Rohrvortrieb: Durchpressungen Begehbarer Leitungen (Bauingenieur-Praxis)

BiP

2. Auflage

Rohrvortrieb Durchpressung begehbarer Leitungen Hermann Schad, Tobias Bräutigam, Steffen Bramm

Hermann Schad, Tobias Bräutigam, Steffen Bramm Rohrvortrieb Durchpressung begehbarer Leitungen 2. Auflage

BiP

2. Auflage

Rohrvortrieb Durchpressung begehbarer Leitungen Hermann Schad, Tobias Bräutigam, Steffen Bramm

Dr.-Ing. habil. Hermann Schad Dipl.-Ing. Tobias Bräutigam Materialprüfungsanstalt Universität Stuttgart Otto-Graf-Institut Pfaffenwaldring 32 D-70569 Stuttgart Dipl.-Ing. (FH) Steffen Bramm H. Bramm GmbH Rotenbergstraße 7 D-71665 Vaihingen

Titelbild: Rohrvortrieb (DN 2600 mm) für die Meerwasserentsalzungsanlage in Ashkelon (Israel); Fotografin: Mali Goldfarb / H. Bramm GmbH Bibliografi sche Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografi e; detaillierte bibliografi sche Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. ISBN 978-3-433-02912-1 © 2008 Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin Alle Rechte, insbesondere die der Übersetzung in andere Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form – durch Fotokopie, Mikrofi lm oder irgendein anderes Verfahren – reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen, verwendbare Sprache übertragen oder übersetzt werden. All rights reserved (including those of translation into other languages). No part of this book may be reproduced in any form – by photoprint, microfilm, or any other means – nor transmitted or translated into a machine language without written permission from the publisher. Die Wiedergabe von Warenbezeichnungen, Handelsnamen oder sonstigen Kennzeichen in diesem Buch berechtigt nicht zu der Annahme, dass diese von jedermann frei benutzt werden dürfen. Vielmehr kann es sich auch dann um eingetragene Warenzeichen oder sonstige gesetzlich geschützte Kennzeichen handeln, wenn sie nicht eigens als solche markiert sind. Umschlaggestaltung: eiche.eckert° | Werbeagentur, Achern Druck: Strauss GmbH, Mörlenbach Bindung: Litges & Dopf Buchbinderei GmbH, Heppenheim Printed in Germany

Vorwort zur 2. Auflage Da bereits nach nicht ganz 5 Jahren der 1. Auflage eine 2. Auflage folgt, konnte ¨ auf eine inhaltliche Uberarbeitung und Erweiterung verzichtet werden. Es wurden lediglich Druckfehler berichtigt und eine Anpassung an die neue Situation in der Normung vorgenommen. Unser herzlicher Dank gilt dem Verlag, vor allem Frau Dipl.-Ing. Ozimek, durch deren Engagement die 2. Auflage m¨ oglich wurde. Stuttgart und Vaihingen/Enz, im M¨ arz 2008

Hermann Schad Tobias Br¨autigam Steffen Bramm

Vorwort zur 1. Auflage Angesichts der knapper werdenden Baufl¨ achen und der zunehmenden Schwierigkeiten bei der Inanspruchnahme fremder Grundst¨ ucke gewinnt die unterirdische Bauweise im Kanal- und Leitungsbau immer mehr an Bedeutung. Mit dem unterirdischen Einbringen der Leitungen werden Verkehrsst¨orungen, Rechtsstreitigkeiten und sch¨ adliche Eingriffe in die Umwelt weitgehend vermieden. Unter den Verfahren der geschlossenen Bauweise wird der Rohrvortieb, das Durchpressen, beim Kanal- und Leitungsbau im begehbaren Bereich auch in Zukunft meist die optimale Technik sein, da der Grad der Mechanisierung leicht f¨ ur die jeweilige Bauaufgabe optimiert werden kann. Die Fortschritte in der Maschinen- und Steuerungstechnik innerhalb des letzten Jahrzehntes haben den kosteng¨ unstigen und umweltschonenden Einsatz der Durchpresstechnik – auch bei gekr¨ ummtem Verlauf der Leitung – stark erweitert. Mit der Einschaltung von Dehnerstationen wurden schon Leitungen von bis zu 2,5 km ohne Zwischenschacht aufgefahren. Das vorliegende Buch beschreibt nicht nur die Anforderungen an Rohrvortriebe, sondern zeigt auch detaillierte L¨ osungswege auf, um unseren Fachkolleginnen und -kollegen bei der Bew¨ altigung der bei Rohrvortrieben h¨aufig schwierigen Situationen zu helfen. Da wir uns bem¨ uhten, die Darstellung u ¨ berschaubar zu gestalten und den Umfang des Buches begrenzten, konnten nicht alle Fragestellungen mit der w¨ unschenswerten Ausf¨ uhrlichkeit behandelt werden. F¨ ur gr¨ undliche Antworten bei Spezialfragen verweisen wir daher die Leserinnen und Leser auf das umfangreiche Literaturverzeichnis. F¨ ur die Bearbeitung des Themas wurde folgende Aufteilung gew¨ ahlt: – Kapitel 1 bis 3: T. Br¨ autigam, – Kapitel 4 und 5: H. Schad, – Kapitel 6: S. Bramm. Die Autoren danken dem Verlag f¨ ur die Herausgabe des Buches und die stets gute Zusammenarbeit mit Frau Dipl.-Ing. Herr und Frau Dipl.-Ing. (FH) Herrmann,

VI

die uns durch ihre Hinweise und Korrekturen stets engagiert und kompetent unterst¨ utzten. Herrn Prof. Dr.-Ing. H.-W. Reinhardt, dem Direktor des Otto-Graf-Instituts der Universit¨ at Stuttgart, an dem die Autoren der Kapitel 1 bis 5 arbeiten, geb¨ uhrt Dank f¨ ur sein Interesse und Verst¨ andnis. F¨ ur die Durchsicht der Formeln und Ableitungen in Kapitel 4 sei Herrn Prof. Dr.-Ing. Buchmaier herzlich gedankt. F¨ ur die Hilfe bei der Benutzung des Textsystems und der grafischen Aufbereitung der Bilder danken wir Herrn Dipl.-Ing. Willand und Frau Bauer. Stuttgart und Vaihingen/Enz, im Juli 2003

Hermann Schad Tobias Br¨autigam Steffen Bramm

Inhaltsverzeichnis

1

Grundlagen der Rohrvortriebstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

1.1 1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.1.4

Einf¨ uhrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Grundprinzip des Bauverfahrens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Abgrenzung zu anderen Bauverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Vortriebstechnik: Tendenzen und technische Grenzen . . . . . . . . . . . . . . . 5 Nutzungsgerechte Planung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.2 1.2.1 1.2.2 1.2.3

Regelwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Klassifikationssystem f¨ ur Locker- und Festgesteine . . . . . . . . . . . . . . . . . Herstellverfahren und Regelwerke f¨ ur Stahlbetonrohre . . . . . . . . . . . . . . Anforderungen und Toleranzen f¨ ur Stahlbetonrohre . . . . . . . . . . . . . . . .

17 18 20 23

1.3 1.3.1 1.3.2 1.3.3

Auffahrung von Rohrvortrieben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vortriebe mit steigender Gradiente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Besonderheiten bei fallender Gradiente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bogenf¨ ormige Trassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

33 33 34 35

1.4 1.4.1 1.4.2 1.4.3 1.4.4

Startsch¨ achte, Zielsch¨ achte und Zwischensch¨achte . . . . . . . . . . . . . . . . . Technologie des Schachtbaus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Auslegung von Startsch¨ achten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zwischensch¨ achte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zielsch¨ achte, Zielbaugruben und Bergegruben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37 37 42 43 45

1.5 1.5.1 1.5.2 1.5.3 1.5.4 1.5.5

Rohrverbindungen und Dichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Druck¨ ubertragungsring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stahlf¨ uhrungsring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Außendichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Innendichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufbau von Rohrverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

46 47 51 53 55 59

1.6

Halboffener Vortrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

1.7 Ferngesteuerte Vortriebsverfahren f¨ ur kleine bis mittlere Querschnitte 64 1.7.1 Gesteuerte Pressbohrverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 1.7.2 Einsatz ferngesteuerter Schildvortriebsmaschinen (Microtunneling) . . . 65 2

Vortriebstechnologie: Maschinen und Ger¨ ate . . . . . . . . . . . . . . . . 69

2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4

Gesteinsabtrag, Laden und F¨ ordern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Maschineller Gesteinsabtrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Handabbau und manuelle Nachzerkleinerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Unstetigf¨orderung des Haufwerks im Rohrstrang . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stetigf¨ orderung des Haufwerks im Rohrstrang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

69 69 85 85 87

VIII

Inhaltsverzeichnis

2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3

Vorpresseinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hauptpressstation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hauptvortriebspressen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stahldruckring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

91 91 91 97

3

Ausf¨ uhrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4

Vorpressen von Rohren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einbringen der Vortriebsrohre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zwischenpress-Stationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Steuerung von Rohrvortrieben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vermessung und Vortriebsdokumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

99 99 99 108 114

3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5

Abtragstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gesteinsabtrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Standsicherheit der Ortsbrust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Voraushub . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vorabinjektionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ¨ Uberschnitt und geologisch bedingter Mehrausbruch . . . . . . . . . . . . . . .

119 119 122 128 128 129

3.3 Vorpresswiderst¨ ande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 3.3.1 Brustwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 3.3.2 Mantelreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 3.4 Schmiermittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 3.4.1 Bentonit-Suspensionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 3.4.2 Schmierung mit Bentonit-Suspensionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 3.5 3.5.1 3.5.2 3.5.3

Verd¨ ammung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zweck und Anwendung des Verd¨ ammens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mineralische Verd¨ ammstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Technologie der Verd¨ ammung des ¨ außeren Ringspalts . . . . . . . . . . . . . .

152 152 153 156

3.6 3.6.1 3.6.2 3.6.3 3.6.4 3.6.5

Rohrvortriebe unter Druckluftbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hauptanwendungsgebiete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Baugrund und technische Einsatzgrenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Druckluftbedarf und bautechnische Maßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Medizinische Vorsorge, Arbeits- und Brandschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . .

159 159 163 163 166 172

4

Statische Berechnung von Vortriebsrohren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

4.1

Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3

Belastung und Beanspruchung eines Kreisrings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beanspruchung und Verschiebung bei Schneidenlast . . . . . . . . . . . . . . . . Beanspruchung und Verschiebung bei Fl¨achenlast . . . . . . . . . . . . . . . . . Superposition von horizontaler und vertikaler Fl¨achenlast . . . . . . . . . . .

4.3

Beanspruchungen im Baugrund . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182

174 177 179 181

Inhaltsverzeichnis

IX

4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.4.4

Regelungen von ATV A 161, DIN EN 1916 und DIN V 1201 . . . . . . . . . . Beanspruchung nach ATV A 161 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ¨ Ubergang zum Konzept von DIN 1045-1 (2001) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zul¨ assige Vortriebskraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Begrenzung der Betonzugspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

185 186 189 191 196

4.5

Berechnungsbeispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199

5

Statische Berechnung von Nebenbauwerken . . . . . . . . . . . . . . . . . 203

5.1 5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.4 5.1.5 5.1.6

Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verbauger¨ ate und Verbauboxen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spundw¨ ande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bohrpfahlw¨ ande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schlitzw¨ ande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spritzbeton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schachtbauwerk als Senkkasten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.2

Ein- und Ausfahrwand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209

203 204 204 206 206 206 207

5.3 Widerlagerwand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 5.3.1 Einfache Berechnung der m¨ oglichen Widerlagerbelastung . . . . . . . . . . . 211 5.3.2 Widerlagerbelastung nach dem Diagramm aus SIA 195 (1992) . . . . . . . 211 5.4

Verankerung und Vernagelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214

5.5 Erddruck und B¨ oschungsstandsicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 5.5.1 Vergleich verschiedener Berechnungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 5.5.2 Einfluss der r¨ aumlichen Wirkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 6

Ausschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227

6.1

Vertragsgrundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227

6.2 M¨ oglichkeiten der verschiedenen Vertragsformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 6.2.1 Leistungsbeschreibung mit Leistungsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 6.2.2 Leistungsbeschreibung mit Leistungsprogramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 6.3

Risikoverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228

6.4

Grundlagen der Ausschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229

6.5 Beispiel eines Leistungsverzeichnisses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 6.5.1 Vorbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 6.5.2 Tabelle der Positionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 Stichwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259

beton & rohrbau

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Das Durchschnittliche gibt der Welt ihren Bestand, das Außergewöhnliche ihren Wert.

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ZERTIFI

Kanalbau Druckrohrleitungen Microtunneling · Rohrvortrieb Rohreinzug Provisorische Umleitungen · Heber Kläranlagen Pumpwerke Regenklärbecken Senkkästen · Absenkschächte Ingenieurbau · SF-Bau Kanalsanierung Fernwärme

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Baubetrieb und Bauverfahren im Tunnelbau

BUCHEMPFEHLUNG

2., aktualisierte Auflage Wirtschaftlich und sicher bauen mit dem richtigen Bauverfahren

Girmscheid, G. Baubetrieb und Bauverfahren im Tunnelbau 2., aktualisierte Auflage 2008. ca. 750 Seiten, ca. 500 Abb. Gebunden. ca. ` 149,- / sFr 235,ISBN: 978-3-433-01852-1

In dem vorliegenden Buch werden ausgehend von der geologischen Situation Verfahren vorgestellt und alle zu beachtenden Arbeitsschritte aus der Sicht des Baubetriebs erläutert. Bei der Festlegung von Straßentrassen und Bahnstrecken werden heute umweltverträgliche Lösungen gefordert. Dies hat dazu geführt, daß der Tunnelbau im Fels- und Lockergestein einen großen Aufschwung erlebt. Obwohl die Entscheidung für Tunnelbauwerke, z. B. im Innenstadtbereich, hohe Kosten verursacht, akzeptiert man diese, um unabhängiger von der bestehenden Infrastruktur zu werden. Sowohl die technischen Möglichkeiten als auch die Anforderungen an diese Ingenieurdisziplin sind vielfältiger als früher. Für die Durchführung von Tunnelbauprojekten haben damit die Verfahrensauswahl und baubetriebliche Abwicklung einen hohen Stellenwert erhalten. Bei der Planung und Durchführung von modernen Tunnelbauwerken wird das vorliegende Buch ein hilfreiches Arbeitsmittel sein.

* Der `-Preis gilt ausschließlich für Deutschland. Irrtum und Änderung vorbehalten. 008128016_my

Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG Für Bestellungen und Kundenservice: Verlag Wiley-VCH, Boschstraße 12, D-69469 Weinheim

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1

Grundlagen der Rohrvortriebstechnik

1.1

Einf¨ uhrung

1.1.1

Grundprinzip des Bauverfahrens

Beim Rohrvortrieb werden Rohre mit Hilfe von Hydraulikpressen in den Untergrund vorgepresst. Im Bereich vor dem ersten Vortriebsrohr wird das Lockeroder Festgestein meist im Schutz eines Vortriebsschildes mit einem Bagger, mit einer Fr¨ asmaschine oder mit einer Tunnelbohrmaschine gel¨ost. Das L¨osen mittels Hochdruckwasserstrahl findet u ¨berwiegend bei Horizontalbohrverfahren (HDD, siehe unten) Anwendung. Der generelle Handabbau wird nur noch selten praktiziert. ¨ Bei allen Abbauverfahren wird eine m¨ oglichst gute Ubereinstimmung von Rohraußenquerschnitt und Ausbruchquerschnitt angestrebt, wobei meist ein ge¨ ringf¨ ugiger planm¨ aßiger Uberschnitt als Ringspalt zu ber¨ ucksichtigen ist. Durch das beschriebene Vortriebsprinzip k¨ onnen beim Rohrvortriebsverfahren erhebliche Mantelreibungskr¨ afte auftreten. In der Vortriebsphase wird daher meist in den vorerw¨ ahnten Ringspalt ein Schmiermittel injiziert. Zus¨atzlich treten im Bereich der Rohrortsbrust Widerstandskr¨ afte auf, die aus dem Eindringen der Schildschneide bzw. des Abbauwerkzeugs herr¨ uhren. Beim Vorpressen der Rohre sind von den Vortriebspressen im Wesentlichen die beiden genannten Kr¨afte zu u ¨ berwinden. Die Vortriebsrohre erf¨ ullen bei der Rohrvortriebsbauweise zwei Funktionen: 1. Sie dienen der Sicherung des bereits aufgefahrenen Hohlraums vor eventuell hereindr¨ angendem Gebirge; 2. Der Vortriebsrohrstrang ist auch fertiges Stollen- oder Kanalbauwerk. Bei tief liegenden Rohrtrassen und Stauraumkan¨alen, bei beengten oberirdischen Platzverh¨ altnissen (z. B. in Innenst¨adten) oder bei der Unterquerung von Bebauung, Straßen, Bahnanlagen, Flughafenanlagen, Fl¨ ussen, Natur- oder Wasserschutzgebieten, bei denen große, offene Leitungsgr¨aben nicht akzeptabel oder technisch nicht ausf¨ uhrbar sind, stellt das technisch ausgereifte Rohrvortriebsverfahren ein sehr wirtschaftliches Bauverfahren dar. Die Beeintr¨ achtigungen w¨ ahrend der Bauzeit und der Platzbedarf an der Gel¨ andeoberfl¨ ache sind bei Anwendung des Rohrvortriebsverfahrens vergleichsweise gering. Bei Anwendung der Rohrvortriebsbauweise fallen gegen¨ uber der offenen Bauweise geringere Aushubmassen an, so dass sich insbesondere beim Neubau von Rohrleitungen durch kontaminierte Schichten maßgebende Einsparungen bei den Entsorgungskosten ergeben k¨onnen.

2

1 Grundlagen der Rohrvortriebstechnik

1.1.2

Abgrenzung zu anderen Bauverfahren

Nach dem Automatisierungsgrad des Vortriebsverfahrens und nach der Gr¨oße des erzeugten Hohlraumquerschnittes werden unbemannte und bemannte Rohrvortriebe unterschieden. Bei den unbemannten Rohrvortrieben ist eine Differenzierung zwischen ungesteuerten und gesteuerten Vortriebsverfahren m¨ oglich. Ferngesteuerte, unbemannte Rohrvortriebsverfahren werden meist unter dem Begriff Mikrotunnelbau“ (engl.: Microtunneling“) zusammengefasst. ” ” Ungesteuerte Vortriebsverfahren sind nicht Gegenstand der nachfolgenden Ausf¨ uhrungen. Diese Bauverfahren werden z. B. von Stein, M¨ollers, Bielecki [165] ¨ eingehend beschrieben. Eine generelle Ubersicht u ¨ber die grabenlosen Bauverfahren findet sich in DIN EN 12889 (2000-03), Tabelle 1 [55]. Die f¨ ur einen bemannten Vortrieb erforderlichen Mindestlichtmaße ergeben sich aus der Unfallverh¨ utungsvorschrift f¨ ur Bauarbeiten ([132], § 42, Abs. 1 und 2). Danach gelten folgende Regelungen: (1)

Arbeitspl¨ atze in Tunnels, Stollen und Durchpressungen ” m¨ ussen folgende Mindestlichtmaße aufweisen: L¨ ange: l < 50 m Kreisquerschnitt
0,80 m Rechteckquerschnitt 0,80 m H¨ ohe/0,60 m Breite L¨ ange: 50 m ≤ l < 100 m Kreisquerschnitt
1,00 m Rechteckquerschnitt 1,00 m H¨ ohe/0,60 m Breite L¨ ange: l ≥ 100 m Kreisquerschnitt
1,20 m Rechteckquerschnitt 1,20 m H¨ ohe/0,60 m Breite (2) Steigsch¨ achte m¨ ussen einen freien Querschnitt von mindestens 0,70 × 0,70 m haben.“

Aus den Regelungen von BGV C 22, § 42 (1) und (2) folgt, dass kleinere Querschnitte unbemannt aufgefahren werden m¨ ussen. Der Begriff der Begehbarkeit“ leitet sich aus den Anforderungen der Arbeits” st¨ attenverordnung [130] (§§ 17, 44 und 52) an die Zug¨ange zu den Arbeitspl¨atzen ab. Da sich bei der Mehrzahl der Vortriebsrohrstr¨ange die Querschnittsabmessungen der Rohre auf einer Haltung nicht a ¨ndern, entsprechen die oben genannten Mindestquerschnitte f¨ ur die Arbeitspl¨ atze im Wesentlichen den Abmessungen f¨ ur die Zug¨ ange zu den Arbeitspl¨ atzen. Vereinfachend werden Rohrquerschnitte, die diese Mindestabmessungen aufweisen daher auch als begehbar“ im Sinne der UVV ” bezeichnet. Als begehbar“ geltende Querschnittsabmessungen k¨onnen jedoch auch ” ferngesteuert aufgefahren werden. Beim Mikrotunnelbau werden in der Regel kleinere Querschnitte, im Durchmesserbereich zwischen DN 200 und ca. DN 1800 ferngesteuert aufgefahren. Die Verfahren des Mikrotunnelbaus finden also auch im unteren und mittleren Segment der als begehbar“ geltenden Rohrquerschnitte ” Anwendung. Nach dem ATV-Arbeitsblatt A 125 [104] sind die in Tabelle 1.1 zusammengestellten Hauptgruppen ferngesteuerter Vortriebsverfahren im als begehbar“ geltenden Durchmesserbereich zu unterscheiden. ” In Sonderf¨ allen wurden auch bereits wesentlich gr¨oßere Rohrquerschnitte ferngesteuert aufgefahren, z. B. ein Rohrvortrieb DA 3800, im Zusammenhang mit der Europipe-Ferngasleitung im Norddeutschen Wattenmeer [161]. Abweichend von

1.1 Einf¨ uhrung

3

¨ Tabelle 1.1. Ubersicht zu ferngesteuerte Vortriebsverfahren [104] ferngesteuertes Vortriebsverfahren Pressbohr-Rohrvortrieb Schild-Rohrvortrieb HDD-Verfahren

Außendurchmesser DA [mm]

derzeit u angen ¨bliche Vortriebsl¨ l [m]

≤ 1300 ≤ 1850 ≤ 1500

≤ 100 ≤ 250 ≤ 1500

HDD-Verfahren (Horizontal Directional Drilling): Beim HDD-Verfahren wird zun¨ achst eine Pilotbohrung hergestellt und der Querschnitt der Pilotbohrung anschließend mit einem Aufweitungskopf vergr¨ oßert. In diesen aufgeweiteten Querschnitt wird der Rohrstrang eingezogen. Im Regelfall handelt es sich dabei um einen Stahl- oder Kunststoffrohrstrang, nicht jedoch um Stahlbeton-Vortriebsrohre. Bei der Herstellung der Pilotbohrung erfolgt das L¨ osen des Gesteins zum Teil mittels Hochdruckwasserstrahl. Zum Schneiden von Fels sind sehr hohe Wasserdr¨ ucke erforderlich. Diese sind jedoch bei großen Vortriebsl¨ angen infolge von Druckverlusten in den Leitungen oft nicht realisierbar.

den Regelungen der UVV Bauarbeiten empfiehlt das ATV-Arbeitsblatt A 125 Rohrvortrieb die Einhaltung von Mindestlichtmaßen f¨ ur bemannte Rohrvortriebe: – bei Kreisquerschnitten unabh¨ angig von der Vortriebsl¨ange: ≥ DN 1200 – Ausnahme: bei Vortriebsl¨ angen von maximal 80 m: DN 1000, wenn dem Rangstrang ein mindestens 2 m langes Arbeitsrohr DN 1200 vorgeschaltet wird. Aus humanit¨ aren und zum Teil auch aus wirtschaftlichen Gr¨ unden ist in der Praxis anzustreben, bemannte Vortriebe generell nur ab DN 1000 bzw. ab DN 1200 durchzuf¨ uhren. Abweichende Mindestdurchmesser oder abweichende maximale Vortriebsl¨ angen k¨ onnen sich auch aus technischen Gr¨ unden oder aus vertragsrechtlichen Bedingungen ergeben. Technische Mindestdurchmesser ergeben sich beispielsweise bei Vortrieben mit Druckluftst¨ utzung auf Grund der Schleusengr¨ oße. Die Einhaltung von Mindestdurchmessern bei abweichenden maximalen Vortriebsl¨ angen k¨ onnen aus vertragsrechtlichen Gr¨ unden z. B. bei der Unterfahrung von Bahnanlagen gefordert werden. F¨ ur bemannte Rohrvortriebe mit Kreisquerschnitt unter Bahngleisen gilt beispielsweise: • bei Vortriebsl¨ angen von maximal 25 m: min DN 1000, • bei Vortriebsl¨ angen u min DN 1200. ¨ ber 25 m: F¨ ur Bauarbeiten in oberirdisch oder unterirdisch verlegten Rohrleitungen (z. B. Inliner) mit rundem, ann¨ ahernd rundem oder ovalem Querschnitt gelten die zus¨ atzlichen Bestimmungen von BGV C 22, Kap. IX. Hiernach ist eine bemannte Befahrung bei einem minimalen Lichtmaß von > 600 mm zul¨assig. Bei Einfahrl¨ angen von mehr als 20 m in Rohrstrecken mit einem Lichtmaß ≤ 800 mm ist ein Rollenwagen zu verwenden, der in der Regel seilgef¨ uhrt sein muss. (Abweichungen siehe BGV C 22, § 72(2).)

4

1 Grundlagen der Rohrvortriebstechnik

Die nachfolgenden Kapitel beziehen sich vorwiegend auf die klassische“ ” Technologie der bemannten Vortriebsverfahren f¨ ur Leitungstunnel aus Stahlbetonrohren. Ein Kapitel ist den ferngesteuerten Vortriebsverfahren gewidmet, soweit diese den als begehbar“ geltenden Durchmesserbereich ” ≥ DN 800 f¨ ur den Vortrieb von Stahlbetonrohren, betreffen. Wenn man das Grundprinzip des Bauverfahrens am Beispiel eines klassischen Rohrvortriebes mit offenem Schild darstellt, lassen sich f¨ unf Funktionsbereiche unterscheiden: 1. u ¨ bert¨agiger Bereich 3. Bereich Rohrstollen 5. Bereich Zielschacht 2. Startschacht 4. Maschinenrohr

Bild 1.1. Schema eines bemannten Rohrvortriebes mit offenem Schild

1.1 Einf¨ uhrung

5

Foto: T. Br¨autigam, Stuttgart Bild 1.2. Typische Situation am Startschacht eines Rohrvortriebs DN 2000

1.1.3

Vortriebstechnik: Tendenzen und technische Grenzen

Die Rohrvortriebstechnik hat vor allem in den letzten 30 Jahren eine rasante Entwicklung erfahren und heute einen hohen technischen Stand erreicht. Hier sind in erster Linie die Fortschritte im Bereich des Mikrotunnelbaus sowie die Einf¨ uhrung elektronischer bzw. interaktiver Regel- und Steuerungskomponenten zu nennen. Im Bereich der begehbaren Rohrquerschnitte k¨onnen bogen- oder S-f¨ormige Vortriebe auf Steigungs- oder Gef¨ alletrassen mit relativ engen Kurvenradien ausgef¨ uhrt werden. Rohrvortriebe sind mittlerweile in nahezu allen bautechnisch relevanten Festgesteinen, einer großen Bandbreite von Lockergesteinen sowie in Trassen unter offenem Wasser hindurch technisch beherrschbar. Die derzeitigen Entwicklungstendenzen zielen auf eine Verbesserung der Automatisierung und Koppelung von Trassenvermessung und Steuerung des Vortriebs ab. Die automatisierte Steuerung (siehe 3.1.3.8, S. 112) wird vor allem bei der Steuerung großer Tunnelbohrmaschinen und beim Microtunneling bereits eingesetzt. Relativ neu sind Entwicklungen, die eine Ortung von Vortriebshindernissen u ¨ ber Sensoren in der Vortriebsmaschine erm¨ oglichen. Im Bereich der Vortriebsrohre wurden nicht zuletzt durch Initiative und Selbstverpflichtung der Stahlbetonrohrhersteller erheblich verbesserte Konstruktionen und Qualit¨ aten f¨ ur Vortriebsrohre erzielt, die oft u ¨ ber die in den Rohrnormen(vgl. 1.2.2 und 1.2.3) geforderten Mindeststandards hinausgehen.

6

1 Grundlagen der Rohrvortriebstechnik

In der Vortriebspraxis w¨ unschenswert w¨are oftmals eine gegen¨ uber den geltenden Regeln generell robustere Rohrbewehrung, speziell zur Abdeckung von Spaltzug- und Randzugspannungen im Bereich der Rohrspiegel. Risse in Rohrspiegeln¨ahe stellen die Dichtigkeit der Rohrverbindung bei regelkonform bewehrten Vortriebsrohren noch allzu oft in Frage und f¨ uhren h¨aufig zu Sanierungsmaßnahmen noch bevor ein Rohrstollen seiner Bestimmung u ¨ bergeben werden kann. Bemerkenswert sind Entwicklungen im Bereich spezieller Vortriebsrohre. Hierzu z¨ ahlen beispielsweise: 1.1.3.1

Profilrohre

Profilrohre sind Rohre, deren Querschnitt von der Kreisringform abweicht. H¨ aufig sind dabei Vortriebsrohre, deren Innenkontur nach individuellen Anforderungen geschalt wird und deren Außenkontur eine Kreisringform aufweist. Typisch f¨ ur diese Gruppe sind Rohre mit Eiprofil, Drachenprofil oder Trockenwetterabflussrinne. Diese Rohrprofile kommen h¨aufig dann zur Anwendung, wenn die Wasserabflussmengen großen Schwankungen unterworfen sind. Durch die Ei- oder Rinnenform werden auch bei geringen Abflussmengen relativ hohe Abflussgeschwindigkeiten erzielt. Der Stoß von Profilrohren erfordert eine verrollungsfreie Zentrierung. Ein wichtiger Parameter f¨ ur die hydraulische Profil-Beschreibung ist der Hydraulische Radius R (z. B. DIN 4263 [47], Abschnitt 2.5). R=

A Ut

A Ut

Durchflussquerschnitt benetzter Umfang

(1.1)

Bild 1.3. Beispiele f¨ ur nicht genormte Stahlbeton-Profil-Vortriebsrohre mit kreiszylindrischer Außenkontur

Weitere standardisierte Querschnittsprofile sind DIN 4263 [47] zu entnehmen.

1.1 Einf¨ uhrung

7

Grunds¨ atzlich k¨ onnen auch Rohre vorgepresst werden, deren Außenkontur von der Kreisform abweicht. Meist handelt es sich in der Praxis um Maul-, Quadrat-, oder Rechteckquerschnitte. Rechteckf¨ormige Großquerschnitte werden in Form von Stahlbetonrahmen in Ortbetonbauweise vorgepresst (Rahmenvortrieb, [164]). Hinsichtlich der Querschnittsabmessungen sind Großrahmenvortriebe, die im Verkehrswegebau h¨ aufig f¨ ur die Unterquerung von Bahnanlagen angewandt werden, als extremal zu bezeichnen. Bei diesen Bauteilen handelt es sich jedoch nicht um Rohre im engeren Sinne. Ein Beispiel f¨ ur die Ausf¨ uhrung eines Großrahmenvortriebes ist die Herstellung des Arlbergdurchlasses in StuttgartUntert¨ urkheim durch die Bilfinger + Berger AG [144, 152]. Ein Beispiel f¨ ur die Verwendung von Stahlbetonrohren mit maulf¨ormigem Großquerschnitt ist das Bauvorhaben Neckard¨ uker am Kl¨arwerk Stuttgart- M¨ uhlhausen. Hier wurden Profilrohre mit einem St¨ uckgewicht von ca. 42 t ca. 10 m unter der Neckarsohle in einen zuvor bergm¨ annisch im Sprengvortrieb aufgefahrenen Stollen eingeschoben (Bilfinger + Berger AG, Universale Grundbau).

Foto: Gert Elsner, Stuttgart Maulquerschnitt ca. 4,5 m breit, ca. 3 m hoch, Inbetriebnahme: September 1997 Bild 1.4. Neckard¨ uker am Kl¨ arwerk Stuttgart-M¨ uhlhausen

8

1.1.3.2

1 Grundlagen der Rohrvortriebstechnik

Dickwandige Großrohre

F¨ ur außergew¨ ohnlich große schlaffe Auflasten wurden schon StahlbetonVortriebsrohre mit Wanddicken von 55 cm und 60 cm bei einem Außendurchmesser von 3,60 m gefertigt und mit Erfolg vorgepresst. Hinsichtlich der Rohrwanddicke sind diese Abmessungen f¨ ur Vortriebsrohre nach derzeitigem Maßstab als extrem zu bezeichnen. Außer betontechnologischen Problemen, die aus dem Abbindeund Schwindverhalten von massigen Stahlbetonbauteilen resultieren, ist bei der Steuerung von Rohrvortrieben mit schwergewichtigen Einzelrohren eine beachtliche Tr¨ agheit des Rohrstranges zu ber¨ ucksichtigen. Nicht zuletzt wird auf logistische und verkehrsrechtliche Beschr¨ankungen hingewiesen, die sich im Zusammenhang mit dem Transport solcher Rohre vom Rohrwerk zur Baustelle ergeben k¨ onnen. Die maximalen Abmessungen von Vortriebsrohren, die als Fertigteile im Regeltransport u ¨ ber o¨ffentliche Straßen transportiert werden k¨ onnen, liegen in der Gr¨oßenordnung von DA 3600 und l = 2,5 m (siehe auch Bild 1.5).

Foto: T. Br¨autigam, Stuttgart Bild 1.5. Transport DA 3600 (Sattelzug mit Tiefladeauflieger, Masse des Rohres 35,6 t)

Noch gr¨oßere Vortriebsrohre k¨ onnen auf ¨offentlichen Straßen nur als Sondertransporte bewegt werden. Die Obergrenze der Abmessungen und Gewichte ist von den Zwangspunkten der Fahrstrecke und den Auflagen der zust¨andigen Beh¨ orden abh¨ angig. Stahlbeton-Vortriebsrohre ≥ DN 4000 werden meist in Feldfabriken hergestellt. Zwischen Mitte der sechziger Jahre und Mitte der achtziger Jahre des 20. Jahrhunderts etablierte sich die Rohrvortriebstechnologie so weit, dass Vortriebsrohre mit immer gr¨ oßeren Durchmessern zur Anwendung kamen. Ab

1.1 Einf¨ uhrung

9

Ende der siebziger Jahre war praktisch kein Zuwachs bei den Gr¨oßtquerschnitten von Einzelrohren mehr festzustellen. Ausschlaggebend hierf¨ ur waren vorrangig logistische Gr¨ unde. Die Verrohrung der Alten Emscher (DA 5360/DN 4400) im Jahre 1978 markiert auch heute noch die Obergrenze des geometrisch und wirtschaftlich Machbaren im Bereich der klassischen Rohrvortriebsbauweise. Zurzeit werden Rohre mit Außendurchmessern > DA 4000 relativ selten vorgepresst. Im Durchmesserbereich > DA 4000 dominiert im Leitungsbau, z. T. auch im U-Bahnbau, die T¨ ubbingbauweise und im Bereich der Straßen- und Bahntunnel ¨ ¨ die Neue Osterreichische Tunnelbauweise (NOT/NAT).

Bild 1.6. Entwicklung der Durchmesser von Stahlbeton-Vortriebsrohren (in Anlehnung an [157])

1.1.3.3

Schr¨ agspiegelrohre

Bei Parallelspiegelrohren sind beide Rohrspiegelfl¨achen planm¨aßig eben, parallel und stehen senkrecht zur Rohrl¨ angsachse. Bei Schr¨agspiegelrohren sind die beiden Rohrspiegelfl¨ achen planm¨ aßig eben, jedoch nicht parallel. Mindestens eine der beiden Rohrspiegelfl¨ achen ist bez¨ uglich der Rohrl¨angsachse geneigt. Schr¨ agspiegelrohre erm¨ oglichen bei Vortrieben auf bogenf¨ormiger Trasse eine Minimierung der klaffenden Fuge im Bereich der Rohrst¨oße. Dies f¨ uhrt zu einer g¨ unstigeren Normalspannungsverteilung, da zur Vorschubkraft¨ ubertragung planm¨ aßig ein gr¨ oßerer Anteil der Spiegelfl¨ache zur Verf¨ ugung steht als bei Parallelspiegelrohren. Anfangsrohre werden teilweise auch als Doppelschr¨ agspiegelrohre gefertigt, da die Kontaktfl¨ache am Maschinenrohr im Regelfall senkrecht zur Maschinenrohrl¨angsachse steht. Der Stoß von Schr¨ agspiegelrohren erfordert eine verrollungsfreie Zentrierung.

10

1.1.3.4

1 Grundlagen der Rohrvortriebstechnik

Technische Grenzen und Sonderf¨ alle der Rohrvortriebstechnik

War die Anwendung der Rohrvortriebstechnik bis vor etwa zwei Jahrzehnten allgemein auf bindige oder rollige Lockergesteine beschr¨ankt, so lassen sich heute mit den M¨ oglichkeiten modernster Vortriebstechnologie Rohrvortriebe durch eine wesentlich vielf¨ altigere Palette von Gesteinsarten bis hin zum Hartgestein ausf¨ uhren. Rohrvortriebe durch wechselnde Gesteinsarten sind ebenso m¨oglich wie Rohrvortriebe unter Druckluftbedingungen und auf gekr¨ ummten Trassen. Das Rohrvortriebsverfahren ist nicht oder nur bedingt geeignet in fl¨ ussigen und breiigen Bodenarten sowie in Hausm¨ ull. Da diese Bodenarten die erforderliche F¨ uhrung des Rohrstrangs meist nicht erm¨oglichen, besteht die Gefahr, dass das Maschinenrohr und der Rohrstrang zu stark abdriften oder absacken. Muss eine Leitungstrasse h¨ ohenm¨ aßig im Bereich unzureichend tragf¨ahiger Schichten vorgepresst werden, besteht bei nicht zu tief anstehenden tragf¨ahigen Schichten technisch oftmals die M¨ oglichkeit den Rohrvortrieb auf vorab von der Gel¨ andeoberfl¨ ache aus hergestellten Pf¨ ahlen, Schotters¨aulen etc. durchzuf¨ uhren. Die Bohrstrecke zwischen der Gel¨ andeoberfl¨ache und der Tiefenlage des Vortriebsrohrstranges kann ggf. als Leerbohrstrecke ausgef¨ uhrt werden. In der Altstadt von Sindelfingen wurde durch die Fa. H. Bramm GmbH im Jahre 1995 ein Rohrvortrieb (Hauptsammler V, 2. BA), DN 1800, ausgef¨ uhrt, bei dem die Vortriebsrohre u ¨ ber insgesamt 91 Pf¨ahle mit einem Pfahldurchmesser von 1,2 m und mit Pfahll¨ angen von bis zu 12 m hinweg vorgepresst wurden [123] (siehe Prinzipskizze Bild 1.7).

Bild 1.7. Rohrvortrieb auf Großbohrpf¨ ahlen
1,2 m in torfhaltigen Talablagerungen

1.1 Einf¨ uhrung

11

Vortriebsschwierigkeiten k¨ onnen sich in Boden- und Felsarten ergeben, bei denen es infolge von Mineralumwandlungen zu einer relevanten Volumenzunahme kommt. Hier besteht das Risiko, dass der Rohrstrang vom Gebirge auf Grund des Quelldrucks eingespannt wird und ein weiterer Vortrieb nicht mehr m¨oglich ¨ ist, da die zur Uberwindung der Mantelreibung erforderlichen Vorpresskr¨afte u ¨ ber den statisch zul¨assigen Vorpresskr¨ aften der Vortriebsrohre liegen w¨ urden. Der Lastfall Quelldruck ist einer der ganz wenigen Ausnahme-Lastf¨alle, die bei einem Vortriebsrohr gegen¨ uber dem Lastfall Vorpressen“ maßgebend werden k¨onnen. ” 1.1.3.5

Trassenradien

Es kann zwischen horizontalen Trassenradien und vertikalen Trassenradien unterschieden werden. Ein Trassenbogen kann mit geraden und starren Einzelrohren nur durch einen Polygonzug angen¨ahert werden. Die Rohrst¨oße sind gleichzeitig die Eckpunkte des Polygonzugs. Die Richtungs¨anderung kann somit nur durch eine gewisse Klaffung (Abwinklung) der Rohrstoßfugen erzwungen werden. Entscheidend hierf¨ ur sind die Dicke des Druck¨ ubertragungsringes und die Baul¨ange der Vortriebsrohre. Je gedrungener die Rohre eines Rohrstollens sind, d. h. je kleiner ihre L¨ ange in Bezug zum Durchmesser ist, desto gelenkiger ist das Verhalten des Rohrstollens bei Richtungs¨ anderungen. Das Streben nach immer kleineren Trassenradien ist dabei im Wesentlichen begrenzt durch: – die Bogenl¨ ange, – die aufnehmbaren Betondruckspannungen im Betonrestquerschnitt bei klaffender Fuge, – die Abdichtung der Fuge. Bisher wurden in einzelnen, sehr außergew¨ohnlichen Sonderf¨allen extremale Trassenradien bis zum sechsfachen Rohraußendurchmesser realisiert. Eine solche Durchpressung wird von Nußbaumer [157], S. 56, erw¨ahnt, bei der von der Ed. Z¨ ublin AG Rohre DA 4160 auf einem Kurvenradius von 25 m vorgepresst wurden. Im kommunalen Tiefbau sind Rohrvortriebe auf Trassenradien bis zum 100fachen Rohraußendurchmesser relativ h¨ aufig. Rohrvortriebe auf Trassenradien bis zum 70-fachen Rohraußendurchmesser sind bereits seltener und stellen erh¨ohte Anforderungen an das bauausf¨ uhrende Unternehmen. H¨aufig kommen in diesem Kr¨ ummungsbereich Kurzrohre mit Schr¨ agspiegeln zum Einsatz. Trassenradien bis zum 40-fachen Rohraußendurchmesser werden bereits ¨außerst selten realisiert und sind mit massiven ausf¨ uhrungstechnischen Problemen verbunden, die sich aus der Abwinklung, z. B. bei Dehnerstationen, ergeben. 1.1.3.6

Schwierigkeitsgrade bei Rohrvortriebsarbeiten

Rohrvortriebsarbeiten sind generell zu den schwierigen Bauverfahren zu rechnen. Im deutschen Normenwerk kommt dies unter anderem dadurch zum Ausdruck, dass Rohrvortriebe als Hohlraumbaumaßnahmen nach DIN 4020 [27], Abschnitt 6.2.2.3, in die Geotechnische Kategorie 3 eingestuft werden.

12

1.1.3.7

1 Grundlagen der Rohrvortriebstechnik

Ans¨ atze f¨ ur eine Differenzierung der Schwierigkeitsgrade

Eine allgemein g¨ ultige Regelung zur Abgrenzung von Schwierigkeitsgraden f¨ ur Rohrvortriebsarbeiten ist in Deutschland bisher nicht eingef¨ uhrt worden. Rohrvortriebe wurden jedoch im Zusammenhang mit Bauschadensstudien in Vortriebsklassen eingeteilt (Vogel [170]). Diese Vortriebsklassen (siehe Tabelle 1.2) k¨ onnen auch als Klassen unterschiedlichen Schwierigkeitsgrades interpretiert werden.

Tabelle 1.2. Vortriebsklassen bei Rohrvortriebsarbeiten in Anlehnung an Vogel Klasse Geometrische Kriterien Geotechnische Kriterien DN [mm] und l [m] VK 1

VK 2

VK 3

DN ≤ 1000 und l ≤ 25

Baugrund homogen, kein Grundwasser bzw. Grundwasser erst unterhalb Trasse keine Unterfahrung von offenen Gew¨ assern, Bauwerken oder baulichen Anlagen DN ≤ 1000 Baugrund wechselnd, sofern Grundwasser und ansteht ist dieses abgesenkt, l > 25 auch mit Unterfahrung von nicht setzungsempfindlichen Bauwerken (baulichen Anlagen) DN ≤ 1000 Baugrund wechselnd, sofern Grundwasser und ansteht ist dieses abgesenkt, l ≤ 25 auch mit Unterfahrung von nicht setzungsempfindlichen Bauwerken (baulichen Anlagen) 1000 ≤ DN ≤ 2500 Baugrund homogen oder wechselnd, sofern und Grundwasser ansteht ist dieses abgesenkt, l ≤ 100 auch mit Unterfahrung von nicht setzungsempfindlichen Bauwerken (baulichen Anlagen) Vortriebe, die nicht in die Vortriebsklassen 1 oder 2 fallen alle Vortriebe mit nicht abgesenktem Grundwasser Nennweiten, Vortriebe mit Unterfahrung offener Gew¨ asser beliebige Vortriebe mit Unterfahrung von setzungsVortriebsl¨ angen empfindlichen Bauwerken (baulichen Anlagen) in Verbindung mit beliebigen Baugrundverh¨ altnissen DN ≥ 2500 Rohrvortriebe in beliebigem Baugrund oder l > 100

Eine Klassifizierung der Schwierigkeitsgrade findet sich in der fr¨ uher in der Schweiz g¨ ultigen Regelung SIA 195 [90]. Die inzwischen u ¨ berarbeitete Schweizer Norm Pressvortrieb [90] nennt drei Schwierigkeitsgrade f¨ ur Rohrvortriebsarbeiten: 1. Normale Ausf¨ uhrung ist der niedrigste Schwierigkeitsgrad nach SIA 195 (1992) der gekennzeichnet ist durch:

1.1 Einf¨ uhrung

– – – – –

13

dauernd standfeste Ortsbrust, gut grabbarer Boden ohne Grundwasser, Nennweite der Vortriebselemente bis DN 1800, keine speziellen Bedingungen bez¨ uglich der Setzungen des Bodens, Vortriebsstrecke innerhalb der optimalen L¨ange (siehe Tabelle 1.3).

Tabelle 1.3. Optimale Vortriebsstrecke nach SIA 195 (1992) Nennweite DN [mm] optimale Vortriebsstrecke [m] 1000 40 ≤ l ≤ 60 1250 80 ≤ l ≤ 150 1500 120 ≤ l ≤ 180 1800 .... 3000 150 ≤ l ≤ 200

Die Vortriebstoleranzen, d. h. die zul¨ assigen Abweichungen von der Sollachse d¨ urfen folgende Grenzwerte erreichen: DN 1000........DN 1500: max. vertikale Abweichung: 30 mm max. horizontale Abweichung: 75 mm > DN 1500 max. vertikale Abweichung: DN/50 Hierbei darf die Richtungs¨ anderung im Rohrstoß 5o betragen (zul¨ assige Abwinklung nach deutschen Regelwerken siehe 1.2.3, S. 23)

2. Schwierige Ausf¨ uhrung liegt nach SIA 195 (1992) vor bei: – nur kurzfristig standfester Ortsbrust, – nicht oder nur sehr wenig standfester Ortsbrust, die Spezialmaßnahmen erfordert, wie Ortsbrustabst¨ utzung, Verfestigungsinjektionen und dgl., – Vortrieb im Grundwasser, – Vortrieb im Festgestein, – Nennweite der Vortriebselemente > DN 1800, – Vortriebsl¨ ange gr¨ oßer als die optimale L¨ ange (siehe Tabelle 1.3), – Vortrieb mit besonderen Maßnahmen zur Begrenzung der Setzungen des Bodens, – strengere Anforderungen an die Vortriebstoleranz. 3. Spezialausf¨ uhrung nach SIA 195 (1992) ist gegeben bei: – – – –

Vortrieb Vortrieb Vortrieb Vortrieb

1.1.4

unter Druckluftbedingungen, mit Vereisung, mit Bogentrassen, mit Vortriebselementen, die von der Kreisform abweichen.

Nutzungsgerechte Planung

Rohrstollen werden f¨ ur zahlreiche Nutzungszwecke in der Rohrvortriebsbauweise hergestellt. Hinsichtlich der Nutzung werden Medienrohrstollen und Schutzrohrstollen unterschieden.

14

1 Grundlagen der Rohrvortriebstechnik

In Medienrohrstollen benetzt das zu f¨ordernde Medium unmittelbar die Innenwandung der Vortriebsrohre oder ggf. die eines fest eingebauten Inliners bzw. einer Auskleidung/Beschichtung. Ein typischer Medienrohrstollen ist beispielsweise ein als Abwasserkanal genutzter Rohrstollen. Allgemein werden bei Medienrohrstollen Freispiegelgerinne und Druckleitungen unterschieden. Im Gegensatz zum Medienrohrstollen wird die Innenwandung eines Schutzrohrstollens nicht oder nur im Ausnahmefall (Leckagefall) benetzt. Ein Schutzrohrstollen dient meist dazu, eine oder mehrere Leitungen und ggf. auch einen Kontrollgang aufzunehmen. Sind mehrere Leitungen von kleinerem Querschnitt unterzubringen, so werden diese im Regelfall auf nachjustierbaren Konsolen, auf Kabelpritschen oder mit speziellen Halterungen befestigt. Stollenbauwerke mit diesem Verwendungszweck werden auch als Infrastrukturstollen“ oder als Leitungsg¨ ange“ bezeichnet. ” ” Schutzrohrstollen k¨ onnen auch als Baubehelf dienen, z. B. wenn – die sp¨ ater einzubauenden Medienrohre als Vortriebsrohre ungeeignet sind, – die Medienrohre nicht von Vortriebskr¨ aften oder Erddruckkr¨aften beansprucht werden sollen. Sind die Schutzrohrstollen nur Baubehelf, wird abschließend h¨aufig der Ringraum zwischen Medienrohrstrang und Vortriebsrohrstrang verpresst. Einen Sonderfall der Schutzrohre stellt die Gruppe der Vortriebsverbundrohre dar, bei denen innerhalb eines Stahlbetonvortriebsrohres ein Medienrohr aus einem anderen Werkstoff, z. B. GFK, werkseitig eingebettet wird. 1.1.4.1

Polygonzugartige Trasse oder Bogentrasse

Ein Rohrvortrieb auf einer bogenf¨ ormigen Trasse wird durch die Einsparung von Zwischenpresssch¨ achten kostenm¨ aßig meist erheblich g¨ unstiger als ein Rohrvortrieb auf einer polygonzugartig verlaufenden Trasse. Der Rohrvortrieb auf einer Bogentrasse stellt jedoch h¨ ohere Anforderungen an die Kompetenz des bauausf¨ uhrenden Unternehmens. Es ist auch zu bedenken, dass bestimmte Nutzungsf¨ alle geradlinige Vortriebsstrecken voraussetzen. Dies ist z. B. dann der Fall, wenn sehr lange, verschweißte, gerade Stahlrohrsch¨ usse in einen bestehenden Schutzrohrstollen eingezogen oder eingeschoben werden sollen. 1.1.4.2

Zwischensch¨ achte

Aus Kostengr¨ unden sollte der Abstand von Zwischensch¨achten m¨oglichst groß gew¨ ahlt werden. Die Herstellung von Zwischensch¨achten kann sich sehr leicht bis auf etwa ein Drittel der Gesamtbaukosten belaufen. Sind Zwischensch¨achte zu Revisionszwecken im Betriebszustand erforderlich, so sollte deren Abstand ca. 150 m nicht u ¨ berschreiten. Diese Distanz scheint auch im Hinblick auf einen m¨ oglichst kurzen Fluchtweg aus dem Rohrstollen angemessen. Bez¨ uglich der Anwendung und des Baus von Zwischensch¨achten wird auf 1.4.3 verwiesen.

1.1 Einf¨ uhrung

1.1.4.3

15

Gef¨ alle

Vortriebstechnisch ist bei Freispiegelgerinnen die Einhaltung eines hydraulisch erforderlichen Mindestgef¨ alles von Bedeutung. Bei Medienrohren mit Freispiegelgerinne sollte nach dem Abschluss des Vortriebes an jeder Stelle des Stollens ein Gef¨ alle von mindestens 1 % vorhanden sein. Da Steuerungsfehler nicht selten dazu f¨ uhren, dass bei Stollen mit einem planm¨aßig geringen Gef¨alle eine Gegensteigung im Gerinne entsteht, sollte, wenn immer dies m¨oglich ist, planerisch eine Gef¨ allereserve ber¨ ucksichtigt werden. Diese betr¨agt im Idealfall 1 %–2 %, d. h. das projektierte Mindestgef¨ alle sollte m¨ oglichst in der Gr¨oßenordnung von 2 % oder dar¨ uber liegen. Ein solches gr¨ oßeres Gef¨ alle bei Abwassergerinnen vermindert als Nebeneffekt die Tendenz zur Versandung und Verschlammung. Die Versandung stellt bei Abwasserd¨ ukern, die einen tats¨ achlichen Tiefpunkt aufweisen, teilweise ein besonderes Problem dar. Vortriebstechnisch sind L¨ angsneigungen von unter 1 % jedoch durchaus m¨oglich. Das Gef¨ alle sollte zum Pressschacht hin orientiert sein (vgl. 1.3.1). 1.1.4.4

Ber¨ ucksichtigung von Setzungen

Im Rahmen der Planung ist bei Rohrstollen mit Schwerkraftabfluss zu untersuchen, ob langfristig Setzungen zu erwarten sind, die zu einer Verminderung des ¨ Gef¨ alles f¨ uhren k¨ onnen. Die Ursachen f¨ ur langfristig gr¨oßere Anderungen der Trassenneigung k¨ onnen sein: – – – –

Bergsenkungsvorg¨ ange, Bildung oder Aktivierung von Auslaugungshohlr¨aumen, große Auff¨ ullungen, z. B. im Deponiebau, sehr stark uneinheitliche Bettungsverh¨ altnisse unter dem Rohrstollen.

Wie bereits erw¨ ahnt, besteht bei Schutzrohrstollen die M¨oglichkeit, die Halterungen und Konsolen f¨ ur die Medienrohre h¨ ohenverstellbar auszuf¨ uhren. Hierdurch k¨ onnen m¨ aßige Setzungsunterschiede ausgeglichen werden. Sind große Setzungen bzw. Setzungsunterschiede zu bef¨ urchten, so m¨ ussen im Regelfall vorab baugrundverbessernde Maßnahmen ergriffen werden. 1.1.4.5

Rohrdurchmesser

Der Anteil der Baukosten f¨ ur einen gr¨ oßeren Rohrdurchmesser ist im Sammlerbau vergleichsweise nicht sehr bedeutsam. Im Sammlerbau bietet ein gr¨oßerer Rohrdurchmesser als er nach der hydraulischen Berechnung erforderlich w¨are mehrere Vorteile. Einerseits entsteht ein gr¨ oßeres Speicher- und Pufferverm¨ogen der betreffenden Haltung, und andererseits besteht die M¨oglichkeit eines sp¨ateren Inliner-Einbaus ohne Einbuße an F¨ orderkapazit¨at im Vergleich zur urspr¨ unglichen hydraulischen Berechnung. Bei Schutzrohrstollen mit innen liegenden Medienrohrstr¨angen f¨ uhrt die Wahl eines gr¨ oßeren Schutzrohrdurchmessers bei unver¨andertem Medienrohrdurchmesser zu einem erh¨ ohten Verf¨ ullgutverbrauch, wenn der Ringraum verschlossen werden soll und ist damit ggf. unwirtschaftlich.

16

1.1.4.6

1 Grundlagen der Rohrvortriebstechnik

Vortriebstoleranzen

Abweichungen von der idealen Vortriebstrasse sind verfahrensbedingt nicht ganz vermeidbar. Die Umsetzung von Forderungen nach hohen Lagegenauigkeiten ist mit erh¨ ohtem vermessungstechnischen Aufwand, erheblichen Kosten und mit einer Verlangsamung des Vortriebes verbunden. Deshalb sollte der Bauherr genau pr¨ ufen, welche Maßtoleranzen f¨ ur die spezielle Nutzung des Rohrstollens einger¨aumt werden k¨ onnen, um Einschr¨ ankungen im weiteren Ausbau und im Gebrauch des Rohrstollens zu vermeiden. Um bei durchstr¨ omten Rohrstollen ein Mindestgef¨alle zu gew¨ahrleisten, k¨onnen in vertikaler Richtung meist nur geringere Lageabweichungen zugelassen werden als in horizontaler Richtung. Bez¨ uglich der Mittelpunktslage des Rohrquerschnittes ergibt sich daraus ein elliptisches Toleranzfeld. F¨ ur den Bereich der Abwasserkan¨ale empfiehlt das ATV-Arbeitsblatt A 125 [104] folgende maximalen Abweichungen in Regelf¨ allen:

Tabelle 1.4. Zul¨ assige Abweichungen von der Solltrasse im Fall von Abwasserleitungen und -kan¨ alen [104] Nennweite maximale Abweichung [mm] DN [mm] vertikal horizontal (600)800 ≤ DN ≤ 1000 ±25 ± 40 1000 < DN < 1400 ±30 ±100 DN ≥ 1400 ±50 ±200

Diese Lageabweichungen sind nur insoweit zul¨assig, wie – der Zweck des Rohrvortriebes bei Ausnutzung der Toleranzen nicht infrage zu stellen ist, – andere Bauwerke und Anlagen nicht beeintr¨achtigt werden. F¨ ur den Vortrieb von Ersatzleitungen ( Auswechslungen“) zwischen ” bestehenden Anschlusspunkten k¨ onnen oftmals nur geringere Lageabweichungen toleriert werden. Beispielsweise kann in diesen F¨allen so verfahren werden, dass die in Tabelle 1.4 in der zweiten und dritten Spalte aufgelisteten Abweichungen f¨ ur gr¨ oßere als die in der ersten Spalte tabellierten Nennweiten gelten. Die zul¨ assigen Lageabweichungen nach SIA 195 [91] sind gegen¨ uber den Vortriebstoleranzen des ATV-Arbeitsblattes A 125 etwas enger gehalten (siehe Abschnitt 1.1.3). Im Gegensatz zur SIA 195 wird in DIN 18319 [78] auf die Angabe nennweitenabh¨ angiger Vortriebstoleranzen verzichtet. Wenn den Rohrvortriebsarbeiten das ATV-Arbeitsblatt A 125 zugrunde gelegt wird, so bezieht sich die Einhaltung der Toleranzen auf jeden Bauzustand und auf den Endzustand. In diesem Zusammenhang ist insbesondere bei langen Vortriebsstrecken in Lockergestein zu bedenken, dass sich der Rohrstrang beim Vorpressen in unterschiedlichem Maße in das Gebirge einschleifen kann.

1.2 Regelwerke

17

Wenn zum Einziehen oder Einschieben von Medienrohren m¨oglichst geradlinige Rohrstr¨ ange verlangt werden, so wird h¨ aufig zus¨atzlich gefordert, dass sich nach Abschluss der Vortriebsarbeiten die Achsen aller Einzelrohre in einem gedachten zylindrischen Toleranzfeld mit vertraglich festgelegtem Durchmesser um den Peilstrahl durch den Gesamtrohrstrang befinden. Beispielsweise werden bei Schutzrohrstollen, DN 2000, h¨ aufig zylindrische Toleranzfelddurchmesser von 10 cm – 15 cm entlang der gesamten Vortriebsstrecke gefordert. 1.1.4.7

Rohrabmessungen

Die Rohrdurchmesser begehbarer Stahlbeton-Vortriebsrohre liegen u ¨blicherweise im Bereich DN 800 bis DN 4400. Die Rohrl¨ angen betragen meist zwischen 2 m und 5 m. Die Rohrl¨ ange bestimmt die Gr¨ oße des Startschachtes und die Anzahl der Rohrstoßfugen. Eine Rohrkette aus kurzen Rohren verh¨alt sich gelenkiger und ist damit auf Bogentrassen leichter steuerbar als eine solche aus langen Rohren. Lange Rohre verhalten sich beim Vorpressen dementsprechend lagestabiler. Vorzugsweise sind lange Rohre daher auf geradlinigen Vortriebstrassen einzusetzen. Der Mindesttrassenradius f¨ ur den Einsatz von Parallelspiegelrohren liegt in der Gr¨ oßenordnung von Rmin = 150 · DA. F¨ ur Vortriebstrassen mit geringeren Radien sind Schr¨ agspiegelrohre den Parallelspiegelrohren meist vorzuziehen.

1.2

Regelwerke

Seit der Einf¨ uhrung von DIN 18319 Rohrvortriebsarbeiten [78] im Dezember 1992 existiert f¨ ur den unterirdischen Einbau von vorgefertigten Rohren beliebigen Profils durch Pressen, Rammen oder Ziehen in Deutschland ein eigenst¨andiges DINRegelwerk. Bis zu diesem Zeitpunkt wurde als Grundlage f¨ ur Rohrvortriebsarbeiten h¨ aufig DIN 18300 [74] und das Arbeitsblatt ATV A 125 Rohrvortrieb (seit 1975) [104] verwendet.1 Boden und Fels wurden bei Rohrvortriebsarbeiten im Regelfall gem¨ aß der Boden- und Felsklassen von DIN 18300 klassifiziert. Als eigenst¨ andiges Normenwerk f¨ ur den Rohrvortrieb existierte lediglich f¨ ur Bereich der ehemaligen DDR der Fachbereichsstandard TGL 34759, Unterirdischer Rohrvortrieb, in den Teilen 1, 2, 4 und 5 [96, 97, 98, 99], die in den Jahren 1978 bis 1982 erschienen sind. DIN 18319 ist in der jeweils aktuellen Fassung (zz. Ausgabe 2000-12) Bestandteil der VOB (Verdingungsordnung f¨ ur Bauleistungen) [88], Teil C: Allgemeine Technische Vertragsbedingungen f¨ ur Bauleistungen (ATV). DIN 18319 umfasst auch das L¨ osen von Boden und Fels beim Vortrieb sowie das F¨ordern aus dem Rohr und aus dem unmittelbaren Arbeitsbereich. Als Planungsunterlage f¨ ur Rohrvortriebe im Bereich der Abwasserkan¨ ale und -leitungen steht das ATVArbeitsblatt A 125 zur Verf¨ ugung. Außerdem erschien im M¨arz 2000 DIN EN 12889 Grabenlose Verlegung und Pr¨ ufung von Abwasserleitungen und -kan¨alen [55]. Im deutschsprachigen Ausland sind vor allem die Schweizer Norm SIA 195 Rohrvortrieb [91] und die bis 12/1999 g¨ ultige Vorg¨angernorm SIA 195, 1

Als Nachfolgedokument ist DWA-A 125 (derzeit Entwurf 2007-02) vorgesehen.

18

1 Grundlagen der Rohrvortriebstechnik

Pressvortrieb [90] bemerkenswert, die inhaltlich zum Teil u ¨ ber DIN 18319 hinausgehen. Die Schweizer Norm SIA 195.001 (07/2000) Grabenlose Verlegung und Pr¨ ufung von Abwasserleitungen und -kan¨alen [92] entspricht der gleichnamigen DIN EN 12889.

1.2.1

Klassifikationssystem f¨ ur Locker- und Festgesteine

Die aktuell g¨ ultige Rohrvortriebsnorm DIN 18319 weist ein gesondertes Klassifikationssystem f¨ ur Lockergesteine (Kennbuchstabe L) und f¨ ur Festgesteine (Kennbuchstabe F) aus. Boden und Fels werden in insgesamt drei Hauptklassen unterschieden. Zwei der Hauptklassen beziehen sich auf Lockergesteine. Die dritte Hauptklasse erstreckt sich auf Festgesteine. F¨ ur den Fall, dass in Lockergesteinen Steine mit Korngr¨ oßen zwischen 63 mm und 600 mm Kantenl¨ange vorkommen, wird zus¨ atzlich zur Lockergesteinsklasse eine von vier Steinklassen (Kennbuchstabe S, Klassen S 1 bis S 4) angegeben, die sich aus der Steingr¨oße sowie aus dem Massenanteil der Steine in der Lockergesteinsmatrix ergibt. Bei Lockergesteinen in denen Steine mit Korngr¨ oßen von mehr als 600 mm Kantenl¨ange enthalten sind, sind die Steine nach Gr¨ oße und Anteil gesondert angegeben. 1.2.1.1

Lockergesteinsklassen

Bei den Lockergesteinen wird zun¨ achst zwischen den beiden Hauptklassen der nichtbindigen Lockergesteine (LN) und der bindigen Lockergesteine (LB) unterschieden. Die Einstufung eines Lockergesteins in eine der beiden Hauptklassen andert sich nicht, solange darin auch Einzelk¨orner von bis zu 63 mm Kantenl¨ange ¨ eingelagert sind. Bei den nichtbindigen Lockergesteinen (LN) wird unterschieden zwischen enger Kornabstufung (E) und weiter bzw. intermittierender Kornabstufung (W) im Sinne von DIN 18196 [72]. Die Lockergesteine beider Kornabstufungstypen werden nach der Lagerungsdichte in locker (1) mitteldicht (2) dicht (3) gelagerte B¨ oden unterteilt, so dass sich die 6 Klassen (LNE 1, LNE 2 LNE 3 und LNW 1, LNW 2 LNW 3) ergeben.

1.2 Regelwerke

19

Bei den bindigen Lockergesteinen (LB) wird zwischen mineralischen B¨oden (M) und organogenen (d. h. unter Mitwirkung von Organismen gebildeten) B¨oden (O) unterschieden. In beiden F¨ allen wird des Weiteren nach der Konsistenz differenziert: breiig bis weich (1) steif bis halbfest (2) fest (3) Es ergeben sich ebenfalls 6 Klassen (LBM 1, LBM 2 LBM 3 und LBO 1, LBO 2 LBO 3).

Tabelle 1.5. Klassen der Lockergesteine nach DIN 18319 [78] LN Lockergestein, nichtbindig Lagerungseng weit oder interdichte gestuft mittierend gestuft locker LNE 1 LNW 1 LNE 2 LNW 2 mitteldicht LNE 3 LNW 3 dicht Korngr¨ oßen jeweils ≤ 63 mm

LB Lockergestein, bindig Konsistenz mineralisch breiig – weich LBM 1 steif – halbfest LBM 2 fest LBM 3

organogen LBO 1 LBO 2 LBO 3

Organische B¨ oden (LO) werden nicht weiter unterteilt. Tabelle 1.6. Zusatzklassen f¨ ur steinhaltiges Lockergestein nach DIN 18319 Massenanteil Steingr¨ oße der Steine ≥ 63 mm bis 300 mm ≥ 300 mm bis 600 mm ≤ 30 M.-% S1 S3 > 30 M.-% S2 S4 In B¨ oden enthaltene Steine, die gr¨ oßere Einzelabmessungen aufweisen als 600 mm, sind gesondert anzugeben.

Klassifizierungsbeispiel (Lockergestein): Die Angabe LNW 2, S 1 besagt, dass ein weit oder intermittierend gestuftes Lockergestein in mitteldichter Lagerung vorliegt, in dem bis zu 30 M.-% Steine im Korngr¨ oßenbereich zwischen 63 mm und 300 mm vorkommen. 1.2.1.2

Festgesteinsklassen

Bei den Festgesteinen wird eine Einteilung nach dem Trennfl¨achenabstand im Zentimeter- bzw. im Dezimeterbereich, d. h. in zwei Hauptklassen, vorgenommen. Die Wahl des Trennfl¨ achenabstandes als klassifizierungsrelevanten Parameter bringt den Einfluss des Trennfl¨ achengef¨ uges auf den L¨osevorgang zum Ausdruck. Innerhalb dieser Hauptklassen erfolgt eine Untergliederung in vier Unterklassen nach der einaxialen Druckfestigkeit (siehe Tabelle 1.7). Die einaxiale Druckfestigkeit stellt ein Merkmal dar, das ausschließlich die Festigkeit der von Trennfl¨ achen begrenzten Kluftk¨orper charakterisiert.

20

1 Grundlagen der Rohrvortriebstechnik

Tabelle 1.7. Klassen der Festgesteine nach DIN 18319 [78] Einaxiale Zylinderdruckfestigkeit Festgestein mit Trennfl¨ achenabstand im σu [MPa ≡ MN/m2 ≡ N/mm2 ] Zentimeterbereich Dezimeterbereich σu ≤ 5 FZ 1 FD 1 5 < σu ≤ 50 FZ 2 FD 2 50 < σu ≤ 100 FZ 3 FD 3 σu > 100 FZ 4 FD 4

Klassifizierungsbeispiel (Festgestein): Sandstein mit einer einaxialen Druckfestigkeit von σu = 25 MN/m2 und einem Trennfl¨ achenabstand im Dezimeterbereich ist der Klasse FD 2 zuzuordnen. Das Klassifikationssystem nach DIN 18319 umfasst somit insgesamt 20 Einzelklassen und vier Zusatzklassen. Zw¨olf Einzelklassen beziehen sich auf Lockergestein, acht Einzelklassen auf Festgestein. Die vier Zusatzklassen beziehen sich ausschließlich auf Lockergestein. Werden die vier Zusatzklassen mit allen m¨ oglichen Lockergesteinsklassen kombiniert, so ergeben sich einschließlich der Festgesteinsklassen nach DIN 18319 insgesamt 68 Klassen.

1.2.2

Herstellverfahren und Regelwerke f¨ ur Stahlbetonrohre

Die Anforderungen an die Stahlbeton-Vortriebsrohre und die Rohrverbindungen sind vom Bauherrn bzw. dessen Beauftragten auf Grund der geplanten Nutzung und der u ¨ brigen Randbedingungen festzulegen. Die Anforderungen an StahlbetonVerbundrohre werden nachfolgend nicht behandelt. 1.2.2.1

Herstellverfahren

F¨ ur Stahlbeton-Vortriebsrohre werden heute im Wesentlichen zwei Herstellverfahren [116] angewandt: – das R¨ uttel-Press-Verfahren“ im Nennweitenbereich DN 250 bis DN 3000 und ” – das R¨ uttelverfahren“ im Nennweitenbereich > DN 3000 bzw. bei Rohrl¨angen ” l > 3,0 m. Beim R¨ uttel-Press-Verfahren“ wird Frischbeton von erdfeuchter Konsistenz ” (KS) zwischen vertikal stehender innerer und ¨außerer Stahlschalung eingebaut. Die Verdichtung des Betons erfolgt mittels R¨ utteltisch oder Schalungsr¨ uttler. Das in der Schalung oben liegende Rohrende (z. B. Rohrspitzende mit Schr¨agspiegel) wird durch Presswerkzeuge geformt. Die Ausschalung des Rohres kann unmittelbar nach dem Betonieren erfolgen, so dass die Stahlschalung ohne eine Abbindezeit abwarten zu m¨ ussen f¨ ur die Herstellung des n¨achsten Rohres zur Verf¨ ugung steht. Hieraus resultieren hohe Fertigungsgeschwindigkeiten. Es k¨onnen raue und porige Betonoberfl¨ achen auftreten.

1.2 Regelwerke

21

Beim R¨ uttelverfahren“ werden ebenfalls stehende Stahlschalungen ” verwendet, wobei Frischbeton von plastischer Konsistenz (KP) eingebaut wird. Die Verdichtung des Betons erfolgt mittels Schalungsr¨ uttler bzw. Tauchr¨ uttler. Die Ausschalung erfolgt nach dem Abbinden des Betons. Die Fertigungsgeschwindigkeit ist beim R¨ uttelverfahren damit vergleichsweise gering; die erzielbare Maßgenauigkeit und die Oberfl¨acheng¨ ute sind dagegen groß. Das Einbringen des in Zwangsmischanlagen im Rohrwerk gemischten Betons in die Stahlschalungen erfolgt von unten nach oben oftmals u ¨ber ein um eine vertikale Achse rotierendes kurzes F¨ orderband. Diese Technik erm¨oglicht es unter anderem im Bedarfsfall bestimmte Betonzus¨ atze (z. B. Polyesterfaserzus¨atze) auf den spiegelnahen Beton zu begrenzen. Das Schleuderverfahren“ (bis DN 3500) wird nur noch in Ausnahmef¨allen ” eingesetzt. Das Packerhead-Verfahren“ wird vorwiegend f¨ ur Rohre im kleinen ” Nennweitenbereich (DN 250 bis DN 1200) angewandt. 1.2.2.2

Rohre f¨ ur Anwendungen außerhalb des Druckrohrbereichs

Die Herstellung von Stahlbetonrohren ist in Deutschland seit 1939 durch DINNormen geregelt. Hauptnorm f¨ ur Stahlbetonrohre war seit mehr als 60 Jahren DIN 4035 Stahlbetonrohre, Stahlbetondruckrohre und zugeh¨orige Formst¨ ucke“ [29], ” die in den Fassungen von 1939, 1968, 1976, 1990 und zuletzt 1995 erschienen ist. DIN 4035 war auch f¨ ur den Teilbereich der Stahlbeton-Vortriebsrohre anzuwenden, wobei sich die in DIN 4035 geforderten konstruktiven Mindeststandards f¨ ur Vortriebsrohre oftmals als zu schwach erwiesen. Im April 2003 wurde DIN 4035, Ausgabe 1995, durch DIN EN 1916 Rohre und Formst¨ ucke aus Beton, Stahlfaserbeton und Stahlbeton [25] in Verbindung mit DIN V 1201 (zz. noch Vornorm) [20] ersetzt. DIN EN 1916 legt Anforderungen und Pr¨ ufverfahren fest, die grundlegende Anforderungen der EGBauproduktenrichtlinie (89/106/EWG) [1] unterst¨ utzen. Der Anwendungsbereich von DIN EN 1916 ist jedoch beschr¨ ankt auf Rohre mit Nennweiten bis DN 1750 (bei kreisrundem inneren Querschnitt) und auf Nennweiten bis WN/HN 1200/1800 (bei eif¨ ormigem inneren Querschnitt). Gr¨ oßere Vortriebsrohre und Vortriebsrohre mit nicht kreisf¨ ormigem bzw. eif¨ ormigem Querschnitt sind in DIN EN 1916 nicht genormt. Um die in Deutschland bisher normativ geregelten Qualit¨atsstandards aufrecht erhalten zu k¨ onnen, legt DIN V 1201 erg¨ anzende Anforderungen fest. Beispielsweise werden in DIN V 1201 Rohre des Typs 1 und solche des Typs 2 definiert. Rohre des Typs 1 sind widerstandsf¨ ahig gegen chemisch schwach angreifende Umgebung (Expositionsklasse XA1 nach DIN EN 206-1 [3]). Rohre des Typs 2 eignen sich f¨ ur erh¨ ohte Anforderungen. Sie sind widerstandsf¨ahig gegen chemisch m¨aßig angreifende Umgebung (Expositionsklasse XA2 nach DIN EN 206-1 ) und starke Verschleißbeanspruchung (Expositionsklasse XM2 nach DIN EN 206-1). Rohre des Typs 2 entsprechen der bisher in Deutschland verwendeten Standardqualit¨at. DIN V 1201 ist auch f¨ ur Rohrnennweiten und Querschnittsprofile g¨ ultig, die DIN EN 1916 ausdr¨ ucklich ausklammert.

22

1.2.2.3

1 Grundlagen der Rohrvortriebstechnik

Druckrohre

Die fachliche Ausgliederung des Themenbereichs Stahlbetondruckrohre aus der seitherigen Norm f¨ ur Stahlbetonrohre (DIN 4035) wurde bereits 1995 vollzogen. Gegen¨ uber DIN 4035, Ausgabe 1990, wurde in DIN 4035, Ausgabe 1995, im Wesentlichen der Teilbereich der Druckrohre ausgeklammert. Druckrohre aus Stahlbeton sind seither genormt in: DIN EN 639: Allgemeine Anforderungen f¨ ur Druckrohre aus Beton, einschließlich Rohrverbindungen und Formst¨ ucke [9] und DIN EN 640: Stahlbetondruckrohre und Betondruckrohre mit verteilter Bewehrung (ohne Blechmantel), einschließlich Rohrverbindungen und Formst¨ ucke [10]. Der Gedanke Stahlbeton-Druckrohre in eigenst¨andigen Regelwerken zu standardisieren ist nicht neu. Im Zeitraum von Mai 1939 bis September 1976 existierten f¨ ur Stahlbeton-Druckrohre die Normen DIN 4036 [30] und DIN 4037 [31]. 1.2.2.4

Regelwerke von ATV, DVGW und FBS

F¨ ur Stahlbeton-Vortriebsrohre existieren unterhalb der Normen-Ebene mehrere bedeutsame Regelwerke von ATV: Die Abwassertechnische Vereinigung e.V. (ATV) ist ein wichtiger regelsetzender Verband im Bereich der Wasserwirtschaft und des Abwassers. Durch Fusion mit dem DVWK (Deutscher Verein f¨ ur Wasser- und Kulturbau e.V.) im Jahre 2000 entstand die ATV-DVWK (Deutsche Vereinigung f¨ ur Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall). Die bis 2000 erschienenen Regelwerke werden als ATV-Merkbl¨ atter, ATV-Arbeitsbl¨atter etc. bezeichnet, danach lautet die Bezeichnung ATV-DVWK-Regelwerk. DVGW: Die Deutsche Vereinigung des Gas- und Wasserfaches (DVGW) e.V. ist vor allem im Bereich Ger¨ ate- und Maschinentechnik in der Wasserver- und -entsorgung aktiv. FBS: Die im Zusammenschluss von Betonrohr- und Stahlbetonrohrherstellern 1987 gegr¨ undete Fachvereinigung Betonrohre und Stahlbetonrohre e.V. (FBS), Bonn, hat eine mehrteilige Qualit¨atsrichtlinie (FBS-Qualit¨atsrichtlinie) erlassen, zu deren Einhaltung sich die Mitgliedsfirmen verpflichtet haben. Die Anwendung der Regelwerke von ATV-DVWK, DVGW und FBS muss im Einzelfall vereinbart werden, da sie nicht zwangsl¨aufig als Stand der Technik anzusehen sind. Die statische Berechnung von Stahlbetonvortriebsrohren wird im Regelfall auf der Grundlage des ATV-Arbeitsblattes A 161 [110] durchgef¨ uhrt. Das Rechenverfahren ist einfach und prinzipiell f¨ ur eine Berechnung von Hand“ ” geeignet. Man wird jedoch meist ein bew¨ahrtes Rechenprogramm, wie sie von Software-H¨ ausern angeboten werden, verwenden (siehe auch Kapitel 4). Ein Teil der statischen Nachweise (z. B. Nachweis f¨ ur die Vortriebskraft) wird in DIN EN 1916 geregelt.

1.2 Regelwerke

1.2.3

23

Anforderungen und Toleranzen f¨ ur Stahlbetonrohre

Grenzabmaße f¨ ur Stahlbeton-Vortriebsrohre finden sich im ATV-Arbeitsblatt A 125 Rohrvortrieb [104]. Allgemeine Grunds¨atze f¨ ur Rohrverbindungen von Entw¨ asserungskan¨ alen und -leitungen bei Rohrvortrieben waren urspr¨ unglich im ATV-Merkblatt M 151 [109] festgeschrieben. Dieses ist zwischenzeitlich inhaltlich im ATV-Arbeitsblatt A 125 Rohrvortrieb integriert. Die in den FBS-Qualit¨ atsrichtlinien [127] festgelegten Pr¨ ufkriterien und Herstellungsstandards gehen in den meisten F¨allen u ¨ ber die Mindestforderungen der Stahlbetonrohr-Normen hinaus. Besonders strenge Regelungen stellt die FBS-Qualit¨ atsrichtlinie an Stahlbeton-Vortriebsrohre im Durchmesserbereich ≤ DN 1000. Dies sind Rohre, die oftmals mittels ferngesteuerter Vortriebsverfahren zum Einbau gelangen und teilweise den nichtbegehbaren Durchmesserbereich betreffen. Beispielsweise ist die Vermessung der Spitzendmaße an jedem gefertigten Stahlbeton-Vortriebsrohr ≤ DN 1000 zwingend vorgeschrieben. Nach einer von der FBS ver¨ offentlichten Statistik (Stand: 2002) ergibt sich folgende zahlenm¨ aßige Zuordnung der Mitgliedsfirmen:

Tabelle 1.8. Anzahl der Hersteller von Vortriebsrohren in FBS-Qualit¨ at in Abh¨ angigkeit von der Nennweite Nennweitengruppen bei Anzahl der FBSStahlbeton-Vortriebsrohren Rohrhersteller NW 1 DN ≤ 600 12 NW 2 700 ≤ DN ≤ 1000 16 NW 3 1100 ≤ DN ≤ 1500 15 NW 4 DN ≥ 1600 18

Parallel zu den einschl¨ agigen Regelungen der Deutschen Vereinigung f¨ ur Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall (ATV-DVWK) existieren teilweise gleichlautende Regelungen f¨ ur Stahlbeton-Vortriebsrohre des Deutschen Vereins des Gas- und Wasserfachs e.V. (DVGW). 1.2.3.1

Anforderungen und Toleranzen

Stahlbeton-Vortriebsrohre sind Fertigteile mit besonderen Anforderungen an die Betonqualit¨ at und die Maßhaltigkeit, die u ¨ ber das hinausgeht, was bei offen zu verlegenden Standardbetonrohren an Toleranzen einger¨aumt werden kann. Begrenzte Fertigungstoleranzen ergeben sich aus der f¨ ur das Rohrvortriebsverfahren charakteristischen Einheit von Rohr, Dichtung und Rohrverbindung. Die oft u ¨ ber mehrere hundert Meter im Erdreich bewegte Rohrkette ist Teil des Bauverfahrens. Konstruktionsmaße sind daher oftmals individuell nach projektspezifischen Kriterien festgelegt, die erheblich von den Kriterien bei der offenen Verlegung von Rohren im Graben abweichen k¨ onnen. DIN V 1201, Abschnitt 5.3, enth¨alt daher die speziellen Anforderungen f¨ ur Stahlbeton-Vortriebsrohre.

24

1.2.3.2

1 Grundlagen der Rohrvortriebstechnik

Betong¨ ute und Bewehrung

Die Druckfestigkeit von Beton f¨ ur Stahlbeton-Vortriebsrohre musste nach DIN 4035 mindestens der Festigkeitsklasse C 35/45 nach DIN 1045-1 [16] (alte Bezeichnung: B 45) entsprechen. DIN V 1201, Abschnitt 5.3.2, fordert f¨ ur Stahlbeton-Vortriebsrohre des Typs 1 und des Typs 2 eine Betonfestigkeit, die mindestens der Festigkeitsklasse C 40/50 entspricht. Bei Stahlbeton-Vortriebsrohren wird f¨ ur die Bewehrung Betonstahl nach DIN 488 [7] verwendet. Dieser wird in Form von geschweißten Bewehrungsk¨orben, die aus L¨ angsst¨aben und einer umschließenden Ringbewehrung bestehen, eingebaut. Der erforderliche Bewehrungsgrad ergibt sich als Teilergebnis aus der statischen Vortriebsrohrberechnung nach dem ATV-Arbeitsblatt A 161 [110] bzw. DIN EN 1916 [25], wobei der Mindestbewehrungsanteil nach DIN EN 1916, Abschnitt 5.2.1, nicht unterschritten werden darf. Die Bewehrungsk¨ orbe von Stahlbetonrohren werden im Regelfall mit Widerstandspunktschweißautomaten hergestellt. F¨ ur die Bewehrung von Vortriebsrohren gelten die Regelungen von DIN EN 1916, Abschnitt 5.2.1 und erg¨ anzend dazu DIN V 1201, Abschnitt 5.3.7. Danach gilt beispielsweise: – Der maximale Abstand benachbarter L¨angsst¨abe soll 250 mm nicht u ¨berschreiten. Anmerkung: DIN 4035, Abschnitt 7.4(4) forderte einen Abstand von h¨ochstens 450 mm (siehe auch DIN V 1201, Abschnitt 5.2.1) und ATV A 161, Abschnitt 7.3 einen solchen von 333 mm). DIN V 1201 geht damit u ¨ber die Forderungen von ATV A 161 hinaus, bleibt aber gemessen an dem was bei Stahlbeton im Hochbau u ¨ blich ist, bei relativ großen Abst¨anden. – Vortriebsrohre mit Wandst¨ arken > 12 cm sind zweilagig zu bewehren (DIN V 1201, Abschnitt 5.3), wenn zwischen den Ringbewehrungen beider Bewehrungsk¨ orbe ein nominaler Abstand von 40 mm vorhanden ist. Anmerkung: In ATV A 161, Abschnitt 7.3, wird die zweilagige Bewehrung auch bei einer Wandst¨ arke von 12 cm gefordert. Außerdem ist nach ATV A 161 bei Vortriebsrohren mit Wandst¨ arken < 12 cm ist zweilagige Bewehrung anzustreben. – Zur Abdeckung von Randspannungen und Spannungsspitzen sind die innere und die ¨ außere Ringbewehrung an beiden Rohrenden auf 400 mm L¨ange auf einen Abstand e = 50 mm verdichtet. Anmerkung: Nach ATV A 161, Abschnitt 7.3, lautet die Forderung e ≤ 50 mm. Erg¨ anzend findet sich in ATV A 161, Abschnitt 7.3, der Hinweis, dass im Falle der vorbeschriebenen, verdichteten Ringbewehrung keine Verb¨ ugelung der Rohrenden erforderlich sei. Diese Regelung wurde in DIN V 1201, Abschnitt 5.3.7, u ¨ bernommen. Die inzwischen außer Kraft gesetzte DIN 4035, Abschnitt 7.4(5), besagte sogar generell: Eine Verb¨ ugelung des inneren Bewehrungskorbes ist nicht ” erforderlich“. Diese Aussage galt zweifellos f¨ ur offen verlegte Rohre, die keiner Vorpressbeanspruchung unterworfen werden (siehe auch DIN V 1201, Abschnitt 5.2.1 ). F¨ ur Stahlbeton-Vortriebsrohre war die Aussage jedoch nur unter Vorbehalt

1.2 Regelwerke

25

darstellbar; z.B. dann, wenn zus¨ atzlich die Regelungen von ATV A 161, Abschnitt 7.3, bindend eingehalten wurden. Zahlreiche beobachtete Rissesch¨ aden im Bereich von Rohrenden sind ein Indiz daf¨ ur, dass selbst bei einer ATV A 161-konformen Ringbewehrung in ¨ ung¨ unstigen F¨ allen Zugspannungen (ggf. Uberlagerung von Spaltzugspannungen, Randzugspannungen und Schwindspannungen) in rohrsch¨adigender Gr¨oße auftreten k¨ onnen. Vorpresskr¨ afte wirken im Regelfall als Teilfl¨achenbelastungen auf die Rohrspiegel ein. Dadurch werden Spaltzugspannungen sowohl bei mittig als auch bei ausmittig angreifenden Vorpresskr¨aften geweckt. Bei ausmittig angreifenden Vorpresskr¨ aften treten zus¨ atzlich Randzugspannungen auf. Auf Grund der Eigenart von Rohrvortrieben (bewegte Gliederkette, die durch Steuerkorrekturen m¨ oglichst genau die Solltrasse ann¨ahern soll), treten auch auf planm¨ aßig geradlinigen Vortriebstrassen in unterschiedlichem Maße ausmittig angreifende Vorpresskr¨ afte auf, so dass stets auch mit Randzugspannungen zu rechnen ist. Insbesondere bei axial hochbeanspruchten Vortriebsrohren (z. B. erste eingebaute Vortriebsrohre mit planm¨ aßig sehr zahlreichen Druck-Schwellzyklen, Dehnerrohre, Dehnervorlaufrohre, Dehnernachlaufrohre), bei Rohren, die w¨ahrend des Vorpressens planm¨ aßig exzentrischen Druck in relevanter Gr¨oße erhalten sowie bei Rohren mit besonderen Anforderungen an die Rissefreiheit der Rohrspiegel (Druckrohre) wird empfohlen, Zusatzmaßnahmen zur Panzerung“ des ” Spiegelbereichs einzuplanen. In Abh¨ angigkeit von den Abmessungen der Rohre, den M¨oglichkeiten des Rohrherstellers und der Nutzung der Leitung k¨onnen u. a. folgende Maßnahmen in Frage kommen: – Eine erg¨ anzende Bewehrung zur Abdeckung der Spaltzug- und Randzugspannungen in Form einer Verb¨ ugelung (Bemessung ggf. nach DAfStb-Heft 240, Abschnitt 5 [147]), – Verwendung von Faserbeton im Spiegelbereich, – Anwendung betontechnologischer Maßnahmen (Nachbehandlung des Betons, Auswahl des Zuschlags und des Zements, Betonzusatzmittel). 1.2.3.3

Betondeckung

Die Betondeckung bei Stahlbeton-Vortriebsrohren ist bedeutsam f¨ ur den Korrosionsschutz der Rohrbewehrung sowie f¨ ur die Spaltzugrissgefahr. In DIN V 1201, Abschnitt 5.2.2, werden die Maße f¨ ur die Betondeckung in Abh¨angigkeit von den Umweltbedingungen festgelegt. F¨ ur die Betondeckung von Stahlbeton-Vortriebsrohren gelten die Regelungen von DIN V 1201, Abschnitt 5.2.2 (siehe Tabelle 1.9). Anmerkung: F¨ ur Rohre, die st¨ andig starkem“ chemischen Angriff im Sinne ” von DIN 4030 ausgesetzt sind, wurden in DIN 4035 (1990-07), Tabelle 1, als Betondeckungen festgelegt: Mindestmaß cmin = 25 mm und Nennmaß cnom = 35 mm. Rohre f¨ ur den Einbau in chemisch stark angreifender Umgebung sind nicht im Anwendungsbereich von DIN V 1201 enthalten.

