Die Emscher und ihre Nebengewässer bilden derzeit ein System offener Schmutzwasserläufe, die nach zwischenzeitlichem Abklingen der Bergsenkungen nunmehr im Rahmen der Renaturierung durch die Emschergenossenschaft in unterirdische Abwasserleitungen eines geschlossenen Kanalsystems überführt werden sollen. Ein Teilprojekt stellt ein grabenloser Kanalneubau an der Berne in Essen-Altenessen dar.

Als Vortriebstechnik zur Realisierung dieses Kanalbauwerks kam eine AVND-Vortriebsmaschine (Rohrvortrieb mit Spülförderung im Hydro-Modus, d.h. Stützdruckregelung über Druckluftpolster) der Herrenknecht AG mit einem Außendurchmesser von 2.500 mm zum Einsatz, um die Gesamtlänge der Haltung von 450 m mit 2,0 ‰-Gefälle herzustellen. Als relevante Trassierungsparameter war die gekrümmte Linienführung mit einem Radius von 480 m auf den letzten rund 275 m zu berücksichtigen.

Der zu bewältigende Baugrund bestand im Wesentlichen aus Talfüllungen mit unterschiedlicher Zusammensetzung u.a. in Form von braunem Schluff mit Sand-/Kiesanteilen und verwitterten Mergelbruchstücken. Grundwasser war bis ca. 7 m oberhalb der Rohrsohle prognostiziert. Für die Baugrunddurchlässigkeiten wurde ein Durchlässigkeitsbeiwert k < 10^-6 m/s abgeschätzt.

Im Verlauf der Vorpressung waren die Berne mit einer minimalen Überdeckung von 2,5 m sowie im weiteren Schienenwege in Dammlage der DB Netz AG mit einem Kreuzungswinkel von 69° und einer minimalen Bodenüberdeckung von 11,70 m zu unterqueren.

Im direkten Anschluss an diese Unterquerung und kurz vor Erreichen des Zielschachtes war nach weiteren ca. 30 m Vortrieb die Überquerung zweier Tunnelröhren der Ruhrbahn GmbH mit einem Abstand von nur 1,5 m (Weströhre/Gleis 1 und Oströhre/Gleis 2) bei gleichzeitiger Unterquerung einer Hauptverkehrsstraße zu bewältigen. Die Überquerung erfolgte in einem 40°-Winkel, so dass sich ca. 32 m direkte Querungsstrecke ergaben. In Abbildung 3 sind beide Querungsbereiche dargestellt.

Aufgrund der für die Unterquerung der Schienenwege installierten Langsamfahrstelle (Auflage der DB Netz AG) und der Betriebsruhe-Phase der zu überquerenden U-Bahn (Auflage der Ruhrbahn GmbH) musste der Vortrieb kontinuierlich erfolgen. Mit Erreichen der Eisenbahninfrastruktur stand ein Zeitfenster von 5 Tagen für die Querung der Schienenwege und der U-Bahntunnel zur Verfügung.

Bauwerke im Trassenbereich

Schienenwege

Die Schienenwege der Strecken 2650 und 2277 liegen im Schotteroberbau in Dammlage minimal 11,70 m oberhalb des querenden Kanalrohres. Das Gefährdungsband für Kampfmittel liegt bei > 8 m unter GOK. Für den Bahndamm entspricht die Bestandshöhe der Geländehöhe nach 1945, so dass auch für diesen Bereich keine systematische Kampfmittelsuche notwendig war. Die Streckengeschwindigkeit ist mit V_ZG = 160 km/h angegeben. Für die Unterquerung wurde eine Langsamfahrstelle La 120 km/h über einen Zeitraum vom 11 Tagen installiert.

