Infoservice - Nodig-Bau.de

Infoservice Infoservice
1
Aufbohrung und Reinigung von Tunnelsohldrainagen im HDD-Verfahren
von Dr. Hans-Joachim Bayer, Kohlberg/Württ.
Ablagerungen im Tunnelsohldrainagen, die zu Querschnittsverengungen bis zu Verschließungen
führen können, sind besonders in Kalkgebieten eine häufige Erscheinung.
Der Aufwand zur Ertüchtigung von Sohldrainagen ist manchmal sehr erheblich.
Die hier vorgeschlagene Methode der Sohldrainagenreinigung mit der verlaufsgesteuerten
Horizontalbohrtechnik (HDD) ist ein sehr kostengünstiges und vom Ablaufgeschehen
sehr schnelles Arbeitsverfahren, welches zudem im Tunnel kaum Verkehrsbeeinträchtigungen
hervorruft. Bei weitgehender Inkrustierung der Sohldrainage ist
ein Aufbohren im HDD-Verfahren recht unkompliziert durchführbar wie es im nachfolgenden
Beitrag vorgestellt wird.
Sohldrainagen und Wassersaigen
Unterirdische Hohlraumbauten greifen oft in einen niederschlagsleitenden oder sogar in einen
grundwasserleitenden Gebirgskörper ein. Tiefengrundwasser kann in vielfältiger Form
vorliegen, im Kalkgebirge zum Beispiel als Kluftgrundwasser, als schwebender flacher
Grundwasserkörper oder zum Beispiel als gespanntes Staugrundwasser an einer Verwerfungsbahn
oder in vielfältiger anderer Form. Das in Hohlraumbauten anfallende Wasser aus
dem Gebirge, das sogenannte Bergwasser, benötigt eine sinnvolle Ableitung aus dem Hohlraumbau,
ohne dass dessen eigentliche Funktion gestört wird. Tunnelbau und Kavernen
werden daher mit Sohldrainagen versehen, während man bei Bergwerken extra Wasserlösungsstollen
auffährt, um das unterste Niveau im Bergwasser zu drainieren. Die Sammelleitung
im Bergwerk wird als Wassersaige bezeichnet. Oft wird das Wasser, wenn es keinen
natürlichen Gefälleauslauf hat, in einem Pumpenschacht gesammelt (Sumpf) und nach oben
gefördert.
Versinterung und Inkrustierung
Bergwasser ist häufig mineralreicher als Quellwasser. Der Fließweg ist in der Regel kürzer
und somit ist die natürliche Reinigungs-, Ausfällungs- und Ablagerungsstrecke des unterirdischen
Wassers ebenfalls kürzer. Stammt Bergwasser aus karbonatischen Gesteinen und
Schichten (z.B. Kalke, Dolomite, Marmor) oder sulfatischen Gesteinen (Anhydrid, Gips) oder
sogar salinaren (salzhaltigen) Abfolgen (z. B. Haselgebirge), so ist der Anteil gelöster Mineralstoffe
im Bergwasser sehr hoch und an Temperaturgrenzen im Gebirge, z. B. beim Eintritt
in einen Hohlraum kommt es zu mineralischen Ausfällungen und Ablagerungen entlang der
Fließwege des Wassers.