26

1 Grundlagen der Rohrvortriebstechnik

Tabelle 1.9. Mindestbetondeckungen nach DIN V 1201, Abschnitt 5.2.2, Tabelle 11 Expositionsklassen nach DIN EN 206-1 XC2

Umweltbedingung, Betondeckung bzw. Angriffsgrad Mindestmaß Nennmaß nach DIN 4030 cmin [mm] cnom [mm] Rohre, die st¨ andig unter Wasser 15 25 oder im Boden verbleiben, soweit nicht Zeile 2 oder 3 maßgebend ist XC4 oder XA1 Rohre, die wechselnder Durchfeuch20∗) 30∗) tung ausgesetzt sind und Rohre, die chemisch schwach angreifender Umgebung ausgesetzt sind XA2 Rohre, die chemisch m¨ aßig angrei25∗) 35∗) fender Umgebung ausgesetzt sind ∗) F¨ ur einlagig bewehrte Rohre mit Wanddicken t ≤ 80 mm d¨ urfen die Tabellenwerte um 5 mm verringert werden. Bei besonderen Maßnahmen zur Sicherung der Betondeckung d¨ urfen die Nennmaße um 5 mm verringert werden.

1.2.3.4

Rohrnennweite

DIN V 1201, Tabelle 4, weist im begehbaren Durchmesserbereich DN 800 bis DN 1600 eine Nennweitenstaffelung in 100 mm-Stufen aus. Oberhalb DN 1600 sind folgende Kreisquerschnitte genormt: DN 1800, DN 2000, DN 2200, DN 2500, DN 2800, DN 3000, DN 3200, DN 3500 und DN 4000. Im begehbaren Durchmesserbereich wird im ATV-Arbeitsblatt A 125 f¨ ur Abwasserrohre und f¨ ur Trinkwasserrohre mit Kreisquerschnitt eine Durchmesserstaffelung in 200 mmStufen empfohlen. Die Regelkreisquerschnitte reichen dabei im Abwasserbereich von DN 800 bis DN 4000 und im Trinkwasserbereich von DN 800 bis DN 2000. Genormte Eiquerschnitte finden sich in DIN V 1201, Tabelle 5. 1.2.3.5

Rohrl¨ ange

Nach DIN V 1201, Abschnitt 5.3.5.2, wurde erstmals festgelegt, dass die Baul¨ange von Vortriebsrohren in Millimeter ein durch 100 ganzzahlig teilbares Maß sein muss. Sonderl¨ angen sind jedoch nach Vereinbarung zul¨assig. Nach dem ATV-Arbeitsblatt A 125 waren f¨ ur Stahlbeton-Vortriebsrohre bislang die nachfolgend tabellierten Baul¨ angentoleranzen zul¨assig. Diese Toleranzen wurden in DIN V 1201, Tabelle 13, u ur den begehbaren ¨ bernommen. F¨ Durchmesserbereich gelten: Tabelle 1.10. Toleranz f¨ ur die Baul¨ ange nach ATV A 125/DIN V 1201 Nennweite DN [mm] Toleranz der Baul¨ ange [mm] 800 < DN ≤ 1200 ±8 DN > 1200 +25/ − 10

1.2 Regelwerke

27

Anmerkung: Nach DIN 4035, Abschnitt 8.3.2(3) war f¨ ur die Baul¨ange l von Stahlbeton-Vortriebsrohren lediglich eine Grenzabweichung von 0, 01 · l als zul¨ assiges Maß festgeschrieben, wobei die Baul¨ange l an der Rohrinnenseite gemessen wurde. 1.2.3.6

Rohrwandst¨ arke

Die kleinste zul¨assige Rohrwandst¨ arke (unteres Grenzabmaß) darf nach DIN V 1201, Abschnitt 4.3.3.6, um h¨ ochstens 6 % unter dem Sollwert der Rohrwandst¨arke t liegen. Diese Festlegung entspricht der bisherigen von DIN 4035, Abschnitt 8.3.2(4). 1.2.3.7

Grenzabmaße f¨ ur Innen- und Außendurchmesser sowie Stirnfl¨ achen (Rechtwinkligkeit und Parallelit¨ at)

DIN V 1201, Tabelle 12, gibt – im Gegensatz zur Vorg¨angernorm DIN 4035 – f¨ ur den Rohraußendurchmesser und die Rechtwinkligkeit der Stirnfl¨achen Grenzabmaße vor. F¨ ur den Rohraußendurchmesser handelt es sich dabei ausschließlich um Minustoleranzen. DIN V 1201 schließt sich damit den bestehenden Regelungen der FBS und der ATV an. Durch die ausschließlichen Minustoleranzen f¨ ur den Rohraußendurchmesser nach der FBS-Qualit¨atsrichtlinie und nach dem ATV-Arbeitsblatt A 125 wird sichergestellt, dass der f¨ ur das Vortriebsverfahren erforderliche Schmierringspalt entlang der gesamten Rohrkette durchg¨ angig vorhanden ist. In ¨ alteren Fassungen des ATV-Arbeitsblattes A 125 wurden f¨ ur den Rohraußendurchmesser noch ± Toleranzen zugelassen, die aber betragsm¨ aßig eng begrenzt waren. Hierbei wurde vorausgesetzt, dass selbst ¨ bei gr¨ oßtzul¨ assigem Rohraußendurchmesser infolge des Uberschnitts noch ein durchg¨ angig ausreichender Schmierringspalt gegeben ist. Bei Parallelspiegelrohren ist die Rechtwinkligkeit von Rohrmantel und Stirnfl¨ achen in Verbindung mit der Parallelit¨at der Stirnfl¨achen wichtig f¨ ur die ¨ Richtungstreue beim Vortrieb, f¨ ur die gleichm¨aßige Ubertragung der Druckkr¨afte und f¨ ur die Auslegung des Druck¨ ubertragungsringes. Abweichungen innerhalb der Schranken der Fertigungstoleranzen von Rechtwinkligkeit und Parallelit¨at der Rohrspiegel m¨ ussen vom Druck¨ ubertragungsring kompensiert werden k¨onnen. Nach DIN V 1201, Abschnitt 5.3.5.4, ist die Abweichung von der Rechtwinkligkeit der Stirnfl¨ achen definiert als Summe der Abweichung des gesamten Spitzendspiegels von der Rechtwinkligkeit (gemessen an gegen¨ uberliegenden Mantellinien) einschließlich der Abweichung von der Rechtwinkligkeit innerhalb der Rohrwanddicke. Nach DIN V 1201, Abschnitt 6.10, wird die Abweichung der Parallelit¨ at der Stirnfl¨ achen als L¨ angendifferenz zweier gegen¨ uberliegender Mantellinien ermittelt.

28

1 Grundlagen der Rohrvortriebstechnik

Tabelle 1.11. Toleranzen f¨ ur Rohre im begehbaren Durchmesserbereich

DIN V 1201 Nennweite DN [mm] 700 800 900 1 000 1 100 ≤ DN ≤ 1 300 1 400 ≤ DN ≤ 1 600 1 800 2 000 2 200 2 500 2 800 3 000 und 3 200 3 500 und 4 000

Grenzabmaß f¨ ur den Innendurchmesser d1 [mm]1) ±6 ±6 ±7 ±7 ±8 ±10 ±12 ±12 ±14 ±14 ±15 ±15 ±15

Grenzabmaß f¨ ur die Parallelit¨ at der Stirnfl¨ achen [mm] 8 9 9 10 10 12 12 14 14 16 16 18 20

ATV-Arbeitsblatt A 125 Nennweite DN [mm] 3002) ≤ DN ≤ 1 000 1 000 < DN ≤ 2 800 DN > 2 800

Grenzabmaß f¨ ur den Außendurchmesser [mm] +0/ − 8 +0/ − 14 +0/ − 20

Abweichungen von der Rechtwinkligkeit Stirnfl¨ ache/Mantelfl. [mm] 6 8 10

FBS-Qualit¨ atsrichtlinie Nennweite DN

Grenzabmaß Grenzabmaß f¨ ur die Abweichungen von f¨ ur den AußenParallelit¨ at der der Rechtwinkligkeit durchmesser Stirnfl¨ achen Stirnfl¨ ache/Mantelfl. [mm] DA [mm] [mm] [mm] 4002) ≤ DN ≤ 1 000 6 −8 3 1 100 ≤ DN ≤ 2 800 8 −14 4 DN ≥ 3 000 10 −20 6 1) 2) Innendurchmesser d1 ≡ DN begehbar ≥ DN 800 Die hier angegebenen Grenzabmaße sind entweder gleich groß oder enger gefasst als die entsprechenden Grenzabmaße von DIN 4035, Tabelle 2.

1.2.3.8

Abweichung der Mantellinien an der Rohrinnen߬ ache von der Geraden

Die Geradheit des Rohrinnenmantels ist aus abflusshydraulischen Gr¨ unden sowie im Zusammenhang mit dem nachtr¨ aglichen Einbau von Inlinern etc. von Interesse. Nach DIN V 1201, Abschnitt 4.3.3.8, darf die innere Rohrwandung nicht mehr als 0,5 % der Baul¨ ange von der Geraden abweichen. Die Abweichung wird

1.2 Regelwerke

29

als Stichmaß von einem gleichlaufend zur Mantellinie angelegten Lineal (z. B. Richtscheit) zur Rohrinnenfl¨ ache bestimmt. Diese Regelung stimmt mit der bisher in DIN 4035, Abschnitt 8.3.2(7), getroffenen Regelung u ¨ berein. 1.2.3.9

Abweichung der Mantellinien an der Rohraußenfl¨ ache von der Geraden

Die Geradheit des Rohraußenmantels ist f¨ ur die Auflagerungsbedingungen, die Ringspaltausbildung und die Richtungstreue eines Rohrvortriebes bedeutsam. DIN 4035 benannte hierzu keine Kriterien. Nach dem ATV-Arbeitsblatt A 125 gelten f¨ ur die Abweichung einer Mantellinie von der Geraden, gemessen u ¨ber die gesamte Rohrl¨ ange, unabh¨ angig von der Baul¨ ange des Stahlbeton-Vortriebsrohres folgende Grenzwerte: DN [mm] zul. max. Abweichung [mm] ≤ DN 1 000 5 1 000 < DN ≤ 2 000 10 > DN 2000 15

Diese Grenzwerte wurden im Wesentlichen in DIN V 1201, Tabelle 14, u ¨ bernommen, wobei Vortriebsrohren der Nennweite DN 2000 die Toleranz 15 mm zugestanden wird, die nach ATV A 125, Tabelle 6, erst bei Nennweiten u ¨ ber DN 2000 zutraf. 1.2.3.10 Rohrverbindung – Muffentiefe – Muffenspaltweite – Abwinklung Bei Vortriebsrohren sind Rohrbereiche, die mit Teilen des Nachbarrohres u ur die Abdichtung der Rohrstoßfuge ¨ berlappen, von besonderer Bedeutung: z. B. f¨ sowie f¨ ur die Querstabilit¨ at. Wichtig sind dabei die Parameter Muffentiefe und Muffenspaltweite. Bei den u ¨ blichen Vortriebsrohren mit einseitig befestigtem Stahlf¨ uhrungsring wird die Muffentiefe von der u ¨ber die Rohrstirnfl¨ache hinausragenden Breite des Stahlf¨ uhrungsrings bestimmt. Im Sinne von DIN V 1201, Bild 12, gelten solche Vortriebsrohre ebenso wie die teilweise im Steinzeugsektor gefertigten Vortriebsrohre f¨ ur die Verwendung von losen F¨ uhrungsringen als muffenlos. Stahlbeton-Vortriebsrohre mit einer Muffenausbildung in Stahlbeton haben sich in Deutschland nicht durchgesetzt. Muffentiefe: Die Muffentiefe ist so festzulegen, dass beim Vorpressen die Vorpresskr¨ afte stets und ausschließlich u ¨ ber die Rohrspiegel und den Druckausgleichsring u unde die ¨ bertragen werden. Bei zu geringer Muffentiefe best¨ Gefahr, dass der Stahlf¨ uhrungsring stirnfl¨ achig gegen die ¨außere Betonschulter des nachfolgenden Vortriebsrohres dr¨ uckt. Muffenspaltweite: Als Muffenspaltweite w ist der halbe Abstand zwischen dem mittleren Muffeninnendurchmesser dsp (i. d. R. mittlerer Innendurchmesser des Stahlf¨ uhrungsringes) und dem mittleren Außendurchmesser des Spitzendes im Auflagerbereich des Dichtungsprofils dso zu verstehen: w = 12 (dso − dsp ) (siehe hierzu DIN V 1201, Bild 11).

30

1 Grundlagen der Rohrvortriebstechnik

Die erforderliche Spaltweite ist abh¨ angig von der Dichtungsart und -gr¨oße sowie von der erforderlichen Abwinklung, z. B. beim Vortrieb auf Bogentrassen. Grenzabmaße der tats¨ achlichen mittleren Muffenspaltweiten w nach DIN V 1201, Tabelle 6: Spaltweite w [mm] 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 Grenzabmaß [mm] ±1, 3 ±1, 6 ±1, 9 ±2, 2 ±2, 5 ±2, 8 ±3, 1 ±3, 4 ±3, 7 ±4, 0

Wird ein Dichtungsprofil verwendet, das eine gr¨oßere als die tats¨achlich vorhandene Muffenspaltweite voraussetzt, so werden beim Zusammenschieben der Rohrverbindung infolge der u aßigen Kompression des Dichtungsprofils ¨ berm¨ außerplanm¨ aßig große Radialkr¨ afte geweckt. Diese k¨onnen beim Vortrieb einen Schadenseintritt an der Rohrverbindung beg¨ unstigen. Abwinklung: Die maximal zul¨ assige Abwinklung einer Rohrverbindung ergibt ¨ sich aus der Anderung der mittleren Fugenspaltweite um die halbe Dicke des Druck¨ ubertragungsringes. Sowohl die FBS-Qualit¨atsrichtlinie, als auch das ATVArbeitsblatt A 125 benennen Zahlenwerte f¨ ur die zul¨assige Abwinklung in Abh¨ angigkeit von der Rohrnennweite. In DIN V 1201 gibt es hierzu keine Angaben.

Tabelle 1.12. Maximale Abwinklung in Rohrst¨ oßen Nennweite max. Abwinklung max. Richtungs¨ anderung DN [mm] [mm/m Baul¨ ange (1000 · tan α)] α [o ] FBS-Qualit¨ atsrichtlinie 700 ≤ DN ≤ 1 000 22 1,26 1 100 ≤ DN ≤ 1 500 10 0,573 ≥ DN 1 600 nach Vereinbarung ATV A 125 500 < DN ≤ 1 000 10 0,573 > DN 1 000 5 0,286

Bei der maximalen Abwinklung muss die Dichtigkeit des Rohrstoßes gew¨ahrleistet sein. 1.2.3.11 Weitergehende Regelungen f¨ ur Maße und Abmaße F¨ ur spezielle Anwendungsgebiete der Stahlbeton-Vortriebsrohre k¨onnen weitergehende Regelungen f¨ ur Maße und Abmaße relevant sein. Ein Beispiel hierf¨ ur ist die Begrenzung des Sohlensprungs aufeinander folgender Rohre aus hydraulischen Gr¨ unden. Das ATV-Arbeitsblatt A 125 fordert generell eine Begrenzung der Sohlsprungh¨ ohe bei Stahlbeton-Vortriebsrohren auf 0,01·DN, wobei jedoch ein Wert von 30 mm nicht u ¨ berschritten werden darf. Die Einhaltung bzw. den Nachweis weiterer Merkmale k¨onnen vereinbart werden, z. B. das Einhalten bestimmter Grenzen der Wandrauigkeit, die Abriebfestigkeit, geschliffene Rohrspiegel etc..

1.2 Regelwerke

31

1.2.3.12 Wasserdichtheit von Stahlbeton-Vortriebsrohren Die Pr¨ ufung der Wasserdichtheit der Rohre richtet sich nach DIN EN 1916, Anhang E. An der Rohroberfl¨ ache anhaftende Feuchtigkeit gilt dabei nicht als Undichtigkeit. Die bisher in DIN 4035 getroffene Unterscheidung in StahlbetonVortriebsrohre mit Wandst¨ arken ≤ 10 cm und mit Wandst¨arken > 10 cm wurde aufgehoben und stattdessen im Rahmen von DIN EN 1916, Abschnitt 4.3.7, festgelegt, dass Vortriebsrohre mit einer Wanddicke von mehr als 125 mm keiner hydrostatischen Pr¨ ufung unterzogen werden m¨ ussen. Nach DIN V 1201, Abschnitt 4.3.7.1, ist diese Regelung f¨ ur Vortriebsrohre des Typs 1 von Belang. Erg¨anzend dazu muß jedes Stahlbeton-Vortriebsrohr des Typs 2 mit einer Nennweite ≤ DN 1000 einer Serienpr¨ ufung unterzogen werden. Hierbei werden die Dichtheit bei einem Wasser¨ uberdruck von 1 bar und bei einem Luft¨ uberdruck sowie bei einem Luftunterdruck von je 0,2 bar im Kurzzeitversuch nach DIN V 1201, Abschnitt 6.6.2.1, u uft. Versch¨ arfte Pr¨ ufbedingungen wurden f¨ ur Stahlbeton¨ berpr¨ Vortriebsrohre kleinen und mittleren Durchmessers ≤ DN 1000 bzw. ≤ DN 1200 bislang im Rahmen der FBS- Qualit¨ atsrichtlinie angewandt, da diese Rohre h¨aufig mit nicht bemannten Vortriebsverfahren zum Einbau gelangen. Stahlbeton-Vortriebsrohre des Typs 2 sind ferner einer Strangpr¨ ufung nach DIN ¨ V 1201, Abschnitt 4.3.7.2.2, zu unterziehen. Der innere Uberdruck betr¨agt hierbei 1 bar. Eine Tropfenbildung an der Rohraußenwandung ist dabei nicht zul¨assig. Strangpr¨ ufungen wurden bisher u ufumfang ¨ ber den nach DIN 4035 geforderten Pr¨ hinaus ebenfalls nach der FBS-Qualit¨ atsrichtlinie vorgenommen. Als Besonderheit ist die Dichtheitspr¨ ufung an Rohrstr¨ angen, bestehend aus zwei oder drei Rohren zu nennen. Dabei gelten f¨ ur die zul¨ assige max. Wasserzugabe bei der Strangpr¨ ufung begehbarer Stahlbeton-Vortriebsrohre des Typs 2 nach DIN V 1201, Tabelle 10, die gleichen Werte wie in DIN 4035: – Nennweiten 700 mm ≤ DN ≤ 1 000 mm: Wasserzugabe von 0,07 l pro m2 benetzter Innenfl¨ ache, – Nennweiten ≥ DN 1 100 mm: Wasserzugabe von 0,05 l pro m2 benetzter Innenfl¨ ache. Zur Festlegung des Nennabdichtungsdruckes der Prim¨ardichtung siehe 1.5.3, S. 53. Bei Rohren, die in Wassergewinnungsgebieten zum Einbau gelangen sollen, gelten versch¨ arfte Anforderungen, die vom ATV-DVWK-Arbeitsblatt A 142 in DIN V 1201, Abschnitt 4.3.7.2.3, u ufung ¨ bernommen wurden. Bei der Wasserdichtheitspr¨ ¨ muß die Dichtigkeit mit einem inneren Uberdruck von 2,5 bar nachgewiesen werden. An der Rohraußenwand d¨ urfen dabei keine Tropfen auftreten. 1.2.3.13 Ringbiegezugfestigkeit Die Ringbiegezugfestigkeit von Stahlbeton-Vortriebsrohren wird mittels Scheiteldruckpr¨ ufung nach DIN EN 1916, Anhang C, festgestellt. Hierbei wird entlang des Rohrscheitels eine Linienlast aufgebracht. Das zu pr¨ ufende Rohr

32

1 Grundlagen der Rohrvortriebstechnik

ruht dabei auf einer Auflagerkonstruktion nach DIN EN 1916, Bild C.2 bzw. C.3. Von Bedeutung sind folgende Kraftstufen: Fn Mindestscheiteldruckkraft [kN/m]; entspricht dem Produkt aus Festigkeitsklasse und DN/1000 Fc = 0, 67 · Fn Risskraft, 67 % der Mindestscheiteldruckkraft, bzw. einer aus der Ringbiegezugspannung bzw. Rohrvergleichsspannung berechneten Kraft F (DIN V 1201, Abschnitt 4.3.5) Fu Bruchkraft, die als erreicht gilt, wenn keine Laststeigerung trotz fortschreitendem Zusammendr¨ ucken des Rohres mehr m¨ oglich ist Rohre, die im Einbauzustand mit Lasten beansprucht werden, die geringer sind, als es der Risskraft Fc entspricht, weisen eine ausreichende Ringbiegezugfestigkeit auf. 1.2.3.14 Kennzeichnung und Bezeichnung von Stahlbeton-Vortriebsrohren Nach DIN EN 1916, Anhang ZA.3 werden Stahlbeton-Vortriebsrohre dauerhaft mit einer CE-Konformit¨ atskennzeichnung versehen. Soweit zutreffend, werden diese Angaben nach DIN V 1201, Abschnitt 8, erg¨anzt. Bei begehbaren Vortriebsrohren werden die erforderlichen Aufschriften zweckm¨aßigerweise auf dem Innenmantel des Rohres angebracht. Hierzu geh¨oren nach DIN EN 1916: Jahreszahl, EN-Zeichen, Herstellerzeichen, vorgesehene Verwendung, Angaben zu Scheiteldruckfestigkeit, L¨ angsbiegefestigkeit, Wasserdichtheit, Dauerhaftigkeit, Dauerhaftigkeit von Verbindungen. Nach DIN V 1201 werden erg¨ anzt: DIN-Zeichen und Angaben zum Rohrtyp, zur Querschnittsform und zur Rohrverbindung. Bei Stahlbetondruckrohren ist zus¨atzlich der zul¨assige Betriebsdruck anzugeben. Bei nicht rotationssymmetrischer Bewehrungsanordnung muss der Rohrscheitel gekennzeichnet sein. Die Bezeichnung beispielsweise eines kreisf¨ormigen Stahlbeton- Vortriebsrohres mit einer Nennweite von 2 000 mm und einer Baul¨ange von 2 500 mm lautet nach DIN V 1201, Abschnitt 5.3.5.1: Stahlbeton-Vortriebsrohr DIN V 1201 – Typ 2 – Sb-VT – K – VM 2000 × 2500 verwendete Abk¨ urzungen nach DIN V 1201, Tabelle 2: Sb-VT Stahlbeton-Vortriebsrohr K Kreisform VM Muffe von Vortriebsrohren 1.2.3.15 Anfangsrohr Das Anfangsrohr, d. h. das erste eingebaute Vortriebsrohr ist bei einem konventionellen Rohrvortrieb besonders großen Beanspruchungen ausgesetzt. Einerseits muss dieses Rohr den l¨ angsten Weg im Baugrund zur¨ ucklegen und andererseits st¨ utzt sich die Vortriebsmaschine st¨andig auf dieses Rohr ab. Bei der Einleitung von Steuerbewegungen besteht auf Grund des asymmetrischen

1.3 Auffahrung von Rohrvortrieben

33

stirnseitigen Drucks die Tendenz, dass dieses Rohr seitlich ausweicht. Um diesen Effekt zu minimieren, wird das Anfangsrohr ggf. etwas k¨ urzer ausgef¨ uhrt als Normalrohre. Es empfiehlt sich zudem eine verst¨arkte Bewehrung.

1.3

Auffahrung von Rohrvortrieben

1.3.1

Vortriebe mit steigender Gradiente

Im Stollenbau wird allgemein angestrebt, Vortriebstrassen steigend aufzufahren. Die Hauptgr¨ unde hierf¨ ur sind: – der selbstst¨ andige Wasserabfluss (Schwerkraftabfluss) entgegen der Vortriebsrichtung, kein Wasseraufstau an der Ortsbrust; – das Vermeiden hoher hydrostatischer Dr¨ ucke der Schmiermittelsuspension auf die Außendichtungen der vorderen Rohrst¨ oße; – Schuttermaterial braucht im Stollen nicht bergauf gef¨ordert zu werden. Terminologisch werden Stollen (Neigung gegen die Horizontale bis zu ca. 1 : 2, entspr. 26,5o) und Schr¨ agsch¨ achte (Neigung gegen die Horizontale mehr als 1 : 2) unterschieden. Die weitaus meisten Stollenbauwerke weisen Neigungen von bis zu ca. 5o gegen die Horizontale auf. Vortriebstechnisch stellen Trassenneigungen von etwa 5o im Regelfall keine Schwierigkeit dar. Die Verwendung eines Haubenschildes ist bei steigend aufgefahrenen Rohrvortrieben aus Sicherheitsgr¨ unden zwingend erforderlich. St¨ arker geneigte Stollen und Schr¨ agsch¨ achte sind beispielsweise in Form von Druckstollen bei Pumpspeicherwerken, als Schr¨agsch¨achte f¨ ur f¨ordertechnische Einrichtungen oder als Wettersch¨ achte anzutreffen. Das Rohrvortriebsverfahren wird bei Trassenneigungen steiler als 1 : 2 vergleichsweise selten angewandt, da mit zunehmender Neigung die Hangabtriebskraft von Rohrstrang und Vortriebsmaschine mit dem Sinus des Neigungswinkels anw¨ achst. Der Hangabtriebskraft stehen statisch die Rohrmantelreibung (Reibung + Adh¨ asion) und ggf. die Druckkraft der Hauptvortriebspressen gegen¨ uber. Der Anteil der Rohrmantelreibung soll zwecks Begrenzung der Vorpresskr¨ afte m¨ oglichst gering sein, weshalb meist ein Gleitmittel in Form von Bentonit-Suspension verwendet wird. Da die Kolben der Hauptvortriebspressen bei jedem Rohrwechsel zur¨ uckgefahren werden m¨ ussen, ist es nicht m¨oglich, die Hangabtriebskraft durchg¨ angig statisch den Hauptvortriebspressen zuzuweisen. Beim Zur¨ uckfahren der Hauptvortriebspressen zum Rohreinbau sollte daher bei Neigungen in der Gr¨ oßenordnung von ca. 20o und mehr eine zus¨atzliche R¨ uckhaltevorrichtung zur Aufnahme der Hangabtriebskr¨ afte von Vortriebsmaschine und bereits vorgepresstem Rohrstrang aktiviert werden. Meist wird hierzu eine ¨olhydraulisch wirksame Rohrbremse“ verwendet, die im Bereich der Ausfahrwand montiert ist ” und das jeweils zuletzt eingebaute Rohr am Außenmantel zangenartig einspannt [150].

34

1 Grundlagen der Rohrvortriebstechnik

Zusatzprobleme ergeben sich aus den erh¨ohten Anforderungen der Abdichtung des Ringspalts zwischen Rohraußenmantel und Gebirge im Bereich der Startgrube auf den Druck der Bentonit-Suspensionss¨aule. Generell sind die Arbeitsund Bewegungsm¨ oglichkeiten der Mineure bei Trassenneigungen von ≥ 15o eingeschr¨ ankt. F¨ ordereinrichtungen f¨ ur Schuttermaterial sind bei steigender Auffahrung bei Neigungen von ≤ 35o erforderlich. Bei noch steileren Trassen f¨allt das Ausbruchmaterial meist von selbst nach unten heraus. Bei fallender Auffahrung sind generell, d. h. auch bei Vorhandensein durchschl¨agiger Pilotbohrungen, F¨ ordereinrichtungen f¨ ur Schuttermaterial einzuplanen. Bei Trassenneigungen von mehr als 40o sollten alle Arbeiten nur noch angeseilt bzw. von Arbeitsger¨ usten aus durchgef¨ uhrt werden.

1.3.2

Besonderheiten bei fallender Gradiente

Bei Rohrvortrieben, die mit fallender Gradiente aufgefahren werden m¨ ussen, stehen oftmals Probleme im Vordergrund, die darauf beruhen, dass der Ringspalt und die Gebirgsauflockerung um den vorgepressten Rohrstrang eine bevorzugte Wasserwegigkeit zur Ortsbrust hin bewirken. Je gr¨oßer der H¨ohenunterschied ist, den ein fallend aufgefahrener Rohrvortrieb bew¨altigt und je mehr Bergwasser zum Hohlraum dr¨ angt, desto ausgepr¨ agter k¨ onnen sich die nachfolgend beschriebenen Ph¨ anomene erschwerend auswirken: – Wasseransammlungen im Bereich von Maschinenrohr und Rohrortsbrust. Je l¨ anger die vorgepresste Strecke wird, desto gr¨oßer ist der potentiell zum vorgepressten Rohrstrang hin entw¨ assernde Gebirgsbereich. Mit zum Teil erheblichen Wasseransammlungen vor und im Maschinenrohr ist auch dann zu rechnen, wenn das Gebirge der Beschreibung und dem Anschein nach nur relativ geringe Wassermengen f¨ uhrt. Wenn der Boden zum raschen Aufweichen neigt, so kann die Stabilit¨at der Rohrortsbrust infolge Durchweichens und Konsistenz¨anderung gef¨ahrdet sein. – Schmiermittelaustritte an Rohrst¨ oßen und ggf. neben der Schildschneide. Der Abdichtungsdruck der Außendichtungen an den St¨oßen der dem Maschinenrohr mit geringem Abstand folgenden Vortriebsrohre k¨onnte geringer sein, als der hydrostatische Druck der Bentonit-Suspension. Beispielsweise baut sich bei 10 m Suspensionss¨ aule ein hydrostatischer Druck von 1 bar auf. Die Suspensionsmenge ist f¨ ur den Aufbau des Druckes ohne Belang. Die gleiche Rechnung gilt f¨ ur Wasser. – Auf Grund der Fl¨ ussigkeitszutritte zum Maschinenrohr ist auch mit einer Infiltration von Bodenteilchen zu rechnen. Dies kann leicht zu einer Verschlammung des Bereichs im und vor dem Maschinenrohr f¨ uhren. Zur fl¨ achenm¨ aßigen Eingrenzung der Verschlammung kann bei Bedarf im Maschinenrohr ein Blechschott u ¨ber eine begrenzte H¨ohe (Teilschott, Tauchwand) eingeschweißt werden. – Erschwerte Arbeitsbedingungen und Umstellung von Verbrauchsstoffen. Durch den Eintritt nennenswerter Wassermengen in den Ortsbrustbereich k¨onnen die

1.3 Auffahrung von Rohrvortrieben

35

Arbeitsbedingungen insbesondere bei der Verwendung eines offenen Schildes erheblich erschwert werden und zus¨ atzliche technische Maßnahmen erzwingen: – Betrieb einer oder mehrerer Tauchpumpen im vorderen Teil des Maschinenrohres (auch bei Arbeitsunterbrechungen). – Bindiges Haufwerk kann aufweichen und breiige/fl¨ ussige Konsistenz annehmen, – Die F¨ orderung breiigen/fl¨ ussigen Bodenmaterials mittels Bunkerband kann schwierig oder unm¨ oglich werden. – Die L¨ osewerkzeuge sind in der Regel nur bedingt f¨ ur die Bearbeitung (L¨osen und Laden) fl¨ ussiger und breiiger B¨ oden geeignet. – Mit einem erh¨ ohten Meißelverschleiß ist zu rechnen, wenn durch das Wasser st¨ andig abrasive Feinbestandteile zur Ortsbrust zur¨ uckgeschwemmt werden. – Bei verminderter Standsicherheit der Ortsbrust (siehe oben) k¨onnen Zusatzmaßnahmen zur Ortsbrustsicherung erforderlich werden (z. B. geb¨oschter Abbau, mechanische Teilst¨ utzung etc.). – Es besteht ein erh¨ ohtes Risiko, dass die injizierte Bentonit-Suspension weggeschwemmt wird bzw. ausfließt und zu Schmierzwecken nicht mehr zur Verf¨ ugung steht. Zur Reduzierung des Wasserandrangs aus dem Bereich der bereits aufgefahrenen (r¨ uckw¨ artigen) Vortriebsstrecke k¨ onnen erforderlichenfalls Dichtstoffe durch die Injektionsstutzen der Vortriebsrohre injiziert werden. Dies sind im Wesentlichen: 1. Injektionsharze und 2. Schlitzwandtone nach DIN 4127 [44]. Als Schmiermittel werden erforderlichenfalls h¨oher viskose Suspensionen aus st¨arker quellenden Bentonitsorten verwendet, die mit einem geringst m¨oglichen Wasseranteil zubereitet werden (vgl. 3.4, S. 143). Bereits in der Planungsphase sollte eine Einsch¨atzung dar¨ uber vorliegen, ob die genannten Maßnahmen ausreichen, um einen beabsichtigten Rohrvortrieb erfolgreich durchzuf¨ uhren. Wichtige Kriterien hierf¨ ur sind: – der vom Vortrieb zu bew¨ altigende H¨ ohenunterschied und damit verkn¨ upft die Frage nach dem maximalen hydrostatischen Druck auf die geod¨atisch tiefstgelegene Rohrdichtung, – die Frage, ob außer dem auf Grund der L¨angsl¨aufigkeit am Außenmantel des Rohrstranges eintretenden Wassers auch noch mit nennenswerten Wasserzutritten aus der Ortsbrust selbst zu rechnen ist. In Abh¨ angigkeit von den u ¨brigen Randbedingungen ist erforderlichenfalls ein Vortrieb unter Druckluft auszuf¨ uhren, oder es sind die M¨oglichkeiten einer Wasserhaltung, z. B. u ufen. ¨ber Bohrbrunnen, Vereisung etc. zu pr¨

1.3.3

Bogenf¨ ormige Trassen

Geometrisch ist zu unterscheiden zwischen ebenen Kurventrassen und Raumkurventrassen. Ebene Kurventrassen sind als Bogen oder Folge von

36

1 Grundlagen der Rohrvortriebstechnik

B¨ ogen auf einer Ebene abbildbar, d. h. die Trassenneigungen sind dem Kriterium der (konstanten) Ebenenneigung untergeordnet. Hieraus ergibt sich entlang des Trassenverlaufs eine sich st¨andig wandelnde Trassenneigung, sofern die Trassenebene nicht mit der Horizontalebene identisch ist. Da aber bei realen Trassenverl¨ aufen meist abschnittweise konstante Neigungen angestrebt werden, sind in der Praxis planm¨aßig ebene Kurventrassen selten und im Wesentlichen auf die F¨ alle beschr¨ankt, in denen die Trassenebene mit der Horizontalebene identisch ist. Ebene, bogenf¨ormige D¨ uker sind Beispiele f¨ ur Kurventrassen mit ver¨ anderlicher Neigung auf einer Vertikalebene. Die Forderung nach einer abschnittweise einheitlich geneigten Bogentrasse ist nur u ¨ber eine Raumkurventrasse realisierbar. Raumkurventrassen k¨onnen nicht auf einer Ebene abgebildet werden. Bei Rohrvortrieben stellt der Fall einer Schraubenlinie mit planm¨ aßig einheitlichem Gef¨alle des Gerinnes einen der am h¨ aufigsten ausgef¨ uhrten Raumkurventypen dar. Bei bogenf¨ormigen, kurzen Rohrleitungstrassen mit einem geringen einheitlichen Gef¨alle des Gerinnes und einem großen Bogenradius kann allerdings im Regelfall die r¨aumliche Betrachtung in N¨ aherung außer Betracht bleiben, was vermessungstechnisch zu Vereinfachungen f¨ uhrt. Ein Schraubenlinienst¨ uck wird beispielsweise oft vereinfachend als Kreisbogenst¨ uck angesehen. Die Unsch¨arfe des ebenen Modells wird meist durch die erforderlichen Vortriebstoleranzen kompensiert. Unabh¨angig davon, ob eine ebene Kurventrasse oder eine Raumkurventrasse vorliegt, kann die Trasse Wendepunkte (S-f¨ ormige Trassen), gerade Teilabschnitte, Abschnitte mit ¨ unterschiedlichen Kr¨ ummungsradien und auch Vorb¨ogen bzw. Ubergangsb¨ ogen ¨ aufweisen. Vor- und Ubergangsb¨ ogen entsprechen im Straßen- und Gleisbau den Klotoiden als Trassierungselemente [163]. Da beim Rohrvortrieb der Rohrstrang die aufgefahrene Bahn als Ausbau nachvollziehen muss, k¨onnen mit der Rohrvortriebstechnik nur vergleichsweise einfache Bogentrassen realisiert werden. Bei großen Trassenradien (R ≥ 150 · DA) werden oftmals Parallelspiegelrohre verwendet, bei kleineren Trassenradien ist die Verwendung von Schr¨agspiegelrohren in der Regel vorteilhafter (vgl. 1.1.4, S. 13). Die Steuerung des Rohrvortriebes erfolgt normalerweise ausschließlich u ¨ ber die Steuerpressen zwischen Schildmantel und Maschinenrohr. Der zur Bogenfahrt erforderliche radiale Gegendruck auf das Maschinenrohr und auf die Vortriebsrohre sollte dem bereits durchfahrenen Gebirge zugewiesen werden. Um quer gerichtete Kr¨ afte und Biegemomente auf die Kolben der Hauptvortriebspressen zu vermeiden, wird ein Rohrvortrieb auf bogenf¨ ormiger Trasse, wenn immer dies m¨oglich ist, zun¨ achst geradlinig vorgepresst und erst nach einer gebirgsabh¨angigen Anlaufstrecke die Bogenfahrt eingeleitet. Rohrvortriebe, die bereits mit einem Bogen in der Startgrube beginnen, sollten vermieden werden. Gegebenenfalls ist die Startgrube zur¨ uck zu verlegen.

1.4 Startsch¨ achte, Zielsch¨ achte und Zwischensch¨ achte

1.4

37

Startsch¨ achte, Zielsch¨ achte und Zwischensch¨ achte

Start- und Zielorte von Rohrvortrieben werden in Abh¨angigkeit von der Tiefenlage der Anfangs- und Endpunkte als konventionelle Baugruben oder in Form von Sch¨ achten ausgef¨ uhrt (siehe auch Kapitel 5). ¨ Baugruben: Bei Rohrvortrieben mit geringer Uberdeckung im Bereich der Andienungspunkte werden oftmals konventionelle, im Grundriss meist rechteckf¨ ormig begrenzte, senkrecht verbaute, seltener frei geb¨oschte Baugruben ausgef¨ uhrt. Kreisf¨ ormig begrenzte Baugruben sind aufwendiger herzustellen und ¨ werden im Falle geringer Uberdeckung vorrangig bei Mehrfachpresssch¨achten ausgef¨ uhrt, wo eine rotationssymmetrische Grundrissform von Vorteil ist. Als Baugrubenverbau sind vernagelte Spritzbetonschalen, Kanaldielen, Spundw¨ande, Verbauplattensysteme sowie Sicherungen nach dem System Berliner Verbau, jeweils mit Gurtung, u uhrung und Berechnung konventioneller ¨blich. Zur Ausf¨ Baugruben wird auf die Regelungen von DIN 4124 [41], EAB [117] und EAU [120] hingewiesen. Sch¨ achte: Sch¨ achte werden bei großer Tiefenlage der Andienungspunkte ausgef¨ uhrt. Als Schachtform wird wegen der g¨ unstigen r¨ aumlichen Tragwirkung meist die eines kreisf¨ ormigen oder eines elliptischen Zylinders gew¨ahlt. Die Herstellungsweise und die mit der Herstellung verbundenen geotechnischen Probleme bei Baugruben und Sch¨ achten k¨ onnen sich maßgebend unterscheiden. Baugruben und Sch¨ achte f¨ ur Rohrvortriebsarbeiten sind zun¨achst tempor¨ar f¨ ur den Bauzustand erforderliche Hilfsbauwerke. H¨aufig werden in diese Hilfsbauwerke f¨ ur die langfristige Nutzung Revisionssch¨achte mit deutlich kleineren Querschnittsabmessungen (z. B. in Form von Fertigteilen) eingebaut, wobei in den nicht mehr ben¨ otigten Raum außerhalb des Revisionsschacht-Querschnittes Bodenmaterial eingef¨ ullt und lagenweise verdichtet wird. Bei großen Abmessungen des auf Dauer zu erhaltenden Schachtquerschnitts kann eine Senkkastenl¨osung f¨ ur den Start- und/oder Zielschacht wirtschaftlich sehr vorteilhaft sein, wenn dadurch eine zus¨ atzliche tempor¨ are Schachtsicherung vermieden werden kann. Der Senkkasten bildet in diesem Fall die Wandungen des endg¨ ultigen Schachtbauweks.

1.4.1

Technologie des Schachtbaus

F¨ ur Startsch¨ achte bzw. Vorpresssch¨ achte ist ein relativ großer Platzbedarf erforderlich. Er richtet sich im Wesentlichen nach der L¨ange der Vortriebsrohre, nach der L¨ ange der Hauptvortriebspressen im eingefahrenen Zustand, einschließlich des Stahldruckringes sowie nach der in das Schachtprofil hineinragenden Dickenabmessung des Pressenwiderlagers. Bei Mehrfachpresssch¨achten mit kreisf¨ ormigem oder L-f¨ ormigem Querschnitt sind die Hauptabmessungen in verschiedenen Richtungen zu ber¨ ucksichtigen.

38

1 Grundlagen der Rohrvortriebstechnik

Foto: T. Br¨autigam, Stuttgart

Foto: Herrenknecht AG, Schwanau

Berliner Verbau mit Stahlgurtung (Startschacht f¨ ur einen Vortrieb DN 2000)

T¨ ubbingausbau eines Schachtes (Einfahrt der Tunnelbohrmaschine in den Zielschacht)

Bild 1.8. Verbau von Sch¨ achten

1.4.1.1

Schachtzugang

Der Zugang zu Vortriebssch¨ achten erfolgt u ¨ ber Leitern oder einen Treppenhausturm. Bei vergleichsweise tiefen Sch¨achten ab etwa 20 m Tiefe werden teilweise auch Personenfahrst¨ uhle eingebaut (siehe BGV D 7 [135]). Treppenhaust¨ urme und bestehende, abgefangene Leitungen, die das Schachtprofil queren, sind ggf. vor dem Anprall von Kranlasten zu sch¨ utzen. F¨ ur Leitern, Zwischenpodeste etc. gilt BGV D 36 [138], f¨ ur Ger¨ uste BGV C 22 [132]. 1.4.1.2

Sicherung der Schachtwandung

Beim Schachtabteufen werden oftmals nahe der Gel¨andeoberfl¨ache meist aufgelockerte, wenig standfeste B¨ oden angetroffen. Zudem sind nahe des Schachtkopfes fast immer Verkehrslasten und Stapellasten (z. B. tangierende

1.4 Startsch¨ achte, Zielsch¨ achte und Zwischensch¨ achte

39

oder das Schachtprofil schneidende Schienen des Portalkrans, Rohrlager usw.) zu ber¨ ucksichtigen. Bei der Sicherung der Schachtwandung wird dies durch einen verst¨ arkten Ausbau ber¨ ucksichtigt. Dieser kann aus einem Stahlbetonringbalken im Bereich der Schachtoberkante bestehen, dem sich nach unten hin z. B. eine r¨ uckverankerte, mattenbewehrte Spritzbetonschale oder eine u berschnittene Bohrpfahlwand anschließt. Bei Bedarf k¨onnen mit der Tiefe weitere ¨ Stahlbetonringbalken im Sinne einer Gurtung folgen. Da die f¨ ur die Rohrvortriebsarbeiten erforderlichen großen Abmessungen eines Vortriebsschachtes meist nur tempor¨ ar ben¨otigt werden, ist eine Sicherung der Schachtwandung mit T¨ ubbingen fast immer unwirtschaftlich. Wenn die Standsicherheit der Schichten mit der Tiefe zunimmt, kann auch die Sicherung der Schachtwandung mit der Tiefe ausgemagert“ werden. Aus Arbeitsschutzgr¨ unden ” empfiehlt sich als Mindestsicherung jedoch auch in standfestem, kl¨ uftigem Fels eine fl¨ achendeckende Verwendung von Stahlmatten, Steckeisen und Spritzbeton. Hierdurch wird das Herauskippen von Einzelsteinen aus der Schachtwandung in den Sohlbereich verhindert. Schichtwasseraustritte aus der Schachtwandung sollten aus Arbeitsschutzgr¨ unden sorgf¨ altig abgeschlaucht werden. Die Schl¨auche sind an einen Pumpensumpf an der Schachtsohle anzuschließen. 1.4.1.3

Sicherung und Abdichtung

Durchdringt der Schacht stark grundwasserf¨ uhrende Schichten, so sind beim Schachtabteufen Zusatzmaßnahmen bez¨ uglich der Wasserhaltung bzw. der Sicherung der Schachtwandungen erforderlich, die projektspezifisch festzulegen sind. Dabei gibt es folgende generelle M¨ oglichkeiten: – tempor¨ are Wasserhaltung, z. B. durch Abpumpen oder Bodenvereisung f¨ ur die Dauer der Herstellung einer wasserdichten Schachtwandung, – Wasserhaltung w¨ ahrend der gesamten Bauzeit, – Herstellung einer wasserdichten Schachtwand vor bzw. in Verbindung mit dem Schachtabteufen, z. B. durch D¨ usenstrahlverfahren ([54, 153]), durch eine Schlitzwand-Umschließung oder durch eine u ¨ berschnittene Bohrpfahlwand. Bohrpf¨ ahle k¨ onnen gleichzeitig zur Auftriebssicherung herangezogen werden. Bei geeignetem Baugrund kann auch eine Ausf¨ uhrung der Start- und Zielsch¨ achte von Rohrvortrieben in Form von Ortbetonsenkk¨asten gew¨ahlt werden. Angewandt wurde diese L¨ osung z. B. bei einer Durchpressung im Bereich des Elbufers in Dresden durch die H. Bramm GmbH sowie bei verschiedenen Rohrvortrieben in K¨ ustenn¨ ahe [145]. Die Anwendung des Bodenvereisungsverfahrens [154, 155, 156, 159, 162] ist im Regelfall nur in Sonderf¨ allen bei großen Sch¨achten wirtschaftlich. Bei der Anwendung des Bodenvereisungsverfahrens sollten zur wirtschaftlichen Bemessung des ringf¨ ormigen Frostk¨ orpers um den Schachtquerschnitt auch anderweitig vorhandene Sicherungsmittel mit ber¨ ucksichtigt werden. Die Herstellung von Dichtk¨ orpern aus HDI-Material (D¨ usenstrahlverfahren) richtet sich nach DIN EN 12716 [54]. F¨ ur Schlitzw¨ande existieren die Regelwerke

40

1 Grundlagen der Rohrvortriebstechnik

DIN 4126 [43] sowie DIN EN 1538 [23]. Wasserzutritte zum Schacht k¨onnen auch mittels Abdichtungsinjektionen unterbunden werden. Die Injektionen k¨onnen von der Gel¨ andeoberfl¨ ache aus oder u ¨ber horizontale Bohrungen aus dem Schacht heraus vorgenommen werden. Siehe hierzu DIN 4093 [38] und DIN EN 12715 [53]. Als Alternative kann bei insgesamt kleinen Abmessungen (Bereich Microtunnelbau) der betreffende Teilabschnitt des Schachtes einschließlich der gesamten Rohrvortriebsstrecke unter Luft¨ uberdruck gesetzt werden. In diesem Fall ist eine Schachtschleuse erforderlich. 1.4.1.4

Schachtwandung im Widerlagerbereich

Die horizontalen Verschiebungen des Widerlagers der Hauptvortriebspressen k¨ onnen bei unzureichend ert¨ uchtigtem Baugrund oder unzureichendem Schachtausbau relativ groß sein. Die Widerlagerbelastung darf sich auf die Schachtumschließung jedoch nicht sch¨ adlich auswirken. Die Schachtumschließung ist daher in H¨ ohe des Pressenwiderlagers besonders steif auszuf¨ uhren. Bei einer Sicherung der Schachtwandung durch mattenbewehrten Spritzbeton eignen sich zur Versteifung z. B. vertikale und in Richtung des Schachtumfangs verlaufende Stabstahlzulagen, die in beiden Richtungen m¨oglichst weit u ¨ ber das Pressenwiderlager hinaus zu f¨ uhren sind. Ggf. ist zus¨atzlich die Tragf¨ahigkeit des Bodens hinter dem Widerlager z. B. durch Injektionen zu verbessern. Als Alternative zu Injektionen besteht die M¨oglichkeit, die horizontalen Widerlagerkr¨ afte u agpf¨ ahle hinter der Widerlagerplatte in tragf¨ahigere ¨ ber Schr¨ Schichten tief zu f¨ uhren. Unter der Widerlagerplatte werden in diesem Fall (um das Krafteck zu schließen) meist Stahltr¨ ager als Zugglieder vertikal nach unten gef¨ uhrt und einbetoniert. Walzprofile sind f¨ ur diesen Zweck gegen¨ uber Verpressankern oder Kleinverpresspf¨ ahlen vorzuziehen, da Walzprofile bei den auftretenden großen Horizontalverformungen auch Biegung aufnehmen k¨onnen. 1.4.1.5

Schachtsohle

Wenn vortriebsbedingte Risse in der Sohle eines Vortriebsschachtes unerheblich sind, z. B. weil die Sohle außerhalb des Grundwassers liegt, kann unbewehrter Beton verwendet werden. Liegt die Schachtsohle im Grundwasser, so kann die Schachtsohle in Abh¨ angigkeit von den spezifischen Randbedingungen z. B. als – – – –

Stahlbeton im Schutze einer Grundwasserabsenkung (konventionelle L¨osung), Stahlbeton im Schutze einer Vereisung, Unterwasserbetonsohle, D¨ usenstrahl-Dichtsohle (in manchen Firmensprospekten auch als HDI-Dichtsohle bezeichnet)

ausgef¨ uhrt werden.

1.4 Startsch¨ achte, Zielsch¨ achte und Zwischensch¨ achte

1.4.1.6

41

Gesteinsabtrag beim Schachtabteufen

Der Abtrag des Gesteins an der Schachtsohle ist gegen¨ uber einem fl¨achigen Gesteinsabbau erschwert. Folgende Umst¨ ande sind bei der Planung des Abteufvorganges besonders zu bedenken: – Die begrenzte Fl¨ ache der Schachtsohle l¨ asst h¨aufig im Wesentlichen nur den Einsatz eines Minibaggers als L¨ oseger¨ at zu. Die relativ geringe L¨osekraft eines Minibaggers kann zu der m¨ oglicherweise unzutreffenden Annahme verleiten, dass schwer l¨ osbarer Fels (Klasse 7 nach DIN 18300) ansteht, obgleich dies nach geotechnischen Kriterien nicht zutrifft. Der Eindruck einer besonders schweren L¨ osearbeit wird dadurch verst¨ arkt, dass ein Trennfl¨achengef¨ uge bei s¨ ohliger Schichtlagerung oftmals kaum zum Ansetzen eines L¨osewerkzeuges und zum Heraushebeln von Kluftk¨ orpern genutzt werden kann. Bei Gesteinen mit einer relativ geringen einaxialen Zylinderdruckfestigkeit und einer f¨ ur den L¨ osevorgang ung¨ unstigen Orientierung des Trennfl¨achengef¨ uges kann bereits der erg¨ anzende Einsatz eines Hydraulikmeißels wirtschaftlich sein. In Sch¨achten mit großem Querschnitt k¨ onnen ggf. ein Minibagger mit Meißelausr¨ ustung und ein Minibagger mit Schaufel zum Beladen der Kranmulde gleichzeitig eingesetzt werden. Bei Sch¨ achten bis etwa 8 m Tiefe kann die Beladung der Kranmulde auch mit einem an der Schachtoberkante stehenden Bagger mit Verl¨angerungsgest¨ange vorgenommen werden, der eine an die Schachtsohle abgelassene F¨ordermulde bef¨ ullt. – Beim Einsatz von Baumaschinen mit Dieselmotor an der Schachtsohle und bei Sprengarbeiten an der Schachtsohle ist im Regelfall eine Saugbewetterung erforderlich. – Das gel¨ oste Gestein wird in der Kranmulde nach oben gef¨ordert. Der Zeitbedarf f¨ ur ein Kranspiel w¨ achst mit zunehmender Schachttiefe und oftmals auch mit wachsendem Haufwerksvolumen an der Gel¨ andeoberfl¨ache. – Bei der Verwendung von Spritzbeton zur Sicherung der Schachtwandungen ist sukzessive mit dem Fortschreiten des Schachtausbruchs die Sicherung der Schachtwandung nach unten zu erweitern. Der Ausbruch erfolgt daher diskontinuierlich. Es sollten generell Dr¨ anschl¨auche mit eingespritzt werden, damit ein Aufstau von Wasser hinter der Schachtwandung vermieden wird. Die Dr¨ anschl¨ auche m¨ ussen den zugfesten Anschluss von Abschlauchleitungen im Bedarfsfall problemlos erm¨ oglichen. 1.4.1.7

Sprengarbeiten an der Schachtsohle

Beim sprengtechnischen L¨ osen von Gestein an der Schachtsohle beim Schachtabteufen sind das Parallelbohrlochverfahren, das Kegeleinbruchverfahren sowie das Sprengen auf ein vorab zentrisch oder exzentrisch zur vertikalen Schachtachse angeordnetes Großbohrloch (z. B.  1,2 m) u ¨ blich. Zur Begrenzung der Ersch¨ utterungen werden oftmals Abschlagtiefen von 0,6 m bis 1,2 m gew¨ahlt. Als Obergrenze f¨ ur die maximalen Abschlagstiefen gilt etwa der Betrag des halben Schachtdurchmessers [148]. Abschlagstiefen von deutlich mehr als 1,2 m sind in

42

1 Grundlagen der Rohrvortriebstechnik

sensiblen Bereichen wegen der damit verbundenen Ersch¨ utterungen oft nicht realisierbar. Zur projektspezifischen Abkl¨arung der optimalen Sprengparameter auch unter dem Aspekt der Ersch¨ utterungsbegrenzung sollte ein sprengtechnischer Sachverst¨ andiger hinzugezogen werden.

1.4.2

Auslegung von Startsch¨ achten

Startsch¨ achte dienen im Wesentlichen zur Aufnahme von Pressenwiderlager, Hauptvortriebspressen, Druckring und Rohrverschiebebahn. Die L¨ange der Rohrverschiebebahn muss gr¨ oßer sein, als die L¨ange der Vortriebsrohre, da das jeweils zuletzt eingebaute Rohr im Regelfall nicht b¨ undig zur Ausfahrwand vorgepresst wird. Außerdem ist zum Einheben der Vortriebsrohre auf die Verschiebebahn ein Spielraum erforderlich. Das l¨angste einzubauende Rohr ist nicht selten ein Passrohr mit einer Sonderl¨ ange, welches als allerletztes Vortriebsrohr zum Einbau gelangt. Es ist ggf. zu pr¨ ufen, ob ein solches Rohr noch mit den Hauptvortriebspressen bewegt werden muss oder ob zum Einheben und Einstecken in den Stahlf¨ uhrungsring des Vorg¨ angerrohres das Hebezeug ausreicht. Die generelle Ermittlung der mindestens erforderlichen Schachtabmessung in Vortriebsrichtung wird in Abschnitt 1.4.1 erl¨ autert. Quer zur Vortriebsrichtung besteht u ¨ ber den Rohrdurchmesser hinaus meist Platzbedarf f¨ ur die Unterbringung von: – ¨ olhydraulischen Bedienelementen und ggf. der Hydraulikpumpe, – Pumpensumpf, aufgehenden Rohrleitungen, Schl¨auchen, Kabeln etc., – Zugangstreppe/Leiter/Aufzug. Bei Unstetigf¨ orderung des Haufwerks (Pendelbetrieb) ist erforderlichenfalls der Schwenkkreis eines Hilfskrans f¨ ur das Einsetzen entleerter Mulden zu ber¨ ucksichtigen. Der Hilfskran ist meist entweder auf dem Stahldruckring oder an der Schachtwandung montiert. H¨ aufige Grundrissformen sind: – bei Einfachpresssch¨ achten: Rechteckform, Kreisform, Ellipsenform, – bei Mehrfachpresssch¨ achten mit um 90o verschwenkten Pressrichtungen: Quadratform, L-Form, Kreisform, – bei Mehrfachpresssch¨ achten mit im beliebigen Winkel zueinander stehenden Pressrichtungen: Kreisform, Form eines geschlossenen Polygonzuges. Der Schnittwinkel zweier nacheinander hergestellter Rohrhaltungen sollte nach M¨ oglichkeit so gew¨ ahlt werden, dass die zuvor hergestellte Vortriebsstrecke nicht durch Widerlagerkr¨ afte beim Vorpressen der nachfolgenden Vortriebsstrecke beansprucht wird. 1.4.2.1

Abschlussrohr

Das im Startschacht zuletzt eingebaute Rohr legt von allen Vortriebsrohren den geringsten Weg in Vortriebsrichtung zur¨ uck. Dieser Weg kann sich im Extremfall auf das Einschieben des Rohrspitzendes in die Muffe des vorletzten Rohres

1.4 Startsch¨ achte, Zielsch¨ achte und Zwischensch¨ achte

43

beschr¨ anken. Im Regelfall ragt das Abschlussrohr nach dem Einbau um ein definiertes Maß in die Startgrube und muss daher gesondert gebettet werden. Um eine setzungsarme Auflagerung des Abschlussrohres zu erzielen, erfolgt die Bettung h¨ aufig zun¨ achst auf einem (verlorenen) geschweißten Lagerbock aus Stahlprofilen. Der Kr¨ ummungsbereich unter dem Rohr wird im Zusammenhang mit der Fertigstellung des Rohranschlusses mit Magerbeton ausgef¨ ullt. Der Lagerbock wird hierbei mit einbetoniert. 1.4.2.2

Hebezeuge im Bereich von Sch¨ achten

Das Hebezeug im Bereich von Startsch¨ achten ist ein Schl¨ usselger¨at f¨ ur jeden Rohrvortrieb und muss w¨ ahrend der gesamten Vortriebsphase vorgehalten werden. Die Tragf¨ ahigkeit des Hebezeuges richtet sich zun¨achst nach der zu hebenden schwersten Last. Bei Rohrvortrieben mit großem Querschnitt ist dies im Allgemeinen die Masse des l¨ angsten Vortriebsrohres (Passrohres). Es ist jedoch im Einzelfall zu pr¨ ufen, ob andere Lasten (z. B. die Vortriebsmaschine) maßgebend sein k¨ onnten. F¨ ur die Auswahl des Hebezeuges sind ferner die Platzverh¨altnisse und die individuelle Verf¨ ugbarkeit von Bedeutung. Hebezeuge an Startsch¨achten von Rohrvortrieben sind u. a.: – Hydraulikbagger (nur bei flach unter der Gel¨andeoberfl¨ache liegendem Startpunkt), – Portalkrane, – Seilbagger bzw. Autokrane, – in Einzelf¨ allen auch leistungsf¨ ahige Hochbaukrane. Zur Bergung der Vortriebsmaschine aus Bergegruben oder Zielsch¨achten wird h¨aufig ein kurzfistig angemieteter Autokran eingesetzt. Liegt der Endpunkt eines Rohrvortriebes in unerschlossenem Gel¨ ande, so ist eine unmittelbare Zufahrt mit einem Autokran oftmals nicht ohne weiteres m¨oglich. In nicht wenigen F¨allen ist eigens zu diesem Zweck eine geeignete Zuwegung zu schaffen und der Untergrund f¨ ur die Kranst¨ utzen zu ert¨ uchtigen. Kann die Bergegrube direkt angefahren werden, so ist zu pr¨ ufen, ob die rechnerischen Lastans¨ atze des Zielgrubenverbaus den Lastfall Bergung ” der Vortriebsmaschine mittels Autokran auf Kranst¨ utzen“ abdecken. Durch die Demontage von Baugruppen der Vortriebsmaschine (z. B. Schr¨amarm, Bunkerband, Elektromotoren etc.) vor der Bergung ist eine Gewichtsreduzierung m¨oglich.

1.4.3

Zwischensch¨ achte

Zus¨ atzlich zur Herstellung von Start- und Zielschacht kann es erforderlich sein, ein oder mehrere Zwischensch¨ achte im Trassenverlauf anzuordnen. Da die Herstellung von Sch¨ achten vergleichsweise teuer ist, ist die Anzahl von Zwischensch¨achten

44

1 Grundlagen der Rohrvortriebstechnik

m¨ oglichst gering zu halten. Zwischensch¨achte werden f¨ ur tempor¨are Zwecke w¨ ahrend der Bauzeit und/oder f¨ ur bleibende Einbauten abgeteuft. Zwischensch¨ achte f¨ ur tempor¨ are Zwecke sind z. B. Sch¨achte, die niedergebracht werden um Vortriebshindernisse zu bergen, die in geschlossener Bauweise nicht gel¨ ost werden k¨ onnen. Sch¨ achte f¨ ur tempor¨are Zwecke k¨onnen z. B. auch f¨ ur den Einbau oder das Verschweißen großkalibriger Stahlrohr-Inliner (Schweißsch¨achte) zweckm¨ aßig sein. Spezielle Sch¨ achte f¨ ur die R¨ uckgewinnung von Dehnerstationen d¨ urften jedoch selten wirtschaftlich sein. Gegebenenfalls sind die Dehner bei der Vortriebsplanung so anzuordnen, dass diese beim fertig vorgepressten Rohrstrang im Bereich ohnehin vorgesehener Zwischensch¨achte liegen. Planm¨aßige Stollenzwischensch¨ achte dienen oftmals vorrangig dem Zugang zum Rohrstollen, zu Seiteneinlaufpunkten und zu Ortbetonumlenkbauwerken zu Inspektions- und Unterhaltungszwecken im Gebrauchszustand. Bei kontinuierlich geradlinig verlaufenden Rohrtrassen oder bei gekr¨ ummten Rohrtrassen werden Zwischensch¨ achte – wenn immer dies m¨oglich ist – erst nachtr¨ aglich auf den bereits vorgepressten Rohrstrang abgeteuft, wobei dann der obere Teil des im Schachttiefsten angetroffenen Rohres entsprechend des vorgesehenen Schachteinbaus mechanisch herausgetrennt wird. Diese Vorgehensweise ist aus mehreren Gr¨ unden durchpressungstechnisch g¨ unstiger, als das Durchfahren eines zuvor abgeteuften Schachtes: – Die Kontinuit¨ at des Vortriebes bleibt erhalten. – Die a uhrung des vorzupressenden Rohrstrangs durch umgebendes ¨ußere F¨ Erdreich wird nicht unterbrochen. – Der Bentonit-Schmierfilm wird nicht unterbrochen. – Zus¨ atzliche Durchdringungen von Rohrstrang und Schachtwandsicherungen werden vermieden. ¨ Uberdies ergibt sich beim nachtr¨ aglichen Abteufen eines Zwischenschachtes auf einen bereits vorhandenen Rohrstrang meist ein geringerer Sicherungsaufwand f¨ ur die Schachtwandung, und die Zeitdauer f¨ ur erforderliche Sicherungsmaßnahmen an der GOK wird geringer. ¨ F¨ ur das Offnen der Vortriebsrohrwandung im Zwischenschacht sind zwei Varianten gebr¨ auchlich: – Freilegen und Herauss¨ agen des oberen Teils der Rohrwandung. Hierbei werden sowohl die Ringbewehrung als auch die L¨angsbewehrung durchtrennt. Der Anschluß zum Schacht erfolgt z. B. durch Verd¨ ubelung. – Herausmeißeln des Rohrbetons zwischen der Bewehrung. Von Vorteil kann hierbei sein, dass die Rohrbewehrung nach dem Durchtrennen und Aufbiegen als Anschlußbewehrung f¨ ur den Schacht zur Verf¨ ugung steht. Der Abstand von Zwischensch¨ achten richtet sich objektspezifischen Randbedingungen und nach den bauverfahrensabh¨angigen M¨oglichkeiten. F¨ ur die Endnutzung k¨ onnen bedeutsam sein:

1.4 Startsch¨ achte, Zielsch¨ achte und Zwischensch¨ achte

45

– zu bew¨ altigende Haltungsl¨ angen bei steigender und bei fallender Fahrtrichtung beim Einsatz von Wartungsrobotern, die Kabel- bzw. Schlauchpakete hinter sich herziehen (z. B. Hochdruckreiniger, Fr¨ asroboter, Kameras etc.), – M¨ oglichkeit optionaler Einbauten u ber Zwischensch¨achte. ¨ Bei Abwassersammlern werden aus Sicherheitsgr¨ unden h¨aufig Zwischenschachtabst¨ ande von 80 m bis 150 m ausgef¨ uhrt. F¨ ur den Bauzustand kann sich aus – technischen Grenzen bestimmter Bauverfahren (z. B. gesteuerte Pressbohrverfahren bis ca. 100 m, ferngesteuerte Vortriebe mit Vollschnittmaschinen und hydraulischen Abraumf¨ ordersystemen im Regelfall bis ca. 1000 m) und/oder – Sicherheitsaspekten bei bemannten Vortrieben kleinen Durchmessers ein H¨ ochstabstand von Zwischensch¨ achten ergeben. Die statische Bemessung von Schachteinbauten aus Ortbeton oder Fertigteilbeton richtet sich nach dem ATV-Arbeitsblatt A 127 [105], wobei ggf. Lastkonzentrationsfaktoren λ zu ber¨ ucksichtigen sind.

1.4.4

Zielsch¨ achte, Zielbaugruben und Bergegruben

Zielsch¨ achte bzw. Zielbaugruben werden am Ende der Gesamtvortriebsstrecke oder auch am Ende von Teilvortriebsstrecken angeordnet, um einerseits die Vortriebsmaschine ausbauen zu k¨ onnen und um anderseits einen Anschluss der Vortriebsstrecke zu erm¨ oglichen. Letzteres setzt einen Sicherungsstandard der Baugruben- oder Schachtwandungen voraus, der den anerkannten Regeln der Technik, z. B. DIN 4124 [41], entspricht. Im Gegensatz dazu steht bei der Bergegrube fachtechnisch und terminologisch der Ausbau der Vortriebsmaschine im Vordergrund. Der Anschluss der Vortriebsstrecke an eine bestehende oder noch zu errichtende Infrastruktur wird im Fall, dass lediglich eine Bergegrube ausgeschrieben wurde, oftmals zeitversetzt und im Zuge einer unabh¨ angigen Vergabe vorgenommen. Nicht selten wird der Vortriebsrohrstrang nach dem Ausbau der Vortriebsmaschine bis zum Beginn der Anschlussarbeiten vorn provisorisch verschlossen (z. B. durch Abmauerung, durch Kanaldielen, durch hochkant gestellte Baggermatratzen oder durch eine Trennwand aus Balken und Schaltafeln) und eingeerdet. Bergegruben werden meist nur bei Rohrvortrieben mit oberfl¨ achennah liegendem Vortriebsendpunkt (bis etwa 6 m Tiefe unter GOK) ausgef¨ uhrt. In der Baupraxis sind zwei unterschiedliche Vorgehensweisen bei der Herstellung von Zielsch¨achten, Zielbaugruben und Bergegruben u ¨blich: – Fertigstellung von Zielschacht, Zielbaugrube oder Bergegrube, bevor der Rohrvortrieb durchschl¨ agig ist. Diese Variante wird meist dann praktiziert, wenn unmittelbar nach der Durchschl¨ agigkeit des Vortriebes weiterf¨ uhrende Bauarbeiten in diesem Bereich vorgenommen werden sollen. Bergegruben sind in diesem Fall zu normkonformen Baugruben auszubauen.

46

1 Grundlagen der Rohrvortriebstechnik

– Der Rohrvortrieb f¨ ahrt ins Volle“, d. h. er erreicht seine planm¨aßige Endposition ” untertage. (Zur Bergung der Vortriebsmaschine wird nachtr¨aglich der Erdaushub etwa bis in K¨ ampferh¨ ohe des Maschinenrohres vorgenommen, so dass das Vortriebsger¨ at mittels Kran herausgehoben werden kann.)

Verbau eines Zielschachtes. Da der mittlere Verbautr¨ ager aufgrund der Rohrdurchdringung durch die Verbauwand entf¨ allt, ist es erforderlich den horizontalen Erddruck anteilig auf die Nachbarverbautr¨ ager zu u ¨bertragen. Dies erfolgt hier durch Umsteifen mittels Stahltraversen.

Foto: T. Br¨autigam, Stuttgart Bild 1.9. Abfangung eines Verbautr¨ agers bei einem Berliner Verbau

1.5

Rohrverbindungen und Dichtungen

Bei Rohrleitungen, die mit geschlossenen Bauverfahren eingebracht werden, sind hinsichtlich der L¨ angskraft¨ ubertragung folgende generellen Verbindungsarten zu unterscheiden:

1.5 Rohrverbindungen und Dichtungen

47

– druckkraftschl¨ ussige Verbindungen, – zugkraftschl¨ ussige Verbindungen, – zug- und druckkraftschl¨ ussige Verbindungen. Beim klassischen Rohrvortrieb werden druckkraftschl¨ ussige Verbindungen ausgef¨ uhrt, u afte zwischen jeweils aufeinanderfolgenden ¨ber die die Vorpresskr¨ Rohren u onnen. ¨bertragen werden k¨ Zugkraftschl¨ ussige Verbindungen werden dort ben¨otigt, wo ein Rohrstrang eingezogen werden soll. Dies ist praktisch ausschließlich dann m¨oglich, wenn bereits ein Hohlraum existiert, den der zugkraftschl¨ ussig verbundene Rohrstrang beim Einziehen durchfahren kann. Hauptanwendungsgebiete sind das Einziehen von Inlinern und das HDD-Verfahren (vgl. Abschnitt 1.1.1). Zug- und druckkraftschl¨ ussige Rohrverbindungen werden bei nichtbegehbaren Querschnitten angewandt, die im Rammverfahren eingebracht werden. Nachfolgend werden ausschließlich die f¨ ur Stahlbeton-Vortriebsrohre typischen druckkraftschl¨ ussigen Rohrverbindungen erl¨ autert. Im Vortriebszustand sind die wesentlichen Aufgaben der Rohrverbindung: – – – –

L¨ angskraft¨ ubertragung beim Vorpressen, Erm¨ oglichung von Abwinklungen, Aufnahme von Querkr¨ aften aus Steuerbewegungen u uhrungsring, ¨ ber den Stahlf¨ Abdichtung und Verhinderung der Infiltration von Bergwasser und Injektionsstoffen in das Rohrinnere, – ggf. Abdichtung gegen Druckluftverluste von innen nach außen. Im Betriebszustand sind f¨ ur die Rohrverbindung vor allem – Abdichtung und – Verhinderung von Infiltrationen und Exfiltrationen von Bedeutung. Die wichtigsten Elemente der Rohrverbindung von StahlbetonVortriebsrohren sind: – der Druck¨ ubertragungsring (vgl. 1.5.1, S. 47), – der Stahlf¨ uhrungsring (vgl. 1.5.2, S. 51), – das Dichtungssystem (vgl. 1.5.3 bis 1.5.5, S. 53 ff). Die einwandfreie Funktionsf¨ ahigkeit einer Rohrverbindung setzt voraus, dass die genannten Elemente in engen Grenzen optimal aufeinander abgestimmt sind, so dass ein Rohr gegen ein beliebiges anderes, gleichartiges Rohr ausgetauscht werden kann (vgl. 1.2.2, S. 20).

1.5.1

Druck¨ ubertragungsring

Zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Vortriebsrohren wird als druck¨ ubertragendes Zwischenelement ein so genannter Druck¨ ubertragungsring“ ” eingebaut. Druck¨ ubertragungsringe bestehen im Regelfall aus Spanplatten-,

48

1 Grundlagen der Rohrvortriebstechnik

Sperrholz- oder auch aus Vollholzsegmenten. Beim Vollholz haben sich weiche bis mittelharte Holzarten (z. B. Fichte, Ahorn etc.) bew¨ahrt. BucheVollholz ist im unteren Lastbereich sehr steif und findet als Material bei Druckausgleichsringen seltener Anwendung. Segmente aus Vollholz m¨ ussen astfrei sein. Druck¨ ubertragungsringe werden meist bauseits aus Segmenten zusammengesetzt. Im Fall von Vortriebsrohren mit Kreisringquerschnitt sind dies Kreisringsegmente. Druck¨ ubertragungsringe sollen eine direkte Pressung der Betonoberfl¨ achen benachbarter Vortriebsrohre ausschließen und damit das Risiko von Gewaltsch¨ aden beim Vorpressen minimieren. Dar¨ uber hinaus sollen sie Unebenheiten und Nichtparallelit¨ aten der Rohrspiegel, die im Rahmen der zul¨ assigen Rohrtoleranzen auftreten k¨ onnen, ausgleichen. Bei Steuerkorrekturen oder auch bei planm¨aßiger Kurvenfahrt mit Parallelspiegelrohren kommt den Druck¨ ubertragungsringen hinsichtlich der asymmetrischen Druckspannungsverteilung auf Grund der Kompressibilit¨at von Holz/Holzwerkstoffen ebenfalls eine ausgleichende Funktion zu. Die nutzbare Druckfl¨ ache wird durch den Druck¨ ubertragungsring bei Kurvenfahrt vergr¨oßert. Auch bei geraden Vortrieben muss der Druck¨ ubertragungsring generell eine Abwinklung von α = 0, 6o erm¨ oglichen, um Steuerkorrekturen vornehmen zu k¨ onnen (vgl. 1.2.2). Als Richtwert f¨ ur die St¨arke eines Druck¨ ubertragungsringes beim Einbau kann bei geradliniger Rohrtrasse von 10 % der Rohrwandst¨arke ausgegangen werden. Nach dem ATV-Arbeitsblatt A 125 [104] gilt f¨ ur die Mindestdicke D des Drucku ¨bertragungsringes min DRing = 4 · ∆amax = 4 (amax − amin ) ,

(1.2)

ur jedes Rohrende einzeln zu bestimmende Abweichung von wobei ∆amax die f¨ der Rechtwinkligkeit ist. Werte f¨ ur die maximal zu erwartenden Abweichungen der Rechtwinkligkeit von der Stirnfl¨ ache zur Mantelfl¨ache sind in Tabelle 1.12 angegeben.

Schemaskizze

Bild 1.10. Abweichungen von der Rechtwinkligkeit der Rohrstirn߬ ache

1.5 Rohrverbindungen und Dichtungen

49

Die radiale Breite der Druck¨ ubertragungsringe soll um ein geringes Maß kleiner sein als die Rohrwandst¨ arke. Als Solldifferenzmaß wird im Wandst¨arkenbereich begehbarer Vortriebsrohre h¨ aufig von 50 mm ausgegangen. Zu beachten ist, dass bei einem radial sehr breiten Druckring vor dem Einbau der Innendichtung unter Umst¨ anden jeder einzelne Rohrstoß (z. B. mittels Kettens¨age im Einstechverfahren) aufgefr¨ ast werden muss. Bei radial sehr schmalem Druckring sind ggf. vor dem Einbau der Innendichtungen Schaumstoffprofile zum Auff¨ uttern der Rohrstoßfuge erforderlich. Außerdem steht nur eine entsprechend geringe Fl¨ache zur Druck¨ ubertragung zur Verf¨ ugung. Hinsichtlich der Werkstoffauswahl sind eine hohe R¨ uckverformbarkeit bei Entlastung und eine hohe Nachgiebigkeit S DRing S= (1.3) E⊥ u unstig einzustufen. Die Nachgiebigkeit S ist ¨ ber den gesamten Lastbereich als g¨ der Kehrwert des im Grundbau allgemein u ¨ blichen Bettungsmoduls ks . Infolge der vielfachen Druckschwellbelastung beim Rohrvorpressen werden die Druck¨ ubertragungsringe aus Vollholz/Holzwerkstoffen zun¨achst elastisch, dann plastisch zusammengedr¨ uckt. Hierbei kommt es zu einer irreversiblen Abnahme der Segmentst¨ arke. Der plastische Verformungsanteil von Holzwerkstoffen (z. B. Spanplatten) und astfreiem Vollholz ist deutlich gr¨oßer als der elastische Verformungsanteil. Bei einem Druck¨ ubertragungsring aus Spanplattenmaterial mit einer Einbaust¨ arke von 30 mm ist nach dem Vorpressen mit einer durchschnittlichen Fugenbreite von 20 mm – 22 mm zu rechnen. Vollholz und Holzwerkstoffe zeichnen sich durch eine relativ geringe Querdehnung aus. Wie Bild 1.11 (in Anlehnung an [143], Bild 2) zeigt, weichen die spannungsabh¨ angigen Moduln bei den einzelnen Holzarten und Holzwerkstoffen insbesondere bei relativ kleinen Druckspannungen (σ⊥ ≤ 20 MPa) zum Teil deutlich voneinander ab.2 Bei Buchenholz steigt der Elastizit¨ atsmodul im unteren Lastbereich (0 < σ⊥ < 10 MPa) sehr stark an, um bei Druckspannungen in der Gr¨oßenordnung von 10 MPa und 20 MPa wieder stark abzufallen. Das Steifigkeitsverhalten von Buchenholz variiert damit relativ stark. Pressspanplatten weisen demgegen¨ uber ein best¨ andigeres, sehr viel weicheres“ Verhalten auf. Der Elastizit¨atsmodul von ” Pressspannplatten steigt auf vergleichsweise niedrigem Niveau nahezu linear mit der Druckspannung an. Da Pressspanplatten einen geringen federelastischen R¨ uckstellweg hervorrufen, sind sie f¨ ur viele Rohrvortriebsrandbedingungen gut geeignet. In statischen Rohrnachweisen wird bei gering ausgepr¨agter Lastabh¨angigkeit des E-Moduls (Fichtenvollholz, Pressspanplatten) meist ein konstanter EModul angesetzt. Beispielsweise findet sich f¨ ur Druck¨ ubertragungsringe aus Fichtenvollholz in statischen Rohrnachweisen h¨aufig der Festwert E⊥ = 35 MPa (vgl. Bild 1.11) oder auch ein Festwert von E⊥ = 30 MPa. 2

Die in diesem Zusammenhang verwendeten Elastizit¨ atsmoduln“ sind inkrementelle ” Moduln f¨ ur den jeweiligen Spannungsbereich. Sie sind nicht identisch mit dem Elastizit¨ atsmodul der Technischen Mechanik.

50

1 Grundlagen der Rohrvortriebstechnik

Spannungsabh¨ angikeit der Elastizit¨ atsmoduln in Anlehnung an [143], Bild 2 Bild 1.11. Elastizit¨ atsmoduln E f¨ ur Vollholz und Holzwerkstoffe

Bei einer Verwendung von Gummi- bzw. Kunststoffringen werden infolge der gegen¨ uber Holz gr¨ oßeren Querdehnung auf den Rohrstirnfl¨achen Schubspannungen geweckt, die ein Aufreißen des Betons im Spiegelbereich beg¨ unstigen. Gummi und Kunststoffe sind daher f¨ ur Druck¨ ubertragungsringe weniger geeignet. Als Neuentwicklung bei den Druckausgleichsringen aus Gummi- bzw. Elastomermaterial sind segmentierte Ringe aus einzelnen im Abstand zueinander stehenden Druck¨ ubertragungselementen zu nennen. Die axiale Kompression der Druck¨ ubertragungselemente f¨ uhrt zu einer reversiblen Querverformung, bis der Spalt zwischen jeweils benachbarten Druck¨ ubertragungselementen geschlossen ist. Als einer der Vorteile, der sich aus dem Verhalten dieses Druckausgleichsringes ergibt, wird unter anderem eine optimale Druckverteilung auf den Rohrspiegel genannt [160]. Bei der Verwendung h¨ olzerner Druck¨ ubertragungsringe ist das Ph¨anomen von Betonabplatzungen im Bereich der Rohrst¨ oße ebenfalls nicht selten zu beobachten. Als prim¨ are Ursache f¨ ur die Abplatzungen sind Randzugkr¨afte und Spaltzugkr¨afte zu nennen, die sich infolge der Druckkrafteinleitung im rohrspiegelnahen Bereich ausbilden k¨ onnen und nicht durch eine entsprechende Bewehrung abgedeckt sind. Mit einer stirnseitigen B¨ ugelbewehrung und einer Spaltzugbewehrung entsprechend [147] k¨ onnte die Bedeutung des Problems sicherlich entscheidend reduziert werden.

1.5 Rohrverbindungen und Dichtungen

51

Die Druck¨ ubertragungsringe haben keine abdichtende Funktion und d¨ urfen nicht impr¨ agniert sein. Die Montage der Druck¨ ubertragungsringe erfolgt im ¨ Regelfall bauseits auf der Rohrstirnseite mit dem Stahlf¨ uhrungsring. Ublich sind folgende Befestigungsvarianten: – Ankleben mit Spezialkleber, – D¨ ubeln und Verschrauben, – Befestigen mit Schussbolzen [137].

1.5.2

Stahlf¨ uhrungsring

Stahlf¨ uhrungsringe werden auch als Stahlmanschetten bezeichnet und stellen die ¨ formschl¨ ussige Ubergreifung aufeinanderfolgender Vortriebsrohre dar. Sie bestehen aus gebogenem, stirnseitig verschweißtem Stahlblech und haben im Wesentlichen folgende Funktionen: – – –

¨ Ubergreifung und seitliche F¨ uhrung des Rohrstranges, Aufnahme von Radialkr¨ aften, Abdichtungsfl¨ache außen liegender Kompressionsdichtungen. Daher ist nur eine sehr begrenzte Formtoleranz (insbesondere Muffenspaltweite, vgl. 1.2.2) zul¨assig.

Da die Stahlf¨ uhrungsringe nicht u urfen, weist ¨ber den Rohrmantel hinausragen d¨ ¨ der Rohrmantel im Ubergreifungsbereich einen geringeren Durchmesser auf. Die ¨ Ubergreifung erfolgt jeweils etwa zur H¨ alfte bei Vorg¨anger- und Nachfolgerrohr. Es wird zwischen 2 Typen unterschieden: 1. Stahlf¨ uhrungsringe, die werkseitig unl¨ osbar mit dem Vortriebsrohr verbunden sind, z. B. u ber Stehbolzen, Ankerst¨ a be oder L-Profile, ¨ 2. lose Stahlf¨ uhrungsringe, die als eigenst¨ andige Bauteile auf der Baustelle zwischen jeweils zwei benachbarten Vortriebsrohren, eingebaut werden. Bei dieser Variante m¨ ussen die Vortriebsrohre zwei gleichartige Spitzenden aufweisen. Bei der Mehrzahl der Vortriebsrohre ist der Stahlf¨ uhrungsring fest mit dem Stahlbetonrohr verbunden. Die Blechdicke betr¨agt meist zwischen 10 mm und 16 mm. Die Abmessung des Stahlf¨ uhrungsringes in Rohrl¨angsrichtung liegt im Regelfall zwischen 200 mm und 300 mm, wobei bei Rohrvortrieben auf Bogentrassen das f¨ ur die maximale Abwinklung erforderliche Maß rechnerisch zu bestimmen ist. Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn am Stahlf¨ uhrungsring Ankerst¨ abe angeschweißt sind, die mit der Rohrbewehrung u ¨ bergreifen. Die Fuge zwischen Rohrbeton und Stahlf¨ uhrungsring wird bei dieser Konstruktion werkseitig abgedichtet. Als Wassersperre k¨ onnen z. B. ein am Stahlf¨ uhrungsring innen angeschweißtes, umlaufendes Stahlprofil oder eine spezielle Profilierung des F¨ uhrungsring-Innenmantels vorgesehen werden. Der Sickerweg wird durch diese Maßnahmen verl¨angert. Bei der Variante des losen Stahlf¨ uhrungsringes ist von Nachteil, dass bauseitig je Rohrstoß zwei außenliegende Fugen mittels Kompressionsdichtungen

52

1 Grundlagen der Rohrvortriebstechnik

abzudichten sind. Wegen der Gefahr der Verkantung eignet sich diese Variante im Wesentlichen nur f¨ ur gerade Rohrvortriebe. Zum erleichterten Zentrieren und kontinuierlichen Zusammendr¨ ucken der Lippendichtungen beim Zusammenschieben eines Rohrstoßes sind die Stahlf¨ uhrungsringe oftmals entlang der umlaufenden Innenkante angefast. Werkstoffauswahl und Korrosion Bei gew¨ ohnlichen Einbaubedingungen reicht als Werkstoff f¨ ur Stahlf¨ uhrungsringe Baustahl S 235 (Werkstoff-Nr. 1.0037; alte Bez. St 37) ohne einen besonderen Korrosionsschutz aus, da das Korrosionsrisiko auf Grund der relativ großen u ¨ blichen Blechdicke als gering angesehen werden kann. Die Verwendung von S 355 (Werkstoff-Nr. 1.0570; alte Bez. St 52-3), von wetterfestem Feinkornbaustahl (z. B. COR-TEN A) bzw. h¨ oherwertiger Stahlsorten ist m¨oglich. Im Fall einer signifikanten Korrosionsbeanspruchung werden f¨ ur Stahlf¨ uhrungsringe Bleche z. B. aus nichtrostenden St¨ ahlen oder aus Baust¨ahlen verwendet, deren Oberfl¨ache ¨ durch Feuerverzinkung oder durch einen geeigneten Uberzug (z. B. aus Kautschukelastomer-Material) gesch¨ utzt ist. Teilweise wird bei Vorliegen eines stark korrosiven Milieus f¨ ur Stahlf¨ uhrungsringe auch Baustahl verwendet. Diese Stahlf¨ uhrungsringe m¨ ussen dann aber gem¨aß ATV-Arbeitsblatt A 125 [104] mit einem Abrostungszuschlag nach DIN 50929, Teil 3, [85] bemessen werden. Ein korrosives Milieu kann an der Rohrinnenseite, durch das im Rohr befindliche Medium bzw. an der Rohraußenseite, durch entsprechende Boden- oder Wasserinhaltsstoffe gegeben sein. Bei begehbaren Rohrquerschnitten besteht die M¨ oglichkeit, nach Vortriebsende in die Rohrst¨oße Innendichtungen einzubauen, so dass damit eine Einwirkung korrosiver Medien von der Rohrinnenseite aus auf den Stahlf¨ uhrungsring unterbunden werden kann. Bei den nicht begehbaren Querschnitten k¨ onnen keine Innendichtungen eingebaut werden. Dies bedeutet, dass entweder das im Rohr zu f¨ ordernde Medium durch einen geeigneten Inliner geleitet werden muss oder der Stahlf¨ uhrungsring in geeigneter Form zu sch¨ utzen bzw. aus korrosionsbest¨ andigem Stahl auszuf¨ uhren ist. Bei einem korrosiven Angriff von der Erdseite aus, verbleiben im Wesentlichen die beiden zuletzt genannten M¨ oglichkeiten. Als Beurteilungsgrundlage f¨ ur den korrosiven Angriffsgrad von der Erdseite aus wird DIN 50929, Teil 3, [85] verwendet. Als Korrosionsrisiken sind zu nennen: – korrosive Zerst¨ orung der Anpressfl¨ ache der Prim¨ardichtung und damit Verlust der abdichtenden Wirkung, – korrosive Zerst¨ orung des gesamten Stahlf¨ uhrungsringes mit Verlust der Dichtwirkung und der Elementkopplung. Im Sammlerbau werden die Stahlf¨ uhrungsringe teilweise mit einem bitumin¨osen Anstrich versehen. Werden in Rohrstoßfugen mit bitumin¨os gestrichenen Stahlf¨ uhrungsringen (oder bitumin¨ os gestrichenen Rohrspiegeln) zus¨atzlich l¨ osungsmittelhaltige Materialien (z. B. Zweikomponentendichtungen) eingebaut, so kann es zu einem Anl¨ osen des trockenen bitumin¨osen Anstrichs kommen.

