeit der Primärpfähle zu bedenken, dass das Bohren und Schneiden in diesem Beton für das Einbringen der Sekundärpfähle möglich sein muss. Hier ist daher maximal ein C20/25 zu wählen.

In der Natur sind häufig kohlensaure Grund- oder Oberflächenwässer, aber auch Huminsäuren (z. B. in Moorwässern) anzutreffen. Böden und Wässer können z.B. auch Sulfate als betonangreifende Substanzen enthalten. Die Beurteilung des Angriffs erfolgt gemäß DIN 4030-1 „"Beurteilung betonangreifender Wässer, Böden und Gase - Teil 1: Grundlagen und Grenzwerte"“. Bohrpfahl- und Schlitzwandbetone komen schon in sehr jungem Alter in Kontakt mit dem anstehenden Erdreich und den ggf. darin enthaltenen schädlichen Substanzen. Es muss daher sichergestellt werden, dass keine Anreicherungen durch eindringende Sulfate, Chloride und Salze im frischen oder jungen Beton entstehen. Bohrpfähle sind bei mäßigem chemischem Angriff den Expositionsklassen XC2 (nur bei bewehrten Pfählen) und XA2 zuzuordnen [2]. Bewehrte oder unbewehrte Bohrpfähle in chemisch schwach (XA1) oder chemisch stark (XA3) angreifender Umgebung sind nach DIN-Fachbericht 100 einzustufen. Im Geltungsbereich der ZTV-Ing sind Bohrpfähle, die den Expositionsklassen XD2, XF2, XF3 oder XA2 ohne Luftporenbildner zugeordnet sind, abweichend von DIN 1045-2 mit einem Beton mindestens der Druckfestigkeitsklasse C30/37 herzustellen.

Auslaugung

Muss auf der einen Seite Beton vor dem Eindringen schädlicher Substanzen aus dem Grundwasser oder dem Erdreich geschützt werden, genießt auf der anderen Seite der Schutz des Grundwassers einen hohen Stellenwert. Das Wasserhaushaltsgesetz verlangt „Beeinträchtigungen auch im Hinblick auf den Wasserhaushalt der direkt von den Gewässern abhängenden Landökosysteme und Feuchtgebiete zu vermeiden und unvermeidbare, nicht nur geringfügige Beeinträchtigungen so weit wie möglich auszugleichen“. Dabei stehen auch Baustoffe, die unmittelbaren Kontakt mit dem Grundwasser haben, unter Beobachtung. Bei Bohrpfählen und Schlitzwänden ist unter (in wassergesättigten Boden) und unmittelbar über der Grundwasseroberfläche (in teilgesättigten Boden) eine Auslaugung möglich. Untersuchungen [1] zeigen, dass auch aus Frischbeton nur unbedenklich geringfügige Mengen umweltrelevanter Stoffe eluiert werden.

2 Bodenvernagelung

Die Bodenvernagelung kommt in erster Linie dann zum Einsatz, wenn kein senkrechter Baugrubenverbau erforderlich ist, aber der natürliche Böschungswinkel zu flach bzw. der Böschungsverlauf unregelmäßig ist. Bei diesem Verfahren wird die Baugrube soweit frei ausgehoben, wie es die Standfestigkeit des Bodens kurzzeitig zulässt. Sofort anschließend wird die Böschung mit Spritzbeton und Bodennägeln gesichert. Die bewehrte Spritzbetonschicht trägt die Erddruckkräfte in die Nagelköpfe ein, die sie über die Nagelkörper in den Baugrund eintragen. Das Tragverhalten ist mit dem einer Schwergewichtsmauer vergleichbar.

3 Hochdruckinjektionen mit Zementsuspensionen

Bei innerstädtischen Tunnelbaustellen steht man immer wieder vor der Aufgabe, Tunnelröhren mit geringer Überdeckung unter den Fundamenten von Wohn- und Geschäftshäusern vortreiben zu müssen. Setzungsschäden lassen sich durch den Einsatz des HDI-Verfahrens vermeiden, bei dem unter hohem Druck Zementsuspensionen über horizontale oder leicht geneigte Bohrungen in den Baugrund gepresst werden. Die so entstehenden sehr langen HDI-Säulen stabilisieren den Boden. Unter dem Fächer der HDI-Säulen erfolgt dann der Tunnelvortrieb.