Kolloquium Bauhilfsmassnahmen im Tunnelbau Praktische Umsetzung von Vereisungen

Kolloquium Bauhilfsmassnahmen im Tunnelbau Praktische Umsetzung von Vereisungen als Schutzmassnahme zur Herstellung von Tunnelbauwerken im Innenstadtbereich Dr. -Ing. Jörg Menke Dipl. -Ing. Joachim Meier ETH Zürich, IGT, Professur für Untertagebau, 29. 11. 2018

Vereisung als Bauhilfsmassnahme Gliederung 1. Einleitung 2. Hinweise für die Planung 3. Bohren und Messen 4. Ausführungsbeispiel Berlin U 5 © Implenia | Menke - Meier, ETH-Zürich Umsetzung von Vereisungen | Seite 2

Einleitung Geschichte § § § Unter Baugrundvereisung versteht man Gefrieren des Grundwassers im Baugrund Künstliche Kälte erstmals beim Schachtabteufen 1862 in Großbritannien angewandt Im Februar 1883 wurde das Verfahren zur Baugrundvereisung in wasserführenden Schichten Friedrich Hermann Poetsch zum Patent angemeldet © Implenia | Menke - Meier, ETH-Zürich Umsetzung von Vereisungen | Seite 3

Einleitung Vereisungsverfahren • Vereisungsverfahren sowie die zugehörige Ausrüstung ist aktuell nicht genormt • Das „know how“ liegt bei wenigen Planern und ausführenden Firmen, die frühzeitig mit eingebunden werden sollten • Die Auswirkungen einer Vereisung sind bodenabhängig (z. B. Hebungen) und sind frühzeitig zu untersuchen (Frostlabor) • Grundwasserströmung, -temperatur und -inhaltstoffe beeinflussen eine Vereisungsmaßnahme maßgebend. • Bei der Planung sind Havarieszenarien mit zu berücksichtigen bzw. bedenken © Implenia | Menke - Meier, ETH-Zürich Umsetzung von Vereisungen | Seite 4

Hinweise für die Planung Verfahren § 1. Bodengefrierung Sole ( Wässrige Salzlösung) • • Vorteile Mittlere Frostkörpertemperatur sehr gut einstellbar geschlossener Kreislauf, kein Verbrauch geringere Kosten lange Einsatzdauer • Nachteile längere Rüstzeit hoher Platzbedarf Einsatz bei Grundwasserströmungen bis max. 4 m / d Temperaturen bis – 50°C • Anwendung lange Einsatzdauer • • • § • • 2. Bodengefrierung mit flüssigem Stickstoff Vorteile Einsatz bei hohen Grundwasserströmungen bis 11 m / d Niedrige Temperaturen bis – 196 °C Schnelle Frostkörpererstellung hohe Dichtwirkung kurze Rüstzeit geringer Platzbedarf Nachteile offener Kreislauf , hoher Materialverbrauch hohe Kosten Anwendung © Implenia | Menke - Meier, ETH-Zürich Umsetzung von Vereisungen | Seite 5

Hinweise für die Planung Bohrungen Zum Einbringen des Kältemittels, zur Kontrolle des Erfolgs und ggf. zur Entlastung des gefrorenen Baugrunds sind Bohrungen erforderlich. Es sind üblicherweise 3 Arten von Bohrungen zu unterscheiden: 1. Bohrungen für die Vereisungslanzen 2. Bohrungen für die messtechnische Überwachung 3. Bohrungen für die Entwässerung Keine Bohrung möglich – Keine Vereisung möglich © Implenia | Menke - Meier, ETH-Zürich Umsetzung von Vereisungen | Seite 6

Hinweise für die Planung Bohrungen - Beispiel Vereisungslanzen Temperaturmesslanzen Entwässerungslanzen © Implenia | Menke - Meier, ETH-Zürich Umsetzung von Vereisungen | Seite 7

Bohren und Messen Horizontalbohrungen 100 m - Dimensionsvergleich 68 x 105 m Größer als die optischen Gasse © Implenia | Menke - Meier, ETH-Zürich Umsetzung von Vereisungen | Seite 8

Bohren und Messen Verlauf Horizontalbohrungen – gesteuerte Bohrung mit Hindernissen 65. a C m B – 85 Probebohrungen einplanen ! © Implenia | Menke - Meier, ETH-Zürich Umsetzung von Vereisungen | Seite 9

Bohren und Messen • Bohrkrone für gesteuerte Drehspülbohrungen in Sand, Holz, und Grobgeschiebe • Bohrkopfortung mit kontinuierlicher Echtzeitausgabe • Kurventauglicher Bohrstrang mit Biegeradius ≤ 50 m • Hubarbeitsbühne zur erreichen der Bohransatzpunkte © Implenia | Menke - Meier, ETH-Zürich Umsetzung von Vereisungen | Seite 10

Bohren und Messen • Bohrkrone für gesteuerte Drehspülbohrungen in Sand, Holz, und Grobgeschiebe • Bohrkopfortung mit kontinuierlicher Echtzeitausgabe (MWD) Optisch (Theodolitkamera) Inertial (Lichtfaserkreisel) • Kurventauglicher Bohrstrang mit Biegeradius ≤ 50 m • Hubarbeitsbühne zur erreichen der Bohransatzpunkte © Implenia | Menke - Meier, ETH-Zürich Umsetzung von Vereisungen | Seite 11

Bohren und Messen • Bohrkrone für gesteuerte Drehspülbohrungen in Sand, Holz, und Grobgeschiebe • Bohrkopfortung mit kontinuierlicher Echtzeitausgabe • Kurventauglicher Bohrstrang mit Biegeradius ≤ 50 m • Hubarbeitsbühne zur erreichen der Bohransatzpunkte © Implenia | Menke - Meier, ETH-Zürich Umsetzung von Vereisungen | Seite 12