1.5 Rohrverbindungen und Dichtungen

53

¨ Galvanische Uberz¨ uge auf dem Stahlf¨ uhrungsring sind als Korrosionsschutz nach dem ATV-Arbeitsblatt A 125 nicht zul¨assig, da infolge der Abriebbeanspruchung beim Vorpressen mit einer Besch¨adigung galvanischer ¨ Uberz¨ uge zu rechnen ist. Gleiches gilt f¨ ur polymere Beschichtungen mit Schichtdicken < 1 000 µm (= 1 mm). Einige Hersteller von Vortriebsrohren lackieren die Stahlf¨ uhrungsringe vor der Auslieferung in den Kennfarben ihrer Firma. F¨ uhrungsringe aus GFK-Material finden derzeit Anwendung bei Abwasserrohren aus Polymerbeton im Nennweitenbereich bis DN 1000 [149].

1.5.3

Außendichtung

1.5.3.1

Anforderungen und Funktionsprinzip

Rohrverbindungen sind so zu konstruieren, dass alle Dichtungsfunktionen dauerhaft allein von der Außendichtung zwischen Stahlf¨ uhrungsring und Spitzende u onnen. Hierbei gilt das Prinzip, dass eine abdichtende ¨ bernommen werden k¨ Wirkung in beiden Richtungen (von außen nach innen und von innen nach außen) zu gew¨ ahrleisten ist. Die Außendichtung wird bei Stahlbeton-Vortriebsrohren u uhrt. Die Kompressionsdichtung ¨blicherweise als Kompressionsdichtung ausgef¨ wird dabei im Regelfall am Außenumfang im Bereich des Rohrspitzendes ¨ aufgeklebt. Beim Einschieben des Rohrspitzendes in die Ubergreifungsstrecke des Vorg¨ angerrohres legt sich die Kompressionsdichtung an dessen Stahlf¨ uhrungsring an und wird hierbei elastisch verformt. Die abdichtende Wirkung basiert auf den gummielastischen R¨ uckstellkr¨ aften des Dichtungsmaterials gegen den Stahlf¨ uhrungsring. Hierbei treten erhebliche Radialkr¨afte auf. Experimentelle Untersuchungen am Otto-Graf-Institut Stuttgart [158] zeigten, dass beispielsweise bei einer Muffenspaltweite von 10 mm und der Verwendung eines trapezf¨ormigen Elastomer-Dichtungsprofils von 30 mm Auflagerbreite und 26 mm Keilh¨ohe im Ausgangszustand bei Variation verschiedener Parameter R¨ uckstellkr¨afte von 20 bis 30 kN/lfd. m Rohrumfang geweckt werden. Der Stahlf¨ uhrungsring wird durch das Anpressen der Kompressionsdichtung um ein geringes Maß radial aufgeweitet. Die im Stahlf¨ uhrungsring und in der Schweißnaht des Stahlf¨ uhrungsrings erzeugten Spannungen k¨onnen mit den Kesseldruckformeln bestimmt werden. Zur Erzielung einer optimalen Abdichtung ist die Einhaltung der Toleranzen der Muffenspaltweite (vgl. 1.2.2) entscheidend. 1.5.3.2

Werkstoffe

Meist bestehen Außendichtungen f¨ ur Stahlbeton-Vortriebsrohre aus Elastomerwerkstoffen gem. DIN 4060 [32] mit dichter Struktur und hohlraumfreiem Querschnitt. Diese Werkstoffe sind in der Regel gegen Wasser, verd¨ unnte S¨auren, ¨ Fette und viele andere Stoffe sehr gut best¨andig. Basen, Salzl¨ osungen, Ole, Sch¨ aden an Elastomerdichtungen infolge chemischer Zersetzung sind von Rohrstollen bekannt geworden, die durch kontaminierte B¨oden vorgepresst wurden.

54

1 Grundlagen der Rohrvortriebstechnik

¨ Ubliche Elastomerdichtungen f¨ ur Rohre sind bei nachhaltiger Einwirkung mancher chemischer Verbindungen nicht best¨ andig. Hierzu geh¨oren z. B. Verbindungen in bestimmten L¨ osungsmitteln. F¨ ur den Einsatz in entsprechend kontaminierten Bereichen stehen spezielle Rohrdichtungen aus resistenten Kautschukarten (in der Regel auf Fluor-Kautschuk-Basis (FKM), Produkt-Handelsnamen sind z. B. Viton, Fluorel) zur Verf¨ ugung [151]. 1.5.3.3

Dichtungsformen

Heutiger Standard bei Stahlbeton-Vortriebsrohren sind Dichtungen mit einem keilf¨ ormigen Querschnitt (Gleitringdichtungen mit Keilquerschnitt). Nach den FBS-Qualit¨ atsrichtlinien [127] werden Gleitringdichtungen mit Keilquerschnitt zwingend vorgeschrieben. Hieraus folgt, dass nach [127] f¨ ur StahlbetonVortriebsrohre, die den FBS-Qualit¨ atsstandards entsprechen sollen, generell keine Rollringdichtungen mehr zugelassen sind. Bei Sonderrohren (z. B. Dehnernachlaufrohren mit planm¨aßig wiederholten Verschiebungen innerhalb der Dichtungsfuge) werden teilweise auch Außendichtungsprofile mit Querschnittsformen verwendet, die von der Keilform abweichen. Gebr¨ auchlich sind z. B. kreisf¨ ormige Dichtungsquerschnitte (O-Ringe), die mittels rohraxial angeordneter Spannschrauben im Bedarfsfall vor- bzw. nachgespannt werden k¨ onnen. Bei erh¨ ohten Anspr¨ uchen an eine zuverl¨assige Dichtwirkung der Außendichtung sind redundante Anordnungen bis hin zu Rohr-in-Rohr-Konfiguration m¨ oglich. Die auf einen bestimmten Rohrdurchmesser konfektionierten und f¨ ur einen in Grenzen vorgebbaren Abdichtungsdruck geeigneten, endlosen Außendichtungsprofile werden entweder werkseitig vormontiert oder bauseitig mit Vorspannung auf das Rohrspitzende aufgezogen. Zur verbesserten Haftung der keilf¨ ormigen Dichtungstypen auf dem Mantel des Rohrspitzendes sind die flachen Auflagefl¨ achen der Dichtungsprofile h¨ aufig mit umlaufenden Rillen profiliert. 1.5.3.4

Lagesicherung

Insbesondere bei Vortrieben auf Bogentrassen ist gelegentlich festzustellen, dass außen liegende Gleitringdichtungen infolge mechanischer Einwirkungen beim Vorpressen eine Lageverschiebung erfahren oder umkrempeln und dadurch ggf. funktionslos werden. Nicht selten ist dies die Ursache f¨ ur in den Rohrstollen eindringendes Wasser. Da die Außendichtungen nach dem Einbau der Vortriebsrohre nicht mehr zug¨ anglich sind, besteht f¨ ur eine Nachbesserung im Regelfall nur die M¨ oglichkeit, die undichte Fuge mit einer nachtr¨aglich montierten Innendichtung oder mittels gezielt in den betreffenden Rohrstoß eingebrachten Injektionen abzudichten. Bei Rohren mit einem hohen Dichtheitsanspruch und einem erh¨ ohten Risiko des vortriebsbedingten Ausfalls der Außendichtung (z. B. bei Vortrieben auf schwierigen Bogentrassen), werden teilweise bereits bei der Rohrfertigung entsprechende Kan¨ ale f¨ ur Abdichtungsinjektionen im Bedarfsfall ber¨ ucksichtigt (vgl. Bild 1.15).

1.5 Rohrverbindungen und Dichtungen

55

Zur Lagesicherung des Außendichtungsprofils in Richtung der Rohrachse ist in aller Regel aufgrund der Rohrkonstruktion eine r¨ uckw¨artige St¨ utzschulter vorhanden. Diese ergibt sich aus der Anordnung der Außendichtung auf einer umlaufenden Stufe (Falzmuffe) am Rohrspitzende, die einen kleineren Durchmesser aufweist als der Rohraußendurchmesser. Die H¨ohe der St¨ utzschulter wird auch als Falzweite bezeichnet. Zus¨ atzlich kann eine St¨ utzschulter, z. B. aus Beton oder in Form eines Bundringes aus Stahl, vor der Außendichtung, d. h. an oder in der N¨ ahe der Kante zum Rohrspiegel, zweckm¨aßig sein. Bundringe aus Stahl sind mechanisch wesentlich unempfindlicher als St¨ utzschultern aus unbewehrtem Beton. Durch die genannten Lagesicherungsmaßnahmen wird ein Herunterdr¨ ucken der Außendichtung vom Dichtungssitz infolge hoher ¨außerer hydrostatischer Dr¨ ucke von Gleit- und St¨ utzmittelsuspensionen, die teilweise u ¨ ber dem Nennabdichtungsdruck der Außendichtungen liegen k¨onnen, erschwert. 1.5.3.5

Abdichtungsdruck

Der erforderliche Abdichtungsdruck der Außendichtungen wird vom Auftraggeber vorgegeben. Bei der Festlegung des Nenn-Abdichtungsdrucks der Außendichtung sind der maximale hydrostatische Druck des Grundwassers, ggf. der im Bauzustand erforderliche Luft¨ uberdruck im Rohrinneren sowie die maximalen hydrostatischen Dr¨ ucke der Schmiermittel-Suspension und der Verd¨ammstoff-Suspension zu ber¨ ucksichtigen (10 m Fl¨ ussigkeitss¨ aule erfordern einen Abdichtungsdruck von 1 bar). Die Abdichtung gilt nach DIN 4060 gleichermaßen f¨ ur Fl¨ ussigkeiten und Gase unter Ber¨ ucksichtigung der zul¨ assigen Abwinklung der Rohrverbindung. Im Regelfall liegen die Entwurfsabdichtungsdr¨ ucke f¨ ur die Außendichtung unter 2,5 bar. Bei der Herstellung von Abwasserkan¨alen und -leitungen in Wassergewinnungsgebieten wird nach DIN V 1201 [20], Abschnitt 4.3.7.2.3, der Nachweis eines Abdichtungsdruckes von 2,5 bar gefordert. Bei Stahlbeton-Vortriebsrohren DN 800 bis DN 1000 nach den FBSQualit¨ atsrichtlinien, die auch bei Microtunneling-Vortrieben eingesetzt werden, liegen die garantierten Abdichtungsdr¨ ucke in der gleichen Gr¨oßenordnung. Bei der Pr¨ ufung an einem Strang von mindestens drei Rohren wird die Dichtigkeit bei ¨ einem inneren Uberdruck von 2,5 bar routinem¨aßig nachgewiesen. Von der Rohrkonstruktion selbst sind hinsichtlich der Dr¨ ucke ebenfalls Grenzen gesetzt. Beispielsweise darf bei Stahlbetondruckrohren mit ringf¨ormiger Bewehrung, ohne Blechmantel und ohne ringf¨ormige Vorspannung (RCP-Rohre) der maximale Bemessungsdruck 5 bar nicht u ¨berschreiten [10].

1.5.4

Innendichtung

1.5.4.1

Funktionen

Generelle Aufgabe der Innendichtung ist unabh¨angig von der Nutzung eines Rohrstollens die Bereitstellung einer Abdichtungsreserve im Fall der Funktionslosigkeit der Außendichtung. Bei der weiteren Funktionsbeschreibung

56

1 Grundlagen der Rohrvortriebstechnik

von Innendichtungen ist zwischen unmittelbar durchstr¨omten Rohrstollen (Medienrohrstollen) mit planm¨ aßig benetzten Innenfugen und Infrastrukturstollen mit planm¨ aßig nicht benetzten Innenfugen zu unterscheiden. Bei Medienrohrstollen kann sich der Einbau von Innendichtungen in mehrfacher Hinsicht g¨ unstig auswirken: – Innerer spalt¨ uberbr¨ uckender Fugenverschluss, der zu verbesserten abflusshydraulischen Randbedingungen f¨ uhrt. – Verhinderung des Austritts des im Rohrstrang gef¨orderten Mediums in die Rohrstoßfugen. – Verhinderung des Einschwemmens von Sedimenten in die Rohrstoßfugen. – Verhinderung des Herausl¨ osens von zersetzten Bestandteilen der Druck¨ ubertragungsringe. – Reduzierung der Verkeimung im Bereich der Rohrstoßfugen, durch die verringerte benetzte Oberfl¨ ache. Bei Infrastrukturstollen stehen die spezifische Aufgaben – Fugenverschluss, der einem Zusetzen der Rohrstoßfugen mit Verunreinigungen entgegenwirkt und – definierte Ableitung von Leckagewasser und Sp¨ ulwasser im Wartungsfall im Vordergrund. 1.5.4.2

Anwendungsbereiche und -grenzen

Wo dies m¨ oglich ist, wird in Erg¨ anzung der Außendichtung an der Innenseite des Rohrstoßes in vielen F¨ allen eine Innendichtung eingebaut. Die Ausstattung von Rohrst¨ oßen mit klassischer Außen- und Innendichtung ist nur bei begehbaren Rohrquerschnitten m¨oglich, weil die Innendichtungen mit handwerklichen Verfahren Fuge f¨ ur Fuge eingebaut werden m¨ ussen. Da die Funktion von Innendichtungen unter anderem darin besteht, im Bedarfsfall die Dichtungsfunktion der Außendichtung zu ersetzen, sind an die Funktionsf¨ahigkeit der Außendichtung nicht begehbarer Rohrquerschnitte erh¨ohte Anforderungen zu stellen. Innendichtungen werden im Regelfall nach Beendigung des Rohrvortriebes als umlaufender Fugenverschluss an der Rohrinnenseite zwischen jeweils zwei benachbarten Vortriebsrohren eingebaut. Aufgrund des Einbauzeitpunktes erstreckt sich die Funktion von Innendichtungen in erster Linie auf den Betriebszustand. Nicht alle begehbaren Rohrstollen verf¨ ugen u ¨ ber eine Innendichtung. Beispielsweise erhalten Medienrohrstollen mit einem einfachen Dichtungsstandard sowie Schutzrohrstollen, bei denen der Ringraum zwischen den Vortriebsrohren und den Medienrohren mit D¨ammer verf¨ ullt wird, regelm¨aßig keine zus¨ atzliche Innendichtung.

1.5 Rohrverbindungen und Dichtungen

1.5.4.3

57

Wirkungsweise der Innendichtungssysteme

F¨ ur die Anwendung als Innendichtung werden im Wesentlichen zwei Dichtungssysteme unterschieden: 1. Kompressionsdichtungen, 2. Adh¨ asionsdichtungen. Beim Einbau von Kompressions- und Adh¨asionsinnendichtungen sind geometrische Grundvoraussetzungen im Bereich der Rohrstoßfuge zu erf¨ ullen. Insbesondere muss die Fugenspaltbreite innerhalb bestimmter, vom Dichtungstyp abh¨ angiger Abmessungen liegen. Das ATV-Arbeitsblatt A 125 gibt lediglich eine untere Schranke der Fugenspaltbreite von 10 mm f¨ ur Kompressions- und Adh¨ asionsinnendichtungen vor. Die fr¨ uher im ATV-Merkblatt M 151 angegebene obere Schranke der Fugenspaltbreite ist entfallen. Wird die Mindestfugenspaltbreite unterschritten, so ist vor dem Einbau der Innendichtung eine Verbreiterung erforderlich, die im Regelfall durch Abspitzen des Rohrspiegelbetons erzielt wird. Die Mindestfugentiefe t ist nach dem ATV-Arbeitsblatt A 125 eine Funktion der Fugenspaltbreite b. F¨ ur Kompressionsdichtungen wird gefordert t ≥ 2 b. Da Kompressionsdichtungen auch in Abh¨ angigkeit vom Nennabdichtungsdruck unterschiedliche Querschnitte aufweisen k¨ onnen, ist die tats¨ achlich erforderliche Fugentiefe letztlich vom gew¨ ahlten Dichtungsprofiltyp abh¨ angig und muß vom Dichtungshersteller angegeben werden. Bei einlagigen Adh¨ asionsdichtungen gilt nach ATV A 125, Tabelle 10 (t und b in [mm]): t ≥ 12 +

b . 3

F¨ ur bmin = 10 mm errechnet sich tmin = 16 mm. F¨ ur doppellagige Adh¨ asionsdichtungen gilt analog: 
b . t ≥ 2 12 + 3

(1.4)

(1.5)

F¨ ur bmin = 10 mm errechnet sich tmin = 31 mm. 1.5.4.4

Kompressionsdichtungen f¨ ur die Innenfugen

Analog zum Funktionsprinzip der außen liegenden Gleitkeil-Dichtungen basiert die Dichtwirkung von Kompressionsdichtungen auf den R¨ uckstellkr¨aften des beim Einbau deformierten Dichtungsprofils. Kompressionsdichtungen bestehen h¨ aufig aus geschlossenzelligen Elastomerwerkstoffen (z. B. aus StyrolButadien-Kautschuk, SBR) und werden als Dichtungsprofile (Kreisprofile, Iglu-Profile, Doppellippenprofile u.a.m.) hergestellt. Die Querschnittsgr¨oße des ¨ Kompressionsdichtungsprofils ist auf die Fugenspaltbreite abzustimmen. Andert sich die Fugenspaltbreite entlang der Innenfuge (z. B. bei Parallelspiegelrohren die auf einer Bogentrasse vorgepresst wurden), so bestehen zwei M¨oglichkeiten:

58

1 Grundlagen der Rohrvortriebstechnik

1. Innerhalb einer Rohrstoßfuge kommen abschnittweise verschieden große Kompressionsdichtungsprofile zum Einbau, die zuvor untereinander fachgerecht mit Spezialkleber zusammengef¨ ugt wurden. Werden hierbei Profile mit Kreisquerschnitt verwendet, so k¨ onnen in der Staffelung gr¨oßenm¨aßig aufeinanderfolgende Dichtungsdurchmesser durch Verkleben direkt stumpf gestoßen werden. Der Durchmessersprung der Dichtung wird durch die Kompression beim Einbau kompensiert. 2. Einer der Rohrspiegel erh¨ alt im Bereich der großen Fugenspaltbreite einen Auftrag aus hochfestem Schnellzement, so dass umlaufend ein einheitliches Kompressionsdichtungsprofil montiert werden kann. Kompressionsdichtungsprofile werden meist mittels Hammer und Treibwerkzeug in die Rohrstoßfuge eingebaut. Hierbei muss eine Mindestverformung des Kompressionsdichtungsprofils erreicht werden. Der erzielbare Abdichtungsdruck steht in direktem Zusammenhang mit dem beim ¨ Einbau erzeugten Grad der Profilverformung. Ublicherweise erstreckt sich der Einsatzbereich von Kompressionsdichtungen in Vortriebsrohren auf Dr¨ ucke in der Gr¨ oßenordnung zwischen 0,5 bar und 1,4 (2,6) bar. Infolge eines radial weit nach innen reichenden Druckausgleichsringes kann es erforderlich sein, dass vor dem Einbau der Kompressionsdichtung der Holzring teilweise herausgefr¨ ast oder herausgestemmt werden muss. Tiefreichende Fugen mit parallelen Fugenflanken bed¨ urfen vor dem Einbau von Kompressionsdichtungen dagegen meist keiner Auff¨ utterung“ mit Schaumstoffprofilband. ” Die Best¨andigkeit der u ¨blichen Kautschukwerkstoffe ist weitreichend und erstreckt sich auf Abwasser im Bereich pH 2 bis pH 12, verd¨ unnte S¨auren und Basen. Bedingt geeignet bzw. ungeeignet sind diese Werkstoffe bei dauerhaftem Kontakt mit Benzin, Diesel, Mineral¨ ol, Alkohol und organischen L¨osungsmitteln. 1.5.4.5

Adh¨ asionsdichtungen f¨ ur Vortriebsrohrinnenfugen

Die Dichtwirkung der Adh¨ asionsdichtungen ist im Wesentlichen abh¨angig von den Adh¨ asionskr¨aften entlang der Fugenflanken. Die bei Vortriebsrohren verwendeten, kosteng¨ unstigen Adh¨ asionsdichtungen bestehen meist aus zwei aufeinander abgestimmten Mischungskomponenten, die bei der Dichtungsherstellung bauseitig nach der Rezeptur des Lieferwerkes gemischt werden m¨ ussen. Da die Verfestigung des Dichtstoffes auf einer Verfl¨ uchtigung der in der Mischung enthaltenen L¨ osungsmittel (z. B. Xylol, Diisocyanat-Toluol) besteht, entwickelt sich die volle Adh¨ asions- und Dichtwirkung von Zwei-Komponenten-Dichtungen erst nach einer geraumen Zeit. Auf Grund der freigesetzten L¨osungsmitteld¨ampfe sind Arbeitsschutzmaßnahmen nach Angaben des Dichtmittelherstellers zu ergreifen. Vor dem Einbau des Dichtstoffes sind die Haftfl¨achen an den Rohrspiegeln sachgerecht vorzubereiten. Hierzu geh¨ oren das Entfernen von losen Teilen und von Staub, das Trocknen der Fugenflanken und der Auftrag eines l¨ osungsmittelhaltigen Haftgrundes (Primer). Bei einer zu geringen Fugenspaltbreite ist der Rohrbeton im Bereich der sp¨ ateren Adh¨asionsfl¨achen abzuspitzen. Meist erfolgt dies asymmetrisch, durch Abschr¨ agen einer der beiden Fugenflanken jedes

1.5 Rohrverbindungen und Dichtungen

59

Rohrstoßes. Tiefreichende Luftspalte an den Rohrst¨oßen, infolge eines zu geringen Außendurchmessers des Druck¨ ubertragungsringes werden im Regelfall mittels Schaumstoffprofilb¨ andern aufgef¨ uttert, um die radiale Eindringung des Dichtstoffs zu begrenzen. Bei hoher Beanspruchung der Adh¨asionsinnendichtung kann diese in zwei Lagen u uhrt werden. ¨bereinander ausgef¨ Da die Wirkungsweise von einem sorgf¨ altigen gereinigten und getrockneten Untergrund abh¨angt ist zu stets pr¨ ufen, ob diese Voraussetzungen u ¨ berhaupt geschaffen werden k¨ onnen.

1.5.5

Aufbau von Rohrverbindungen

Nachfolgend ist der Aufbau einiger Standardrohrverbindungen schematisch dargestellt, wie sie beim Stoß von Stahlbeton-Vortriebsrohren h¨aufig ¨ zur Ausf¨ uhrung kommen. Ein umfassender Uberblick u ¨ ber neuzeitliche Rohrverbindungen, einschließlich der vor Jahrzehnten u uhrungen ¨ blichen Ausf¨ findet sich z. B. in [151]. Auf die Darstellung der Rohrbewehrung wurde in den nachfolgenden Schnittskizzen u ¨ berwiegend verzichtet. 1.5.5.1

Rohrverbindungen mit fest verbundenem Stahlf¨ uhrungsring 1 Stahlbeton-Vortriebsrohr 2 Stahlf¨ uhrungsring 3 Druck¨ ubertragungsring aus Holz/Holzwerkstoff 4 Außendichtung (Kompressionsdichtungsprofil aus Elastomerwerkstoff) 5 Innendichtung (Kompressionsdichtungsprofil aus Elastomerwerkstoff) 6 Schaumstoffprofil zum Auff¨ uttern der Rohrstoßfuge (optional, bei Kompressionsdichtungen selten) 7 umlaufender Stahlring zur Verhinderung der Uml¨ aufigkeit der Fuge zwischen Stahlf¨ uhrungsring und Außenmantel 8 Stahlbundring als Kantenschutz des nachlaufenden Rohres 9 R¨ uckverankerung des Stahlf¨ uhrungsrings

Bild 1.12. Standardrohrverbindung mit Kompressionsinnendichtung

60

1 Grundlagen der Rohrvortriebstechnik

1 – 6 wie bei Bild 1.12 7 umlaufende Fuge mit Bitumenkittmasse als dauerplastisches Dichtmittel zur Verhinderung der Uml¨ aufigkeit 8 Stahlbundring als Kantenschutz des nachlaufenden Rohres 9 Ankerbolzen (Stehbolzen) zur R¨ uckverankerung des Stahlf¨ uhrungsrings

Bild 1.13. Standardrohrverbindung mit Kompressionsinnendichtung (Varianten bei der Abdichtung gegen Uml¨ aufigkeit des Stahlf¨ uhrungsrings und bei der Verankerung des Stahlbundrings)

1 – 4 wie bei Bild 1.12 5 Innendichtung (Zweikomponenten-Adh¨ asionsdichtung) 6 Schaumstoffprofil zum Auff¨ uttern der Rohrstoßfuge (optional, bei Adh¨ asionsdichtungen h¨ aufig) 7 umlaufendes Stahlprofil in Ringform zur Verhinderung der Uml¨ aufigkeit 8 Ankerbolzen (Stehbolzen) zur R¨ uckverankerung des Stahlf¨ uhrungsrings

Bild 1.14. Standardrohrverbindung mit Adh¨ asionsinnendichtung (Variante ohne Kantenschutz des nachlaufenden Rohres)

1.5 Rohrverbindungen und Dichtungen

61



1,5 -Injektionsr¨ ohrchen in der Rohrstoßfuge am Umfang verteilt angeordnet (m¨ ogliche Variante f¨ ur erh¨ ohte Anforderungen an die Dichtigkeit nach Vortriebsende, z. B. Vortriebe unter offenen Gew¨ assern, in Wasserschutzgebieten etc.)

1 – 5 wie bei Bild 1.12 6 umlaufender Stahlwinkel zur Verhinderung der Uml¨ aufigkeit 7 Stahlbundring als Kantenschutz des nachlaufenden Rohres und als vordere St¨ utzschulter f¨ ur die Außendichtung 8 9





1,5 -Injektionsr¨ ohrchen im unmittelbaren Stoßfugenbereich Ankerbolzen (Stehbolzen) zur R¨ uckverankerung des Stahlf¨ uhrungsrings

Bild 1.15. Standardrohrverbindung mit Kompressionsinnendichtung mit zus¨ atzlichen Injektionsr¨ ohrchen in der Rohrstoßfuge

1.5.5.2

Rohrverbindungen mit auf beiden Seiten frei aufliegendem (schwimmendem) Stahlf¨ uhrungsring 1 Stahlbeton-Vortriebsrohr 2 Stahlf¨ uhrungsring (nicht fest mit den Stahlbeton-Vortriebsrohren verbunden) 3 Druck¨ ubertragungsring aus Holz/Holzwerkstoff 4 Außendichtung (hier: O-Ring-Dichtungen) 5 Innendichtung (Kompressionsdichtungsprofil aus Elastomerwerkstoff) 6 Weichgummiring zur Verhinderung der L¨ angsverschiebung des Stahlf¨ uhrungsringes und des Eindringens von Boden in die Fuge 7 Stahlbundring als Kantenschutz und als stirnseitige St¨ utzschulter f¨ ur die Außendichtungen

Bild 1.16. Rohrverbindung bei beidseitig frei aufliegendem Stahlf¨ uhrungsring mit Kompressionsinnendichtung, insbesondere f¨ ur kleinere RohrNennweiten

62

1 Grundlagen der Rohrvortriebstechnik

1.6

Halboffener Vortrieb

Die so genannten halboffenen Vortriebsverfahren“ sind eine Mischform ” aus Grabenbauweise und klassischem Rohrvortriebsverfahren. Bislang ist der Baustelleneinsatz zweier technisch unterschiedlicher Verfahren bekannt geworden: 1. Rohrvortrieb im Schutze von Verbau“ [168], ” 2. Rohrvortrieb mit mitlaufenden Vortriebspressen“ [166]. ” Der Einsatz beider Verfahren ist im Regelfall auf den Bau von Rohrstollen ¨ beschr¨ ankt, die eine so geringe Uberdeckung aufweisen, dass ein Bagger von der Gel¨ andeoberfl¨ ache bis auf das Sohlniveau des Rohrstranges reichen kann. Grundelemente dieser Verfahren finden sich beim so genannten gleitenden ” Messerverbau f¨ ur den offenen Graben“ [169]. Im Gegensatz zum geschlossenen Vortrieb wird das anfallende Bodenmaterial aus dem Schneidschuh mittels eines vor Kopf arbeitenden Baggers ausgehoben. Die beschriebenen Verfahren k¨ onnen gegen¨ uber der klassischen Grabenbauweise wirtschaftlich vorteilhaft sein. Allerdings kommt bei beiden Verfahren Spezialger¨at zur Anwendung (z. B. spezielle Schneidschuhe mit First¨offnung), dessen Beschaffung in die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung mit einfließen muss.

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1.6 Halboffener Vortrieb

63

Tabelle 1.13. Merkmale der halboffenen Vortriebsverfahren Vortrieb im Schutze von Verbau Ersteinsatz Stadt Kaarst, Sammler, DN 1600, 1987 Grundprinzip Die Vortriebstechnik ist dem konventionellen Rohrvortrieb nachempfunden, wobei vor dem Vortriebsschild ein Graben von der GOK aus ausgehoben und mittels Verbau gesichert wird. Die Vortriebsrohre werden von einem Startschacht aus vorgepresst. Der Graben dient der Beseitigung von Hindernissen und der Entnahme des gel¨ osten Bodens mittels Bagger aus dem oben offenen Schneidschuh.

Anwendungsgebiete (Beispiele) Das Verfahren ist eine Alternative zur Rohrverlegung im offenen Graben, bei beengten Verh¨ altnissen, z. B. wenn eine geod¨ atisch h¨ oher gelegene, zu erhaltende Parallelrohrleitung in geringem Abstand vorhanden ist. Vortriebsleistung < 35–90 m/Tag Vorteile • Im Gegensatz zur Rohrverlegung im offenen Graben kommt das Verfahren mit einem Graben geringerer Breite aus. Dies bedeutet: geringere Aushub- und Verf¨ ullmassen. • Die Grabenverbaufl¨ ache ist geringer als beim u ¨blichen offenen Graben, da der Verbau nur bis knapp unter die Rohrfirste reicht. • Eine Rohrbettung muss nicht geschaffen werden. • Geringerer Wasserhaltungsaufwand.

Vortrieb mit mitlaufenden Vortriebspressen Stadt Bonn, Sammler, DN 1600, 1993 Analog zum Schildvortrieb mit T¨ ubbingAusbau werden lediglich Arbeitsrohr und Schild mit den im Maschinenrohr eingebauten Hauptvortriebspressen vorgepresst, wobei der Ausbau, d. h. die bereits verlegten Rohre, als r¨ uckw¨ artiges Widerlager dient (sog. Rohrverlegung ” nach hinten“). Die Vortriebsrohre selbst werden nicht verschoben. Durch den u ¨ber die gesamte Vortriebsstrecke erforderlichen Graben werden die Vortriebsrohre eingesetzt und der gel¨ oste Boden entnommen. Zum Einheben jedes neuen Vortriebsrohres werden die Kolben der Hauptvortriebspressen ganz in das Arbeitsrohr zur¨ uckgezogen. Das Verfahren ist eine Alternative zur Rohrverlegung im offenen Graben f¨ ur Rohre > DN 1000.

< 25–40 m/Tag •

•

• • • • • •

Im Gegensatz zum klassischen Rohrvorwerden die Rohre nicht verschoben und damit im Bauzustand weniger stark beansprucht. Die Grabenbreite entspricht dem Rohraußendurchmesser, ein Arbeitsraum kann entfallen. Eine Rohrbettung muss nicht geschaffen werden. Eine Pressgrube kann entfallen. Grabenverf¨ ullarbeiten k¨ onnen sofort ausgef¨ uhrt werden. Keine technische Begrenzung der Vortriebsl¨ ange. Geringerer Wasserhaltungsaufwand. Umgehende Herstellung von Hausanschlussleitungen m¨ oglich.

64

1.7

1 Grundlagen der Rohrvortriebstechnik

Ferngesteuerte Vortriebsverfahren f¨ ur kleine bis mittlere Querschnitte

Bei kleinen und mittleren begehbaren Rohrdurchmessern bietet sich der Einsatz ferngesteuerter, unbemannter Vortriebsverfahren an. Die derzeit bedeutsamsten Verfahren sind: 1. das gesteuerte Pressbohrverfahren, bis etwa DN 1400, und 2. ferngesteuerte Vortriebe mit Schildvortriebsmaschinen, in der Regel bis etwa DN 1800. F¨ ur die Anwendung ferngesteuerter Rohrvortriebe gibt es grunds¨atzlich keine Beschr¨ ankung hinsichtlich des Durchmessers. Beispielsweise wurde im Zusammenhang mit dem Europipe-Projekt [161] ein mehr als 2,5 km langer Vortriebsrohrstollen, DA 3800, mittels Hydroschild ferngesteuert aufgefahren. Ferngesteuerte Vortriebsverfahren k¨ onnen in vielen Bodenarten und in Fels geringer bis mittlerer Festigkeit angewandt werden. Schwierig sind vor allem das Durchfahren breiiger und weicher B¨oden mit schwimmend eingelagerten Steinen sowie das Durchfahren locker gelagerter, rolliger B¨oden mit eingelagerten großen Steinen, da die Steine aufgrund der schlechten Einspannung nicht konventionell abfr¨ asbar sind. Das Antreffen von Steinen und Hindernissen (z. B. bewehrter, zusammenh¨ angender Bauschutt) kann zum Steckenbleiben des Vortriebes f¨ uhren und aufw¨ andige Bergungsmaßnahmen (Zwischenschacht, Gegenvortrieb) erzwingen. Die ferngesteuerten Verfahren erlauben eine Reduzierung des aufzufahrenden Querschnitts, wenn dieser im Entwurf allein wegen der Erm¨oglichung bemannter Vortriebsverfahren gr¨ oßer gew¨ ahlt wurde als abflusshydraulisch erforderlich. Allerdings setzen einige Schildvortriebsmaschinensysteme, z. B. die Systeme mit suspensionsgest¨ utzter Ortsbrust, relativ große Mindestquerschnitte voraus.

1.7.1

Gesteuerte Pressbohrverfahren

Der Schwerpunkt des Einsatzbereichs gesteuerter Pressbohrverfahren liegt bei Rohrvortrieben im nicht begehbaren Durchmesserbereich. Große Pressbohrmaschinen erm¨ oglichen jedoch auch Rohrvortriebe f¨ ur kleinere begehbare Querschnitte. Die derzeit gr¨ oßten Maschinen decken den Anwendungsbereich bis etwa DN 1400 (im Extremfall bis DN 1800) ab. Der Gesteinsabbau an der Rohrortsbrust erfolgt mittels eines Bohrkopfes mit nachfolgender F¨ orderschnecke. Da die Antriebseinheit im Startschacht steht und das Antriebsmoment f¨ ur den Bohrkopf u ¨ ber das Schneckengest¨ange u ¨ bertragen werden muss, sind die m¨ oglichen Vortriebsl¨angen begrenzt. In Abh¨angigkeit vom Maschinentyp, vom Bohrdurchmesser und vom zu l¨osenden Gestein werden Vortriebsl¨ angen zwischen ca. 40 m und ca. 100 m erzielt. Das Pressbohrverfahren eignet sich haupts¨achlich zum Auffahren von Vortriebsstrecken in Lockergestein. Der f¨orderbare Gr¨oßtkorndurchmesser f¨ ur

1.7 Ferngesteuerte Vortriebsverfahren f¨ ur kleine bis mittlere Querschnitte

65

Einzelk¨ orner ergibt sich aus dem Leitblechabstand der F¨orderschnecke bezogen auf einen Schneckengang. Der Leitblechabstand liegt vielfach im Durchmesserbereich von Grobkieskorn bis Steinkorn, d. h. zwischen 60 mm und 100 mm. Grobst¨ uckigeres Material bis etwa 0, 3· DN kann mit Hilfe eines am Bohrkopf angeflanschten Kegelbrechers auf eine schneckeng¨ angige bzw. pumpf¨ahige Fraktion von ca.  30 mm–40 mm zerkleinert werden. F¨ ur felsiges Material kommen mit Rollenbohrmeißeln best¨ uckte Bohrk¨ opfe zur Anwendung. Das L¨osen bindigen Materials von fester Konsistenz (Klasse LBM 3 gem¨aß DIN 18319) kann ggf. durch Wasserzugabe an der Rohrortsbrust erleichtert werden. Der Einsatz des Pressbohrverfahrens in grundwasserf¨ uhrenden Schichten ist mit einer Standardausr¨ ustung nur eingeschr¨ ankt m¨oglich. Bei Verwendung einer zus¨ atzlichen Schottung bzw. einer Druckluftst¨ utzung der Rohrortsbrust sind auch Pressbohrvortriebe in grundwasserf¨ uhrenden Schichten m¨oglich. Auf der gesamten mit dem Verfahren erzielbaren Vortriebsl¨ange sind bei gesteuerten Pressbohrvortrieben folgende Vortriebstoleranzen erzielbar: vertikal: ±30 mm; horizontal: ±50 mm Bei ungesteuerten Pressbohrvortrieben sind die Vortriebstoleranzen weitaus gr¨oßer. Im Durchmesserbereich bis DN 800 betragen die Vortriebstoleranzen nach allen Seiten ca. 1 %–2 % der Vortriebsl¨ ange.

1.7.2

Einsatz ferngesteuerter Schildvortriebsmaschinen (Microtunneling)

Der Einsatz ferngesteuerter Schildvortriebsmaschinen mit hydraulischer Bohrgutf¨ orderung ist bei Vortriebsl¨ angen von mehr als 100 m heute im Durchmesserbereich bis etwa DN 1200, teilweise auch bis DN 1800, als Standardtechnologie zu bezeichnen. Der Gesteinsabbau erfolgt bei den verschiedenen Maschinentypen entweder mit einem Schneidrad im Vollschnittverfahren oder mit einem mit Rollenmeißeln best¨ uckten Fr¨askopf. Auf dem Vollschnittprinzip beruhen beispielsweise die Maschinen der Baureihe AVN 800-1200 (Herrenknecht AG). Vollschnittmaschinen k¨onnen mit einem Kegelbrecher ausger¨ ustet werden, der gel¨ oste Steine so zerquetscht, dass die Bruchst¨ ucke in pumpf¨ ahiger Fraktion vorliegen. Als Vertreter der mit Rollenmeißeln best¨ uckten Vortriebsmaschinen ist z. B. die Bauserie AVN 1200 T von Herrenknecht zu nennen. Im Durchmesserbereich bis DN 1200 befinden sich die Antriebsaggregate oftmals in einem u ur ¨bert¨agigen Container. Bei Maschinen f¨ gr¨oßere Durchmesser (> ca. DN 1200) befindet sich das Antriebsaggregat in einem Nachlaufrohr. Dar¨ uber hinaus sind Vollschnittmaschinen mit Trockenf¨orderung des Bohrgutes u orderschnecke im Einsatz (z. B. die Vortriebsmaschine AVT ¨ ber eine F¨ 800 von Herrenknecht mit einem Antriebsaggregat im u ¨ bert¨agigen Container). Schildvortriebsmaschinen mit einer Ortsbrustst¨ utzung durch Bentonitsuspension oder Erdmaterial eignen sich f¨ ur Vortriebe bei stark wechselhaften geologischen Verh¨ altnissen sowie unter und u ¨ber dem Grundwasserspiegel.

66

1 Grundlagen der Rohrvortriebstechnik

Tabelle 1.14. Einsatzbereiche von Microtunneling-Maschinen Boden- bevorzugter Einsatzart bereich Klassen gem. DIN 18319 bindig LB 1/2/3 LB 1/2/3 + S1 nichtbindig

bindig

nichtbindig

bindig

nichtbindig

Einschr¨ ankungen und Erg¨ anzungen

Rohrweite Maschinen- F¨ orderung DN system und des AbbauBohrgutes werkzeug [mm] nicht f¨ ur DN > 800 800 SM-V Schnecke (instabile Ortsbrust) Einzelrotor- trocken bohrkopf, LN 1/2/3 in grundwasserf¨ uhrenden wenn steinLN 1/2/3 + S1 Schichten Druckluftbehaltig mit aufschlagung der OrtsKegelbrust m¨ oglich brecher LB 2/3 + S1 nicht f¨ ur DN > 800 800 TBM-S Schnecke LB 2/3 + S2 (instabile Ortsbrust) Felsbohrtrocken kopf mit nicht f¨ ur weiche binRollendige/locker gelagerte meißel nichtbindige B¨ oden, LN 2/3 + S1 mit Steinen LN 2/3 + S2 in grundwasserf¨ uhrenden Schichten Druckluftbeaufschlagung der Ortsbrust m¨ oglich LB 1 Mindestdurchmesser 800–1000 SM-V hydrauLB 2 DN 800 800–1400 Einzelrotor- lisch LB 3 800–1500 bohrkopf, LB 1 + S1 keine weichen 800–1000 wenn steinLB 2 + S1 bindigen B¨ oden mit 800–1400 haltig mit LB 2 + S2 Zusatzklassen 800–1200 KegelLB 2 + S3 S2 und S3 1000–1200 brecher LB 3 + S1 keine Zusatzklasse S4 800–1500 LB 3 + S2 800–1500 LB 3 + S3 1000–1500 LN 1 + S1 keine Zusatzklassen 800 LN 2 + S1 S3 und S4 800–1200 LN 2 + S2 LN 3 + S1 LN 3 + S2

Abk¨ urzungen: Zu den Bodenklassen siehe auch 1.2.1 SM-V: Schildmaschine mit Vollschnittabbau TBM-S: Tunnelbohrmaschine mit Schild LB: bindige B¨ oden (LBM + LBO, mineralisch und organogen) 1: breiig - weich 2: steif - halbfest 3: fest LN: nichtbindige B¨ oden (LNE + LNW, eng, weit und intermittierend gestuft) 1: locker 2: mitteldicht 3: dicht

1.7 Ferngesteuerte Vortriebsverfahren f¨ ur kleine bis mittlere Querschnitte

67

Tabelle 1.14. (Fortsetzung) Boden- bevorzugter Einsatzart bereich Klassen gem. DIN 18319 bindig LB 1 LB 1 + S1 LB 1 + S2 LB 2 LB 2 + S1 LB 2 + S2 LB 3 LB 3 + S1 LB 3 + S2 nicht- LN 1/2/3 bindig LN 1/2/3 + S1 LN 1/2/3 + S2 LN 2/3 + S3 LN 2/3 + S4 bindig

nicht bindig

Fels

LB 2 + S1 LB 2 + S2 LB 2 + S3 LB 2 + S4 LB 3 + S1 LB 3 + S2 LB 3 + S3 LB 3 + S4 LN 2/3 + S1 LN 2/3 + S2 LN 2/3 + S3 LN 2/3 + S4 FZ1, FD1 FZ2, FD2 FZ3, FD3

Einschr¨ ankungen und Erg¨ anzungen

nicht f¨ ur DN > 800 (instabile Ortsbrust) DN 1400 – DN 1500 ohne Suspensionsst¨ utzung m¨ oglich DN 1400 – DN 1600 ohne Suspensionsst¨ utzung m¨ oglich nicht f¨ ur DN > 800 (instabile Ortsbrust)

Rohrweite MaschinenDN system und Abbauwerkzeug [mm] ≥ 1400 SM-V Einzelrotorbohrkopf, ≥ 1500 mit suspensionsgest¨ utzter Ortsbrust und mit ≥ 1600 Druckluftpolster zur Steuerung des Suspensions≥ 1400 druckes, wenn steinhaltig mit Kegelbrecher

F¨ orderung des Bohrgutes hydraulisch

keine locker gelagerten rolligen B¨ oden mit Zusatzklassen S3 und S4 800–1200 TBM-S hyFelsbohrkopf mit drauRollenmeißeln lisch 1000–1200 800–1200

1000–1500 800–1200

FZ4, FD 4 bedingt l¨ osbar, geringe Werkzeugstandzeit

1000–1200 ≥ 800 TBM-S hyFelsbohrkopf mit drauRollenmeißeln lisch

Der wirtschaftliche Einsatzbereich dieser komplexen Maschinen liegt im Regelfall bei Haltungsl¨ angen von u ¨ber 600 m. Mittels Druckerh¨ohungspumpen sind sehr große Vortriebsl¨ angen realisierbar, wobei Beschr¨ankungen der Vortriebsl¨ angen durch Werkzeugverschleiß, durch die begrenzte aufnehmbare Drucknormalkraft der Vortriebsrohre und durch die hydraulischen F¨orderweiten des Aushubmaterials (vgl. 2.1.4.2) gegeben sind. Bei Microtunneling-Maschinen besteht die M¨ oglichkeit der so genannten Aufdopplung“ des Schildes. Hierdurch ” k¨ onnen in Grenzen verschiedene Ausbruchdurchmesser geschaffen und damit Rohre mit unterschiedlichen Außendurchmessern vorgepresst werden.

68

1 Grundlagen der Rohrvortriebstechnik

Bild 1.17. Schema eines ferngesteuerten Rohrvortriebes (Microtunneling) mit hydraulischer Bohrgutf¨ orderung

Foto: T. Br¨autigam, Stuttgart Bild 1.18. Steuerpult f¨ ur Microtunneling (Fabrikat Herrenknecht)

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2

Vortriebstechnologie: Maschinen und Ger¨ ate

2.1

Gesteinsabtrag, Laden und F¨ ordern

2.1.1

Maschineller Gesteinsabtrag

F¨ ur verschiedene geotechnische Randbedingungen wurden voneinander abweichende Vortriebsmaschinen und -techniken entwickelt. Bei Vortriebsmaschinen werden zwei technische Grundkonzepte unterschieden, das Konzept der Tunnelbohrmaschinen einerseits und das Konzept der Schildmaschinen andererseits. Tunnelbohrmaschinen k¨onnen bei Vortrieben im Festgestein eingesetzt werden, wenn das Gebirge generell standsicher und ein radiales Verspannen der Maschine mittels Pratzen gegen die Hohlraumlaibung m¨oglich ist. In diesem Fall ist der Vortriebsrohrstrang eine von mehreren, zum Teil konkurrierenden Ausbauarten. Bei Rohrvortrieben in Festgesteinsformationen werden auch Tunnelbohrmaschinen mit Schild eingesetzt. Der Anpressdruck dieser Maschinen wird axial in den Rohrstrang u ¨bertragen. Bei den im Zusammenhang mit Rohrvortrieben anteilm¨aßig dominierenden Schildmaschinen wird zwischen Maschinen f¨ ur Vollfl¨achenabbau und solchen f¨ ur Teilfl¨ achenabbau differenziert. Daneben gibt es so genannte Handschilde f¨ ur Vortriebe mit h¨ andischem Abbau, einer speziellen Art des Teilfl¨achenabbaus. F¨ ur den jeweiligen Einsatzfall k¨ onnen unterschiedliche Schildtypen mit verschiedenen Abbaumaschinen kombiniert werden. Vollschnittmaschinen mit einem Einzelrotor erzeugen im Normalfall einen kreisf¨ ormigen Ausbruch, was f¨ ur Vortriebsrohrquerschnitte mit kreisf¨ormiger Außenkontur von Vorteil ist. Wird der Rotor geneigt, so ist ein elliptischer Ausbuchquerschnitt realisierbar. Vortriebsmaschinen mit Teilfl¨achenabbau – dies sind z. B. mit Excavator oder Schr¨ ame best¨ uckte Maschinen – bieten hinsichtlich der Form des Ausbruchquerschnitts eine noch gr¨oßere Variabilit¨at. F¨ ur Vortriebsmaschinen wurden folgende Normen aufgestellt: f¨ ur Horizontale Pressbohrmaschinen f¨ ur Teilschnittmaschinen f¨ ur Tunnelbohrmaschinen

DIN EN 12336 (2005-08) [52] DIN EN 12111 (2003-11) [51] DIN EN 815 (1996-11) [15].

Bei der Ortsbrustst¨ utzung wird im Wesentlichen zwischen ungest¨ utzt bzw. mechanisch teilgest¨ utzt und nichtmechanischer St¨ utzung unterschieden.1 1

Im Tunnelbau wird allgemein zwischen mechanischen, hydraulischen und pneumatischen Systemen unterschieden, obwohl im Sinne der Physik oder der Technischen Mechanik hydraulische oder pneumatische Systeme auch mechanische Systeme sind. Mit mechanisch werden Verfahren oder Einrichtungen bezeichnet, bei denen Kr¨ afte direkt durch Konstruktionsteile (in der Regel Stahlkonstruktionen) ausge¨ ubt werden.

70

2 Vortriebstechnologie: Maschinen und Ger¨ ate

Es ist zwischen vier Schild-Grundtypen zu unterscheiden: 1. Offene Schilde ohne St¨ utzung oder mit Teilst¨ utzung der Ortsbrust durch feste Bauteile (eine bekannte Sonderform ist der so genannte Messerschild, bei dem die Schildschneide in lamellenf¨ ormige, einzeln in Vortriebsrichtung hydraulisch verfahrbare Stahlblechlamellen aufgel¨ost ist). 2. Schilde mit einer Druckluftst¨ utzung der Ortsbrust. 3. Schilde mit einer Fl¨ ussigkeitsst¨ utzung der Ortsbrust (meist Bentonit-Suspension), 4. Schilde mit einer Erddruckst¨ utzung der Ortsbrust (meist breif¨ormiges Bodenmaterial). Zu den Schilden mit St¨ utzmedien siehe die Prinzipskizzen von Bild 3.14. Schilde mit einer Druckluftst¨ utzung der Ortsbrust Der Einsatz dieser Schilde erfolgt bei Rohrvortrieben in Grundwasser f¨ uhrenden Schichten mit Erd¨ uberdeckung, z. B. wenn eine Grundwasserabsenkung ausscheidet oder bei der Unterfahrung offener Gew¨ asser. Dem hydrostatischen Druck des an der Ortsbrust hereindr¨ angenden Wassers wird durch einen Luft¨ uberdruck im Vortriebsschild das statische Gleichgewicht gehalten (siehe 3.6). Es k¨ onnen sowohl Schilde mit einem Teilf¨achenabbau als auch mit einem Vollschnittabbau der Ortsbrust als Druckluftschilde ausgef¨ uhrt werden. Ein Einsatz ist daher mit entsprechender maschineller Best¨ uckung unter vielf¨ altigen geotechnischen Randbedingungen m¨oglich. Die Anwendbarkeit von Druckluftschilden ist bei Kies-Sand-B¨ oden und bei Kies-B¨oden eingeschr¨ankt. Druckluftschilde erm¨ oglichen einen gezielten Abbau von Vortriebshindernissen. Im begehbaren Durchmesserbereich werden Druckluftschilde, bei denen die Mineure planm¨ aßig im Druckbereich arbeiten m¨ ussen, auf Grund arbeitsmedizinischer Aspekte mehr und mehr von Druckluftschilden verdr¨angt, bei denen lediglich der Abbauraum unter Luft¨ uberdruck gesetzt wird. Ein alternativer Einsatz von Druckluft-, Fl¨ ussigkeits- oder Erddruckschilden ist bei den jeweils spezifischeren Anwendungsspektren der beiden letztgenannten Schildbauarten m¨ oglich. Schilde mit einer Fl¨ ussigkeitsst¨ utzung der Ortsbrust Schilde mit Fl¨ ussigkeitsst¨ utzung werden auch als Hydroschilde, Bentonit-Schilde oder Slurry-Schilde bezeichnet. Eine der Hauptmotivationen zur Entwicklung der Fl¨ ussigkeitsschilde bestand darin, die Nachteile des Druckluftschildes im Bereich von B¨ oden großer Durchl¨assigkeit zu umgehen. Der ideale Anwendungsbereich erstreckt sich somit auf den Vollschnittabbau im grobk¨ornigen Lockergesteinsbereich von Mittelsand bis Grobkies. Als St¨ utzfl¨ ussigkeit wird meist Bentonit-Suspension (z. B. aus 50 kg Bentonit auf 1000 l Wasser, statische Fließgrenze τF,stat ≈ 40 N/m2 ) verwendet, die teilweise mit einem Druckluftpolster gegen die Ortsbrust gedr¨ uckt wird (Druckluft¨ Membran-St¨ utzung). Das Druckluftpolster wird h¨aufig mit einem Uberdruck von

2.1 Gesteinsabtrag, Laden und F¨ ordern

71

0,1 bar gegen¨ uber dem a ¨ußeren hydrostatischen Druck eingeregelt. Die BentonitSuspension wird in einem hydraulischen Kreislaufprozess durch Separierung vom gel¨ osten Bodenmaterial wiedergewonnen und erneut an der Ortsbrust verwendet (vgl. 2.1.4.2). Als Konsequenz aus u aßigen Setzungen und Verbr¨ uchen bei der ¨berm¨ Verwendung von Fl¨ ussigkeitsschilden ist eine kontinuierliche, effektive Massenkontrolle u orderten Boden vorzunehmen [171]. Starke ¨ ber den abgef¨ Druckschwankungen infolge der Dichte¨ anderung des St¨ utzmediums werden im Fall einer Suspensionsdrucksteuerung mittels Druckluft durch die als elastische Feder wirkende Druckluftblase ausgeglichen. Hierdurch wird Setzungserscheinungen entgegengewirkt, was vor allem im innerst¨ adtischen Bereich von Vorteil ist. Schilde mit einer Erddruckst¨ utzung der Ortsbrust Schilde mit einer Erddruckst¨ utzung der Ortsbrust werden auch als Erddruckkompensationsschilde, als Erddruckschilde oder, abgek¨ urzt, als EPBSchilde (engl.: earth pressure balanced shield) bezeichnet. Der grundlegende Gedanke der EPB-Technik besteht darin, w¨ ahrend des Rohrvortriebes ein nur so großes Bodenvolumen abzutragen wie es der beim Vortrieb erzeugten Kubatur entspricht. Um dies zu erreichen wird bei Erddruckschilden gel¨oster Boden in einer ¨ Kammer an der Ortsbrust mit Hilfe von Druckluft unter Uberdruck gesetzt. Dem anstehenden Erd- und Grundwasserdruck wird auf diese Weise das Gleichgewicht ¨ gehalten. Im Regelfall werden Uberdr¨ ucke von bis zu 3 bar realisiert. Der ideale Anwendungsbereich erstreckt sich auf den Vollschnittabbau fein- bis sandk¨orniger Lockergesteine (Ton, Schluff, Sand). Ein Kreislaufprozess ist nicht zwingend erforderlich. Hierdurch k¨ onnen sich gegen¨ uber dem Einsatz eines Hydroschildes baubetriebliche Kostenvorteile ergeben. Die F¨ orderung des Bodens aus der Abbaukammer erfolgt in der Regel mittels F¨orderschnecke, in der auch ein entsprechender Druckabbau stattfinden muss, damit das Bohrgut nicht durch die Schneckenwendel schießt. Zur F¨orderung des Erdbreis siehe 2.1.4. Beim Einsatz der Schilde mit Fl¨ ussigkeits- bzw. Erddruckst¨ utzung der Ortsbrust außerhalb der idealen Einsatzbereiche treten h¨aufig verfahrenstechnische Probleme auf (z. B. Verklebung der Abbaukammer, erh¨ohter Verschleiß, Probleme mit der Separierung und Deponierung [172]), so dass vorbereitend eine gezielte Bodenkonditionierung durch Zusatzstoffe (Tenside, Polymere) erforderlich sein kann. Bei der Ortsbrustst¨ utzung mit Hilfe eines St¨ utzmediums ist der erforderliche bzw. der zul¨ assige St¨ utzdruck rechnerisch aus erdstatischen Gleichgewichtsbedingungen, z. B. mit dem Silodruckansatz (vgl. 3.2.1), vorauszubestimmen. Der Druck darf wegen der Gefahr des Bodenaufbruchs und der damit verbundenen Risiken f¨ ur benachbarte Leitungen, Keller usw. nicht u at des St¨ utzmediums ist auf die Beschaffenheit ¨berschritten werden. Die Viskosit¨ des zu l¨ osenden Bodens und auf den Grundwasserdruck abzustimmen. Als Nebeneffekte einer Ortsbrustst¨ utzung mit Fl¨ ussigkeit oder Erdbrei sind infolge

72

2 Vortriebstechnologie: Maschinen und Ger¨ ate

des Drucks in der Abbaukammer Erleichterungen bei der Steuerung und der F¨ orderung des gel¨ osten Bodens zu beobachten. Systematik der Bauarten von Vortriebsmaschinen F¨ ur die Auswahl und Bewertung von Tunnelvortriebsmaschinen kann folgende Systematik der Maschinenbauarten [114] herangezogen werden:

In Erg¨ anzung zum dargestellten Einteilungsschema gibt es Sonderbauarten, Kombinationen und in Grenzen die M¨ oglichkeit der Umr¨ ustung von einem Maschinenkonzept auf ein anderes, teilweise sogar unter Einbaubedingungen.

2.1 Gesteinsabtrag, Laden und F¨ ordern

73

Generell sind die dargestellten Maschinenkonzepte alle im Zusammenhang mit Rohrvortrieben einsetzbar. Einige davon sind als Standardl¨osung“ sehr verbreitet ” (z. B. der Typ SM-T1), andere sind im Zusammenhang mit Rohrvortrieben selten anzutreffen. Die Auswahl des Maschinentyps richtet sich unter anderem nach: – der Wirtschaftlichkeit und der Verf¨ ugbarkeit, – den geotechnischen Erfordernissen und dem Hindernisrisiko, – der Robustheit der Maschinentechnik und des Aufwandes f¨ ur die Personalschulung, – der Universalit¨ at der Maschine bei wechselnden Gebirgsverh¨altnissen, – der Entsorgungsfrage des Ausbruchmaterials, – eventuellen Auflagen, die sich aus projektspezifischen Randbedingungen ergeben k¨ onnen, – der Weiternutzungsm¨ oglichkeit der ganzen Maschine oder einzelner Baukomponenten nach Vortriebsende. Nur selten erlaubt ein Rohrvortriebsprojekt die v¨ollige Abschreibung einer Vortriebsmaschine. Dies gilt insbesondere f¨ ur teuere Spezialmaschinen, deren Beschaffung ein hohes Maß an unternehmerischem Risiko bedeutet und sich meist nur dann lohnt, wenn Großprojekte anstehen oder Anschlussauftr¨age vorliegen. In der Regel k¨ onnen beispielsweise Schildmaschinen mit Vollfl¨achen- bzw. Vollschnittabbau (SM-V) wirtschaftlich erst dann eingesetzt werden, wenn große Vortriebsl¨ angen (mehrere hundert Meter) aufzufahren sind und die geotechnischen Eigenschaften der zu durchfahrenden Schichten nicht sehr stark voneinander abweichen. Dies gilt auch f¨ ur den Bereich der ferngesteuerten Verfahren (Microtunneling), wo Vollschnittmaschinen (SM-V) sowie Schildmaschinen mit Felsbohrkopf (TBM-S) zur Anwendung kommen (siehe 1.7.2). Bei kleinen und mittleren Rohrvortriebsl¨angen und bei Rohrvortrieben in einfachen geotechnischen Verh¨ altnissen k¨ onnen oftmals die kosteng¨ unstigeren Schildmaschinen mit teilfl¨ achigem Abbau (SM-T) wirtschaftlich eingesetzt werden. Solche Maschinen erm¨ oglichen eine Um- oder Aufr¨ ustung nach dem Baukastenprinzip und damit ein hohes Maß an Flexibilit¨at bei sich altnissen. Beispielsweise werden Rohrvortriebe in ¨andernden Gebirgsverh¨ den s¨ udwestdeutschen Triasgesteinen außerhalb des Grundwassers bei einaxialen Zylinderdruckfestigkeiten von bis zu ca. 80 MPa2 meist mit Tunnelvortriebsmaschinen der Bauart SM-T1 aufgefahren. Oftmals werden Vortriebsmaschinen der Bauart SM-T1 aus den vorstehend genannten Gr¨ unden auch dann noch eingesetzt, wenn innerhalb einer Rohrvortriebsstrecke vor¨ ubergehend Gesteinsarten prognostiziert wurden, die mit der vorhandenen Maschine erkennbar nicht wirtschaftlich gel¨ost werden ¨ k¨onnen. Hohe Werkzeugverschleißraten, Uberlastung der Antriebsaggregate und Lagersch¨ aden sind in diesem Betriebsfall nicht selten festzustellen. Um eine gewisse Vortriebserleichterung zu erzielen werden unter diesen Voraussetzungen auch Lockerungssprengungen an der Ortsbrust durchgef¨ uhrt. 2

80 MPa ≡ 80 N/mm2 ≡ 80 MN/m2

74

2 Vortriebstechnologie: Maschinen und Ger¨ ate

Bei der Beseitigung von Hindernissen (z. B. Spundw¨ande, Fundamentreste, Findlinge usw.) bieten Vortriebsmaschinen mit Teilfl¨achenabbau folgende Vorteile: erleichterte Zug¨ anglichkeit der Rohrortsbrust und erleichterte Ausf¨ uhrbarkeit eines h¨ andischen Abbaus. Bei einer Hohlraumauffahrung mittels Tunnelbohrmaschine (TBM) oder Vollschnittmaschine (SM-V), die dem Vortriebsrohrstrang vorauseilt, sind ggf. spezielle Ausbruchklassen bzw. Vortriebsklassen zu beachten (siehe DIN 18312 [77] und [119]). Tabelle 2.1. Eignung bemannter Vortriebsmaschinen f¨ ur Lockergesteine mit mindestens kurzzeitig standsicherer Ortsbrust und ohne relevantes Grundwasser (Beispiele) Gebirgsmerkmale

Lockergesteine mit standsicherer Ortsbrust

koh¨ asive und hochkoh¨ asive Lockergesteine mit mindestens steifer Konsistenz

milde Festgesteinsarten mit geringer Standzeit nach Lauffer Lockergesteine mit nur kurzzeitig standsicherer Ortsbrust nichtkoh¨ asive Lockergesteine mit mindestens mittlerer Lagerungsdichte Wechsellagerungen von koh¨ asiven und nichtkoh¨ asivem Lockergestein (mind. steife Konsistenz bzw. mittlere Lagerungsdichte)

bevorzugter Einsatzber. Klassen gem. DIN 18319 LBM 2 LBM 3 LBO 2

Maschinensystem und Abbauwerkzeug SM-V1

Erl¨ auterungen

LBO 3

SM-T1

Teilschnittmaschinen (Fr¨ askopf mit Rundschaftmeißeln) bei halbfesten und festen Konsistenzen sowie bei mildem Festgestein, ggf. mit Teilst¨ utzung der Ortsbrust

FZ 1 FD 1

SM-T2

Excavatorbest¨ uckung bei steifen, halbfesten und festen Konsistenzen

LNE 2 LNE 3

SM-V2

Vollschnittmaschinen mit mechanisch gest¨ utzter Ortsbrust

LNW 2 LNW 3 LBM 2 LBO 2

SM-T2

Teilschnitt- oder Excavatormaschinen mit mechanischer Teilst¨ utzung der Ortsbrust

Vollschnittmaschinen mit ungest¨ utzter Ortsbrust (auch bei Rohrvortrieben mit großem Durchmesser)

2.1 Gesteinsabtrag, Laden und F¨ ordern

75

Tabelle 2.2. Eignung bemannter Vortriebsmaschinen f¨ ur Lockergesteine mit nicht oder nur kurzzeitig standsicherer Ortsbrust bzw. mit Grundwasser (Beispiele) Gebirgsmerkmale

Lockergesteine mit mindestens kurzzeitig standsicherer Ortsbrust mit Grundwasser (rollige B¨ oden mit mindestens mittlerer Lagerungsdichte) koh¨ asive Lockergesteine mit mindestens steifer Konsistenz mit Grundwasser Lockergesteine mit nicht standsicherer Ortsbrust und mit Grundwasser koh¨ asive Lockergesteine mit mindestens weicher Konsistenz und mit Grundwasser koh¨ asive Lockergesteine von weicher Konsistenz mit oder ohne Grundwasser nichtkoh¨ asive Lockergesteine beliebiger Lagerungsdichte mit Grundwasser nichtkoh¨ asive Lockergesteine mit lockerer Lagerungsdichte mit oder ohne Grundwasser

bevorzugter Einsatzber. Klassen gem. DIN 18319 LNE 2 LNE 3

Maschinensystem und Abbauwerkzeug SM-V3

LNW 2 LNW 3

LBM 2 LBM 3 LBO 2 LBO 3 LBM 1 LBM 2 LBO 1 LBO 2

LNE 1 LNE 2 LNE 3 LNW 1 LNW 2 LNW 3

Erl¨ auterungen

Vollschnittmaschinen, Teilschnittmaschinen oder Excavatormaschinen mit Druckkammer

SM-T3

SM-V5

Vollschnittmaschinen mit Erddruckst¨ utzung

SM-V4

Vollschnittmaschinen mit Fl¨ ussigkeitsst¨ utzung

76

2 Vortriebstechnologie: Maschinen und Ger¨ ate

Tabelle 2.3. Eignung bemannter Vortriebsmaschinen f¨ ur Festgesteine (Beispiele) Gebirgsmerkmale

Festgesteine mit mittlerer bis hoher Standzeit nach Lauffer und einaxialen Zylinderdruckfestigkeiten im Bereich 50 MPa ≤ σu ≤ 400 MPa, mit oder ohne Grundwasser Festgestein mit geringer bis mittlerer Standzeit nach Lauffer und mit einaxialen Zylinderdruckfestigkeiten im Bereich 50 MPa ≤ σu ≤ 400 MPa, mit oder ohne Grundwasser nachbr¨ uchiger Fels mit oder ohne Grundwasser Festgesteine mit geringer Standzeit nach Lauffer und mit einaxialen Zylinderdruckfestigkeiten im Bereich σu ≤ 80 MPa, ohne relevantes Grundwasser nachbr¨ uchiger Fels ohne relevantes Grundwasser Festgesteine mit geringer Standzeit nach Lauffer und mit einaxialen Zylinderdruckfestigkeiten im Bereich σu ≤ 5 MPa, ohne relevantes Grundwasser

bevorzugter Einsatzber. Klassen gem. DIN 18319 FZ 3 FD 3 FZ 4 FD 4

Maschinensystem und Abbauwerkzeug TBM

FZ 3 FD 3 FZ 4 FD 4

TBM-S

FZ 1 FD 1 FZ 2 FD 2 (FZ 3) (FD 3)

SM-T1

FZ 1 FD 1

SM-V1

SM-T1

Erl¨ auterungen

Tunnelbohrmaschinen mit Disken-/Warzenmeißelbest¨ uckung (auch Vortrieben mit großem Außendurchmesser, gebirgsschonend, profilgenau)

Teilschnittmaschinen mit rundschaftmeißelbest¨ ucktem Schr¨ amkopf ohne Ortsbrustst¨ utzung (auch f¨ ur nicht kreisf¨ ormige Ausbruchquerschnitte) Vollschnittmaschinen ohne Ortsbrustst¨ utzung Teilschnittmaschinen mit rundschaftmeißelbest¨ ucktem Schr¨ amkopf ohne Ortsbrustst¨ utzung Excavatormaschinen ohne Ortsbrustst¨ utzung (auch f¨ ur nicht kreisf¨ ormige Ausbruchquerschnitte)

SM-V1

Vollschnittmaschinen ohne Ortsbrustst¨ utzung

2.1 Gesteinsabtrag, Laden und F¨ ordern

2.1.1.1

77

Excavatoren

Als Excavator wird ein im Maschinenrohr installierter Bagger mit Ger¨ateausleger und Antriebseinheit bezeichnet, mit dem ein Gesteinsabtrag an der Rohrortsbrust als Teilfl¨ achenabbau im Schutze eines Schildes vorgenommen werden kann. Der Excavator weist folgende Freiheitsgrade der Bewegung auf: – – – –

Drehen des Baggerarms mittels Drehschemel um eine vertikale Achse, Heben und Senken des Baggerarms, Translatorisches Verfahren des Baggerarms, z. B. durch Teleskopieren, Drehbewegung der Baggerschaufel.

Bei so genannten Rotationsexcavatoren ist zus¨ atzlich eine Drehung des Baggerarms um die Baggerarml¨ angsachse m¨ oglich. Durch diese Bewegungsm¨oglichkeit, die sich auch bei konventionellen Baggern f¨ ur den Tunnelvortrieb findet, k¨onnen alle Randbereiche der Rohrortsbrust mit den Z¨ ahnen des Grabgef¨aßes erreicht werden. Haupteinsatzbereiche Excavatoren werden haupts¨ achlich zum L¨osen zumindest vor¨ ubergehend standfester, grabbarer Lockergesteine, in der Regel ab DN 1200, eingesetzt, bei denen keine st¨ andige Teilst¨ utzung der Ortsbrust erforderlich ist (Bauart SM-T1). Bei einer Teilst¨ utzung der Ortsbrust mit hydraulisch verfahrbarem Brustplattenverbau (Bauart SM-T2) oder durch Zwischenb¨ uhnen (B¨ uhnenschild) ist der Einsatz von Excavatoren zwar behindert, aber bei entsprechender maschineller Abstimmung m¨ oglich. Der Einsatz von Excavatoren in Kombination mit Druckluftschilden (Bauart SM-T3) erm¨oglicht einen Rohrvortrieb mit grabendem Ger¨ at auch in Grundwasser f¨ uhrenden Schichten. Zur Verminderung von Druckverlusten in B¨ oden hoher Durchl¨assigkeit und zur Erh¨ohung der Standsicherheit der Ortsbrust kann eine Ortsbrustversiegelung mit Hilfe eines polymermodifizierten Schaumes vorgenommen werden. Eine kosteng¨ unstige und zugleich umweltvertr¨ agliche Entsorgung des schaumdurchsetzten Ausbruchmaterials kann allerdings schwierig sein. Festgesteine der Klasse FZ 1 und gegebenenfalls auch der Klasse FD 1 sind mit Excavatoren meist noch wirtschaftlich l¨ osbar. Im Bereich der Lockergesteine kann das Bearbeiten von B¨ oden mit ausgepr¨ agt adh¨asiven Eigenschaften (meist bindige B¨ oden mit steifer, weicher oder breiiger Konsistenz) zum Verkleben des L¨ osewerkzeuges und zur Reduzierung des nutzbaren L¨offelvolumens der Baggerschaufel f¨ uhren. Ein Austausch des Excavators gegen eine Schr¨ameinrichtung bzw. der Baggerschaufel gegen einen Hydraulikhammer, eine Bohrlafette oder einen Reißzahn ist im Einbauzustand m¨ oglich.

78

2 Vortriebstechnologie: Maschinen und Ger¨ ate

Schematischer Schnitt mit den wichtigsten Baugruppen: 1 Teleskop-Ausleger mit Grabl¨ offel 5 Maschinenrohr ¨ 2 Haubenschild 6 Olhydraulische Antriebseinheit 3 Steuerpressen 7 Haufwerksmulde 4 Bunkerbandanlage 8 Anfangsrohr (erstes Vortriebsrohr) Bild 2.1. Vortriebsmaschine mit Excavator (schematischer Schnitt)

1 2 3 4

Excavator mit Teleskop und Drehschemel Haubenschild obere Steuerpressengruppen Konsole mit Kreiselkompaß und Druckaufnehmer der Schlauchwaage

Foto: T. Br¨autigam, Stuttgart Bild 2.2. Blick von der Ortsbrust auf einen Excavator (Bauart SM-T1)

2.1 Gesteinsabtrag, Laden und F¨ ordern

2.1.1.2

79

Teilschnittmaschinen

Teilschnittmaschinen oder Schr¨ amen sind Fr¨ asmaschinen, deren Schneidkopf einen kleineren Durchmesser aufweist, als der Durchmesser oder die kleinste Kantenl¨ange des Ausbruchquerschnitts. Die Teilschnittmaschine ist im Maschinenrohr befestigt und besteht aus einem schwenkbaren und l¨angsverfahrbaren, meist teleskopierbaren Maschinenarm mit einer entsprechenden Fr¨askopfbest¨ uckung und einer Antriebseinheit. Die Bewegungsfreiheitsgrade des Maschinenarms entsprechen denen des Excavators (vgl. 1.1.1). Einige Maschinentypen gestatten den Umbau der Maschine von der Teilschnittmaschine zum Excavator und umgekehrt auch im Einbauzustand innerhalb eines laufenden Vortriebs. Die Werkzeugbewegungen von Excavator und Teilschnittmaschine unterscheiden sich grundlegend. Anstelle der diskontinuierlichen Grabbewegung beim Excavator dreht sich der Fr¨askopf der Teilschnittmaschine kontinuierlich. Der Gesteinsabtrag erfolgt durch Andr¨ ucken des Fr¨ askopfes an die Ortsbrust bei gleichzeitigem horizontalen oder vertikalen Verfahren des Maschinenarms. Der Gesteinsabtrag erfolgt als Teilfl¨achenabbau der Ortsbrust im Schutze eines Schildes. Es werden zwei generelle Maschinenbauarten unterschieden: 1. Teilschnittmaschinen mit L¨ angsschneidkopf 2. Teilschnittmaschinen mit Querschneidkopf (auch als Schr¨amwalzen“ bezeich” net). Haupteinsatzbereiche Teilschnittmaschinen werden im Bereich der Lockergesteine vorrangig zum L¨osen bindiger B¨ oden von halbfester oder fester Konsistenz eingesetzt. Schematischer Schnitt 1 Schr¨ amkopf 2 Haubenschild 3 Steuerpressen

mit 4 5 6

den wichtigsten Baugruppen: F¨ orderband (Pendelbetrieb) Maschinenrohr Hydraulik-Aggregat

Bild 2.3. Teilschnittmaschine mit L¨ angsschneidkopf

80

2 Vortriebstechnologie: Maschinen und Ger¨ ate

Im Bereich der Festgesteine ist ein wirtschaftlicher Dauereinsatz von Teilschnittmaschinen vor allem in wenig abrasiven Gesteinen der Klassen FZ 1, FD 1, FZ 2, FD 2 m¨ oglich. Die Einsatzm¨oglichkeiten der Teilschnittmaschinen erstrecken sich dar¨ uber hinaus auch noch auf Gesteine, die den Klassen FZ 3 und FD 3 entsprechen, wobei innerhalb dieser Klassenstufe bereits die Grenze des wirtschaftlichen Einsatzspektrums erreicht sein kann. In Kombination mit einem Druckluftschild k¨onnen Teilschnittmaschinen in Grundwasser f¨ uhrenden Schichten eingesetzt werden (Bauart SM-T3). Die Abbauleistung von Teilschnittmaschinen kann im Bereich breiiger und weicher bindiger B¨ oden durch die geringe Scherfestigkeit und im Bereich steifer und halbfester bindiger B¨ oden durch die Verklebungsneigung beeintr¨achtigt sein. 2.1.1.3

Vollschnittmaschinen

Vollschnittmaschinen erm¨ oglichen einen vollfl¨achigen Gesteinsabtrag an der Rohrortsbrust. Bei ferngesteuerten Vortriebsverfahren (Microtunneling) werden Vortriebsmaschinen nach dem Vollschnittprinzip standardm¨aßig verwendet (siehe 1.7.2). Der L¨ osevorgang erfolgt durch Anpressen eines rotierenden Schneidrades, ¨ mit dem ein planm¨ aßiger Uberschnitt erzeugt wird. Die der Rohrortsbrust zugewandte Seite des Schneidrades kann mit unterschiedlichen Abbauwerkzeugen besetzt werden, deren Auswahl sich nach dem zu l¨osenden Gestein richtet. Typische Werkzeuge sind beispielsweise so genannte Speichen-Schneidr¨ader“, die h¨aufig aus ” drei, vier oder f¨ unf speichenf¨ ormigen Schneiden bestehen oder Speichen-Felgen” Schneidr¨ ader“ mit zus¨ atzlichem werkzeugbesetztem Außenkranz. Des Weiteren werden Best¨ uckungen mit Sch¨ almessern, Dachkantmeißeln, mit Rundschaftmeißeln f¨ ur das L¨ osen von mildem bis mittelhartem Fels, mit Rollenmeißeln f¨ ur das L¨osen von hartem Fels oder mit S¨ agemeißeln f¨ ur das L¨osen von Holz, vorgenommen. Von besonderer Bedeutung sind ein verstellbarer Profilschneider sowie ein so genannter Zentrumsschneider in Verbindung mit einer L¨angsabdichtung der Schneidradwelle zwischen Abbauraum und Wellenlager. Der Werkzeugwechsel erfolgt in Abh¨ angigkeit von der Maschinenbauart entweder von der R¨ uckseite des Rotors aus, oder, wenn eine Durchstiegsluke vorhanden ist, vom Abbauraum aus. Die Ortsbrust kann bauartabh¨ angig entweder durch ein Bullauge oder durch die vorerw¨ ahnte Durchstiegsluke visuell u uft werden. Um Arbeiten ¨ berpr¨ im Abbauraum vornehmen zu k¨ onnen, muss gegebenenfalls der Abbauraum unter Luft¨ uberdruck gesetzt werden. In Abh¨ angigkeit vom Schneidraddurchmesser liegt die Schneidraddrehzahl meist in der Gr¨ oßenordnung 1 min−1 ≤ n ≤ 8 min−1 . Die Drehrichtung des Rotors kann meist gewechselt werden. Hierdurch kann eine aufgetretene Verrollung zur¨ uckgestellt werden. Bei steinhaltigen B¨oden kann ein hinter dem Schneidradrotor mitlaufender Konusbrecher montiert werden. Das maximal brechbare Gr¨ oßtkorn liegt bei ca. 30 % bis 40 % des Werkzeugdurchmessers. Zur Beseitigung von Anbackungen werden Konusbrecher teilweise mit Hochdruckwasserstrahld¨ usen ausger¨ ustet. Bei Rohrvortrieben in bindigen B¨oden oder Sandb¨ oden wird meist eine hydraulische Bohrgutf¨orderung vorgenommen. In

2.1 Gesteinsabtrag, Laden und F¨ ordern

81

steinigen B¨ oden erfolgt die Bohrgutf¨ orderung vorwiegend trocken mittels Schecke oder Bunkerband. SM-V: Schild-Maschine mit Vollschnittabbau Bauart SM-V4: Ortsbrust mit Fl¨ ussigkeitsst¨ utzung hydraulische Fr¨ asgutf¨ orderung und optionale Fl¨ ussigkeitsst¨ utzung der Ortsbrust

Bild 2.4. Vollschnittmaschine der Bauart SM-V4

Haupteinsatzbereiche Vollschnittmaschinen sind ideal geeignet bei langen Rohrvortriebsstrecken in hindernisfreien, homogenen, ungeschichteten B¨oden. Auf Grund der hohen Bereitstellungskosten sind Kurzstreckenvortriebe mit Vollschnittmaschinen im Regelfall unwirtschaftlich. Problematisch sind Vortriebe in geschichteten B¨oden, insbesondere bei Wechsellagerungen von Fels und Kies bzw. Fels und Ton. Vortriebe in Kies erfordern eine relativ hohe Vortriebsgeschwindigkeit, um Einbr¨ uche an der Ortsbrust und damit Setzungen an der GOK zu vermeiden. Fels erfordert wegen des hohen L¨ osewiderstandes demgegen¨ uber eine relativ geringe Vortriebsgeschwindigkeit und geringe Penetration (cm/min). Bei gleichzeitigem L¨osen von Fels und Ton sind relativ geringe Vortriebsgeschwindigkeiten erforderlich. Bei derartigen Wechsellagerungen kann es zu unterbrochenen Schnitten, damit zu erh¨ ohtem Werkzeugverschleiß und zum Verkleben der L¨osewerkzeuge kommen. Vortriebstechnisch schwierig ist das Auffahren von Findlingen, die nicht in den Brecher passen und das Beseitigen anderweitiger Hindernisse. Hindernisse k¨ onnen oftmals nur durch manuelle Verfahren vor dem Schneidrad entfernt werden. Vollschnittmaschinen k¨ onnen ohne Ortsbrustst¨ utzung und in Verbindung mit den in 2.1.1 genannten Verfahren zur Ortsbrustst¨ utzung angewandt werden.

82

2 Vortriebstechnologie: Maschinen und Ger¨ ate

Die Ausf¨ uhrung von Arbeiten vor dem Bohrkopf von Vollschnittmaschinen ist z. B. zum Werkzeugwechel oder zur Beseitigung von Hindernissen zul¨assig. Die Durchschlupf¨ offnung muss dazu eine Mindestfl¨ache von 0,2 m2 und ein Achsmaß von mindestens 40 cm aufweisen. N¨aheres wird in in den berufsgenossenschaftlichen Sicherheitsregeln [140], Abschnitt 20, bestimmt. Beim Einsatz von Vollschnittmaschinen sind gegebenenfalls die Vortriebsklassen nach DIN 18312 [77] zu beachten. 2.1.1.4

Tunnelbohrmaschinen

Tunnelbohrmaschinen ohne und mit Schild (Bauarten TBM und TBM-S) sind f¨ ur den Einsatz in hartem Fels konzipiert. Ihr Einsatz bei Rohrvortrieben erstreckt sich vorwiegend auf das L¨ osen von Gestein mit einaxialen Zylinderdruckfestigkeiten von 100 MPa bis 300 MPa. In Einzelf¨allen wurden Rohrvortriebe durch Gesteinsformationen mit einaxialen Zylinderdruckfestigkeiten von mehr als 400 MPa ausgef¨ uhrt. Im Zusammenhang mit Rohrvortrieben werden u ¨berwiegend Tunnelbohrmaschinen mit Schild eingesetzt, die sich axial auf den vorgepressten Rohrstrang abst¨ utzen. Dies hat gegen¨ uber den radial mit Pratzen abst¨ utzenden Tunnelbohrmaschinen ohne Schild den Vorteil, dass die Maschinenabst¨ utzung weitgehend von der Gebirgsqualit¨ at unabh¨ angig ist. F¨ ur den Bereich des Mikrotunnelbaus wurden Tunnelbohrmaschinen f¨ ur begehbare Querschnitte ≥ DN 800 entwickelt. Tunnelbohrmaschinen verf¨ ugen entweder u ¨ ber eine zentrale Antriebswelle oder, ab DN 1200, u ¨ber einen peripheren (zentrumsfreien) Antrieb. Letzterer erm¨oglicht einen vereinfachten Durchstieg in den Bereich vor dem Bohrkopf zur Beseitigung von Hindernissen und zu Wartungsarbeiten. ¨ Ubliche Tunnelbohrmaschinen verf¨ ugen u ¨ ber einen axial drehbaren Vollkreisbohrkopf, der auf verschiedenen Radien mit Rollenschneidwerkzeugen, (Diskenmeißel oder Warzenmeißel), best¨ uckt ist. Im Nennweitenbereich um DN 2000 werden werden h¨ aufig Schneidwerkzeuge mit Durchmessern von 11 (ca. 280 mm) oder 12 (ca. 305 mm) verwendet. Im gr¨oßeren Nennweitenbereich werden teilweise Schneidwerkzeuge mit Durchmesser 17 (ca. 430 mm) eingesetzt. Zum Teil sind heute auch die Schneidr¨ader von Vollschnittmaschinen mit Rollenschneidwerkzeugen ausgestattet. Zum L¨osen des Gesteins wird der Schneidring des Rollenmeißels in Vortriebsrichtung gegen die Ortsbrust gedr¨ uckt, wobei l¨ osetechnisch eine Mindestanpresskraft ( kritische Anpresskraft“) notwendig ” ist, die von der einaxialen Zylinderdruckfestigkeit des Gesteins und von der Schneidringgeometrie abh¨ angt. Wird die kritische Anpresskraft“ unterschritten, ” so erzeugen die Schneidrollen in der Ortsbrust lediglich Rillen, ohne dass damit ein wirtschaftlicher Gesteinsabtrag verbunden w¨are. Die maximalen Anpresskr¨afte f¨ ur Diskenmeißel liegen heute in der Gr¨ oßenordnung von bis zu ca. 300 kN. Die statische Eindringtiefe des Schneidringes in das Gestein ist abh¨angig von der Gesteinsh¨arte und von der Kornbindung. F¨ ur die Vortriebsleistung maßgebend ist der Schneidlinienabstand. Dies ist der radiale Abstand benachbarter Schneidfurchen, die in die Ortsbrust

2.1 Gesteinsabtrag, Laden und F¨ ordern

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Foto: T. Br¨autigam, Stuttgart Bergung einer Tunnelbohrmaschine aus der Zielgrube eines Rohrvortriebs DN 1200. Die Aufnahme zeigt die Anordnung der Diskenmeißel f¨ ur den fl¨ achigen Abtrag der Ortsbrust, ¨ die Kalibermeißel (Konturschneider) und die Offnungen f¨ ur die Aufnahme des abgespanten Gesteinsmaterials. Bild 2.5. Bergung einer Tunnelbohrmaschine

geschnitten werden. F¨ ur hohe Schnittleistungen und ein grobk¨orniges Haufwerk ist generell ein m¨ oglichst großer Schneidlinienabstand anzustreben. Bei Gesteinsarten mit einem hohen L¨ osewiderstand sind der Forderung nach einem m¨oglichst großen Schneidlinienabstand durch die damit verbundene u ¨ berproportional hohe Verschleißrate wirtschaftliche Grenzen gesetzt. Das Eindringen des Schneidringes bei einer einzigen Umdrehung des Bohrkopfes wird als Penetration“ bezeichnet. ” Die Bestimmung der Penetration erm¨ oglicht eine u ¨berschl¨agige Berechnung der theoretischen Vortriebsleistung. Im Tiefenbereich der Eindringung der keil- oder warzenf¨ormigen Schneide wird das Gestein zermalmt. Beim Abrollen der Rollenmeißel infolge der Bohrkopfdrehung entstehen kleinere radiale Zugrisse, die von der Zermalmungszone ausgehen. Diese Risse f¨ uhren teilweise seitlich von der Schneidbahn weg und teilweise in Vortriebsrichtung in das Gestein hinein. Durch die Kerbwirkung der Schneide und die Rissbildung brechen kleine Gesteinsst¨ ucke (so genannte Chips“) ” seitlich der Schneide von der Ortsbrust weg (siehe Bild 2.6).