U-Bahntunnel

Die bestehenden Tunnelröhren der U-Bahn wurden im Schildvortriebsverfahren (Mix-/Hydroschild-TBM, s. [1]) mit nachlaufendem Tübbingausbau (vgl. Abbildung 4) im Baulos 34 (Bestandteil des 8. Teilabschnitts der Stadtbahn Rhein-Ruhr, Bauabschnitt Essen) in einem Baubereich von ca. 2,5 km Länge als Fortführung der Nordstrecke in Altenessen im Anschluss an das Baulos 32/33 (Einsatz einer EPB-TBM) im Zeitraum 1990 bis 1998 realisiert. Die Inbetriebnahme erfolgte im Mai 2001 [2].

Die Tunnelröhren haben einen Innendurchmesser von 7,60 m und mit einer Tübbingstärke von 40 cm einen Außendurchmesser von 8,40 m. Die Ringbreite ist 1,50 m, das Ringdesign hat eine 7+1-Teilung mit einem Nut-Feder-System. Es wurden Links-, Rechts- und Parallelringe mit einer maximalen Konizität von 6 cm eingebaut.

Der Tübbingeinbau erfolgte mit einem Halbsteinversatz (Rotation), um Kreuzfugen (ungünstig hinsichtlich Dichtigkeit und Stabilität) zu vermeiden. Die Dichtigkeit des Vielfugensystems wurde über den Einsatz von umlaufenden Dichtungsprofilen je Segment sichergestellt und dessen Kompression während des Einbaus und die Aufrechterhaltung danach.

Die bestehenden U-Bahnröhren wurden vortriebsbedingt zuerst im Bereich der Oströhre (Gleis 1) bei und dann im Bereich der Weströhre (Gleis 2) durch den Rohrvortrieb gequert. Aufgrund des Kreuzungswinkels von ca. 40° werden jeweils immer zwei bestehende Tübbingringe tangiert, welche grundsätzlich empfindlich auf Entlastungen reagieren können. Bezogen auf die Achshöhe der beiden Tübbingröhren sind rund 32 m Querungslänge (8 Rohrschüsse) mit dem Rohrvortrieb zu realisieren. Die Abbildung 5 illustriert die geometrischen Abhängigkeiten. Während der Überfahrung wurde eine Betriebsruhephase von 2 Tagen umgesetzt.

Auflagen der Infrastrukturbetreiber und Aufsichtsbehörde

Da die Kanalquerung von den Regelwerken der DB Netz AG aufgrund gekrümmter Linienführung, schiefwinkliger Trasse (schleifender Schnitt mit den Eisenbahnstrecken) und Unterquerung von Weichen abweicht sowie die Bauausführung unter dem rollenden Rad stattfinden sollte, wurden spezifische Anforderungen und Auflagen für die Planung und Ausführung definiert und in einer sog. unternehmensinternen Genehmigung (UiG) seitens der DB Netz AG und einer Zustimmung im Einzelfall seitens des Eisenbahn-Bundesamts (EBA) fixiert. Unter anderem waren diverse statisch-konstruktive Nachweise, z.B. für die Stahlbeton-Vortriebsrohre und die Ortsbruststützung, zu führen und durch einen zugelassenen Sachverständigen zu prüfen. Des Weiteren waren Störfallszenarien und Alarmpläne aufzustellen sowie eine umfangreiche messtechnische Überwachung (15-Min.-Messrhythmus für den Gleisabschnitt im Einflussbereich, s. Abbildung 6) zu installieren. Auf Grundlage einer Senkungsprognose wurden unter Berücksichtigung der DB-Richtlinien und im Zusammenwirken mit den Anlagenverantwortlichen der DB Netz AG Vorwarnwerte (Eingreifwert) von 5 mm und Grenzwerte von 20 mm (Vortriebsunterbrechung) für die Gleisverformungen definiert. Während des Vorpressens musste eine Handstopfkolonne und eine Stopfmaschine vorgehalten werden.