Bohren und Messen • Bohrkrone für gesteuerte Drehspülbohrungen in Sand, Holz, und Grobgeschiebe • Bohrkopfortung mit kontinuierlicher Echtzeitausgabe • Kurventauglicher Bohrstrang mit Biegeradius ≤ 50 m • Hubarbeitsbühne zur erreichen der Bohransatzpunkte © Implenia | Menke - Meier, ETH-Zürich Umsetzung von Vereisungen | Seite 13

Bohrung und Messen Gezielte Umfahrung Gesteuerte Bohrungen harter Hindernisse Radiale Messbohrungen © Implenia | Menke - Meier, ETH-Zürich Umsetzung von Vereisungen | Seite 14

Bohrung und Messen Tunnelstrecke (Beispiel U 5 Berlin) § § 32 Stück radiale Temperaturmessbohrungen bis ca. 9 m Länge (blau) 27 Stück lange Temperaturmessbohrungen bis ca. 105 m Länge (rot) Temperaturmessgeber Abstand ca. 2 m in sensiblen Bereichen 0, 7 m 76 Stück radiale Entwässerungsbohrungen (orange) zur Entlastung von eingeschlossenem Wasser, mit Rohrbegleitheizung © Implenia | Menke - Meier, ETH-Zürich Umsetzung von Vereisungen | Seite 15

Ausführungsbeispiel Berlin U 5 © Implenia | Menke - Meier, ETH-Zürich Umsetzung von Vereisungen | Seite 16

Ausführungsbeispiel Berlin U 5 Vereisungskörper unterm Spreekanal Deutsche Historische Museum BE Schlossbrück e 22, 0 0 m Frostkörper 106, 76 Bertelsmann- m Repräsentanz 26, 0 0 m Schacht Ost Schacht West Spreekanal © Implenia | Menke - Meier, ETH-Zürich Umsetzung von Vereisungen | Seite 17

Ausführungsbeispiel Berlin U 5 Gesteuerte Bohrungen-Bauaufgabe und Randbedingungen Bertelsmann- Repräsentanz „Alte Kommandantur“ Holzrammpfähle Findlinge? Schotterlagen? Bohrgerät ∆h = 9 m aufsteigender Mergelhor izont © Implenia | Menke - Meier, ETH-Zürich Umsetzung von Vereisungen | Seite 18

Ausführungsbeispiel Berlin U 5 Leitungsbau Brücke West Brücke Ost Vereisungskel ler © Implenia | Menke - Meier, ETH-Zürich Umsetzung von Vereisungen | Seite 19

Ausführungsbeispiel Berlin U 5 Bodengefriertechnik • 3 Gefrieraggregate im Gespann • Ca. 1, 3 Megawatt Kühlleistung • 81 m³ Sole im Umlauf • Gefrierkörpermaße: L 105 m x B 26 m x H 12 m © Implenia | Menke - Meier, ETH-Zürich Umsetzung von Vereisungen | Seite 20

Ausführungsbeispiel Berlin U 5 Bodengefriertechnik Baustelleneinrichtung K 1 Solepumpe n Soleleitung en en Anlag e 1 Generat or Trafo An Sole HW la K 2 ge 2 K 3 Anlage 3 © Implenia | Menke - Meier, ETH-Zürich Umsetzung von Vereisungen | Seite 21

Ausführungsbeispiel Berlin U 5 Temperaturmesstechnik • Rund 2000 Sensoren • Vermaschtes Bussystem • 3 D- Visualisierung • Web-basierte Nutzeroberfläche © Implenia | Menke - Meier, ETH-Zürich Umsetzung von Vereisungen | Seite 22

Ausführungsbeispiel Berlin U 5 3 – D live Visualisierung im Netz mit Benutzeroberfläche § 1911 digitale Messfühler § 81 Stk digitale Drucksensoren © Implenia | Menke - Meier, ETH-Zürich Umsetzung von Vereisungen | Seite 23

Ausführungsbeispiel Berlin U 5 Temperaturmesstechnik © Implenia | Menke - Meier, ETH-Zürich Umsetzung von Vereisungen | Seite 24

Ausführungsbeispiel Berlin U 5 Ablauf Vortrieb Mittelstollen: § Abschluß der Entwässerung im Mittelstollen § Entfernung der Isolierung § Beginn bergmännischer Vortrieb § Abbrechen der SW im Bereich des Mittelstollens § Vortrieb im Mittelstollen © Implenia | Menke - Meier, ETH-Zürich Umsetzung von Vereisungen | Seite 25

Ausführungsbeispiel Berlin U 5 Vortrieb des Mittelstollens § Ausbruch mittels Tunnelbagger mit Anbaufräse § Schutterung mit Laderaupe zur Zwischendeponie untertage § Schutterung aus dem Schacht mit 6 m³ Mulde und TDK § Vorauseilender Kalottenvortrieb und ca. 6 m nachlaufender Sohle © Implenia | Menke - Meier, ETH-Zürich Umsetzung von Vereisungen | Seite 26

Zusammenfassung und Ausblick Alle Bohrungen und geplanter Frostkörper erfolgreich hergestellt • Sehr geringe Unfallzahlen, keine schweren Unfälle • Bauherrenterminplan gut eingehalten • Gute Zusammenarbeit mit Bauüberwachung und Bauoberleitung • Unser Richtbohrsystem und die Temperaturmesstechnik sind robust und verfügen über Fähigkeiten, die derzeit am Markt einzigartig sind. • Wir haben einen breiten Personalstamm mit hoher Expertise © Implenia | Menke - Meier, ETH-Zürich Umsetzung von Vereisungen | Seite 27

Wir danken für Ihr Interesse