84

2 Vortriebstechnologie: Maschinen und Ger¨ ate

Das gel¨ oste Gestein gelangt meist u ¨ ber eine Bohrkopfschaufel und einen Stetigf¨ orderer (z. B. eine hydraulische F¨ orderanlage) in den r¨ uckw¨artigen Bereich. Eine vollst¨ andige Entnahme der Gesteins-Chips aus dem Spanraum des Bohrkopfes ist anzustreben, um eine Mehrfachbearbeitung durch die Kalibermeißel und den damit verbundenen zus¨ atzlichen Verschleiß zu minimieren. Die außen am Umfang des Vollkreisbohrkopfs angeordneten Kalibermeißel legen den gr¨ oßten Weg je Bohrkopfumdrehung zur¨ uck. Die Drehzahl des Bohrkopfes ist daher auf die Kalibermeißel abzustimmen. Mit zunehmender Gesteinsfestigkeit, Gesteinsh¨ arte und Rollgeschwindigkeit der Diskenmeißel erh¨ohen sich die Meißeltemperatur und der Meißelverschleiß. Die Abnutzung der Kalibermeißel hat unmittelbaren Einfluss auf die Spaltweite des erforderlichen Schmierringspalts. F¨ ur den Rohrvortrieb ist es daher wichtig, dass das Erreichen des minimal zul¨assigen Kalibermeißeldurchmessers fr¨ uhzeitig erkannt wird.

Bild 2.6. Kr¨ afte am Diskenmeißel

2.1 Gesteinsabtrag, Laden und F¨ ordern

2.1.2

85

Handabbau und manuelle Nachzerkleinerung

Besondere Randbedingungen k¨ onnen auch im Zeitalter der High-Tech“” Vortriebsmaschinen noch zur Entscheidung f¨ ur einen generellen bzw. vor¨ ubergehenden Handabbau f¨ uhren. In diesem Zusammenhang ist zu erw¨ ahnen, dass auch einzelne Baureihen modernster Vortriebsmaschinen mit geschlossenem Schild u ur zur Ortsbrust verf¨ ugen, so ¨ ber eine Ausstiegst¨ dass sich Wartungsarbeiten und Arbeiten zur Hindernisbeseitigung manuell ausf¨ uhren lassen. Der wirtschaftliche Einsatz solcher Maschinen setzt jedoch meist Mindestvortriebsl¨ angen voraus, die nicht unerheblich sind. Der Rohrvortrieb mit Handabbau bietet ein H¨ochstmaß an Flexibilit¨at und ist ein sehr schonendes Vortriebsverfahren. Das Handabbauverfahren kann beispielsweise in folgenden Sonderf¨ allen zweckm¨aßig sein: – sehr kurze Vortriebsl¨ angen; – sehr steile Vortriebsstrecken; – schonende Freilegung von Objekten im Baugrund bei Ann¨aherung des Vortriebs z. B. an denkmalgesch¨ utzte Gr¨ undungen, gemauerte Gew¨olbe, anzuschließende Leitungen, freizulegende Kabel, steckengebliebene Gegenvortriebe etc.; – Herausl¨ osen und Separieren problematischer oder extrem heterogener Einlagerungen im Baugrund, z. B. bewehrter Bauschutt, Spundw¨ande, Tr¨ ager- Bohlw¨ande, Rohre, Anker, Baumst¨ umpfe, Altlasten, Findlinge; – in Verbindung mit der Anwendung von Sonderl¨osetechniken (Brennschneidger¨at, Elektro-Kettens¨ age, Werkzeug aus nicht funkenreißenden Werkstoffen, Seilwinde, Hydraulikschere und Hydraulikspreizer, Betonkettens¨age etc.); – planm¨ aßige Durchf¨ uhrung von Sprengarbeiten w¨ahrend kurzer Vortriebe. Das L¨ osen von gewachsenem Boden erfolgt vorwiegend mittels Druckluftspaten. Der Abbau darf nur im Schutz des Handschildes oder des ersten Vortriebsrohres vorgenommen werden. Beim Handvortrieb in rieself¨ahigem Sand und sauberem“ ” Kies kann der Einzug von Zwischenb¨ uhnen an der Ortsbrust erforderlich sein.

2.1.3

Unstetigf¨ orderung des Haufwerks im Rohrstrang

Bei Rohrvortrieben, bei denen ein Teilfl¨ achenabbau unter atmosph¨arischen Druckbedingungen an der Rohrortsbrust stattfindet, wird das anfallende Haufwerk in aller Regel diskontinuierlich, d. h. im Pendelbetrieb, abgef¨ordert. Hierzu wird ein im vorgepressten Rohrstrang bereitgestellter muldenf¨ormiger F¨orderbeh¨alter ¨ an der Ubergabeeinrichtung hinter der Abbaumaschine bef¨ ullt und anschließend zum Startschacht und von dort zur u agigen Entladestelle verbracht. Der ¨ bert¨ entleerte F¨ orderbeh¨ alter nimmt anschließend den umgekehrten Weg zur¨ uck zur Abbaumaschine und kann von neuem beladen werden. Die beschriebene F¨ordertechnik wird nur selten bei Vollschnittabbauverfahren eingesetzt, da die Kombination aus kontinuierlich arbeitenden Abbausystemen und diskontinuierlich

86

2 Vortriebstechnologie: Maschinen und Ger¨ ate

arbeitenden F¨ ordersystemen ohne Haufwerkspuffer technisch unbefriedigend und meist unwirtschaftlich ist. Bei Rohrvortrieben unter Druckluftbedingungen ist ein Pendelbetrieb oftmals nur dort wirtschaftlich vertretbar, wo keine Materialein- und Materialausschleusungsvorg¨ ange erforderlich sind, d. h. im atmosph¨arischen Bereich des Vortriebsrohrstrangs. Anderenfalls ergeben sich meist Vorteile f¨ ur die hydraulische F¨ orderung. Einen Sonderfall stellt das Einzelausschleusen gr¨oßerer nicht brecherg¨ angiger Gesteinsbl¨ ocke und anderer Hindernisse dar, die nicht u ¨ ber Stetigf¨ orderer herausgef¨ ordert werden k¨ onnen. F¨ ur gedrungene Hindernisse eignen sich beispielsweise so genannte Drehtrommelschleusen in der Druckwand [145]. Um beim Pendelbetrieb die Phasen des Vortriebsstillstandes, deren Ursache in den Wegzeiten der F¨ ordermulde liegt, m¨oglichst zu minimieren, werden h¨aufig zwei, teilweise auch drei F¨ ordermulden im Wechsel eingesetzt. W¨ahrend die bef¨ ullte Mulde aus dem Startschacht gehoben und entleert wird, wird die andere Mulde an die Beladestelle gefahren und dort bef¨ ullt. Eine Begegnung der F¨ordermulden im Rohrstollen ist aus Platzgr¨ unden in aller Regel nicht m¨oglich. Die Begegnungsstelle von beladener und unbeladener Mulde liegt im Startschacht, wo oftmals eigens zum Einsetzen der unbeladenen Mulde ein zweites Hebezeug fest montiert ist. Das Bef¨ ullen von F¨ ordermulden erfolgt meist mit Hilfe eines zur Vortriebsmaschine geh¨ orenden F¨ orderbandes (Bunkerband), seltener mittels F¨ orderschnecke. 2.1.3.1

Konstruktionsmerkmale

Die F¨ ordermulde kann mit fest montierten Laufrollen ausgestattet oder im Sinne eines Wechselbeh¨ alters auf einem fahrbaren Chassis aufgestellt sein. Das Fassungsverm¨ ogen u ordermulden f¨ ur bemannte Rohrvortriebe ¨ blicher F¨ mittleren Querschnitts liegt in der Gr¨ oßenordnung von 2 m3 . Die Laufrollen sind bei direktem Befahren der Rohrwandung gegebenenfalls entsprechend des Rohrinnendurchmessers bzw. der Rohrinnenkontur geneigt angeordnet. Durch die Neigung der Laufrollen kann die Last¨ ubertragung vom Wagen auf die Rohrwandung u ubertragung nur u ¨ber die gesamte Breite der Laufrollen erfolgen. Eine Last¨ ¨ber die Radkante wird vermieden. Zudem wird durch die verbesserte Einleitung seitlicher F¨ uhrungskr¨ afte eine relativ spurtreue Fahrt erm¨oglicht. Bei Rohrvortrieben im unteren und mittleren Nennweitenbereich werden derzeit nahezu ausschließlich durch Seilzug bewegte, nicht schienengebundene, unbemannte F¨ordermulden verwendet. Der Seilzug wird meist mittels zweier ¨olhydraulisch angetriebener Seilwinden realisiert, von denen eine im Bereich des Pressenwiderlagers und eine hinter der Vortriebsmaschine befestigt ist. Die der Fahrtrichtung gegen¨ uberliegende Seilwinde muß jeweils den freien Ablauf des Seiles erm¨oglichen. Der Betrieb der beiden Winden muß aufeinander abgestimmt sein. Ein zu schneller Ablauf des unbelasteten Seiles kann leicht zum Verheddern f¨ uhren und zu aufw¨andigen Abhilfemaßnahmen zwingen. Bei fallend aufgefahrenen Rohrvortrieben sollten die F¨orderwagen mit einer mechanischen Zwangsbremse ausgestattet sein, die im Falle eines Seilrisses den

2.1 Gesteinsabtrag, Laden und F¨ ordern

87

voll beladenen F¨orderwagen zum Stillstand bringen kann. Bei der Dimensionierung sollte eine Verminderung des Gleitreibungskoeffizienten an der Gleitfl¨ache Rad/Schiene infolge Verunreinigung mit Bentonit-Suspension ber¨ ucksichtigt werden. Erg¨ anzende passive Schutzmaßnahmen im r¨ uckw¨artigen Bereich des Maschinenrohrs sind im Einzelfall zu erw¨ agen. Die F¨ ordermulden verf¨ ugen u ¨ ber Bauelemente zum Befestigen von Anschlagmitteln, z. B. Anschlag¨ osen, Nocken, Ketten oder Anschlagb¨ ugel. An diesen kann entweder der Kranhaken direkt, ein Drahtseil-/Kettengeh¨ange oder eine Hebetraverse eingeh¨ angt werden. ¨ Im Bereich von Dehnerstationen sind spezielle Ubergangsbleche mit m¨oglichst flachen Rampen erforderlich, die den in seiner Breite variablen Dehnerspalt u ucken k¨ onnen. ¨ berbr¨ 2.1.3.2

Bemannte F¨ ordersysteme

Vorwiegend im gr¨ oßeren Nennweitenbereich werden im Pendelbetrieb auch bemannte, schienengebundene Transportsysteme eingesetzt [173], die u ¨ ber einen eigenen Gleichstromantrieb durch Akkumulatoren verf¨ ugen. Diese Ger¨ate werden auch als Gruben-Kuli“ bezeichnet. Bei fallend aufgefahrenen Rohrvortrieben ” ist das begrenzte Steigungsverm¨ ogen des voll beladenen Transportsystems zu beachten. Bentonit-Suspension und Hydraulik¨ol auf den Schienen k¨onnen die Traktion soweit herabsetzen, dass das Schienenfahrzeug nicht aus eigener Kraft bewegt werden kann. Die bemannten Transportsysteme sind u ¨ber den Fahrer hinaus im Regelfall nicht f¨ ur den Personentransport zugelassen.

2.1.4

Stetigf¨ orderung des Haufwerks im Rohrstrang

Stetigf¨ orderanlagen zur F¨ orderung gel¨ osten Bodenmaterials sind so konzipiert, dass das Haufwerk oder Bohrgut kontinuierlich abtransportiert werden kann. Im Bereich der Trockenf¨ orderung sind hierzu im Wesentlichen Bandanlagen, Schneckenf¨ orderanlagen und seltener Kratzerkettenanlagen im Einsatz. Generell k¨onnen mechanische, pneumatische und hydraulische F¨orderanlagen unterschieden werden. Mit pneumatischen F¨ orderanlagen wird eine Trockenf¨orderung des Fr¨ asgutes im Luftstrom erm¨ oglicht. In hydraulischen F¨orderanlagen wird das gel¨ oste Bodenmaterial nass, d. h. im Fl¨ ussigkeitsstrom in einer speziellen F¨orderleitung, abtransportiert. Die Anwendbarkeit dieser Konzepte setzt bestimmte Eigenschaften des zu f¨ ordernden Bodenmaterials voraus. 2.1.4.1

Trockenf¨ orderung

In Vortriebsmaschinen fest integrierte Bandf¨orderanlagen (Bunkerbandanlagen) sind als Bauelement, insbesondere in Vortriebsmaschinen mit einem Teilfl¨ achenabbau der Ortsbrust, sehr verbreitet. Dagegen ist die generelle Trockenf¨ orderung von gel¨ ostem Haufwerk durch den gesamten vorgepressten

88

2 Vortriebstechnologie: Maschinen und Ger¨ ate

Rohrstrang mittels Bandf¨ orderanlagen bei Rohrvortrieben unzweckm¨aßig. Im Bergbau, im klassischen Tunnel- und Stollenbau sowie bei der Anwendung der T¨ ubbingbauweise werden Bandf¨ orderanlagen im Gegensatz dazu h¨aufiger eingesetzt. Im Unterschied zur Rohrvortriebsbauweise verf¨ ugen die zuletzt genannten Anwendungsbereiche entweder u ¨ ber keine oder u ¨ ber eine ortsfeste Ausbruchsicherung, was den Einbau einer Bandf¨orderanlage nahelegt und eine mit fortschreitendem Vortrieb erforderliche Verl¨angerung der Bandanlage erleichtert. Bei einer in hohem Maße ortsver¨anderlichen Ausbruchsicherung, wie sie verfahrensbedingt f¨ ur Vortriebsrohre typisch ist, ist die Installation und die st¨ andige, optimale Verl¨ angerung einer Bandf¨orderanlage sehr aufw¨andig und daher im Regelfall unwirtschaftlich. Analoges gilt f¨ ur Kratzerkettenf¨orderer. Austragsschnecken Die Haufwerksf¨ orderung mittels F¨ orderschnecke ist bei gesteuerten Pressbohrverfahren sowie beim Mikrotunnelbau mit Trockenf¨orderung in dem als begehbar geltenden Nennweitenbereich u ¨ blich. H¨aufig wird dabei mit jedem neuen Vortriebsrohr auch die F¨ orderschnecke um ein Segment verl¨angert. Bei Vortrieben mit Druckluft- oder Erddruckschilden k¨onnen Schneckenf¨orderanlagen zur Durchf¨ orderung von Haufwerk aus dem Druckbereich in den atmosph¨arischen Bereich zweckm¨ aßig verwendet werden, sofern in der Schneckenwendel in der Summe ein hinreichender Druckabbau (Gr¨oßenordnung 0,1 bar–0,2 bar pro Windung) m¨ oglich ist. Bei Druckluftvortrieben l¨asst sich hierdurch die Zahl der Materialschleusungen erheblich vermindern. Die Weiterf¨orderung im atmosph¨ arischen Bereich erfolgt dann oftmals mit unstetigen Verfahren. F¨ orderung im Luftstrom F¨ ur den Nennweitenbereich DN 800 und f¨ ur Haltungsl¨angen von bis zu ca. 150 m wurden ferngesteuerte Vortriebsmaschinen entwickelt, bei denen das Bohrgut im Luftstrom gef¨ ordert wird (so genannte Flugf¨orderung“). Das Verfahren eignet ” sich f¨ ur Bodenarten, die auf Grund ihrer granulometrischen Zusammensetzung im Luftstrom f¨ orderbar sind, d. h. insbesondere f¨ ur mittel- bis grobk¨ornige B¨oden. Die Hauptmerkmale der Flugf¨ orderung sind hierbei: – Ein leistungsf¨ ahiges Saugaggregat, das im Startschachtbereich steht. – Eine Feststoff-F¨ orderleitung vom Bohrkopf bis zum Saugaggregat mit einer Auswurfvorrichtung in einen Sedimentbeh¨alter, der unmittelbar vor dem Saugaggregat platziert wird. – Ein Bohrkopf mit speziellen Zellen, die sich bei jeder Bohrkopfumdrehung mit Bohrgut f¨ ullen und in denen der Luftsog das Bohrgut erfassen und mitreißen kann. Durch die Sogwirkung wird Umgebungsluft durch den Vortriebsrohrstrang hindurch zum Bohrkopf gef¨ uhrt. Nachdem der gel¨oste Boden in den Zellen erfasst wurde, erfolgt dessen F¨ orderung durch die Feststoff-F¨orderleitung zum

2.1 Gesteinsabtrag, Laden und F¨ ordern

89

Sedimentbeh¨ alter. Die Flugf¨ orderung findet auch bei der Blasversatztechnik Anwendung. 2.1.4.2 Hydraulische F¨ orderung und Aufbereitung von Bentonit-Tr¨ ube Die hydraulische F¨ orderung (Nassf¨ orderung) des Ausbruchmaterials wird bei bestimmten Rohrvortriebstechnologien h¨aufig angewandt. Hierzu z¨ahlen insbesondere: – der Mikrotunnelvortrieb, sofern keine Schneckenf¨orderung angewandt wird, – der Rohrvortrieb mit Vollschnittabbau ohne Ortsbrustst¨ utzung bzw. mit druckluft- oder fl¨ ussigkeitsgest¨ utzter Ortsbrust, – der Rohrvortrieb mit Vollschnittabbau mit erddruckgest¨ utzter Ortsbrust (EPBSchild), – der Rohrvortrieb mit Tunnelbohrmaschinen. Die hydraulische F¨ orderung kann unter bestimmten Voraussetzungen auch eine wirtschaftliche Alternative zum Pendelbetrieb sein. Beispielsweise braucht das Ausbruchmaterial bei einem Rohrvortrieb unter Druckluftbedingungen im Fall der hydraulischen F¨ orderung nicht ausgeschleust zu werden. Hieraus k¨onnen sich erhebliche Bauzeitenvorteile ergeben. Derzeit sind hydraulische F¨ orderweiten etwa in folgenden Gr¨oßenordnungen technisch realisierbar: Nennweite DN F¨ orderweite (ca.)

[mm] 800 [m] 250

1 200 500

1 500 950

2 000 1 200

Funktionsprinzip Bei der hydraulischen F¨ orderung wird Wasser oder ein Wasser-Bentonit-Gemisch von u ¨bertage in einem Rohrkreislauf in den Abbauraum direkt vor der Vortriebsmaschine oder in einen Haufwerksbeh¨alter (Bunker) gepumpt. Dort erfasst der Fl¨ ussigkeitsstrom das entsprechend fragmentierte Haufwerk und dient diesem als Tr¨ agermedium f¨ ur den Transport durch den in umgekehrter Richtung ¨ f¨ uhrenden Rohrleitungsstrang. Ubertage wird der mit Gesteinsteilchen befrachtete Fl¨ ussigkeitsstrom in ein Absetzbecken oder in eine Separieranlage geleitet, wo eine Trennung von Tr¨agermedium und Gesteinspartikeln stattfindet. Das Tr¨agermedium kann – gegebenenfalls nach Bentonit-Regenerierung – in der beschriebenen Weise st¨andig aufs neue zur Gesteinsf¨ orderung eingesetzt werden. Fl¨ ussigkeitsverluste infolge Weglaufens in rolligen B¨ oden, infolge Verdunstung oder Leckagen sind zu ersetzen. Als F¨ orderrohre werden bei F¨ orderdr¨ ucken bis zu ca. 10 bar Stahlrohre mit Schnellkupplung im Durchmesserbereich von DN 200 und Einzell¨angen bis 6 m eingesetzt. Kunststoffrohre werden wegen gr¨ oßerer Verschleißanf¨alligkeit seltener verwendet. Wegen der erforderlichen h¨ oheren Betriebsdr¨ ucke zur F¨orderung plastischviskosen Erdbreis bei Vortrieben mit erddruckgest¨ utzter Ortsbrust werden abweichend davon spezielle Hochdruckpumpen und Hochdruckrohrleitungen ben¨ otigt.

90

2 Vortriebstechnologie: Maschinen und Ger¨ ate

Voraussetzungen und Vor¨ uberlegungen hinsichtlich des zu f¨ ordernden Gesteins Die Trennung von Tr¨ agermedium und Gesteinspartikeln ist eines der Hauptprobleme der hydraulischen F¨ orderung. F¨ ur die hydraulische F¨orderung eignen sich somit vorrangig Lockergesteine, die sich entweder absieben lassen oder in einem Absetzbecken bzw. in einem Hydrozyklon in einer relativ kurzen Zeit separierbar sind. Die Separiergeschwindigkeit h¨angt maßgebend von der Korngr¨oße der Partikel ab. Verbleiben die Lockergesteinspartikel zu lange im Schwebzustand, so werden diese vom Fl¨ ussigkeitsstrom wieder zur Ortsbrust gef¨ordert. Hinsichtlich der Absetzf¨ ahigkeit des zu f¨ ordernden Gesteins sind Vorversuche zu empfehlen. Bei feink¨ ornigem Bodenmaterial k¨ onnen die Absetzzeiten von Ar¨aometerversuchen gem. DIN 18123 in Vor¨ uberlegungen einbezogen werden. Die M¨oglichkeit der hydraulischen F¨ orderung von Festgesteins-Chips ist nach entsprechend feiner Fragmentierung, z. B. mittels Konusbrecher, m¨oglich. Die Deponierung hydraulisch gef¨ orderten, feink¨ornigen Bodens kann schwierig sein und sich als extrem kostenintensiv erweisen, sofern dieser eine fl¨ ussige oder breiige Konsistenz aufweist, schwer Wasser abgibt oder nennenswerte Bentonitanteile, Polymeranteile oder dgl. enth¨alt. Aus diesem Grund ist die hydraulische F¨ orderung bei bemannten Vortrieben fast ausschließlich beim Anfall rein grobk¨ orniger B¨ oden und beim Anfall von Festgesteins-Chips wirtschaftlich interessant und empfehlenswert. Hinsichtlich der Ger¨ ateauswahl und der Baustelleneinrichtung sind zu ber¨ ucksichtigen: – die Leistungsabstimmung zwischen der Vortriebsmaschine und der hydraulischen Transportkapazit¨ at, – der Platzbedarf f¨ ur ein ausreichend großes Absetzbecken und gegebenenfalls eine Separieranlage, – die Verf¨ ugbarkeit von Energie und Wasser f¨ ur den Betrieb der F¨ordereinrichtung, – das Vorhalten von Verschleißteilen (z. B. Rohrbogen). Technische Grundlagen Einer der wichtigsten Parameter des hydraulischen F¨ordersystems ist die Str¨ omungsgeschwindigkeit. In der Praxis erweisen sich oftmals Str¨ omungsgeschwindigkeiten zwischen 2 m/s und 4 m/s als zweckm¨aßig. Es ist eine Mindeststr¨ omungsgeschwindigkeit ( kritische Str¨omungsgeschwindigkeit“) ” erforderlich, um eine Sedimentation im F¨orderrohr zu verhindern und damit Verstopfern vorzubeugen. Bei h¨ oherer St¨omungsgeschwindigkeit nehmen der Energiebedarf f¨ ur die F¨ orderpumpen und die Verschleißrate in den F¨orderleitungen deutlich zu. Um zu vermeiden, dass der F¨ orderrohrkreislauf beim Einsetzen eines jeden neuen Vortriebsrohres unterbrochen werden muss, werden so genannte By-PassLeitungen verwendet. Hierdurch ist auch eine Umkehr der F¨orderrichtung, z. B. im Fall von Verstopfern, m¨ oglich. Eine Begrenzung der L¨ange der einzelnen F¨ orderrohre auf maximal 6 m und die Verbindung mit Schnellkupplungen

2.2 Vorpresseinrichtungen

91

erm¨ oglicht eine vergleichsweise einfache Montage und Wartung. Im Fall vertikaler F¨orderstrecken im Bereich von Sch¨ achten ist der zus¨atzliche Energiebedarf zu ber¨ ucksichtigen. Regenerierung von Bentonit-Tr¨ ube Die mit Fr¨ asgut befrachtete Bentonit-Suspension wird in einer Separieranlage gereinigt und als regenerierte Suspension erneut zur Ortsbrust gepumpt. Die Regenerierung erfolgt entsprechend der unterschiedlichen Korngr¨oßen des Fr¨asgutes in mehreren Schritten. Zun¨ achst wird die Stein- und Kiesfraktion (Korndurchmesser > 6 mm) mittels Vorklassiersieb abgesiebt. Anschließend werden der Sandanteil und anteilig Grobschluff in einer Hydrozyklon-Anlage separiert. Hydrozyklone (Wendelabscheider) sind ein- oder mehrstufige Nassabscheider, deren Funktionsweise auf dem Zentrifugalprinzip beruht. Tonig-schluffiges Fr¨ asgut mit einem Korndurchmesser von z. B. < 0,04 mm verbleibt entweder in der regenerierten Bentonit-Suspension, oder es muss durch relativ aufw¨ andige Nachkl¨ arung mittels Zentrifuge und gegebenenfalls Kammerfilterpresse entfernt werden. Um entsprechend hohe Durchsatzraten zu erzielen, werden teilweise mehrere Hydrozyklone parallel betrieben und der Fr¨ asgutanteil < 0,04 mm nur aus Teilstr¨omen der Bentonit-Suspension vollst¨ andig herausgel¨ ost. Kompaktanlagen f¨ ur den Einsatz bei Rohrvortrieben sind im Regelfall f¨ ur Durchsatzraten von < 500 m3 /h ausgelegt. Dies entspricht einem Feststoffdurchsatz von < 125 t/h. Beim Regenerationsprozess treten Bentonitverluste auf, die durch Zugabe frischer Bentonit-Suspension zu ersetzen sind.

2.2

Vorpresseinrichtungen

2.2.1

Hauptpressstation

Die Hauptpressstation besteht aus den Hauptvortriebspressen einschließlich aller erforderlichen hydraulischen Einrichtungen sowie dem Pressenwiderlager und dem Stahldruckring (siehe hierzu 2.2.2 und 2.2.3). ¨ Der erforderliche Oldruck wird von einer Hydraulikpumpe erzeugt, die mit einem Lastbegrenzungsventil ausgestattet sein sollte. Die Ansteuerung der Hauptvortriebspressen erfolgt von einer Schalttafel aus manuell mit Hilfe entsprechender Wegeventile, z. B. in Form von Kugeldurchlassventilen.

2.2.2

Hauptvortriebspressen

2.2.2.1

Allgemeines

Die Hauptvortriebspressen dienen dem Vorpressen des Vortriebsrohrstranges einschließlich der Vortriebsmaschine, gegebenenfalls im Wechselspiel mit einer

92

2 Vortriebstechnologie: Maschinen und Ger¨ ate

oder mehreren mit dem Rohrstrang mitbewegten Zwischenpressstationen (Dehnerstationen). Innerhalb einer Hauptpressstation sollten nur baugleiche Vortriebspressen verwendet werden. Bei den Hauptvortriebspressen handelt es sich um so genannte ¨ Differentialzylinder, d. h. um doppelt wirkende Olhydraulikzylinder (im Allg.: Nenndruck 600 bar, nutzbarer Druck ca. 580 bar, Rest: Reibungsverluste), die hydraulisch einzeln oder gruppenweise angesteuert werden. Teilweise werden Differentialzylinder in teleskopierbarer Ausf¨ uhrung (Kolbenhub in der Gr¨ oßenordnung von bis zu 4,5 m ) eingesetzt.

Bild 2.7. Prinzipskizze mit symbolischer Darstellung von Hauptpressstationen

Steht im Inneren des Startschachtes in Vortriebsrichtung ausreichend Platz zur Verf¨ ugung, besteht die M¨ oglichkeit, langhubige Vortriebspressen zu verwenden, die das Vorpressen eines Vortriebsrohres in einem Zug“ gestatten. Bei Verwendung ” kurzer Vortriebsrohre ist es damit fallweise auch m¨oglich, zwei Rohre auf einmal einzusetzen um diese in einem Schubvorgang vorzupressen. Bei konventionellen Durchpressungen sind die Hauptvortriebspressen w¨ahrend des Vortriebs fest mit dem Widerlager in der Schachtumschließung verschraubt. Abweichend davon werden bei den halboffenen Rohrvortriebsverfahren (vgl. 1.6) teilweise die Hauptvortriebspressen – analog der T¨ ubbingbauweise – ortsver¨ anderlich im Maschinenrohr angeordnet, wobei der Vortriebsrohrstrang beim Vortrieb an Ort und Stelle verbleibt und als Widerlager dient. Bei Langstreckenrohrvortrieben wird die Hauptpressstation teilweise so konzipiert, dass zwei relativ lange Rohre (z. B. mit 4 m Einzelrohrl¨ange)

2.2 Vorpresseinrichtungen

93

gleichzeitig im Startschacht eingesetzt und vorgepresst werden k¨onnen. Hierzu kann es erforderlich sein, zwei Gruppen mit teleskopierbaren Hauptvortriebspressen hintereinander anzuordnen, mit einem zwangsgef¨ uhrten Zwischendruckring. In Erg¨ anzung zu den erdstatischen Nachweisen des Pressenwiderlagers kann mit den Hauptvortriebspressen im Bedarfsfall vor Beginn der Vortriebsarbeiten eine Probebelastung im Sinne eines Doppellastplattenversuchs zwischen Anschlagwand und Widerlagerwand vorgenommen werden, um das Lastaufnahmeverm¨ogen des Widerlagers durch einen großmaßst¨ ablichen Belastungstest belegen zu k¨onnen. Hierbei sollte die beim Vortrieb voraussichtlich auftretende, maximale Druckkraft bzw. die auf Grund der Rohrkonstruktion maximal zul¨assige Vorpresskraft schadlos in das Widerlager eingeleitet werden k¨ onnen. Bei einer Befestigung der Hauptvortriebspressen an der r¨ uckw¨artigen Widerlagerwand erfolgt zumeist eine umlenkungsfreie Krafteinleitung in den hinter der Schacht- bzw. Baugrubenumschließung befindlichen Baugrund. Eine Lastweiterleitung, z. B. u agpfeiler, ist m¨oglich. Auf der Seite des ¨ ber Schr¨ Vortriebsrohrstrangs sind die Kolben der Vortriebspressen mit dem Stahldruckring gekoppelt. Die zug- und druckfeste Kopplung erfolgt in der Regel u ¨ ber Kalottenlager. Hierdurch wird eine momentfreie Kraft¨ ubertragung (M = 0) erm¨ oglicht, was zum Schutz des Kolbens wichtig ist. Außerdem k¨onnen hierdurch kleine Winkelabweichungen kompensiert werden. 2.2.2.2

Pressenanordnung

Die Anordnung der Vortriebspressen erfolgt im Regelfall so, dass die Pressenkraftresultierende mit der L¨ angsachse des Rohrstranges zusammenf¨allt, d. h.: – die Vortriebspressen werden parallel so eingerichtet, dass ihre Neigung der planm¨ aßigen L¨ angsneigung des Vortriebsrohrstrangs am Ort des Startschachtes entspricht und – die Pressen bez¨ uglich des Rohrquerschnitts symmetrisch angeordnet werden. Beim Vortrieb kleinkalibriger Rohre mit nur einer Vortriebspresse ist diese zentral anzuordnen. Bei Vortriebsrohren mit Kreisquerschnitt ist bei der Anordnung von mehr als einer Vortriebspresse zumindest eine Achsensymmetrie bez¨ uglich einer in der Ebene des Rohrquerschnitts beliebig geneigten Geraden erforderlich3 . In den weitaus meisten Anwendungsf¨allen verl¨auft diese Achse senkrecht. Dabei wird angestrebt, die Vortriebspressen auf der linken und auf der rechten K¨ ampferseite so anzuordnen, dass z. B. zum senkrechten F¨ordern des Haufwerksk¨ ubels auch bei ausgefahrenen Pressenkolben gen¨ ugend 3

¨ Ublich sind Pressenanordnungen mit 1 - 2 - 4 - 6 oder 8 Vortriebspressen. Konfigurationen mit 3 - 5 oder 7 Vortriebspressen sind nur bei nicht kreisf¨ ormigen Vortriebsrohrquerschnitten gebr¨ auchlich; bei Kreisquerschnitten ist eine ungerade Pressenzahl bei rotationssymmetrischer Anordnung zwar prinzipiell m¨ oglich, wird aber kaum gew¨ ahlt. Bei der Verwendung von nur zwei Vortriebspressen sind gewisse Instabilit¨ aten nicht auszuschließen.

94

2 Vortriebstechnologie: Maschinen und Ger¨ ate

Platz verbleibt. Bei kleinen Rohraußendurchmessern oder bei Verwendung von acht Hauptvortriebspressen kann es dagegen erforderlich sein, zur senkrechten Andienung des Rohrstrangs jeweils die Pressenkolben einschließlich des Stahlf¨ uhrungsrings zur¨ uckzufahren. Vortriebsrohre, deren Querschnitt nicht kreisf¨ ormig ist, weisen in der Praxis fast immer eine lotrechte Symmetrieachse auf, so dass auch hier eine zu dieser Achse symmetrische Pressenanordnung nahe liegt. A

Einsatz von 2 HVP bei Verwendung eines Stahldruckrings f¨ ur 4 HVP (Erg¨ anzungsoption w¨ ahrend des Vortriebes) B Einsatz von 2 HVP (ggf. Instabilit¨ atsproblem) C Einsatz von 4 HVP mit Kran¨ offnung insbesondere bei Unstetigf¨ orderung D Einsatz von 6 HVP mit Kran¨ offnung insbesondere bei Unstetigf¨ orderung E Einsatz von 8 HVP bei sehr großen Vortriebskr¨ aften Die Konfigurationen C, D und E sind als Regelanordnungen empfehlenswert. Die Konfigurationen A und B werden bei relativ geringen Vortriebskr¨ aften angewandt.

Bild 2.8. Gebr¨ auchliche Anordnungen von Hauptvortriebspressen (HVP) (Prinzipskizze)

Da die erforderlichen Vortriebskr¨ afte erst mit zunehmender Vortriebsl¨ange ansteigen, braucht die vorgesehene Gesamtzahl an Vortriebspressen noch nicht von Vortriebsbeginn an installiert zu sein. Allerdings sollten auch bei jeder Teilbest¨ uckung der Hauptpressstation mit Vortriebspressen die vorstehend genannten Regeln eingehalten werden. 2.2.2.3

Vortriebspressen auf Gleitrahmen

Bei kleinen und mittleren Vortriebskr¨ aften besteht als Alternative die M¨oglichkeit, die Vortriebspressen auf einem auf der Schachtsohle schubkraftschl¨ ussig gebetteten Gleitrahmen zu befestigen.

Bild 2.9. Prinzipskizze eines horizontalen Gleitrahmens mit starrem, zwangsgef¨ uhrtem Stahldruckring

2.2 Vorpresseinrichtungen

95

Ein Gleitrahmen erlaubt es, die Pressen mit Hilfe verschiebbarer Lagerb¨ocke entsprechend der jeweiligen Position des zuletzt eingebauten Rohres nachzuziehen. Dadurch k¨ onnen auch Pressen mit relativ geringer L¨angenabmessung, z. B. bei beengten Platzverh¨ altnissen im Startschacht, zum Einsatz kommen. Gleitrahmen sind meist aus Stahlprofilen gefertigt. 2.2.2.4

Kolbenverl¨ angerungsstangen

Der Nachteil des Nachziehens der Lagerb¨ocke kann durch den Einbau von Verl¨ angerungsstangen zwischen den Pressenkolben im eingefahrenen Zustand und dem Stahldruckring umgangen werden. Der Einbauzeitpunkt der Verl¨ angerungsstangen, die meist eine Fixl¨ ange aufweisen, ist hierbei geometrisch auf die Positionen der eingefahrenen Kolben und des Stahlf¨ uhrungsringes abzustimmen. Sofern eine Lasteinleitung auch in ein r¨ uckw¨artiges Widerlager der Schachtumschließung vorgesehen und m¨ oglich ist, k¨onnen die Verl¨angerungsstangen prinzipiell auch zwischen diesem Widerlager und den R¨ uckseiten der Pressen (Pressenb¨ oden) angeordnet werden. Bei Großrohrvortrieben werden Kolbenverl¨ angerungsstangen meist zu einer Adaptereinheit zusammengefasst. Ein Beipiel hierf¨ ur ist auf Bild 2.10 zu sehen.

Foto: Ph. Holzmann AG Bild 2.10. Zusammenfassung von Kolbenverl¨ angerungsstangen zu einer Adaptereinheit

96

2.2.2.5

2 Vortriebstechnologie: Maschinen und Ger¨ ate

Kompensation von Widerlagerbewegungen

Verschiebungen des Pressenwiderlagers k¨onnen in Grenzen durch einen entsprechend l¨ angeren Kolbenweg oder Futterst¨ ucke ausgeglichen werden. Widerlagerverdrehungen sollten dagegen nur dann durch unterschiedlich weit ausgefahrene Pressenkolben kompensiert werden, wenn die Winkelabweichung zwischen der Pressenkraftresultierenden und der Trassenachse klein“ ist, ” d. h. durch die Kalottenlagerung der Pressenkolben kompensiert werden kann. Da Widerlagerverdrehungen nicht selten dazu f¨ uhren, dass die Richtung der Pressenkraftresultierenden von der Richtung des Rohrstrangs um ein dar¨ uber hinaus gehendes Maß abweicht, werden senkrecht zur Kolbenachse stehende Kr¨afte geweckt. Diese Querkr¨ afte f¨ uhren zu Kolbenverkantungen im Zylinder und zu Biegemomenten im Pressenkolben. Als Folge sind insbesondere bei langhubigen Pressen Kolbensch¨ aden und Dichtungssch¨aden m¨oglich. Sind nennenswerte Widerlagerverdrehungen eingetreten, m¨ ussen erforderlichenfalls das Pressenwiderlager saniert und die Hauptvortriebspressen neu ausgerichtet werden um Pressensch¨ aden zu verhindern. 2.2.2.6

Einleitung von Bogentrassen

Die Hauptvortriebspressen eignen sich aus dem gleichen Grund nicht als Steuerpressen. Bogentrassen sollten daher erst nach einer geradlinigen Anlaufstrecke von mehreren Rohrl¨ angen und m¨oglichst nicht unmittelbar von der Anschlagwand aus eingeleitet werden. Gegebenenfalls ist der Startschacht planerisch um die Anlaufstrecke zur¨ uckzuverlegen. 2.2.2.7

Begrenzung der Pressenkr¨ afte und Druckerfassung

Um zu verhindern, dass Vortriebskr¨ afte erzeugt werden, die u ¨ ber der f¨ ur die Vortriebsrohrkonstruktion zul¨ assigen Kraft liegen, ist parallel zu ¨ einer konsequenten Oldruckaufzeichnung und -¨ uberwachung die Ausr¨ ustung des Hydrauliksystems mit einem entsprechenden Druckbegrenzungsventil zu empfehlen. Das ATV-Arbeitsblatt A 125 [104] fordert zu diesem Zweck den Einsatz eines Druckw¨ achters, der bei Erreichen von 90 % der f¨ ur die Vortriebsrohre zul¨ assigen Vorpresskraft abschaltet. Wenn bei der Druckerfassung der Druck des Hydraulik¨ ols vor dem Eintritt in die Vortriebspressen gemessen wird, so ist zu ber¨ ucksichtigen, dass infolge von Einstr¨ omdruckverlusten und druckabh¨angiger Dichtungsreibung im Zylinder ein geringerer Druck zur Verf¨ ugung steht. Der Zylinderwirkungsgrad bei Druck ηD liegt in der Gr¨oßenordnung von 0, 9 ≤ ηD ≤ 0, 95. Entsprechend betr¨ agt die Kolbenkraft FDruck = ηD · p · AKolben . F¨ ur Vortriebe von Rohren mit gr¨ oßerem Durchmesser sind unter anderem Hauptvortriebspressen mit einer maximalen Druckkraft von FDruck = 3 000 kN je Presse gebr¨ auchlich.

2.2 Vorpresseinrichtungen

2.2.3

97

Stahldruckring

¨ Der Stahldruckring erm¨ oglicht eine vergleichm¨aßigte Ubertragung der Vortriebskr¨ afte auf den Rohrspiegel des zuletzt eingebauten Vortriebsrohres. Stahldruckringe bestehen aus verwindungssteifen und verformungsarmen, vollwandigen Schweißkonstruktionen aus Stahlblech (S 355, Werkstoff-Nr. 1.0570, alte Bez. St 52-3). Sie sind h¨ aufig in Form ringf¨ormiger, versteifter Hohlk¨ asten mit parallelen, ebenen Stirnfl¨ achen ausgebildet. Entsprechend der Staffelung der Außendurchmesser der Vortriebsrohre sind jeweils Stahldruckringe unterschiedlichen Außendurchmessers erforderlich. Der Außendurchmesser des ¨ Stahldruckrings muss im Ubergreifungsbereich mit dem Vortriebsrohr auf den Innendurchmesser des Stahlbundrings einschließlich eines geringen Spiels abgestimmt sein. Gr¨ oßere und entsprechend schwere Stahldruckringe sind auf Rollen gelagert um eine Biegebeanspruchung auf die Pressenkolben zu vermeiden. In diesem Fall werden die Stahldruckringe entsprechend der Kolbenbewegung auf Schienen verfahren. Im Fall der Haufwerksf¨orderung im Pendelbetrieb kann es bei geeigneter Anordnung der Hauptvortriebspressen zweckm¨aßig sein, auf dem Stahldruckring einen Hilfskran zu montieren. Die in der Fr¨ uhphase der Rohrvortriebstechnik verwendeten Lastverteilungsrahmen aus Hartholz wurden durch Stahldruckringe vollst¨andig verdr¨ angt.

Foto: T. Br¨autigam, Stuttgart Bild 2.11. Stahldruckring DA 3600

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3

Ausf¨ uhrung

3.1

Vorpressen von Rohren

3.1.1

Einbringen der Vortriebsrohre

Werden Rohrvortriebe mit ganz einfachen Randbedingungen ausgenommen, so sollte der Einbau der Vortriebsrohre nach einem Rohrfolgeplan (Rohrverlegeplan) vorgenommen werden. Die Rohrnummern im Rohrfolgeplan (vgl. Bild 3.1) sollten dabei m¨ oglichst mit der an der Rohrinnenseite befindlichen Nummerierung u ¨bereinstimmen. Beispielweise setzt der korrekte Einbau von Sonderrohren und Dehnern eine rasche Kontrolle der Nummer des zuletzt eingebauten Vortriebsrohres ¨ voraus. Gleiches gilt bei gr¨ oßeren Rohrvortrieben mit geringer Uberdeckung, bei denen die Vortriebsrohre im Hinblick auf unterschiedliche statische Auflasten mit einer unterschiedlichen Bewehrung gefertigt wurden. Dieser Fall kann zum Beispiel dann vorliegen, wenn an der Gel¨ andeoberfl¨ache u ¨ ber Teilabschnitten des Rohrstrangs nach Erreichen der Endlage, planm¨aßig umfangreiche und m¨achtige, ¨ zus¨ atzliche Ubersch¨ uttungen vorgesehen sind und u ¨ber anderen Teilabschnitten des Rohrstranges nicht. Zum Einbringen eines Vortriebsrohres wird der Stahldruckring zur¨ uckgefahren, und das Vortriebsrohr wird auf die Rohrbettung (F¨ uhrungsrahmen) abgesetzt. Der F¨ uhrungsrahmen besteht im Regelfall aus Stahlschienen. Um Verkantungen und einen Zusammenprall von Vortriebsrohren beim Einheben mittels Kran zu vermeiden, ist eine F¨ uhrung des am Seil h¨angenden Rohrfertigteils zweckm¨ aßig. Bevor das Vortriebsrohr mit den Vortriebspressen entlang des Stahlf¨ uhrungsrahmens in die Muffe des Vorg¨ angerrohres eingeschoben wird, sind ggf. Verrollungszentrierbolzen einzusetzen. Bild 3.1 zeigt einen Rohrfolgeplan f¨ ur 109 Vortriebsrohre DN 3000 mit drei schwimmenden Dehnerstationen. Alle Rohre sind mit Spaltzugbewehrung (Verb¨ ugelung) und Injektionsstutzen ausgestattet. Die Abk¨ urzungen bedeuten: Bew. 1 verst¨ arkte Bewehrung f¨ ur hohe schlaffe statische Vertikallast (Endzustand) u ¨ber einer Teilstrecke des Vortriebsstollens Bew. 2 Normalbewehrung AR Anfangsrohr NR Normalrohr DVLR Dehnervorlaufrohr DNLR Dehnernachlaufrohr

3.1.2

Zwischenpress-Stationen

Zwischenpressstationen werden auch als Dehnerstationen“ oder Dehner“ ” ” bezeichnet. Es handelt sich um ortsver¨ anderliche, mit dem Rohrstrang

100

3 Ausf¨ uhrung

Bild 3.1. Rohrfolgeplan f¨ ur einen Vortrieb DN 3000 (Beispiel)

mitfahrende“ Pressenanlagen, deren Anordnung in einem Rohrfolgeplan vor ” Beginn der Bauausf¨ uhrung festzulegen ist. Die rechtzeitige Festlegung der Dehnerpositionen ist aus Gr¨ unden der Rohrfertigung (Produktionsreihenfolge und Anlieferungstermin) wichtig, da unmittelbar vor und hinter der Dehnerstation

3.1 Vorpressen von Rohren

101

Sonderrohre erforderlich sind. Mit einer Dehnerstation kann der Teil des Vortriebsrohrstranges vorgepresst werden, der in Vortriebsrichtung vor der Dehnerstation liegt. Der r¨ uckw¨ artige Teil des Vortriebsrohrstranges zwischen der Dehnerstation und der Hauptpressstation verharrt dabei in Ruhe. Beim Betrieb der Dehnerstation st¨ utzt sich diese auf den nicht bewegten, r¨ uckw¨artigen Teil des Rohrstranges, einschließlich der Hauptvortriebspressen, ab.

Foto: Ph. Holzmann AG Bild 3.2. Dehnerstation bei einem Großrohrvortrieb mit hydraulischer F¨ orderung des abgebauten Materials

102

3.1.2.1

3 Ausf¨ uhrung

Betrieb

Durch die mit Dehnerstationen bewirkte Aufteilung des Vortriebsrohrstranges in zwei oder mehr Einzelvortriebsabschnitte ist es nur noch erforderlich, die Vorpresswiderst¨ ande auf dem jeweils bewegten Teilabschnitt des Rohrstranges zu u ¨berwinden. Die in die Vortriebsrohre eingeleiteten Vorpresskr¨afte werden hierdurch maßgebend reduziert, was wirtschaftliche Rohrwanddicken und eine wirtschaftliche Auslegung der Hauptpressstation erm¨oglicht. Da der Betrieb von Dehnerstationen naturgem¨ aß zu einer Vortriebsverlangsamung f¨ uhrt, werden Dehnerstationen meist erst dann verwendet, wenn die Widerst¨ande beim Vorpressen des gesamten Rohrstrangs so stark angestiegen sind, dass die entsprechende Vorpresskraft die zul¨ assige Drucknormalkraft der Vortriebsrohre u urde. ¨ bersteigen w¨ 3.1.2.2

Bauarten

Dehnerstationen bestehen im Wesentlichen aus mehreren, im Vergleich zu den Hauptvortriebspressen relativ kurzhubigen Hydraulikpressen, z. B. mit 800 kN nominaler Druckkraft. Dehnerpressen weisen meist Kolbenh¨ ube in der Gr¨ oßenordnung von 30 cm und im Extremfall von 100 cm [192] auf. Große Bau- und Hubl¨ angen der Dehnerstationen k¨onnen sich auf den minimal auffahrbaren Trassenradius auswirken. Dehnerstationen bestehen ferner aus lastverteilenden Stahlblechplatten zu beiden Seiten der Dehnerpressen und aus einem außen liegenden Stahlblechmantel zur Rohr¨ ubergreifung. Der Durchmesser dieses Stahlblechmantels darf nicht gr¨ oßer sein, als der Nennaußendurchmesser der Vortriebsrohre. Bei Dehnerstationen werden im Wesentlichen zwei Bauarten unterschieden: – schwimmende Dehnerstationen“ und ” – in Vortriebsrohre integrierte Dehnerstationen“. ” Schwimmende Dehnerstationen sind analog zu losen Stahlf¨ uhrungsringen (vgl. 1.5.2, S. 51) eigenst¨ andige Einbauteile. Der Blechmantel der ¨ schwimmenden Dehnerstation bildet einen Ubergreifungsstoß mit dem vorausgehenden Vortriebsrohr (Dehnervorlaufrohr DVLR) und mit dem nachfolgenden Vortriebsrohr (Dehnernachlaufrohr DNLR). Dehnervorlaufrohr und Dehnernachlaufrohr m¨ ussen jeweils formgleiche Spitzenden aufweisen. Auf Grund der konzentrierten Lasteinleitung erhalten Dehnervorlaufrohre und Dehnernachlaufrohre zumindest im spiegelnahen Bereich eine verst¨arkte Bewehrung. Bei den integrierten Dehnerstationen ist der Stahlblechmantel des Dehners fest mit einem verk¨ urzten und mit verst¨arkter Bewehrung ausgestatteten Stahlbetonvortriebsrohr (Dehnerrohr) verbunden. Der Stahlblechmantel entspricht einem u uhrungsring. Das anschließend einzubauende, ebenfalls mit ¨berbreiten Stahlf¨ verst¨ arkter Bewehrung ausgestattete Dehnernachlaufrohr weist im Hinblick auf den Kolbenweg der Dehnerpressen ein verl¨ angertes Spitzende auf.

3.1 Vorpressen von Rohren

103

Nach Abschluss der Vortriebsarbeiten werden die Dehnerpressen ausgebaut und im Regelfall die Dehnerfuge mit Hilfe der Hauptvortriebspressen oder einer nachfolgenden Dehnerstation zusammengeschoben. Im Fall von schwimmenden Dehnerstationen ergeben sich nach dem Zusammenschieben zwei Innenfugen mit der dazwischen liegenden, mit dem schwimmenden Dehner verschweißten ringf¨ ormigen Stahlplatte (siehe Bild 3.3). Im Fall integrierter Dehnerstationen ergibt sich nach dem Zusammenschieben dagegen nur eine Innenfuge. Die Best¨ uckung von Dehnerstationen mit Dehnerpressen ist nur soweit sinnvoll, wie die installierte Vortriebskraft unter der zul¨assigen Drucknormalkraft der Vortriebsrohre liegt. Das Vorliegen dieser Voraussetzung ist vor der unplanm¨aßigen Aufr¨ ustung von Dehnerstationen mit Zusatzpressen zwingend zu u ufen, ¨ berpr¨ da sonst Rohrsch¨ aden wahrscheinlich sind. Als Dehnerpressen gelangen oftmals einfach wirkende Plungerzylinder zum Einbau, deren Kolben beim Vorpressen der r¨ uckw¨ artigen Rohrstrecke mit eingeschoben werden. Die Verlegung einer ¨ uckleitung kann so vermieden werden. gesonderten Olr¨ Zur Fernkontrolle des aktuellen Kolbenhubes werden Dehnerstationen h¨aufig mit elektrischen Weggebern ausger¨ ustet.

Bild 3.3. Schematische Darstellung der Rohrstoßfuge schwimmenden“ Dehnerstation (unmaßst¨ ablich) ”

3.1.2.3

im

Bereich

einer

Anordnung

Die Anordnung von Zwischenpressstationen erfolgt auf Grund von baugrundabh¨ angigen Erfahrungswerten und u agigen Mantelreibungsberechnungen. In ¨ berschl¨ Bild 3.4 ist die Anordnung von Dehnern in einem Vortriebsrohrstrang schematisch dargestellt. Der erforderliche Dehnerabstand kann sehr stark variieren. Mit zunehmendem Rohrdurchmesser und damit zunehmender Mantelreibungskraft reduziert sich in der Regel der m¨ ogliche Dehnerabstand. In Schichten außerhalb

104

3 Ausf¨ uhrung

des Grundwassers sind oft deutlich kleinere Dehnerabst¨ande erforderlich als in den selben Schichten unterhalb des Grundwasserspiegels. Bei Vortrieben in Kiesen und Sanden kann f¨ ur s¨ uddeutsche Verh¨altnisse als Faustregel von einem Entwurfs-Dehnerabstand von 30 m bis 40 m ausgegangen werden. Bei wechselnden Schichten werden oftmals Entwurfs-Dehnerabst¨ande zwischen 40 m und 80 m gew¨ ahlt. Entwurfs-Dehnerabst¨ande zwischen 80 m und 120 m sind f¨ ur s¨ uddeutsche Verh¨ altnisse relativ groß und vor allem dann gerechtfertigt, wenn in den zu durchpressenden Schichten diesbez¨ uglich bereits positive Erfahrungen vorliegen. Unter schmiertechnisch g¨ unstigen Voraussetzungen kann ein noch gr¨ oßerer Dehnerabstand ausreichend sein. Aus geotechnischer Sicht sind große Entwurfs-Dehnerabst¨ ande jedoch nicht empfehlenswert. Schmiertechnisch g¨ unstige Eigenschaften sind bei Schichten zu erwarten, die nur schwer wasserdurchl¨ assig sind und in denen der Bentonitschmierfilm lange Zeit m¨ oglichst vollfl¨ achig erhalten bleibt. In solchen Schichten wurden bereits mehrere hundert Meter lange Rohrstrecken allein mit den Hauptvortriebspressen ¨ verschoben. Uberdurchschnittlich hohe Mantelreibungskr¨afte sind unter anderem zu erwarten in – quellf¨ ahigen Bodenarten und in – Schichten aus Bodenarten mit großem Reibungswinkel, in denen Schmiermittelinjektion in hohem Maße wegsickert oder weggesp¨ ult wird.

die

Bei der Anordnung der ersten Dehnerstation ist zu ber¨ ucksichtigen, ¨ dass die Pressenkr¨ afte anteilig auch zur Uberwindung des Brustwiderstandes ben¨ otigt werden. H¨ aufig wird die erste Dehnerstation daher bereits wenige Vortriebsrohrl¨ angen nach dem Maschinenrohr eingebaut. Von weiterer Bedeutung f¨ ur den relativ geringen Abstand der ersten Dehnerstation nach dem Maschinenrohr ist die h¨ aufige Zweitfunktion des ersten Dehners als so genannte Trimmstation“. ” Zur Vermeidung von Verrollungseffekten in r¨ uckw¨artigen Dehnern, die nicht als Trimmstation ausger¨ ustet sind, werden fallweise Verrollungszentrierungen eingebaut. Beim Einsatz von Vortriebsmaschinen mit einem vollfl¨achigen Abbau der Ortsbrust (Vollschnittmaschinen bzw. Tunnelbohrmaschinen) kann es zweckm¨aßig sein, die erste Dehnerstation direkt hinter der Vortriebsmaschine anzuordnen. Hierdurch kann eine satte Anpressung der Abbauwerkzeuge an die Ortsbrust erreicht werden. Die Abst¨ ande aller nachfolgenden Dehnerstationen k¨onnen sich bei durchschnittlichen Vortriebsverh¨ altnissen an den oben genannten Zahlenwerten orientieren. Wenn die Vorpresskr¨ afte einer Haltung in einer bereits aufgefahrenen Vortriebsstrecke nicht im Mittel konstant bleiben oder abnehmen, sondern kontinuierlich zunehmen (vgl. Bild 3.6), so muss dies auf eine zeitabh¨angige Zunahme der Rohrmantelreibung zur¨ uckgef¨ uhrt werden. Als Ursachen hierf¨ ur sind vorrangig Schmiermittelverluste oder quellf¨ahige Gesteinsschichten anzunehmen.

3.1 Vorpressen von Rohren

105

Schema der Einbaufolge und Inbetriebnahme von Dehnerstationen

Nach Erreichen der Endlage wird die Vortriebsmaschine (VTM) ausgebaut. Nach dem Ausbau der Dehnerpressen eines Dehners wird der jeweilige Dehnerringspalt mit den r¨ uckw¨ artigen Dehnern bzw. mit den Hauptvortriebspressen (HVP) zusammengeschoben. Zum Abschluss wird im Bedarfsfall ein Passrohr eingesetzt. Bild 3.4. Einbauschema von Dehnerpressstationen

106

Foto: T. Br¨autigam, Stuttgart 1 Die Trimmpresse ist mit Hilfe eines Konsolst¨ ucks im Lochkranz fixiert 2 Der Lochkranz erm¨ oglicht eine optimale Einbauposition der Trimmpresse sowie ein Nachfassen der Presse bei gr¨ oßeren Verrollungswinkeln Bild 3.5. Dehnerstation ausger¨ ustet als Trimmstation

3 Ausf¨ uhrung

3.1 Vorpressen von Rohren

Bild 3.6. Entwicklung der Vortriebskr¨ afte in Abh¨ angigkeit von der Vortriebsl¨ ange

107

108

3.1.3

3 Ausf¨ uhrung

Steuerung von Rohrvortrieben

Da bei Vortrieben im begehbaren Durchmesserbereich aus funktionalen Gr¨ unden stets geometrische Vortriebstoleranzen einzuhalten sind, ist es notwendig, dass erforderliche Richtungskorrekturen durch eine entsprechende Steuerung ausgef¨ uhrt werden k¨ onnen. Des Weiteren sind Rohrvortriebe auf planm¨aßigen Bogentrassen ohne die M¨ oglichkeit einer Vortriebssteuerung undenkbar. 3.1.3.1

Generelle M¨ oglichkeiten

Die Steuerung des Rohrstranges erfolgt bei der Rohrvortriebstechnik in aller Regel aus dem Bereich der Ortsbrust durch Schr¨agstellen der Schildschneide oder des Schneidschuhes gegen¨ uber den nachfolgenden Vortriebsrohren. Diese Art der Steuerung setzt voraus, dass ein ausreichend großer seitlicher Erdwiderstand mobilisiert werden kann, der den auftretenden Umlenkkr¨aften entgegenwirkt. Bei B¨ oden, in denen ein zu geringer Erdwiderstand mobilisierbar ist, versagt die beschriebene Steuertechnik. Solche B¨oden sind f¨ ur die Anwendung der Rohrvortriebstechnik in vielen F¨ allen nicht oder nur nach entsprechender Ert¨ uchtigung geeignet. 3.1.3.2

Sonderf¨ alle

F¨ ur den Sonderfall von Rohrvortrieben auf Kreisbogenst¨ ucken durch B¨ oden mit geringem Erdwiderstand besteht die M¨oglichkeit der Steuerung u angsvorspannung einer frei w¨ahlbaren Anzahl ¨ ber eine asymmetrische L¨ aufeinander folgender Vortriebsrohre. Durch die unterschiedliche Gr¨oße der L¨ angsvorspannkr¨ afte und die dabei bewirkte asymmetrische Pressung und Deformation der Druck¨ ubertragungsringe beschreibt der Rohrstrang eine kreisf¨ ormige Bogentrasse. Die L¨ angsvorspannung erfolgt u ¨ ber Spannst¨ahle, die in der Rohrwandung in H¨ ullrohren angeordnet werden [190]. 3.1.3.3

Steuerung mit Steuerzylindern

Die zur Steuerung verwendeten Hydraulikzylinder sind bei Rohrvortrieben im begehbaren Durchmesserbereich meist gruppenweise in den vier Quadranten des Schildquerschnitts angeordnet (Vierpunktlagerung). Bei Vortrieben mit kleinen Rohrdurchmessern ist auch eine im Rohrquerschnitt um jeweils 120o versetzte Anordnung einzelner Steuerpressen gebr¨auchlich (Dreipunktlagerung). Als Steuerpressen werden meist Differentialzylinder mit einer nominalen Druckkraft von 800 kN oder 1000 kN verwendet. Die Steuerpressen sind an beiden Enden u ¨ ber Gelenkaugen drehbar an Lagerb¨ ocken befestigt. Die Lagerb¨ocke sind einerseits am Schildmantelblech und andererseits am Schildschneidenk¨orper angeschweißt. Durch ein einseitiges Ausfahren der Pressenkolben wird die Schildschneide aus der Richtung des Maschinenrohrs herausgeschwenkt. Hierdurch wird auch eine Richtungsabweichung zwischen Schneidenkraft und Vorpresskraft bewirkt.

3.1 Vorpressen von Rohren

109

Dies hat aus Gr¨ unden des statischen Gleichgewichts zur Folge, dass quer zur Vortriebsrichtung Erdwiderstandskr¨ afte bzw. Umlenkkr¨afte geweckt werden. Letztere stabilisieren den Rohrstrang bei der Kurvenfahrt in radialer Richtung. Druckbeaufschlagung der Steuerpressengruppen bei der Einleitung unterschiedlicher Trassenbogen oder Steuerkorrekturen Bei der Einleitung von Bogenfahrten m¨ ussen die Kolben der dem Bogenmittelpunkt entgegengesetzt angeordneten Steuerpressen ausgefahren werden. Zur Einleitung horizontaler und vertikaler B¨ ogen (siehe obere Bildreihe) gen¨ ugt es, die beiden u ¨bereinander bzw. nebeneinander liegenden Pressengruppen zu aktivieren. Bei geneigten B¨ ogen (Kippachse verl¨ auft u ¨ber nicht aktivierte Pressen, siehe untere Bildreihe) ist es zum Erhalt der Ebenheit des Schneidschuhs und zur Vermeidung von Zwang erforderlich, dass die Kolben der im Innenbogen liegenden Steuerpressen sukzessive eingefahren werden.

Bild 3.7. Steuerung mit den Steuerpressen

3.1.3.4

Einleitung von Steuerkorrekturen

Abrupte Richtungs¨ anderungen durch starke Gegensteuerung sind f¨ ur StahlbetonVortriebsrohre mit einem sehr hohen Riss- und Bruchrisiko sowie mit dem Risiko des Verlusts der Dichtungsfunktion verbunden und unter allen Umst¨anden zu vermeiden. Nicht selten sind von entsprechenden Sch¨aden die Mehrzahl

110

3 Ausf¨ uhrung

der Vortriebsrohre betroffen, die eine solche abrupte Richtungs¨anderung beim Vorpressen in der Rohrkolonne nachvollziehen m¨ ussen. Tritt beim Vorpressen eine Richtungsabweichung ein, so bleibt diese im Regelfall zun¨achst sensorisch unauff¨ allig. Bei handgesteuerten Rohrvortrieben wird der Steuervorgang naturgem¨ aß erst dann eingeleitet, wenn der Maschinenf¨ uhrer Kenntnis von der Kursabweichung bekommt. Dies ist meist erst auf Grund der Messergebnisse von Kontrollvermessungen der Fall. Zwischenzeitlich beh¨alt der Rohrvortrieb den abweichenden Kurs bei. Vom Zeitpunkt der Einleitung des Steuervorgangs bis zur Reaktion des Systems beh¨alt der Rohrstrang auf Grund seiner individuellen Tr¨ agheit den abweichenden Kurs noch immer bei. Der zur¨ uckgelegte Vortriebsweg bis zum Ansprechen des Systems auf die Steuerkorrektur kann bis zu mehreren Metern betragen. Um eine Steuerkorrektur zu beenden, muß die Gegensteuerung zur R¨ uckkehr auf die planm¨aßige Trasse bereits vor Erreichen der Solllinie eingeleitet werden. Wird die Gegensteuerung zu sp¨ at eingeleitet, z. B. bei Erreichen der Solllinie, wird eine Fehlsteuerung zur Gegenseite hin unausweichlich. Das Problem reproduziert sich dadurch. Eine engmaschige Folge von Einzelvermessungen ist erforderlich um die Vorpressstrecken mit unerkannten Richtungsabweichungen m¨oglichst zu minimieren. Die Art der Steuerung der Vortriebsmaschine ist nicht zuletzt auch eine Frage der Geschicklichkeit des Maschinenf¨ uhrers.

Bild 3.8. Schema eines steuerbaren Vortriebsschildes

3.1.3.5

Baugrundeigenschaften als Ursache f¨ ur Richtungsabweichungen

Bestimmte Baugrundmerkmale k¨ onnen zu Richtungsabweichungen f¨ uhren oder diese beg¨ unstigen. Steuerungstechnisch schwierig sind vor allem Rohrvortriebe, die im Grenzbereich von Bodenschichten mit stark abweichenden Festigkeits- oder Lagerungseigenschaften aufgefahren werden m¨ ussen. Dies ist z. B. dann der Fall, wenn eine harte Felsbank in schleifendem Schnitt zur Vortriebstrasse verl¨auft und

3.1 Vorpressen von Rohren

111

in den Ausbruchquerschnitt tritt. Der Schneidschuh kann dazu tendieren, auf der Felsoberfl¨ ache entlang zu schleifen. Beim Durchfahren sehr locker gelagerter rolliger B¨oden und bei bindigen B¨oden von weicher Konsistenz tendiert der Schneidschuh dazu, nach unten abzusacken. Um die planm¨ aßige Vortriebsrichtung einhalten zu k¨onnen, muss ggf. ¨ mit Uberschnitt, Voraushub bzw. mit kontinuierlicher Gegensteuerung aufgefahren werden. 3.1.3.6

Kolbenwegmessung

Im einfachsten Fall erfolgt die Bestimmung des Kolbenweges bei bemannten Rohrvortrieben mit Hilfe eines Meterstabes. Die L¨ange des sichtbaren Abschnittes des Kolbenschaftes wird vor und nach der Druckbeaufschlagung an einer Referenzpresse der jeweiligen Steuerpressengruppe gemessen. Als Differenz beider Messwerte ergibt sich die Kolbenverschiebung. Komfortabler ist die potentiometrische Verschiebungsmessung mit elektrischen Weggebern. Die Verschiebungsmesswerte werden auf Anzeigedisplays im Blickfeld des Maschinenf¨ uhrers angezeigt. Die Bedienung der Steuerpressen erfolgt auf Grund der Messwerte manuell. Gelegentliche Plausibilit¨atskontrollen durch die vorbeschriebene Meterstabmessung und Kalibrierungen der elektrischen Weggeber sind anzuraten. Bei ferngesteuerten Vortrieben werden die gemessenen Kolbenwege nach entsprechender Signalverarbeitung zur automatischen Steuerkorrektur verwendet. 3.1.3.7

Lenkunterst¨ utzende Zusatzmaßnahmen

Bei geradlinigen Langstreckenvortrieben ist die Verwendung von Parallelspiegelrohren mit großer Einzelrohrl¨ange empfehlenswert um einen weitgehend stabilen Geradeauslauf des Rohrstranges zu erzielen. Analog ist der Einsatz von Schr¨ agspiegelrohren begrenzter L¨ange in vielen F¨allen eines der wirksamsten Instrumente eine kontinuierliche Bogentrasse ohne gr¨oßere Steuerprobleme auffahren zu k¨ onnen. Abtragstechnisch ist es zur Unterst¨ utzung des Steuervorganges in der Praxis u ¨blich, in standfesten Bodenarten mit einem begrenzten, richtungsweisenden ¨ Voraushub bzw. mit einem begrenzten radialen Uberschnitt vorzupressen. Aus statischen Gr¨ unden kann eine Richtungs¨ anderung mit Hilfe der Steuerpressen jedoch nur dann erfolgen, wenn die Schildschneide gegen die Ortsbrust dr¨ uckt. Wenn erh¨ ohte Steuerkr¨ afte erforderlich sind, kann ggf. eine kr¨aftem¨aßige Aufr¨ ustung einzelner Steuerpressengruppen vorgenommen werden. Im Extremfall ist der Bau eines bergm¨ annisch vorgetriebenen Pilotstollens m¨oglich, in den der Vortriebsrohrstrang ohne einen Brustwiderstand u ¨ berwinden zu m¨ ussen, nachgeschoben wird. Ein solcher Rohrstrang folgt dem Verlauf des Pilotstollens auf Grund der Vorschubkraft und der von der Laibung des Pilotstollens ausgehenden seitlichen F¨ uhrung. Bei Rohrvortrieben auf engen Bogentrassen bietet sich der Einsatz eines Gelenkschildes an.

112

3.1.3.8

3 Ausf¨ uhrung

Automatisierte Steuerung

Bei ferngesteuerten Rohrvortrieben besteht die M¨oglichkeit, das automatisierte Vermessungssystem mit einem automatischen Steuerleitsystem zu verkn¨ upfen. Die Position der Vortriebsmaschine wird durch einen vermessungstechnischen Referenzpunkt definiert (z. B. Endpunkt eines Trassenpolygonzuges). Dieser Referenzpunkt bildet gleichzeitig den Bezugspunkt f¨ ur das Steuerleitsystem. Auf der Grundlage eines programmgest¨ utzten Vergleichs der Istlage mit der Solllage wird die f¨ ur eine eventuell erforderliche Kurskorrektur notwendige Steuerbewegung eingeleitet. Der Ablauf der Kurskorrektur sieht in Analogie zur Handsteuerung eine D¨ ampfung der Steuerbewegung vor, so dass die Solllage allm¨ahlich angen¨ahert wird. Automatisierte Steuerungen werden h¨ aufig als Fuzzy-Steuerungen bezeichnet, da sie neben klassischen mathematischen Algorithmen auch die Fuzzy-Logik nutzen. Nach Kosko, zitiert nach [191], ist Fuzzy-Logik das Argumentieren mit ” unscharfen Mengen“. Der Begriff Fuzzy“ geht zur¨ uck auf einen 1965 publizierten ” Aufsatz von L. Zadeh mit dem Titel Fuzzy Sets“ (unscharfe Mengen) [191]. ” Auch ohne Fuzzy-Logik“ wurde bei der Programmierung von Steuerungen seit ” langem versucht, auch empirisches Wissen, das sich nicht exakt mathematisch fassen l¨ asst, in Computerprogramme umzusetzen. Das Neue an der Fuzzy” Steuerung“ ist darin zu sehen, dass die Fuzzy-Logik bestimmte Algorithmen zur Verf¨ ugung stellt. 3.1.3.9

Prinzip der Fuzzy-Steuerung

Die Fuzzy-Control-Steuerung erm¨ oglicht eine automatisierte Steuerung und Einleitung von Steuerkorrekturen auf der Grundlage von zuvor einprogrammierten, vordefinierten Entscheidungsstrategien und Kennfelddaten. Die Festlegung der Entscheidungsstrategien basiert auf Erfahrungswerten aus der manuellen Steuerung. Die Regelung erfolgt nach Winkeln und Lageabweichungen. Mit Hilfe einer Selbstoptimierungsfunktion nimmt die Genauigkeit der Regelvorg¨ange im Verlauf eines Vortriebes zu. Die Fuzzy-Control-Steuerung (siehe Bild 3.9) besteht im Wesentlichen aus folgenden Elementen: – einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS), – einem Rechner f¨ ur die Regelvorg¨ ange, der Fuzzy- Control-Engine (FCE) und – einem Leitrechner zur online-Visualisierung und Kontrolle (Tracing) der Reaktionen des Fuzzy-Reglers, zur manuellen Nachoptimierung und im Bedarfsfall zum manuellen Abbruch der automatisierten Steuervorg¨ange. Das Computerprogramm ben¨ otigt f¨ ur den Regelungsvorgang einerseits die aktuelle Position, Richtung und Verrollung der Vortriebsmaschine und andererseits die aktuelle Stellung der Kolben der Steuerpressen. Die Position der Vortriebsmaschine wird beispielsweise mit dem in 3.1.4.5, S. 117, beschriebenen elektronischen Laser-System (ELS) bestimmt und an den Leitrechner und von dort an die nachgeschaltete FCE-Einheit u ¨bertragen.

3.1 Vorpressen von Rohren

113

¨ Uber Sensoren in den Steuerpressen werden die Stellungen der Steuerpressenkolben erfasst und die entsprechenden Rohdaten u ¨ ber eine BUSLeitung an die SPS u bermittelt. Die SPS ist u ber ein Standard-Interface ¨ ¨ (Schnittstelle) mit dem Leitrechner und der nachgeschalteten FCE-Einheit verkn¨ upft. Die mehr oder minder rechenintensiven Fuzzy-Regeln werden von der FCE bearbeitet, von der aus Stellwerte f¨ ur die Steuerkolben (gefilterte Messwerte) an Leitrechner und SPS-Einheit zur¨ uckgesendet werden. Die f¨ ur die ¨ Steuerkorrektur erforderliche Anderung der Kolbenstellungen wird durch die SPS ohne Zeitverzug eingeleitet. Vorteilhaft bei der Fuzzy-Control-Steuerung ist, dass das Erfahrungswissen der Anlagenf¨ uhrer bei der Programmierung der Entscheidungsstrategien zur Automatisierung direkt verwertet werden kann und jederzeit die Option besteht, den Vortrieb mit rein manueller Steuerung fortzusetzen. Der Einsatz der Fuzzy-Steuerung bei Rohrvortrieben erfolgt derzeit vor allem im Bereich des Microtunneling (vgl. 1.7, S. 64).

Bild 3.9. Darstellung des Prinzips einer Automatiksteuerung

114

3.1.4

3 Ausf¨ uhrung

Vermessung und Vortriebsdokumentation

3.1.4.1 Geod¨ atische Vermessung F¨ ur die plangem¨ aße Ausf¨ uhrung eines Rohrvortriebes ist es unabdingbar, dass beim Vortrieb jederzeit Sicherheit u ¨ber die Position der Vortriebsmaschine besteht und ein Vergleich zwischen der Ist-Lage und der Soll-Lage vorgenommen werden kann. Die einzelnen Positionsbestimmungen m¨ ussen sich auf die Vortriebsstationierung, die Seitenlage und die H¨ ohenlage (x, y, z) erstrecken. F¨ ur eine zuverl¨assige Steuerung sind zus¨ atzlich Daten u ¨ ber die Neigung der Vortriebsmaschine entsprechend der Rotationsfreiheitsgrade (Nicken, Gieren, Rollen) zu erfassen (siehe Bild 3.10). Die gemessenen Positionsdaten m¨ ussen mit den Solldaten der Trasse verglichen werden, um daraus R¨ uckschl¨ usse f¨ ur eventuelle Steuerkorrekturen zu ziehen. F¨ ur die Ermittlung der Positionsdaten k¨onnen bei begehbaren Rohrquerschnitten verschiedene Methoden angewandt werden: – Kombination aus manuellen Einzelmessungen (z. B. theodolitische Polygonzugaufnahme, Bandmaßmessungen, Schlauchwaagenmessungen, Zieltafelablesungen bei Linearlasereinsatz und Rollwinkelmessungen), – Kontinuierliche Messverfahren, z. B. mit Hilfe von elektronischen Weg-, H¨ohenund Winkelsensoren. Die elektronische Positionsdatenerfassung ist Voraussetzung f¨ ur ferngesteuerte Rohrvortriebe und f¨ ur die interaktive Vortriebssteuerung durch entsprechende Steuerrechner. Diskontinuierliche ( manuelle“) Lagebestimmungen sollten jeweils ” nach h¨ ochstens 2 m Vortriebsstrecke bzw. nach dem Vorpressen eines jeden neuen Rohres wiederholt werden. Abweichend davon sollten bei lasergesteuerten Pressbohrverfahren und bei ferngesteuerten Schildvortrieben die Vortriebskr¨afte, Lageabweichungen, Verrollwinkel und Stationierung kontinuierlich bzw. in Abschnitten von h¨ ochstens 0,2 m oder in Abst¨anden von maximal 90 s Dauer gemessen und maschinell aufgezeichnet werden. Alle erforderlichen Vermessungsger¨ate m¨ ussen f¨ ur die besonderen Einsatzbedingungen des Tiefbaus geeignet und beim Vortrieb betriebsbereit vorhanden sein. Eventuell erforderliche Navigationssoftware darf keine maßgebenden Fehler aufweisen und sollte speziell f¨ ur die Positionsbestimmung von Vortriebsmaschinen entwickelt und ausreichend lange getestet worden sein. Fallen einzelne Systeme zur Positionsbestimmung w¨ahrend des Vortriebs aus, so empfiehlt sich insbesondere beim Auffahren nichtlinearer Trassen eine Vortriebsunterbrechung bis das defekte System ersetzt ist. Eine ¨ dadurch verursachte Uberschreitung des Bauzeitenplans ist im Regelfall eher hinnehmbar als alle Folgen aus unkontrolliertem Auffahren von Teilstrecken mit nachtr¨ aglich erzwungenen Kurskorrekturen. Die genaue Positionsbestimmung der Vortriebsmaschine eines Rohrvortriebes ist vor allem bedeutsam f¨ ur ¨ – die Uberpr¨ ufung der Abweichung von Ist-Lage und Soll-Lage, d. h. f¨ ur die Einhaltung von Vortriebstoleranzen, – die stationsgenaue Einleitung von Steuervorg¨angen, – die Kontrolle der Wirksamkeit von Steuerkorrekturen.

3.1 Vorpressen von Rohren

3.1.4.2

Bewegungsfreiheitssgrade des Vortriebsmaschinenrohres

Lokales Koordinatensystem: Verschiebungen (Translationen) x-Richtung: aufgefahrene Rohrvortriebsstrecke y-Richtung: seitliche Abweichung gegen¨ uber der Solltrasse z-Richtung: vertikale Abweichung gegen¨ uber der Solltrasse Verdrehungen (Rotationen) um x-Achse: Rollbewegung“ (Verrollung um die L¨ angsachse) ” um y-Achse: Nickbewegung (steigender/fallender Verlauf) um z-Achse: Gierbewegung (horizontale Bogenfahrt)

Bild 3.10. Freiheitsgrade der Bewegung des Vortriebsmaschinenrohres

Bild 3.11. Relative H¨ ohenmessung mittels hydrostatischem Druck (elektronischer Drucksensor in Anlehnung [176])

115

116

3 Ausf¨ uhrung

Der Niveaubeh¨ alter muss bei jeder Messung mindestens so hoch h¨angen, dass der Wasserspiegel im Beh¨ alter mit der Referenzh¨ohe im Maschinenrohr (H¨ohenlage des Druckaufnehmers) u bereinstimmt. Auf Frostfreiheit ist zu achten. ¨ 3.1.4.3

Kontrollmessungen

Zur Absicherung der Positionsdaten aus maschinenseitig installierten Messger¨aten werden bei begehbaren Rohrstollen im Regelfall vortriebsbegleitend wiederholt theodolitische Kontrollmessungen durch den AN oder parallel durch AN+AG vorgenommen. Es handelt sich hierbei um Punktbestimmungen durch Winkelund Streckenmessungen. Im Fall von Vortrieben auf Bogentrassen sind dies polygonometrische Punktbestimmungen mit einseitig angeschlossenem Polygonzug. Bei geradlinigen Vortrieben handelt es sich um Linearpeilungen. Werden die Vermessungsarbeiten auch vom AG vorgenommen, wird teilweise vereinbart, dass die Positionsdaten der Vortriebsmaschine auf die theodolitisch bestimmten Lagekoordinaten des AG abzu¨ andern sind. Eine Bestandsvermessung durch den AG zeitnah nach dem Abschluss eines Rohrvortriebes ist im Zusammenhang mit ¨ der Bauwerksabnahme obligatorisch und dient unter anderem der Uberpr¨ ufung der Einhaltung der geforderten Toleranzen. Die hierbei ermittelten Abweichungen von der planm¨ aßigen Solltrasse sind im Regelfall verg¨ utungsrelevant. Im Gegensatz zum klassischen Tunnelbau kann bei Rohrvortrieben nicht auf station¨ are Zwischenpunkte vorangegangener Kontrollmessungen zur¨ uckgegriffen werden, da die Rohre verfahrensbedingt ihre Stationierung laufend ver¨ andern. Hinzu kommt mit fortschreitender Vortriebsl¨ange meist auch ¨ eine baugrundabh¨ angige Anderung der geod¨atischen H¨ohenlage in ein und der selben Stationierung infolge Einschleifens des Rohrstrangs in den Baugrund. Bei theodolitischen Messungen, die kombiniert teilweise im Startschachtbereich und teilweise im Rohrstollen vorgenommen werden, ist zu pr¨ ufen, ob die an beiden Orten normalerweise unterschiedlichen klimatischen Verh¨altnisse (insbesondere abweichende Umgebungstemperaturen und Luftfeuchtigkeiten) Einfluss auf das Messergebnis haben k¨ onnen. 3.1.4.4

Einsatz von Linearlasern mit passiver Zieltafel

Bei handgesteuerten Rohrvortrieben, die auf einer geradlinigen Trasse aufgefahren werden, besteht die vermessungstechnische Ausstattung im Allgemeinen aus einem Linearlaser, der im Startschacht installiert wird und auf eine (passive) Zieltafel im Maschinenrohr gerichtet ist. Je nach Ausstattungsstandard kann die Laser-Ausr¨ ustung noch durch weitere Kontrollinstrumente, z. B. eine Schlauchwasserwaage, erg¨ anzt werden. Entscheidend ist, dass der Linearlaser zu Vortriebsbeginn im Startschacht exakt eingerichtet sowie vom Schachtbetrieb gesch¨ utzt und vom Pressenwiderlager verformungsunabh¨angig positioniert wird. Im Verlauf des Vortriebes sollte wiederholt kontrolliert werden, ob die Richtung des Laserstrahls noch der Sollrichtung entspricht. Hierbei ist auch die Lage und Unversehrtheit der Laser-Zieltafel zu kontrollieren. Auf der Laser-Zieltafel ist

3.1 Vorpressen von Rohren

117

im Regelfall ein orthogonales oder ein polares Gitternetz aufgepr¨agt, das die Abweichung des Laserpunkts von der Maschinenposition nach der Seite und nach der H¨ ohe und ggf. den Verrollungswinkel des Maschinenrohres erkennen l¨asst. Das Laser-Vermessungsverfahren hat sich bei einer Vielzahl von Rohrvortrieben auf geradlinigen Trassen bew¨ ahrt und zeichnet sich durch Einfachheit und Robustheit aus. Die erzielbare Messgenauigkeit h¨angt von der Bauart des Lasers und von der Entfernung Laser/Zieltafel ab. Durch die klimatischen Bedingungen im Rohrstollen (Temperatur, Luftzug, Luftfeuchte) werden Laserstrahlen mit wachsender Vortriebsl¨ ange zunehmend abgelenkt (Refraktion). Die Ablenkung ist vor allem in vertikaler Richtung ausgepr¨agt. Auf 100 m Vortriebsl¨ange sind Strahlablenkungen von 5 cm nicht selten. Bei 400 m Vortriebsl¨ange sind Abweichungen von 8 cm und mehr m¨ oglich. Als ein weiteres Ph¨anomen ist oftmals eine Divergenz des Laserstrahlb¨ undels zu beobachten, die in der Gr¨oßenordnung von 20 cm/100 m liegen kann. Durch eine gezielte Bewetterung des Rohrstollens k¨onnen derartige Laserstrahlabweichungen ggf. minimiert werden. 3.1.4.5 Lagebestimmung mit einer aktiven (elektronischen) Laser-Zieltafel Bei geradlinigen Rohrvortrieben von bis zu ca. 300 m L¨ange kann eine rechnergest¨ utzte Lagebestimmung der Vortriebsmaschine mit Hilfe zweier Linearlaser vorgenommen werden [198]. Der erste Laser ist auf eine (aktive) Zieltafel (engl.: target) in der Vortriebsmaschine gerichtet. Mit dem zweiten Laser wird ein Referenzpunkt ausserhalb des Rohrstollens, oberhalb der Anfahr¨offnung angepeilt. In der Laserzieltafel sind Messwertgeber eingebaut. Von hier aus werden die Daten zu einer Rechnereinheit u ¨bertragen. Die Positionsdaten k¨onnen am Bildschirm abgelesen werden. Sie dienen entweder als Grundlage f¨ ur eine manuelle Steuerung oder werden in einer angeschlossenen automatischen Steuerund Regeleinheit so verarbeitet, dass kurskorrigierende Kolbenbewegungen der Steuerpressen ausgef¨ uhrt werden. Bei diesem Mess- und Steuerverfahren muss der Rollwinkel z. B. durch induktive Wegaufnehmer unabh¨angig erfasst werden, da die Laserzieltafel exzentrisch zur Achse des Rohrstollens angebracht ist. 3.1.4.6 Lasersystem mit Schlauchwasserwaage Die lotrechte Ablenkung des Laserstrahls kann dadurch eliminiert werden, dass eine elektronische Schlauchwasserwaage redundant zum Laserstrahl geschaltet wird [197]. Sollten sich Abweichungen zwischen der Lasermessung und der Schlauchwaagenmessung ergeben, wird die Schlauchwaagenmessung im Regelfall als f¨ uhrendes Messverfahren f¨ ur die automatische Einleitung von Steuerbewegungen definiert. Die zul¨ assige Abweichung der Messungen beider Messverfahren kann gew¨ ahlt werden. Bei diesem Verfahren wird eine aktive Laser-Zieltafel verwendet [197]. Diese Methode eignet sich f¨ ur Rohrvortriebe von bis zu ca. 500 m L¨ange. 3.1.4.7 Vermessung bei Langstrecken- und Bogenvortrieben Bei Rohrvortrieben mit mehr als ca. 400 m bis 500 m Vortriebsl¨ange sowie bei Bogenvortrieben ist die konventionelle Vermessung mittels Linearlaser aus

118

3 Ausf¨ uhrung

dem Startschacht heraus nicht mehr m¨ oglich. Grunds¨atzlich kann bei langen bogenf¨ ormigen Rohrvortriebsstrecken im begehbaren Durchmesserbereich das Polygonzugverfahren mit dem Theodoliten angewandt werden. Der messtechnische Aufwand ist hierbei jedoch erheblich. Bei Rohrvortrieben auf bogenf¨ormigen Trassen bieten sich daher f¨ ur Routinemessungen beispielsweise auch folgende L¨ osungen an: – das Steuerleitsystem Rohrvortrieb (SLS-RV) f¨ ur begehbare Rohrvortriebe, das aus einer aktiven Laserzieltafel (ELS: elektronisches Lasersystem) im Maschinenrohr, dem Lagereferenzzentrum, und einem mitfahrenden Pr¨ azisionstheodoliten mit Laserstation sowie drei Referenzprismen f¨ ur den Theodoliten besteht. Zwei der Referenzprismen sind im Schild des Maschinenrohres und eines im r¨ uckw¨artigen Rohrstrang installiert. Der Theodolit vermisst st¨ andig die genaue Position der Prismen. Die Navigationssoftware vergleicht die Position der Prismen mit dem Auftreffpunkt des Laserstrahls auf der aktiven Laserzieltafel. Aus dem Lageabgleich wird die Position des Maschinenrohres errechnet und im Steuerstand auf dem Kontrollmonitor dargestellt, wo dann auf Kursabweichungen reagiert wird. Dieses System kann zur Autopilotsteuerung von Tunnelbohrmaschinen zus¨atzlich mit einer Fuzzy-Control-Erweiterung ausger¨ ustet werden (siehe 3.1.3, S. 108). – Lagebestimmung durch Kreiselkompass mit Nordsuchermodul, elektronische Schlauchwaage zur geod¨ atischen H¨ohenbestimmung und zweiachsiges Inklinometer zur Bestimmung von Nick- und Rollwinkel des Maschinenrohrs. Ein solches System ist beispielsweise das Gyro Tunneling System (GTS-System) f¨ ur begehbare und nichtbegehbare Rohrvortriebe. Dieses System ben¨otigt keinen Laser und keine Laser-Zieltafel. Auch bei begehbaren Rohrvortrieben mit einem hohen Automatisierungsgrad sollten gelegentliche Kontrollmessungen mit unabh¨angigen Verfahren durchgef¨ uhrt werden. Zus¨atzliche qualitative und quantitative Plausibilit¨atskontrollen k¨onnen n¨ utzlich sein, z. B. – eine u agige Stationsbestimmung durch Aufsummieren der Rohrl¨angen, ¨berschl¨ ¨ – das Uberpr¨ ufen der L¨ angsneigung mit Senkellot und Kreuzscheibe bzw. mit der Neigungswasserwaage, ¨ – das Uberpr¨ ufen der L¨ angsneigung durch die visuelle Kontrolle des h¨aufig an der Rohrsohle vorhandenen Wassers (Fließrichtung, Pf¨ utzenbildung), – eine Absch¨ atzung der Kontinuit¨ at einer Bogenfahrt durch Vergleich der ¨ Offnungsweiten der Rohrstoßfugen sowie durch Messung und Vergleich der ausgefahrenen Kolbenwege der Steuerpressen auf der linken und auf der rechten Seite sowie oben und unten, ¨ – das Uberpr¨ ufen der Verrollung mit Senkellot und Kreuzscheibe sowie optisch an der Lage der Injektionsstutzen.

