Neues zur Baugrund- und Bodenverbesserung per FMI-Verfahren
Das Fräs-Misch-Injektions-Verfahren ist ein seit Langem bekanntes Bodenmischverfahren zur Baugrund- und Bodenverbesserung. Einige jüngere Einsätze haben gezeigt, dass dieses Verfahren nicht nur mit kostspieligen Spezialmaschinen ausgeführt werden kann, sondern auch mit Kombinationen aus Standardbaggern und Anbaugeräten.
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Eine der Herausforderungen bei Bauvorhaben ist oft der vorgefundene Baugrund. Wenn der Untergrund nicht stabil genug ist, kann dies zu Schäden an Gebäuden, Dämmen, Deichen oder Abdichtungen führen. In solchen Fällen kann das FMI- Verfahren eine Möglichkeit sein, den Baugrund zu verbessern. Dieses Verfahren eignen sich besonders für Böden, die eine geringe Tragfähigkeit aufweisen oder die durch Veränderungen im Grundwasserstand instabil geworden sind. In diesem Beitrag werden die Funktionsweise, die Vorteile und Anwendungen des Fräs-Misch-Injektionsverfahrens (FMI) sowie vorteilhafte maschinentechnische Ansätze erläutert.
Was ist FMI-Bodenmischung und wie funktioniert sie?
Bodenmischung ist ein Verfahren, bei dem vorhandener Boden mit Zement oder anderen Bindemitteln gemischt wird, um seine Eigenschaften zu verbessern. Das Bodenmischverfahren wird in der Regel mit speziellen Maschinen durchgeführt, die den Boden auflockern und das Bindemittel einmischen. Es gibt zwei Haupttypen von Bodenmischverfahren: das Tiefenmischverfahren und das Oberflächenmischverfahren. Wir befassen uns hier ausschließlich mit dem Tiefenmischverfahren.
Als eine bewährte Methode zur Stabilisierung von Böden sowie zur Herstellung von Erdbeton ist das im Merkblatt für Wasserbau ausgeführte Fräs-Misch-Verfahren zur tiefgründigen Bodenverfestigung (FMI) bei Planern und Ausführenden im Spezialtiefbau seit Jahrzehnten bekannt. Bei diesem Verfahren wird der Boden mit einer speziellen Bodenfräsmaschine in den benötigten Tiefenaufgelockert und mit einer Bindemittel-Suspension durchmischt. Nach dem Aushärten entstehen je nach dem gewählten Verfahren (MIP-, DSV-Dichtwand oder FMI) weitestgehend homogene, wasserundurchlässige, frostsichere Erdbetonkörper. Ausschließlich beim FMI-Verfahren wird eine fugenlose und fast vollständige Homogenisierung erreicht, da eine vertikale Vermischung der einzelnen Erdschichten erfolgt.
Das FMI-Verfahren eignet sich besonders für Böden, die eine geringe Tragfähigkeit aufweisen oder die durch Veränderungen im Grundwasserstand instabil geworden sind. Verwendung finden sie unter anderem im Verkehrswegebau – etwa zur Ertüchtigung des Untergrundes im Eisenbahnbau, zur Sicherung von Straßenschultern sowie zur Immobilisierung von Schadstoffen – oder im Hochwasserschutz. Bei all diesen Einsätzen wirkt das Verfahren ressourcenschonend, denn der Transport von Aushub und Verfüllmaterial wird auf ein Mindestmaß verringert.
Das FMI-Verfahren und seine Einsatzmöglichkeiten
Das Fräs-Misch-Injektionsverfahren ist wie schon angedeutet ein mehrstufiger Prozess. Zunächst wird der Boden durch Fräsen aufgelockert. Gleichzeitig wird ein Bindemittel in den Boden eingebracht, das mit dem Boden vermischt wird und ihm eine höhere Tragfähigkeit verleiht. Danach bindet das Boden-Bindemittelgemisch ab, dadurch wird die Stabilität des Bodens erhöht. Das Bindemittel, welches in das Bodenprofil injiziert wird, kann aus verschiedenen Materialien bestehen, je nach den Anforderungen des Bauvorhabens und den Eigenschaften des Bodens. Häufig verwendete Bindemittel sind beispielsweise Zement oder fertige Dichtwandmischungen aus Kalk, Zement und Bentonit. Je nach Art und Menge verändert der Zusatz dieser Bindemittel die Bodeneigenschaften und verbessert die Tragfähigkeit und Dichtigkeit des Bodens erheblich.
Dieses Verfahren wird oft verwendet, um den Boden für den Bau von Fundamenten zu verbessern. Das Verfahren kann auch bei der Sanierung von Kerndichtungen in Dämmen und Deichen eingesetzt werden durch eine eingefräste Erdbeton-Wand. Eine weitere Möglichkeit ist die Abschottung von fließendem Wasser für Baugruben usw. Außerdem können Kontaminierungen damit eingeschlossen, Erschütterungen minimiert oder ein Baugrubenverbau hergestellt werden.
Das Fräs-Misch-Injektionsverfahren, insbesondere mithilfe der nachfolgend beschriebenen KSI-Injektionsmaschinen, hat viele Vorteile gegenüber anderen Methoden der Bodenverbesserung. Zum einen ist es eine nicht so kostenintensive Methode, die schnell und effizient mit Standardmaschinen durchgeführt werden kann. Zum anderen ist das FMI-Verfahren mittels KSI eine sehr präzise Möglichkeit, eine gezielte Verbesserung des Baugrundes zu erreichen, was besonders bei komplexen Bauvorhaben von Vorteil ist.
FMI mit KSI-Mischschwertern von Kemsolid
Die beim Boden-Misch-Verfahren erforderliche Maschinentechnik besteht klassischerweise aus einem speziellen (raupengetriebenen) Trägergerät, (Bagger oder Mäklergerät) welches mit einem Fräs-Misch-Schwert, Schnecken, Düsen oder Paddeln an rotierenden Gestängen zum Einbringen von Bindemittel (oder auch Zuschlagstoffen) bestückt ist. Einen in der Vorgehensweise vergleichbaren, aber maschinentechnisch relativ neuen Ansatz bildet das Tiefenmischverfahren von Kemsolid, einer Spezialtiefbau-Sparte des Unternehmens Kemroc. Dabei wird das an einem Standard-Hydraulikbagger angebaute Mischschwert (KSI) zur Bodenverbesserung eingesetzt.
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Die KSI-Mischfräsen wurden in Zusammenarbeit mit einem Spezialtiefbau-Unternehmen entwickelt und sind aktuell in zwei Baugrößen und diversen Schwertlängen für Bagger von 40 bis 120 t Einsatzgewicht erhältlich. Die kleinere Antriebs¬einheit KSI 7000 kann mit Schwertern für 5, 6 oder 7 m Mischtiefe ausgerüstet werden und das größere Modell KSI 12000 mit Schwertern für Misch¬tiefen von 6, 8, 10 oder 13 m. Alle Konfigurationen beanspruchen einen wesentlichen Vorteil für sich: Sie sind an Standardbaggern anbaubar. Anstelle eines speziellen, kostspieligen und schweren Trägergerätes kann eine leicht modifizierte Standardmaschine aus dem Maschinenbestand des ausführenden Unternehmens oder auch ein angemietetes Trägergerät dienen. Dies bringt entscheidende Vorteile bei der Kostenkalkulation und Angebotsabgabe im Zuge einer Ausschreibung.
Referenz-Beispiele für das FMI-Verfahren
Die KSI-Mischschwerter werden von Kemroc über die Sparte Kemsolid vertrieben. Das FMI-Verfahren mittels KSI ist inzwischen auf verschiedenen Baustellen und zu unterschiedlichen Zwecken erfolgreich eingesetzt worden. Vielversprechend sind auch neuartige Einsätze – hier einige Beispiele.
- An der Donau (Deutschland) wurden Dämme mittels innenliegender Erdbetonwand im FMI verfahren saniert bzw. neu hergestellte Dämme stabilisiert.
- Auch an der Alz in Burgkirchen (Deutschland) sind Abdichtmaßnahmen mittels KSI im FMI-Verfahren für einen Hochwasserschutzdamm ausgeführt worden.
- Für die Verbesserung des Baugrundes unter künftigen Gebäuden sind Erdbetonwände mittels KSI im FMI-Verfahren hergestellt worden.
- Eine weitere Einsatzmöglichkeit ist die Abschottung von Grundwasser oder das Einschließen von Kontaminierungen. Tests dazu wurden schon in San Diego (USA) mit Erfolg ausgeführt.
- Die Sanierung alter Hochwasserschutzdämme ist ein weiteres Einsatzfeld für das FMI-Verfahren mittels KSI. Da die Dammbreiten oft weniger als 3 m betragen, ist die KSI als Baggeranbaugerät sehr gut geeignet, um diese Leistungen auszuführen. Es können so Tiefen von 5 – 10 m erreicht werden mit Breiten der Erdbetonwände von 400 – 600 mm. Das wurde bereits in Bozen, Südtirol (Italien) an der Etsch über eine Flussstrecke von 300 m getestet. Es war eine Herausforderung, auf einer schmalen Dammkrone mit 2,5 – 3,0 m Breite zu arbeiten; noch dazu waren gemäß Baugrundaufschlüssen im alten Damm Packlagen aus Steinen bis ca. 30 cm eingebaut, welche durchfahren werden mussten.
- Ein weiteres Einsatzgebiet ist die Sanierung und Dammerhöhung einer Tailing-Halde im größten europäischen Kupfertagebau in Bulgarien (im Bergbau sind Tailings feinkörnige Rückstände aus der Erzaufbereitung, die meistens als Schlämme vorliegen). Dazu wurden umfangreiche Tests durchgeführt und 3D-Berechnungen für ein Konzept erstellt.
Vorteile der Bodenmischung per FMI-Verfahren
Das Bodenmischverfahren bietet mehrere Vorteile gegenüber anderen Methoden zur Verbesserung des Baugrunds. Hier sind einige der wichtigsten Vorteile:
1. Kostenersparnis: Die Verwendung von Bodenmischverfahren ist oft kosteneffektiver als andere Methoden wie der Austausch des Bodens oder die Verwendung von Schlitzwänden, Schmal-Wänden, MIB-Wänden oder Düsenstrahl-Injektionen.
2. Zeitersparnis: Das Bodenmischverfahren kann oft schnell durchgeführt werden und verringert den Zeitaufwand, der für die Baugrundverbesserung benötigt wird.
3. Flexibilität: Das Bodenmischverfahren kann an verschiedene Bodenbedingungen angepasst werden, um den Bedürfnissen eines bestimmten Bauprojekts gerecht zu werden.
4. Umweltfreundlichkeit: Das Bodenmischverfahren verringert den Bedarf an Deponieraum, da der vorhandene Boden genutzt wird und keine zusätzlichen Materialien benötigt werden.
Zum Autor:
Gerd Maitschke ist Bereichsleiter Spezialtiefbau der Kemroc Spezialmaschinen GmbH in Leimbach, Division Kemsolid.
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