Infoservice Infoservice
2
Bergwasser aus Karbonatgesteinen zum Beispiel ist beladen mit mineralischen Lösungsträgern,
die sich bei unterirdischer Durchmischung noch verstärken (Mischungskorrosion) und
an Entlastungsorten mit höheren Temperaturgradienten zur Ausfällung von frischen Kalkablagerungen
kommen. Der Prozess ist der gleiche wie bei der Tropfsteinbildung bei Höhlen,
nur geschieht die Kalkablagerung flächig, so dass man von Sinterbildungen spricht (Versinterungen).
Ganze Drainagesysteme erfahren auf diese Art krustenhafte Kalkablagerungen,
welche innerhalb weniger Jahre mehrere Zentimeter dick werden können. Da Drainagen
meist röhrenförmig ausgebildet sind, kann es schnell zu Querschnittsverengungen kommen.
Sinterkalkablagerungen erreichen hohe Festigkeitswerte. Der mechanische Aufwand für ihre
Beseitigung ist daher recht hoch. In einigen Kalkgebieten sind Versinterungsraten von über
10 cm innerhalb weniger Jahre möglich.
Aggressive Bergwässer
Sulfatische Bergwässer, welche aus gelösten Anhydrit- oder Gipsschichten resultieren oder
durch zersetzte Schwefelverbindungen im Gestein entstehen, sind vor allem korrosiv zu
Stahl- und Betonelementen. Sie können jedoch auch zu Ablagerungen und Inkrustierungen
führen. Besonders in Verbindung mit Kalkgehalten im Wasser entstehen farbenprächtige Sinter,
die jedoch sehr substanzschädigend sein können. Wasserbehandlungen, z. B. mit neutralisierenden
Zusatzstoffen mindern die Aggressivität.
Salzanteile im gelösten Bergwasser, welche erfreulicherweise seltener sind, sind gegenüber
metallischen Einbauten im Gebirge hochkorrosiv. Sie neigen jedoch weniger zu Ausfällungen
und Ablagerungen. Aggressive Bergwässer werden am besten in inerten Kunststoffrohren
(z.B. PE, PP, PVC) abgeleitet.
Versinterungshohlräume
Eine Einplanung von nach unten zunehmenden Versinterungshohlräumen zwischen Tunnelausbruch
und Tunnelschale, sowie großer Durchlässe zur Sohldrainage, mindert die Versinterungsmöglichkeit
in der Sohldrainage, vermeidet jedoch nicht den Anfall von Sinterbildungen.
Übliche Drainagensanierung
Die häufigste Methode der Entfernung von Sinterablagerungen und Inkrustationen ist ein
mechanisches Entfernen mit Kratz- und Reißwerkzeugen. Diese werden entweder am Seilzug
durch die Drainageleitung gezogen oder wenn Zuwegsamkeiten und Schachtabdeckungen
gegeben sind durch Begehung und mechanischen und hydromechanischen Aufbrucharbeiten
entfernt.

Infoservice Infoservice
3
Die Möglichkeit des Säureangriffes gegenüber Sinterablagerungen wird aus verständlichen
Gründen selten durchgeführt. Das mechanische Entfernen mit Kratz- und Reißwerkzeugen
bedingt oft einen erheblichen Geräteaufbau, i.d.R. eine Teilsperrung des Tunnelbauwerkes,
ein vielfaches Wiederholen der Arbeiten und einen erheblichen Zeit- und Kostenaufwand.
Bei starken Versinterungen in der Sohldrainage mit gering verbliebenen Durchlaufmöglichkeiten
ist nach heutigen Maßstäben, unter verübergehender Teil- oder Vollsperrung des Tunnelbauwerkes,
nur noch ein Herausbrechen, ein Rückbau oder ein Komplettaustausch oder
ein Herausfräsen, z.B. mit einer Grabenfräse, der bisherigen Drainageleitung möglich. Der
Aufwand solcher Arbeiten ist immens.
Neue Möglichkeiten durch HDD
Die Horizontalbohrtechnik (HDD) bietet zwei Varianten der Sohldrainagenertüchtigung. Die
erste Möglichkeit welche für geringere Versinterungen ausreichend sein dürfte, nutzt einen
sogenannten Fingerbohrkopf (mit selbstschärfenden Meißeln an der Bohrkopffront), welcher
am Bohrgestänge durch die Sohldrainage gefahren wird. Der Fingerbohrkopf ist in der Lage
Engstellen in der Drainage mechanisch und hydromechanisch zu lösen. Mit den Rundschaft-
Meißeln kann mit relativ geringem Rotationsaufwand ein Mindestquerschnitt erzeugt werden.
Die Wasserhochdruckdüsen an der Bohrkopffront und eventuell an den Seiten des Bohrkopfes
bewirken ein hydromechanisches Lösen, Aufbrechen und partielles Abtragen der Versinterungen.

