Mit den ständig steigenden Anforderungen an Vortriebsmaschinen mit Bezug auf Längen, Durchmesser, Kurven und zu durchfahrende Boden- und Felsverhältnisse kommt verstärkt der Ortsbruststützung eine hohe Bedeutung zu, um Mehraushub –Overexcavation – und die damit verbundenen Auswirkungen auf die Oberfläche –Setzungen – zu verhindern. Ein derartiger Mehraushub kommt bevorzugt in locker gelagerten Sedimenten vor. Auch der Grundwasserspiegel spielt hierbei häufig eine entscheidende Rolle, da die Böden unter Grundwasser besonders zum Fließen neigen.

Nun werden seit Jahren in den Ausschreibungen hierzu im Wesentlichen zwei Anforderungen gestellt:

Zu 1. (Mengenkontrolle)

Bei einem Vortrieb in einem vollständig wassergesättigten Boden wäre theoretisch eine reine Volumenbilanz – Differenz Förderwasser und Frischwasser – zur Bestimmung des Volumens des abgebauten Bodens und Wassers und ein Vergleich mit dem der Vortriebsgeschwindigkeit entsprechenden Volumen möglich, wenn die Messgenauigkeiten ausreichend wären und unter der Voraussetzung, dass der Grundwasserspiegel immer oberhalb des Rohrscheitels liegt.

Allerdings sind die Messgenauigkeiten trotz langjähriger Forschungen hierzu immer noch völlig unzureichend. Entsprechend einer Dissertation von Thorsten Weiner aus April 2018 -https://d-nb.info/1169397174/34- ergibt sich, dass die Messung der Fließgeschwindigkeiten in Wasser-Bodengemischen stark unterschiedliche Werte für unterschiedliche Boden-Wassergemische liefert. Dies liegt u.a. an einer unterschiedlichen Verteilung der Fließgeschwindigkeiten über den Rohrquerschnitt, abhängig vom jeweiligen Boden. Im Ergebnis dieser Forschungsarbeit wird festgestellt, „dass die Qualität der derzeit aufstellbaren Volumen- oder Massenbilanz beim flüssigkeitsgestützten Schildvortrieb in feinkörnigem Baugrund den üblicherweise formulierten Anforderungen z.B. zur Beurteilung von Setzungserscheinungen nicht gerecht werden kann.“

Die Firma Herrenknecht, maßgeblicher Hersteller dieser Technik, versucht durch die Eingabe einer angenommenen Dichte bei der Eichung der Durchflussmessgeräte für die Förderleitungen die abgeförderten Bodenmengen zu ermitteln. Auch dies ist nur eine grobe Annäherung, da diese Dichte nur anhand von Eichmessungen ermittelt werden kann und daher von den jeweiligen sich ändernden Bodenverhältnissen abhängig ist.

Da auch diese Möglichkeit keine ausreichend genaue Messung ermöglicht, wurden in der Vergangenheit nachfolgende weitere Verfahren zur Volumenkontrolle getestet:

Alle Verfahren haben > 5 % Fehler, hinzu kommt in allen Fällen die ungenaue Abschätzung der „In situ“-Lagerungsdichte, so dass in der Summe mit ca. +/- 5 bis 10 % Fehlern gerechnet werden muss. Diese so ermittelten Werte eignen sich allenfalls, Tendenzen bei deutlichen Abweichungen von den Sollwerten zu ermitteln.

Hier sind also dringend neue Techniken gefordert, mit deren Hilfe eine erhöhte Bodenentnahme möglichst verhindert oder zumindest frühzeitig erkannt werden kann.

Zu 2. (Stützdruck)

Entsprechend den Empfehlungen des Arbeitskreises Tunnelbau der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik e.V. erfolgt die Berechnung durch die Gegenüberstellung erdstatischer Gleichgewichtsbedingungen mit Hilfe der Silotheorie nach Anagnostou & Kovari - Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 9, No. 2, pp. 165-174, 1994-.

Um die Standsicherheit der Ortsbrust zu gewährleisten, muss die Stützdruckkraft demzufolge der Summe aus der horizontalen Erddruckkraft und der anstehenden Wasserdruckkraft entgegenwirken. Bei dem heute üblichen und dem anerkannten Stand der Technik entsprechenden Berechnungsmodell wird hierbei von einer Membranwirkung an der Ortsbrust ausgegangen, obwohl diese während des Vortriebes ständig von den Abbauwerkzeugen des Schneidrads abgebaut wird. Die mechanische Stützwirkung von Schneidrad und Schild werden nicht berücksichtigt.

Vorschläge

Das derzeit genutzte Berechnungsverfahren kommt aus dem Bereich des Schildvortriebes mit nachfolgendem Tübbingausbau und hat dort sicherlich seine Berechtigung. Für die Technik des Rohrvortriebes sollte dieses Modell aber überdacht werden. Gründe hierfür sind:

Vorgenannte Zusammenhänge sollten wissenschaftlich untersucht werden mit dem Ziel, eine praxistaugliche Lösung zur Verhinderung von Mehraushub beim Rohrvortrieb zu finden. Hierbei sollten u.a.:

berücksichtigt werden.

Resümee

In Verbindung mit den genannten Vorschlägen zur Ermittlung des erforderlichen Stützdruckes sollte eine laufende Überwachung stattfinden, um jeglichen Mehraushub kurzfristig zu detektieren und entsprechende Gegenmaßnahmen ergreifen zu können. Hierfür wären von Herstellerseite entsprechende Techniken zu entwickeln.

Autor: Dr.-Ing. Hans-Peter Uffmann, Ing.-Büro Dr. Uffmann, Aachen