Für die Überquerung der U-Bahntunnel wurden unter anderem eine messtechnische Überwachung der Bestandsröhren und ein adaptiertes Qualitätssicherungsprogramm des Vortriebs gefordert. Darüber hinaus wurden statische Untersuchungen zur Verträglichkeit der Überquerung mit anschließender bautechnischer Prüfung sowie eine übergeordnete, alle Teilbereiche berücksichtigende gutachterliche Bewertung veranlasst.

Statisch-konstruktive Bewertung zur Verträglichkeit der Überquerung

Im Rahmen der Planung des Rohrvortriebs erfolgte eine statische Beurteilung der Bestandsröhren im Hinblick auf die Standsicherheit und Verformungen infolge der Überquerung mittels Rohrvortrieb. Hierzu wurde eine Gegenüberstellung der Verformungen des „Ist-Zustands“ und ein Zustand mit erwarteter reduzierter Belastung aus dem Rohrvortrieb unter Berücksichtigung einer Verbundwirkung zwischen benachbarten Tübbingringen durchgeführt. Auf der sicheren Seite liegend wurde ein Kreuzungswinkel von 90° angenommen, so dass eine maximale Entlastung je Ring provoziert wird. Im Ergebnis der Untersuchungen konnte eine Verformungsänderung von maximal 15 mm im Firstbereich festgestellt werden, welche als verträglich für die Bestandsröhren bewertet wurde. Die Warn- und Alarmwerte für die messtechnische Überwachung wurden entsprechend eingestellt. Eine nachgeschaltete bautechnische Prüfung konnte die Standsicherheit der Röhren bei gleichzeitig noch deutlich geringeren, zu erwartenden Verformungen bestätigten.

In [3] wird über einen erfolgreichen Rohrvortrieb mit ähnlichen Randbedingungen berichtet, bei dem die Auswirkungen der Überquerung numerisch analysiert und sich die prognostizierten Verformungswerte von 1-2 m (Durchmesserkonvergenz) im Zuge des Vortriebs eingestellt haben.

Bewertung zum vorhanden Dichtungssystem der Tübbingröhren

Neben der statischen-konstruktiven Verträglichkeit der prognostizierten Verformungen wird die Funktionsfähigkeit der Dichtungsprofile maßgebend von den Versatz- und Spaltmaßen beeinflusst, die sich wiederum infolge Herstell- und Montagetoleranzen sowie Verformungen einstellen können. Insofern sind die möglichen Verformungen mit dem Arbeitsvermögen der Dichtprofile zu vergleichen. Die Ringgeometrie bei den gegenständlichen Tunnelröhren zeigt Abbildung 7.

Bei den Bestandsröhren wurde das Dichtungsprofil „M 383 64“ (Typ „Sheffield“) der Firma Phoenix (heute Sealable Solutions GmbH) [4] verwendet. Die Bewertung des Arbeitsvermögens des Dichtungsprofils hinsichtlich Spalt- und Versatzmaße erfolgt über ein Dichtigkeitsdiagramm. Bei einem maximalen Versatzmaß von 20 mm in Kombination mit einem Spaltmaß von max. 6 mm (in der Dichtungsebene) kann noch ein Wasserdruck von 2 bar bewältigt werden. In Abbildung 8 ist ein Auszug aus dem Datenblatt dargestellt, aus dem die geometrischen Abhängigkeiten ersichtlich sind.

Eine Versatzmessung von 2018 in den U-Bahntunneln konnte wechselseitige Verformungswerte (Versatz) der Tübbingsegmente von maximal 6-7 mm im Querungsbereich in der Firste dokumentieren. Daten zu Spaltmaßen lagen nicht vor.