Infoservice Infoservice
4
In einem zweiten Arbeitsgang wird anstelle des Bohrkopfes ein mit Meißeln und Hochdruckdüsen
besetzter Aufweitkopf (Reamer) im Rückwärtsgang durch die vom Bohrkopf behandelte
Sanierungsstrecke gezogen. Dieser Aufweitkopf wirkt nochmals mit seinen Hochdruckdüsen
auf die Versinterung ein, seine Meißel tragen den verbliebenen Teil der Versinterung
weitgehend ab, so dass in einem darauffolgenden Nachräumgang ebenfalls in Rückwärtsrichtung
mit mehrfach scheibenförmigen Nachräumelementen letzte Versinterungsreste in
der Sohlleitung abgelöst und herausbefördert werden können.
Die zweite Variante der Sohldrainagenreinigung durch das HDD-Verfahren ist bei stärkeren
Inkrustationen und sehr starken Querschnittseinengungen durch Versinterungen empfehlenswert.
Hierbei wird ein Felsbohrmotor (Mudmotor) als Bohrkopf eingesetzt, der vom Bohrgestänge
durch die Sohldrainage geschoben wird. Dieser Felsbohrmotor besitzt einen Meißelkopf
und einen Rotor-/Stator-Antrieb, der durch Bohrflüssigkeit, in diesem Fall idealerweise
Wasser, direkt hinter dem Meißelkopf angetrieben wird. Ein horizontales Bohrloch wird auf
diese Weise durch die stark inkrustierte Sohlleitung in recht schnellem Vortrieb aufgefahren.
Nach Durchbohrung der definierten Arbeitsstrecke wird der Mudmotor gegen einen sogenannten
Hole-Opener (Aufweitkopf für Felsgestein) ausgetauscht und dieser fährt im Rückwärtsgang
das komplette Profil der Sohlleitung auf und löst sämtliche Inkrustrierungen wie
eine Großfräsanlage aus der Sohldrainage heraus.

Infoservice Infoservice
5
Der Anzug des Bohrgestänges sowie die Geometrie des Hole-Openers sorgen für mittige
Orientierung dieser Aufweitbohrung. Der komplette Drainagenquerschnitt wird mit solchen
Hole-Openers wieder hergestellt.
Vorteile der Horizontalbohrtechnik
Die beschriebene HDD-Technologie benötigt lediglich eine Standfläche für die Bohranlage
entweder vor dem Tunneleinlass oder in einer Parkbucht im Tunnel. Idealerweise werden die
Auffahrungsabschnitte so gewählt, dass eine HDD-Anlage von Tunnelparkbucht zu Tunnelparkbucht
bohren kann. Die Aufstellfläche des Bohrgerätes entspricht der eines Mittelklasse-
PKWs. Zusätzlich ist hinter dem Bohrgerät noch etwas Lagerfläche für das Bohrgestänge
bzw. Bohrwerkzeug und für Bohrspülungsvorrichtungen zu berücksichtigen, so dass maximal
die Aufstellfläche von zwei PKWs benötigt wird. Zur Verkehrssicherung ist eine Signalleuchte
und eine Umbarkung des HDD-Gerätes in der Parkbucht erforderlich. Da die Bohrabschnitte
von Parkbucht zu Parkbucht mehrere hundert Meter betragen können, ist ausreichend Bohrgestänge
vorzuhalten. Bohrabschnittslängen bis über ein Kilometer sind mit 20 bis 50 t Bohranlagen
realisierbar. Der Verkehr im Tunnel kann an den Geräten an der Parkbucht vorbeifließen.
Die Einsatzzeiten für die Aufbohrungsabschnitte betragen wenige Tage (maximal 1
1/2 Wochen) und als Ergebnis ist eine Sohldrainage mit kompletten gereinigtem Rundprofil
mit voller Funktionswirkung gegeben. Die Hauptvorteile liegen im Erhalt des fließenden Verkehrs
im Tunnel, in den kurzen Einsatzzeiten der Drainagensanierung und in der sehr wirtschaftlichen
und kostengünstigen Form der kompletten Wiederherstellung des ursprünglichen
Drainagenquerschnittes.

Infoservice Infoservice
6
Aufbohrung zusätzlicher Sohldrainagen
Für ältere Tunnelbauwerke mit wenig Platz im Inneren ohne Betoninnenring, ohne Zugluft-
oder Versorgungsleitungsprofile, also Tunnelbauwerke, die nur aus dem Fels gebrochen
wurden oder nur eine Betonsohle aufweisen, bietet sich die bohrtechnische Erstellung einer
zusätzlichen Sohldrainage deutlich unter dem Fahrbahnniveau an. Solch eine Sohldrainage
kann komplett durch den Felsbohrmotor einer Horizontalbohrung aufgefahren werden, ohne
dass Verkehrsbeeinträchtigungen oder gar Wahrnehmung der Auffahrung im Tunnelbauwerk
stattfinden. Die aufgebohrte Strecke kann mit einer Kunststoffleitung durchzogen werden,
welche ebenfalls mit einer HDD-Anlage im Rückwärtsgang verlegt werden kann. Lediglich die
Zuleitungen vom Fahrbahnrand zur neuen, erbohrten Sohlleitung müssten unter Teilsperrung
durch Kernbohrungen in definierten Abschnitten vorgenommen werden.
Weitere Lösungsmöglichkeiten durch HDD
In noch weiterer Weise können Tunnelbauwerke, besonders der älteren Bauart, durch verlaufsgesteuerte
Horizontalbohrungen ertüchtigt werden. So sind seitliche Entwässerungsleitungen,
die zum Tunnelbauwerk hinführen, aber auch Entlastungsentwässerungen, wie zum
Beispiel eine zusätzlich zweite Sohldrainage, jederzeit nachträglich bohrtechnisch herstellbar.
Auch zusätzliche Löschwasserzufuhrleitungen, Seitenbewetterungen sowie zusätzliche
andere Versorgungsleitungen sind nachträglich durch HDD ohne funktionale Störungen des
Verkehrs installierbar.
In Zukunft: Tunnelvorerkundung und Vorausdrainagen