3.2 Abtragstechnik

3.1.4.8

119

Aufzeichnung sonstiger Vortriebsparameter

Im Regelfall ist es erforderlich, außer den vermessungstechnischen Daten noch weitere Vortriebsdaten zu erfassen und aufzuzeichnen. Von Interesse sind beispielsweise oftmals Aufzeichnungen u ¨ ber: – – – – –

¨ ucke in den Hauptvortriebspressen, die Entwicklung der Oldr¨ den Verbrauch an Bentonit-Suspension, ggf. den Druckluftverbrauch und Luftdruck, ggf. abgepumpte Wassermengen, den Verbrauch an Verd¨ ammstoff-Suspension.

Projektabh¨ angig k¨ onnen Messwerte u atzliche Parameter von Bedeutung ¨ber zus¨ sein. Z. B.: – Kolbenwege der Hauptvortriebspressen, Dehnerpressen, Steuerpressen, Trimmpressen, – Entwicklung der Dehnerdr¨ ucke, – laufende Konzentrationen von Leitparametern in Grundwasser/Bodenluft.

3.2

Abtragstechnik

3.2.1

Gesteinsabtrag

Der Gesteinsabtrag bei der Rohrvortriebsbauweise unterscheidet sich von dem u agigen Gesteinsabtrag wesentlich dadurch, dass bei der ¨bert¨ Rohrvortriebsbauweise ein L¨ osen des Locker- oder Festgesteins an der Rohrortsbrust auf einem eng umrissenen Querschnittsbereich eindimensional orientiert erfolgen muss, wohingegen ein Gesteinsabtrag an der Gel¨andeoberfl¨ache im Regelfall in der Fl¨ ache, d. h. zweidimensional, vorgenommen werden kann. Hinzu kommt, dass die Gesteinsoberfl¨ ache an der Rohrortsbrust verfahrensbedingt zumeist steil bis senkrecht einf¨ allt, w¨ ahrend die Abtragsfl¨achen beim klassischen Erdbau u ¨ berwiegend horizontal oder in unterschiedlichem Maße geneigt verlaufen. Bei der Rohrvortriebsbauweise ist daher w¨ ahrend der Bauzeit auch die Frage nach der B¨ oschungsstabilit¨ at der Rohrortsbrust zu stellen. Bei gleicher Gesteinsart und unter sonst gleichen Voraussetzungen k¨onnen sich auf Grund der vorstehend genannten Unterschiede f¨ ur den Gesteinsabtrag an der Rohrortsbrust Erschwernisse ergeben, die beim u ¨ bert¨agigen Erdbau nicht oder nicht in der Sch¨ arfe auftreten. Dieser Tatsache wurde dadurch Rechnung getragen, dass die Beschreibung von Locker- und Festgesteinen f¨ ur Rohrvortriebsarbeiten seit 1992 nicht mehr nach DIN 18300, Erdarbeiten (7 Klassen), sondern in eigenst¨andigen Klassen nach DIN 18319, Rohrvortriebsarbeiten (68 Klassen), vorgenommen wird. (vgl. 1.2, S. 17). Bei Rohrvortrieben im Lockergestein richten sich die Abtragstechnik, der Sicherungsaufwand und die Auswahl des Vortriebsverfahrens (vgl. 2.1, S. 69) maßgebend nach der (kurzzeitigen) Standsicherheit der Rohrortsbrust. Der

120

3 Ausf¨ uhrung

erforderliche Sicherungsaufwand beim Abtrag von Lockergestein ist abh¨angig von dessen bodenmechanischen Eigenschaften. Bei gewachsenen“, ausgepr¨agt ” koh¨ asiven Bodenarten von steifer und halbfester Konsistenz (IC > 0, 75) ist h¨aufig kurzzeitig keinerlei Sicherungsaufwand erforderlich. Diese B¨oden k¨onnen auf die H¨ ohe des Rohrdurchmessers meist senkrecht abgegraben werden. Oftmals ist zudem ein kurzzeitiger Voraushub von bis zu mehreren Dezimetern m¨oglich. Bei geringerer Standsicherheit der Rohrortsbrust kann bei offenen Schilden ein Abtrag unter Beibehaltung eines St¨ utzkerns vorgenommen werden. Bei dieser Technik wird die Ortsbrust so abgebaut, dass mit jedem Abschlag generell ein Erdst¨ utzkeil stehen bleibt. Die Ausbildung eines St¨ utzkeils ist meist auch dann empfehlenswert, wenn die Arbeiten bei einem Rohrvortrieb mit offenem Schild unterbrochen werden (z. B. am Wochenende). Bei bindigem und gemischtk¨ornigen Bodenmaterial sollte der St¨ utzkern m¨oglichst aus gewachsenem“, strukturfestem“, nicht aufgelockertem ” ” Boden bestehen. Bei rolligen B¨ oden ist in Abh¨angigkeit von der Lagerungsdichte des abzubauenden Bodens zu entscheiden, ob rolliges Haufwerk (locker, umgelagert, geringerer Reibungswinkel) f¨ ur den St¨ utzkern ausreicht oder ob f¨ ur die als erforderlich angesehene Stabilit¨ at der Rohrortsbrust gewachsenes“, rolliges ” Material (mit ggf. dichterer Lagerung und damit gr¨oßerem inneren Reibungswinkel) notwendig ist. Als Zusatzmaßnahme zur Stabilisierung der Ortsbrust kommt bei offenem Schild eine Teilst¨ utzung durch technische Hilfsmittel (z. B. Aufteilung der Ortsbrust durch einen Stahltr¨ ager oder durch Zwischenb¨ uhnen aus Stahlblech) in Betracht. Der Gesteinsabtrag wird allerdings durch die Gefachelemente behindert und verz¨ ogert. Bei nicht standfesten B¨oden sind als weitere Zusatzmaßnahmen gesteinsverfestigende Vorausinjektionen sowie in Abh¨angigkeit von der Durchl¨ assigkeit des Bodens eine Druckluftbeaufschlagung der Ortsbrust m¨ oglich. Bei teilfl¨ achigem Abbau der Ortsbrust ist auch eine Ortsbrustst¨ utzung mit Bentonit-Suspension (vgl. 2.1.1, S. 69) m¨ oglich. Allerdings sind hierzu erhebliche Zusatzaufwendungen bei der Baustelleneinrichtung erforderlich. Bei den Schildmaschinen mit Vollschnittabbau der Ortsbrust ist als Variante eine St¨ utzung der Ortsbrust mit Erdbrei m¨oglich (vgl. 2.1.1, S. 69). Der Abtrag m¨ urben, z¨ ahen Festgesteins erfolgt h¨aufig durch Graben, Zerschneiden oder Brechen des geringfesten Korngef¨ uges beim Rohrvortrieb mittels Excavator oder Schr¨ ammaschine. Hartes, klufthaltiges Festgestein l¨asst sich im u agigen Felsbau meist dadurch am wirtschaftlichsten abtragen, dass ¨bert¨ Gesteinsbl¨ ocke unter Ausnutzung des Trennfl¨achengef¨ uges als Ganzes aus dem Gesteinsverband herausgel¨ ost werden. Das L¨ osen von gekl¨ uftetem Fels kann sich bei Rohrvortrieben jedoch als erheblich schwieriger und zeitraubender erweisen, als der u ¨ bert¨agige Felsabtrag in der Fl¨ ache. Dies hat sowohl maschinentechnische, als auch geotechnische Gr¨ unde. Da bei großen u agigen Erdbaulosen heute vermehrt Bagger mit hoher Reißkraft ¨ bert¨ zum Einsatz gelangen, die auch f¨ ur das L¨ osen von Fels der Klasse 7 nach DIN 18300 geeignet sind, sind Streich- und Fallrichtung der Trennfl¨achen f¨ ur die Wahl der Abtragsrichtung und damit des Ger¨ atestandortes oftmals nur noch nachrangig von Interesse. Beispielsweise werden Bl¨ ocke geschichteter Sedimentgesteine nach dem

3.2 Abtragstechnik

121

Aufbrechen einer Gesteinsbank beim L¨ osen mit relativ geringem Aufwand nach nahezu beliebiger Seite herausgehebelt oder abgeschoben. Beim erdbautechnischen L¨osevorgang geschichteter Festgesteinsarten ist ein Brechen des Korngef¨ uges somit meist auch nur in geringem Ausmaß erforderlich. Bei unregelm¨aßig gekl¨ ufteten Felsarten (z. B. Graniten) und schwach kl¨ uftigem, massigem Gestein (z. B. Molasse) kann dagegen der korngef¨ ugebrechende L¨osevorgang dominieren. Der maschinelle Felsabtrag in der Rohrvortriebstechnik basiert vorwiegend auf zerspanenden, korngef¨ ugebrechenden Verfahren. Diese kontinuierlich arbeitenden Verfahren bieten automatisierungstechnische Vorteile beim Abtrag und im Bereich der F¨ ordertechnik. Wegen der im Gegensatz zum u agigen Erd- und Felsbau alternativlosen ¨ bert¨ Angriffsrichtung, der beengten Platzverh¨altnisse und der oft weniger leistungsstarken Abbaumaschinen beim Rohrvortrieb, kann eine engmaschigere und intensivere Baugrunderkundung gerechtfertigt sein, als sie bei Erdbaumaßnahmen den Regelfall darstellt. Beim Teilfl¨ achenabbau der Rohrortsbrust sind zwei Verfahren zu unterscheiden: Handschildvortrieb, Excavatorvortrieb, Sprengvortrieb: Da die Angriffsrichtung beim L¨ osen von Fels an der Rohrortsbrust kaum variierbar ist, k¨onnen sich die nat¨ urlichen Streich- und Fallrichtungen der Trennfl¨achen bei den st¨arker handwerklich orientierten Vortriebsverfahren, als relativ g¨ unstig oder als vergleichsweise ung¨ unstig erweisen. Der L¨ osevorgang wird bei Rohrvortrieben mit offenem Schild zun¨ achst darauf abzielen, die Verspannung der Ortsbrustb¨oschung zu u ¨berwinden und eine zweite freie Seite zu schaffen. Eine zweite freie Fl¨ache an der Ortsbrust kann beispielsweise durch Einbruchsprengungen oder durch manuelles oder maschinelles Unterschneiden erreicht werden. Ist die zweite freie Fl¨ache geschaffen, kann ein Teil des nachfolgend zu l¨osenden Gesteins oftmals mit geringerem Aufwand unter Nutzung des Trennfl¨achengef¨ uges herausgebrochen werden. Vortrieb mittels Teilschnittmaschine: Beim Einsatz von Teilschnittmaschinen bei Rohrvortrieben in standfestem Fels bewirken die Schr¨ammeißel ein Abspanen von Gesteinsteilchen aus der Oberfl¨ ache der Ortsbrust, d. h. es wird in erster Linie das Korngef¨ uge gebrochen und nur nachrangig und meist zuf¨allig werden Trennfl¨ achen zur Erleichterung des L¨ osevorganges genutzt. Beim Vortrieb in wenig oder nicht standfestem Fels sind h¨ aufig Mischformen des Abtrages, d. h. teilweise ein Abspanen von Gesteinsteilchen und teilweise ein Herausreißen gelockerter Brocken aus der Ortsbrust zu beobachten. Vollfl¨ achenabbau der Rohrortsbrust erfolgt durch den Einsatz vollfl¨achig abbauender Vortriebsmaschinen (Vollschnittmaschinen, Tunnelbohrmaschinen). Dabei wird der Fels kontinuierlich, zum Teil ferngesteuert, von der Ortsbrust abgespant. Eine zweite freie Fl¨ ache an der Ortsbrust oder eine Gesteinsschichtung kann hierbei ung¨ unstig sein, wenn diese zu einem unterbrochenen Schnitt entlang der kreisf¨ ormigen Werkzeugbahn f¨ uhrt.

122

3 Ausf¨ uhrung

Das Felsgestein wird von diesen Maschinen zu kleinen Teilen (Chips) fragmentiert. Eine feine Fraktionierung des Bohrgutes erm¨oglicht dessen hydraulische F¨ orderung in F¨ orderrohrleitungen. Das Trennfl¨achengef¨ uge wird beim L¨ osevorgang nicht planm¨ aßig genutzt. Da w¨ ahrend der Vortriebsmaßnahme die Rohrortsbrust ausreichend standsicher sein muss, kann es erforderlich sein, w¨ahrend des Abbaus kontinuierlich einen teilfl¨ achigen oder vollfl¨ achigen Gegendruck (St¨ utzdruck) aufzubringen. Zur Bestimmung des erforderlichen St¨ utzdrucks sind Standsicherheitsberechnungen durchzuf¨ uhren. Im Zusammenhang mit Rohrvortrieben durch Lockergestein ist vor allem die Berechnung nach dem Silodruckmodell u ¨ blich. Aufw¨andigere Ans¨atze bringen nur dann neue Erkenntnisse, wenn auf Grund der Baugrunderkundung sowie der Labor- und Feldversuche eine detaillierte Beschreibung des Materialverhaltens m¨ oglich ist. Im Gegensatz zum Verkehrstunnelbau wird wegen der vergleichsweise kleinen Ortsbrustfl¨ achen bei Rohrvortrieben meist auf eine diffizile Analyse des Materialverhaltens und eine entsprechende Berechnung verzichtet.

3.2.2

Standsicherheit der Ortsbrust

Als Rechenmodell f¨ ur die Beanspruchung der Ortsbrust bei Rohrvortrieben wird h¨ aufig ein Ansatz verwendet, der von einer Ortsbrustb¨oschung mit vertikaler, kaminf¨ ormig begrenzter Auflast ausgeht (siehe Bild 3.13). Die wirksame Auflast wird dabei u ¨ber die Silotheorie ermittelt. Der Standsicherheitsnachweis der Ortsbrustb¨ oschung kann anschließend mit den bodenmechanisch anerkannten Berechnungsverfahren erfolgen. Ist auf Grund des Nachweises und der geotechnischen Untersuchungen eine unzureichende Standsicherheit zu erwarten (z. B. bei rolligen Bodenarten von lockerer Lagerungsdichte in Verbindung mit Grundwasser), sind entsprechend der geotechnischen Rahmenbedingungen und der Vortriebstechnologie geeignete Sicherungsmaßnahmen zu ergreifen. Auf Bild 3.12 ist beispielhaft zu sehen, wie die Rohrortsbrust mit hydraulisch anpressbaren, trapezf¨ ormigen Klappen aus Stahlblech mechanisch gest¨ utzt werden kann (Maschinenbauart SM-T2). F¨ ur die Auslegung der Vortriebsmaschine ist im Regelfall der erforderliche horizontale St¨ utzdruck (Kraft S) zu ermitteln, der ggf. vom Schild aufgebracht werden muss. F¨ ur die Bestimmung der Kraft S bzw. bzw. des St¨ utzdruckes pf gibt es 3 M¨ oglichkeiten: 1. Gleitk¨ orperverfahren entsprechend 3.2.2.1, das f¨ ur eine Vielzahl von Randbedingungen angewendet werden kann; 2. einfache Gleichungen entsprechend 3.2.2.2 f¨ ur einfache Baugrundverh¨altnisse; 3. numerische Analysen mit der Methode der Finiten Elemente f¨ ur nahzu beliebige Randbedingungen (siehe dazu [180, 201, 202, 206]).

3.2 Abtragstechnik

123

Tabelle 3.1. Generelle Maßnahmen zur Ortsbruststabilisierung Schildart und Abbautechnologie offenes Schild und Teilfl¨ achenabbau

geschlossenes Schild und Teil߬ achenabbau

geschlossenes Schild und Voll߬ achenabbau

M¨ oglichkeiten zur Ortsbruststabilisierung (Beispiele) • Verwendung von Hauben- oder Messerschild • Vortrieb unter Beibehaltung eines St¨ utzkerns • geb¨ oschter Abbau • Vorausinjektionen • Abtrag ohne Voraushub • mechanische Teilst¨ utzung • Unterteilung der Ortsbrust durch Zwischenb¨ uhnen • Grundwasserabsenkung • Druckluftst¨ utzung • Vorausinjektionen • geb¨ oschter Abbau • Abtrag ohne Voraushub • mechanische Teilst¨ utzung • Grundwasserabsenkung • Druckluftst¨ utzung • Suspensionsst¨ utzung • Vorausinjektionen • Grundwasserabsenkung • Druckluftst¨ utzung • Suspensionsst¨ utzung • Erddruckst¨ utzung

Foto: H. Brochier GmbH, Schwaig Bild 3.12. Sicherung der Ortsbrust durch hydraulisch zu bet¨ atigende Blechklappen

124

3 Ausf¨ uhrung

3.2.2.1

Blockgleitverfahren zur Bestimmung der St¨ utzkraft

Bild 3.13. Modellvorstellung f¨ ur die Beanspruchung der Rohrortsbrust infolge Silodruck

Vz = qSilo · DA2 · tan(90o − ϑ) (ϑ: Gleitfl¨achenwinkel)  
U A · γ∗ − U · c 1 − e−ho · A ·Kh ·tan ϕ Silodruck: qSilo =  U · Kh · tan ϕ Wasserdruckkraft: hW ≤ DA : W = 12 γW · h2W · DA   hW > DA : W = 12 γW · DA h2W − (hW − DA)2 Vertikalkraft:

(3.1)

3.2 Abtragstechnik

Grundfl¨ ache Umfang Koh¨ asion ¨ Uberdeckung Wichte des Bodens

125

A = a · b = DA2 · tan(90o − ϑ) U = 2 a + 2 b = 2 DA [1 + tan(90o − ϑ)] c ho γ ∗ (in Abh¨angigkeit von der Lage des Wasserspiegels γ oder γ  ; ggf. Mittelbildung)

Abstand des Wasserspiegels von der Rohrsohle horizontaler Erddruckbeiwert

hW Kh (0, 75 ≤ Kh ≤ 1, 5) sofern kein genauerer Ansatz gew¨ ahlt wird und f¨ ur Vorberechnungen Kh = 1

Berechnung der St¨ utzkraft [179]:

Q =

Vz + G − 2 Rs sin(90o + ϕ − ϑ)

(3.2)

S = W + Q cos(90o + ϕ − ϑ)

(3.3)

In Abh¨ angigkeit vom gew¨ ahlten Schild (siehe Bild 3.14) ist f¨ ur S dann SS , SSD , SS+DL , SE oder SL zu setzen. Um die maximale St¨ utzkraft zu bestimmen, muss der Winkel ϑ variiert werden. Ein brauchbarer Ausgangswert f¨ ur die Iteration ist f¨ ur die meisten F¨alle ϑ = 45o + ϕ2 . Die Sicherheit, die in der ermittelten St¨ utzkraft enthalten ist, h¨angt vom verwendeten Erddruckbeiwert Kh ab. F¨ ur Kah ≤ Kh ≤ Ko ergibt sich bereits durch den vorsichtigen Ansatz des Erddruckbeiwerts eine brauchbare Sicherheit. F¨ ur Ko ≤ Kh ≤ Kph sollte die St¨ utzkraft auf der Basis von ϕmob und cmob ermittelt werden. Dabei gilt: tan ϕmob =

tan ϕ η

cmob =

c η

(3.4)

3.2.2.2 Gleichungen f¨ ur den St¨ utzdruck pf Die Integration des St¨ utzdrucks u ache der Ortsbrust ergibt die St¨ utzkraft ¨ ber die Fl¨ S. F¨ ur kreisf¨ ormige Ausbruchquerschnitte: π · DA2 pf (3.5) 4 F¨ ur undr¨ anierte Verh¨ altnisse oder Reibungswinkel ϕ < 20o gilt nach Mair/Taylor (zitiert nach [201]) die Gleichung: 
1 c pf = γ ho + DA − N · wobei (3.6) 2 η 
0,42 ho ho N = 5, 86 ≈6 . (3.7) S=

DA

DA

126

3 Ausf¨ uhrung

Bild 3.14. Beanspruchung der Schilde von Vortriebsmaschinen mit Ortsbrustst¨ utzung

3.2 Abtragstechnik

127

F¨ ur Reibungswinkel ϕ ≥ 20o ist nach [201] der St¨ utzdruck unabh¨angig von der ¨ Uberlagerungsh¨ ohe:
pf = γ · DA

 c η − 0, 05 − 9 tan ϕ tan ϕ

(3.8)

Die Gleichungen (3.6) bis (3.8) gelten nur f¨ ur Verh¨altnisse ohne Grundwasser. Steht das Wasser u ¨ber der Rohrsohle, ist der Wasserdruck zu addieren und zu bedenken, dass bei Wassers¨ attigung keine scheinbare“ Koh¨asion wirkt. ” Da mit der Anwendung der genannten Gleichungen noch wenig Erfahrungen aus der Baupraxis vorliegen, sind f¨ ur die Koh¨ asion vorsichtige Sch¨atzwerte anzusetzen und ggf. ein Sicherheitsfaktor η ≥ 1, 3 zu ber¨ ucksichtigen. 3.2.2.3

B¨ oschungsstandsicherheit an der Rohrortsbrust

F¨ ur koh¨ asionslosen Boden kann die Standsicherheit an der Rohrortsbrust nach folgenden Gleichungen auf der Basis der Sicherheitsdefinition von Fellenius (η = tan ϕ c ur den B¨ oschungswinkel β bestimmt werden: tan ϕmob und η = cmob ) f¨ ohne Wasserstr¨ omung η=

tan ϕ tan β

oder

β = arctan

tan ϕ η

(3.9)

mit Wasserstr¨ omung (Str¨ omung oberfl¨ achenparallel) tan ϕ γ η= tan β γ  + γw


oder

β = arctan

γ tan ϕ η γ  + γw

 (3.10)

Bei koh¨ asivem Boden kann das Problem der Standsicherheit der Ortsbrust – f¨ ur die senkrechte Ortsbrust – analog zur Berechnung der St¨ utzkraft bzw. des St¨ utzdrucks gel¨ ost werden. F¨ ur undr¨ anierte Verh¨ altnisse (ϕ = 0) oder kleine Reibungswinkel ergibt sich aus Gleichung (3.6) f¨ ur pf = 0: c·N wobei γ ho + 12 DA  0,42
ho ho ≈6 N = 5, 86 η =



DA

DA

(3.11) (3.12)

F¨ ur Reibungswinkel ϕ ≥ 20o ergibt sich aus Gleichung (3.8) f¨ ur pf = 0: η=

9c + 0, 45 tan ϕ γ · DA

Gleichung (7) in [201]

(3.13)

128

3.2.3

3 Ausf¨ uhrung

Voraushub

F¨ ur konventionelle Rohrvortriebsverfahren mit Schildmaschinen ist typisch, dass die Schildschneide in die Ortsbrust eingedr¨ uckt wird und ein Gesteinsabtrag im Schutz der Schildschneide stattfindet. Der Begriff Voraushub“ wird in der ” Rohrvortriebstechnik meist f¨ ur eine L¨ osetechnik verwendet, bei der ein Abtrag von Gestein in Vortriebsrichtung auch vor dem von der Schildschneide umschlossenen Gesteinsk¨ orper vorgenommen wird. Diese Art der L¨osetechnik setzt voraus, dass der durchfahrene Baugrund so standsicher und gew¨olbebildungsf¨ahig ist, dass er zumindest kurzzeitig um das Voraushubmaß unterh¨ohlt werden kann ohne nachzubrechen. Außerdem muss ausgeschlossen werden k¨onnen, dass sich eventuelle voraushubbedingte Setzungen sch¨ adlich auswirken. Das L¨ osen mit Voraushub ist praktisch ausschließlich bei den Rohrvortrieben von Interesse, bei denen ein Teilfl¨ achenabbauverfahren der Ortsbrust (z. B. Excavator oder Schr¨ ame) zur Anwendung kommt. Der Voraushub kann hierbei zur Reduzierung des Brustwiderstandes, zur Lenkunterst¨ utzung und zur Reduzierung der Lastwechselanzahl der Vortriebspressen genutzt werden und zum Bergen von Hindernissen m¨ oglicherweise unumg¨anglich sein. Kennzeichnendes Merkmal bei den L¨ oseverfahren mit vollfl¨ achigem Abbau der Rohrortsbrust ist, dass die L¨ osewerkzeuge satt an die Ortsbrust angedr¨ uckt werden, so dass ein Voraushub bei diesen Verfahren nur in besonderen Betriebsf¨allen (z. B. zur Hindernisbergung) zu erw¨ agen ist. Eine Sicherung der Wandung des Voraushubes“ erfolgt in der Regel nicht, da ” aus der Ausbruchwandung des Voraushubes fortw¨ahrend Gestein herausgebrochen wird und der jeweilige Voraushubzustand im normalen Betriebsfall nur kurzzeitig, d. h. einige Minuten lang, anh¨ alt. Die angesprochenen Voraushubmaße liegen hierbei gebirgsabh¨ angig in der Gr¨ oßenordnung bis zu mehreren Dezimetern (siehe Bild 3.15). Die Werkzeugarmkinematik der Abbaumaschinen l¨asst h¨aufig auch kein wesentlich dar¨ uber liegendes Voraushubmaß zu. Auch bei Anwendung sprengtechnischer L¨ oseverfahren werden selten Abschlagsl¨angen von mehr als 1,5 m gew¨ ahlt.

3.2.4

Vorabinjektionen

Vorabinjektionen dienen der Gebirgsverg¨ utung und werden im Zusammenhang mit Rohrvortrieben meist durchgef¨ uhrt, um die Standsicherheit der Rohrortsbrust zu verbessern (Verkittung der Aggregate) oder um die Wasserdurchl¨assigkeit und damit pr¨ aventiv die radiale Reichweite vom Rohrstrang aus injizierter Suspensionen zu reduzieren. Vorabinjektionen haben meist den Charakter einer Bauhilfsmaßnahme und nicht generell den Qualit¨atsanspruch einer normkonformen Bauleistung (Literaturhinweise: [53, 76, 187]). Um die Kontinuit¨ at des Rohrvortriebes durch Injektionen und ggf. durch Einhalten von Abbindezeiten des Injektionsguts nicht zus¨atzlich zu beeintr¨achtigen, ¨ wird bei Rohrvortrieben mit geringer bis mittlerer Uberdeckung das vorauseilende

3.2 Abtragstechnik

129

Foto: T. Br¨autigam, Stuttgart Lenkunterst¨ utzende und den Brustwiderstand reduzierende Voraushubmaßnahmen vor dem Schneidschuh sind auch bei vor¨ ubergehend standfesten Lockergesteinen auf das absolut notwendige Maß zu begrenzen bzw. ganz zu vermeiden. Die Festlegung des maximal zul¨ assigen Voraushubmaßes sollte auf der Grundlage sukzessive mit fortschreitendem Vortrieb wiederholter geotechnischer Beurteilungen und unter Ber¨ ucksichtigung der vortriebstechnischen M¨ oglichkeiten erfolgen. Voraushubmaße von mehreren Dezimetern k¨ onnen ggf. unter optimalen Bedingungen geduldet werden. Bild 3.15. Voraushub

Einbringen von Injektionsgut von der Gel¨ andeoberfl¨ache aus praktiziert. Hierbei wird die Vortriebstrasse abgebohrt und Injektionsgut z. B. in Form von D¨ammstoff u ¨ ber Injektionslanzen eingebracht. Werden einzelne nat¨ urliche oder k¨ unstliche gr¨oßere Hohlr¨aume im Trassenbereich angetroffen, so werden diese w¨ahrend des Vortriebes h¨aufig gezielt mit einer mineralischen Bindemittel-Suspension plombiert bzw. versetzt um Verbr¨ uche zu vermeiden, die Kontinuit¨ at des Schmiermittelfilms zu gew¨ahrleisten und einheitliche Bettungsbedingungen zu schaffen. Als Bindemittel werden in der Regel mineralische Verd¨ ammstoffe verwendet (vgl. 3.5.2).

3.2.5

¨ Uberschnitt und geologisch bedingter Mehrausbruch

3.2.5.1

Allgemeines

Eine maßgebende Zielsetzung bei hohlraumschaffenden, untert¨agigen Baumaßnahmen ist es, einen m¨ oglichst profilgerechten Ausbruch zu erzeugen. Dies hat sowohl

130

3 Ausf¨ uhrung

wirtschaftliche, als auch technische Gr¨ unde. Das nominale Idealprofil kann jedoch stets nur angen¨ ahert werden. Die Rohrvortriebstechnik ben¨otigt dabei generell ein ¨ geringf¨ ugiges Uberprofil. Unterprofile (Minustoleranzen) sind verfahrensbedingt nicht geeignet und im Hinblick auf eine m¨ogliche Zw¨angungsbeanspruchung der ¨ Vortriebsrohre zu vermeiden. Große Uberprofile sind wegen des m¨oglichen Verlusts der seitlichen Rohrstrangf¨ uhrung, hohen Gleit- und St¨ utzmittelverbrauchszahlen und im Hinblick auf Setzungen und die ggf. eingeschr¨ankte Gew¨olbebildung der ¨ Uberdeckung ebenfalls ung¨ unstig. ¨ Allgemein werden geologisch bedingte Uberprofile und baubetrieblich bedingte ¨ Uberprofile unterschieden. Eine klare Abgrenzung ist dabei nicht immer m¨oglich. ¨ Ein Uberschnitt, d. h. ein L¨ osen von Gestein außerhalb des Sollausbruchprofils, ¨ ist sowohl im Locker- als auch im Festgestein m¨oglich. Bei Uberschnitten ist zwischen verfahrenstypischen und solchen, die durch Fehlleistungen verursacht ¨ werden, zu unterscheiden. Verfahrenstypische Uberprofile sind vom AG hinzunehmen und rechtfertigen nicht die Verweigerung der Verg¨ utung von ¨ Injektiongutmengen im kontinuierlichen Uberschnittringspalt. Aus bautechnischen Gr¨ unden kann es im Einzelfall dar¨ uber hinaus zweckm¨aßig sein, das beim Vortrieb unmittelbar erzeugte Ausbruchprofil durch gezielt herbeigef¨ uhrten punktuellen ¨ oder kontinuierlichen Uberschnitt zus¨ atzlich zu u ¨berschreiten. Geologisch bedingte Mehrausbr¨ uche sind u ¨ berwiegend unvermeidbar und meist nur ein Ph¨ anomen von kl¨ uftigen Festgesteinen, von stein- und blockhaltigen nat¨ urlichen Lockergesteinen und heterogenen Auff¨ ullungen. Bei gekl¨ uftetem Fels ist das Ausmaß des geologisch bedingten Mehrausbruchs maßgebend davon abh¨ angig, wie die Streich- und Fallrichtungen der Haupttrennfl¨achenscharen zur Vortriebsrichtung orientiert sind und welche Abmessungen die Kluftk¨orper aufweisen. ¨ Uberprofile sind mit einem Mehranfall an Haufwerk verbunden und f¨ uhren bei der Rohrvortriebsbauweise zu einem Mehrbedarf an Baustoffen zum nachtr¨aglichen Auff¨ uttern des Spalts zwischen der tats¨achlichen Ausbruchlaibung und dem Sollprofil. Besonders ung¨ unstig sind in dieser Hinsicht Kluftverl¨aufe, bei denen sich an der Ausbruchwandung beim Vortrieb fortw¨ahrend eine, wie auch immer orientierte, s¨agezahnartige Felsoberfl¨ ache einstellt. 3.2.5.2

¨ Verfahrenstypischer Uberschnitt

Die Rohrvortriebstechnik kann allgemein zu den Vortriebsarten gerechnet werden, ¨ bei denen aus baubetrieblichen Gr¨ unden vergleichsweise nur kleine Uberprofile auftreten. Wie bereits erw¨ ahnt, ist es zur Injektion von Gleit- und St¨ utzmitteln zwischen Rohraußenwandung und Gebirge bei der Rohrvortriebstechnik jedoch erforderlich, einen kontinuierlichen Ringspalt zu schaffen. Bei Vortriebsmaschinen mit teilfl¨ achigem Abbau der Rohrortsbrust wird zu diesem Zweck h¨aufig ¨ die Schildschneide mit einem so genannten Uberschnittring ausgestattet. Bei Vortriebsmaschinen mit vollfl¨ achigem Abbau der Rohrortsbrust erfolgt der ¨ Uberschnitt durch einen im Durchmesser entsprechend vergr¨oßerten Bohrkopf bzw. durch Kalibermeißel.

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3.3 Vorpresswiderst¨ ande

131

¨ Das Maß des Uberschnitts darf nicht zu gering gew¨ahlt werden, da sonst die fl¨ achige Ausbildung eines Schmierfilms beeintr¨achtigt wird. Zudem k¨onnen Steuerbewegungen erschwert oder unm¨oglich werden. Eine zu geringe Schmierspaltweite kann durch Schmierung und erh¨ohten Injektionsdruck nicht kompensiert werden. Bei Bogentrassen ist die Schmierspaltweite auf die Geometrie ausschwenkender Schildbauteile (z. B. Schildschwanz) und den Trassenradius abzustimmen. Beim Einsatz von Tunnelbohrmaschinen oder Vollschnittmaschinen wirkt sich das Abnutzungsmaß der Konturwerkzeuge bzw. der Kaliberdisken (vgl. 2.1.1.3, S. 80, und 2.1.1.4, S. 82) direkt auf die Weite des Schmierspalts aus. Die Schmierspaltweite betr¨ agt bei geradliniger Trassenf¨ uhrung im Regelfall ca. 2 cm. Beim Einsatz von Vortriebsmaschinen mit einem Teilfl¨achenabbau der ¨ Ortsbrust beschr¨ankt sich der Uberschnitt auf das oben gelegene 270o -Segment des kreisf¨ ormigen Ausbruchs, da sich die Rohrkolonne auf Grund ihres Eigengewichts ¨ auf eine tiefer liegende Ausbruchsohle absetzt. Ein Uberschnitt im Sohlbereich ist nur in Sonderf¨ allen (z. B. bei schleifend verlaufendem Felshorizont zur Homogenisierung der Elementbettung ) sinnvoll. 3.2.5.3

¨ Planm¨ aßig erzeugte Uberschnitte

¨ Lokale Uberschnitte werden teilweise zur erleichterten Einleitung von Steuerbewegungen sowie zur Beseitigung von Hindernissen und losen Gesteinsbrocken ausgef¨ uhrt. Zur erleichterten Einleitung von Trassenbogen sowie zum Ausfahren des Schildschwanzes k¨ onnen ausgeformte, einseitig erzeugte, radiale ¨ ¨ Uberschnitte hilfreich sein. Seitliche Uberschnitte werden als Aufweitung“; ein ” ¨ ¨ vertikal nach oben gerichteter Uberschnitt wird auch als Uberfirstung“ bezeichnet. ” ¨ Punktuelle planm¨ aßige Uberschnitte k¨ onnen zur Beseitigung wackliger“ ” Gesteinsbrocken gerechtfertigt sein. L¨ osen sich solche Brocken aus der Hohlraumlaibung und gelangen zwischen Rohraußenwand und Gebirge, so k¨onnen diese unter Umst¨ anden wie Klemmkeile wirken. Dies f¨ uhrt im einfachsten Fall lediglich zu einem vor¨ ubergehenden u ¨ berproportionalen Anstieg der Vortriebskr¨ afte. Im Extremfall ist der weitere Vortrieb der Rohrkolonne blockiert. ¨ Kontinuierliche Uberschnitte u ¨ ber das Ringspaltmaß hinaus, sind auch beim Durchfahren st¨ arker quellf¨ ahiger Tonschichten zu erw¨agen, um die Mantelreibung ¨ zu begrenzen. Ein radialer Uberschnitt, der u ¨ber den Schmierringspalt hinausgeht, kann dazu f¨ uhren, dass die Schildschwanzdichtung und die Schildschneide uml¨aufig werden und das in den Ringspalt injizierte Gleitmittel im Bereich der Schildschneide in die Ortsbrust einfließt.

3.3

Vorpresswiderst¨ ande

Die Vorpresswiderst¨ ande setzen sich im allgemeinen Fall anteilig aus dem Brustwiderstand und der Mantelreibung der Vortriebsrohre zusammen. Die Vorpresswiderst¨ ande m¨ ussen beim Rohrvortrieb in der Summe mit Hilfe der Hauptvortriebspressen und der Dehnerpressen u ¨ berwunden werden.

132

3 Ausf¨ uhrung

Die baubetrieblichen Bestrebungen zielen in aller Regel darauf ab, die Vorpresswiderst¨ ande m¨ oglichst gering zu halten. Dies gilt umso mehr, je l¨anger eine Rohrvortriebsstrecke ist. Im Hinblick darauf, dass in Vortriebsrohre und auch in Pressenwiderlager nur begrenzte Drucknormalkr¨afte eingeleitet werden k¨onnen und die zul¨assigen Druckspannungen schnell erreicht sind, wenn sich klaffende Fugen einstellen, sollten die Vortriebskr¨ afte m¨oglichst gering gehalten werden. Die Bestimmung der Einzelwiderst¨ ande bei laufendem Vortrieb ist nur n¨ aherungsweise m¨ oglich. Brustwiderstand: Der Brustwiderstand kann zahlenm¨aßig zum Beispiel dadurch abgesch¨ atzt werden, dass die Schildschneide mit den Steuerpressen gleichm¨aßig in die Ortsbrust eingedr¨ uckt und der hierbei auftretende Hydraulik¨oldruck gemessen wird. Die Hauptvortriebspressen und die Dehnerpressen werden hierbei nicht aktiviert. Mantelreibung: Bei standsicherer Ortsbrust kann die Schildschneide durch begrenzten Voraushub weitgehend freiger¨ aumt werden, so dass beim anschließenden Vorpressen im Wesentlichen nur Mantelreibung als Vorpresswiderstand auftritt. Die zu u ¨ berwindende Mantelreibung kann dann quantitativ aus dem gemessenen Hydraulik¨ oldruck errechnet werden. Die Mantelreibung einer Rohrkolonne zwischen ¨ zwei Dehnerstationen kann n¨ aherungsweise durch Messung des Oldrucks am r¨ uckw¨ artigen, aktivierten Dehner bestimmt werden, sofern der vordere Teil der Gesamtrohrkolonne nicht mitbewegt wird.

3.3.1

Brustwiderstand

Beim Vorpresstakt eines Rohrvortriebes wird die Schneide des vor dem Maschinenrohr befindlichen Schildmantels mit Hilfe der Hauptvortriebspressen bzw. der Dehnerpressen in die Ortsbrust gedr¨ uckt. Wie bereits beschrieben, setzt der Boden dem Eindringen der Schildschneide einen Widerstand entgegen, der von der Bodenart abh¨ angt. Dieser Widerstand wird als Brustwiderstand“ oder als ” Schneidenwiderstand“ bezeichnet. ” F¨ ur die planerische Festlegung der zu installierenden Pressendruckkr¨afte werden meist individuelle Erfahrungswerte f¨ ur den Brustwiderstand und f¨ ur die Mantelreibung angesetzt. Zur Absch¨ atzung des zu erwartenden Brustwiderstandes k¨onnen auch orientierende Werte von Herzog [182] oder von Scherle [196] herangezogen werden. Diese Werte sind untereinander jedoch nicht vergleichbar, da sie auf unterschiedlichen Ans¨ atzen basieren. Beiden Ans¨atzen gemeinsam ist, dass der ¨ Betrag der Uberdeckung Hu ¨ nicht eingeht. Im Folgenden werden die Verfahren von Herzog, Scherle, Salomo [193] und Weber [204] dargestellt. Absch¨ atzung nach Herzog: Es werden Tabellenwerte (siehe Tabelle 3.2) angegeben, ¨ die unabh¨ angig von der Uberdeckung, der Ausbildung eines Gebirgstragringes und von anderen Lastannahmen sind. Sie basieren auf Messwerten bei der Bestimmung des Spitzenwiderstandes von Bohrpf¨ ahlen. Experimentell zeigt sich bei Erreichen

3.3 Vorpresswiderst¨ ande

133

des kritischen Brustwiderstandes pSch im Bereich der Schildschneide und ggf. der Schildf¨ acher ein lokaler“ Grundbruch, so dass der Schild in das Erdreich vordringen ” kann.

Tabelle 3.2. Richtwerte f¨ ur den Brustwiderstand an der Schildschneide Bodenart fels¨ ahnlicher Boden Kies Sand, dicht gelagert Sand, mitteldicht gelagert Sand, locker gelagert Mergel Terti¨ arton quart¨ arer Ton, Schluff

Brustwiderstand pSch [kN/m2 ] 12 000 7 000 6 000 4 000 2 000 3 000 1 000 400

Die erforderliche Kraft WSch zum Vorpressen einer (kreisf¨ormigen) Schildschneide errechnet sich unter Verwendung der tabellierten Werte zu: WSch = π · DSch · t · pSch , DSch t pSch

(3.14)

wobei

Durchmesser der Schildschneide Wandddicke der Schildschneide Brustwiderstand

[m] [m] [kN/m2]

Der zugeh¨ orige Erddruckbeiwert K liegt meistens u ¨ ber dem passiven Erddruckbeiwert Kp , d. h.: pSch > Kp · pV,ges mit pV,ges = pV + pBeb + pV erk pV,ges pV pBeb pV erk

(3.15) (3.16)

mit den Bezeichnungen

Vertikalbelastung vertikaler Erddruck (Erdauflast) Bebauungslasten Verkehrslasten

[kN/m2] [kN/m2] [kN/m2] [kN/m2]

Bei Verwendung von Zwischenb¨ uhnen erh¨oht sich der Brustwiderstand entsprechend der in das Erdreich eingedr¨ uckten B¨ uhnenfl¨ache. Bei der Berechnung des Brustwiderstandes beim Einsatz von Vollschnittmaschinen und Tunnelbohrmaschinen sowie bei einer Ortsbrustst¨ utzung durch Druckluft, Fl¨ ussigkeiten oder Erdstoffen sind Zusatzglieder additiv zu ber¨ ucksichtigen (s. Maidl et al.[188]) Absch¨ atzung nach Scherle: Beim Ansatz von Scherle [196] geht die gesamte

134

3 Ausf¨ uhrung

Ausbruchfl¨ ache direkt in die Bestimmung der erforderliche Kraft WSch zum Vorpressen einer (kreisf¨ ormigen) Schildschneide ein: WSch =

1 2 π DSch ·B 4

[kN]

(3.17)

Hierin ist B [kN/m2] der spezifische Brustwiderstand, der in Abh¨angigkeit vom Gebirge, von der Schildkonstruktion, der Schildabnutzung und von der Abbau- und Vortriebstechnik abh¨ angt. Bei durchschnittlichen geotechnischen Randbedingungen ist danach mit Brustwiderstandswerten in der Gr¨oßenordnung 300 kN/m2 ≤ B ≤ 600 kN/m2 zu rechnen. Bei sehr schwerem Gebirge“ ist von ” Extremalwerten im Bereich B = 1000 kN/m2 und mehr auszugehen. ¨ Absch¨ atzungen nach Salomo und nach Weber: Uber die vorbeschriebenen Ans¨atze hinaus wurden auf der Grundlage von Modellversuchen, von Laborversuchen und teilweise aus der Auswertung von Vortriebsaufzeichnungen von Salomo [193] und von Weber [204] weitere Berechnungsans¨ atze f¨ ur den Brustwiderstand bei Vorliegen spezieller Randbedingungen entwickelt. Beide Ans¨atze sind von der M¨achtigkeit der ¨ Uberdeckung abh¨ angig. Der Ansatz von Salomo gilt f¨ ur koh¨asionslose B¨oden und setzt eine gew¨ olbeartige Verspannung des Bodens im Einflussbereich der Schildschneide voraus. Vereinfachend wird davon ausgegangen, dass sich beim Vorpressen der Schildschneide im Boden ebene Bruchfl¨achen einstellen. Die Schneidenkraft errechnet sich bei dann zu: 3 WSch = ps,S · γ ∗ · DSch ,

ps,S γ∗ DSch

wobei

(3.18)

dimensionloser Faktor, der vom Verh¨altnis H¨ u /DSch vom Reibungswinkel ϕ und vom Schneidenwinkel α abh¨ angt [193] mittlere Dichte des aufzufahrenden Bodens Durchmesser der Schildschneide

Bei koh¨ asiven Bodenarten ist f¨ ur ϕ der Ersatzreibungswinkel ϕers einzusetzen. Der Ersatzreibungswinkel ϕers ist so zu w¨ahlen, dass sich rechnerisch die gleiche Gr¨ oße f¨ ur den Erdwiderstand erg¨ abe, wie bei dem als nichtkoh¨asiv angenommenen ¨ Boden. Damit ist der Ersatzreibungswinkel von der M¨achtigkeit der Uberdeckung abh¨ angig. Der Ansatz von Weber [204] wurde f¨ ur den Bereich der nichtbegehbaren Rohrquerschnitte sowohl in koh¨ asiven, als auch in nichtkoh¨asiven B¨oden entwickelt. Die Schneidenkraft errechnet sich bei Weber zu:    WSch = π · DSch · t · λc γ  · H¨ (3.19) u · tan ϕ + c , wobei DSch t H¨ u λc γ  , ϕ , c

Durchmesser der Schildschneide Schneidendicke ¨ M¨ achtigkeit der Uberdeckung Tragf¨ ahigkeitsbeiwert nach DIN 4017 [26] Bodenkenngr¨ oßen (Wichte, Reibungswinkel, Koh¨asion)

3.3 Vorpresswiderst¨ ande

135

Bei Bodenarten mit einer zumindest vor¨ ubergehend standsicheren Ortsbrust kann der Brustwiderstand durch einen begrenzten Voraushub reduziert werden.

3.3.2

Mantelreibung

Von entscheidender Bedeutung f¨ ur die erforderlichen Vortriebskr¨afte ist die Mantelreibung zwischen Rohrstrang und Gebirge. Nach dem Reibungsgesetz ¨ der Mechanik errechnet sich die erforderliche Kraft zur Uberwindung des Mantelreibungsanteils beim Vorpressen eines Rohrstrangs mit der L¨ange l und mit dem Außendurchmessers DA zu: FM = M · DA · π · l

mit

M = µ · σr .

(3.20)

Es wird vorausgesetzt, dass µ und σr u ¨ber die ganze Mantelfl¨ache hinweg konstant sind bzw. Durchschnittswerte darstellen. M spezifischer Mantelreibungswiderstand (ohne Adh¨asion) [kN/m2 ] µ Reibungskoeffizient als Funktion des Wandreibungswinkels [1] δ (µ = tan ϑ); µ nach Tabelle 3.3; δ nach DIN 4085 (1987-02) σr von außen auf das Rohr wirkende Radialspannung, [kN/m2 ] die sich aus dem Erddruck (Auflast + Seitendruck) oder aus dem Suspensiondruck ergibt Die Gr¨ oße der Mantelreibung l¨ asst sich durch die Verwendung von Gleitmitteln herabsetzen. Ohne die Verwendung von Gleitmitteln kann beim Vortrieb von Stahlbetonrohren in trockenem Lockergestein von einer Mantelreibung M in der Gr¨ oßenordnung von 20 kN/m2 bis 30 kN/m2 [196] ausgegangen werden. Durch die Verwendung von Gleitmitteln l¨ asst sich die Mantelreibung meist auf einen Bruchteil dieser Werte reduzieren. Da die Gr¨ oße der Mantelreibung bei Verwendung von Gleitmitteln von zahlreichen baustellenspezifischen, geotechnischen und schmiertechnischen Faktoren abh¨ angt, k¨ onnen verl¨assliche Zahlenwerte erst im Zuge des Vorpressvorganges bestimmt werden. Als Sch¨atzgr¨oße kann unter g¨ unstigen Voraussetzungen (3-Schichtbetrieb ohne gr¨oßere Unterbrechungen und bei Verwendung einer automatischen Bentonit-Schmiereinrichtung) eine Mantelreibung von M ≈ 1 kN/m2 erwartet werden. Bei entsprechender Optimierung der Schmiertechnik sind noch geringere Mantelreibungswerte erzielbar. Beispiele hierf¨ ur sind: – Vortrieb des Landfall-Tunnels (Europipe-Projekt, DA 3600, l = 2 531 m): M < 1 kN/m2 [192], – Vortrieb unter der Kieler F¨ orde (DA 4100, l = 1 368 m): M < 0, 2 kN/m2 [175]. Die nachstehend in Anlehnung an Szechy (1969) [200] wiedergegebenen Diagramme zeigen die Gr¨ oßenordnung der bei Vortriebsrohren bis DA 2000 zu

136

3 Ausf¨ uhrung

erwartenden Mantelreibungskr¨ afte in rolligen bzw. in bindigen Lockergesteinen, ohne Verwendung von Gleitmitteln. Die Ordinatenachsen geben den auf einen Meter Rohr bezogenen Reibungswiderstand R [kN/m] an. Der Zusammenhang mit dem spezifischen Mantelreibungswiderstand M lautet: M=

R R = U π · DA

Bild 3.16. Mantelreibung beim Rohrvortrieb (ohne Schmierung; Diagramme in Anlehnung an [200])

(3.21)

3.3 Vorpresswiderst¨ ande

3.3.2.1

137

Reibungsbeiwerte

Beim Anfahren eines Rohrstranges aus dem Ruhezustand ist zun¨achst die Haftreibung zu u ¨berwinden. Wird der Rohrstrang mit Hilfe der Dehner- oder Hauptvortriebspressen verschoben, so ist die Gleitreibung zu u ¨ berwinden. Die Haftreibung ist gr¨ oßer als die Gleitreibung. Die erforderlichen Pressenkr¨afte zum Anfahren des Rohrstranges sind somit stets gr¨oßer als die Kr¨afte um den Rohrstrang zu verschieben, wenn der Rohrvortrieb l¨auft. Es kann von folgenden durchschnittlichen Reibungsbeiwerten µ ausgegangen werden:

Tabelle 3.3. Reibungsbeiwerte µ f¨ ur Haftreibung und trockene Gleitreibung Reibungsart Haftreibung (Betonrohr/Boden) trockene Gleitreibung (Betonrohr/Boden) trockene Gleitreibung (Maschinenrohr/Boden) (Herzog [182])

Werkstoffpaarung Beton auf Kies Beton auf Sand Beton auf Ton Beton auf Kies Beton auf Sand Beton auf Ton Stahl auf Kies Stahl auf Sand Stahl auf Lehm/Mergel Stahl auf Schluff Stahl auf Ton

Reibungsbeiwert µ 0,5–0,6 0,5–0,6 0,3–0,4 0,3–0,4 0,3–0,4 0,2–0,3 0,55 0,45 0,35 0,30 0,20

Bei der Verwendung von Bentonit-Suspension als St¨ utz- und Gleitmittel liegt teilweise Fl¨ ussigkeitsreibung vor. Hierbei treten bei Betonrohren Reibungsbeiwerte µ zwischen 0,1 und 0,3 und bei Stahlrohren solche zwischen 0,1 und 0,2 auf. Die Gr¨ oße des Reibungsbeiwertes ist abh¨ angig von der dynamischen Fließgrenze der Suspension (siehe 3.4.2.1). Die beim Vortrieb zu u ¨berwindende Mantelreibung setzt sich aus dem Reibungsanteil der Elemente mit Stahlmantel (Maschinenrohr, Dehner, Schleuse, Schildmantel) und aus dem Reibungsanteil der Stahlbeton-Vortriebsrohre zusammen. 3.3.2.2

Einfl¨ usse auf die Gr¨ oße der Mantelreibung

Die sich einstellende durchschnittliche Mantelreibung und die Ver¨anderung der Mantelreibung im Verlauf eines Rohrvortriebes oder eines Vortriebstages (vgl. Bild 3.6) h¨ angen von zahlreichen geotechnischen und schmiertechnischen Faktoren ab. Vorabberechnungen der Mantelreibung sind f¨ ur die Auslegung der Vortriebspressen und des Pressenwiderlagers unverzichtbar. Solche Berechnungen sind jedoch stets nur N¨ aherungen. Als Faustformel zur vorl¨ aufigen Absch¨atzung der vertikalen

138

3 Ausf¨ uhrung

¨ Auflast kann bei koh¨ asiven, gewachsenen B¨oden bei einer Uberdeckung der Rohrfirste von H¨ ≥ 2 DA von u σv = 1, 0 · γ · DA bis

1, 5 · γ · DA

(3.22)

¨ ausgegangen werden. Bei Uberdeckungen von H¨ u < 2 DA ist die gesamte ¨ Uberdeckung sowie die Verkehrslast als schlaffe Auflast anzusetzen. In der folgenden Darstellung wird zwischen regelm¨ aßig auftretenden Einfl¨ ussen und Sondereinfl¨ ussen auf die Mantelreibung unterschieden. Regelm¨ aßig auftretenden Einfl¨ usse: – Da die Mantelfl¨ ache linear mit der Vortriebsl¨ange zunimmt, steigt auch die Pressenkraft bei konstanter Mantelreibung M . Die Mantelreibung kann jedoch zunehmen, abnehmen oder gleich bleiben. – Nach Vortriebsunterbrechungen muss bei Verwendung thixotroper Schmiermittel generell mit einem vor¨ ubergehenden Anstieg der Mantelreibung gerechnet werden. Dies ist auf die zeitabh¨ angige Zunahme der Scherfestigkeit thixotroper Fl¨ ussigkeiten zur¨ uckzuf¨ uhren. Bei Vortriebsunterbrechungen > 16 Stunden hat die thixotrope Fl¨ ussigkeit in der Regel ihre maximale Scherfestigkeit (statische Fließgrenze) erreicht. Beim Wiederanfahren des Vortriebs muss in diesem Fall die maximale Scherfestigkeit der Schmiermittel-Suspension als Vortriebswiderstand u ¨ berwunden werden (vgl. 3.4.2.5). Mit abweichenden Mantelreibungswerten ist auch zu rechnen, wenn die rheologischen Eigenschaften der SchmiermittelSuspension an ver¨ anderte geotechnische Gegebenheiten angepasst werden m¨ ussen. – In vielen F¨ allen benetzt die Schmiermittel-Suspension nicht den gesamten Rohrmantel, sondern bildet nur im unteren Teil des Außenmantels einen wirksamen Schmierfilm. Im oberen Teil des Rohraußenmantels kann dabei gleichzeitig ein suspensionsfreier Luftspalt vorhanden sein, der keinen Beitrag zur Reibung liefert oder trockene Gleitreibung vorliegen. Die Auswirkung auf die Mantelreibungskraft ist dabei entsprechend unterschiedlich. Falls sich das u ¨berlagernde Gebirge auf den Rohrstrang absetzt, ergibt sich ein relevanter Wert f¨ ur die Radialspannung σr . Allerdings ist dabei, z. B. im Fall eines geschichteten Baugrunds, oft nicht von vornherein erkennbar, ob sich ein nahezu vollkommener oder ein unvollkommener Gebirgstragring ausbilden konnte, oder ¨ ob die Uberdeckung als volle statische Auflast auf den Rohrstrang dr¨ uckt. – F¨ ur die Gr¨ oße und die Entwicklung der Mantelreibung sind ferner von Bedeutung: – das Penetrationsverhalten und die Filterkuchenbildung der SchmiermittelSuspension (vgl. 3.4.1). – Grundwassereinfl¨ usse und Wassergehalt des am Rohrstrang anlagernden Bodens (gering feuchter Boden, trockener Boden, teilges¨attigte Bodenzonen, mit Wasser gef¨ ullte Bodenporen). – Versuche im Labor [184] zeigten, dass beim Auftauchen“ einer Vorpressung ” aus dem Grundwasserbereich in trockene Bodenzonen Wasser aus der im

3.3 Vorpresswiderst¨ ande

139

Schmierspalt befindlichen Bentonit-Suspension ausgepresst wird. Als Folge wurde ein Anstieg der Mantelreibung um den Faktor 4 beobachtet. – Art der Schmiertechnik: Eine automatisierte Schmiertechnik kann sich hinsichtlich der entstehenden Mantelreibung g¨ unstig auswirken. Sondereinfl¨ usse: Unter bestimmten Voraussetzungen k¨ onnen mit der Vortriebsl¨ange sowohl u berproportionale Zunahmen der Pressenkr¨ afte, als auch r¨ uckl¨aufige Pressenkr¨afte ¨ beobachtet werden. Mit einem Anstieg der Mantelreibungskr¨afte ist z. B. zu rechnen: – Beim Durchfahren von quellendem Gebirge. Hierzu z¨ahlen Tone, Tonsteine und Schluff-Tonsteine, die bestimmte quellf¨ ahige Tonmineralien (z. B. Illit, Smectit, Corrensit u. a.) enthalten, aber auch anhydritf¨ uhrenden Schichten. ¨ – Nach l¨ angeren Vortriebsunterbrechungen, wenn sich die Uberlagerung auf den Rohrstollen abgesetzt hat. – Im Fall von Anbackungen am Rohraußenmantel [205]. Die erforderlichen Vorpresskr¨ afte k¨ onnen unter den genannten Bedingungen so stark ansteigen, dass die erforderliche Drucknormalkraft der Vortriebsrohre u usste. Ist keine Abhilfe m¨oglich, bedeutet dies, dass der ¨berschritten werden m¨ Rohrvortrieb stecken bleibt“ und ggf. f¨ ur den Weiterbau ein anderes Bauverfahren ” gew¨ ahlt werden muss. Eine Abnahme der erforderlichen Mantelreibungskr¨afte kann im Zusammenhang mit einer Schmiermittels¨attigung des unmittelbaren Stollenumfeldes stehen. In diesem Fall ist m¨oglicherweise keinerlei Pressenkraftsteigerung erkennbar, obgleich die Vortriebsstrecke betr¨achtlich zunimmt und die Bentonit-Schmierung ausgesetzt wird. 3.3.2.3

¨ berschl¨ U agige Berechnung der Mantelreibung

Zum einen kann die Mantelreibung bei bekanntem Brustwiderstand durch R¨ uckrechnung bestimmt werden, zum andern gibt es verschiedene Rechenmodelle zur Bestimmung der Mantelreibung. Ist die Pressenkraft aus der Vortriebsdokumentation und der Brustwiderstand auf Grund eines Einpressversuchs (siehe 3.3.1) bekannt, so errechnet sich der spezifische Mantelreibungswiderstand zu: M=

FP ressen − pSch · ASch lM · π · DA

FP ressen pSch ASch lM DA

[kN/m2 ] ,

wobei

Vortriebskraft Brustwiderstand wirksame Brustfl¨ ache des Schildes: ASch = Dsch · t Vortriebsl¨ ange mit Mantelreibung Außendurchmesser

(3.23) [kN] [kN/m2] [m2 ] [m] [m]

140

3.3.2.4

3 Ausf¨ uhrung

Rechenmodelle f¨ ur die Bestimmung der Mantelreibung

Die bekannten Rechenmodelle zur Bestimmung der Mantelreibung unterscheiden sich im Wesentlichen dadurch, dass einige Ans¨atze von der Mitwirkung eines Gebirgstragringes ausgehen und andere Ans¨atze die Ausbildung eines Gebirgstragrings ausschließen. Dort, wo sich um den aufgefahrenen Hohlraum ein Traggew¨olbe ausbilden kann, h¨ angt die Gr¨ oße der Rohrmantelreibung nur in geringem Maße von ¨ der M¨ achtigkeit der Uberdeckung des Rohrscheitels ab. Bildet sich kein oder ¨ nur ein unvollkommenes Traggew¨ olbe aus, so dr¨ uckt die Uberdeckung ganz oder teilweise als schlaffe Auflast auf dem Rohrstrang. Das Eigengewicht der ¨ Uberdeckung, ggf. erh¨ oht um Lastanteile aus Nachbarlastfl¨achen, Verkehrslasten usw. beeinflusst die Gr¨ oße der Rohrmantelreibung entsprechend stark. Demzufolge liefern die nachstehend angef¨ uhrten Rechenmodelle teilweise deutlich voneinander abweichende Ergebnisse f¨ ur die Mantelreibung. Die wichtigsten Ans¨atze zur Absch¨ atzung der Mantelreibung sind: Scherle: In [196] wird davon ausgegangen, dass sich oberhalb des Vortriebsrohrstrangs ein Gebirgstragring ausbildet. F¨ ur die statische Auflast auf den Rohrquerschnitt wird lediglich eine Bodenzone angesetzt, die nach oben ¨ durch das Maß Hw (wirksame Uberdeckungsh¨ ohe) beschrieben werden kann (vgl. Bild 3.17). F¨ ur diese Bodenzone wird eine verminderte Scherfestigkeit infolge einer vortriebsbedingten Auflockerung angenommen.

Bild 3.17. Modellvorstellung nach Scherle zu Gebirgstragring und Auflockerungszone

3.3 Vorpresswiderst¨ ande

141

Unter Verwendung der gemittelten Wichte γm =

H¨ub.W. · γ¨ub.W. + Hunt.W. · γunt.W. H¨ub.W. + Hunt.W.

(3.24)

errechnet sich der Reibungswiderstand M zu:


  G−FA µ DA γm Hw + (KF +KK¨a,li +KK¨a,re +KS )+ , M = 4 2 DA

(3.25)

wobei

DA µ Hw KF KK¨a,li KK¨a,re KS G FA

Rohraußendurchmesser Reibungskoeffizient ¨ wirksame Uberdeckungsh¨ ohe nach Terzaghi/Houska Erddruckbeiwert im Bereich der Firste Erddruckbeiwert im Bereich des linken K¨ ampfers Erddruckbeiwert im Bereich des rechten K¨ ampfers Erddruckbeiwert im Bereich der Sohle Gewichtskraft je laufenden Meter Vortriebsrohr Auftriebskraft je laufenden Meter Vortriebsrohr

[m] [1] [m] [1] [1] [1] [1] [kN/m] [kN/m]

Der vertikale Druck σV auf den Rohrstrang errechnet sich zu:

 
−4 Hges ·tan ϕ
  o ϕ
  9 DA · 1 + tan(45o − ϕ2 )  9 DA· 1+tan 45 − 2 σV = · 1−e .   4 tan ϕ

(3.26)

F¨ ur die wirksame H¨ ohe ergibt sich Hw =

σV γm

(3.27)

Das Modell eines mitwirkenden Gebirgstragringes findet man in vielen Ans¨atzen zur Tunnelstatik (siehe Kapitel 4). Herzog: Dieser Ansatz [182] verzichtet auf den Ansatz eines lastmindernden Gebirgstragrings u ¨ber dem Vortriebsrohrstrang. Der Reibungswiderstand M errechnet sich zu: µ (σv + σh ) , wobei 2
 DA = γm H¨u + und 2 = Ko · σv , mit den Bezeichnungen

M =

(3.28)

σv

(3.29)

σh

Ko γm , H¨u

Erdruhedruckbeiwert siehe Absch¨ atzung nach Scherle

(3.30) [1] [kN/m3 bzw. m]

142

3 Ausf¨ uhrung

Salomo: Die Absch¨ atzung von [193] st¨ utzt sich auf Modellversuche und verzichtet ebenfalls auf den Ansatz eines lastmindernden Gebirgstragrings. F¨ ur den Reibungswiderstand M gilt:  
DA M = γm · H¨u + · Km · tan δ (3.31) 2 δ = δ(ϕ ) (siehe DIN 4085) Der wirksame“ Erddruck Km ber¨ ucksichtigt die horizontale Bodenreaktion ” und ergibt sich als Mittelwert aus dem Ruhedruckbeiwert Ko und einem Erddruckbeiwert Ks zu   Km =

1   1 − sin ϕ + tan2 (45o + 0, 225 ϕ)   2     Ko

(3.32)

Ks

Weber: Die Absch¨ atzung von [204] basiert auf einer modifizierten Form des Ansatzes von Scherle, wobei der Erdruhedruckbeiwert entsprechend den DGEGEmpfehlungen f¨ ur Tunnel in Lockergestein [177] zu Ko = 0, 5 (const.) gesetzt und die Vertikalspannung auf den Rohrmittelpunkt (Tiefe z) bezogen wird. Der Ansatz von Weber ber¨ ucksichtigt keine verminderte Scherfestigkeit im Bereich der Bodenzone mit der wirksamen H¨ ohe Hw . Der Reibungswiderstand M [kN/m2 ] errechnet sich zu: M = µ σh σv

√

σv · σh

mit

γm · z = γm · z · Ko → σh = und 2  
 
   −z·tan ϕ
  γM ·DA 1+tan 45o− ϕ2 DA 1+tan(45o − ϕ2 ) = 1−e   tan ϕ

(3.33) (3.34) (3.35)

Die Gleichungen von Scherle und von Weber liefern entsprechend der Ber¨ ucksichtigung eines Gebirgstragringes nahe beisammen liegende Ergebnisse f¨ ur M . Die Gleichungen von Herzog und Salomo – ohne Gebirgstragring – f¨ uhren zu gr¨ oßeren Werten f¨ ur den Reibungswiderstand M . Walensky/M¨ ocke: Die Absch¨ atzung von [203] beruht auf Erfahrungen mit Horizontal-Pressbohrverfahren und lautet:  ϕ 1 + Ko2 M = γm · H¨u · · tan δ , wobei δ = . (3.36) 2 2 Helm: In [181] wird folgende Gleichung angegeben: M = µ · γm · Hu¨ ·

1 + Ka . 2

(3.37)

3.4 Schmiermittel

143

Da Nachberechnungen zeigen, dass die tats¨achliche durchschnittliche Mantelreibung bei der Ausf¨ uhrung mehr oder minder von der vorausberechneten abweichen kann, wird empfohlen, eine Vorabberechnung m¨oglichst mit mehreren der vorstehend genannten Ans¨ atze durchzuf¨ uhren.

3.4

Schmiermittel

3.4.1

Bentonit-Suspensionen

Die Bedeutung von Bentoniten f¨ ur die Anwendung bei Rohrvortrieben beruht im Wesentlichen auf den thixotropen Eigenschaften, d. h. der M¨oglichkeit einer beliebig oft reversiblen Sol-Gel-Zustands¨ anderung und auf dem Quellverm¨ogen. Bentonit hat die Eigenschaft, bei Wasseraufnahme sein Volumen zu vervielfachen und stabile Gele zu bilden. Da Natrium-Bentonite einen wesentlich h¨oheren Gehalt an Silikat-Lamellen aufweisen als Kalzium-Bentonite, sind das Quellverm¨ogen, die Fließf¨ ahigkeit und die St¨ utzwirkung von Natrium-Bentonit-Suspensionen st¨arker ausgepr¨ agt, als bei Kalzium-Bentonit-Suspensionen. Eine problemlose Pumpbarkeit der Suspension, ein hohes Quellverm¨ogen und eine ausreichende Stabilit¨ at der Suspension sind Eigenschaften, die bei Rohrvortrieben meist gefordert werden. Natrium-Bentonit weist somit f¨ ur die Anwendung bei Rohrvortrieben g¨ unstigere Eigenschaften auf als Kalzium-Bentonit. Da als heimischer Rohstoff nur Kalzium-Bentonit zur Verf¨ ugung steht, werden bei Rohrvortrieben in Deutschland in aller Regel modifizierte KalziumBentonite eingesetzt. Die Modifikation besteht meist darin, dass durch eine verfahrenstechnische Substitution der Kalzium-Kationen durch Natrium-Kationen die g¨ unstigen Eigenschaften des Natrium-Bentonits erzielt werden. Dieser als Soda-Aktivierung bezeichnete Ionenaustauschprozess f¨ uhrt beispielsweise zu einer ganz erheblichen Steigerung des Quellverm¨ ogens. Der Kalzium-Bentonit mit einem geringen (etwa f¨ unf- bis sechsfachen) Quellverm¨ogen wird zum hochquellf¨ahigen Natrium-Bentonit mit einem etwa f¨ unfzehnfachen Quellverm¨ogen umgewandelt (Aktivbentonit) [178]. Diese Bentonite sind unter der Bezeichnung aktivierte“ ” Kalzium-Bentonite im Handel. Meist erhalten die aktivierten“ Kalzium-Bentonite ” noch weitere, z. B. organische Additive. Zur Erh¨ohung der Suspensionsstabilit¨at bei Vortrieben in Grundwasser f¨ uhrenden Schichten wird teilweise ein geringf¨ ugiger Zusatz von Zement zur Bentonit-Suspension empfohlen. Montmorillonite sind gegen¨ uber einer chemischen Einwirkung (z. B. S¨aureangriff) relativ empfindlich, was verfahrenstechnisch bei der Herstellung von s¨ aureaktivierten Bentoniten von Bedeutung ist. Auf Grund der Empfindlichkeit gegen¨ uber S¨ auren sollte die Eignung der vorgesehenen Bentonit-Suspension bei Rohrvortrieben durch stark altlastbefrachtete Gesteinsschichten/Grundw¨asser ggf. durch Vorversuche u uft werden. ¨ berpr¨

144

3 Ausf¨ uhrung

3.4.2

Schmierung mit Bentonit-Suspensionen

3.4.2.1

Einstellen und Kontrolle der Mischung

Die Bentonit-Suspension wird bauseits aus Bentonitmehl und Wasser gemischt. Hierbei werden Wassermolek¨ ule in die Montmorillonit-Kristalle unter Volumenzunahme eingelagert. Dieser Vorgang wird als Quellen“ bezeichnet. ” Angestrebt wird ein Optimum der f¨ ur Rohrvortriebe maßgebenden Eigenschaften von Gleit- und St¨ utzverm¨ ogen der Bentonit-Suspension in dem jeweils zu durchpressenden Gestein. Hierzu ist es erforderlich, eine bestimmte Spannbreite des Mischungsverh¨ altnisses Wasser zu Bentonit einzuhalten, die der Kornverteilung der zu durchpressenden Gesteinsschichten angepasst ist. Bei Rohrvortrieben in Sanden und Kiesen kann zu einer ersten Einsch¨atzung des erforderlichen Mischungsverh¨ altnisses der Bentonit-Suspension der maßgebliche Korndurchmesser Dm des zu durchpressenden Gesteins herangezogen werden ([196], Band 1, S. 26). Der maßgebende Korndurchmesser Dm ist jener Korndurchmesser, der von 25 M.-% des zu durchpressenden Gesteins unterschritten und von 75 M.-% u ¨berschritten wird. Kornverteilungssummenlinien nach DIN 18123 geben das Korngr¨oßenspektrum nur der jeweiligen Probe wieder. Dieses kann in unterschiedlichem Maße von dem der Grundgesamtheit abweichen. Die Angabe eines einzelnen Zahlenwerts f¨ ur den maßgebenden Korndurchmessers Dm ist daher mit Unsicherheiten behaftet. Da sich die Kornverteilung entlang der Trasse stark ¨andern kann und es bei geschichtetem Baugrund im Vortriebsbereich keinen maßgebenden Durchmesser Dm gibt, werden die Mischungsrezepturen daher vorrangig auf Grund von Erfahrungswerten festgelegt. W¨ ahrend des Vortriebes besteht dann die M¨oglichkeit zur projektspezifischen Optimierung. Zur Herstellung von Bentonit-Suspensionen als St¨ utz- und Gleitmittel bei Rohrvortrieben in gemischt- und grobk¨ornigen Bodenarten sind Standardrezepturen mit einem Zusatz von 70 kg – 120 kg Bentonit pro m3 Suspension u atsgrenze einer Bentonit-Suspension aus ¨ blich. Die Stabilit¨ Standardbentonit liegt bei ca. 40 kg Bentonit pro m3 Suspension, bei h¨oher viskosen Bentonitsorten ggf. auch darunter. Mischungen mit einem Bentonitanteil unterhalb der Stabilit¨ atsgrenze sind verw¨ assert, wirken weder st¨ utzend noch schmierend und neigen dazu, in das umgebende Gebirge abzufließen. 3.4.2.2

Viskoses Verhalten von Bentonit-Suspensionen

Bentonit-Suspensionen verf¨ ugen u ¨ber thixotrope Eigenschaften, d. h. die Viskosit¨at, die physikalisch mit Hilfe der Scherfestigkeit beschrieben werden kann, nimmt unter der Einwirkung einer Scherbeanspruchung (z. B. dem Vorpressen des Rohrstranges) bis auf einen Minimalwert, die dynamische Fließgrenze τF,dyn , ab. Wird die Scherbeanspruchung unterbrochen, so steigt die Scherfestigkeit wieder an und n¨ ahert sich asymptotisch einem Maximalwert, der statischen Fließgrenze τF,stat. Dieser Vorgang ben¨ otigt Zeit. Nach DIN 4127 [44] wird die statische Fließgrenze τF,stat bei Tonsuspensionen gen¨ ugend genau durch τF,16 h , d. h. durch die (statische) Scherfestigkeit nach 16 Stunden Ruhezeit, angen¨ahert. Die gr¨oßte

3.4 Schmiermittel

145

m¨ogliche Bruchscherspannung τF ist gleich dem Wert der statischen Fließgrenze τF,stat.1 Die Gr¨ oße der Fließgrenzen h¨ angt von der Umgebungstemperatur T ab. Wird durch erneutes Aufbringen der Scherbeanspruchung die Gel-Bildung unterbrochen bevor τF,stat erreicht ist, so muss lediglich die Fließgrenze τF (t,T ) des bis dahin erreichten Grades der thixotropen Verfestigung τF (t,T ) ≤ τF,stat u ¨ berwunden werden. Der entscheidende Beurteilungsmaßstab f¨ ur die Eignung einer BentonitSuspension ist das Verh¨ altnis der Fließgrenzen in Sol- und Gelzustand. Praktische Erfahrungen haben gezeigt, dass Bentonit-Suspensionen dann zur Schmierung und St¨ utzung bei Rohrvortrieben besonders geeignet sind, wenn das Verh¨altnis der dynamischen Fließgrenze τF,dyn zur statischen Fließgrenze τF,stat 1:6 bis 1:10 (maximal 1 : 15) betr¨ agt. Mit zunehmender Bentonit-Konzentration innerhalb einer Suspension steigt die dynamische Fließgrenze τF,dyn u ¨ berproportional stark an. Da jedoch der Gleitwiderstand τ der Atomgitterebenen und die dynamische Fließgrenze τF,dyn proportional sind, w¨ achst die erforderliche Vortriebskraft mit zunehmendem Bentonit-Anteil in der Suspension ebenfalls an. 3.4.2.3 Messverfahren Bei einfachen Randbedingungen und eingespieltem Rohrvortrieb wird die Einheitlichkeit der Suspensionszubereitungen am einfachsten dadurch gew¨ ahrleistet, dass generell eine f¨ ur die gegebenen Randbedingungen als geeignet befundene Suspensionsrezeptur angewandt wird. Bei witterungsbedingt st¨arkeren Temperaturschwankungen von Zugabewasser und Bentonitmehl variieren auch die von der Temperatur abh¨ angige Suspensionsz¨ ahigkeit und auch die Tendenz zu Verklumpungen, so dass eine Temperierung notwendig werden kann. Sind w¨ ahrend eines Rohrvortriebes schwierige Randbedingungen zu erwarten, auf die zweckm¨aßig mit ver¨ anderten Suspensionsparametern reagiert werden kann, dann sind wiederholte messtechnische Suspensionskontrollen zur Ermittlung von statischer und dynamischer Fließgrenze anzuraten. Der Messaufwand ist vergleichsweise gering und empfiehlt sich: – bei allen gr¨ oßeren Rohrvortrieben, – bei Rohrvortrieben durch Schichten mit deutlich variierenden geotechnischen Eigenschaften, – bei fallend aufgefahrenen Rohrvortrieben, – bei Rohrvortrieben, bei denen zeitlich parallel unterschiedlich viskose Schmiermittel eingesetzt werden, – bei ver¨ anderlichen klimatischen Randbedingungen w¨ahrend des Rohrvortriebes (insbesondere bei Frost), – bei Rezepturoptimierung, – bei Wechsel der Bentonitsorte. 1

Der Begriff der Bruchscherspannung ist zwar u andlich. Es kann ¨blich, aber missverst¨ nur eine bestimmte Schubspannung aufgenommen werden. Danach tritt Fließen ein. Es kommt zu einem Fließen, nicht zu einem Bruch im Sinne der Bruchmechanik.

146

3.4.2.4

3 Ausf¨ uhrung

Dynamische Fließgrenze

Die Bestimmung der dynamischen Fließgrenze τF,dyn erfolgt gem. DIN V 4126-100 meist mittels Marsh-Trichter. Dieses Verfahren eignet sich auch f¨ ur Routinemessungen auf der Baustelle, z. B. im Rahmen der Eigen¨ uberwachung. Werte f¨ ur die dynamische Fließgrenze werden von den Produzenten des Bentonitmehls f¨ ur ausgew¨ ahlte Standardrezepturen auf Produktdatenbl¨attern angegeben. Physikalische Grenzwerte sind DIN 4126-100 [43] zu entnehmen. Beispielsweise ist eine Suspension mit τF,dyn = 44 N/m2 so z¨ah, dass die MarshZeit unendlich groß wird (tM → ∞). Bei einer Suspension mit τF,dyn = 57, 5 N/m2 bewegt sich im Marsh-Trichter von Anfang an nichts mehr. Labormessungen erfolgen mittels Marsh-Trichter oder mittels Rotationsviskosimeter [43, 44]. 3.4.2.5

Statische Fließgrenze und momentane statische Scherfestigkeit

Wie beschrieben wird die statische Fließgrenze τF,stat = max τF (t,T ) der Suspension meist erst nach l¨ angerer Vortriebsunterbrechung (z. B. Arbeitswiederaufnahme bei Einschichtbetrieb oder nach Wochenendunterbrechungen) erreicht. Im laufenden Vortrieb ist dagegen die momentane statische Scherfestigkeit τF (t,T ) zu u ¨ berwinden. Die Bestimmung der statischen Scherfestigkeit τF (t,T ) zu einem Zeitpunkt t nach Abschluss der Fließbewegung erfolgt mittels Pendelger¨at oder Kugelharfenger¨at gem. DIN V 4126-100 (siehe Tabelle 3.4). Die Dichten der in der Praxis u ¨ blichen Bentonit-Suspensionen liegen meist zwischen 1,009 t/m3 und 1,070 t/m3 . Die Fließgrenze von Suspensionen dieses Dichtebereichs kann mit Hilfe von DIN V 4126-100, Tabelle 3, Spalten 5 und 6, abgesch¨ atzt werden. Die Dichte der bei Rohrvortrieben standardm¨aßig verwendeten niederviskosen Bentonit-Suspensionen ist nur geringf¨ ugig h¨oher als die reinen Wassers. Dies hat zur Folge, dass die Bentonit-Suspension bei Vortrieben in Grundwasser f¨ uhrenden Schichten nahezu im Schwebzustand verbleibt. 3.4.2.6

Betrieb der Schmiereinrichtung

Die Hauptaspekte eines reibungslosen Betriebes der Schmiereinrichtung sind die Verwendung einer f¨ ur die jeweils vorliegenden geotechnischen Verh¨altnisse geeigneten Bentonit-Suspension, die witterungsgerechte Lagerung des Bentonits, der ausreichend lange Mischvorgang und die Dichtigkeit des Verteilsystems. Mischvorgang und Lagerung: Beim Mischvorgang wird Wasser in das Kornger¨ ust des Bentonits eingelagert und bewirkt den Quellvorgang des Bentonits. F¨ ur das Zugabewasser gelten die gleichen Qualit¨atsanforderungen wie bei Zugabewasser f¨ ur die Betonherstellung gem. DIN 1045. Der Quellvorgang ist relativ zeitintensiv um eine knollenfreie Aufl¨osung des Bentonits im Zugabewasser zu erzielen. Die Geschwindigkeit des Quellvorganges ist auch wesentlich von der Temperatur abh¨angig. Bei hohen Temperaturen

3.4 Schmiermittel

147

Tabelle 3.4. Bestimmung der Fließgrenze τF Bestimmung der statischen Fließgrenze τF,stat mit dem Kugelharfenger¨ at in N/m2 f¨ ur T = 20o C (±1o C) (Standardabweichung unter Vergleichsbedingungen 5 N/m2 ) 1 Nr. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

2

3 Kugel Werk
stoff [mm] Glas 2,9 4,2 5,8 7,6 10,6 15,1 Stahl 4,0 5,0 6,0 7,0

4 Masse [g] 0,033 0,105 0,26 0,60 1,59 4,7 0,26 0,51 0,87 1,39

5

6 7 8 9 10 f¨ ur eine Suspensiondichte ρF [t/m3 ] 1,02 1,07 1,12 1,17 1,22 1,27

1,32

6,9 10,0 13,8 18,1 25,2 35,9 39,8 49,8 59,7 70,0

5,7 8,1 11,2 14,7 20,5 29,2 38,0 47,6 57,0 66,9

6,7 9,7 13,4 17,5 24,4 34,8 39,5 49,5 59,3 69,5

6,5 9,4 12,9 16,9 23,6 33,6 39,2 49,1 58,8 68,9

6,2 9,0 12,5 16,4 22,8 32,5 38,9 48,7 58,4 68,4

6,0 8,7 12,1 15,8 22,0 31,4 38,6 48,4 57,9 67,6

5,8 8,4 11,6 15,2 21,3 30,3 38,3 48,0 57,5 67,4

11

Standard-Bentonit Suspensionen f¨ ur Rohrvortriebe

verk¨ urzt sich der Quellvorgang; bei niedrigen Temperaturen verl¨angert er sich. Bei Frosttemperaturen setzt der Quellvorgang aus. Es kann daher erforderlich sein bei Rohrvortrieben im Winter folgende Vorkehrungen zu treffen: – Zugabewasser vorw¨ armen, – Bentonit frostfrei lagern, ggf. in beheizbarem Silo, – Mischer im Schutze einer Folienumhausung, eines Zelts oder dergleichen betreiben. Wird durch den Mischvorgang keine vollst¨andige Quellung des Bentonits erzielt, so besteht das Risiko von Verstopfern in der Zufuhrleitung infolge des Nachquellens von Bentonit. Außerdem ist bei der Injektion nicht vollst¨andig ausgequollenen Bentonits ein geringerer Schmiereffekt gegeben, mit der Folge h¨ oherer Vorpresskr¨ afte als bei optimalem Schmiereffekt. Kontrolle des Suspensionsdruckes: Von maßgebender Bedeutung f¨ ur den Betrieb der Injektionsanlage ist die Entwicklung des Suspensionsdruckes und der Verbrauchszahlen pro laufenden Meter Vortriebsrohr. Im Fall von Schmiermittelinjektionen sind diese Parameter in Beziehung zu setzen mit der Entwicklung der Vorpresskr¨ afte unter Ber¨ ucksichtigung der zunehmenden ¨ ¨ Vortriebsl¨ ange, m¨ oglichen Anderungen bei Uberschnittmaßen und der Gebirgsbeschaffenheit (dichtes, toniges Gebirge, hohlraumhaltiger Fels oder Kies, Grundwasserstr¨ omung etc.). Absinkende Suspensionsdr¨ ucke sind ein Indiz f¨ ur Suspensionsverluste infolge Wegsickerns im Gebirge oder an Undichtigkeitsstellen im Verteilsystem. Außerdem sind Suspensionsverluste durch Uml¨aufigkeiten an nicht dichtenden

148

3 Ausf¨ uhrung

Vortriebsrohrst¨ oßen, im Bereich des Maschinenrohrs oder im Bereich der Anschlagwand in Betracht zu ziehen. Ansteigende Suspensionsdr¨ ucke deuten auf geschlossene Ventilh¨ ahne oder auf Rohrverstopfer hin.

Bild 3.18. Schema der Ringspaltabdichtung mit Dichtungsringen an einer massiven Anschlagwand

3.4.2.7

Einflussgr¨ oßen f¨ ur den Bedarf an Bentonit-Suspension

Der Schmiermittelbedarf entspricht im Wesentlichen dem von der Schmiermittelsuspension einnehmbaren Hohlraumgehalt in der Umgebung des Vortriebsrohrstranges. Dieser setzt sich im Idealfall zusammen aus dem ¨ Volumen des planm¨ aßigen Uberschnittringspalts u und dem offenen Porenvolumen ¨ des Bodens im Bereich der Eindringtiefe s der Schmiermittel-Suspension. Bei gering durchl¨ assigen B¨ oden, insbesondere bei bindigen B¨oden, ist die Penetration

3.4 Schmiermittel

149

oftmals so gering, dass sich unmittelbar an der Ausbruchwandung eine wenige mm starke Membran aus agglomerierten Bentonitteilchen (sog. Filterkuchen) ¨ als Gleitgrenzfl¨ ache bildet. Im Uberschnittringspalt baut sich der hydrostatische Suspensionsdruck auf. Im Fall von B¨ oden mit offenen Kornger¨ usten bildet sich eine Penetrationszone aus. Die Suspension dringt ein St¨ uck weit in die Kapillaren ein, bis der Injektionsdruck und die von außen wirkenden Kr¨afte (z. B. Kapillarwiderstand, hydrostatischer Druck des Grundwassers) im Gleichgewicht stehen. An dieser Grenzfl¨ ache bildet sich meist ein feststoffreicher Filterkuchen aus, der die Kapillaren des Kornger¨ usts verstopft und eine weitere radiale Ausbreitung der Suspension verhindert. Ein Stillstand der Penetration tritt nur dann ein, wenn das Druckgef¨alle unterhalb des Stagnationsgradienten liegt, der u. a. von der Geometrie des Porenraums, der Gr¨ oße der Bodenpartikel und der Suspensionseigenschaften abh¨ angt. Liegen z. B. infolge von Grundwasserstr¨omungen instation¨are Verh¨altnisse vor, kann es vorkommen, dass sich kein Filterverhalten einstellt und Schmiermittel kontinuierlich weggesp¨ ult wird. Da der Hohlraumgehalt nicht genau bekannt ist, ist eine exakte Vorausbestimmung des Schmiermittelverbrauchs nicht m¨oglich. F¨ ur kalkulatorische Zwecke kann der zu erwartende Schmiermittelverbrauch nur als Sch¨atzwert dargestellt werden, der auf der Grundlage geometrisch bezifferbarer Gr¨oßen und einem auf individuellen Erfahrungen basierenden prozentualen Zuschlag basiert, der den beanspruchten Kapillarraum ber¨ ucksichtigt. Sofern keine genaueren Untersuchungen durchgef¨ uhrt werden, kann bei B¨oden mit einem Porenraumanteil von n = 20 Vol.-% von einem Mehrbedarf an Bentonit-Suspension gegen¨ uber dem Ringspaltvolumen in folgenden Gr¨ oßenordnungen ausgegangen werden: sandig-kiesiger Boden: 0,25 m3 /m2 Ausbruchmantelfl¨ache, sandiger Boden: 0,15 m3 /m2 Ausbruchmantelfl¨ache, lehmiger Boden: 0,05 m3 /m2 Ausbruchmantelfl¨ache. Berechnungsbeispiel: Rohrvortrieb DA 2400 ¨ planm¨ aßiger Uberschnittringspalt u ¨ = 30 mm; Vortriebsl¨ange l = 510 m kontinuierlich lehmiger Boden. (Beim Verbrauch in [m3/lfd. m] ist immer [m3 /lfd.m Vortriebsrohr] gemeint.)

2 V¨u = 0, 11 m3 /lfd. m spezif. RingspaltV¨u = π4 (DA + u ¨) − DA2 volumen: spezif. AusbruchAm = π (DA + u Am = 7, 634 m3 /lfd. m ¨) mantelfl¨ ache: Volumenzuschlag Z = 0, 05 m3 /m2 · Am Z = 0, 382 m3 /lfd. m (lehmiger Boden): Gesamtvolumen der Vges = (V¨u + Z) l Vges = 252, 71 m3 Bentonit-Suspension: Bedarf an Bentonitmehl (gew¨ ahlt: 85 kg mB = 21, 48 t Bentonit pro m3 Suspension): (zuz¨ ugl. Leitungsf¨ ullungen und baubetriebliche Verluste) Nach [185] kann zur Absch¨ atzung der Eindringtiefe s von Bentonit-Suspension in Lockergestein die Beziehung

150

3 Ausf¨ uhrung

s=

d10 · ∆p 2 τF (t,T )

(3.38)

verwendet werden, wobei s Eindringtiefe der Bentonit-Suspension d10 Korndurchmesser, der von 10 M.-% aller K¨orner der betrachteten Bodenschicht im untersuchten Querschnitt unterschritten wird ∆p Differenz zwischen dem Suspensionsdruck im Spalt und dem hydrostatischen Druck des Grundwassers τF (t,T ) momentane statische Scherfestigkeit der Bentonit-Suspension Eine Absch¨ atzung des Schmiermittelbedarfs, die lediglich das Idealvolumen des ¨ Uberschnittringspalts ber¨ ucksichtigt, geht fehl. Selbst bei vollst¨andig in dichtem Ton auszuf¨ uhrenden Rohrvortrieben kann eine solche Absch¨atzung von den tats¨ achlichen Verbrauchszahlen dann um ein Mehrfaches abweichen, wenn infolge einer Schmiermittels¨ attigung“ zeitweise ein Vorpressen ohne jegliche Schmierung ” m¨ oglich ist. Eine vortriebsbegleitende Verbrauchskontrolle ist daher unerl¨asslich. Auf Grund der Unw¨ agbarkeiten bei der Voreinsch¨atzung des Schmiermittelbedarfs wird in Ausschreibungen teilweise gefordert, einen Schmiermittelmehrverbrauch, der einem bestimmten Prozentsatz des ¨ geometrischen Uberschnittvolumens entspricht, in die Vortriebskosten einzurechnen. Mehrverbrauchsmengen auf Grund geologischer Besonderheiten sollten gesondert verg¨ utet werden. Bei Rohrvortrieben durch Fels mit offenen Kl¨ uften oder auf Vortriebstrassen in str¨omendem Grundwasser k¨onnen sich vergleichsweise unauff¨ allig erh¨ ohte, in ung¨ unstigen F¨allen aber auch sehr große Verbrauchsmengen einstellen. 3.4.2.8

Gebirgsbedingte Einflussgr¨ oßen

Instation¨ are Lockergesteinseigenschaften k¨onnen sich bez¨ uglich des Schmiermittelverbrauchs g¨ unstig oder ung¨ unstig auswirken. Ung¨ unstig wirken sich Schichten aus, die u ugen. Wenn die ¨ ber ein merkliches Quellpotential verf¨ Gefahr besteht, dass der Vortrieb festf¨ahrt“, wird als geologisch motivierte ¨ ” Pr¨ aventivmaßnahme meist das Uberprofil vergr¨oßert. Dies kann zu einem erh¨ ohten Schmiermittelverbrauch f¨ uhren. Im Bereich der Festgesteine wirkt sich die Existenz eines durchschnittlichen Kluftsystems weniger stark auf den Schmiermittelverbrauch aus als unplombierte, tiefreichende, breite Spalten, Auslaugungshohlr¨ aume, geologisch bedingte Mehrausbr¨ uche und konzentriert in die Vortriebstrasse tretende Bergwasserstr¨ ome. Bei gegebener L¨angsl¨aufigkeit des Bergwassers entlang der Rohraussenwandung kann ein Schmiermittelfilm u ¨ ber eine gr¨ oßere Vortriebsstrecke stets von neuem abgesp¨ ult werden. Wird eine hohlraumhaltige Zone nur auf einer begrenzten Teilstrecke durchfahren, kann es im Einzelfall wirtschaftlicher sein, vor¨ ubergehend einen stark erh¨ ohten Schmiermittelverbrauch in Kauf zu nehmen, als die Hohlr¨aume in einem gesonderten Arbeitsgang zu verschließen. H¨ aufig ist festzustellen, dass sich bei Rohrvortrieben vorwiegend in standfesten Lockergesteinen und in dichten Festgesteinen ein Schmiermittelfilm nur in der

3.4 Schmiermittel

151

unteren H¨ alfte des Rohrquerschnittes ausbildet. Oftmals l¨auft das Injektionsgut aus den Injektionsstutzen in der oberen H¨ alfte des Rohrquerschnitts entlang ¨ des Rohraußenmantels lediglich nach unten ab, so dass der Uberschnittringspalt ¨ oben frei bleibt. Es entsteht eine Teilf¨ ullung des Uberschnittringspalts. Eine Ausspiegelung der Schmiermittel-Suspension, die auch den Bereich der Rohrfirste mit erfasst, ist im Fall einer dominierenden radialen Durchl¨assigkeit des umgebenden Gebirges selten zu beobachten. 3.4.2.9

Baubetriebliche Einflussgr¨ oßen

Die baubetrieblichen Einflussgr¨ oßen auf den Schmiermittelverbrauch beziehen sich teilweise ebenfalls auf das geschaffene Hohlraumvolumen und teilweise auf ¨ technologische Maßnahmen. Wie vorerw¨ ahnt, ist ein Uberschnittringspalt, in den das Schmiermittel eingebracht werden kann, verfahrensbedingt notwendig. Die Spaltweite betr¨ agt meist 15 mm–35 mm. Bei Bogentrassen kann zum Ausschwenken ¨ des Schildschwanzes ein zus¨ atzlicher radialer Uberschnitt erforderlich sein. Der ¨ Uberschnittringspalt wird bei Vortriebsrohren mit Kreisquerschnitt h¨aufig als Kreisringzylinder idealisiert. Meist schleift der Vortriebsrohrstrang jedoch u ¨ ber bzw. in die Ausbruchsohle ein. Der hierbei entstehende Fehler ist gegen¨ uber m¨oglichen anderen Unw¨ agbarkeiten gering. Die Auswirkung baubetrieblich ¨ verursachter Uberprofile auf den Schmiermittelverbrauch ist im Einzelfall zu bewerten. Durch eine den wechselnden Gebirgsverh¨altnissen angepasste flexible Schmiertechnik, durch laufende Kontrollen des Schmiermittelverbrauchs, der Pressenkr¨ afte und des Verteilsystems auf Undichtigkeiten k¨onnen sowohl mit manueller als auch mit automatisierter Injektionsausr¨ ustung wirtschaftliche Verbrauchszahlen erreicht werden. Eine getaktete Schmiermittelinjektion kann gegen¨ uber einer Injektionstechnik mit st¨ arker kontinuierlicher Charakteristik hinsichtlich der Verbrauchszahlen vorteilhaft sein. Ferner k¨ onnen durch geschickt gew¨ ahlte Schmiermittelviskosit¨aten und unter Ausnutzung der Filterwirkung die Verbrauchsmengen an SchmiermittelSuspension in offenen Grobkornger¨ usten begrenzt werden. Der Erfolg dieser Vorgehensweise h¨ angt davon ab, ob eine rasche Verstopfung des Kornger¨ usts (Kolmatation) mit kleinem Wert s herbeigef¨ uhrt werden kann. Zu diesem Zweck empfiehlt es sich, eine hochviskose Bentonit- oder Dichtungston-Suspension unmittelbar hinter der Vortriebsmaschine zum Verkitten der Hohlr¨aume des Kornger¨ usts nahe der Ausbruchlaibung und eine niederviskose Bentonit-Suspension als Gleitmittel der nachfolgenden Rohrkolonne einzusetzen. Diese Vorgehensweise setzt den Parallelbetrieb zweier unabh¨ angiger Misch- und Verteilsysteme zum Schmieren voraus. Dies ist allerdings auch dann erforderlich, wenn Rohrvortriebe unter Anwendung von Slurry-Schilden und/oder hydraulischer Fr¨asgutf¨orderung ausgef¨ uhrt werden. In beiden F¨ allen sollten die Verbrauchszahlen f¨ ur die einzelnen Anwendungszwecke getrennt erfasst werden, da in der Regel nur so eine zuverl¨assige Vortriebs¨ uberwachung gew¨ ahrleistet ist.

152

3 Ausf¨ uhrung

Eine weitere M¨ oglichkeit zur Begrenzung des Schmiermittelverbrauchs ist die Anwendung abdichtender Vorausinjektionen.

3.5

Verd¨ ammung

3.5.1

Zweck und Anwendung des Verd¨ ammens

Beim Verd¨ ammen wird ein meist hydraulisch aush¨artendes Bindemittel in Form einer Suspension in den rohrstollennahen Baugrund oder in das Innere des Vortriebsrohrstranges eingebracht. Die Hauptanwendungsgebiete des Verd¨ammens sind: – Baugrundinjektionen, meist zur Verminderung der Durchl¨assigkeit oder zur Erh¨ ohung der Standsicherheit der Ortsbrust zeitlich vor dem Vortrieb oder vortriebsbegleitend (siehe 3.2.1), – Ringspalt-Verd¨ ammungen nach Vortriebsende zwischen Gebirge und ¨ Vortriebsrohrstrang (Außere Ringspalt-Verd¨ammungen), – Ringspalt-Verd¨ ammungen nach Vortriebsende zwischen Vortriebsrohrstrang und Medienrohrstrang (Innere Ringspalt-Verd¨ammungen), – Verf¨ ullung gr¨ oßerer Einzelhohlr¨ aume im Trassenbereich (Spalten, offene Kl¨ ufte, Althohlr¨ aume), – Verd¨ ammungen zu Versatzzwecken nach Nutzungsende. Der Schwerpunkt der nachfolgenden Ausf¨ uhrungen betrifft den Bereich der Ringspalt-Verd¨ ammungen zwischen Gebirge und Vortriebsrohrstrang. In diesem Anwendungsfall wird die zum Verd¨ammen vorgesehene Suspension u ¨ ber ein Verteilsystem bestehend aus Speiseleitung, Leitungsabzweigen und Injektionsstutzen gef¨ ordert und in den außerhalb des Vortriebsrohrstranges gelegenen Ringspalt injiziert. Angrenzende Hohlr¨aume, z. B. offene Kl¨ ufte oder Spalten werden im Regelfall automatisch mit verf¨ ullt, sofern diese nicht vorab plombiert wurden. Zur Ausf¨ uhrung der Verd¨ammarbeiten kann die sinngem¨aße Anwendung von DIN 4093 [38] und DIN 18309 [76] vereinbart werden. Die Aufgaben der Ringspalt-Verd¨ammung zwischen Gebirge und Vortriebsrohrstrang sind: – Definitive Verf¨ ullung (Versatz) vortriebsbedingter Hohlr¨aume. Hierdurch werden Nachsackungen, die ggf. andere bauliche Anlagen beeintr¨achtigen (z. B. Kabelund Rohrtrassen, Tonabdichtungen usw.) oder sich bis zur Gel¨andeoberfl¨ache auswirken und dort Setzungen verursachen k¨onnten, weitgehend vermieden. – Unterdr¨ uckung der Wasserl¨ angsl¨ aufigkeit entlang der RohrstollenAußenwandung, – Verbesserung der Rohrbettung nach Abschluss der Vortriebsarbeiten, insbesondere in hartem Fels und damit Verhinderung von Punkt-/ Linienlagerung der Rohre, deren Bewehrung im Regelfall nicht f¨ ur diese Lagerungsart bemessen worden ist,

3.5 Verd¨ ammung

153

– Milderung von Bettungsspr¨ ungen an Rohr¨ uberg¨angen in den Grenzbereichen Lockergestein/Fels bzw. m¨ urber Fels/harter Fels. Aus geotechnischen Gr¨ unden ist eine ¨ außere Ringspalt-Verd¨ammung von Vortriebsstollen im Lockergestein nur fallweise erforderlich. Eine ¨außere RingspaltVerd¨ ammung von Vortriebsstollen in Festgestein ist aus geotechnischen Gr¨ unden dagegen fast immer angezeigt und als Stand der Technik zu bezeichnen. Die Forderung nach einer ¨ außeren Ringspalt-Verd¨ammung kann sich dar¨ uber hinaus aus wasserrechtlichen Auflagen zum Durchpressungsvorhaben ergeben. Meist zielt eine solche Auflage auf die Unterbindung der Wasserl¨angsl¨aufigkeit im Bereich des Rohraußenmantels ab. Wenn ein Vortriebsrohrstrang durch Schichten verl¨auft, in denen bereits vor der Durchpressungsmaßnahme Grundwasser zirkulierte, ist im Regelfall auch keine Unterbindung der Wasserl¨ angsl¨ aufigkeit erforderlich. Ist eine RingspaltVerd¨ ammung in st¨ arker Grundwasser f¨ uhrenden Schichten dennoch erforderlich (z. B. zur verbesserten Elementbettung), so sollte diese m¨oglichst bei außen nicht eingestautem Rohrstollen vorgenommen werden.

3.5.2

Mineralische Verd¨ ammstoffe

3.5.2.1

Allgemeines

F¨ ur die weitaus meisten Anwendungsf¨ alle sind folgende Eigenschaften der hydraulisch abbindenden Verd¨ ammstoffe von maßgebender Bedeutung: – – – –

geringes Schwindmaß, abdichtende Wirkung, Erosionsbest¨ andigkeit nach Aush¨ artung, geringe Filtratwasserabgabe.

Dieses Anforderungsprofil kann wirtschaftlich durch mineralische Verd¨ ammstoffe erf¨ ullt werden. F¨ ur Ringspaltverpressungen bei Rohrvortrieben werden daher vorwiegend Verd¨ ammstoff-Suspensionen verwendet. Die erzielbare Festigkeit (zu Grunde gelegt wird meist die Festigkeit an Prismen (4 cm × 4 cm × 16 cm) nach 28 Tagen tritt demgegen¨ uber meist in den Hintergrund. Im Allgemeinen wird die Filtratwasserabgabe nach 24 Stunden als Beurteilungskriterium f¨ ur die Stabilit¨ at von Verd¨ammstoff-Suspensionen herangezogen. Bei Ringspaltverpressungen sollten Verd¨ammstoff-Suspensionen verwendet werden, bei denen die Filtratwasserabgabe nach 24 Stunden im Standgef¨ aß weniger als 1 Vol.-% betr¨ agt. Soll einer Verd¨ ammung planm¨ aßig eine statische Dauerbeanspruchung zugeordnet werden, was z. B. teilweise im Fall eines Hohlraumversatzes zutrifft, ist zu pr¨ ufen, ob hierf¨ ur die von u ¨ blichen mineralischen Verd¨ammstoffen erreichten Festigkeiten ausreichen oder ob der Einsatz einer Zement-Suspension mit h¨oherer Endfestigkeit notwendig ist.

154

3 Ausf¨ uhrung

Die physikalischen Eigenschaften einer Verd¨ammstoff-Suspension (z. B. Viskosit¨ at, Rohdichte, Filtratwasserabgabe nach 24 Stunden und bei Erstarrungsbeginn) und des erh¨ arteten Verd¨ammstoffs (Feststoffdichte, 28Tage-Druckfestigkeit) werden maßgebend vom Wasser-Bindemittel-Verh¨altnis (W/B-Wert) beeinflusst. Im Hinblick auf die oftmals mehrere hundert Meter betragenden F¨ orderweiten der Verd¨ ammstoff-Suspension in Speiseleitungen ist die Viskosit¨ at einer Suspension ein maßgebender Parameter. Je steifer die Viskosit¨at eingestellt wird, desto schwieriger wird es, die Suspension u ¨ ber große Distanzen vorzupressen. Mit zunehmendem Wasseranteil steigt die Filtratwasserabgabe und verl¨angert sich die Zeit bis zum Erstarrungsbeginn. Die Viskosit¨at der Suspension reduziert sich entsprechend, wodurch eine erleichterte Rohrf¨orderung und Injektion m¨oglich ist. Andererseits nehmen mit zunehmendem Wasseranteil die Suspensionsdichte sowie die Rohdichte und die 28-Tage-Druckfestigkeit des erh¨ arteten Verd¨ ammstoffs ab. Ist eine steife Viskosit¨at der Verd¨ammstoffSuspension erforderlich, z. B. in Kiesen mit offenem Kornger¨ ust oder in kl¨ uftigem Fels zur Begrenzung der Verpressgutmenge, werden in begehbaren Rohrstollen oftmals rohrg¨ angige Kleinmischer eingesetzt. Hierdurch kann der F¨orderweg der Suspension im Schlauch vom Mischer bis zum Injektionsstutzen meist auf ein Maß kleiner der Rohrnennweite reduziert werden. Da die Ausbringung entsprechend des Mischervolumens gering ist, h¨aufig umgesetzt werden muss und alle Mischungsbestandteile in den Rohrstrang zu transportieren sind, ist diese Vorgehensweise nur in Sonderf¨ allen wirtschaftlich. Bei Vorliegen besonderer Randbedingungen sollte die Eignung eines bestimmten Verd¨ ammstoffs durch Eignungsversuche abgekl¨art bzw. vom Hersteller best¨atigt werden. Besondere Randbedingungen liegen etwa bei einem geplanten Einsatz des Verd¨ ammstoffs in Einflussbereich von stark belasteten Grundw¨assern oder Deponiesickerw¨ assern vor. Beispielsweise kann durch L¨osungsmittel (Toluole etc.) oder durch Sulfate beim Einsatz in gipshaltigen B¨oden die Hydratation beeintr¨ achtigt werden. 3.5.2.2

Produktspezifische Eigenschaften

Mineralische Verd¨ ammstoffe sind Gemische von Zement mit mineralischen Beimengungen, wie Ton- und Gesteinsmehlen sowie Flugaschen, und dgl. Der pHWert in der Gr¨ oßenordnung von 12 liegt weit im alkalischen Bereich, so dass der Korrosionsschutz auf Stahl und Grauguss gew¨ahrleistet ist. Mineralische Verd¨ ammstoffe sind in Qualit¨aten mit und ohne Pr¨ ufzeugnis erh¨ altlich. Bei gew¨ ohnlichen geotechnischen Randbedingungen gen¨ ugt die Verwendung von mineralischen Verd¨ ammstoffen ohne Pr¨ ufzeugnis. F¨ ur verschiedene Anwendungsgebiete werden verschiedene Standardsorten mineralischer Verd¨ ammstoffe produziert, z. B. – f¨ ur den Einsatz in Wasserschutzzonen, – mit fr¨ uhfesten Eigenschaften, – mit besonderen Fließeigenschaften,

3.5 Verd¨ ammung

– – – –

155

mit besonderen Abbindeeigenschaften, f¨ ur besonders kraftschl¨ ussige Verf¨ ullungen, mit geringer Rohdichte, mit hoher Sulfatbest¨ andigkeit.

Dar¨ uber hinaus werden mineralische Verd¨ ammstoffe mit projektspezifischen Eigenschaften entwickelt. Im Regelfall werden Verd¨ ammstoff-Suspensionen f¨ ur Ringspaltverpressungen mit W/B-Werten (Wasser-Bindemittel-Verh¨ altnis der Massen) in der Gr¨oßenordnung von 0,65–0,85 gemischt. Die Suspensionsdichten dieser Mischungen liegen etwa zwischen 1,5 t/m3 und 1,65 t/m3 . In Ausschreibungen wird gelegentlich gefordert, dass der erh¨artete Verd¨ ammstoff nach 28 Tagen eine Prismendruckfestigkeit von mindestens 1 MPa2 bzw. 2 MPa haben muss. Diese Forderung zielt meist auf die Feststellung ab, dass mit einer Festigkeit von 1 MPa in der Regel auch eine ausreichende Erosionsstabilit¨ at verbunden ist. Diese Festigkeit l¨asst sich mit u ¨ blichen Rezepturen oftmals um ein Vielfaches u ¨ bertreffen. Im Ringspalt zwischen Rohr und Gebirge vermischt sich die Verd¨ammstoffSuspension teilweise mit dem dort noch vorhandenen Bentonitgel sowie mit Gesteinspartikeln zu einem in unterschiedlichem Maße heterogenen F¨ ullstoff. Mit neueren Produktentwicklungen wird danach gestrebt, die Gleitmitteleigenschaften von Bentonit-Suspensionen und die st¨ utzenden Eigenschaften hydraulisch abbindender Verd¨ ammstoff-Suspensionen in einem Produkt zu vereinen. Hierdurch sollen der herk¨ ommliche Verd¨ ammstoff und der Arbeitsgang der Schlussverd¨ ammung eingespart werden. F¨ ur den Bereich der Horizontalbohrtechnik und des Microtunneling sind Produkte am Markt, die sich etwa 14 Tage lang im fl¨ ussigen Zustand halten lassen, um dann allm¨ahlich die Festigkeit von Boden anzunehmen. F¨ ur Rohrvortriebe mit einer reinen Vortriebsdauer von mehreren Monaten ist eine auf 14 Tage befristete Fl¨ ussig-Phase (Liquidus-Phase) nicht ausreichend. Verd¨ ammstoffe werden als Sack- oder als Siloware auf die Baustelle geliefert. Verd¨ ammstoffe werden von verschiedenen Zementwerken hergestellt. Eine Auswahl enth¨ alt Tabelle 3.5

Tabelle 3.5. Hersteller und Handelsnamen von Verd¨ ammstoffen Hersteller Anneliese BUT GmbH & Co. KG, Ennigerloh Dyckerhoff Zement GmbH, G¨ ollheim E. Schwenk KG, Ulm Holcim GmbH, Dotternhausen

Handelsname D¨ ammer (siehe auch [174]) D¨ ammer F¨ ullbinder Doroflow, Dorodur

Das Mischen, das F¨ ordern und das Injizieren der Verd¨ammstoff-Suspension wird meist mit der selben Einrichtung vorgenommen, wie bei der Bentonit- Suspension. 2

1 MPa ≡ 1 N/mm2 ≡ 1 MN/m2

156

3.5.3

3 Ausf¨ uhrung

Technologie der Verd¨ ammung des ¨ außeren Ringspalts

Die Verd¨ ammung des a uhrt, wenn der ¨ußeren Ringspalts wird ausgef¨ Vortriebsrohrstrang seine Endlage erreicht hat und die Dehnerringspalte, soweit erforderlich, zusammengeschoben wurden. Vor der Verd¨ammung sollten zun¨achst die Ringspaltfugen im Bereich der Durchdringungen zu Start- und Zielgrube und zu Zwischensch¨ achten auf Dichtheit u uft und ggf. nachgedichtet werden. Die ¨ berpr¨ Nachdichtung kann mit den in 3.4.2 erw¨ ahnten Methoden oder durch Zuspritzen mit Spritzbeton erfolgen. Gegebenenfalls sind Entl¨ uftungsschl¨auche an geeigneten Stellen mit einzubauen. Im Regelfall wird die Verd¨ ammung entlang eines Rohrstollens abschnittweise vom geod¨ atisch am tiefsten liegenden Querschnitt kontinuierlich steigend ausgef¨ uhrt. Der Suspensionsspiegel steigt im Ringspalt an und schiebt die verdr¨ angte Luft vor sich her. Wegen des steigenden Suspensionsspiegels wird Injektionsgut meist nur durch die Firstinjektionsstutzen eingebracht. Das Einpressen der Suspension sollte jeweils nur durch ein oder durch wenige Injektionsrohre gleichzeitig vorgenommen werden, da sich sonst leicht Luftpolstereinschl¨ usse bilden k¨ onnen. Da der Suspensionsspiegel bei gering geneigten Rohrstollen stets die Außenwandung mehrerer Vortriebsrohre benetzt, k¨ onnen die nicht zur Injektion verwendeten, im unteren Teil des Rohrquerschnitts gelegenen Stutzen in der N¨ ahe befindlicher Injektionsrohre zur Kontrolle des Suspensionsspiegels und zur Entl¨ uftung verwendet werden, sofern der Vortriebsrohrstrang nicht außen nennenswert von Grundwasser eingestaut ist.

Das Verd¨ ammen erfolgt steigend von rechts nach links außerhalb des Vortriebsrohrstrangs. Durch die Injektionsstutzen wird einzeln in der Reihenfolge i, i + 1, i + 2 usw. verpresst, ggf. bis zu einem jeweils geod¨ atisch geeigneten Injektionsstutzen Suspension in das Stolleninnern tritt (Kontrollventil) Bild 3.19. Prinzipskizze zur ¨ außeren Ringspalt-Verd¨ ammung

3.5 Verd¨ ammung

157

Bei Anwesenheit von Grundwasser ist oftmals nicht auszuschließen, dass die Verd¨ ammstoff-Suspension verw¨ assert. Liegt str¨omendes Grundwasser vor, so ist damit zu rechnen, dass die Suspension seitlich bzw. in L¨angsrichtung weggesp¨ ult wird. Der Suspensionsdruck wird meist an der Verpresspumpe gemessen und liegt in der Gr¨ oßenordnung von 1 bar – 5 bar. Der maximale Suspensionsdruck im Ringspalt richtet sich nach dem Abdichtungsdruck der Prim¨ardichtungen der Vortriebsrohre. 3.5.3.1

¨ ußere Ringspalt-Verd¨ A ammung in hohlraumreichem Baugrund

Bei ¨ außeren Ringspalt-Verd¨ ammungen in hohlraumreichem Baugrund wird meist ein rasches Ansteifen der Verd¨ ammstoff-Suspension verlangt, sobald die Suspension in den Ringspalt gelangt ist. Die Suspension soll sich jedoch im Fall einer station¨ aren Mischeinrichtung u ¨ ber F¨orderstrecken, die in hohem Maße variieren, problemlos pumpen lassen. Ein Ansteifen darf auch bei der gr¨oßten notwendigen F¨ orderzeit nicht bereits im Verteilsystem auftreten. Da hierbei teilweise gegens¨atzliche Suspensionseigenschaften angesprochen werden, sind bez¨ uglich der Verd¨ ammstoffauswahl und des Injektionsablaufs projektspezifisch Priorit¨ aten zu setzen. Die bauseitigen Regelgr¨ oßen bestehen im Wesentlichen in der Wahl der Verd¨ ammstoffsorte, in der Wahl einer station¨aren oder einer innerhalb des Rohrstrangs mobilen Mischeinrichtung und in der Steuerung von W/B-Wert und Suspensionsdruck. Bei der Ringspalt-Verd¨ ammung stark hohlraumhaltigen Baugrunds kann es in Analogie zur M¨oglichkeit der Schmierung mit unterschiedlich viskosen BentonitSuspensionen (siehe 3.4.2) wirtschaftlich sein, den Verd¨ammvorgang in eine Erstinjektion und eine Nachinjektion zu gliedern. Bei der Erstinjektion werden mit Hilfe eines beschleunigt abbindenden Verd¨ ammstoffs in erster Linie vorhandene Hohlr¨ aume verf¨ ullt oder u uckt und die Durchl¨assigkeit des ¨außeren Ringspalts ¨ berbr¨ zur Seite des Gebirges maßgebend reduziert. Die Nachinjektion mit einem Standard-Verd¨ ammstoff dient der Verf¨ ullung der Restkubatur des ¨außeren Ringspalts. Beschleunigt abbindende Verd¨ ammstoffe werden von einzelnen Herstellern als Listenware gef¨ uhrt. Teilweise ist es jedoch erforderlich Sondermischungen einzusetzen, deren Abbindeeigenschaften auf projektspezifische Gegebenheiten optimiert wurden. Die Ansteifzeit von mineralischem Verd¨ ammstoff kann durch den Zusatz eines mineralischen Erstarrungsbeschleunigers in Form von Tonerdeschmelzzement reduziert werden. Es ist zweckm¨ aßig, den erforderlichen Anteil an Tonerdeschmelzzement in einem Bindemittellabor bestimmen und vom Zementwerk in die Trockensubstanz einmischen zu lassen. Tonerdeschmelzzement ist zwar preiswert und effizient um eine schnelle Erstarrung herbeizuf¨ uhren, er darf in Deutschland wegen des unzul¨ anglichen Korrosionsschutzes von Stahl jedoch nicht f¨ ur tragende Bauteile eingesetzt werden.

158

3 Ausf¨ uhrung ¨ Außere Ringspaltverd¨ ammung bei einem Vortriebsrohrstrang nach Abschluss der Vortriebsarbeiten. Die Speiseleitung liegt frei auf der Rohrsohle auf. Die Injektion erfolgt jeweils nur ¨ uber die Firstinjektionsstutzen. Zur Kontrolle der Ausspiegelung der Verd¨ ammstoffSuspension am Rohraußenmantel und zur Entl¨ uftung werden die Ventile der unten liegenden Injektionsstutzen der Vortriebsrohre, die geod¨ atisch h¨ oher liegen, ge¨ offnet.

Foto: T. Br¨autigam, Stuttgart ¨ Bild 3.20. Außere Ringspaltverd¨ ammung

Wichtige Parameter bei der Einstellung der Verd¨ammstoff-TonerdeschmelzzementRezeptur sind: – die F¨ orderwege der Suspension, – die vorgesehene Spannbreite der W/B-Verh¨altnisse der Suspension, – bei der Plombierung von Felskl¨ uften die zu u uckenden Kluftweiten und die ¨ berbr¨ zeitliche Frist bis zu einer ggf. vorgesehenen Nachinjektion.

3.6 Rohrvortriebe unter Druckluftbedingungen

159

Durchlaufzeiten durch den Marsh-Trichter (Marsh-Zeit) und Abbindezeiten bei verschiedenen prozentualen Zus¨ atzen von Tonerdeschmelzzement (TSZ) als Erstarrungsbeschleuniger zu einem Standard-Verd¨ ammstoff Bild 3.21. Wirkung von Tonerdeschmelzzement als Zusatz zu einem StandardVerd¨ ammstoff (Beispiel)

3.6

Rohrvortriebe unter Druckluftbedingungen

3.6.1

Allgemeines

Rohrvortriebe im Bereich des Grundwassers werden h¨aufig mit Hilfe des Druckluftverfahrens“ ausgef¨ uhrt. Hierbei wird in den Vortriebsrohrstrang ”

160

3 Ausf¨ uhrung

komprimierte Luft eingeleitet. Der Luftdruck wird dabei in der Regel mindestens so groß gew¨ ahlt, dass er dem hydrostatischen Druck des an der Rohrortsbrust hereindr¨ angenden Grundwassers das Gleichgewicht h¨alt. Infolge der Druckluftbeaufschlagung kommt zur Wasserverdr¨angung. Hierdurch entsteht ein Abbauraum der trocken ist oder nur noch wenig Wasser enth¨alt. Die Rohrortsbrust wird bei gering durchl¨ assigem Boden stabilisiert. Zus¨atzlich nimmt h¨aufig die scheinbare“ Scherfestigkeit zu, da der S¨ attigungsgrad des Bodens ab- und somit ” die scheinbare Koh¨ asion zunimmt. Eine Aufnahme des Erddrucks durch Druckluft ist dagegen nicht m¨ oglich. Maßgebende Einrichtungen bei Druckluftvortrieben sind die unter Luft¨ uberdruck stehende Arbeitskammer und die im r¨ uckw¨artigen Bereich befindliche Personen-/Materialschleuse. Der Aufenthalt in Druckluft ist sicherheitstechnisch besonders zu u ¨ berwachen. Als Druckluft im Sinne der ¨ Druckluftverordung ([131], § 2) gilt Luft mit einem Uberdruck von mehr als 0,1 bar. Dies entspricht einem Druck von > 1 m Wassers¨aule. Es ist zu unterscheiden zwischen bemannten und unbemannten Druckluftvortrieben. Bei den bemannten Druckluftvortrieben gibt es solche, bei denen sich die Mineure selbst planm¨ aßig in der Arbeitskammer aufhalten und solche Vortriebe, bei denen sich die Mineure nur in Ausnahmef¨allen (z. B. zum Werkzeugwechsel oder zur Hindernisbeseitigung) in die Arbeitskammer begeben m¨ ussen. Unbemannte Vortriebe unter Druckluftbedingungen sind z. B. solche im nicht begehbaren Durchmesserbereich. In Druckluft von > 3,6 bar d¨ urfen Arbeitnehmer nicht besch¨ aftigt werden ([131], § 9 ). In einem Ausnahmefall [175] wurden Arbeiten beim Aufenthalt in Dr¨ ucken von maximal 3,8 bar genehmigt. In unbemannten Arbeitskammern werden teilweise deutlich h¨ohere Luftdr¨ ucke aufgebracht (z. B. bei der Unterfahrung der Westerschelde in Holland ca. 6,5 bar). Die Konstruktionsh¨ ohe von Personenschleusen muss mindestens 1,6 m ([131], Anhang 1) betragen und ein Luftvolumen von 0,75 m3 pro Person aufweisen. Der lichte Mindestdurchmesser f¨ ur bemannte Druckluftvortriebe mit Personal in der Arbeitskammer liegt damit bei DN 1600. Im r¨ uckw¨artigen Bereich hinter der Schleuse herrscht atmosph¨ arischer Druck. Im Nennweitenbereich DN 1200 bis DN 1600 kann die Arbeitskammer durch eine station¨ are Schachtschleuse begrenzt werden. In diesem Fall steht der gesamte Vortriebsrohrstrang unter Luft¨ uberdruck. Auch bei gr¨oßeren Nennweiten sind Schachtschleusen als Alternative zu mitfahrenden Schleusen m¨oglich, aber wegen des damit verbundenen Mehraufwandes meist unwirtschaftlich. Beispielsweise muss im Fall einer Schachtschleuse jedes Vortriebsrohr eingeschleust werden. Zudem ist die Anzahl der Stellen m¨ oglicher Luftverluste ungleich gr¨oßer. Das große Druckluftvolumen bei einer Druckbeaufschlagung des gesamten Rohrstrangs stellt aber auch eine Sicherheitsreserve bei Druckverlusten dar.

3.6 Rohrvortriebe unter Druckluftbedingungen

161

Foto: H. Bramm GmbH, Vaihingen/Enz Mitfahrende Schleusen (z. B. mit Schleusen-DN 1800) k¨ onnen in Vortriebsrohre beliebiger Nennweite und Querschnittsform eingebaut werden, sofern der Schleusenaußendurchmesser kleiner ist als der des Inkreises des Vortriebsrohrquerschnitts. Der Ringspalt muss jedoch gegen Druckluft dicht verschlossen werden ¨ Bild 3.22. Druckluftschleuse im Einbauzustand (DN 2600), Ubergang zum Rohrstrang

162

3 Ausf¨ uhrung

Foto: H. Bramm GmbH, Vaihingen/Enz Bild 3.23. Druckluftschleuse im Einbauzustand (DN 2600), Raum f¨ ur die Maschine

3.6 Rohrvortriebe unter Druckluftbedingungen

3.6.2

163

Hauptanwendungsgebiete

Die Druckluftbeaufschlagung des Abbauraums zur Wasserhaltung konkurriert teilweise mit anderen Wasserhaltungsverfahren oder wird mit diesen kombiniert. Eine Kombination aus Druckluft- und anderen Wasserhaltungsverfahren ist insbesondere dann zu erw¨ agen, wenn dadurch eine signifikante Luftdruckreduzierung erzielt werden kann. Bei Vorliegen bestimmter ¨ außerer Randbedingungen kommt oftmals vorrangig ein Rohrvortrieb unter Anwendung des Druckluftverfahrens in Betracht. Hierzu geh¨ oren: – Rohrvortriebe an Standorten, wo eine Entw¨ asserung aus verschiedenen Gr¨ unden (Absenktrichter, Kontaminationen, Wasserschutzgebiete etc.) nicht vorgenommen werden kann. Vorrangig bedeutsam sind hierbei Vortriebe in Bereichen, wo auf Grund des Setzungsrisikos eine Grundwasserabsenkung ausscheidet. – Rohrvortriebe mit einer Unterfahrung gr¨ oßerer offener Gew¨asser. – Rohrvortriebe, bei denen der Grundwasserstand oberhalb der Rohrfirste liegt. – Rohrvortriebe in B¨ oden, die f¨ ur eine Schwerkraftentw¨asserung nur bedingt geeignet sind (z. B. schlammige und zum Fließen tendierende B¨oden). Liegt der Grundwasserstand innerhalb oder weniger als ca. 0,5 m oberhalb des Ausbruchquerschnitts, dann entweicht die Druckluft nahezu ungehindert u ¨ber den grundwasserfreien Porenraum nach oben. Der Druckluftverbrauch ist entsprechend hoch und ggf. mit den installierten Drucklufterzeugern nicht zu decken. Um dieses Ph¨ anomen zu vermeiden, sind zus¨atzliche Aufwendungen f¨ ur die Abdichtung erforderlich. Als Abdichtung eignen sich meist Injektionsschirme, die nach Bedarf von der Vortriebsmaschine oder von der Gel¨andeoberfl¨ache aus herstellbar sind. Bei Grundwasserspiegeln innerhalb des geod¨atischen Niveaus der Rohrtrasse sollte daher anhand der Umgebungsrandbedingungen gepr¨ uft werden, ob der Rohrvortrieb mit einer konventionellen Wasserhaltung wirtschaftlicher ausgef¨ uhrt werden kann.

3.6.3

Baugrund und technische Einsatzgrenzen

Die Eignung der verschiedenen Bodenarten f¨ ur Rohrvortriebe unter Druckluftbedingungen ist sehr unterschiedlich. Das Hauptkriterium f¨ ur die Eignung und die Wirtschaftlichkeit eines Druckluftvortriebes ist die Luftdurchl¨assigkeit kL der zu durchfahrenden und der u ¨ berlagernden Schichten. Bei einer ausgepr¨agten Luftdurchl¨ assigkeit des Bodens stellen sich entsprechend große Druckverluste ein, die durch Nachf¨ orderung von Druckluft kompensiert werden m¨ ussen. Die Parameter Luftdurchl¨ assigkeit kL und Wasserdurchl¨assigkeit kf eines Bodens korrespondieren im Allgemeinen und sind u. a. von der Porosit¨at und der Kornverteilung abh¨ angig. Entsprechend sind rollige, unverkittete, locker gelagerte, koh¨ asionslose B¨ oden f¨ ur Druckluftvortriebe ung¨ unstig, Tonb¨oden dagegen g¨ unstig.

164

3 Ausf¨ uhrung

Sofern keine genaueren Untersuchungen vorgenommen werden, wird f¨ ur Vordimensionierungen von Druckluftanlagen der Ansatz kL ≈ 70 · kf verwendet. Dimensionierungswerte f¨ ur die Durchl¨assigkeit sollten vorzugsweise auf der Grundlage von in-situ-Versuchen ermittelt werden, bei denen Druckluft u ¨ber Bohrungen eingebracht und mit Hilfe von Piezometern das Luftstr¨ omungsfeld ermittelt wird. Pumpversuche k¨onnen erg¨anzende Hinweise liefern. Aus Maßstabsgr¨ unden und auf Grund der r¨aumlichen Komplexit¨at sollte eine Dimensionierung von Druckluftanlagen allein auf der Grundlage der Durchl¨ assigkeit von Laborproben vermieden werden. Die baupraktische Grenze f¨ ur bemannte Rohrvortriebe unter Druckluftbedingungen liegt in der Gr¨ oßenordnung von kf ≈ 2 · 10−3 m/s. Dies entspricht der Durchl¨ assigkeit von kiesigen Sanden. Aus Arbeitschutzgr¨ unden darf die erforderliche Luftstromgeschwindigkeit bei bemannten Vortrieben 6 m/s nicht u oden, die eine st¨ arkere Durchl¨assigkeit aufweisen, sind f¨ ur ¨berschreiten. B¨ Drucklufthaltungen ung¨ unstig und vorab, z. B. durch entsprechende Injektionen, abzudichten. Im Rahmen der Ermittlung der Eingangsgr¨oßen f¨ ur die Dimensionierung einer Drucklufthaltung ist dar¨ uber hinaus unter anderem zu kl¨aren, ob – bei geschichteten B¨ oden in horizontaler und in vertikaler Richtung unterschiedliche Durchl¨ assigkeiten vorliegen k¨onnen (Durchl¨assigkeitsanisotropie) und somit ein anderer als der Luftpfad mit dem geometrisch k¨ urzesten Abstand zur GOK f¨ ur die Dimensionierung maßgebend wird. – entsprechend der Druckverluste an der Ortsbrust der Boden dazu tendiert aufzulockern bzw. aufzureißen und sich dadurch die Luftdurchl¨assigkeit erh¨oht (instation¨are kL-Werte). – Druckverluste auf Grund benachbarter undichter Kan¨ale, Keller, Tiefgaragen, unzureichend abgedichteter Erkundungsbohrl¨ocher etc. zu bef¨ urchten sind. Vorbereitend sind entsprechende Abdichtungsmaßnahmen vorzunehmen, z. B. durch Einpressen von Ton- Zement- bzw. Zement-Bentonit-Suspensionen in den Untergrund. – an der Ortsbrust ein Druck auftreten k¨onnte, der gr¨oßer ist als der hydrostatische Druck (z. B. wenn die Druckluft auf Grund einer Tonschicht oder Kunststoffsohldichtung nicht an der GOK entweichen kann und zus¨atzlich zum hydrostatischen Druck ein Luftzusatzdruck geweckt wird). Anhaltswerte zur Durchl¨ assigkeit sind – f¨ ur Lockergestein der Tabelle 3.6 auf S. 165 sowie dem Aufsatz von Soos [199], Tabelle 2, Seiten 122/123 – f¨ ur Fels (Kennwerte f¨ ur das Gestein und das Gebirge) der ZTVE [103], Tabellen 37 und 38 zu entnehmen.

3.6 Rohrvortriebe unter Druckluftbedingungen

165

Tabelle 3.6. Orientierende Bewertung exemplarischer B¨ oden f¨ ur Druckluftvortriebe assigkeit f¨ ur Druckluft: kL Durchl¨ assigkeit f¨ ur Wasser: kf ; Durchl¨ Orientierungswerte Eigenschaft Folgen des Luft¨ uberdrucks des Bodens an der Rohrortsbrust f¨ ur kf und kL f¨ ur Druck[m/s] (station¨ ar) lufthaltung Ton Wasser stark ausgeDruckluft wirkt auf Ortsbrust 10−10 ≤ kf ≤ 10−9 pr¨ agte Luft-/ stabilisierend, auch bei Luft WasserVollausbruch 7 · 10−9 ≤ kL ≤ 7 · 10−8 dichtheit Schluff Wasser m¨ aßig ausge- Druckluft wirkt auf Ortsbrust 10−9 ≤ kf ≤ 10−7 pr¨ agte Luft-/ tempor¨ ar stabilisierend. Luft WasserDas Porenwasser wird infolge der Durch7 · 10−8 ≤ kL ≤ 7 · 10−6 dichtheit l¨ assigkeit in den Boden zur¨ uckgedr¨ angt. Der Boden kann austrocknen, reißen und schollenartig in den Arbeitsraum einbrechen. Bei Druckabfall im Arbeitsraum dringt erneut Wasser ein und f¨ uhrt im Sohlbereich zu fl¨ ussig-breiigem Bodensatz. Fließsand (wasserges¨ attigt) Wasser m¨ aßig bis Druckluft hat keine stabilisierende Wirkung 10−5 ≤ kf ≤ 10−4 stark aus auf Ortsbrust, da die Druckluft in den Boden Luft gepr¨ agte Boden eindringt. Mit ausgeglichenen 7 · 10−4 ≤ kL ≤ 7 · 10−3 Luft-/Wasser- Druckverh¨ altnissen ( Gleichgewichts” Durchgrenzfl¨ ache“) ist erst in geraumem l¨ assigkeit Abstand vor der Ortsbrust zu rechnen. Der Fließsand zwischen Ortsbrust und Gleichgewichtsgrenzfl¨ ache trocknet aus, verliert seine scheinbare Koh¨ asion und dr¨ uckt gegen das Schild. Es besteht ein erh¨ ohtes Tagbruchrisiko. Stabilere Verh¨ altnisse als bei einer Drucklufthaltung ergeben sich bei einer GW-Absenkung, da dabei der Sand feucht und damit scheinkoh¨ asiv bleibt. Sand (trocken) Wasser stark ausgeSchwierige Verh¨ altnisse f¨ ur eine Druckluft10−4 ≤ kf ≤ 10−3 pr¨ agte Luft-/ haltung auf Grund großer Luftverluste. Wenn Luft Wasserdurch- die Luftverluste nicht kompensiert werden 7 · 10−3 ≤ kL ≤ 7 · 10−2 l¨ assigkeit k¨ onnen, bricht die Ortsbrust ein. Druckluft hat keine stabilisierende Wirkung. Kies (wasserges¨ attigt) Es stellen sich weder an noch vor der OrtsWasser stark ausgebrust ausgeglichene Druckverh¨ altnisse ein, pr¨ agte Luft-/ sofern nicht durch Abdichtungsinjektionen kf ≥ 10−3 Luft Wasserdurch- g¨ unstigere Verh¨ altnisse geschaffen werden. kL ≥ 7 · 10−2 l¨ assigkeit

166

3 Ausf¨ uhrung

3.6.4

Druckluftbedarf und bautechnische Maßnahmen

Zur Absch¨ atzung des Druckluftbedarfs sind Kenntnisse u ¨ ber die Luftdurchl¨assigkeit der zu durchfahrenden und der u berlagernden Bodenschichten erforderlich. ¨ Dabei ist zu beachten, dass sich viele B¨ oden infolge der durchstr¨omenden Luft auflockern oder infolge der Austrocknung aufreißen. Die Luftdurchl¨assigkeit ist somit entsprechend des sich ¨ andernden Porenraums und des sich ¨andernden Wassers¨ attigungsgrades instation¨ ar. Bei der Dimensionierung der Druckluftanlage sind auch Luftverluste zu ber¨ ucksichtigen, die sich an der Ortsbrust und an Undichtigkeitsstellen im druckluftbeaufschlagten Teilst¨ uck der Rohrstrecke einstellen. Stellen, an denen Druckluft direkt und unvorhergesehen entweicht ( Ausbl¨aser“) k¨onnen zu ” erheblichen Luftverlusten f¨ uhren und sind nach M¨oglichkeit auszuschließen. Ausbl¨ aser treten in erster Linie bei der Unterfahrung offener Gew¨asser zur Gew¨ assersohle hin auf. Daneben sind Ausbl¨aser in benachbarte unterirdische Hohlr¨ aume (siehe 3.6.3) hinein zu beobachten. Bei Rohrvortrieben in Grundwasser f¨ uhrenden Schichten unter einer Landoberfl¨ache sind Ausbl¨aser relativ unwahrscheinlich, da die Schichten oberhalb des Grundwasserspiegels nicht unter ¨ Auftrieb stehen und damit die Auflast mit zunehmender Uberdeckung rasch ansteigt. Nach den Empfehlungen f¨ ur die Wasserhaltung durch Druckluft [186] ist eine Absch¨ atzung des Druckluftbedarfs mit den folgenden Gleichungen m¨oglich: Q L = n · C · k L · A · q L + QS , n = na + nb + nc .

(3.39) (3.40)

Unter offenen Gew¨ assern (Bilder 3.24): qL =

α + βi βi




p¨u +1 pa

 .

(3.41)

In Grundwasser f¨ uhrenden B¨ oden (Bild 3.26): qL =

T 1−α · · βi · DA βi




p¨u +1 pa

 .

(3.42)

Es ist u ¨blich den Luftverbrauch in m3 /min anzugeben, so dass die Durchl¨assigkeit mit m/min und die Fl¨ ache in m2 einzusetzen ist. Grunds¨atzlich k¨onnte auch 3 mit m/s → m /s gerechnet werden. Die u ¨ brigen Parameter der Gleichungen sind dimensionslos bzw. es wird ein Quotient gebildet, wobei nat¨ urlich im Z¨ahler und Nenner mit der gleichen Dimension gerechnet werden muss.

3.6 Rohrvortriebe unter Druckluftbedingungen

167

Die Gr¨ oßen der Gleichungen (3.39) bis (3.42) bedeuten: QL erforderliche Luftmenge n Beiwert zur Ermittlung der Luftverluste (bei homogenem Boden im Allgemeinen n = 1) na Beiwert f¨ ur die Luftverluste an der Ortsbrust nb Beiwert f¨ ur die Luftverluste am Schildschwanz nc Beiwert f¨ ur die Luftverluste an den Rohrst¨oßen C Einfluss des r¨ aumlichen Str¨ omungsfeldes nach [194] und [195] ¨ bei einer Uberdeckung von etwa 1-mal bis 2-mal DA kL Luftdurchl¨ assigkeit des Bodens A Ausbruchquerschnitt qL Druckgef¨ alle und Umrechnung der komprimierten Luftmenge in angesaugte Luft p¨u Luft¨ uberdruck in der Arbeitskammer pa atmosph¨ arischer Druck (1 bar) α, β, T geometrische Gr¨ oßen (siehe Bilder 3.24, 3.26 und 3.27) Qs Luftmenge, die zu Schleusungszwecken ben¨otigt wird

Bild 3.24. Druckluftvortrieb: Druckverluste und Luftstr¨ omungsfelder

Als Faustformeln f¨ ur den Luftverbrauch bei Vortrieben unter offenen Gew¨assern gelten nach [183]: in normalem“ Wasser f¨ uhrenden B¨ oden: (z. B. Mittelsand) ” QL[m3 /min] = 3, 66 · DA2 [m2 ] in st¨ arker durchl¨ assigen B¨ oden: (z. B. Kies-Sand- und Kiesb¨oden) 3 QL[m /min] = 7, 32 · DA2 [m2]

(3.43)

168

3.6.4.1

3 Ausf¨ uhrung

Ver¨ anderungen der Ortsbrust-Stabilit¨ at durch Druckluftbeaufschlagung

Bei tonigen B¨ oden f¨ uhrt die Verdr¨ angung des Wassers zu einer Reduzierung des S¨ attigungsgrades und somit zu einem Ansteigen der wirksamen Koh¨asion (echte + scheinbare Koh¨ asion). Dadurch ergibt sich eine Erh¨ohung der Stabilit¨at. Bei Schluffb¨oden kann es nach tempor¨arem Stabilit¨atsgewinn infolge einer Trockenrissbildung zur Verringerung der Koh¨asion und damit zu erneuten Instabilit¨ aten kommen. Bei wasserges¨ attigten sandigen B¨ oden dringt die Druckluft ein St¨ uck weit in den Baugrund vor und u ¨ber der Ortsbrust ein. Ist die Durchl¨assigkeit z. B. infolge schluffiger Anteile gering, so kann dies zur Ausbildung einer Grenzfl¨ache f¨ uhren, an der der Luft¨ uberdruck p¨u und der ¨ außere Druck im Gleichgewicht stehen (Bild 3.25). Das Grundwasser im druckbeaufschlagten Bereich wird verdr¨angt und der sandige Boden verliert allm¨ ahlich seine scheinbare Koh¨asion. Der hiermit verbundene Stabilit¨ atsverlust der Rohrortsbrust kann zu einer erh¨ohten Beanspruchung des Schildes f¨ uhren. Bei ausgepr¨ agter Durchl¨ assigkeit des Bodens stellt sich keine Gleichgewichtsgrenzfl¨ ache ein. Ohne abdichtende Maßnahmen (siehe z. B. Bilder 3.28 und 3.29) ist in diesem Fall mit Ausbl¨asern und Wassereinbr¨ uchen zu rechnen.

Bild 3.25. Ausbildung einer Gleichgewichtsgrenzfl¨ ache vor dem Schild in wasserges¨ attigten Sandb¨ oden

3.6 Rohrvortriebe unter Druckluftbedingungen

169

Bild 3.26. Mindest¨ uberdeckung beim Vortrieb in Grundwasser f¨ uhrenden Schichten

Bild 3.27. Mindest¨ uberdeckung bei ungesicherter Gew¨ assersohle

3.6.4.2

Ausbl¨ aser

uber In der Arbeitskammer wird der einheitliche Luftdruck p¨u erzeugt. Demgegen¨ w¨achst der hydrostatische Wasserdruck bei homogenen Gebirgseigenschaften von der Firste zur Sohle des Ausbruchs linear an. Dadurch wird im Bereich ¨ der Rohrfirste ein Uberdruck erzeugt, der dem Zuwachs des hydrostatischen

170

3 Ausf¨ uhrung

¨ Drucks u steht zur ¨ber den Rohraußendurchmesser entspricht. Diesem Uberdruck Kompensation nur die statische Auflast der Erd¨ uberdeckung als Widerstand zur Verf¨ ugung. Ist diese statische Erdauflast auf Grund zu geringer Wichte oder Schichtm¨ achtigkeit unzureichend, f¨ uhrt dies zum unerwartet auftretenden, z. T. ¨ schlagartigen Abbau des Uberdrucks in Form eines Ausbl¨asers. Hierbei bricht Luft aus der Arbeitskammer an der schw¨ achsten Stelle des umgebenden Gebirges aus, wobei Bodenteilchen mitgerissen werden. Das Auftreten eines Ausbl¨asers ist stets mit erh¨ ohten Risiken f¨ ur die Mineure und das Stollenbauwerk verbunden und erzwingt sofortige Abdichtungsmaßnahmen. Ausbl¨aser sind daher durch geeignete Pr¨ aventivmaßnahmen unbedingt zu verhindern. Hierzu bestehen im Wesentlichen folgende M¨ oglichkeiten: ¨ – Planerische Festlegung der Rohrtrasse mit einer ausreichenden Uberdeckung. – Sorgf¨ altiges Abdichten der Erkundungsbohrl¨ocher. – Sohlsicherung unterfahrener Gew¨ asser, z. B. durch Auflastfilter oder Dichtungsteppiche (siehe Bilder 3.28 und 3.29). ¨ – Abdichten der Uberdeckung durch Injektionen. – Ausr¨ ustung des Vortriebsschildes mit Injektionslanzen um einen vorauseilenden Injektionsschirm aufbauen zu k¨ onnen. – Einbau einer Tauchwand (Hinweis siehe auch [140], Abschnitt 21.3 ). Die Sicherheit vor Ausbl¨ asern nimmt mit abnehmender Durchl¨assigkeit des Gebirges zu und mit fortschreitender zeitlicher Dauer der Druckluftbeaufschlagung ¨ ab. Als Faustformel f¨ ur die Ausbl¨ asersicherheit gilt eine Uberdeckung der Rohrfirste von > 2 DA. Ausbl¨ aser machen sich innerhalb der Arbeitskammer durch Druckabfall und einer damit verbundenen Nebelbildung sowie durch Pfeifger¨ausche bemerkbar. Bei der Unterfahrung offener Gew¨ asser zeigt sich an der Gew¨asseroberfl¨ache ein mehr oder minder heftiges Aufsteigen von Luftblasen mit der damit verbundenen Wellenbildung und ggf. eine Wassereintr¨ ubung infolge Schlickaufwirbelung. Zur Abdichtung von der Arbeitskammer aus eigenen sich als Sofortmaßnahme bei offenem Schild Sands¨ acke, Druckluftkissen, Holzwolle, St¨ ucke aus Kunststofffolien, dichtes Textilmaterial. Bei Gew¨asserunterfahrungen ist das Vorhalten einer Klappschute mit Kiesmaterial zu empfehlen [186]. Im Fall eines Schildes mit doppelter Schottwand im Bereich unmittelbar hinter der Schildschneide (Schildkammer) kann eine Ortsbrustversiegelung mit Bentonit-Suspension vorgenommen werden. Auf ¨ahnlichem Prinzip beruht das Membranschildverfahren [189]. Um eine ausreichende Sicherheit gegen Ausbl¨ aser zu haben wird eine Ausbl¨ asersicherheit“ gefordert (η ≥ 1, 1). Dadurch ” ¨ ergibt sich eine Beschr¨ ankung des Uberdrucks p¨u auf p¨u ≤ η · γW (hW + DA) .

(3.44)

Die Schichten werden durch Verklappung oder im Sp¨ ulverfahren aufgebracht, sofern dem umweltrechtliche Aspekte nicht entgegenstehen.

3.6 Rohrvortriebe unter Druckluftbedingungen

171

Bild 3.28. Sicherung einer Gew¨ assersohle mittels geschichtetem Auflastfilter

Bild 3.29. Sicherung einer Gew¨ assersohle mittels dichtender Tonschicht

3.6.4.3

R¨ uckhaltekonstruktion

Beim Anfahren von Rohrvortrieben mit druckbeaufschlagter Ortsbrust reicht zun¨ achst die Rohrmantelreibung nicht aus, um die r¨ uckw¨arts gerichtete Kraft aus dem Luft¨ uberdruck aufzunehmen. Um zu vermeiden, dass das Maschinenrohr einschließlich des Schneidschuhs beim Zur¨ uckfahren der Hauptvortriebspressen infolge des Luft¨ uberdrucks wieder herausgedr¨ uckt wird, ist in der Anfangsphase des Rohrvortriebs eine R¨ uckhaltekonstruktion erforderlich. Die vorderen Rohre und die Vortriebsmaschine sind bis zur Schleuse zugfest miteinander zu verbinden. Diese Maßnahmen gelten sinngem¨ aß auch bei Rohrvortrieben im Bereich des Microtunneling und der gesteuerten Pressbohrverfahren. Ein Zusatzproblem beim

172

3 Ausf¨ uhrung

Einsatz von Druckluft an der Ortsbrust von Schneckenbohrvortrieben kann in auftriebsbedingten Richtungsabweichungen des Bohr- und Steuerkopfes bestehen. 3.6.4.4

Reduzierter Luft¨ uberdruck

Ist eine Abdichtung des Gebirges nur eingeschr¨ankt m¨oglich, so kann in der Arbeitskammer ggf. auch mit einem reduzierten Luft¨ uberdruck gearbeitet werden, der dem hydrostatischen Wasserdruck z. B. in halber H¨ohe des Ausbruchquerschnittes oder an der Rohrfirste das Gleichgewicht h¨alt. Das an der Ortsbrust eindringende Wasser muss dann aber abgepumpt werden. Reduzierte Luft¨ uberdr¨ ucke sind auch dann m¨oglich, wenn durch erg¨anzende Wasserhaltungsmaßnahmen der Wasserspiegel und damit die hydrostatische Druckh¨ ohe abgesenkt werden k¨ onnen. In bestimmten Bodenarten zeigt es sich, dass ein Luft¨ uberdruck, der der gesamten hydrostatischen Druckh¨ ohe entspricht, tempor¨ar nicht erforderlich ist, um ein Eindringen von Wasser in die Arbeitskammer zu verhindern. Ursache hierf¨ ur ist der Abbau eines Teils des hydrostatischen Drucks in Str¨omungsdruck bei der ¨ Uberwindung der Reibungswiderst¨ ande im Kornger¨ ust der Bodens.

3.6.5

Medizinische Vorsorge, Arbeits- und Brandschutz

Die entscheidenden arbeitsmedizinischen Aspekte im Zusammenhang mit der Ausf¨ uhrung von Arbeiten unter Druckluftbedingungen sind in der Verordnung u ber Arbeiten in Druckluft (Druckluftverordnung) [131] festgehalten. Wichtige ¨ Einzelregelungen betreffen z. B. – die pers¨ onlichen Voraussetzungen, die an Druckluftarbeiter zu stellen sind (Alter, arztlich bescheinigte generelle Tauglichkeit nach G 31.1, Tagesform), ¨ ¨ – die von der H¨ ohe des Uberdrucks abh¨ angige maximal zul¨assige Aufenthaltsdauer in der Arbeitskammer, ¨ – die von der H¨ ohe des Uberdrucks und der Aufenthaltsdauer abh¨angigen Ein- und Ausschleuszeiten, – die Druckstufung bei den Schleusungsvorg¨angen, – Voraussetzungen an Aufsichtspersonal, – die Luftqualit¨ at, – redundante Systeme, – das Vorhalten von Krankendruckluftkammern bei Arbeitskammerdr¨ ucken ≥ 0,7 bar. Unter Druckluftbedingungen herrscht erh¨ohte Brandgefahr. Dies ist besonders bei Schweiß-, Brennschneid- und Sprengarbeiten sowie bei der Lagerung hochund leichtentz¨ undlicher Fl¨ ussigkeiten zu beachten. In der Arbeitskammer m¨ ussen mindestens zwei Feuerl¨ oschger¨ ate vorhanden sein, die unter dem h¨ochstzul¨assigen Arbeitsdruck der Kammer funktionsf¨ ahig sind.

4

Statische Berechnung von Vortriebsrohren

4.1

Allgemeines

Die erdstatische Analyse von Vortrieben ist ein Sonderfall der Tunnelstatik. Diese entwickelte sich mit der Baustatik – der wissenschaftlichen Anwendung der Mechanik auf Standsicherheits- und Festigkeitsprobleme des Bauwesens – im Lauf der letzten 100 Jahre zu einem leistungsf¨ahigen Werkzeug zur Prognose der Spannungen und Verschiebungen beim Auffahren von Hohlr¨aumen im Baugrund (Gebirge). Als eine der bahnbrechenden Arbeiten wird allgemein der Aufsatz von Bierbaumer von 1913 Die Dimensionierung des Tunnelmauerwerks“ angesehen ” [207]. Eine systematische Darstellung der historischen Entwicklung der Tunnelstatik findet sich in [208] und [214]; den Stand der aktuellen Anwendung ¨ in [212] und [219]. F¨ ur den Ubergang vom bergm¨annisch aufgefahrenen Tunnel zum Rohr im Graben (Tunnel in offener Bauweise) sind wichtige Hinweise in [213] und [218] enthalten. Die verwendeten Modelle lassen sich in 3 Gruppen einteilen, die in Bild 4.1 dargestellt sind.

Bild 4.1. Mechanische Modelle der Tunnelstatik

174

4 Statische Berechnung von Vortriebsrohren

Das a ¨lteste Modell ist die stark vereinfachende Annahme, dass der Boden als schlaffe Belastung auf einen ringf¨ ormigen Tr¨ager wirkt. Mit diesem Modell kann man mit relativ wenigen Rechenoperationen oder mit grafischen Verfahren viele Aufgaben der Baupraxis l¨ osen. Die Tatsache, dass der Boden zur Lastabtragung beitr¨ agt, wird durch eine Abminderung der Auflast ber¨ ucksichtigt. Entweder wird der Boden nur bis zu einer gewissen H¨ ohe als Auflast angesetzt oder die theoretische Auflast wird mit einem Beiwert abgemindert. Eine weite Verbreitung hat dabei der Ansatz von Terzaghi (zitiert nach [216]) erfahren.

4.2

Belastung und Beanspruchung eines Kreisrings

F¨ ur den Kreisring gibt es f¨ ur verschiedene Belastungsarten analytische L¨osungen von Marquardt1 , die gut zur schnellen Absch¨atzung der Rohrbeanspruchung genutzt werden k¨ onnen und auch Grundlage der Berechnung der Rohrbeanspruchung im ATV-Arbeitsblatt 161 sind. Die Formeln zeigen sehr anschaulich die Abh¨angigkeit der verschiedenen Parameter auf und geben einen Einblick in das Tragverhalten von Rohren. Entsprechend der Einteilung bei Smoltczyk [217], S. 365, werden zun¨achst die 4 Grundf¨ alle von Bild 4.2 dargestellt.

A

B

C

D

Schneidenlast

Fl¨ achenlast

begrenzte Fl¨ achenlast

Trapezlast

???????????

? θ

θ

???????? −

θ θ

s -

6 R

δ=

66666666666

6

-

θ

 zM      ?     

s R

Bild 4.2. Grundf¨ alle der Belastung eines Kreisrings

1

Marquardt, E. (1934): Rohrleitungen und geschlossene Kan¨ ale. Handbuch f¨ ur Eisenbetonbau, Band 9, S. 426 ff, Verlag Ernst & Sohn Berlin, zitiert nach Smoltczyk, [217] (H 5)

4.2 Belastung und Beanspruchung eines Kreisrings

175

A Schneidenlast 2 F ·R (2 − δ) ( − sin θ) 4 π F V (θ) = − (2 − δ) cos θ 4 F N (θ) = − sin θ 2

M (θ) =

(4.1) (4.2) (4.3)

B Fl¨ achenlast q · R2 (1 − δ) cos 2 θ 4 q·R V (θ) = − (1 − δ) sin 2 θ 2 N (θ) = −q · R sin2 θ

M (θ) =

(4.4) (4.5) (4.6)

C begrenzte Fl¨ achenlast f¨ ur θ ≤ θ M (θ) =

q · R2 2

  2  3 −(1 − 2 δ) sin2 θ + sin θ cos θ (1 + δ) 3π

1 3 θ (1 − 2 δ) + ( − δ) sin θ cos θ 2π π 2 2 θ + (1 − δ) sin θ − (1 − ) sin2 θ π π 
3 sin θ cos θ N (θ) = q · R sin2 θ − 3π +

(4.7) (4.8)

f¨ ur θ < θ ≤ π q · R2 M (θ) = 2

   − sin θ 2 (1 − δ) sin θ − sin θ

1 3 θ (1 − 2 δ) + ( − δ) sin θ cos θ 2π π 2 2 θ + (1 − δ) sin θ − (1 − ) sin2 θ π π 
sin3 θ cos θ N (θ) = q · R sin θ sin θ − 3π +

(4.9) (4.10)

176

4 Statische Berechnung von Vortriebsrohren

D Trapezlast Erddruckordinate auf H¨ ohe des Ringmittelpunktes: q = K · γ · zm  K · γ · zM · R2 1 − δ cos 2 θ M (θ) = 2 2 

1 R 1 δ 2 + − cos θ sin θ − zM 4 3 2  K · γ · zM · R2 − (1 − δ) sin 2θ V (θ) = 2 


1 R 1 δ 3 + − 2 sin θ − 3 sin θ + cos θ zM 4 3 2  
1 R 1 2 2 N (θ) = K · γ · zM · R cos θ + cos θ sin θ − − 2 zM 4 2−δ

(4.11)

(4.12) (4.13)

Wesentliche Lastf¨ alle f¨ ur die Praxis sind Schneidenlast und Fl¨achenlast (Gleichlast). Daher wird die Beanspruchung des Kreisringes (Rohres) unter diesen Einwirkungen in den Abschnitten 4.2.1 und 4.2.2 ausf¨ uhrlich dargestellt. Zus¨atzlich zum Verlauf von Moment, Quer- und Normalkraft werden f¨ ur Scheitel und K¨ampfer die Verschiebungen angegeben. F¨ ur die Berechnung der Verschiebungen wird das Prinzip der virtuellen Kr¨afte (Kraftgr¨ oßenverfahren) verwendet. Dazu wird der Verlauf der Normalkraft und des Biegemoments infolge der Einheitskraft im Scheitel und K¨ampfer ben¨otigt.

Bild 4.3. System f¨ ur die Anwendung des Prinzips der virtuellen Kr¨ afte

Die Verformungen infolge Querkraft werden vernachl¨assigt. Bei der Integration f¨ ur die Berechnung der Verschiebungen wird nicht unterschieden zwischen dem Radius R, dem halben Außendurchmesser, und dem Radius der Systemlinie, der in ATV A 161 mit rm bezeichnet wird (siehe Bild 4.9). Die Einheitskraft im Scheitel ergibt, am halben System angreifend: 2 1·R (2 − δ) ( − sin θ) 2 π N = −1 · sin θ

M =

(4.14) (4.15)

4.2 Belastung und Beanspruchung eines Kreisrings

177

Die Einheitskraft im K¨ ampfer ergibt, am halben System angreifend: 2 1·R (2 − δ) ( − cos θ) 2 π N = −1 · cos θ

M =

(4.16) (4.17)

Alle Verschiebungen sind auf den Mittelpunkt bezogen (Konvergenzen +, Divergenzen −).

4.2.1

Beanspruchung und Verschiebung bei Schneidenlast

System und Belastung

Verschiebungen

F

vS =

? θ

? θ

-

M=

F ·R 2 (2 − δ) ( − sin θ) 4 π



6

V =−

F (2 − δ) cos θ 4



2 1 − π 2

∆ = 2 · vS ∆ = −2 · vk

Vertikal: Konvergenz Horizontal: Divergenz

Querkraft



F · R3 (2 − δ)2 8 EI F ·R + 4 EA

vK = −

6 F

Biegemoment



π F · R3 2 (2 − δ)2 − 8 EI 4 π π·F ·R + 8 EA

Normalkraft N=−

Bild 4.4. Schnittkraftverlauf f¨ ur eine Schneidenlast auf einem Rohr

F sin θ 2



178

4 Statische Berechnung von Vortriebsrohren

Berechnung der Verschiebungen in Scheitel und K¨ ampfer Verschiebungen infolge Biegung (M -Verlauf) vθ=0

F · R3 (2 − δ)2 = 8 EI =

vθ=0 vθ= π2

vθ= π2

F · R3 (2 − δ)2 8 EI

!

π 2

0

!

0

π 2





2 − sin θ π

2 dθ

4 4 − sin θ + sin2 θ 2 π π

(4.18)  dθ

" π2 " " " 1 1 F · R3 4 2 " 4 (2 − δ) " 2 θ + cos θ + θ − sin 2 θ"" = 8 EI π π 2 4 0 
4 π F · R3 2 (2 − δ)2 − + = 8 EI π π 4 
2 F · R3 F · R3 π (2 − δ)2 − ≈ (f¨ ur δ ≈ 0, 2) = 8 EI 4 π 17 EI 
 ! π2
F · R3 2 2 (2 − δ)2 − sin θ − cos θ dθ = 8 EI π π 0  ! π
3 2 2 F ·R 2 4 (2 − δ)2 sin θ cos θ + sin θ cos θ dθ = − 8 EI π2 π π 0 " " π2 " " 2 1 2 F · R3 2 " 4 2 " = (2 − δ) " 2 θ + cos θ − sin θ + sin θ" 8 EI π π π 2 0 
3 2 2 1 F ·R 2 2 (2 − δ) − − + = 8 EI π π π 2 
3 1 F · R3 F ·R 2 (2 − δ)2 − ≈− (f¨ ur δ ≈ 0, 2) = − 8 EI π 2 18 EI

Verschiebungen infolge Normalkraft (N -Verlauf) " "π ! π2 F · R "" θ sin 2 θ "" 2 F sin θ sin θR dθ = − vθ=0 = 2 EA " 2 4 "0 0 2 EA π ·F ·R F ·R π = vθ=0 = 2 EA 4 8 EA " "π ! π2 "2 F · R "" 1 F 2 " cos θ sin θR dθ = sin vθ= π2 = θ " " 2 EA 2 0 2 EA 0 F ·R vθ= π2 = 4 EA Gesamtverschiebung im Scheitel (θ = 0) 
2 π·F ·R F · R3 π 2 vθ=0 = (2 − δ) − + 8 EI 4 π 8 EA

(4.19) (4.20) (4.21) (4.22) (4.23) (4.24) (4.25) (4.26) (4.27)

(4.28) (4.29) (4.30) (4.31)

(4.32)

4.2 Belastung und Beanspruchung eines Kreisrings

Gesamtverschiebung im K¨ ampfer (θ = vθ= π2 = −

4.2.2

F · R3 (2 − δ)2 8 EI




2 1 − π 2

179

π ) 2

 +

F ·R 4 EA

(4.33)

Beanspruchung und Verschiebung bei Fl¨ achenlast

System und Belastung

Verschiebungen

q ??? ???? ?? ??? ??? ??

θ

q

q · R2 (1 − δ) cos 2 θ M= 4

?

-

666 6666 66 666 666 66

Biegemoment

vS =

θ

q · R4 (2 − δ)(1 − δ) 24 EI 2 · q · R2 + 3 EA



q · R4 (2 − δ)(1 − δ) 24 EI q · R2 + 3 EA

vK = −

6

Vertikal: Konvergenz Horizontal: Divergenz

Querkraft q·R (1 − δ) sin 2 θ V =− 2

∆ = 2 · vS ∆ = −2 · vk

Normalkraft N = −q · R sin2 θ

Bild 4.5. Schnittkraftverlauf f¨ ur eine Fl¨ achenlast auf einem Kreisring (Rohr)

180

4 Statische Berechnung von Vortriebsrohren

Berechnung der Verschiebungen in Scheitel und K¨ ampfer Verschiebungen infolge Moment (M -Verlauf) vθ=0 =

q · R4 (2 − δ)(1 − δ) 8 EI

= = vθ=0 = vθ= π2 = = = = = vθ= π2 =

π 2

0




2 − sin θ π

 cos 2 θ dθ

 2 2 cos 2 θ − sin θ (1 − 2 sin θ) dθ π 0  ! π
2 q · R4 2 (2 − δ)(1 − δ) cos 2 θ − sin θ + 2 sin3 θ dθ 8 EI π 0 " " π2 4 " 2 sin 2 θ " 2 q·R 3 " " (2 − δ)(1 − δ) " + cos θ − 2 cos θ + cos θ" 8 EI π 2 3 0
 2 q · R4 (2 − δ)(1 − δ) 1 − 8 EI 3 q · R4 q · R4 (2 − δ)(1 − δ) ≈ (f¨ ur δ ≈ 0, 2) 24 EI 17 EI  π
! 2 q · R4 2 (2 − δ)(1 − δ) − cos θ cos 2 θ dθ 8 EI π 0  π

! 2 q · R4 2 2 (2 − δ)(1 − δ) cos 2 θ − cos θ (2 cos θ − 1) dθ 8 EI π 0  ! π2
q · R4 2 (2 − δ)(1 − δ) cos 2 θ − 2 cos3 θ + cos θ dθ 8 EI π 0 " "π 4 " 2 sin 2 θ "2 2 q·R 3 " (2 − δ)(1 − δ) " − 2 sin θ + sin θ + sin θ"" 8 EI π 2 3 0
 4 2 q·R (2 − δ)(1 − δ) −2 + + 1 8 EI 3 q · R4 q · R4 (2 − δ)(1 − δ) ≈ − (f¨ ur δ ≈ 0, 2) − 24 EI 17 EI

q · R4 (2 − δ)(1 − δ) = 8 EI =

! !

π 2

(4.34) (4.35) (4.36) (4.37) (4.38) (4.39) (4.40) (4.41) (4.42) (4.43) (4.44) (4.45)

Verschiebungen infolge Normalkraft (N -Verlauf) ! vθ=0 = 0

π 2

q · R2 q·R sin2 θ sin θR dθ = EA EA

" "π 3 "2 " "− cos θ + cos θ " " 3 "0

2 · q · R2 q · R2 2 = EA 3 3 EA ! π2 ! π2 q · R2 q·R 2 sin θ cos θ R dθ = = (cos θ − cos3 θ) dθ EA EA 0 0 " "π sin3 θ "" 2 q · R2 "" q · R2 sin θ − sin θ + = = " " EA 3 0 3 EA

(4.46)

vθ=0 =

(4.47)

vθ= π2

(4.48)

vθ= π2

(4.49)

4.2 Belastung und Beanspruchung eines Kreisrings

181

Gesamtverschiebung im Scheitel (θ = 0) vθ=0 =

2 · q · R2 q · R4 (2 − δ)(1 − δ) + 24 EI 3 EA

Gesamtverschiebung im K¨ ampfer (θ = vθ= π2 = −

4.2.3

(4.50)

π ) 2

q · R2 q · R4 (2 − δ)(1 − δ) + 24 EI 3 EA

(4.51)

Superposition von horizontaler und vertikaler Fl¨ achenlast

Vertikalbelastung

Horizontalbelastung

q

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?V θ

+

qV 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6

-

               

θ

qH

qH

∆q = qV − qH Biegemoment 2

R (1 − δ) cos 2 θ M = ∆q 4

Querkraft

Normalkraft

R V = − ∆q (1 − δ) sin 2θ 2

N = −R (qH + ∆q sin2 θ)

Bild 4.6. Superposition von Horizontal- und Vertikalbelastung

182

4 Statische Berechnung von Vortriebsrohren

Verschiebung im Scheitel (θ = 0; Konvergenz ∆ = 2 · vθ=0 ) vθ=0 =

R4 R2 (2 − δ)(1 − δ) (qV − qH ) + (2 qV + qH ) 24 EI 3 EA

Verschiebung im K¨ ampfer (θ = vθ=0 =

4.3

π 2;

(4.52)

Divergenz ∆ = −2 · vθ=π/2 ) )

R4 R2 (2 − δ)(1 − δ) (qH − qV ) + (2 qH + qV ) 24 EI 3 EA

(4.53)

Beanspruchungen im Baugrund

Bei der Statik von Leitungen wird, im Gegensatz zum Tunnelbau, der Analyse der Spannungen und Dehnungen im Baugrund wenig Beachtung geschenkt, da f¨ ur die Bemessung der Leitungen die Baugrundeigenschaften meist von untergeordneter Bedeutung sind. Trotzdem soll am Beispiel der Spannungsverteilung im Bereich eines kreisrunden Loches gezeigt werden, welche Auswirkungen das Verh¨altnis von Horizontal- und Vertikalspannung im Baugrund haben. 6

r t

] *

θ

?

R

¨ Bild 4.7. Kreisrunde Offnung im Halbraum

¨ F¨ ur die vereinfachende Annahme, dass im Bereich der Offnung – jedoch in großem seitlichen Abstand – die Spannungen konstant sind, gibt es eine analytische L¨ osung von Mindlin ([215], zitiert nach [212], S. 183), die auf den folgenden Seiten dargestellt wird. Die vereinfachende Annahme bedeutet, dass in einiger Entfernung von der ¨ Offnung f¨ ur die Vertikalspannung gilt:

4.3 Beanspruchungen im Baugrund

183

σzz = γ · t = q = const ,

(4.54)

und f¨ ur die Horizontalspannung: σxx = Ko · σzz = Ko · q = const .

(4.55)

¨ Dabei ist t die Tiefenlage der Offnung unter der Gel¨andeoberfl¨ache, γ die Wichte des Bodens und Ko der Seitendruckbeiwert. Unter den Voraussetzungen des Hookeschen Gesetzes gilt zwischen Seitendruckbeiwert und Querdehnungszahl ν die Beziehung: Ko =

ν 1−ν

oder

ν=

Ko 1 + Ko

(4.56)

Auf der Grundlage der Gleichgewichtsbedingungen und linear-elastischen Materialverhaltens, gelten nach Mindlin f¨ ur den homogenen und isotropen Halbraum folgende Gleichungen (in den Polarkoordinaten von Bild 4.7): $
2 % R 1 + Ko + 1− = q 2 r & $
4
2 % 1 − Ko R R cos 2 θ 1+3 + −4 2 r r $ $ & #
2 %
4 % 1 − Ko R R 1 + Ko 1+ 1+3 − cos 2 θ = q 2 r 2 r $
4
2 % 1 − Ko R R 1−3 sin 2 θ = q +2 2 r r #

σrr

σθθ σrθ

(4.57) (4.58) (4.59)

¨ F¨ ur den Rand der Offnung (r = R) ergibt sich somit: σrr = 0 σθθ = q [ 1 + Ko − 2 (1 − Ko ) cos 2 θ ] σrθ = 0

(4.60) (4.61) (4.62)

Im Rahmen der Mindlin-L¨ osung, die auf dem Hookeschen Gesetz basiert, gilt f¨ ur ν grunds¨ atzlich ν ≤ 0, 5 und somit auf Grund von Gleichung (4.56) Ko ≤ 1. In der Praxis gibt es vor allem im Fels oder in stark u ¨ berkonsolidierten B¨oden auch Seitendruckbeiwerte von u ¨ber eins. Um die analytische L¨ osung von Mindlin auf solche F¨alle anwenden zu k¨onnen, m¨ ussen die Achsen um 90o gedreht werden. Die gr¨oßere Spannung wirkt dann horizontal, die kleinere vertikal. Bemerkenswert ist der Grenzfall Ko = 1. Dann sind die Tangentialspannungen am Rand (r = R) konstant: σθθ = 2 q. Dieser Grenzfall ist in der Tunnelstatik h¨aufig Grundlage f¨ ur plastizit¨ atstheoretische Untersuchungen ([212]).

184

4 Statische Berechnung von Vortriebsrohren

F¨ ur Ko ≤

1 3

gibt es Nullstellen f¨ ur σθθ am Lochrand:

σθθ = 0 wenn θ =

1 + Ko 1 arccos 2 2 (1 − Ko )

(4.63)

Bemerkenswert sind außerdem die Punkte, bei denen σθθ = 2 q. Diese liegen immer bei θ = ±60o und θ = ±180o . Die Extremwerte von σθθ liegen im Scheitel, im K¨ampfer und in der Sohle: kleinste Druck- bzw. gr¨ oßte Zugspannung σθθ = q (3 Ko − 1) θ = 0o θ = 180o (4.64) θ = ±90o gr¨ oßte Druckspannung σθθ = q (3 − Ko )

σθθ

= q [1 + Ko − 2 (1 − Ko ) cos 2θ]

Scheitel und Sohle:

σθθ σθθ

= q (3 Ko − 1)

= q (3 − Ko ) K¨ ampfer: : Druckspannungen positiv (+)



Ko = 1; ν = 12 Ko = 0, 8; ν = 49 Ko = 0, 5; ν = 13 Ko = 13 ; ν = 14 Ko = 0, 1; ν =





θ

¨ Bild 4.8. Tangentialspannungen am Rand einer kreisrunden Offnung

1 11

4.4 Regelungen von ATV A 161, DIN EN 1916 und DIN V 1201

4.4

185

Regelungen von ATV A 161, DIN EN 1916 und DIN V 1201 Verkehrslast

Fl¨ achenlast qf l an der Gel¨ andeoberfl¨ ache

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?????????? ? ? ? ? ? 6

 BodenγB γB Gruppe [kN/m3 ] [kN/m3 ] 1 20 11 2 20 11 3 20 10 4 20 10

ϕ [o ] 35 30 25 20

Wasserdruck von außen

h

Erddruckverh¨ altnis K1 = 0, 5

? 6

Abminderung der Auflast h · γB ϕ 2 K1 h √ tan α= 2 da 3 1 − e−α κ= α √  b = da 3

pEv = κ · γB · h + qf l ??????? ???????

K2 = 0, 3 im Bau, ohne Verpr. K2 = 0, 4 im Bau, mit Verpr. im Betrieb, ohne Verpr. K2 = 0, 5 im Betrieb, mit Verpr.

?

-

Innendruck rm

da − s = 2

- 

s

Schnittkraftvorwerte f¨ ur κ · h · γB + qf l K2 = 0, 3 K2 = 0, 4 K2 = 0, 5 mE Moment 0,1636 0,1375 0,1125 Scheitel/Sohle mE Moment -0,1636 -0,1375 -0,1125 K¨ ampfer nE Normalkr. -0,4978 -0,5750 -0,6500 Scheitel/Sohle -1,0000 -1,0000 nE Normalkr. -1,0000 K¨ ampfer

Bild 4.9. Darstellung der Eingabedaten f¨ ur eine Berechnung nach ATV A 161

? 6

da ?

186

4 Statische Berechnung von Vortriebsrohren

4.4.1

Beanspruchung nach ATV A 161

4.4.1.1

Erforderliche Daten (Eingabedaten)

F¨ ur eine Berechnung nach ATV A 161 [110], DIN EN 1916 [25] und DIN V 1201 [20] werden ben¨ otigt: Geometrie: Außendurchmesser (da oder DA), Wanddicke (s oder t), Werkstoff entsprechend den Zeilen von Tab. 2, ATV A 161: 1. 2. 3. 4.

Asbestzement (Faserzement), Stahlbeton, Stahl, Steinzeug .

Bewehrung: Zwar ist es Zweck der Berechnung, die erforderliche Bewehrung zu ermitteln, es ist jedoch zweckm¨ aßig, bereits mit einem Erfahrungswert (z. B. Bewehrungsgrad außen 0,15 % und innen 0,3 %, jeweils auf den Gesamtquerschnitt bezogen) zu beginnen. Da nach DIN V 1201, Abschnitt 5.2.5 (fr¨ uhere Regelung: DIN 4035, Abschnitt 6.3.2.2), die Bewehrung mit einem E-Modul-Verh¨altnis von n = 15 ber¨ ucksichtigt werden darf, spielt die Stahlfl¨ache und Lage der Bewehrung eine wichtige Rolle f¨ ur die Ermittlung der Rohr-Vergleichsspannung (σVR ). Die Bewehrung wird allgemein angegeben in [cm2 /m] (ASt ). Die Lage der Bewehrung wird definiert u ¨ ber die Betondeckung c oder den Abstand des Schwerpunktes der Bewehrung (a) vom Rand. Verkehrslasten und begrenzte Fl¨ achenlasten: ATV A 161 gibt detaillierte Regeln f¨ ur die Einwirkungen von Straßen- und Schienenfahrzeugen sowie Flugzeugen an. Da diese Belastungen zur Tiefe hin stark abnehmen, sind sie meist ohne großen Einfluss auf die Berechnung. Bei oberfl¨ achennahen Rohren k¨onnen sie theoretisch zwar dominieren, es wird dann jedoch meist die Mindestbeanspruchung entsprechend ATV A 161, Abschnitt 5.4, maßgebend. Ausgedehnte Fl¨ achenlasten: Bei großen Fl¨achenlasten, z. B. D¨ammen oder Deponien, erfolgt keine Abminderung zur Tiefe hin. Sie gehen in voller H¨ohe in die auf das Rohr wirkende Belastung pEV ein. Dadurch ergibt sich aus den Fl¨ achenlasten auch ein Seitendruck. Es gelten die Schnittkraftvorwerte von Tab. 9 (ATV A 161), w¨ ahrend Verkehrslasten (LKW, Eisenbahn, Flugzeug) und begrenzte Fl¨achenlasten ohne seitlichen Druck gerechnet werden und die h¨oheren Schnittkraftvorwerte von Abschnitt 5.2.3 (ATV A 161) zu w¨ahlen sind. Baugrund: ATV A 161 teilt die B¨ oden in 4 Gruppen ein: Gruppe 1: Nichtbindige B¨ oden (GE, GW, GI, SW, SI nach DIN 18196) also Kiese und Sande. Gruppe 2: Schwachbindige B¨ oden (GU, GT, SU, ST nach DIN 18196), also schluffige und tonige Kiese und Sande. Gruppe 3: Bindige Mischb¨ oden, Schluff (GU , GT , SU , ST , U L, U M nach DIN 18196), also stark schluffige oder stark tonige Kiese und Sande.

4.4 Regelungen von ATV A 161, DIN EN 1916 und DIN V 1201

187

Gruppe 4: Bindige B¨ oden (T L, T M, T A, OU, OT, OH, OK nach DIN 18196), also Lehme und organische Tone. Es ist auffallend, dass die Einteilung in die Bodengruppen nur nach der Kornverteilung erfolgt und bei den nichtbindigen B¨oden die Lagerungsdichte und bei den bindigen B¨ oden die Konsistenz oder die Koh¨asion keinen Einfluss haben. Die Tatsache, dass die Tabellenwerte nur f¨ ur einfache Baugrundverh¨altnisse gedacht sind, wird auch daran deutlich, dass die Erddruckverh¨altnis-Werte K1 und K2 f¨ ur alle Bodengruppen gleich sind. Die relativ geringe Differenzierung bei den Bodengruppen ist dadurch bedingt, dass in extremen Baugrundverh¨ altnissen – harter Fels oder breiiger Boden – Rohrvortriebe kaum ausgef¨ uhrt werden. Um auch andere Baugrundverh¨altnisse, z. B. halbfeste u ¨ berkonsolidierte Tone wie Geschiebemergel oder verwitterten Fels, ber¨ ucksichtigen zu k¨ onnen, ist es zweckm¨ aßig eine frei definierbare Bodengruppe (im Beispiel auf den folgenden Seiten die Nr. 5) einzuf¨ uhren, bei der dann  K1 , K2 , ϕ , γB und γB frei w¨ ahlbar sind. 4.4.1.2 Einfluss des Seitendrucks Im ATV-Arbeitsblatt 161, Tabelle 9, sind f¨ ur Erdlasten und gleichm¨aßig verteilte Verkehrslasten nur Seitendruckbeiwerte von K2 = 0, 3 bis K2 = 0, 5 vorgesehen. Damit werden zwar die meisten praktischen F¨alle abgedeckt, doch es sind auch F¨alle mit K2 < 0, 3 und K2 > 0, 5 denkbar. ¨ – Bei Fels und felsartigem Baugrund kann infolge von Uberprofilierung die seitliche St¨ utzung fehlen (K2 = 0) und trotzdem kann es zu einer vertikalen Belastung kommen, wenn einzelne Felsbrocken aus der Firste ausbrechen und sich verklemmen. – Bei einem bindigen Boden von weicher bis steifer Konsistenz kann es sinnvoll sein, mit einem K2 -Wert deutlich u ¨ ber 0,5 zu rechnen. Nach der allgemein gebr¨ auchlichen Formel Ko = 1 − sin ϕ ergibt sich schon f¨ ur ϕ = 20o ein Ko Wert von 0,66. Da prinzipiell im K¨ ampferbereich der Erdwiderstand geweckt wird – allerdings nur zu einem sehr geringen Teil – k¨onnen Untersuchungen mit K2 = 0, 8 durchaus sinnvoll sein. Allerdings darf das Rohr nicht so bemessen werden, dass es gerade f¨ ur K2 = 1 – allseitig gleicher Druck – ausreichend ist. Dies wird jedoch durch die Mindestbemessung nach ATV-A 161, Abschnitt 5.4, u ¨ ber die Mindestmomente bzw. die Mindestbewehrung nach DIN EN 1916, Abschnitt 5.2.1, gew¨ ahrleistet. Erg¨ anzend zum Abschnitt 5.2.1 von DIN EN 1916 enth¨alt Abschnitt 5.2.1 von DIN V 1201 Hinweise zur Bewehrung.2 Im Fels, wenn die Bettung fehlen kann, ist auf Grund des Trennfl¨achengef¨ uges abzusch¨ atzen wie groß eine Einzellast werden kann. Es kann dann mit den Gleichungen (4.1) bis (4.3) die Beanspruchung des Rohres ermittelt werden. Mit den Gleichungen f¨ ur die Fl¨ achenlast (Gleichungen 4.4 bis 4.6) und der Kesselformel k¨ onnen Schnittkraftvorwerte f¨ ur das Spektrum von Ko = 0 bis Ko = 1 2

Bei Scherle [216], S. 278, 0 < λ < λruhe . (Scherle verwendet f¨ ur den Ruhedruckbeiwert die Bezeichnung λ, ATV A 161 Ko ).

188

4 Statische Berechnung von Vortriebsrohren

angegeben werden. Mit dem mittleren Radius rm und den Schnittkraftvorwerten ergibt sich: 2 M = mE · q · rm

(4.65)

N = nE · q · r m

(4.66)

Tabelle 4.1. Schnittkraftvorwerte Ko -Werte von 0 bis 1 Ko = 01) Ko = 0, 3 Ko = 0, 4 Ko = 0, 5 Ko = 11) 0,25 0,1636 0,1375 0,1125 0 -0,25 -0,1636 -0,1375 -0,1125 0 0,25 0,1636 0,1375 0,1125 0 0 -0,4978 -0,575 -0,6500 -1,00 -1 -1,0000 -1,00 -1,0000 -1,00 0 -0,4978 -0,575 -0,6500 -1,00 Werte sind nicht Bestandteil von ATV A 161, nur f¨ ur Voruntersuchungen

mScheitel E er mKaempf E Sohle mE nScheitel E er nKaempf E Sohle nE 1)

In der Tabelle bleibt unber¨ ucksichtigt, dass sich nach ATV-A 161, Abschnitt 6.2.7, f¨ ur gleichm¨ aßigen ¨ außeren Druck (pa ) ein u ¨ ber den Umfang konstantes Moment von 

ri · ra 1 M = −pa · ri · ra − ln 2 ra2 − ri2   m
 ri · ra 1 1 ra m = − 2 = − ln 2 2 ra − ri ri 2




ra ri

ra ri



1 −

(4.67) 
ri ra

ln

ra ri

 (4.68)

ergibt. F¨ ur die u altnisse von ri = 0, 5 · ra bis ri = 0, 9 · ra erh¨alt man die ¨ blichen Verh¨ Beiwerte m: ri ra

m

0,5 0,6 0,04 0,02

0,7 0,8 0,9 0,01 0,004 0,001

Auf den ersten Blick sieht es so aus, als ob Gleichung (4.67) f¨ ur d¨ unne Rohre, ri → ra keine L¨ osung bietet. Zur u ¨bersichtlicheren Darstellung wird der Quotient ra/ri durch x ersetzt. F¨ ur x > 12 kann die Funktion als Potenzreihe geschrieben werden: ln x =

x − 1 (x − 1)2 (x − 1)n + + ... + + ... x 2 x2 n xn

(4.69)

4.4 Regelungen von ATV A 161, DIN EN 1916 und DIN V 1201

189

In der Umgebung von x = 1 gilt also ln x = Mit

ra ri

x−1 . x

= x ergibt sich f¨ ur ra ≈ ri :

1 x−1 1 − 2 x − x1 x x x−1 1 m = − 2 x2 − 1 x 1 x x−1 m = − 2 (x − 1) (x + 1) x 1 1 − m = 2 x+1 F¨ ur x ≈ 1 bzw. rrai ≈ 1 ist also m ≈ 0. m =

4.4.2

(4.70)

(4.71) (4.72) (4.73) (4.74)

¨ Ubergang zum Konzept von DIN 1045-1 (2001)

Das Konzept von ATV A 161 basiert noch auf DIN 1054 (1976-11) und DIN 1045 (1988-07). Wenn DIN 1045-1 (2001-07) und DIN 1054 (2003-01) angewendet werden sollen, m¨ ussen aus der Beanspruchung nach ATV A 161 f¨ ur die Ermittlung der Bewehrung Bemessungsmomente und Bemessungsnormalkr¨afte gemacht werden. Die zul¨ assigen Beanspruchungen“ aus st¨ andiger Last sind mit 1,35, die aus ” Verkehrslasten mit 1,5 zu multiplizieren und dann die Bemessung nach DIN 1045-1 z. B. mit dem ω-Verfahren durchzuf¨ uhren. Ein Rohr mit einer Wandst¨ arke von 20 cm und einem Durchmesser dm = 2 m 2 ist nach ATV A 161, Abschnitt 5.4, f¨ ur ein Mindestmoment von M = 33 · rm = 33 kNm/m und N = −100 · rm = −100 kN/m zu bemessen. Es wird angenommen, dass der Schwerpunkt der Bewehrung einen Randabstand von 5 cm hat. Nach DIN 1045 (1988) also h = 15 cm, nach DIN 1045-1 (2001) d = 0, 15 m. F¨ ur B 45 und dem kh -Verfahren (DIN 1045, 1988): MS = M − N · zs = 33 + 100 · 0, 05 = 38 kNm/m 15 kh = √ = 2, 4 → ks = 3, 8 38 100 38 − = 9, 6 − 3, 5 = 6, 1 cm2 /m . AS = 3, 8 15 28, 6

(4.75) (4.76) (4.77)

190

4 Statische Berechnung von Vortriebsrohren

F¨ ur die Anwendung des ω-Verfahrens (DIN 1045-1, 2001) werden die Mindestwerte mit 1,35 multipliziert, so dass f¨ ur M = 44, 55 kNm/m und N = 135 kN/m zu bemessen ist (f¨ ur C 35/45 fcd = 19, 8 N/mm2 ; fyd = 500/1, 15): MEds = MEd − NEd · zSt = 44, 55 + 135 · 0, 05 = 51, 3 kNm/m = 0, 0513 MNm/m MEds 0, 0513 = 0, 1145 = µEds = b · d2 · fcd 1, 0 · 0, 152 · 19, 8 ω = 0, 122 b · d NEd ASt = 0, 122 fyd + fyd

(4.78) (4.79) (4.80) (4.81) (4.82)

fcd

1, 0 · 0, 15 0, 135 − = 0, 00084 − 0, 00031 21, 9 435 = 0, 00053 m2 /m = 5, 3 cm2 /m

= 0, 122

(4.83) (4.84)

Nach DIN EN 1916 [25], Abschnitt 5.2.1, ist eine Mindestbewehrung von 0,25 % bezogen auf die L¨ angsquerschnittsfl¨ache erforderlich. Dies ergibt bei 20 cm Wandst¨ arke eine Bewehrung von 5 cm2 /m; bei symmetrischer Verteilung also 2,5 cm2 auf jeder Seite. Auf Grund der Mindestbeanspruchung nach ATV A 161 ist mehr Bewehrung erforderlich als die Mindestbewehrung nach DIN EN 1916. F¨ ur 30 cm Wandst¨ arke, also d = 0, 25 m, ¨andern sich jedoch die Verh¨altnisse. Mit dem ω-Verfahren ergibt sich: MEds b · d2 · fcd 0, 0513 = 0, 0414 = 1, 0 · 0, 252 · 19, 8 ω = 0, 042 b · d NEd ASt = 0, 042 fyd + fyd

µEds =

(4.85) (4.86) (4.87) (4.88)

fcd

1, 0 · 0, 25 0, 135 − = 0, 00048 − 0, 00031 21, 9 435 = 0, 00017 m2/m = 1, 7 cm2 /m

= 0, 042

(4.89) (4.90)

Die Forderung von 0,25 % Mindestbewehrung ergibt auf jeder Seite 3,75 cm2 /m oder innen 5 cm2 /m und außen 2,5 cm2 /m. Da im K¨ampfer die Normalkraft h¨oher ist als im Scheitel, wird im K¨ ampfer (Zugzone außen) weniger Bewehrung als im Scheitel ben¨ otigt. Daher wird im Allgemeinen an der Innenseite ein h¨oherer Bewehrungsquerschnitt gew¨ ahlt als an der Außenseite.

4.4 Regelungen von ATV A 161, DIN EN 1916 und DIN V 1201

4.4.3

191

Zul¨ assige Vortriebskraft

Die Berechnung in Richtung der Rohrachse wurde bis 2003 in ATV A 161, Abschnitt 8, geregelt. Bezugsgr¨ oße war dabei die mittlere Spannung σ=

FV ortrieb AC

wobei

AC =

π  2 de − d2i . 4

(4.91)

Zur Festlegung von de und di siehe Bild 4.10. Mit DIN EN 1916 (2003-04), Anhang B 3, ergibt sich eine neue Regelung, die ¨ jedoch keine substantiellen Anderungen zur Folge hat. Es wird wie in ATV A 161 eine lineare Spannungsverteilung angenommen und die Randspannung auf 0, 6 fck begrenzt (siehe Bild 4.10). F¨ ur C 35/45 betr¨ agt also die maximale Randspannung 0, 6 · 35 = 21 N/mm2.

Bild 4.10. Druck¨ ubertragung zwischen den Rohren

In Lage 2 des Bildes 4.10, wenn die Fuge noch nicht klafft, betr¨agt die maximale Kraft Fcj =

0, 6 fck · AC σRand · AC = = 0, 3 fck · AC . 2 2

(4.92)

ur Rohre mit Dabei ist AC die auf Druck beanspruchte Stirnfl¨ache, die sich f¨ F¨ uhrungsringen zu

192

4 Statische Berechnung von Vortriebsrohren

AC =

π  2 d − d2i 4 e

(4.93)

ergibt (siehe Bild 4.10). In DIN EN 1916, Anhang B.3.1, wird angemerkt: Die ” Fl¨ ache AC ist die auf Druck beanspruchte Zwischenlage, die die Ber¨ uhrungsbreite, gemessen jeweils vom Rand, nicht mehr als 20 % reduzieren sollte.“ Wenn die Fuge klafft, z. B. in Lage 1 des Bildes 4.10, wird die u ¨ bertragbare Kraft kleiner. Dazu wird in DIN EN 1916, Anhang B.3.3, ein Lastminderungsfaktor (Exzentrizit¨ atsfaktor) e eingef¨ uhrt. Dieser Faktor ist nicht die Exzentrizit¨at der Kraft, die u ¨blicherweise mit e bezeichnet wird, sondern gibt an, wie die zul¨assige Vortriebskraft abgemindert wird, wenn sich eine klaffende Fuge einstellt. Aus Bild B.3 von DIN EN 1916 (siehe Bild 4.12) ist ersichtlich, dass f¨ ur u ¨ berschl¨agige Berechnungen angenommen werden kann e≈

z . de

(4.94)

Bei klaffender Fuge ergibt sich die u ¨ bertragbare Kraft Foj zu Foj =

1 e · σRand · AC . 2

(4.95)

Die Spannung σRand wird zum einen durch die Betonfestigkeit begrenzt σRand ≤ 0, 6 · fck ,

(4.96)

zum andern m¨ ussen auch die Druck¨ ubertragungsringe in der Lage sein, die Spannung σRand aufzunehmen. Der Lastminderungsfaktor e kann mit den folgenden Gleichungen berechnet werden: e =

e , π (1 − ξ 2 ) dze

wobei

(4.97)

ξ =

di de

2z −1 de

(4.98)

λ = ξ λ = |η|

η=

wenn wenn

ξ ≥ |η| ξ < |η|




−η + e = η arccos(−η) − ξ 2 arccos λ

   1  2 + η2 + 1 − η2 + 2 ξ 2 + η2 λ2 − η 2 3

(4.99)

(4.100)

4.4 Regelungen von ATV A 161, DIN EN 1916 und DIN V 1201

193

Bild 4.11. Klaffende Fugen bei Bogenfahrten

Die Exzentrizit¨ at der Vortriebskraft ergibt sich schon auf Grund der Toleranzen bei der Parallelit¨at der Stirnfl¨ achen auch bei einem planm¨aßig gerade verlaufenden Vortrieb. Zus¨ atzlich zum nicht planm¨ aßigen Knick zwischen zwei Rohren ist bei Bogenfahrten – wenn Rohre mit parallelem Rohrspiegel verwendet werden (siehe Bild 4.11) – eine planm¨ aßige Erh¨ ohung des Knickwinkels“ zu beachten. ” In den folgenden Gleichungen ergibt sich der Winkel α theoretisch aus der gekr¨ ummten Trasse, die mit Parallelspiegelrohren aufgefahren wird. Wenn die L¨ ange des Bogens lBogen betr¨ agt, der Kr¨ ummungsradius rT rasse und n Rohre f¨ ur den Bogen verwendet werden, gilt: α=

lBogen n · rT rasse

α im Bogenmaß .

(4.101)

Die L¨ ange eines Rohres betr¨ agt dann lRohr = 2 rinnen sin

α 2

wobei

de . 2 Die Differenz der Fugenweite zwischen innen und außen ergibt sich zu rinnen = rT rasse −

(4.102) (4.103)

194

4 Statische Berechnung von Vortriebsrohren

a = 2 de · sin

α . 2

(4.104)

Bei der Berechnung der Vortriebkraft ist zu beachten, dass nicht nur im Hinblick auf den Beton die Randspannung ein bestimmtes Maß nicht u ¨berschreiten darf, sondern auch das Verhalten des Druck¨ ubertragungsringes zu beachten ist (siehe hierzu 1.5.1, S. 47). Die Nachgiebigkeit S des Druck¨ ubertragungsringes ist gegeben durch S=

DRing E⊥

(4.105)

F¨ ur DRing = 4 cm und einen E⊥-Modul des Holzes von 30 MN/m2 ergibt sich S = 0, 00133 m3 /MN oder ein Bettungsmodul von ks = 1/S = 750 MN/m3 . Die Beanspruchung des Druck¨ ubertragungsringes soll am Beispiel eines Rohrvortriebes mit di = 1, 3 m und de = 1, 62 m (DA = 1,70 m) gezeigt werden. Bei einem Trassenradius von 500 m und einer Rohrl¨ange von 2,5 m ergibt sich ein Winkel α (siehe Bild 4.11), der im Folgenden als αT rasse bezeichnet wird, von: sin

lRohr 1, 25 αT rasse 2 = = 0, 002504 = d e 2 500 − 0, 81 rT rasse − 2 αT rasse = 0, 14o −→ αT rasse = 0, 28o 2

(4.106) (4.107) (4.108)

Wird angenommen, dass auf Grund der Rohr- und Vortriebstoleranzen bereits Abweichungen von 0,8o auftreten, ist ein Knickwinkel“ von ” α = 0, 8 + 0, 28 = 1, 08o −→ tan α = 0, 019

(4.109)

zu ber¨ ucksichtigen. Wenn die ganze Fl¨ ache des Druck¨ ubertragungsrings in Anspruch genommen werden soll (Lage 2 von Bild 4.10), ergibt sich am Rande eine Zusammendr¨ uckung von ∆D = 0, 019 · de = 0, 019 · 1, 62 = 0, 03 m = 3 cm .

(4.110)

Bei dieser Zusammendr¨ uckung ergibt sich dann eine Randspannung von σRand = 0, 03 · ks = 0, 03 · 750 = 22, 5 MN/m2 .

(4.111)

Diese Spannung entspricht in etwa 0, 6 · fck = 21 MN/m2 (C 35/45), l¨asst sich aber nur schwer realisieren, da eine Kompression des Druckringes um 3 cm eine Ausgangst¨ arke des Druckringes von etwa 8 cm voraussetzt, damit die Annahme der linearen Spannungsverteilung gerechtfertigt ist. F¨ ur diese Druckringst¨arke ist der Bettungsmodul zu halbieren, so dass sich dann eine Kompression von 8 cm auf 2 cm ergibt, wenn man annimmt, dass der E⊥ -Modul konstant bleibt.

4.4 Regelungen von ATV A 161, DIN EN 1916 und DIN V 1201

195

Bild 4.12. Vortriebskraft bei klaffender Fuge

Bei einem Klaffen bis zur Rohrachse – z = de /2 – ergibt sich, bei einem Knickwinkel von 1,08o noch eine Zusammendr¨ uckung von 1,5 cm und eine Randspannung von 0, 015 · 750 = 11, 25 MN/m2 . Diese Zusammendr¨ uckung k¨ onnte noch von einem Druck¨ ubertragungsring mit 4 cm St¨ arke aufgenommen werden. Die zul¨ assige Vortriebskraft betr¨agt dann jedoch nur noch FV ortrieb =

π  1 11, 25 σRand · e · AC = ·e· 1, 622 − 1, 32 = 4, 13 · e (4.112) 2 2 4

Aus Bild 4.12 oder mit den Gleichungen (4.97) bis (4.100) resultiert aus z/de = 0, 5 und di /de = 0, 8 ein Lastminderungsfaktor von e = 0, 58 und somit FV ortrieb = 4, 13 · 0, 58 = 2, 4 MN .

(4.113)

Wenn mit dem Diagramm aus dem ATV-Arbeitsblatt gearbeitet wird, ergibt sich σ=

FV ortrieb 2, 4 2 = 3, 27 MN/m . = AC 0, 734

(4.114)

Mit dem Faktor σRand /σ = 3, 5 aus dem Diagramm von Bild 4.12, rechte Seite, ergibt sich eine Randspannung von 2

2

σRand = 3, 5 · 3, 27 = 11, 45 MN/m ≈ 11, 25 MN/m .

(4.115)

196

4 Statische Berechnung von Vortriebsrohren

4.4.4

Begrenzung der Betonzugspannung

Bei der Rohrbemessung wird der Nachweis der Wasserdichtheit3 oder besser der begrenzten Wasserdurchl¨ assigkeit nicht u ¨ ber eine Steuerung der Risseverteilung durch Bewehrung erreicht, sondern u ¨ ber einen Nachweis der Betonzugspannung im Zustand I. Dabei werden u. a. folgende Bezeichnungen verwendet: σVR σM σN fR

Rohrvergleichsspannung (σV R,max = 6 N/mm2) Biegezugspannungsanteil aus dem zul¨assigen Biegemoment“ ” Spannungsanteil aus der zul¨ assigen Normalkraft“ ” dimensionsloser Beiwert

Nach den Vorschriften f¨ ur Rohre kann auf den Nachweis der Beschr¨ankung der Rissbreite nach DIN 1045-1 verzichtet werden (DIN V 1201, Abschnitt 5.2.5), wenn: 2

fR (σN + σM ) ≤ 6 N/mm .

(4.116)

Auf Grund des nichtlokalen und nichtlinearen Materialverhaltens von Beton ist die Biegezugfestigkeit von der Bauteildicke abh¨angig. Es ist zwischen der reinen Zugfestigkeit (zentrischer Zug) und der Biegezugfestigkeit zu unterscheiden. Dies wird durch den Faktor fR (Bild 9 von DIN V 1201, Bild 8 von DIN 4035 bzw. Bild A.1 von DIN EN 640) ber¨ ucksichtigt. Der Faktor fR ist vom Verh¨altnis N der Spannungen σσM , die durch die Normalkraft bzw. das Biegemoment erzeugt werden, und der Wandst¨ arke der Rohre (t oder s) abh¨angig. Wenn die Normalkraft Druckspannungen erzeugt, so dass σN ≤ε (4.117) σM wird mit der Festlegung von ε nach den Gleichungen (4.119) bis (4.121) fR = 0, 9

(4.118) N des Spannungsverh¨ altnisses σσM , ab Wert von ε ist wie der Faktor fR von

Der Grenzwert dem fR > 0, 9, wird mit ε bezeichnet. Der der Wandst¨arke s des Rohres abh¨ angig. Die Gleichung f¨ ur ε ist nicht dimensionsrein. Die Wandst¨arke ε ist in mm anzugeben. Die in den Bildern der Normen festgelegte Abh¨angigkeit kann durch folgende Gleichungen beschrieben werden: Wandst¨ arke s ≤ 50 mm: 50 mm < s < 300 mm:

ε ε

Wandst¨ arke s ≥ 300 mm: ε

=

0

=

−0, 3 1 − e[−0, 009 · (s − 50)]

=

−0, 000126 · (s − 50) −0, 3





(4.119)

(4.120) (4.121)

¨ Der Ubergang von Biegung mit zentrischem Druck zum ann¨ahernd zentrischen Zug wird in 2 Bereiche eingeteilt. 3

Wasserdichtheit ist nach den im Anhang E von DIN EN 1916 beschriebenen Verfahren zu bestimmen (DIN EN 1916, 6.5)

4.4 Regelungen von ATV A 161, DIN EN 1916 und DIN V 1201

σN σM

Bereich 1

 fR = 1 − e

N − σσM +ε

4

(4.122) 

N − σσM

 +ε




fR

=

1−e

β

=

0, 05458 + 0, 00491

σN σM

≥

4

fR

=

0, 148 ln

wobei Bereich 2

<



+ 0, 9 + β

 σN −ε σM

ε 0, 3

(4.123) (4.124) (4.125)




 + 0, 9 + β

197

σN −ε σM



σN − 1, 7 + 1, 9767 σM



 fR = 0, 148 ln

(4.126) 

σN − 1, 7 + 1, 9767 σM

fR

2,4

6

2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 666 0,9 -0,4 6 -0,2 0 0,2 0,4 0,7 1

1,5 2

3

4

5

7

10

15

- σN 20 σM

s ≤ 50 mm s = 100 mm

s = 150 mm s ≥ 300 mm

Bild 4.13. Faktor fR als Funktion von σN /σM

Der Faktor fR ist in den verschiedenen Vorschriften (DIN EN 640 [10]; fr¨ uher in DIN 4035 [29], Abschnitt 6.3.2.2 und Bild 8, und seit 2003 in DIN V 1201, Abschnitt 5.2.5 und Bild 9) gleich festgelegt. Die Begr¨ undung f¨ ur den Nachweis der Rohrvergleichsspannung hat sich etwas gewandelt. In DIN 4035, Abschnitt 6.3.2.2, wurde verlangt: Im Hinblick ” auf die notwendige Wasserdichtheit . . . ist die Verminderung der Rissbildung

198

4 Statische Berechnung von Vortriebsrohren

nachzuweisen.“ In DIN V 1201, Abschnitt 5.2.5: Ein Nachweis der Beschr¨ankung ” der Rissbreite von Stahlbetonrohren nach DIN 1045-1 ist nicht erforderlich, wenn die Verminderung der Rissbildung im Zustand I, d. h. unter Annahme der Mitwirkung des Betons in der Zugzone, unter Gebrauchslast nachgewiesen wird.“ Die Rohrvergleichsspannung σV R,max ist deutlich h¨oher als die zentrische Betonzugfestigkeit fct (fct = fct,ax; siehe Tabelle 4.2; aus Zilch/Rogge [220], S. 220). Tabelle 4.2. Materialparameter von Beton nach DIN 1045-1 in [N/mm2 ] Zylinderdruckfestigkeit (5 %-Fraktile) W¨ urfeldruckfestigkeit mittlere Zylinderdruckfestigkeit mittlere zentrische Zugfestigkeit zentrische Zugfestigkeit (5 %-Fraktile) zentrische Zugfestigkeit (95 %-Fraktile) mittlerer E-Modul

fck fck,cube fcm fctm fct;0,05 fct;0,95 Ecm

35 45 43 3,2 2,2 4,2 33.300

45 55 53 3,8 2,7 4,9 35.700

55 67 63 4,2 3,0 5,5 37.800

Da die Rohrvergleichsspannung eher als zul¨assige Biegezugspannung anzusehen ist, werden in Tabelle 4.3 Biegezugfestigkeiten f¨ ur verschiedene Balkenh¨ohen, die nach dem Model Code 90 (siehe [220], Gleichung 2.6) entsprechend Gleichung (4.128) ermittelt wurden, zusammengestellt und mit σV R,max f¨ ur σN = 0 verglichen.
0,7 hb 1, 5 · β β = (4.127) fct,ax = fct,fl ho 1 + 1, 5 · β 1 + 1, 5 · β hb Balkenh¨ohe [cm] wobei fct,fl = fct,ax (4.128) ho 10 cm 1, 5 · β Tabelle 4.3. Biegezugfestigkeiten fct,f l von C 35/45 Balkenh¨ ohe im Vergleich zu σV R,max /fR hb [cm] fctm,f l fct;0,05,f l fct;0,95,f l σV R,max /fR

5 6,7 4,6 8,7 6,7

10 5,3 3,7 7,0 6,0

20 4,5 3,1 5,9 5,3

30 4,2 2,9 5,5 5,1

in Abh¨ angigkeit

von

der

40 4,0 2,8 5,3 5,1

Aus der Zusammenstellung in Tabelle 4.3 wird deutlich, dass die Rohrvergleichsspannung f¨ ur reine Biegung (σN = 0) deutlich u ¨ ber der 5 %Fraktile der nach dem Model Code 90 ermittelten Biegezugfestigkeiten liegt. Die Werte liegen in etwa beim Mittelwert der Biegezugfestigkeit. F¨ ur ann¨ahernd reinen“ Zug ist nach DIN V 1201 eine Zugspannung von 2,5 N/mm2 zul¨assig, die ” mittlere Zugfestigkeit fctm,ax nach DIN 1045-1 ist f¨ ur C 35/45 mit 3,2 N/mm2 zwar 2 etwas h¨ oher, die 5 % Fraktile mit 2,2 N/mm jedoch geringer. Diese Vergleiche zeigen, dass die Bemessung mit dem Zustand I und der Rohrvergleichsspannung sehr wirtschaftlich ist, aber keine Sicherheitsreserven aufweist.

4.5 Berechnungsbeispiel

4.5

199

Berechnungsbeispiel

Das folgende Berechnungsbeispiel wurde mit dem Programm ROVO erzeugt. Das Programm ROVO ist keine Konkurrenz zu kommerziellen Programmen, sondern es ist konzipiert f¨ ur theoretische Untersuchungen und wissenschaftliche Vergleichsberechnungen. K¨ aufer des Buches k¨ onnen sich wegen des Programms an den Verlag oder die Autoren wenden. Beispiel f¨ ur einen Eingabedatensatz (Zeilen mit einem %“ in der ersten Spalte ” dienen der Kommentierung, sie sind f¨ ur die Berechnung ohne Bedeutung.)

BERECHNUNG 03: VORTRIEB UNTER % DA S H 1,540 0,17 3,000 %FALZT-I FALZT-A A_INNEN 0,000 0,025 0,040 %AST_INN AST_AUS (CM^2/M) 4,60 3,40 %GAMMAB GAMMABPR PHIPR 20,00 10,00 35,0

EISENBAHN K2 IBOG IWER FLAELA 0,3 3 2 0,0 A_AUSSEN GAMMA-FU GAMMA-AU 0,034 0,0 0,0 K1 0,3

PVERK MEHRGLEI

EB 9000,0

Ergebnisse der Berechnung BERECHNUNG 03: VORTRIEB UNTER EISENBAHN -----------------------------------------------------------------------FUER DIE BERECHNUNG GELTEN DIE EINHEITEN: LAENGEN (M), KRAEFTE (KN) MOMENTE (KN*M/M), BEWEHRUNG (CM^2/M) HINWEISE AUF BILDER UND TABELLEN BEZIEHEN SICH AUF ATV A 161 -----------------------------------------------------------------------EINGABEDATEN UND DURCH ATV-ARBEITSBLATT A161 GEGEBENE WERTE BODENGRUPPE (ABSCHNITT 3.4, TAB. 1, TAB. 4) 3 WERKSTOFF (NUMMER DER ZEILE VON TAB. 2) 2 1: ASBESTZEMENT; 2: STAHLBETON; 3: STAHL; 4: STEINZEUG VERTEILTE FLAECHENLAST (Z. B. SCHUETTUNG) 0,000 GAMMA DER FLUESSIGKEIT INNEN BIS ROHRSCHEITEL 0,000 GAMMA DER FLUESSIGKEIT AUSSEN BIS ROHRSCHEITEL 0,000 BEWEHRUNG (CM^2/M) INNEN 4,600 AUSSEN 3,400 VERKEHRSLAST: MEHRGLEI H= 3,000 DM= 1,370 P INFOLGE VERKEHR (EINSCHL, STOSSFAKTOR PHI): 43,668 (PHI= 1,15) BODENGRUPPE: 3 GAMMA 20,000 GAMMA UNTER AUFTRIEB 10,000 REIBUNGWINKEL PHI 25,000 VERFORMUNGSMODUL E_B 3000,000 ERDDRUCKVERHAELTNIS UEBER ROHRSCHEITEL (K1) 0,500 ERDDRUCKVERHAELTNIS UNTER ROHRSCHEITEL (K2) 0,300 ELASTIZITAETSMODUL DES WERKSTOFFS (TAB. 2) 3,000E+07 AUSSENDURCHMESSER DES ROHRS (BILD 1) 1,540 WANDSTAERKE DES ROHRS 0,170 MITTLERER RADIUS RM DES ROHRES 0,685

200

4 Statische Berechnung von Vortriebsrohren FALZTIEFE DES ROHRES (AUSSEN) 0,025 FALZTIEFE DES ROHRES (INNEN) 0,000 ABSTAND DES SCHWERPUNKTES DER BEWEHRUNG (INNEN) 0,040 ABSTAND DES SCHWERPUNKTES DER BEWEHRUNG (AUSSEN) 0,034 HOEHE DER UEBERDECKUNG (BILD 1) 3,000 LAENGSDRUCKFESTIGKEIT BETA_LD (TAB. 2) 27000,000 -----------------------------------------------------------------------ZWISCHENERGEBNISSE ABMINDERUNGSFAKTOR KAPPA NACH ABSCHNITT 5.2.1 0,885 ERDAUFLAST (PEV, ABSCHNITTE 5.2.1 UND 5.2.2) 53,105 EINSCHLIESSL. FLAECHENL. (FLAECHENL. IST NICHT MIT KAPPA ABGEMINDERT) VERKEHRSLAST (PV, ABSCHNITT 6.2.3) 43,668 -----------------------------------------------------------------------VORWERTE FUER DIE ERDLAST PEV= 53,105 BEI K2= 0,300 SCHEITEL M-N 0,16360 -0,49780 KAEMPFER M-N -0,16360 -1,00000 SOHLE M-N 0,16360 -0,49780 -----------------------------------------------------------------------BEANSPRUCHUNG: ZUSAMMENSTELLUNG DER MOMENTE UND NORMALKRAEFTE SCHEITEL KAEMPFER SOHLE MOMENT NORMALKR. MOMENT NORMALKR. MOMENT NORMALKR. EIGENGEWICHT 0,688 0,486 -0,784 -4,574 0,879 -5,057 ERDLAST 4,077 -18,108 -4,077 -36,377 4,077 -18,108 VERKEHRSLAST 5,123 -7,478 -5,123 -29,913 5,123 -7,478 FUELL. B. S. 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 GRUNDW.B. S. 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 INNENDRUCK 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 AUSSENDRUCK 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 -----------------------------------------------------------------------UNGUENSTIGSTE BEANSPRUCHUNGEN SCHEITEL KAEMPFER SOHLE MOMENT NORMALKR. MOMENT NORMALKR. MOMENT NORMALKR. MAX. WERTE 9,887 -25,100 0,000 0,000 10,079 -30,643 MIN. WERTE 0,000 0,000 -9,983 -70,863 0,000 0,000 MINDESTWERTE 15,484 -68,500 -15,484 -137,000 15,484 -68,500 -----------------------------------------------------------------------BERECHNUNG DER BEWEHRUNG FUER ZUSTAND 2 WANDSTAERKE S (CM) 17,000 DIN 1045 (1988-07), K_H-VERFAHREN, TAFEL IV.1 BEI SCHNEIDER (1990) BEWEHRUNG (CM^2/M) INNEN AUSSEN SCHEITEL 2,942 0,000 KAEMPFER 0,000 1,406 SOHLE 2,942 0,000 BEWEHRUNG INNEN 2,942 CM^2/M BEWEHRUNG AUSSEN 1,406 CM^2/M DER KLEINSTE K_H-WERT: 2,869 K_H^* FUER B 45: 1,380 -----------------------------------------------------------------------"LASTFALL" TEILSICHERHEITSBEIWERT EINWIRKUNGSFALL (GRENZZUSTAND 1B, DIN 1054, 2003-01) 1.EIGENGEWICHT 1,35 2.ERDLAST 1,35

4.5 Berechnungsbeispiel

201

3.VERKEHRSLAST 1,50 4.FUELL. B. S. 1,50 FUELLUNG BIS SCHEITEL 5.GRUNDW.B. S. 1,50 GRUNDWASSER BIS SCHEITEL 6.INNENDRUCK 1,50 7.AUSSENDRUCK 1,50 -----------------------------------------------------------------------BEANSPRUCHUNG: ZUSAMMENSTELLUNG DER BEMESSUNGS-MOMENTE UND BEMESSUNGSNORMALKRAEFTE (DIN 1054, 2003-01) SCHEITEL KAEMPFER SOHLE MOMENT NORMALKR. MOMENT NORMALKR. MOMENT NORMALKR. EIGENGEWICHT 0,929 0,656 -1,058 -6,174 1,187 -6,827 ERDLAST 5,503 -24,446 -5,503 -49,108 5,503 -24,446 VERKEHRSLAST 7,684 -11,217 -7,684 -44,869 7,684 -11,217 FUELL. B. S. 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 GRUNDW.B. S. 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 INNENDRUCK 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 AUSSENDRUCK 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 -----------------------------------------------------------------------UNGUENSTIGSTE BEANSPRUCHUNGEN BEMESSUNGSSCHNITTGROESSEN SCHEITEL KAEMPFER SOHLE MOMENT NORMALKR. MOMENT NORMALKR. MOMENT NORMALKR. MAX. WERTE 14,116 -35,007 0,000 0,000 14,374 -42,490 MIN. WERTE 0,000 0,000 -14,245 -100,152 0,000 0,000 MIND.W.(1,5) 23,227 -102,750 -23,227 -205,500 23,227 -102,750 -----------------------------------------------------------------------BERECHNUNG DER BEWEHRUNG FUER ZUSTAND 2 WANDSTAERKE S (M) 0.170 DIN 1045-1 (2001-07), OMEGA-VERFAHREN, TAFEL 3.1.1, INSTITUT FUER STAHLBETONBEWEHRUNG E.V. (ARBEITSBLATT 4, 2002-01) BEWEHRUNG (CM^2/M) INNEN AUSSEN SCHEITEL 2,801 0,000 KAEMPFER 0,000 1,275 SOHLE 2,801 0,000 BEWEHRUNG INNEN 2,801 CM^2/M BEWEHRUNG AUSSEN 1,275 CM^2/M DER GROESSTE MU-WERT: 0,092 MU-GRENZ: 0,371 -----------------------------------------------------------------------RANDSPANNUNGEN (BERECHNUNG FUER ZUSTAND 1, UNGERISSEN) SCHEITEL KAEMPFER SOHLE SIGMA_M SIGMA_N SIGMA_M SIGMA_N SIGMA_M SIGMA_N FUER MAX,M/N 1926,838 -138,523 0,000 0,000 1964,147 -169,113 FUER MIN,M/N 0,000 0,000 1957,413 -391,076 0,000 0,000 FUER MIND,W, 3017,657 -378,035 3036,146 -756,071 3017,657 -378,035 -----------------------------------------------------------------------F_R FAK_SIG 0,989 -0,125 0,900 -0,249 0,989 -0,125 SIGMA_VR 2609,802 2052,068 2609,802 -----------------------------------------------------------------------MAXIMALE ROHRVERGLEICHSSPANNUNG (SIGMA_VR) 2609,802 NACH DIN 4035, ABSCHNITT 6.3.2.2, BETRAEGT DIE ZUL. ROHRVERGEICHSSPANNUNG 6 N/MM^2 BZW. 6000 KN/M^2 ------------------------------------------------------------------------

202

4 Statische Berechnung von Vortriebsrohren KLEINSTE SPANNUNG (GROESSTE DRUCKSPANNUNG) -3773,728 DIE MAX. VORTRIEBSKRAFT ERGIBT SICH AUS ZUL. V = A*(ZUL. BETA/FAKSIG) ZUL. BETA = BETA_LD/GAMMA_LAE = 27000,000/ 1,60= 16875,000 FAKSIG = MAX. SIGMA/SIGMA_0 = SIGMA_RAND/SIGMA_0 DA_RED 1,4900 S_RED 0,1450 DRUCKFLAECHE 0,6127 Z IST DIE BREITE DER DRUCKFLAECHE. MAX. Z = DA_RED = 1,490 MAX. VORPRESSKRAFT (EXZENTR. = 0) 10339 -----------------------------------------------------------------------Z/D_A ZULAESSIGE EXZENTRISPANNUNGSVERVORPRESSKRAFT ZITAET HAELTNIS (FAKSIG) 1,000 5170 0,307 2,000 0,900 4664 0,368 2,217 0,800 4231 0,416 2,444 0,700 3819 0,457 2,707 0,600 3408 0,496 3,034 0,500 2982 0,532 3,467 0,400 2527 0,567 4,091 0,300 2019 0,601 5,121 0,200 1414 0,637 7,313 0,100 618 0,682 16,729 ************************************************************************

5

Statische Berechnung von Nebenbauwerken

5.1

Allgemeines

In diesem Kapitel sollen die geotechnischen Aspekte der statischen Berechnung der Sch¨ achte behandelt werden. Ein typischer Vorpressschacht ist auf Bild 5.1 zu sehen.

Foto: H. Bramm, Vaihingen/Enz Bild 5.1. Spundwandkasten als Vorpressschacht

Bei der Berechnung und Konstruktion gelten im Wesentlichen die gleichen Regeln wie f¨ ur Baugruben. Neben den einschl¨ agigen DIN-Normen wird vor allem auf folgende ausf¨ uhrliche Darstellungen verwiesen: – Kapitel D, Abschnitt 9, Baugruben, im Beton-Kalender (z. B. 1998) [229]; – Empfehlungen des Arbeitskreises Baugruben“ – EAB der Deutschen Gesell” schaft f¨ ur Geotechnik [118] – Empfehlungen des Arbeitskreises Ufereinfassungen“ – EAU der Hafenbau” technischen Gesellschaft [120]. In Abh¨ angigkeit vom Rohrdurchmesser, der Vortriebsl¨ange, der sp¨ateren Nutzung der Sch¨ achte, den Baugrundverh¨ altnissen und der Tiefe der Trasse kommen f¨ ur den Bau von Sch¨ achten verschiedene Verfahren zur Anwendung.

204

5.1.1

5 Statische Berechnung von Nebenbauwerken

Verbauger¨ ate und Verbauboxen

F¨ ur kleinere Vortriebe k¨ onnen große oder modifizierte Verbauger¨ ate und Verbauboxen verwendet werden, wie sie vor allem bei der Grabenbauweise Verwendung finden. Grabenverbauger¨ ate sind außerhalb des Grabens entsprechend DIN EN 13331 und DIN EN V 14653 ([56], [60]) vorgefertigte Einheiten. Grabenverbauboxen sind industriell hergestellte Ger¨ ate aus Stahlplatten, Spindeln, Hydraulikpressen und Spundbohlen.

Foto: T. Br¨autigam, Stuttgart Bild 5.2. Grabenverbauelemente als Schachtsicherung

5.1.2

Spundw¨ ande

Im Grundwasser f¨ uhrenden Lockergestein werden die Sch¨achte meist als ausgesteifte oder verankerte Spundwandk¨asten hergestellt. Wenn die Sch¨achte groß und tief sind, so dass die Steifen den Baubetrieb behindern w¨ urden, erfolgt meist eine Verankerung mit Verpressankern oder Bodenn¨ageln. Bild 5.3 zeigt

5.1 Allgemeines

205

eine zweilagig verankerte Spundwand, die zus¨atzlich ausgesteift ist (vor der Ausfahrwand mit der Brillenwand ist die Microtunneling-Maschine zu sehen, Herrenkecht AVN 2000D).

Foto: Herrenknecht AG, Schwanau Bild 5.3. Vorpressgrube als Spundwandkasten

In steifen bis halbfesten bindigen B¨ oden oder dicht gelagerten Kiesen, ist es h¨ aufig notwendig, den Boden durch Vorbohren oder Sp¨ ulhilfe aufzulockern, um mit der Spundwand die geplante Tiefe zu erreichen. In solchen F¨allen sollten, unabh¨ angig von der rechnerischen Beanspruchung, nur steife Spundbohlen mit Blechst¨ arke von mindestens 10 mm (z. B. Larssen 23 oder st¨arker) verwendet werden. Es ist zu beachten, dass sich durch den Einsatz von Sp¨ ulhilfe in der Umgebung der Spundwand Setzungen einstellen k¨onnen und der Wandreibungswinkel reduziert wird. Die negativen Auswirkungen der Sp¨ ulhilfe auf die Festigkeit des Bodens k¨ onnen vor allem bei bindigen B¨oden gravierend sein. Hinter der Widerlagerwand sollte beim Einsatz von Sp¨ ulhilfe vor Beginn des Vorpressens eine Verpressung erfolgen, um die Entfestigung durch den Einbringvorgang zu kompensieren. Wenn die Spundw¨ ande in harten, kompakten Fels einbinden sollen, k¨onnen Bodenaustauschbohrungen notwendig werden. Bodenaustauschbohrungen sind vor allem dann sinnvoll, wenn die Spundw¨ ande nach Abschluss der Baumaßnahme

206

5 Statische Berechnung von Nebenbauwerken

gezogen werden m¨ ussen. Kann der Verbau im Baugrund verbleiben, ist in solchen F¨ allen eine Bohrpfahlwand im Hinblick auf die Ausf¨ uhrungssicherheit zu bevorzugen. Um Spundw¨ ande in harten Fels einzubringen, k¨onnen auch – Lockerungssprengungen mit geringer Sprengmitteldosierung oder – Luftpuffersprengungen, auch RSB-Verfahren genannt, sinnvoll sein ([229], Seite 669). Ist die unter der Lockergesteinsschicht folgende Felsschicht nur schwach Wasser f¨ uhrend und relativ homogen, reicht es aus, die Spundwand in den Fels hineinzurammen und im Felsbereich selbst, eine Spritzbetonsicherung, ggf. mit N¨ ageln verst¨arkt, auszuf¨ uhren.

5.1.3

Bohrpfahlw¨ ande

Wenn unter einer harten Felsschicht stark verwitterter, wasserdurchl¨assiger Fels folgt, ist eine u ¨berschnittene Bohrpfahlwand zweckm¨aßig. Bohrpfahlw¨ande – oberhalb des Grundwassers auch aufgel¨ ost mit Spritzbetonausfachung – sind bei folgenden Randbedingungen angebracht: – neben Geb¨ auden und empfindlichen Anlagen, wenn das Rammen oder Einvibrieren von Spundbohlen nicht zul¨ assig ist; – der Verbau sehr verformungsarm sein muss; – vom Verbau hohe Vertikalbelastungen aufzunehmen sind. – Bei einem direkten Anschluss des Schachtes an ein Geb¨aude kann eine Wand aus VDW-Pf¨ ahlen (Vor-der-Wand-Pf¨ahle) zweckm¨aßig sein. (VDW-Pf¨ahle haben Durchmesser von 40 cm bis 60 cm und werden mit einem Bohrger¨at hergestellt, das dichter an eine Wand heranfahren kann als die konventionellen Pfahlbohrger¨ ate.)

5.1.4

Schlitzw¨ ande

Schlitzw¨ ande haben prinzipiell die gleichen Vor- und Nachteile wie u ¨ berschnittene Bohrpfahlw¨ ande. Mit ihnen kann man allerdings noch gr¨oßere Tiefen erreichen. Wegen der hohen Baustelleneinrichtungskosten kommen Schlitzw¨ande nur bei sehr tiefen Sch¨ achten in Frage oder dann, wenn auf der Baustelle ohnehin die Baustelleneinrichtung f¨ ur Schlitzw¨ ande vorhanden ist.

5.1.5

Spritzbeton

In Fels oder gut standfesten bindigen B¨oden ohne Grundwasser ist eine Spritzbetonsicherung, erg¨ anzt durch N¨ agel oder Verpresspf¨ahle, eine wirtschaftliche L¨ osung. Der Baugrund muss zumindest tempor¨ar standfest sein, damit dem Aushub

5.1 Allgemeines

207

folgend von oben nach unten gesichert werden kann. Die Bauweise ist sehr flexibel und mit vergleichsweise niedrigen Baustelleneinrichtungskosten verbunden (siehe Bild 5.4).

Foto: T. Br¨autigam, Stuttgart Bild 5.4. Mit Spritzbeton und N¨ ageln gesicherte Vorpressgrube

5.1.6

Schachtbauwerk als Senkkasten

Wenn das Schachtbauwerk entsprechend groß ist und als Senkkasten hergestellt wird, kann auf einen tempor¨ aren Verbau der Pressgrube verzichtet und aus dem Schachtbauwerk heraus vorgepresst werden. Da die Schneide des Senkkastens ¨ einen Uberstand hat, um die Reibung beim Absenken zu reduzieren, ist der ¨ Boden oberhalb des Uberstandes aufgelockert. Vor dem Beginn des Vorpressens ist der aufgelockerte Bereich zu verpressen. Außerdem muss der durch den Kasten aufnehmbare Erdwiderstand wesentlich h¨ oher sein als die Vorpresskraft, um eine Sch¨ adigung des Kastens zu vermeiden.

208

5 Statische Berechnung von Nebenbauwerken

Bild 5.5. Prinzipskizze zum Rohrvortrieb aus einem Senkkasten heraus

Foto: Herrenknecht AG, Schwanau Bild 5.6. Seeseitiger Zielschacht als doppelwandiger Stahlsenkkasten beim Europipe Projekt im Norddeutschen Wattenmeer

5.2 Ein- und Ausfahrwand

5.2

209

Ein- und Ausfahrwand

Die Besonderheit der Ein- und Ausfahrw¨ande besteht darin, dass die Baugrubenwand ge¨ offnet werden muss, damit der Vortrieb realisiert werden ¨ kann. Der Erddruck auf den Bereich der Verbauwand oberhalb der Offnung ist entweder durch Tr¨ ager auf die Nachbarbereiche zu u bertragen (Auswechslung ¨ ¨ bzw. Umsteifung) oder um die Offnung herum ist eine Schirmkonstruktion zur Lastabtragung erforderlich (siehe Bild 5.7). Die Abfangung u ¨ ber Quertr¨ager wird in der Regel bei Spundw¨ anden gew¨ ahlt, die Schirmkonstruktion aus Bodenn¨ageln oder dgl. bei einer Spritzbetonsicherung. Bei der Ausbildung eines Schirmes aus Boden(Fels)n¨ ageln ist zu beachten, dass die N¨ agel oberhalb der Rohr¨offnung nach oben gerichtet sein m¨ ussen, um den Vortrieb nicht zu behindern (siehe Bild 5.8).

Bild 5.7. Abfangung der Verbaukr¨ afte u offnung ¨ber der Ein-(Aus)fahr¨

Bild 5.8. Herstellung von N¨ ageln oberhalb der Ein-(Aus)fahr¨ offnung

210

5 Statische Berechnung von Nebenbauwerken

Wenn der Rohrvortrieb oberhalb des Grundwassers verl¨auft, sind die ¨ erdstatischen Uberlegungen f¨ ur die Bemessung ausreichend, bei einem Vortrieb im Grundwasser sind zus¨ atzliche Maßnahmen erforderlich, um ein Ausstr¨omen des Wassers und ein Aussp¨ ulen des Boden beim Ein- oder Ausfahren zu verhindern. Auch bei gut standfesten B¨ oden ist eine Abdichtung u ¨ ber eine Brillenwand, eine vor die Ein-/Ausfahrwand gesetzte Konstruktion aus Stahl oder Beton, zur Abdichtung erforderlich. Eine M¨ oglichkeit zur Ausbildung einer solchen Konstruktion ist in Bild 5.9 dargestellt.

Bild 5.9. Abdichtung der Brillenwand

Bei koh¨ asionlosen und wenig koh¨ asiven B¨oden ist zus¨atzlich zur Abdichtung mit der Brille eine Verbesserung des Bodens oder ein Bodenaustausch erforderlich. Entweder wird durch Injektionen oder Vereisung die Festigkeit des Bodens erh¨ oht und die Wasserdurchl¨ assigkeit reduziert oder das Lockergestein wird durch einen HDI-K¨orper (Verfestigung/Bodenaustausch mit dem D¨ usenstrahlverfahren) ersetzt bzw. verfestigt. Die Festigkeit des Bodens bzw. des Ersatzmaterials muss einerseits so hoch sein, dass beim Aus- oder Einfahren kein Material aus der Wand¨ offung herausbricht, andererseits soll das Material noch mit geringem Aufwand durch¨ ortert werden k¨ onnen. Hinweise zu den Verfahren gibt es in [225, 230, 232].

5.3 Widerlagerwand

5.3

211

Widerlagerwand

Der Teil des Schachtverbaus, auf den sich die Vortriebspressen abst¨ utzen, wird als Widerlagerwand bezeichnet. Die Widerlagerwand erf¨ahrt im Lockergestein eine ausgepr¨ agte Wechselbeanspruchung. Wenn nicht gepresst wird, wird die Widerlagerwand wie eine u ¨bliche Verbauwand durch aktiven Erddruck beansprucht, beim Pressvorgang wirkt sie dann wie ein Widerlager, das gegen den Boden gedr¨ uckt wird. Auf die Wand wirkt dann der Erdwiderstand, der passive Erddruck. Liegt die Widerlagerwand im Fels, der selbst keinen, oder nur einen sehr geringen Erddruck aus¨ ubt, erf¨ahrt sie im Wesentlichen eine Druckschwellbeanspruchung aus dem Vorpressvorgang. Zur Vordimensionierung der Widerlagerwand kann entweder eine stark vereinfachte Verformungs- und Erdwiderstandberechnung durchgef¨ uhrt (Abschnitt 5.3.1) oder das Diagramm aus der fr¨ uheren SIA-195 verwendet werden.

5.3.1

Einfache Berechnung der m¨ oglichen Widerlagerbelastung

Eine einfache Absch¨ atzung kann mit den Gleichungen (5.1) und (5.2) erfolgen (zu den Bezeichnungen siehe Bild 5.10). Die Verschiebung s des quadratischen Widerlagers mit der Breite bwid , belastet durch die Vortriebskraft V , im Baugrund mit dem Steifemodul Es kann auf der Basis der Formel von Timoshenko f¨ ur die Kreisplatte auf dem Halbraum1 abgesch¨ atzt werden: V s= (5.1) bwid · Es Die Grenzlast ergibt sich – auf Grund einer vereinfachten Erdwiderstandsberechnung – zu 
cos ϕ 1 + sin ϕ Vgrenz = bwid · h γ · h+ 2c , (5.2) 1 − sinϕ 1 − sin ϕ bwid wobei . h = h− 2 Es kann mit der Vortriebskraft gearbeitet werden, bei der die Verschiebung s im zul¨ assigen Bereich bleibt (Gr¨ oßenordnung 2 cm bis 5 cm) und gegen¨ uber der Kraft Vgrenz noch eine Sicherheitsreserve bleibt (etwa 30 %, wenn keine Bauwerke in der N¨ahe sind).

5.3.2

Widerlagerbelastung nach dem Diagramm aus SIA 195 (1992)

Eine genauere Absch¨ atzung als mit den Gleichungen (5.1) und (5.2) ist mit Hilfe des Diagramms von Bild 5.10, das fr¨ uher in der SIA 195 enthalten war, m¨oglich. 1

F¨ ur den homogenen, isotropen, linear-elastischen Halbraum (Elastizit¨ atsmodul E und die Querdehnungszahl ν), belastet durch die starre Kreisplatte mit der mittleren σ·r Spannung σ und dem Radius r ergibt sich die Setzung s = π2 E (1−ν 2)

212

5 Statische Berechnung von Nebenbauwerken

Bild 5.10. Diagramm zur Dimensionierung des Pressenwiderlagers

Die Benutzung des Diagramms soll an zwei Beispielen f¨ ur einen Boden mit ϕ = 30o und gezeigt werden. Es /(γ · h) = 500: Geht man bei einem Wert bwid /h = 0, 5 nach oben, erreicht man die Kurve f¨ ur ϕ = 30o bei Vzul /(γ ·h2 ·bwid) = 3, 2. Es ist also eine Vortriebkraft von Vzul = 3, 2 · γ · h2 · bwid m¨ oglich. Es /(γ · h) = 250: Geht man bei einem Wert bwid /h = 0, 3 nach oben, kommt man, bevor die Kurve f¨ ur ϕ = 30o erreicht wird, auf die Gerade f¨ ur Es /(γ · h) = 250 und erh¨ alt einen Wert von 1,6 f¨ ur Vzul /(γ·h2 ·bwid). Es ist also eine Vortriebkraft von Vzul = 1, 6 · γ · h2 · bwid m¨ oglich. Eine noch genauere Berechnung der m¨ oglichen Widerstandskraft ist nach DIN 4085 [36], [37] oder mit den in Abschnitt 5.5.2 beschriebenen Verfahren m¨oglich. Wenn der errechnete Widerstand f¨ ur den Vortrieb nicht ausreicht, gibt es vor allem folgende M¨ oglichkeiten, die aufnehmbare Kraft zu erh¨ohen: – Durch eine Aufsch¨ uttung hinter der Widerlagerwand wird das Spannungsniveau im Boden erh¨ oht, so dass sowohl die Belastung (aktiver Erddruck) als auch die aufnehmbare Kraft (passiver Erddruck) ansteigen. – Durch Injektionen wird die Scherfestigkeit des Bodens hinter dem Widerlager gesteigert. Dabei sollten die Injektionen u ¨ ber den Erdwiderstandskeil hinausreichen, um die wirksame Fl¨ ache“ zu erh¨ohen. Injektionen im Nahbereich ” erh¨ ohen zwar die Steifigkeit, aber nur bedingt die Grenzlast.

5.3 Widerlagerwand

213

– Anordnung von horizontalen oder schwach geneigten pfahl¨ahnlichen Elementen: Wenn auf der Baustelle ohnehin mit dem D¨ usenstrahlverfahren gearbeitet wird, k¨ onnen dies horizontale D¨ usenstrahlk¨ orper sein. Bei kleineren Vortrieben kann auch u ahle (GEWI-Pf¨ ahle) oder Selbstbohranker (Ischebeck ¨ber Verpresspf¨ oder Mai), siehe Abschnitt 5.4, eine relevante Erh¨ohung der Belastbarkeit des Widerlagers erreicht werden. Die pfahl¨ ahnlichen Elemente sollten wesentlich u ¨ ber den Erdwiderstandskeil hinausgehen (L¨ ange der Elemente etwa das 2- bis 3-fache der Wandh¨ ohe), damit die Tragwirkung einer Pfahl-Plattengr¨ undung erreicht wird. Ein Beispiel eines Pressenwiderlagers ist auf Bild 5.11 zu sehen. Zwei orthogonal zueinander orientierte Vortriebsrichtungen treffen sich in einem Doppelpressschacht mit L-f¨ ormigem Grundriss. Die Schachtwandung ist durch einen Berliner Verbau mit Spritzbetonausfachung gesichert.

Foto: T. Br¨autigam, Stuttgart Bild 5.11. Widerlagerwand in einem Pressschacht mit Spritzbetonausfachung

214

5.4

5 Statische Berechnung von Nebenbauwerken

Verankerung und Vernagelung

Bei kleineren Sch¨ achten mit rechteckigem Grundriss wird meist eine Aussteifung aus Stahlprofilen durchgef¨ uhrt. Bei gr¨ oßeren und tieferen Sch¨achten oder wenn nicht alle Seiten des Schachtes einen senkrechten Verbau erhalten, ist es vorteilhafter, den Verbau zu verankern. Bei tiefen Sch¨achten werden meist Verpressanker nach DIN EN 1537 [22] verwendet. Dabei ist die Verwendung von GEWI-Ankern (siehe Tabelle 5.1) aus 2 Gr¨ unden von Vorteil: 1. Wenn die Ankerk¨ opfe durch pendelnde Lasten oder dgl. verformt werden, ist dies bei dem z¨ ahen Verhalten von BSt 500 bzw. S 555/700 ohne große Bedeutung, da bei diesem Stahl nicht die Gefahr des schlagartigen Bruches besteht. Bei Ankern aus Spannstahl m¨ ussen die Ankerk¨opfe in Bereichen mit Krantransport durch eine Zusatzkonstruktion gesch¨ utzt werden. 2. Die Ankerkraft kann problemlos abgelassen oder erh¨oht werden. Auf eine ¨ Uberbeanspruchung reagiert der Stahl mit plastischer Verformung ohne zu brechen. Bei kleineren Schachtbauwerken ist es zweckm¨aßig, Bodenn¨agel, Verpresspf¨ahle oder Selbstbohranker einzusetzen, die als Zugelement einen Stahl mit durchgehendem aufgewalztem Gewinde besitzen. Diese sind zwar teurer, wenn man die Materialkosten pro kN Zugkraft betrachtet, sie sind aber in Bezug auf die Herstellung und die Baustelleneinrichtung wesentlich einfacher als Verpressanker. Ihre Anwendung wird in DIN EN 14199 [57], bauaufsichlichen Zulassungen und Datenbl¨ attern der Hersteller geregelt. Die Vorteile der Elemente aus Baustahl mit aufgewalztem Gewinde sind: – Das durchlaufende Gewinde gew¨ ahrleistet guten Verbund mit M¨ortel und u ¨ berall Schraubbarkeit. – Das Gewinde ist unempfindlich gegen Verschmutzung. – Die Kopplung u ¨ ber Gewindemuffen und die Ausbildung des Pfahlkopfes sind einfach und robust. Bei den so genannten Selbstbohrankern (hohle Gewindestangen) kommen weitere Vorteile hinzu: – Auch im Lockergestein ist keine Verrohrung erforderlich. – Da das Zugelement selbst das Bohrgest¨ ange bildet und mit verlorenen Kronen gearbeitet wird, k¨ onnen kleine Bohrger¨ ate oder Baggeranbauger¨ate verwendet werden. ¨ – Uber den Hohlstab kann beim Bohren gesp¨ ult und hinterher injiziert werden. – Der Hohlstab hat ein relativ hohes Widerstandsmoment und kann daher auch u afte abtragen. ¨ ber Biegung nennenswerte Kr¨ Diese Vorteile der Hohlst¨ abe kommen nur bei kleinen St¨ uckzahlen und in ung¨ unstigen Arbeitssituationen zum Tragen, da sie mit relativ hohen Materialkosten verbunden sind.

5.4 Verankerung und Vernagelung

215

Tabelle 5.1. GEWI-St¨ abe (Bodenn¨ agel, Verpresspf¨ ahle, Anker) Bezeichnung

Stahl

Fl¨ ache Grenzkraft AS [mm2 ] FS [kN] GEWI
16 BSt 500 S 201 101 GEWI
20 BSt 500 S 314 157 GEWI
25 BSt 500 S 491 246 GEWI
28 BSt 500 S 616 308 GEWI
32 BSt 500 S 804 402 GEWI
40 BSt 500 S 1 257 628 GEWI
50 BSt 500 S 1 963 982 GEWI
63,5 S 555/700 3 167 1 758 FS = AS · βS (Kraft bei der Streckgrenze) St¨ abe aller Durchmesser auch als Felsbolzen St¨ abe
40 bis
63,5 auch als Anker einzusetzen St¨ abe
32 bis
63,5 auch als GEWI-Pfahl

Sechskant SW [mm] 27 32 37 41 46 65 80 100

Masse [kg/m] 1,6 2,5 3,9 4,8 6,3 9,9 15,4 24,9

Tabelle 5.2. Hohle St¨ abe mit durchgehendem, aufgewalztem Gewinde Injektionsbohranker von DSI (Mai-Anker) Bezeichnung Außen
Fl¨ ache Grenzkraft [mm] AS [mm2 ] FS [kN] R 25 N 25 300 150 R 32 N 32 430 230 R 32 S 32 500 280 R 38 N 38 750 400 R 51 L 51 900 450 R 51 N 51 1 050 630 T 76 N 76 1 695 1 200 T 76 S 76 2 327 1 500 g¨ angige Typen sind R 32 N, R 32 S und R 38 N

Sechskant SW [mm] 41 46 46 50 75 75 100 100

Masse [kg/m] 2,3 3,4 4,1 6,0 7,0 8,4 15,0 19,7

ISCHEBECK TITAN Bezeichnung Durchmesser [mm] Fl¨ ache Grenzkraft Sechskant Masse außen außen1) innen AS [mm2 ] FS [kN] SW [mm] [kg/m] 30/16 30 27,2 16 380 175 46 3,0 30/11 30 26,2 11 444 204 46 3,5 40/16 40 37,1 16 880 405 65 6,9 52/26 52 48,8 26 1 340 616 80 10,5 73/53 73 69,9 53 1 631 750 95 12,8 103/78 103 100,4 78 3 138 1 443 125 24,7 105/53 105 98,5 52 5 496 2 528 125 43,2 1) rechnerischer Durchmesser f¨ ur statische Berechnungen

F¨ ur nachverpresste Verankerungselemente k¨ onnen unter den Voraussetzungen – L¨ ange des Verankerungsk¨ orpers 3 m ≤ l ≤ 5 m, ¨ – Verpressk¨ orperdurchmesser ≥ 110 mm und mindestens 4 m Uberlagerung

216

5 Statische Berechnung von Nebenbauwerken

die Orientierungswerte von Tabelle 5.3 f¨ ur die Grenzschubkraft T [kN/m] verwendet werden.2 Durch Zugversuche (Probebelastungen) ist in jedem Einzelfall nachzuweisen, dass die angesetzte Grenzsschubkraft auch im Baugrund realisiert werden kann. Die Grenzsschubkraft ist die maximale Belastung (die Belastung, bei der das Kriechkriterium erreicht wird) bei der Probebelastung bzw. Eignungspr¨ ufung. Die Werte der Tabelle 5.3 sind Orientierungswerte f¨ ur Vorbemessungen. Es darf nicht davon ausgegangen werden, dass der niedrige Wert garantiert nicht unterschritten wird und der hohe Wert eine Obergrenze darstellt.

Tabelle 5.3. Grenzsschubkraft f¨ ur nachverpresste Verankerungselemente Boden/Fels

Grenzsschubkraft T [kN/m] bindige B¨ oden (steife Konsistenz) 15 – 30 bindige B¨ oden (halbfeste Konsistenz) 40 – 100 Sande (locker) 30 – 60 Sande (mitteldicht) 60 – 80 Sande (dicht) 80 – 150 Kiese und Kiessande (mitteldicht) 120 – 180 Kiese und Kiessande (dicht) 160 – 200 stark verwitterte Ton-, Schluff- und Mergelsteine 40 – 120 angewitterte Ton-, Schluff- und Mergelsteine 100 – 150 unverwitterte Ton-, Schluff- und Mergelsteine 150 – 250 angewitterte Sand-, Kalk-, Dolomitsteine, Breccien, Konglomerate1) 150 – 250 unverwitterte Sand-, Kalk-, Dolomitsteine, Breccien, Konglomerate1) 200 – 300 1) F¨ ur massige Erstarrungsgesteine und Metamorphite k¨ onnen die Werte um 50 % erh¨ oht werden

Bei Verpressk¨ orperl¨ angen von u ¨ ber 5 m steigt die aufnehmbare Kraft nicht mehr linear mit der L¨ ange an. Zur Absch¨ atzung der aufnehmbaren Kraft bei Elementen von u ange kann die Gleichung ¨ ber 5 m L¨  l Fgrenz,l = T · 5 · (5.3) 5 verwendet werden. Dabei gilt: Fgrenz,l T l 2

Grenzkraft des Nagels/Pfahles mit der Verpressk¨ orperl¨ ange l Nagelschubkraft nach Tabelle 5.3 Verpressk¨ orperl¨ ange

[kN] [kN/m] [m]

Die Werte orientieren sich an den Diagrammen von Ostermayer [227]. Sie sind aber etwas niedriger als die Ostermayer-Werte, da der Verpressk¨ orper bei Ankern meist tiefer (in Richtung der Achse des Verankerungselements) im Baugrund liegt als bei N¨ ageln.

5.5 Erddruck und B¨ oschungsstandsicherheit

5.5

217

Erddruck und B¨ oschungsstandsicherheit

Aktiver Erddruck und B¨ oschungsstandsicherheit Fragestellungen f¨ ur dasselbe Problem:

sind

unterschiedliche

– Die B¨ oschungsstandsicherheit ist dann gegeben, wenn kein aktiver Erddruck zur St¨ utzung erforderlich ist. – Die aktive Erddruckkraft Ea ist die Kraft, die erforderlich ist, um die B¨oschungsstandsicherheit von 1 zu erreichen. Die Berechnung des aktiven und passiven Erddrucks (Erdwiderstandes) wird in DIN 4085 [36] geregelt; die B¨ oschungsstandsicherheit in DIN 4084 [34]. Berechnungen nach DIN 4084 und DIN 4085 haben DIN 1054 (2005-01) zur Grundlage. Bemessung f¨ ur die Grenzzust¨ ande DIN 1054 (2005-01) unterscheidet zwischen dem Grenzzustand 1, dem Nachweis der Tragf¨ ahigkeit und dem Grenzzustand 2, dem Nachweis der Gebrauchstauglichkeit. Bemessung f¨ ur den Grenzzustand 1 Die Nachweise f¨ ur den Erddruck und die Nachweise f¨ ur die B¨oschungsstandsicherheit (Gel¨ andebruch) sind unterschiedlich geregelt: Erddruck: Die Bemessung auf Erddruck ist f¨ ur den Grenzzustand GZ 1 B (DIN 1054, Abschnitt 4.3.2) durchzuf¨ uhren. Der Erddruck wird mit charakteristischen Werten berechnet und die Sicherheitsbeiwerte sind auf die Erddruckkr¨afte anzuwenden (DIN 1054, Tabellen 2 und 3). B¨ oschungsstandsicherheit: Allen Nachweisen gegen Gel¨andebruch (Gel¨ andebruch=B¨ oschungsbruch=Hangrutschung, Abschnitt 3.1.2) ist der Grenzzustand 1 C nach DIN 1054 (2005-01) zu Grunde zu legen. Beim Nachweis ” der Gesamtsicherheit sind die charakteristischen Werte der Scherfestigkeit mit den Teilsicherheitsbeiwerten γϕ und γc bzw. γcu f¨ ur Widerst¨ande in Bemessungswerte der Scherfestigkeit umzurechnen“ (DIN 1054, Abschnitt 6.4.2 (3)). Bei teilweise verbauten Baugruben oder wenn der Verbau auf einen geringeren Erddruck als den Mindesterddruck nach EAB [118] bemessen werden soll, ist zus¨ atzlich zur Erddruckberechnung nachzuweisen, dass die Gesamtstandsicherheit nach DIN 4084 gegeben ist. Der Nachweis der Gebrauchstauglichkeit (GZ 2) bedeutet, dass die Vertr¨ aglichkeit der Verformungen nachzuweisen ist. Der Nachweis kann durch Hinweise auf belegbare Erfahrungen, die Einf¨ uhrung zus¨atzlicher Anpassungsfaktoren f¨ ur Bodenwiderst¨ ande (z. B. Abminderung des Erdwiderstands) oder die Anwendung der Beobachtungsmethode gef¨ uhrt werden, so dass nur in Sonderf¨ allen aufw¨ andige numerische Analysen erforderlich sind. F¨ ur rechteckige Sch¨ achte kann in den meisten F¨allen mit den µ-Werten von DIN 4085 (1987-02), Abschnitt 5.13, der Einfluss der r¨aumlichen Wirkung ausreichend

218

5 Statische Berechnung von Nebenbauwerken

genau erfasst werden. Durch den µ-Wert wird die Wirkung der Flankenkr¨afte (siehe Bild 5.16) ber¨ ucksichtigt. Wenn mit dem erh¨ohten aktiven Erddruck“ gerechnet ” werden muss, kann der µ-Wert auch auf den Erdruhedruck angewendet werden. F¨ ur Sch¨achte, die im Grundriss kreisrund oder oval sind, ist die Erddruckbelastung geringer als bei rechteckf¨ormigen Sch¨achten mit einer a ache. Die st¨ utzende Wirkung“ durch die Ringspannung ¨quivalenten Grundrissfl¨ ” σθθ ist gr¨ oßer als die durch die Schubspannung in den Flanken [231, 233, 234]. Es gibt allerdings keine Regeln, um die Wirkung der Ringspannung einfach mit einem Beiwert, ¨ ahnlich wie in DIN 4085, zu ber¨ ucksichtigen. Zu den Prinzipien bei der Berechnung von dreidimensionalen und rotationssymmetrischen Grenzzust¨anden siehe auch [221]. Eine einfache und auf der sicheren Seite liegende L¨osung besteht darin, f¨ ur den runden Schacht ein fl¨ achengleiches, ¨ ahnliches Rechteck anzunehmen und den µ-Wert von DIN 4085 zu verwenden. Bei gr¨oßeren Sch¨achten ist es lohnend den Erddruck nach den Verfahren von Hock/Walz [233], Herten [223] oder mit der FE-Methode zu berechnen. Die Anwendung der FE-Methode ist vor allem bei radialsymmetrischen Rand- und Belastungsbedingungen angebracht, da der Aufwand f¨ ur die Aufbereitung und die Berechnung gleich ist wie bei ebenen Problemen. Bei ovalen Sch¨ achten ist entweder eine dreidimensionale Analyse erforderlich, wie im Beispiel von Bild 5.15, oder es wird f¨ ur verschiedene Kr¨ ummungsradien eine rotationssymmetrische Berechnung durchgef¨ uhrt. Einen im Hinblick auf die Erddruckbelastung optimalen Schachtquerschnitt zeigt Bild 5.12. Der 25 m tiefe Vortriebsschacht hat eine durchg¨ angige Sicherung mit einer Spritzbetonschale. W¨ ahrend Sch¨ achte aus Spundw¨ anden mit Tiefen von weniger als 20 m meist ausreichend verformungsf¨ ahig sind, um den aktiven Erddruck zu rechtfertigen, ist bei Sch¨ achten aus u ¨berschnittenen Bohrpf¨ahlen oder Schlitzw¨anden immer zu pr¨ ufen, ob die Verschiebungen f¨ ur die Mobilisierung des aktiven Erddrucks ausreichen. Eine aufw¨ andige numerische Analyse der Interaktion von Schachtausbau und Baugrund ist bei kreisrunden Sch¨achten von gr¨oßerer Bedeutung als bei ebenen Erddruckproblemen, da der Unterschied zwischen dem aktiven Erddruck und dem Erdruhedruck bei Sch¨achten realtiv groß sein kann. Aufw¨ andige Untersuchungen des Erddrucks sind nat¨ urlich nur dann angebracht, wenn der Erddruck f¨ ur die Schachtbelastung wesentlich ist. Bei Sch¨achten, die weit unter den Grundwasserspiegel reichen und der Baugrund ausgepr¨agt koh¨asiv ist, dominiert die Belastung durch den Wasserdruck, so dass f¨ ur den Erddruck eine einfache Absch¨ atzung ausreichend ist. Bei Wasserdruckdifferenzen sind die Untersuchung des hydraulischen Grundbruchs, die gewichtserh¨ohende“ Wirkung ” des Str¨ omungsdrucks auf der aktiven Erddruckseite und die gewichtsreduzierende“ ” Wirkung auf der Erdwiderstandsseite wesentlich. Bei Sch¨ achten mit Kreisquerschnitt reicht es nicht aus, dem Ausbau oder den Ringbalken eine mit der Kesselformel ermittelte Normalkraft zuzuweisen und davon auszugehen, dass keine Biegebeanspruchung auftritt, da die Erddruckbelastung auch bei scheinbar homogenem Baugrund ungleichm¨aßig sein kann. Es sollte immer mit einem Mindestmoment – ¨ ahnlich wie bei Vortriebsrohren – gerechnet werden.

5.5 Erddruck und B¨ oschungsstandsicherheit

219

Foto: T. Br¨autigam, Stuttgart Bild 5.12. Schacht mit elliptischem Querschnitt und Spritzbetonsicherung

Die Abweichung vom durchschnittlichen Erddruck e kann in etwa bei 10 % des theoretisch ermittelten Wertes liegen. Bei einem kreisrunden Schacht ergibt sich dann entsprechend der Gleichung in Bild 4.5 ein Moment von q · R2 s (1 − ) 4 R q ≈ 0, 1 · e

M = mit

(5.4) (5.5)

Dabei ist R der ¨ außere Schachtradius, s die Wandst¨arke des Schachtausbaus bzw. die St¨ arke des Ringbalkens. Auf die rechnerische Ber¨ ucksichtigung des Mindestmoments kann u. U. verzichtet werden, wenn – die Ans¨ atze f¨ ur Bodenkennwerte, Erd- und Wasserdruck deutlich auf der sicheren Seite liegen, – die Einbindetiefe (Einbindel¨ ange unterhalb der Schachtsohle) mehr als 30 % der Schachttiefe betr¨ agt, – durch konstruktive Maßnahmen ein Ausbeulen oder Ausknicken verhindert wird, – sich durch eine Verankerung oder Vernagelung ein Gebirgstragring ausbilden kann.

220

5 Statische Berechnung von Nebenbauwerken

5.5.1

Vergleich verschiedener Berechnungsverfahren

Bei der Berechnung des Erddrucks und der B¨oschungsstandsicherheit ist immer zu bedenken, dass Diskrepanzen zwischen verschiedenen Berechnungen nicht immer auf fehlerhafte Berechnung oder Fehler bei der Benutzung eines Computerprogramms zur¨ uckzuf¨ uhren sind, sondern die Ursache bei unterschiedlichen theoretischen Ans¨ atzen liegen kann. Dies wird im Folgenden am Beispiel einer senkrechten B¨ oschung gezeigt. F¨ ur die lotrechte, homogene B¨ oschung von Bild 5.13 liegt die Bandbreite richtiger“ L¨osungen zwischen η = 1, 0 und η = 1, 68. Nach Drucker/Prager ” (z. B. [226, 228]) ergibt sich auf der Basis der Schrankentheoreme der Plastizit¨ atstheorie: Unteres Schrankentheorem: H=

2c ϕ tan(45o + ) γ 2

(5.6) 2

Demnach hat eine 4 m hohe B¨ oschung mit ϕ = 25o , c = 25, 5 kN/m und γ = 3 20 kN/m die Sicherheit η = 1. Oberes Schrankentheorem: H=

ϕ 4c tan(45o + ) , γ 2

(5.7)

Somit ergibt sich f¨ ur die o. g. B¨ oschung η = 1, 68.

Bild 5.13. Beispiel: 4 m hohe, senkrechte B¨ oschung

Die Bewegung geht bei der B¨ oschung in Richtung der freien Oberfl¨ache, so dass infolge des plastischen Fließens auch bei Dilatanz keine Verspannung eintritt. Dadurch gibt es keinen Einfluss des Dilatanzwinkels. In der Berechnung: ψ = ϕ → η = 1, 664, ψ = 0 → η = 1, 648.

5.5 Erddruck und B¨ oschungsstandsicherheit

221

Bild 5.14. B¨ oschungssicherheit in Abh¨ angigkeit vom Berechnungsverfahren

5.5.2

Einfluss der r¨ aumlichen Wirkung

Am Beispiel einer 10 m tiefen und an der Basis 15 m langen und 9 m breiten Baugrube (siehe Bild 5.15) wird gezeigt, um welches Maß die Sicherheit, die u ucksichtigung ¨ blicherweise in ebenen Berechnungen“ ermittelt wird, durch die Ber¨ ” der r¨ aumlichen Wirkung ansteigt. Die Sicherheit wird nach Fellenius durch die Gleichungen

222

5 Statische Berechnung von Nebenbauwerken

tan ϕ c = (5.8) tan ϕmob cmob definiert. Die Berechnung wird mit der Methode der Kinematischen Elemente (Kinematische-Elemente-Methode: KEM) und der Methode der Finiten Elemente (Finite-Elemente-Methode: FEM) durchgef¨ uhrt. (Eine ausf¨ uhrliche Darstellung der Methoden findet man z. B. in [222].) Bei der Methode der Finiten Elemente wird die Sicherheit η u ¨ ber die ϕ-c-Reduktion ermittelt (Plaxis-Handbuch [235]).3 η=

Bild 5.15. R¨ aumliche Wirkung: Grundriss und Schnitt

Es wird der Einfluss der r¨ aumlichen Wirkung auf die Standsicherheit der L¨ angsseite der Baugrube untersucht. Bei der Methode der Kinematischen Elemente wird die r¨ aumliche Wirkung durch Flankenkr¨afte“ (siehe Bild 5.16) auf den ” abrutschenden Block untersucht. Mit dieser Pseudo-3D-Analyse ist allerdings nur eine Absch¨ atzung der r¨ aumlichen Wirkung m¨oglich, da der abrutschende Block im Hinblick auf die Geometrie der Bl¨ ocke eine starke Vereinfachung darstellt. Außerdem ist die Ber¨ ucksichtigung des Erddrucks u ¨ ber einen Ko -Wert eine grobe N¨ aherung. Eine optimale Ber¨ ucksichtigung der r¨ aumlichen Wirkung ist mit der Methode der Finiten Elemente m¨ oglich. Um den numerischen Fehler gering zu halten, ist bereits bei der homogenen B¨ oschung eine Einteilung in 9 044 Elemente (PentaederElemente mit einem unvollst¨ andigen kubischen Verschiebungsansatz) erforderlich. Einen Anhaltspunkt f¨ ur den numerischen Fehler gibt die Berechnung mit einem Netz mit 5 772 Elementen. W¨ ahrend der Methode der Kinematischen Elemente immer die Coulombsche Grenzbedingung Coulomb-Kriterium-Standard) c τ ≤ σn · tan ϕ + c , (5.9) wobei σn ≥ − tan ϕ 3

Die FE-Analysen wurden am Institut f¨ ur Geotechnik der Universit¨ at Stuttgart durch Herrn Dipl. Geol. N. Ruse unter der Leitung von Herrn Prof. Dr.-Ing. P. Vermeer durchgef¨ uhrt. F¨ ur ihre Berechnungen und die Unterst¨ utzung bei der Formulierung dieses Abschnitts sei ihnen herzlich gedankt.

5.5 Erddruck und B¨ oschungsstandsicherheit

223

Bild 5.16. Ansatz von Flankenkr¨ aften mit der Methode der Kinematischen Elemente

zu Grunde liegt, kann bei der Methode der Finiten Elemente das CoulombKriterium modifiziert werden. Die Modifikation besteht in der Einf¨ uhrung eines Zugbruchkriteriums (tension-cut-off-criterion), so dass τ ≤ σn · tan ϕ + c ,

wobei σn ≥ 0 .

(5.10)

Die in den Gleichungen (5.9) und (5.10) verwendeten Gr¨oßen bedeuten: σn Normalspannung auf der Fl¨ ache, auf der στn zum Maximum wird (Druckspannungen positiv) τ Schubspannung ϕ Reibungswinkel c Koh¨ asion Bei der FEM- und bei der KEM-Berechnung wird angenommen, dass der Dilatanzwinkel null ist (ψ = 0). Die Ergebnisse der Analysen mit dem Coulomb-Kriterium-Standard sind in Tabelle 5.4 zusammengestellt.

Tabelle 5.4. Vergleich von KEM und FEM mit Coulomb-Kriterium-Standard

2-dimensionale Analyse 3-dimensionale Analyse

Methode der Kinematischen Elemente Finiten Elemente (PLAXIS) η = 1, 03 η = 0, 99 η = 1, 26 η = 1, 14

Der Einfluss der Diskretisierung wird am Vergleich zwischen dem Netz mit 5 772 Elementen und dem mit 9 044 Elementen deutlich. Der Einfluss der Netzeinteilung

224

5 Statische Berechnung von Nebenbauwerken

Tabelle 5.5. Vergleich Coulomb-Kriterien: Standard – mit Zugbruchkriterium 2-dimensionale Analyse 3-dimensionale Analyse 9 044 Elemente 3-dimensionale Analyse 5 772 Elmente

Coulomb mit Zugbruchkriterium η = 0, 90 η = 1, 08

Coulomb Standard η = 0, 99 η = 1, 14

η = 1, 10

η = 1, 16

ist zwar nicht besonders groß, wenn jedoch die Auswirkungen der verschiedenen Rechenverfahren und die Modifikationen des Stoffgesetzes deutlich werden sollen, ist ein hoher Diskretisierungsaufwand erforderlich. Im Bild 5.17 wird am Verlauf der Hauptspannungen deutlich, warum in der 3dimensionalen Analyse die Sicherheit h¨ oher ist. Es ergibt sich die Ausbildung eines Gew¨ olbes, das zu einer g¨ unstigeren Beanspruchung f¨ uhrt als im ebenen Fall.

Hauptspannungen in der horizontalen Ebene 5 m unter der B¨ oschungsoberfl¨ ache (Coulomb-Kriterium-Standard, Zugspannungen zul¨ assig) Bild 5.17. Hauptspannungen in einer horizontalen Ebene

5.5 Erddruck und B¨ oschungsstandsicherheit

Betrag der Verschiebungen (



vx2 + vy2 + vz2 )

Bild 5.18. Gesamtverschiebungen nach dem Aushub der Baugrube



Es wird der Betrag der Verschiebungen ( vx2 + vy2 + vz2 ) dargestellt, wobei lediglich das Verh¨ altnis der Betr¨ age bewertet werden darf. Bild 5.19. Verschiebungen im letzten Inkrement der Berechnung mit ϕ-c-Reduktion

225

6

Ausschreibung

6.1

Vertragsgrundlagen

Bei nationalen Bauvertr¨ agen gibt es keine generelle Regelung. Deshalb ist anzustreben, einen Bauvertrag auf Grundlage der Verdingungsordnung f¨ ur Bauleistungen (VOB) [88] abzuschließen, denn die VOB regelt die Interessen von Auftragnehmern und Auftraggebern gleichermaßen. Es ist bei der Vertragsgestaltung jedoch darauf zu achten, dass die VOB von beiden Vertragsparteien zweifelsfrei vereinbart wird. Die VOB sollte in ihrem gesamten Umfang Vertragsgrundlage werden, ansonsten ist die Ausgewogenheit des Vertrages gest¨ ort, und es k¨onnte zu einer Unwirksamkeit f¨ uhren. Wird die VOB nicht vereinbart, gelten die allgemeinen Vorschriften des Werkvertrages nach BGB, das nicht wie die VOB bauspezifische Regelungen enth¨ alt. Aus diesem Grunde sollte es gleichermaßen im Interesse des Auftraggebers und des Auftragnehmers sein, den Vertrag auf Grundlage der VOB abzuschließen.

6.2

M¨ oglichkeiten der verschiedenen Vertragsformen

Der klassische Einheitspreisvertrag nach VOB/A § 5, Nr. 1 (a) ist bei Ausschreibungen allgemein u ¨ blich. Jedoch zeigen sich in den letzten Jahren Tendenzen, immer mehr vom klassischen Einheitspreisvertrag abzur¨ ucken. Die Ursache dieser Entwicklung sind die mit dem am Bau verbundenen Risiken einer eindeutigen Beschreibbarkeit von Leistungen. Die damit verbundenen Kosten und Fertigstellungsrisiken stehen im Konflikt zu den Interessen der Auftraggeber.

6.2.1

Leistungsbeschreibung mit Leistungsverzeichnis

Die Vertragsform Einheitspreisvertrag nach VOB/A § 5, Nr. 1 (a) mit Leistungsbeschreibung nach VOB/A § 9, Nr. 11–14 mit Leistungsverzeichnis stellt die Regel dar. Bei der Leistungsbeschreibung sollten die zeitabh¨angigen Ger¨ate- und ¨ Gemeinkosten in eigene Positionen gefasst werden, um bei einer Anderung der ¨ Bauzeit infolge zus¨ atzlicher Leistungen oder Anderungen der Baugrundverh¨altnisse ein fortschreibbares Vertragswerk zu haben. Damit wird eine ausgeglichene Risikoverteilung zwischen Auftraggeber und Auftragnehmer erreicht (siehe hierzu auch [115]).

228

6.2.2

6 Ausschreibung

Leistungsbeschreibung mit Leistungsprogramm

Bei der Leistungsbeschreibung nach VOB/A § 9, Nr. 15–17 mit Leistungsprogramm erfolgt die Verg¨ utung mit einer Pauschalsumme nach VOB/A § 5, Nr. 1 (b). Diese Leistungsbeschreibung wird auch als funktionale Leistungsbeschreibung bezeichnet. Bei dieser Art von Leistungsbeschreibung wird gegen¨ uber dem Einheitspreisvertrag das Bauwerk u andige Planungs- und Beschreibungsinformation ¨ ber eine vollst¨ dargestellt und der Aufgabenbereich des Bieters erweitert. Um nicht gegen die VOB/A, geltendes Recht und gegen Nachtragsforderungen zu bestehen, ist die Leistung durch die vom Auftraggeber zur Verf¨ ugung gestellten Unterlagen vollst¨ andig zu beschreiben. In Bezug auf das Restrisiko Baugrund, das beim Auftraggeber verbleibt, ist eine Unbekannte vorhanden, die diesen Vertragstyp in Frage stellt. Denn hiermit kann die durch den Pauschalvertrag implizierte Kostensicherheit und Terminsicherheit hinf¨allig werden.

6.3

Risikoverteilung

Infolge der nur punktuell durch Erkundungsverfahren gewonnenen Aufschl¨ usse des Baugrundes verbleibt ein Restrisiko, gegen¨ uber den bei der Ausf¨ uhrung angetroffenen Eigenschaften des Baugrundes. Dies stellt das haupts¨achliche Risiko bei Rohrvortrieben dar. Denn die bei der Erkundung gewonnenen Baugrundaufschl¨ usse haben einen entscheidenden Einfluss auf die Wahl des eingesetzten Vortriebsverfahrens. Das Baugrundrisiko geh¨ort nach VOB/A § 9 grunds¨ atzlich zum Risikobereich des Auftraggebers, wobei die sachgerechte Behandlung des angetroffenen Baugrundes im Risikobereich des Auftragnehmers liegt. Zur Verteilung der Verantwortung zwischen Bauherr, Gutachter und Unternehmer siehe u. a. auch [236, 237, 238, 239]. Infolge der geotechnischen Prognose und dem empfohlenen Vortriebsverfahren bildet der Auftraggeber die wesentlichen Grundlagen der Ausf¨ uhrungsplanung. ¨ Bei Abweichungen gegen¨ uber der geotechnischen Prognose kann eine Anderung des Verfahrens notwendig werden; u. U. kann nach dem empfohlenen Verfahren nicht gearbeitet werden. Die Folgen der Umstellung des Verfahrens treffen den Auftraggeber. Daher sollten die Ausf¨ uhrungsplaner bei der Wahl des Vortriebsverfahrens darauf achten, dass ein totales Versagen nahezu ausgeschlossen werden kann. Um die geotechnischen Verh¨ altnisse zu dokumentieren, sollten beide Vertragspartner w¨ ahrend der Bauausf¨ uhrung eine anerkannte geotechnische Dokumentation der angetroffenen Verh¨altnisse aufstellen lassen. Die Dokumentation sollte auf DIN 18319 [78] basieren. Werden Nebenangebote zu der Ausf¨ uhrungsplanung des Auftraggebers in abweichender Bauweise angeboten, so muss von einer erh¨ohten Verantwortlichkeit des Auftragnehmers ausgegangen werden. Die Durchf¨ uhrbarkeit des angebotenen Bauverfahrens liegt im erh¨ ohten Risikobereich des Auftragnehmers. Der Auftraggeber darf bei der Ausf¨ uhrung des Nebenangebots nicht schlechter

6.4 Grundlagen der Ausschreibung

229

gestellt werden, als wenn der Hauptvorschlag verwirklicht worden w¨are. Es gelten jedoch auch bei Nebenangeboten die Prinzipien der Risikoverteilung. Sollten Abweichungen gegen¨ uber der geotechnischen Prognose bei der Ausf¨ uhrung auftreten, sind diese vom Auftraggeber zu vertreten, wenn auch beim Ausf¨ uhren des Hauptvorschlages zus¨ atzliche Maßnahmen notwendig geworden w¨aren. Im Interesse der technischen Fortentwicklung und um dem Know-how der Ingenieure Rechnung zu tragen, sollten Nebenangebote gef¨ordert und nach einer sorgf¨ altigen Pr¨ ufung gewertet werden. Eine Risikoabgrenzung von Nebenangeboten sollte vorgenommen und in den Bauvertrag aufgenommen werden.

6.4

Grundlagen der Ausschreibung

Von grundlegender Bedeutung bei Ausschreibungen sind die geotechnischen und hydrogeologischen Verh¨ altnisse, die f¨ ur jedes Projekt untersucht werden sollten (siehe hierzu DIN 4020 [27]). Denn der Auftragnehmer hat auf Grundlage dieser Untersuchungen das Vortriebsverfahren auszuw¨ahlen, wenn dieses nicht bereits bei der Ausf¨ uhrungsplanung festgelegt worden ist. Generell sollten m¨oglichst wenig Vorgaben gemacht werden, damit das Wissen des Auftragnehmers und seine innovativen Ideen bei der Angebotsbearbeitung mit eingebracht werden k¨onnen. Beim Aufstellen der Leistungsbeschreibung sollte auch an Hindernisse nat¨ urlicher und k¨ unstlicher Art gedacht werden, die selbst bei einer sehr umfangreichen Baugrundvorerkundung nicht festgestellt werden k¨onnen. Das k¨onnen beispielsweise Bauteile, Verbaureste, Anker, Spundw¨ande usw. sein. Aus diesem Grund ist es zu empfehlen, bei der Wahl des Vortriebskonzeptes auf ein flexibles Verfahren zu setzen, das bei solchen Hindernissen nicht zum Versagen f¨ uhrt. Denn nur so sind Hindernisse zu bew¨ altigen und das Verfahren kann nicht in Frage gestellt werden. Bei Leistungsbeschreibungen sollten unn¨ otige Texte und sich widersprechende Formulierungen vermieden werden. Die Beschreibung sollte grunds¨atzlich von allen Bewerbern im gleichen Sinne verstanden werden k¨onnen. Es ist darauf zu achten, dass dem Bieter kein ungew¨ ohnliches Wagnis aufgeb¨ urdet wird und aufgrund der Beschreibung die Preise ohne umfangreiche Vorarbeiten kalkuliert werden k¨onnen. Durch das Standardleistungsbuch Leistungsbereich Rohrvortrieb 085, ist es m¨oglich, die in der ATV A 125 [104] enthaltenen Vortriebsverfahren in einen Leistungstext zu fassen. Durch die standardisierten Texte wird die Leistung eindeutig und ersch¨ opfend beschrieben, so dass Preise sicher gebildet werden k¨ onnen. Die standardisierten Texte sind mit den technischen Standards und der VOB konform. Durch den modularen Aufbau der Texte k¨onnen Textkombinationen beliebig zusammengestellt werden. Da Rohrvortriebe nur von Fachfirmen ausgef¨ uhrt werden und Erfahrung bei der Ausf¨ uhrung dieser T¨ atigkeit vonn¨ oten ist, sollte diese Arbeit in separaten Losen ausgeschrieben werden. Es empfiehlt sich nur Fachfirmen anzufragen oder zuzulassen, die ihre Zuverl¨ assigkeit durch das RAL-G¨ utezeichen vom G¨ uteschutz Kanalbau erhalten haben. Ferner ist bei sehr schwierigen Vortriebsmaßnahmen

230

6 Ausschreibung

zu u ankt ausgeschrieben werden, da das ¨ berlegen, ob diese nicht beschr¨ Rohrvortriebsverfahren ein sehr komplexes und schwieriges Bauverfahren darstellt, in dem Erfahrungen von großer Bedeutung sind und dem Auftraggeber zugute kommen.

6.5

Beispiel eines Leistungsverzeichnisses

Anhand des nachfolgenden Leistungsverzeichnisses soll exemplarisch ein Rohrvortrieb DN 2000 mittels druckluftgest¨ utzer Ortsbrust ausgeschrieben werden. Die Baugruben sollen in Spritzbetonbauweise hergestellt werden. Der Vortrieb hat eine L¨ ange von 165 m.

6.5.1

Vorbemerkungen

6.5.1.1

Rohrvortriebsarbeiten, Hinweise zum Rohrvortrieb

Es ist vorgesehen, von Schacht Nr. 1 in Richtung Schacht Nr. 2 Stahlbetonrohre DN 2000 vorzutreiben. 6.5.1.2

Rohrvortriebsverfahren

Schildvortrieb mit offenem Schild, mit Druckluftst¨ utzung, mit hydraulischen Pressen von der Pressgrube, Steuerung mit hydraulischen Pressen am Schneidschuh. Die Personen- und Arbeitsschleuse ist direkt hinter dem ersten Maschinenrohr anzuordnen. F¨ ur Druckluftarbeiten sind die jeweils g¨ ultigen Normen und Bestimmungen zu beachten. Es wird auf die Beachtung der Vorschriften der Berufsgenossenschaften und die einschl¨ agigen Vorschriften f¨ ur das Arbeiten unter Druckluft verwiesen. In die Einheitspreise sind alle zu den Rohrvortriebsarbeiten geh¨orenden Leistungen und Nebenleistungen mit einzurechnen; es z¨ahlen hierzu: – – – – – – – – – –

Schneidschuh mit Zwischenfach; Abbau- und F¨ ordereinrichtungen; Ver- und Entsorgungsleistungen; Hebezeuge, Kr¨ ane; Drucklufteinrichtung; Druckluftkrankenkammer, Zwischenpressstationen; Anlagen zur Aufbereitung und zum Einpressen eines St¨ utz- und Gleitmittels; Vermessungseinrichtungen; Reinigen der Vortriebsrohre nach Beendigung aller Arbeiten.

6.5 Beispiel eines Leistungsverzeichnisses

6.5.1.3

231

Statische Berechnung

Der Auftragnehmer hat vor Baubeginn f¨ ur die Baugrubenverbaue und die Vortriebsrohre eine gepr¨ ufte statische Berechnung beim Auftraggeber in 3-facher Ausfertigung vorzulegen. Nachfolgende Bedingungen sind anzusetzen: 1. 2. 3. 4.

Scheitel¨ uberdeckung der Rohrleitungen gem¨aß L¨angsschnitt; Verkehrslast SLW 60; ATV-Arbeitsblatt A125 und A127; bodenmechanische Kennwerte gem¨ aß Baugrundgutachten (siehe Anlage).

6.5.1.4

Steuern und F¨ uhren der Rohrstr¨ ange

Der Rohrvortrieb ist mit steuerbarem Schneidschild aufzufahren. Die Einrichtung der Vortriebsmaschine muss durch sorgf¨ altiges Einmessen geschehen. Die maximalen Abweichungen in der Pressgrube ± 0,5 cm vertikal und ± 0,5 cm horizontal darf nicht u ¨berschritten werden. Der Auftragnehmer hat die H¨ ohe und die Richtung des Rohrstranges laufend zu u ¨berwachen und aufzuzeichnen (Pressgenauigkeit ± 5 cm vertikal und ± 10 cm horizontal). Zur Bestimmung der Position der Vortriebsmaschine ist nach jedem Vortriebsrohr zu messen. Die Auswertung der Vermessung ist dem Auftraggeber in geeigneter Weise grafisch und/oder tabellarisch aufzuarbeiten und in 3-facher Ausfertigung zu u ¨ bergeben. Nach Abschluss der Rohrvortriebsarbeiten ist der gesamte Rohrstrang an jeder Rohrfuge aufzunehmen. Dem Auftraggeber ist ein Messprotokoll in 3facher Ausfertigung zu u uber der Ist-H¨ohe ¨ bergeben, bei dem die Soll-H¨ohe gegen¨ dargestellt ist. Bei Korrekturfahrten in der H¨ ohenlage muss der Abstand der beiden Wendepunkte so groß sein, dass kein Gegengef¨alle entstehen kann. Bei Korrekturfahrten zur Lagekorrektur d¨ urfen nur notwendige Radien entstehen. Grunds¨ atzlich ist bei Korrekturfahrten darauf zu achten, dass diese m¨oglichst langsam erfolgen. Sollten Abweichungen u ¨ ber den zul¨assigen Toleranzbereich entstehen, ist dies der Bauleitung unverz¨ uglich anzuzeigen und das weitere Vorgehen abzustimmen. 6.5.1.5

Druck¨ ubertragung

Die Widerlager sind ausreichend zu bemessen, so dass keine sch¨adlichen Bewegungen eintreten k¨ onnen. Die Vorpresskraft muss mit Hilfe eines richtig dimensionierten Druckschildes gleichm¨ aßig in die Stahlbetonrohre eingeleitet werden. Bei angetroffenen Hindernissen an der Ortsbrust ist die Bauleitung umgehend zu informieren und das weitere Vorgehen abzustimmen. Die in der Rohrstatik angegebenen L¨ angskr¨afte d¨ urfen nicht u ¨berschritten werden. Die dazu erforderlichen Zwischenpressstationen sind vorzusehen und in die Rohrvortriebsposition einzurechnen.

232

6 Ausschreibung

Die Vorpresskr¨ afte der Haupt- und Zwischenpressstationen sind fortlaufend aufzuzeichnen und mit den zul¨ assigen Vorpresskr¨aften zu vergleichen. Beim Erreichen von 90 % der f¨ ur die Vortriebsrohre zul¨assigen Werte m¨ ussen die Stationen vom Steuersystem automatisch abgeschaltet werden. Daraufhin ist die Bauleitung zu informieren und das weitere Vorgehen abzustimmen. 6.5.1.6

Vermeidung von Setzungen

Bei den Rohrvortriebsarbeiten darf hinter dem Schneidschild kein Hohlraum verbleiben; Hohlr¨ aume sind sofort raumbest¨andig zu verpressen. Hohlr¨aume durch Firsteinbr¨ uche o. ¨ a. sind aus dem Rohrstrang mit geeignetem Material zu verpressen. Die Ringraumverpressung ist in die Rohrvortriebsposition mit einzurechnen. Im Bereich der Baugruben sind Dichtungselemente im Ausfahrund Einfahrbereich anzubringen, damit kein Gleit- und Verpressmittel sowie Grundwasser in die Baugruben eindringen kann. Der Schmiermitteldruck sowie der Druck beim nachtr¨aglichen Verd¨ammen des Ringspaltes ist zu dokumentieren. Die eingebaute Gleit- und Verpressmittelmenge muss vortriebsabh¨ angig dokumentiert werden. 6.5.1.7

Protokolle

Der Bau¨ uberwachung sind die geforderten Aufzeichnungen, wie Lage und H¨ ohe des Rohrstranges usw. arbeitst¨ aglich zu u ¨ bergeben. Die nachfolgend genannten Parameter und Messwerte sind messtechnisch zu erfassen und grafisch aufzubereiten: – – – – – –

vertikale Abweichung zur Sollachse; horizontale Abweichung zur Sollachse; Vortriebsl¨ ange; Ausfahrl¨ ange der Dehnerstationen; Dr¨ ucke der Hauptstationen in [kN], (Maximalwert im Intervall); Dr¨ ucke der Dehnerstationen in [kN], (Maximalwert im Intervall).

Die Auswertung der Daten hat in Form von Tabellen und grafischen Darstellungen zu erfolgen. 6.5.1.8

Baugruben

Es ist vorgesehen, die Baugrube Pressschacht Nr. 1 und die Bergegrube Nr. 2 in der Spritzbetonbauweise zu erstellen. Die Randbedingungen f¨ ur die statische Berechnung sind unter dem Punkt Statische Berechnungen genannt. Die Wasserhaltung in den Baugruben u ¨ ber die Bauzeit der Rohrvortriebsarbeiten und der Schachtbauarbeiten sind in die Baugrubenpositionen mit einzurechnen.

6.5 Beispiel eines Leistungsverzeichnisses

6.5.2

233

Tabelle der Positionen

1

Baustelleneinrichtung Rohrvortrieb 1 St¨ uck Baustelleneinrichtung f¨ ur den druckluftgest¨ utzten Rohrvortrieb Einzurechnen sind: Alle n¨ otigen Einrichtungen und Ger¨ ate f¨ ur den Rohrvortrieb vom Pressschacht Nr. 1 bis zum Bergeschacht Nr. 2. Das An- und Abfahren sowie Auf- und Abbauen aller erforderlichen Vortriebseinrichtungen. Alle Einrichtungen f¨ ur das Abladen und Einbringen der Vortriebsrohre in den Pressschacht Nr. 1. Die komplette Drucklufteinrichtung gem¨ aß der Verordnung f¨ ur Arbeiten unter Druckluft aufbauen. Einzurechnen ist ferner die ausreichende Best¨ uckung mit Luftverdichtern inklusive unterschiedlicher Energiequellen. Der ben¨ otigte Druckluftbedarf und der in der Arbeitskammer herrschende Luftdruck ist durch selbstschreibende Ger¨ ate aufzuzeichnen.

2

Baustelleneinrichtung vorhalten 1 St¨ uck Einrichtung aus vorhergehender Position vorhalten f¨ ur die Zeit des Rohrvortriebes. Baustelleneinrichtung r¨ aumen 1 St¨ uck Einrichtung nach Position 1 r¨ aumen Bedarfsposition Stillstand Rohrvortrieb Baustelleneinrichtung vorhalten 5 Tage Baustelleneinrichtung aus Position 1 vorhalten. Aus Gr¨ unden die der Auftragnehmer nicht zu vertreten hat. Einzurechnen sind ferner alle abh¨ angigen Personalkosten f¨ ur die Stillliegezeit des Rohrvortriebes.

3

4

5

Vortriebsbaugrube 1 St¨ uck Vortriebsbaugrube als Pressschacht f¨ ur Rohrvortrieb DN 2000 herstellen. Die Mindestabmessungen sind so zu w¨ ahlen, dass die Vorpressanlage und das sp¨ ater zu erstellende Schachtbauwerk Nr.1 darin Platz finden. Baugrube mit einer Tiefe von ca. 7 m in den Bodenarten gem¨ aß Baugrundgutachten ausheben und Aushubmaterial ordnungsgem¨ aß entsorgen. Nach Abschluss der Rohrvortriebsarbeiten und nach Erstellen des Schachtbauwerkes Nr. 1 Baugrube lagenweise verf¨ ullen und verdichten, mit dem zu lieferndem Material (Verdichtungsgrad DP r = 97 %). Die Verf¨ ullung ist in diese Position mit einzurechnen. Verbau: Spritzbetonverbau gem¨ aß statischen Erfordernissen. Die Baugrubensohle ist mit einer Betonsohle C 20/25 nach statischen Erfordernissen und einer 20 cm starken Filterschicht aus Kies 8-32 mm auszubilden. F¨ ur den Verbau und die Baugrubensohle sind rechnerische Nachweise zu f¨ uhren. Die Wasserhaltung f¨ ur die Baugrube u ¨ber die Rohrvortriebs- und Stahlbetonarbeiten bis zur Wiederverf¨ ullung ist in diese Position mit einzurechnen. Die Kosten f¨ ur das Herstellen der Ausfahr¨ offnung mit Dichtungselement f¨ ur den Rohrvortrieb in den Verbau samt Entsorgung des Abbruchmaterials sind in die Position mit einzurechnen. Widerlager und Fundamente f¨ ur die Vortriebseinrichtungen herstellen und vorhalten. Der Verbau ist nach Beendigung der Arbeiten bis 2,00 m unter OK Gel¨ ande abzubrechen. Fundamente und Widerlager sind abzubrechen und zu entsorgen.

234

6 Ausschreibung

6

Vortriebsrohre DN 2000 165 m Vortriebsrohre DN 2000, f¨ ur den bemannten Vortrieb nach ATV A125 liefern und abladen. Rohre aus Stahlbeton nach DIN EN 1916/DIN V 1201 (fr¨ uher: DIN 4035) und den erh¨ ohten Anforderungen der FBSQualit¨ atsrichtlinien. Betong¨ ute C 45/55 Zementart CEM I 42,5 R-HS, Betonstahl BSt 500/550, Beton¨ uberdeckung mindestens 5,0 cm. Die Rohre m¨ ussen in einer Stahlschalung erh¨ arten. Einzurechnen sind die Lieferung bzw. Herstellung der einseitig einbetonierten, an den St¨ oßen voll verschweißten Stahlf¨ uhrungsringe aus Edelstahl V4A, WerkstoffNr. 1.4571, d = 10 mm, einschließlich der Dichtung gegen Uml¨ aufigkeit. Dichtungsringe als Gleitdichtringe aus Elastomeren mit dichter Struktur, gem¨ aß DIN 4060, Teil 1, Stahlbund- und Druckausgleichsringe, die Ausf¨ uhrungszeichnungen der Rohrverbindung i. M. 1:10 sowie die Bentonitrohre (mindestens jedes 5. Rohr) mit eingelassenen BentonitAnschlussnippeln mit Innengewinde einschließlich Verschraubung und Verschließen mit Kunststoff-M¨ ortel nach Beendigung der Vortriebsarbeiten.

7

Passrohre DN 2000 1 St¨ uck Zulage zur Position 6 f¨ ur die Lieferung von Kurzrohren als Passrohre DN 2000. Einbau im Press- und im Bergeschacht als gelenkigen Anschluss an das Bauwerk. Einzurechnen ist das Liefern und Einbauen eines Betonauflagers im Bereich der Sch¨ achte. Seitenschalung des Rohrauflagerbetons ist mit einzurechnen. Betong¨ ute C 10/15. Gelenkst¨ ucke DN 2000 2 St¨ uck Zulage zur Position 6 f¨ ur die Lieferung von Kurzrohren als Gelenkst¨ ucke DN 2000. Einbau im Press- und im Bergeschacht als gelenkigen Anschluss an das Bauwerk. Einzurechnen ist das Liefern und Einbauen eines Betonauflagers im Bereich der Sch¨ achte. Seitenschalung des Rohrauflagerbetons ist mit einzurechnen. Betong¨ ute C 10/15. Rohrvortrieb DN 2000 165 m Stahlbetonvortriebsrohre DN 2000 aufnehmen in die Startbaugrube einbringen, ausrichten und mittels hydraulischen Pressen mit einer Genauigkeit von ± 3 cm vertikal und ± 5 cm horizontal vortreiben, einschließlich der erforderlichen astfreien Weichholzdruck¨ ubertragungsringe. Den Boden der Bodenklasse LNW 2-3, LNE 2-3 nach DIN 18319 gem¨ aß Baugrundgutachten innerhalb der Rohre l¨ osen, laden u ordern ¨ber die Vortriebsstrecke bis zur Pressgrube f¨ und fachgerecht entsorgen. Der mittlere Luft¨ uberdruck an der Ortsbrust w¨ ahrend des Vortriebes ist nach den ¨ ortlichen Verh¨ altnissen und dem Grundwasserstand anzupassen. Beim Rohrvortrieb ist st¨ andig eine Bentonitsuspension mit ausreichend hoher Fließgrenze zur Minderung der Reibung und zur F¨ ullung entstehender Auflockerungen einzupressen. Die Schmierung des Ringraumes muss kontinuierlich gew¨ ahrleistet sein. Verpressdr¨ ucke und Verbrauch sind zu dokumentieren. Nach Abschluss der Vortriebsarbeiten ist der Ringraum mittels Verd¨ ammstoff zu verpressen. Der Einbau der erforderlichen Zwischenpressstationen mit Nebenarbeiten ist mit einzurechnen. Das Aufmaß erfolgt in der Rohrachse zwischen den Schachtw¨ anden von Schacht 1 bis Schacht 2.

8

9

6.5 Beispiel eines Leistungsverzeichnisses

235

10 Fugenverschluss mit Kompressionsdichtprofilen pauschal Stoßfugen auf der Vortriebsstrecke mit einem inneren Fugenverschluss mittels Kompressionsdichtprofil auf Kautschukbasis gem¨ aß DIN 4060 und ATV-Arbeitsblatt A 125 herstellen. Kompressionsdichtprofile f¨ ur Vortriebsrohre DN 2000 z. B. Fermadur, Fabrikat Denso-Chemie oder gleichwertig liefern und nach Herstellerangaben einbauen. 11 Hindernisse beseitigen 5 m3 Zulage zum Rohrvortrieb f¨ ur die Beseitigung von Hindernissen nat¨ urlicher und k¨ unstlicher Art in der Vortriebsstrecke DN 2000 mit einer Kantenl¨ ange > 30 cm. Arbeitsunterbrechung der Presskolonne oder geringere Leistung infolge der Hindernisbeseitigung sind in den Preis mit einzurechnen. Bedarfsposition 12 Stillstandskosten der Vortriebskolonne 10 h Stillstand der Vortriebskolonne und Vortriebsger¨ ate DN 2000 f¨ ur den Druckluftvortrieb aus Gr¨ unden, die der Auftragnehmer nicht zu vertreten hat. Einzurechnen sind die Lohnkosten f¨ ur die gesamte Vortriebsmannschaft, die Vorhalte-, Betriebsmittel- und Energiekosten f¨ ur die gesamten zum Vortrieb notwendigen Ger¨ ate. Diese Position wird nur innerhalb der normalen Arbeitszeit verg¨ utet. 13 Muffendichtheitspr¨ ufung DN 2000 165 m Druckpr¨ ufung der Stoßverbindungen von Vortriebsrohren DN 2000. Pr¨ ufung nach DIN EN 1610 der Rohrverbindung des Entw¨ asserungskanals DN 2000 mit Luft. – Pr¨ ufdruck: 100 mbar – Pr¨ ufdauer: 2 Minuten – Zul¨ assiger Druckabfall: 15 mbar In die innere Kompressionsdichtung ist ein Loch mit einer Bohrkan¨ ule von 4 bis 6 mm zu bohren. Nach dem Entfernen der Kan¨ ule ist das Bohrloch mit einem konischen Hartgummistopfen zu verschließen. Die Durchf¨ uhrung der Dichtheitspr¨ ufung erfolgt erst nach Absprache mit der Bauleitung. 14 Bergegrube 1 St¨ uck Bergegrube f¨ ur den Rohrvortrieb DN 2000 herstellen. Die Mindestabmessungen sind so zu w¨ ahlen, dass das Bergen der Vortriebsmaschine und das sp¨ ater zu erstellende Schachtbauwerk Nr. 2 darin Platz finden. Baugrube mit einer Tiefe von ca. 7 m in den Bodenarten gem¨ aß Baugrundgutachten ausheben und Aushubmaterial ordnungsgem¨ aß entsorgen. Nach Abschluss der Rohrvortriebsarbeiten und nach Erstellen des Schachtbauwerkes Nr. 2 Baugrube lagenweise verf¨ ullen und verdichten mit zu lieferndem Material (Verdichtungsgrad DP r = 97 %). Die Verf¨ ullung ist in diese Position mit einzurechnen. Verbau: Spritzbetonverbau gem¨ aß statischen Erfordernissen. Die Baugrubensohle ist mit einer Betonsohle C 20/25 nach statischen Erfordernissen und einer 20 cm starken Filterschicht aus Kies 8-32 mm auszubilden.

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6 Ausschreibung Die Wasserhaltung f¨ ur die Baugrube u ¨ber die Rohrvortriebs- und Stahlbetonarbeiten bis zur Wiederverf¨ ullung ist in diese Position mit einzurechnen. Die Kosten f¨ ur das Herstellen der Einfahr¨ offnung mit Dichtungselement f¨ ur den Rohrvortrieb in den Verbau samt Entsorgung des Abbruchmaterials sind in die Position mit einzurechnen. Der Verbau ist nach Beendigung der Arbeiten bis 2,00 m unter OK Gel¨ ande abzubrechen.

Literaturverzeichnis Normen

[]

Regelwerke von ATV, DVWK, DWA, DVGW etc. [1] Richtlinie des Rates vom 21.12.1988 zur Angleichung der Rechts- und Verwaltungsvorschriften der Mitgliedstaaten u ¨ber Bauprodukte (89/106/EWG) (ABl. EG Nr. L 40 vom 11.02.1989, S. 12), ge¨ andert durch die Richtlinie 93/68/EWG des Rates vom 22.07.1993 (ABl. EG Nr. L 220 vom 30.08.1993, S. 1, Bauproduktenrichtlinie).

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238

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DIN 4094-4 (2002-01): Teil 4: Fl¨ ugelscherversuche DIN 4094-5 (2001-06): Teil 5: Bohrlochaufweitungsversuche DIN 4123 (2000-09): Ausschachtungen, Gr¨ undungen und Unterfangungen im Bereich bestehender Geb¨ aude DIN 4124 (2002-10): Baugruben und Gr¨ aben – B¨ oschungen, Verbau, Arbeitsraumbreiten DIN4125EErl ND, Bauaufsicht; Technische Baubestimmungen; DIN 4125; Verpreßanker; Kurzzeitanker; Bemessung, Ausf¨ uhrung und Pr¨ ufung; Ausgabe 199011, Ausgabe:1994-11-30 Ver¨ offentlicht in: ND MBl (1995), im Wesentlichen ersetzt durch DIN 1054 (2005-01) und DIN EN 1537 (2001-01) DIN V 4126-100 (1996-04, Vornorm): Schlitzw¨ ande – Teil 100: Berechnung nach dem Konzept mit Teilsicherheitsbeiwerten DIN 4126, Beiblatt 1 (2004-09); Norm-Entwurf: Nachweis der Standsicherheit von Schlitzw¨ anden - Erl¨ auterungen DIN 4126 (2004-08); Norm-Entwurf: Nachweis der Standsicherheit von Schlitzw¨ anden DIN 4126 (1986-08): Ortbeton-Schlitzw¨ ande; Konstruktion und Ausf¨ uhrung DIN 4127 (1986-08): Erd- und Grundbau; Schlitzwandtone f¨ ur st¨ utzende Fl¨ ussigkeiten; Anforderungen, Pr¨ ufverfahren, Lieferung, G¨ ute¨ uberwachung DIN4128EErl ND, Bauaufsicht; Technische Baubestimmungen; DIN 4128 Verpreßpf¨ ahle, Ausgabe: 1985-08-01 Ver¨ offentlicht in: ND MBl (1985) im Wesentlichen ersetzt durch DIN 1054 (2005-01) und DIN EN 14199 (2005-05) DIN 4227-1 (1985-07): Spannbeton-Bauteile aus Normalbeton mit beschr¨ ankter oder voller Vorspannung ersetzt durch DIN 1045-1 (2001-07) DIN 4263 (1991-04): Formen, Maße und geometrische Werte von Kan¨ alen und Leitungen im Wasserwesen DIN 7724 (1993-04): Polymere Werkstoffe; Gruppierung polymerer Werkstoffe aufgrund ihres mechanischen Verhaltens DIN EN 12063 (1999-05): Ausf¨ uhrung von besonderen geotechnischen Arbeiten (Spezialtiefbau) – Spundwandkonstruktionen; Deutsche Fassung EN 12063:1999 DIN EN 12110 (2003-05): Tunnelbaumaschinen – Druckluftschleusen – Sicherheitstechnische Anforderungen; Deutsche Fassung EN 12110:2002 DIN EN 12111 (2003-01): Tunnelbaumaschinen – Teilschnittmaschinen, ContinuousMiners und Schlagkopfmaschinen – Sicherheitstechnische Anforderungen; Deutsche Fassung prEN 12111:2002 DIN EN 12336 (2008-08): Tunnelbohrmaschinen – Schildmaschinen, HorizontalPressbohrmaschinen, Ger¨ ate f¨ ur die Errichtung der Tunnelauskleidung – Sicherheitstechnische Anforderungen; Deutsche Fassung prEN 12336:2005 DIN EN 12715 (2000-10): Ausf¨ uhrung von besonderen geotechnischen Arbeiten (Spezialtiefbau) – Injektionen; Deutsche Fassung EN 12715:2000 uhrung von besonderen geotechnischen Arbeiten DIN EN 12716 (2001-12): Ausf¨ (Spezialtiefbau) – D¨ usenstrahlverfahren (Hochdruckinjektion, Hochdruckbodenverm¨ ortelung, Jetting); Deutsche Fassung EN 12716:2001 DIN EN 12889 (2000-03): Grabenlose Verlegung und Pr¨ ufung von Abwasserleitungen und -kan¨ alen; Deutsche Fassung EN 12889:2000 DIN EN 13331-1 (2002-11): Grabenverbauger¨ ate – Teil 1: Produktfestlegungen; Deutsche Fassung EN 13331-1:2002 DIN EN 13331-2 (2002-11): Grabenverbauger¨ ate – Teil 2: Nachweis durch Berechnung oder Pr¨ ufung; Deutsche Fassung EN 13331-2: 2002

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[57] DIN EN 14199 (2005-05): Ausf¨ uhrung von besonderen geotechnischen Arbeiten (Spezialtiefbau) – Pf¨ ahle mit kleinen Durchmessern (Mikropf¨ ahle); Deutsche Fassung EN 14199:2005 [58] DIN EN 14457 (2004-09); Norm-Entwurf: Allgemeine Anforderungen an Bauteile, die bei grabenloser Verlegung von Abwasserleitungen und -kan¨ alen verwendet werden; Deutsche Fassung EN 14457:2004 [59] DIN EN 14490 (2002-09); Norm-Entwurf: Ausf¨ uhrung von besonderen geotechnischen Arbeiten (Spezialtiefbau) – Bodenvernagelung; Deutsche Fassung prEN 14490:2002 [60] DIN EN 14653-1 (2005-07): Manuell gesteuerte hydraulische Grabenverbauger¨ ate – Teil 1: Produktfestlegungen; Deutsche Fassung EN 14653-1:2005 DIN EN 14653-2 (2005-07): Manuell gesteuerte hydraulische Grabenverbauger¨ ate – Teil 2: Nachweis durch Berechnung oder Pr¨ ufung; Deutsche Fassung: EN 14653-2: 2005 [61] DIN 15262 (1983-01): Stetigf¨ orderer; Schneckenf¨ orderer f¨ ur Sch¨ uttgut; Berechnungsgrunds¨ atze [62] DIN 18121-1 (1998-04): Baugrund; Untersuchung von Bodenproben ; Wassergehalt – Teil 1: Bestimmung durch Ofentrocknung DIN 18121-2 (2001-08): Wassergehalt – Teil 2: Bestimmung durch Schnellverfahren [63] DIN 18122-1 (1997-07): Baugrund, Untersuchung von Bodenproben; Zustandsgrenzen (Konsistenzgrenzen) – Teil 1: Bestimmung der Fließ- und Ausrollgrenze DIN 18122-2 (2000-09): Zustandsgrenzen – Teil 2: Bestimmung der Schrumpfgrenze [64] DIN 18123 (1996-11): Baugrund, Untersuchung von Bodenproben – Bestimmung der Korngr¨ oßenverteilung [65] DIN 18125-1 (1997-08): Baugrund, Untersuchung von Bodenproben – Bestimmung der Dichte des Bodens – Teil 1: Laborversuche DIN 18125-2 (1999-08): Bestimmung der Dichte des Bodens – Teil 2: Feldversuche [66] DIN 18128 (2002-12): Baugrund; Untersuchung von Bodenproben – Bestimmung des Gl¨ uhverlustes [67] DIN 18130-1 (1998-05): Baugrund; Untersuchung von Bodenproben; Bestimmung des Wasserdurchl¨ assigkeitsbeiwerts – Teil 1: Laborversuche DIN 18130-2 (2003-10); Norm-Entwurf: Baugrund; Untersuchung von Bodenproben; Bestimmung des Wasserdurchl¨ assigkeitsbeiwerts - -Teil 2: Feldversuche [68] DIN 18134 (2001-09): Baugrund; Versuche und Versuchsger¨ ate – Plattendruckversuch [69] DIN 18135 (1999-06); Norm-Entwurf: Baugrund; Untersuchung von Bodenproben – Eindimensionaler Kompressionsversuch [70] DIN 18136 (2003-11): Baugrund; Untersuchung von Bodenproben – Einaxialer Druckversuch [71] DIN 18137-1 (1990-08): Baugrund, Versuche und Versuchsger¨ ate; Bestimmung der Scherfestigkeit; Begriffe und grunds¨ atzliche Versuchsbedingungen DIN 18137-2 (1990-12): Bestimmung der Scherfestigkeit; Triaxialversuch DIN 18137-3 (2002-09): Bestimmung der Scherfestigkeit; Direkter Scherversuch [72] DIN 18196 (2006-06): Erd- und Grundbau; Bodenklassifikation f¨ ur bautechnische Zwecke [73] DIN 18299 (2006-10): VOB Vergabe- und Vertragsordnung f¨ ur Bauleistungen – Teil C: Allgemeine Technische Vertragsbedingungen f¨ ur Bauleistungen (ATV); Allgemeine Regeln f¨ ur Bauarbeiten jeder Art

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[74] DIN 18300 (2006-10): VOB Vergabe- und Vertragsordnung f¨ ur Bauleistungen – Teil C: Allgemeine Technische Vertragsbedingungen f¨ ur Bauleistungen (ATV); Erdarbeiten [75] DIN 18301 (2006-10): VOB Vergabe- und Vertragsordnung f¨ ur Bauleistungen Teil C: Allgemeine Technische Vertragsbedingungen f¨ ur Bauleistungen (ATV); Bohrarbeiten [76] DIN 18309 (2002-12): VOB Vergabe- und Vertragsordnung f¨ ur Bauleistungen – Teil C: Allgemeine Technische Vertragsbedingungen f¨ ur Bauleistungen (ATV); Einpressarbeiten [77] DIN 18312 (2002-12): VOB – Teil C (ATV); Untertagebauarbeiten [78] DIN 18319 (2000-12): VOB – Teil C (ATV); Rohrvortriebsarbeiten [79] DIN 18555-1 (1982-09): Pr¨ ufung von M¨ orteln mit mineralischen Bindemitteln – Teil 1: Allgemeines, Probenahme, Pr¨ ufm¨ ortel DIN 18555-2 (1982-09): Pr¨ ufung von M¨ orteln mit mineralischen Bindemitteln – Teil 2: Frischm¨ ortel mit dichten Zuschl¨ agen; Bestimmung der Konsistenz, der Rohdichte und des Luftgehalts DIN 18555-3 (1982-09): Pr¨ ufung von M¨ orteln mit mineralischen Bindemitteln – Teil 3: Festm¨ ortel; Bestimmung der Biegezugf., Druckfestigkeit und Rohdichte [80] DIN V 18998 (2002-11): Beurteilung des Korrosionsverhaltens von Zusatzmitteln nach Normen der Reihe DIN EN 934 (Vornorm) DIN V 18998/A1 (2003-05): Beurteilung des Korrosionsverhaltens von Zusatzmit¨ teln nach Normen der Reihe DIN EN 934 (Vornorm); Anderung A1 [81] DIN 19695 (1977-04): Bef¨ ordern und Lagern von Beton-, Stahlbeton- und Spannbetonrohren, zugeh¨ origen Formst¨ ucken und Schachtringen [82] DIN V 20000-100 (Vornorm, 2002-11): Anwendung von Bauprodukten in Bauwerken – Teil 100: Betonzusatzmittel nach DIN EN 934-2:2002-02 DIN V 20000-101 (Vornorm, 2002-11): Anwendung von Bauprodukten in Bauwerken – Teil 101: Zusatzmittel f¨ ur Einpressm¨ ortel f¨ ur Spannglieder nach DIN EN 9344:2002-02 [83] DIN 22101 (1994-05): Stetigf¨ orderer – Gliederbandf¨ orderer, Berechnungsans¨ atze (zur¨ uckgezogen) [84] DIN 22101 (2002-08): Stetigf¨ orderer – Gurtf¨ orderer f¨ ur Sch¨ uttg¨ uter – Grundlagen f¨ ur die Berechnung und Auslegung [85] DIN 50929-1 (1985-09): Korrosion der Metalle; Korrosionswahrscheinlichkeit metallischer Werkstoffe bei ¨ außerer Korrosionsbelastung; Allgemeines DIN 50929-2 (1985-09): Korrosionswahrscheinlichkeit metallischer Werkstoffe bei außerer Korrosionsbelastung; Installationsteile innerhalb von Geb¨ auden ¨ DIN 50929-3 (1985-09): Korrosionswahrscheinlichkeit metallischer Werkstoffe bei außerer Korrosionsbelastung; Rohrleitungen und Bauteile in B¨ oden und W¨ assern ¨ [86] DIN 53018-1 (1976-03): Viskosimetrie; Messung der dynamischen Viskosit¨ at newtonscher Fl¨ ussigkeiten mit Rotationsviskosimetern, Grundlagen DIN 53018-2 (1976-03): Viskosimetrie; Messung der dynamischen Viskosit¨ at newtonscher Fl¨ ussigkeiten mit Rotationsviskosimetern, Fehlerquellen und Korrektionen bei Zylinder-Rotationsviskosimetern [87] DIN 53019-1 (2004-06); Norm-Entwurf: Viskosimetrie - Messung von Viskosit¨ aten und Fließkurven mit Rotationsviskosimetern – Teil 1: Grundlagen und Messgeometrie DIN 53019-2 (2001-02): Viskosimetrie - Messung von Viskosit¨ aten und Fließkurven

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Literaturverzeichnis

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Regelwerke von ATV, DVWK, DVGW

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[110] [111] [112] [113]

DWA (Deutsche Vereinigung f¨ ur Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V.): Die DWA besteht seit dem Jahre 2000 und ist ein Zusammenschluus von DVWK (Deutscher Verband f¨ ur Wasserwirtschaft und Kulturbau e.V.) und ATV (Vereinigung f¨ ur Abwasser, Abfall und Gew¨ asserschutz e.V.). Die alten Publikationen sind weiterhin als ATV-“ bzw. DVWK-“ bezeichnet, die neuen ” ” als DWA-“. ” Arbeitsblatt ATV-A 125 (1996-09): Rohrvortrieb (fr¨ uhere Ausgaben 1975-12 und 1992-11) Arbeitsblatt DWA-A 125 (2007-02); Entwurf: Rohrvortrieb und verwandte Verfahren; vorgesehen als Ersatz f¨ ur ATV-A 125 (1996-09) Arbeitsblatt ATV-DVWK-A 127 (2000-08): Richtlinie f¨ ur die statische Berechnung von Entw¨ asserungskan¨ alen und -leitungen ATV-M 127-2 (2000-01): Statische Berechnung zur Sanierung von Abwasserkan¨ alen und -leitungen mit Lining- und Montageverfahren ATV-DVWK A 139 (2001-06): Einbau und Pr¨ ufung von Abwasserleitungen und -kan¨ alen ATV-DVWK-A 142 (2002-11): Abwasserkan¨ ale und -leitungen in Wassergewinnungsgebieten Merkblatt ATV M 151 (1985-06): Allgemeine Grunds¨ atze f¨ ur Rohrverbindungen von Entw¨ asserungskan¨ alen und -leitungen bei Rohrvortrieben (inzwischen in ATV A 125 integriert) Arbeitsblatt ATV-A 161 (1990-01): Statische Berechnung von Vortriebsrohren Merkblatt ATV-DVWK-M 802 (2002-05): Funktionalausschreibung – Voraussetzungen und Vorgehensweise ATV-Arbeitsbericht 1.1.3 (1998-01): Ermittlung und Anwendung von Baupreisindizes f¨ ur Ortskanalisationen und Kl¨ aranlagen DVGW Arbeitsblatt W 111 (1997-03): Planung, Durchf¨ uhrung und Auswertung von Pumpversuchen bei der Wassererschließung DVGW: Deutsche Vereinigung des Gasund Wasserfaches e.V. Technisch-wissenschaftlicher Verein, Josef-Wirmer-Straße 1–3, D-53123 Bonn

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[120] HTG (1996): Empfehlungen des Arbeitsausschusses Ufereinfassungen“ H¨ afen und ” Wasserstraßen EAU 1996 Arbeitsausschuß Ufereinfassungen“ der HTG e. V. ” (Hrsg.), Ernst & Sohn, Berlin

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[129] DBAG Netz Vorschriften 853 folgende: Eisenbahntunnel planen, bauen und instand halten Eisenbahnspezifische Liste der Technischen Baubestimmungen (ELTB) Ril 178 01 (2000-01): Stromkreuzungsrichtlinie Ril 180 01 (2000-01): Gas- und Wasserleitungskreuzungsrichtlinie Ril 836.4501 (Entwurf) bis Ril 836.4505 (Entwurf)

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Berufsgenossenschaftliche Regeln und Vorschriften Alle sind im Carl Heymanns Verlag, Luxemburger Straße 449, 50939 K¨ oln erschienen BG Vorschriften/Unfallverh¨ utungsvorschriften (BGV) [132] BGV C 22 Bauarbeiten (VBG 37) [133] BGV C 24 Sprengarbeiten (VBG 46) [134] BGV D 6 Krane (VBG 9) [135] BGV D 7 Bauaufz¨ uge (VBG 35) [136] BGV D 8 Winden, Hub- und Zugger¨ ate (VBG 8) [137] BGV D 9 Arbeiten mit Schussapparaten (VBG 45) [138] BGV D 36 Leitern und Tritte (VBG 74) [139] BGR 500 Betreiben von Arbeitsmitteln (Kapitel 2.8: Betreiben von Lastaufnahmeeinrichtungen im Hebezeugbetrieb) fr¨ uher: VBG 9a: Lastaufnahmeeinrichtungen im Hebezeugbetrieb [140] BGR 160: Sicherheitsregeln f¨ ur Bauarbeiten unter Tage (ZH 1/486, 10/94) [141] BGR 236: Rohrleitungsarbeiten ¨ [142] BGI 690: Behandlung von Erkrankungen durch Arbeiten in Uberdruck (Arbeiten in Druckluft, Taucherarbeiten) (ZH 1/587, 10/96)

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Firmeninformationen zu Kapitel 1 Krings Tiefbautechnik GmbH (Abschnitt 1.3, Verbauger¨ ate, Verbausytsme), Am Weidenhof 8, 52525 Heinsberg Deitermann Chemie, Datteln (Abschnitt 1.4, Bauchemie) DENSO-CHEMIE GmbH, Leverkusen (Abschnitt 1.4, Dichtungen) MC-Bauchemie M¨ uller GmbH & Co., Chemische Fabriken, Bottrop (Abschnitt 1.4, Bauchemie) Ph¨ onix AG, Hamburg Polychemie (PCI) GmbH, Augsburg Sika Chemie GmbH, Stuttgart Strobel, Albrecht, Bauabdichtungen, Ulm

250

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Literatur zu Kapitel 2 [171] Maidl, B.; Wehrmeyer, (1997): Neue Erkenntnisse f¨ ur die Anforderungen an Tunnelvortriebsmaschinen unter schwierigen geologischen und hydrologischen Bedingungen. Bauingenieur 72, S. 492–502 [172] Maidl, U. (1997): Beitrag zur Abgrenzung der Einsatzbereiche f¨ ur Erd- und Fl¨ ussigkeitsschilde. Bauingenieur 72, S. 118–122 [173] Umbeck, H. E. (1991): Gleislose Fahrzeuge zum Laden, F¨ ordern, Entladen in engen Querschnitten. Taschenbuch f¨ ur den Tunnelbau, Verlag Gl¨ uckauf, Essen, S. 303

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Gestaltungskriterien

von

Gehring, K.-H. (1982): Untertagebau mit Teilschnittmaschinen, Derzeitiger Einsatzbereich und Entwicklungen zu deren Erweiterung. Tagungsband ISRM Symposium Aachen, S. 789–799 Hollaus, E. (1983): Hydraulischer Rohrvortrieb und Untergrundverh¨ altnisse. bbr 34, Brunnenbau, Bau von Wasserkraftwerken, Rohrleitungsbau, Heft 4, S. 127–132 Jacob, E. (1976): Der Bentonitschild, Technologie und erste Anwendung in Deutschland. Forschung und Praxis, Heft 21 Krause, T. (1987): Schildvortrieb mit fl¨ ussigkeits- und erdgest¨ utzter Ortsbrust. Dissertation, TU Braunschweig Maidl, B.; Herrenknecht, M.; Anheuser, L. (1995): Maschineller Tunnelbau im Schildvortrieb. Ernst & Sohn, Berlin Maidl, U. (1995): Einsatz von Schaum f¨ ur Erddruckschilde, Theoretische Grundlagen der Verfahrenstechnik. Bauingenieur 70, Heft 11, S. 487–495 Maidl, U. (1995): Erweiterung der Einsatzbereiche des Erddruckschildes durch Bodenkonditionierung mit Schaum. Dissertation, Ruhr-Universit¨ at, Bochum Nußbaumer, M; Eckardt, H.; Sanio, H.P. (1984): Membranschild im Einsatz. Vortr¨ age der Baugrundtagung D¨ usseldorf, S. 85–100 M¨ uller, W.; Dohrmann, R.; Moczuard, J. (1999): Auswirkung verschiedener Wasserqualit¨ aten auf die Trennung von Bentonit-/Sandsuspensionen im Hydrozyklon. Freiberger Forschungshefte A 850 Rubarth, W.; M¨ uller, W.; Ufer, K. (1998): Leistungsf¨ ahige Separieranlagen f¨ ur den Spezialtiefbau zur Abtrennung von Aushub und zur Regenerierung der Suspensionen. Aufbereitungs Technik 39, Heft 7, S. 356–357 Rubarth, W.; M¨ uller, W. (1999): Zur Regenerierung von Bentonit-Tr¨ uben im Spezialtiefbau. Aufbereitungs Technik 40, Heft 8, S. 406–413 Rubarth, W. (1998): Separating Solids from a Suspension. Tunnels & Tunneling International 31, Nr. 4, S. 45–47 Wehrmeyer, G. (2002): Massenkontrolle bei Schildvortrieben. Taschenbuch f¨ ur den Tunnelbau, Verlag Gl¨ uckauf, Essen, S. 184–227

Literaturverzeichnis

251

Firmeninformationen zu Kapitel 2 Amberger Kaolin Werke Apparate und Verfahren GmbH & Co. KG, Hirschau/Opf. (Abschnitt 2.2, Gewinnung, Aufbereitung und Veredelung von Kaolin, Feldspat und Quarzsand, Hydrozyklontechnik) Hans Brochier GmbH & Co., Fachbereich Spezialtiefbau, Schwaig (Abschnitt 2.1, Ausf¨ uhrung von Rohrvortrieben) Herrenknecht AG, Schwanau-Allmannsweier (Abschnitt 2.1, Maschinenbau f¨ ur Tunnelvortriebe) R¨ ohrenwerk Kupferdreh, Carl Hamm GmbH, Rohrleitungsbau & Geotechnik, Essen (Abschnitt 2.2, Sondiertechnik, Laborger¨ ate, Rohre f¨ ur hydraulischen Feststofftransport) Schauenburg, Maschinen- und Anlagenbau, M¨ uhlheim/Ruhr und Schauenburg Ventilation, 2233 Sanford Drive, Grand Junction CO 81505 (Abschnitt 2.2: L¨ uftungssysteme f¨ ur den Tunnelbau, Hydrozyklontechnik) WUKO Hydraulik AG, Riedmatt, Z¨ urich (Abschnitt 2.2, Hydraulikzylinder, -komponenten, -aggregate)

Literatur zu Kapitel 3 [174] Anneliese BUT (1999): Merkblatt Verf¨ ullungen von Hohlr¨ aumen mit hydraulischen Bindemitteln im Tiefbau. Anneliese BUT, Ennigerloh [175] Barg, G.; Thiemann, (1990): Tunnelvortrieb im Vorpressverfahren 38,50 m unter der Kieler F¨ orde. Vortr¨ age Baugrundtagung Karlsruhe, S. 315–331 [176] Collins, H.-J. (1984): Bestimmung der H¨ ohenlage nicht begehbarer Leitungstunnel. Vortrag im Haus der Technik, Essen, 08.11.1984 [177] Duddeck, H. (1980): Empfehlungen zur Berechnung von Tunneln im Lockergestein. Hrsg.: AK Tunnelbau der DGEG e.V., Essen, Bautechnik 57, S. 349–356 [178] Erbsl¨ oh, S. (1934): Verfahren zur Gewinung hochquellf¨ ahiger anorganischer Stoffe aus wenig quellf¨ ahigen Bentoniten, z. B. Ca-Bentonit oder solchen Bentoniten ahnlichen Erden...., Patentschrift Nr. 613037 ¨ [179] Girmscheid, G. (1997): Schildvorgetriebener Tunnelbau in heterogenem Lockergestein, ausgekleidet mit Stahlbeton-T¨ ubbingen, Teil 2 – Aspekte der Vortriebsmaschinen und Tragwerksplanung. Bautechnik 74, H. 2, S. 85-100 [180] Gussmann, P; Schad, H.; Smith, I. (2001): Numerische Verfahren. Grundbau-Taschenbuch, Teil 1, 6. Auflage, Hrsg.: U. Smoltczyk, Ernst & Sohn, Berlin, S. 431–476 [181] Helm, H. (1964): Bau eines Abwasserd¨ ukers unter dem Neckar und dem Schifffahrtskanal in Heidelberg. Straßen- und Tiefbau, Heft 12, S. 1351–1360 [182] Herzog, M. (1985): Die Pressenkr¨ afte bei Schildvortrieb und Rohrvorpressung im Lockergestein. Baumaschine + Bautechnik 32, S.236-238 [183] Hewlett, B. H. M.; Johannesson, I. (1964): Schild- und Druckluft-Tunnelbau. Werner-Verlag, D¨ usseldorf [184] IBECO (1999): Bentonit f¨ ur Tunnelbau und unterirdische Bauverfahren. IBECOBentonit-Technologie GmbH, Mannheim [185] Kilchert, M.; Karstedt, J. (1984): Standsicherheitsberechnung von Schlitzw¨ anden nach DIN 4126. Beuth-Kommentare, Band 2, Beuth-Verlag, Berlin, K¨ oln [186] Kretschmer, M. (1977): Empfehlungen f¨ ur die Wasserhaltung durch Druckluft. Taschenbuch f¨ ur den Tunnelbau, Verlag Gl¨ uckauf, Essen, S. 127–147 [187] Kutzner, C. (1991): Injektionen im Baugrund. Verlag Enke, Stuttgart [188] Maidl, B.; Herrenknecht, M.; Anheuser, L. (1995): Maschineller Tunnelbau im Schildvortrieb. Ernst & Sohn, Berlin

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Firmeninformationen zu Kapitel 3 Anneliese BUT GmbH & Co. KG, Ennigerloh (Abschnitt 3.5: D¨ ammstoffe) ¨ Bodenseewerk Ger¨ atetechnik GmbH, Uberlingen (Abschnitt 3.1: Vermessungtechnik) Dyckerhoff Zement AG, Wiesbaden (Abschnitt 3.5: D¨ ammstoffe) Erbsl¨ oh & Co., Geisenheim am Rhein (Abschnitt 3.4: Bentonit) Gene Sys Elektronik GmbH, Offenburg (Abschnitt 3.1: Vermessungtechnik) GEOROC GmbH, Zementwerk, Dotternhausen (Abschnitt 3.5: D¨ ammstoffe) Haux – Life-Support GmbH, Karlsbad-Ittersbach (Abschnitt 3.6: Druckkammern, med. ¨ Uberwachung) IBECO Bentonit-Technologie GmbH, Mannheim (Abschnitt 3.4: Bentonit) R. Rohrbach KG, Zementwerk, Dotternhausen (Abschnitt 3.5: D¨ ammstoffe) Schwarzer GmbH, Wesel (Abschnitt 3.1: Vermessungtechnik) Schwenk KG, Ulm (Abschnitt 3.5: D¨ ammstoffe) S¨ ud-Chemie AG, M¨ unchen (Abschnitt 3.4: Bentonit) VMT Gesellschaft Vermessungtechnik)

f¨ ur

Vermessungstechnik

mbH,

Bruchsal

(Abschnitt

3.1:

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Literatur zu Kapitel 5 [221] Gussmann, P. (1992): Die Methode der Kinematischen Elemente und adaptive Optimierung, Bauingenieur 67, S. 409–417 [222] Gussmann, P; Schad, H.; Smith, I. (2001): Numerische Verfahren. GrundbauTaschenbuch, Teil 1, 6. Auflage, Hrsg.: U. Smoltczyk, Ernst & Sohn, Berlin, S. 431– 476 [223] Herten, M. (1999): R¨ aumlicher Erddruck auf Schachtbauwerke in Abh¨ angigkeit von der Wandverformung, Bergische Universit¨ at Wuppertal, Bodenmechanik und Grundbau, Bericht Nr. 22 [224] Jessberger, H.L.; Jagow-Klaff, R. (2001): Bodenvereisung, Grundbau-Taschenbuch, Teil 2, 6. Auflage, Hrsg.: Smoltczyk, U. Ernst & Sohn, Berlin, S. 121–166 [225] Kutzner, C. (1991): Injektionen im Baugrund, Verlag Enke, Stuttgart [226] Nova, R. (2001): Plastizit¨ atstheoretische Behandlung geotechnischer Probleme, Grundbau-Taschenbuch, Teil 1, 6. Auflage, Hrsg.: Smoltczyk, U., Ernst & Sohn, Berlin, S. 307–346 [227] Ostermayer, H. (2001): Verpressanker, Grundbau-Taschenbuch, Teil 2, 6. Auflage, Hrsg.: Smoltczyk, U., Ernst & Sohn, Berlin, S. 176–210 [228] Schad, H. (2002): Numerische Verfahren in der Geotechnik, Vorlesungsmanuskript, Institut f¨ ur Geotechnik der Universit¨ at Stuttgart [229] Schmidt, H. G.; Seitz, J. M. (1998): Grundbau, Kapitel D, Beton-Kalender 1998, Ernst & Sohn, Berlin, S. 469–719 [230] Semprich, S.; Stadler, G. (2001): Injektionen, Grundbau-Taschenbuch, Teil 2, 6. Auflage, Hrsg.: Smoltczyk, U., Ernst & Sohn, Berlin, S. 59–94 ¨ [231] Steinfeld, K. (1958): Uber den Erddruck an Schacht- und Brunnenw¨ anden, Vortr¨ age der Baugrundtagung 1958 in Hamburg, Eigenverlag der Deutschen Gesellschaft f¨ ur Erd- und Grundbau (heute: Deutsche Gesellschaft f¨ ur Geotechnik) [232] Wittke, W.; Wittke-Schmitt, B.; Schmitt, D. (2002): Neues Konzept f¨ ur Schildeinfahrt in wassererf¨ ullte Baugrube, Tunnel 2002, Heft 6, S. 30–38 [233] Walz, B.; Hock, K. (1988): Berechnung des r¨ aumlichen Erddrucks auf die Wandungen von schachtartigen Baugruben, Taschenbuch f¨ ur den Tunnelbau, Verlag Gl¨ uckauf, Essen, S. 131–159 Tunnel 2002, Heft 6, S. 30–38 [234] Walz, B.; Pulsfort, M.; Steinfhoff, M.-Th.; Herten, M. (2001): R¨ aumlicher Erddruck bei Radialsymmetrie des Bauwerkes. Mitteilungen des Instituts f¨ ur Geotechnik der TU Dresden, Heft 9, S. 125–142 [235] Vermeer, P. A.; Brinkgreve, R. B. J. (2001): Plaxis – Finite Element Code for Soil and Rock Analyses, 3D Tunnel, A. A. Balkema Publishers Rotterdam

Firmeninformationen zu Kapitel 5 Krings Tiefbautechnik GmbH, Am Weidenhof 8, 52525 Heinsberg (Verbauger¨ ate, Verbauboxen) Emunds & Staudinger GmbH, Ottostr. 30, 41836 H¨ uckelhoven (Verbauger¨ ate, Verbauboxen) SBH Tiefbautechnik GmbH, Ferdinand Porsche Strasse 8, 52525 Heinsberg (Verbauprodukte) Deutschland

Literaturverzeichnis

257

Friedrich Ischebeck GmbH, Loher Str. 31–79, 58256 Ennepetal (Bodenn¨ agel, Selbstbohranker) SUSPA-DSI GmbH (DSI: Dywidag Systems International), Max-Planck-Ring 1, 40764 Langenfeld (Bodenn¨ agel, Verpresspf¨ ahle, Verpressanker) botec Bodengefriertechnik GmbH, Im Steinger¨ ust 57, 76437 Rastatt

Literatur zu Kapitel 6 [236] Englert, K.; Bauer, K.; Grauvogl, J. (1991): Rechtsfragen zum Baugrund mit Einf¨ uhrung in die Baugrundtechnologien. Werner-Verlag, D¨ usseldorf [237] Englert, K.; Grauvogl, J.; Maurer, M.; von der Gr¨ un, P.; Langenecker, J.; OblingerGrauvogel, A. (1999): Handbuch des Baugrund- und Tiefbaurechts. Werner-Verlag, D¨ usseldorf [238] Englert, K.; Katzenbach, R.; Motzke, G. (2003): Beck’scher VOB-Kommentar, Band 3: VOB Teil C. Verlage C. H. Beck und Beuth, M¨ unchen und Berlin [239] Heiermann, W. (1996): Bauherr, Gutachter oder Baufirma: Wer tr¨ agt im Zweifelfall die Verantwortung ? In Baumaßnahmen im Grundwasser, Hrsg.: M. B¨ ohme, Baurecht und Bautechnik (BuB), Band 7, Erich Schmidt Verlag, Berlin

Das Kompendium der Geotechnik

Teil 1: Geotechnische Grundlagen 6. Auflage 2000. 802 Seiten, Gb. q 169,–*/ sFR 267,– ISBN 978-3-433-01445-5

Teil 2: Geotechnische Verfahren 6. Auflage 2001. 879 Seiten. Gb. q 169,–*/ sFR 267,– ISBN 978-3-433-01446-2

Teil 3: Gründungen 6. Auflage 2001. 751 Seiten. Gb. q 169,–*/ sFR 267,– ISBN 978-3-433-01447-9

Inhalt: – Internationale Vereinbarungen – Ermittlung charakteristischer Werte – Baugrunduntersuchungen im Feld – Eigenschaften von Boden und Fels – Stoffgesetze – Spannungen und Setzungen im Boden – Plastizitätstheoretische Behandlung geotechnischer Probleme – Bodendynamik und Erdbeben – Erddruckermittlung – Numerische Verfahren – Geodätisch-photogrammetrische Überwachung von Hängen – Geotechnische Messverfahren – Phänomenologie natürlicher Böschungen – Eisdruck – Böschungsgleichgewicht im Fels

Inhalt: – Baugrundverbesserung – Injektionen – Unterfangungen und Unterfahrungen – Bodenvereisung – Verpreßanker – Bohrverfahren – Rammen, Ziehen, Pressen, Rütteln – Gründungen im offenen Wasser – Böschungsherstellung – Grundwasserströmung – Grundwasserhaltung – Abdichtungen – Herstellung von Geländeeinschnitten – Rohrvortrieb – Erdbau – Geokunststoffe in der Geotechnik und im Wasserbau – Böschungssicherung mit ingenieurbiologischen Bauweisen

Inhalt: – Flachgründungen – Pfahlgründungen – Senkkästen – Baugrubensicherung – Pfahlwände, Schlitzwände, Dichtwände – Spundwände für Häfen und Wasserstraßen – Stützbauwerke und konstruktive Hangsicherungen – Maschinenfundamente – Gründungen in Bergbaugebieten

Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG

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Grundbau -Taschenbuch Teil 1-3 im Set r 459,– * / sFr 725,– ISBN 978-3-433-01448-6

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Stichwortverzeichnis

Abbau – teilfl¨ achig, 69, 73, 79, 87, 121 – vollfl¨ achig, 73, 80, 104, 121 Abdichtungsdruck, 34, 55 Abmessungen (maximale), 8 Abriebfestigkeit, 30 Abrostungszuschlag, 52 Abschlussrohr, 42 Absetzbecken, 89, 90 Abwasserd¨ uker, 15 Abwasserkanal, 14 Abwassertechnische Vereinigung, 22 Abweichungen (geometrisch), 231 Abweichungen (Lage), 16 Abwinklung, 30, 51 Adh¨ asion, 77 Adh¨ asionsdichtung, 57, 58, 60 Aktivbentonit, 143 Anfangsrohr, 32 Angriffsgrad nach DIN 4030, 26 Anisotropie der Durchl¨ assigkeit, 164 Anlaufstrecke, 96 Anlaufstrecke zu Bogentrasse, 35 Anpresskraft – kritisch, 82 – Mindest, 82 Anschlagwand, 93, 96 Ar¨ aometerversuch, 90 Arbeiten in Rohrleitungen, 3 Arbeitspl¨ atze, 2 Arbeitsst¨ attenverordnung, 2 ATV, 22 ATV A 125, 16, 17, 23 ATV A 161, 186 Aufdopplung, 67 Auflastfilter, 170 Aufweitung, 131 Aufweitungskopf, 3 Aufzeichnung, 232 Ausbl¨ aser, 166, 170 Ausbruchklasse, 74 Ausfahr¨ offnung, 233 Ausfahrwand, 33, 42, 205, 209 Auslaugungshohlr¨ aume, 15

Ausschreibung, 227–236 Außendichtung, 33, 53, 55 Austragsschnecke, 87, 88 Bandf¨ orderanlage, 87 Baugruben, 37 Baul¨ angentoleranz, 26 Bauvertrag, 227, 229 Beanspruchung Baugrund, 182 Begehbarkeit, 2 begrenzte Fl¨ achenlast, 175 Bemessung – Moment, 189 – Normalkraft, 189 Bentonit – agglomeriert, 149 – Aktivierung, 143 – allgemeines, 143 – automatisches Schmieren, 135 – Bedarf, 148 – Eindringtiefe, 148 – Einflussgr¨ oßen, 148 – Natrium, 143 – Regenerierung, 91 – Tr¨ ube, 91 Beobachtungsmethode, 217 Bergegrube, 43, 45, 235 Bergsenkung, 15 Ber¨ uhrungsbreite, 192 Betondeckung, 25, 186 Betonsohle, 233 Bettungsmodul, 194 Bettungssprung, 153 Bettungsverh¨ altnisse, 15 Bewehrung, 24 Bewehrungsgrad, 186 Bewehrungsquerschnitt, 190 BGB, 227 Biegezugfestigkeit, 196 Blasversatztechnik, 89 Bodenaustauschbohrungen, 205 Bodenn¨ agel, 214 B¨ oschungsstandsicherheit, 217–225 Bogenfahrt, 36, 193

260 – Einleitung, 109 Bohrpfahlwand, 206 Brillenwand, 205, 210 Brustwiderstand, 131–139 B¨ ugelbewehrung, 50 B¨ uhnenschild, 77 Bunkerband, 78, 81, 86, 87 By-Pass-Leitung, 90 Computerprogramm, 22, 199 D¨ ammer, 153–157 Dehner – Fuge, 103 – Nachlaufrohr, 25, 102 ¨ – Ubergangsblech, 87 – Vorlaufrohr, 25, 102 Dehnerstation, 44, 99 – Einbaufolge/Inbetriebnahme, 103 – integriert, 102 – schwimmend, 102 Deponierf¨ ahigkeit, 90 Deutsche Vereinigung des Gas- und Wasserfaches (DVGW), 22 Dichtung – Adh¨ asion, 58 – Formen, 54 – Lagesicherung, 54 Dichtungsteppich, 170 Diisocyanat-Toluol, 58 Dimensionierung Pressenwiderlager, 211 DIN V 1201, 21, 24, 27, 186 DIN EN 1916, 21, 31, 186 DIN 4035, 21, 27, 31 DIN 18312, 74, 82 DIN 18319, 16, 17, 20 Diskenmeißel, 82–84 Doppelschr¨ agspiegelrohr, 9 Drachenprofil, 6 Dreipunktlagerung der Steuerpressen, 108 Druck-Schwellzyklen, 25 Druckbegrenzung, 96 Druckkammer, 75 Druckluft – Bedarf, 166 – Bedingung, 10, 13 – Bedingungen (Pendelbetrieb), 86 – Membran-St¨ utzung, 70 – Polster (Suspensionsdruck), 70

Stichwortverzeichnis – St¨ utzung, 70 – Druckluftst¨ utzung, 3, 65 – Verbrauch (Faustformel), 167 – Verordnung, 160, 172 – Vortrieb (bemannt), 160 – Vortrieb (unbemannt), 160 Druckluftpolster, 67 Druckluftvortrieb – Leistungsverzeichnis (Beispiel), 230–236 Druckrohre aus Stahlbeton, 22 Druckschwellbeanspruchung, 211 Druckstollen, 33 Druck¨ ubertragung, 231 Druck¨ ubertragungsring, 11, 27, 47, 194 Druck¨ ubertragungsring (Gummi), 50 D¨ uker, 36 D¨ usenstrahlk¨ orper horizontal, 213 D¨ usenstrahlverfahren, 39, 210 Durchfeuchtung (wechselnde), 26 Durchschlupf¨ offnung, 82 DVGW, 22 DWA A 125, 17 Einbruchsprengung, 121 Einfahr¨ offnung, 236 Einfahrwand, 209 Eingabedaten, 186 Einheitspreisvertrag, 227, 228 Einschleifen in das Gebirge, 16 Eiprofil, 6, 21 Elastomer-Dichtungsprofil, 53 Entwicklungstendenzen, 5 EPB-Technik, 71 Erddruckst¨ utzung, 71, 123 Erddruckverh¨ altnis-Werte, 187 Erdwiderstandskeil, 213 Excavator, 69, 74, 77, 79 Expositionsklasse, 21, 25 Exzentrizit¨ atsfaktor, 192 Falzmuffe, 55 Falzweite, 55 FBS-Qualit¨ at, 22, 23, 27 FE-Methode, 218 Feldfabrik, 8 Felsbohrkopf, 73 Fertigungstoleranzen, 23, 27 Festgesteinsklassen, 19 Filterkuchen, 138, 149

Stichwortverzeichnis

261

Filtratwasserabgabe, 153 Findling, 74, 81, 85 Finite Elemente (FEM), 222–225 Fl¨ achenlast, 175, 179, 181 Flankenkraft, 222 Fließgrenze – dynamisch, 146 – statisch, 144 Fl¨ ussigkeitsst¨ utzung, 70, 82 Flugf¨ orderung, 88 Fluor-Kautschuk Dichtung (FKM), 54 F¨ ordermulde/K¨ ubel, 86–87 F¨ ordermulde, 41 F¨ orderschnecke, 64, 71, 86 F¨ ordersystem (bemannt), 87 Fr¨ askopf, 65 Freispiegelgerinne, 14, 15 F¨ uhrungsringe aus GFK, 53 Fuge – klaffend, 9, 11 – Vorbereitung Innendichtung, 57 Fugenverschluss, 235 Fugenweite, 193

HDD-Verfahren, 3, 47 HDI-K¨ orper, 210 HDI-Material, 39 Hebetraverse, 87 Hebezeug, 43, 86 Hindernis, 73, 81, 85, 229–235 Hochdruckwasserstrahl, 1, 3, 80 Holzwolle, 170 Hydraulik – Pumpe, 91 – Ventil, 91, 96 Hydraulikmeißel, 41 hydraulische F¨ orderung, 80, 86, 89 hydraulischer Grundbruch, 218 Hydraulischer Radius, 6 hydrostatischer Druck, 149, 172 Hydrozyklon, 90

¨ galvanische Uberz¨ uge, 53 Gebrauchstauglichkeit, 217 Gef¨ allereserve, 15 Gelenkschild, 111 Gelenkst¨ uck, 234 Geotechnische Kategorie, 11 Gesteins-Chips, 84, 90, 122 Gesteinsabtrag, 69, 119 Gierbewegung, 115 Gleitrahmen, 94 Grabenverbauger¨ at, 204 Grenzsschubkraft, 216 Grenzzustand, 217 Großrahmenvortrieb, 7 Großrohre (dickwandig), 8 Gyro Tunneling System (GTS), 118

Kalibermeißel, 84, 130 Kalottenlager, 93, 96 Kennzeichnung von Rohren, 32 Kinematische Elemente (KEM), 222–223 klaffende Fuge, 192 Klassen – nach DIN 18312, 74 – nach DIN 18319, 17, 74 Klemmkeilwirkung, 131 Knickwinkel, 194 Kolbenverl¨ angerungsstangen, 95 Kolbenwegmessung, 111 Kolmatation, 151 Kompressionsdichtprofil, 235 Kompressionsdichtung, 51, 53, 57 Konsole (verstellbar), 15 Kontrollvermessung, 110 Konusbrecher, 80, 90 Korrosionsrisiko, 52 Korrosionsschutz (Betondeckung), 25 Kreiselkompass mit Nordsuchermodul, 118 Kreisring, 174 Kreisring mit Belastung, 174 Kugelharfe, 146 Kurventrasse, 35

Haftgrund, 58 Halbraum, 211 Handabbau, 1, 69, 85 Handschild, 69, 85 Hartgestein, 10 Hauptpressstation, 91–94 Hauptvortriebspressen, 33, 40, 91–97 Hausm¨ ull, 10

Injektionsstutzen, 35, 118, 152, 156 Innendichtung (Anwendungsbereiche), 56 Innendichtung (Funktionen), 55 Innendichtung (Wirkungsweise), 57 Innendruckpr¨ ufung, 31

262 L¨ angsl¨ aufigkeit, 35, 150, 152 L¨ angsquerschnittsfl¨ ache, 190 L¨ angsschneidkopf, 79, 80 L¨ angvorspannung, asymmetrische, 108 Lageabweichung, 16 Laser-Zieltafel – aktiv (elektronisch), 117 – passiv, 116 Lasersystem mit Schlauchwasserwaage, 117 Lastbegrenzungsventil, 91 Lastkonzentrationsfaktor, 45 Lastminderungsfaktor, 192 Lastverteilungsrahmen aus Hartholz, 97 Leistung – Beschreibung, 228 – Programm, 228 – Verzeichnis, 230 Linearlaser, 116 Lockergesteinsklassen, 18 Lockerungssprengungen, 206 L¨ osungsmitteld¨ ampfe, 58 Luftdurchl¨ assigkeit von Boden, 163 Luftpuffersprengungen, 206 Luftstromgeschwindigkeit, 164 Luft¨ uberdruck – Arbeitskammer, 160 – reduziert, 172 – Rohrstrang, 160 Mantellinien (Abweichungen), 28 Mantelreibung – Beiwerte, 137 – Berechnung, 135 – mit Gleitmitteln, 135 – Voraushub, 132 Marsh-Trichter, 146, 159 Massenkontrolle, 71 Materialschleuse, 160 Maulquerschnitt, 7 Medienrohrstollen, 13 Mehrausbruch (geologisch bedingt), 129–132, 150 Mehrfachpressschacht, 37, 42 Membranschild, 170 Messerschild, 70 Microtunneling, 2, 65, 73, 80, 155 Mikrotunnelbau, 82, 88 Mindestbetondeckung, 25

Stichwortverzeichnis Mindestbewehrung, 190 Mindestgef¨ alle, 15 Mindestlichtmaße, 2, 3 Mindestmoment, 189, 218 Mineralumwandlung, 11 Minustoleranzen, 23, 27, 130 Muffendichtheit, 235 Muffenspaltweite, 29, 53 Muffentiefe, 29 Nachgiebigkeit, 194 Nachtragsforderungen, 228 Nassf¨ orderung, 89–91 Natrium-Bentonit, 143 Nebenangebot, 228, 229 Nebenbauwerke, 203 ¨ Neue Osterreichische Tunnelbauweise, 9 ¨ NOT/NAT, 9 Oberes Schrankentheorem, 220 Omega-Verfahren, 189 organische B¨ oden, 19 organogene B¨ oden, 19 Ortsbruststabilit¨ at – Druckluftbeaufschlagung, 168 Ortsbrustst¨ utzung, 65, 120, 133 Packerhead-Verfahren, 21 paralleler Rohrspiegel, 193 Parallelspiegelrohr, 9, 27, 48 Passrohr, 234 Pauschalvertrag, 228 Peilstrahl, 17 Pendelbetrieb, 42, 85 Penetration, 81, 83 – Verhalten, 138 – Zone, 149 Personenschleuse, 160 pH-Wert, 154 Plus-Minus-Toleranzen, 28 Polyesterfaserzusatz, 21 Polygonzugvermessung, 118 Polymere, 71, 77, 90 polymere Beschichtung, 53 Portalkran, 39, 43 Pressbohr-Rohrvortrieb, 3 Pressbohrmaschinen, 69 Pressbohrverfahren, 64 Pressenanordnung, 93 Pressenwiderlager, 37, 42, 86, 91, 96, 211

Stichwortverzeichnis Primer, 58 Prinzip der virtuellen Kr¨ afte, 176 Profilrohr, 6 Pr¨ ufbedingung (versch¨ arft), 31 Pseudo-3D-Analyse, 222 Quadratquerschnitt, 7 Quelldruck, 11 quergerichtete Kr¨ afte, 36 Querschneidkopf, 79 Querschnittsprofile, 6 r¨ aumliche Wirkung, 221–225 Rahmenvortrieb, 7 Randspannung, 195 Randzugspannung, 6, 25 RCP-Rohre, 55 Rechteckquerschnitt, 7 Rechtwinkligkeit, 27, 48 Refraktion des Laserstrahls, 117 Regeltransport, 8 Regelwerke – Rohrvortriebsarbeiten, 17 – Stahlbetonrohre, 21 Reibungsbeiwerte, 137 Restrisiko Baugrund, 228 Revisionsschacht, 37 Richtungsabweichung (Baugrund), 110 Richtungs¨ anderung, 11 Ringbalken, 218 Ringbewehrung, 24, 44 Ringbiegezugfestigkeit, 31 Ringraum, 14 Ringspaltverd¨ ammung, 152–157 Ringspaltverpressung, 153 Ringspannung, 218 Risikoverteilung, 227, 228 Rissbreite, 196 Risseverteilung, 196 Rohr-in-Rohr-System, 54 Rohrabmessungen, 17 Rohrbremse, 33 Rohrdurchmesser, 17 Rohre Typ 1/2, 21 Rohrfolgeplan, 99, 100 Rohrortsbrust, 34, 64 Rohrortsbrust (Standsicherheit), 127 Rohrspiegel (geschliffen), 30 Rohrverbindung, 6, 20, 30, 47, 59

263 Rohrvergleichsspannung, 196, 197 Rohrvortrieb – Bogentrasse, 14 – fallende Gradiente, 34, 86 – ferngesteuert, 2, 65 – halboffen, 62, 92 – Schwierigkeitsgrad, 11 – steigende Gradiente, 33 – unter Bahngleisen, 3 – unter Druckluft, 10 Rohrwandst¨ arke, 27 Rollbewegung, 115 Rollenmeißel, 65, 80, 82 Rollenschneidwerkzeug, 82 Rollenwagen, 3 Rollringdichtung, 54 Rotationsviskosimeter, 146 R¨ uckhaltevorrichtung, 33, 171 R¨ uttel-Press-Verfahren, 20 R¨ uttelverfahren, 20 Schacht – Abteufen, 38, 41 – Bau, 37–47 – Einbauten, 45 – Querschnitt, 37, 39 – Schleuse, 40 – Sohle, 40 – statische Berechnung, 203 – Wandung (Sicherung), 38 – Wandung (Widerlagerbereich), 40 – Zugang, 38 Schaumstoffprofil, 49, 58 Scheiteldruckpr¨ ufung, 31 Schild – Gelenk, 111 – Maschine, 66, 69, 73 – Schneide, 108, 128 – Schwanz, 131, 151 – Vortriebsmaschine, 65 Schirmkonstruktion, 209 Schlauchwaage, 114, 118 Schleuderverfahren, 21 Schleusung (Druckluft), 86, 88 Schleusung beim Druckluftbetrieb, 167 Schmiermittel, 129, 138 Schmierringspalt, 27 Schmierspalt – Abdichtung, 148

264 – Weite, 131, 151 Schneckenf¨ orderung, 87 Schneidenlast, 175, 177 Schneidlinienabstand, 82 Schneidrad, 80 Schnitt (unterbrochen), 81 Schnittkraftvorwerte, 186 Schr¨ agpfeiler, 93 Schr¨ agschacht, 33 Schr¨ agspiegelrohr, 9 Schr¨ ame, 69, 79 Schr¨ amkopf, 76, 79 Schrankentheoreme, 220 Schraubenlinie, 36 Schutzrohrstollen, 13, 14 Schwerkraftabfluss, 15, 33 Schwindverhalten, 8 Seilwinde, 85, 86 Seilzug, 86 Seitendruck, 187 Selbstbohranker, 214 Senkkasten, 37, 207 Setzungen, 13, 15 Setzungsunterschiede, 15 Silodruckmodell, 71, 122 Slurry-Schild, 70, 151 Soda-Aktivierung, 143 Sohlsicherung unterfahrener Gew¨ asser, 170 Sohlsprung, 30 Sondertransport, 8 Spaltzugspannung, 25 Spannungsverteilung, 182 Speiseleitung, 152 Spiegelfl¨ ache, 9 Spitzendmaß, 23 Sprengvortrieb, 7 Spritzbeton – Bauweise, 230, 232 – Verbau, 233, 235 Spritzbetonsicherung, 206 Stagnationsgradienten, 149 Stahlbeton – Druckrohre, 22 – Ringbalken, 39 Stahldruckring, 91, 95, 97 Stahlf¨ uhrungsrahmen, 99 Stahlf¨ uhrungsring, 94 – einseitig befestigt, 29 – Korrosion, 52

Stichwortverzeichnis – schwimmend, 61 – Werkstoff, 52 Stahlmanschetten, 51 Stahlschalung, 20 Standardleistungsbuch, 229 Startschacht, 4, 37 statische Berechnung, 22, 173–202, 231 Steigschacht, 2 Steingr¨ oße, 18 Stetigf¨ orderung, 87 Steuerpresse, 36, 108, 113, 132 Steuerung – automatisiert, 112 – Fehler, 15 – Fuzzy, 112 – mit Pressen, 109 Steuerung von Rohrvortrieben, 108 Stillstandskosten, 235 Stirnfl¨ ache – Parallelit¨ at, 28 – Rechtwinkligkeit, 28 Str¨ omungsdruck, 218 Str¨ omungsgeschwindigkeit (kritische), 90 St¨ utzschulter, 55 Styrol-Butadien-Kautschuk, 57 Suspensionsdruck, 34 Tangentialspannungen, 183 Tauchwand, 34 Teilschnittmaschine, 69, 79 Teilschott, 34 Teilst¨ utzung der Ortsbrust, 70, 77 tension-cut-off-criterion, 223 Toleranzfeld – elliptisch, 16 – zylindrisch, 17 Tragverhalten von Rohren, 174 Trasse – kleiner Radius, 11 – Neigung, 15, 34 – Polygonzug, 14 – Radius, 11 – S-Form, 5 Trennfl¨ achen – Abstand, 19 – Gef¨ uge, 19, 41 Trimmstation, 104 Trinkwasserrohr, 26 Trockenf¨ orderung, 87

Stichwortverzeichnis Trockenwetterabflussrinne, 6 T¨ ubbing – Ausbau, 63 – Bauweise, 9, 88 – Sicherung der Schachtwandung, 39 Tunnelbohrmaschine, 1, 69, 74, 82, 89 Tunnelstatik, 173 ¨ Uberfirstung, 131 ¨ Ubergangsbogen, 36 ¨ Ubergreifungsbereich, 51 ¨ Uberprofilierung, 187 Unstetigf¨ orderung, 85, 94 Unteres Schrankentheorem, 220 Verb¨ ugelung, 24 verd¨ ammen, 152 Verdichtungsgrad, 233 Vereisung, 35, 39 Verfestigung – Dichtstoff, 58 – Injektion, 13 Verkehrslasten, 186 Vermessung mit Theodolit, 118 Verpresspf¨ ahle, 214 Verrollung, 115 Versandung, 15 Verschlammung, 15, 34 VOB, 227 VOB, Teil C, 17 Vollschnittmaschine, 45, 65, 69, 80–82 Vor-der-Wand-Pfahl, 206 Vortrieb – Richtung, 33 – Rohr, 1 – Toleranz, 13, 16 – unter Druckluft, 159, 172 – Verbundrohre, 14 Vortriebshindernis, 5, 44 Vortriebsklasse, 74, 82

265 – SIA 195, 12 – Vogel, 12 Vortriebsmaschinen (Systematik), 72 Vortriebsrohre, 230–235 Vortriebsverfahren – ferngesteuert, 2, 3, 64, 73, 80, 88 Wandrauigkeit, 30 Warzenmeißel, 82 Wasserdichtheit, 196 – Rohre, 31 – Schachtwandung, 39 Wasserhaltung, 35, 39 Wendelabscheider, 91 Werkzeugverschleiß, 73, 81 Werkzeugwechsel, 80 Wetterschacht, 33 Widerlager – Verschiebungen, 40 – Versteifung, 40 Widerlagerwand, 211 Widerstandskraft, 212 Widerstandspunktschweißung, 24 Xylol, 58 Zentrifugalprinzip, 91 zentrischer Zug, 196 Zielbaugrube, 45 Zielschacht, 45 Zugbruchkriterium, 223 Zugversuch, 216 Zusammendr¨ uckung, 195 Zusatzklassen (Lockergestein), 19 Zweikomponentendichtungen, 52 Zwischenb¨ uhne, 77 Zwischendruckring, 93 Zwischenschacht, 14, 43 Zylinderdruckfestigkeit, 19, 41, 73, 82

BUCHEMPFEHLUNGEN

Praxishandbücher zur Geotechnik! Gerd Möller Geotechnik - Grundbau Reihe: Bauingenieur-Praxis 2006. 498 S. 390 Abb. 38 Tab. Br. Q 55,-* / sFr 88,ISBN 978-3-433-01856-9 Das Buch führt prägnant und übersichtlich in die Methoden der Gründung und der Geländesprungsicherung ein und gibt dem Leser bewährte Lösungen an die Hand. Die Darstellung der Berechnung und Bemessung anhand zahlreicher Beispiele ist eine unverzichtbare Orientierungshilfe in der täglichen Planungs- und Gutachterpraxis. Aus dem Inhalt: Zur Neufassung von DIN 1054 – Frost im Baugrund – Baugrundverbesserung – Flachgründungen – Pfähle – Pfahlroste – Verankerungen – Wasserhaltung – Stützmauern – Spundwände – Pfahlwände – Schlitzwände – Aufgelöste Stützwände - Europäische Normung in der Geotechnik

Gerd Möller Geotechnik - Bodenmechanik Reihe: Bauingenieur-Praxis 2007. 424 S. 304 Abb. 82 Tab. Br. Q 55,-* / sFr 88,ISBN 978-3-433-01858-3 Der Titel „Geotechnik – Bodenmechanik“ vermittelt alle wichtigen Aspekte über den Aufbau und die Eigenschaften des Bodens, die bei der Planung und Berechnung sowie bei der Begutachtung von Schäden des Systems Bauwerk-Baugrund zu berücksichtigen sind. Die zahlreichen Beispiele und Darstellungen basieren auf dem aktuellen technischen Regelwerk. Aus dem Inhalt: Einteilung und Benennung von Böden - Wasser im Baugrund Geotechnische Untersuchungen - Bodenuntersuchungen im Feld – Laborversuche – Spannungen und Verzerrungen – Sohldruckverteilung – Setzungen – Erddruck – Grundbruch – Böschungs- und Geländebruch – Auftrieb, Gleiten und Kippen

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