In Kombination mit nur geringen zusätzlichen Verformungen von ±15 mm infolge des Rohrvortriebs kann von einer weiterhin bestehenden Dichtigkeit des Tübbingsystems ausgegangen werden. Sofern jedoch größere und sich ungünstig einstellende Verformungen auftreten, sind Undichtigkeiten in den Fugen nicht auszuschließen. Für diesen Fall wurde empfohlen, Ereignismaßnahmen zu planen. Diese umfassen einerseits ausreichend dimensionierte Pumpen, mit denen zutretendes und sich im Pumpensumpf der Tunnelröhren ansammelndes Wasser abgepumpt werden kann. Zum anderen muss ein Wasserzutritt, bei dem auch Feinteile mit ausgeschwemmt werden, schnellstmöglich gestoppt werden. Da sich die Dichtung auf der Außenseite des Tübbings befindet (s. Abbildung 7) sind luftseitige Dichtungsmaßnahmen ineffizient, da die Fehlstellen der Dichtung i.d.R. nicht erreicht werden. Hierfür sind Injektionskampagnen mit niedrigviskosen PU-Harzen (schäumend, für eine schnelle und großvolumige Abdichtung) und Acrylatgelen (dauerhaft elastisch) unter Beachtung zulässiger Bohransatzpunkte (Beschädigung der Bewehrung vermeiden) sinnvoll. Entsprechende Planungen durch eine Fachfirma, auch hinsichtlich notwendiger Bohr-/Injektionsaggregaten und Aufstiegshilfen, wurden empfohlen. Die Einsatzbereitschaft/Vorhaltung von Personal/Material für die Dauer der Überquerung bis zum gesicherten Verformungsstillstand war notwendig.

Bewertung möglicher Erschütterungen durch den Vortrieb

Ein Vortrieb mit maschinellen Bohrverfahren löst Raumwellen im Baugrund aus, die zu Erschütterungen von Bauwerken führen können. Ausgehend vom Schneidrad breiten sich die Raumwellen aus, wobei die Schwinggeschwindigkeit mit zunehmender Entfernung abnimmt.

Die überschlägig geringsten Erschütterungen können in tonigen- und sandig-tonigen Böden, mittelmäßige Erschütterungen in Kalksteinformationen und die höchsten Erschütterungen in hartem Felsgestein erwartet werden. Insbesondere der Abbauprozess von gebetteten Findlingen und die „schlagende“ Belastung auf die Abbauwerke in Mixed-face-Situationen kann als erschütterungsintensiv bewertet werden.

Bei einem in Großbritannien erfolgten und hinsichtlich Erschütterungen analysierten Vortrieb mit Flüssigkeitsschild in Sandformationen konnten in unmittelbarer Ortsbrustnähe maximale Schwinggeschwindigkeiten von 3,6 mm/s festgestellt werden [5]. Nach Hiller und Crabb [6] kann für Maschinenvortriebe von einer emittierten Schwinggeschwindigkeit in Abhängigkeit zur Entfernung von der Ortsbrust entsprechend der Abbildung 9 ausgegangen werden.

Für die Auffahrung der gegenständlichen Haltung mit AVND-Technik kommen beim vorliegenden Baugrund die Linien „Full face minitunnel TBM – Clay; sand and clay“ (Mikrotunnel TBM/Vollschnitt in Ton-/ Sand-Ton-Boden) in Frage. Hier sind in einem Abstand von 10 m zur Ortsbrust Schwinggeschwindigkeiten von rund 0,55 mm/s zu erwarten.

Nach DIN 4150-3 [7] können die Einwirkungen von Schwingungen auf bauliche Anlagen bewertet werden. Demnach werden als kleinste Anhaltswerte (Frequenzen 1 Hz bis 10 Hz) zur Vermeidung von Beschädigungen für Wohngebäude V_max = 5 mm/s und für denkmalgeschützte Gebäude V_max = 3 mm/s ausgewiesen. Der oben dargestellte Wert von V_max = 0,55 mm/s in 10 m Entfernung zur Ortsbrust ergibt nach Extrapolation mit dem geschätzten Faktor 10 die Größenordnung nach [5] (ca. 3,6 mm/s) direkt an der Ortsbrust und kann als plausibel für die Überquerungssituation bewertet werden. Für die Bestandsröhren waren hieraus im Vergleich mit Erschütterungen aus U-Bahn-Betrieb und den Anhaltswerten der DIN 4150-3 [7] (V_max < 80 mm/s, kurzzeitige Erschütterungen rechtwinklig zur Tübbingaußenfläche) keine negativen Auswirkungen zu erwarten. Dies gilt auch für den Fall, dass die ungünstigste Situation nach [6] mit rund 1,8 mm/s für eine Vollschnittmaschine im Fels zugrundgelegt würde.