Infoservice Infoservice
7
Vor einer Tunnelneuauffahrung möchte man seit langem ein komplettes und durchgehendes
Bild der zu erwartenden Geologie kennen. Die bisherige Form einer Tunnelvorerkundung
nutzt vertikale oder abgelenkte Bohrungen von der Gebirgs- oder Geländeoberfläche aus,
welche nur nadelstichhafte Informationen von der künftigen Tunnelverlaufstrecke liefern können.
Für den neuen Mont-Blanc-Eisenbahntunnel ist man erstmals neue Wege gegangen
und hat durch horizontale Bohrungen in der künftigen Tunnelmittellinie kontinuierliche Informationen
zur anstehenden geologischen Situation gewinnen können. Der Zusatzinformationsgewinn
durch diese Art der Vorerkundung ist immens. Anstatt Nadelstichbeprobungen,
die zwei bis drei Prozent des Tunnelprofils treffen, können fast 100 % der künftigen Auffahrungsstrecke
erkundet werden.
Im Gegensatz zu reduzierten Möglichkeiten abgelenkter Vertikalbohrungen, auch wenn sie
auf horizontalem Verlauf geführt werden, bieten HDD-Vorerkundungen den enormen Vorteil,
dass sie immer in den Bereich des künftigen Tunnelausbruchs gelenkt werden können,
selbst wenn hier die Probennahme nur indirekt erfolgen sollte. Die Auffahrung mit dem Mudmotor
ergibt eine sehr genaue Erfassung der anstehenden Gesteinsfestigkeit und das ausgespülte
Bohrklein lässt auf die Lithologie schließen. Zwischendurch ist jederzeit eine volle
Kerngewinnung möglich. Mit der HDD-Auffahrung ist auch der zu erwartende Wasseranfall
erfassbar und ableitbar, so dass die Funktion einer Vorausdrainage gegeben ist. Hydrogeologische
Überraschungen lassen sich hierdurch weitgehend reduzieren. Sollte die Vorerkundung
durch HDD einen sehr großen Wasseranfall erbringen, so ist vor der Tunnelauffahrung
eine Drainagebohrung oberhalb oder seitlich des künftigen Tunnelausbruchs jederzeit realisierbar,
so dass die Tunnelauffahrung selbst ungefährlicher gestaltet werden kann.

Infoservice Infoservice
8
Die HDD-Vorerkundung kann auch für die geophysikalische Tomographie des gesamten
tunnelüberlagernden Gebirges sehr wertvoll verwendet werden. HDD bietet also auch im
Vorfeld eines Tunnelneubaus viele elegante technische Möglichkeiten.
Zusammenfassung
Im Gegensatz zu den konventionellen Methoden einer Sohldrainagen-Ertüchtigung bieten die
beiden Verfahrensvarianten mit der Horizontalbohrtechnik den grundsätzlichen Vorteil einer
weitgehenden Störungsfreiheit des Tunnelbetriebes, einer sehr schnellen Durchführbarkeit
der Drainagensanierung und vor allem auch den Vorteil einer sehr großen Wirtschaftlichkeit.
Es wird daher vorgeschlagen, bei künftigen Reinigungsmaßnahmen von Tunnelsohldrainagen
auch die Möglichkeiten der Reinigung und auch der Aufbohrung mit der Horizontalbohrtechnik
immer in Betracht zu ziehen.
Literatur:
WEGMÜLLER, M.C. (2001): Einflüsse des Bergwassers auf Tiefbau / Tunnelbau.- (Stäubli AG), Zürich.
BAYER, H.-J. (2005): HDD-Praxis-Handbuch.- (Vulkan-Verlag), Essen.
Anschrift des Verfassers:
Dr. Hans-Joachim Bayer, Im Grund 24, D-72664 Kohlberg, Tel.: 0170-9670421