Vortriebsverlauf und Verformungsmesswerte

Der Rohrvortrieb wurde im April 2021 aus der Startbaugrube an der Lierfeldstraße begonnen. Die Querung der Gleisanlage und der U-Bahntunnel erfolgte nach rund 350 m bzw. 400 m Vortrieb. Ende Mai erreichte der Rohrvortrieb den vor der Zielbaugrube angeordneten Dichtblock bei Tunnelmeter 440. Für die Einfahrsituation war der Schacht geflutet. Die AVND-Einheit wurde mit dem Rohrstrang so weit in den Zielschacht vorgeschoben, dass die Dichtkonstruktion, bestehend aus zwei verfüllbaren Gewebeschläuchen, gegen das Stahlbetonrohr verpresst werden und somit eine Abdichtung gegenüber dem anstehenden Grundwasser erfolgen konnte. Im nachfolgenden Arbeitsschritt wurde die Verdämmung des Ringraums durchgeführt und innerhalb von 3 Tagen abgeschlossen. Insgesamt konnten die zeitlichen Vorgaben hinsichtlich Unterquerung der Schienenwege und Überquerung der U-Bahntunnel innerhalb von insgesamt 5 Tagen realisiert werden.

Über die installierte Messtechnik im Bereich der Eisenbahninfrastruktur wurden im Zusammenhang mit den Vortriebsarbeiten nur geringe Verformungswerte festgestellt, die zu keiner Beeinträchtigung des Schienenverkehrs geführt haben. Die prognostizierten Maximalwerte der Verformung wurden nicht erreicht. Analoge Erkenntnisse hat die messtechnische Überwachung der U-Bahnröhren erbracht. Hierbei wurden maximale Verformungswerte von 1 mm festgestellt. Die Dichtigkeit der Tübbingröhren blieb gewährleistet.

Zusammenfassung und Ausblick: Sichere Querung sensibler Infrastruktur

Der Vortrieb des DN2000-Kanals konnte erfolgreich unter Beachtung der Auflagen aus UiG und ZiE und den Ergänzungen der Ruhrbahn GmbH umgesetzt werden. Das Messkonzept mit dem gewählten Messintervall und der Online-Auswertung war zielführend. Das eingesetzte Vortriebsverfahren hat sich im Hinblick auf die Randbedingungen, den angetroffenen Baugrund und die zu unterfahrende Infrastruktur als richtig erwiesen. Die aufgetretenen Verformungen lagen unterhalb (Schienenwege) bzw. deutlich unterhalb (U-Bahntunnel) der prognostizierten Werte. Kritische Vortriebszustände, die einen Eingriff in den Bahnbetrieb oder eine Intervention in den Tübbingtunneln erfordert hätten, waren zu keiner Zeit gegeben.

Der Vortrieb an der Berne zeigt eindrücklich, dass auch sensible Infrastruktur sicher unter- und überquert werden kann, ohne dass sich Beschädigungen an den Bestandsbauten einstellen. Für die Unterquerung von Schienenwegen der DB Netz AG existieren neben dem gegenständlichen Vortrieb noch zahlreiche weitere Beispiele. Für die Überquerung der U-Bahntunnel kann ein zusätzliches Projekt als Referenz für einen qualitätsgesicherten Rohrvortrieb aufgezeigt werden.

Literatur: