67-61D - der Keller Grundbau GmbH

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Anwendung verschiedener
Injektionstechniken
als Sicherungsmaßnahmen
im Zuge
der Baumaßnahme
Nord-Süd Stadtbahn
Köln, Los Nord
Dipl.-Ing. Manuel Stelte,
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Veröffentlicht in :
Bautechnik 9/07
Fachaufsatz 67-61 D

Anwendung verschiedener
Injektionstechniken als Sicherungsmaßnahmen
im Zuge der
Baumaßnahme
Nord-Süd Stadtbahn Köln, Los Nord
Dipl.-Ing. Manuel Stelte, Keller Grundbau GmbH, Bochum
Bauaufgabe
Für den Bau der Nord-Süd-Stadtbahn Köln waren im Los Nord aufgrund der schwierigen
geologischen Verhältnisse Sicherungsmaßnahmen mittels Injektionstechnik für die anstehende
Bebauung und den Tunnelvortrieb erforderlich.
Neben dem Soilfrac ® -Verfahren kamen auch Düsenstrahlverfahren (Soilcrete ® ) in unterschiedlichster
Ausführung zur Anwendung.
Das Soilfrac ® -Verfahren wurde im Wesentlichen aus Arbeitsschächten heraus zur Stabilisierung
und Ertüchtigung der aufzufahrenden Tunnelbereiche eingesetzt.
Die Düsenstrahlverfahren wurden unter extrem beengten Arbeitsverhältnissen unter anderem
zur Unterfangung von Gebäuden oder zur Herstellung von Dichtblöcken als Einfahrblöcke
der Schildvortriebe eingesetzt.
Bauausführung
Die Injektionstechniken wurden für verschiedene Bauaufgaben eingesetzt. Im Folgenden werden
sieben verschiedene Aufgaben beschrieben.
1. Feststoffeinpressung mittels Soilfrac ® -Verfahren als Bodenstabilisierung
für den Tunnelvortrieb
Die geringe Überdeckung des neuen Tunnels sowie empfindliche Bebauungen machten es
erforderlich, eine Bodenverbesserung mit dem Soilfrac ® -Verfahren
herzustellen. Ziel war es, Stütz- und Suspensionsdruck der Schildmaschine optimal einzustellen
zu können.
Dazu wurden aus einem zwölf Meter tiefen Vertikalschacht - mit einem Durchmesser aufgrund
beengter Platzverhältnisse von nur 4,5 m - Manschettenrohre horizontal und vertikal
abgeteuft. Die maximalen Bohrlängen betrugen ca. 50 m, Bohrabweichungen von ca. 1 %
konnten dabei eingehalten werden. Mit Mehrfachbeaufschlagungen der Ventilrohre konnte
eine einheitliche Verspannung des Bodens erzielt und somit optimale Bedingungen für den
späteren Schildvortrieb geschaffen werden. Insgesamt wurden 3500 m Manschettenrohre
installiert.

Bild 1. Längsschnitt Bodenverbesserung für die Schildmaschine
Bild 2. Schildmaschine durchfährt verbesserten Baugrund und Manschettenrohre
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2. Kompensations-Injektionen zur Hebung einer S-Bahnstütze
Eine weitere Aufgabe bestand in der gezielten Hebung einer flach gegründeten S-Bahnstütze
des Kölner Hauptbahnhofs, deren Lagerjustierung bereits aufgebraucht war. Diese Stütze

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wurde mittig von der neuen Tunneltrasse unterquert, so dass die prognostizierten Setzungen
der Stütze eine konstruktive Nachregulierung unmöglich machten.
Aus dem gleichen Vertikalschacht wie in 1. beschrieben wurde aus einer höheren Lage ein
Stahlmanschettenrohr-Fächer unterhalb des 5 x 5 m Fundamentes hergestellt. Zunächst stellten
sich aufgrund der Fächerbohrungen Setzungen an der Stütze von 3 mm ein, die Zwischeninjektionen
erforderlich machten. Die Verformungen an der S-Bahn-Stütze wurden mit
drei Schlauchwaagen kontinuierlich erfasst und zur weiteren Injektionssteuerung genutzt.
Nachdem alle Manschettenrohre installiert waren – die max. Setzungen konnten bei 3 mm
eingestellt werden – wurde die Stütze gezielt und gleichmäßig 8 mm angehoben, so dass die
Endlage der Stütze + 5 mm gegenüber der ursprünglichen Solllage betrug.
Bild 3. Gezielte Hebung einer S-Bahn-Stütze
3. Düsenstrahlkubaturen als Einfahrblöcke der Schildmaschine
Nach Unterfahrung des Bahndammkörpers endet die Tunnelbohrmaschine in einem Düsenstrahlblock,
der aus einer Kaverne (b x l x h = 3,0 x 13,0 x 2,8 m) unterhalb eines Straßentunnels
hergestellt wurde.
Nach 6 Monaten Bauzeit wurden ca. 90 Düsenstrahlsäulen fächerartig so hergestellt, dass der
Düsenstrahlkörper sowohl die statische Abfangung von Gründungselementen aus dem Bahndamm
als auch abdichtenden Charakter gegen Druckluft aufweist.
Die Qualität und Homogenität der Düsenstrahlkubatur wurde mit einer Vielzahl von Kernbohrungen
nachgewiesen.
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Bild 4. Bohrkern aus Düsenstrahlkörper
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Bild 5. Herstellung von gefächerten Düsenstrahlblöcken als Einfahrblöcke für die Schildmaschine
4. Düsenstrahlkubaturen als Verbau und Gebäudeabfangung
Am nördlichen Ende der Nord-Süd-Stadtbahn, am Breslauer-Platz, entsteht im Schutze einer
Baugrube eine neue Haltestelle. Die Baugrubenwand wurde im östlichen Teil als überschnittene
Bohrpfahlwand ausgeführt. An zwei Stellen, dort wo bestehende Gebäude bis in die Bau-

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grube reichten, war es erforderlich, die Gebäude mittels Düsenstrahlverfahren abzufangen
und gleichzeitig die „Bohrpfahllücke“ mit Düsenstrahlkörpern als Verbau zu schließen. Hierfür
wurden aus den Kellern der Gebäude unter extrem beengten Platzverhältnissen Düsenstrahlsäulen
mit Durchmessern von bis zu 3,0 m hergestellt.
Bild 6. Düsenstrahlsäulen als „Ersatzverbau“ und Abfangung von Gebäuden
Bild 7. Düsenstrahlarbeiten aus dem Keller
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5. Düsenstrahlkubaturen als Gebäudeabfangung und Querschotte für
Schildmaschinen
Nach der Anfahrt der Schildmaschine wurde das erste Gebäude – eine Tiefgarage mit überbautem
Hotel – unterquert. Die Überdeckung zwischen Unterkante Tiefgaragensohle und
Tunnelfirst betrug ca. 1,0 m. Um die Gebäudelasten aus Einzelstützen statisch abzufangen,
wurden überschnittene Düsenstrahlsäulen, jeweils in Einzelstützenachse, aus der Tiefgarage
hergestellt. Die Tunnelbohrmaschine durchquerte bei späterer Durchfahrt diese Düsenstrahlreihen.
Ein zusätzlicher Effekt, der sich durch die Düsenstrahlreihen einstellte, war Querschotte, die
die Setzungsmulde der Schildmaschine in Längsrichtung brach.
Mit der Sicherung der Tiefgarage konnten trotz geringster Überdeckungen Verformungen in
mm-Bereich realisiert werden.
Bild 8. Düsenstrahlsäulen zur statischen Abfangung einer Tiefgarage

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Bild 9. links: homogener Düsenstrahlkörper aus überschnittenen Säulen
rechts: Schildmaschine
6. Düsenstrahlkubaturen als Setzungsbremse beim Tunnelvortrieb
Neben den unter Punkt 1 aufgeführten Flachgründungen verlief der Tunnelvortrieb ebenfalls
seitlich an einem Widerlager des Bahndamms entlang. Das Widerlager ist ca. 100 Jahre alt und
durfte nach Berechnungen der Bahn noch ca. 3 mm Setzungen erfahren, ohne standsicherheitsgefährdet
zu sein.
Aus diesem Grund wurden zwischen Tunnelvortrieb und Widerlager „Setzungsbremsen“ aus
überschnittenen Düsenstrahlsäulen hergestellt. Die Maßnahme hatte die Aufgabe, ein Durchschlagen
der Setzungsmulde aus dem Tunnelvortrieb zu verhindern. Alle Düsenstrahlsäulen
endeten mit ihrer Oberkante unterhalb des maroden Widerlagers, um Verformungen aus der
Herstellung der Säulen zu vermeiden.
Zusätzlich wurden Stahlmanschettenrohre aus einem Vertikalschacht installiert und beaufschlagt.
Bei eventuellen größer auftretenden Verformungen aus dem Tunnelvortrieb hätte eine
Nachregulierung des Widerlagers über eine Kompensationsinjektion erfolgen können. Durch
die Vorverfestigung wurden die Setzungen aus dem Vortrieb der TBM bereits minimiert. Die
Vorbeifahrt der Schildmaschine erzeugte keine nennenswerten Verformungen am Widerlager,
so dass sich die Setzungsbremsen aus Düsenstrahlsäulen als erfolgreich erwiesen. Eine Kompensationsinjektion
war nicht mehr erforderlich.
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Bild 10. Grundriss und Querschnitt von Setzungsbremsen und Kompensationsinjektionsfächer
7. Bergung von Verbauträgern durch Freidüsen mit dem Düsenstrahl-
verfahren
Der letzte Einsatz des Düsenstrahlverfahrens bestand im Freidüsen von Verbauträgern. Diese
ragten ca. 3 m bis in den Tunnelvortrieb und stellten somit für die Schildmaschine ein extremes
Hindernis dar.
Da der entsprechende Bereich überbaut ist, wurde zunächst ein ca. 12 m tiefer Vertikalstollen
hergestellt. In Kölner Stollenbauweise wurde dann horizontal in Verbauträgerachse ein
Schacht aufgefahren, der zwei vorhandene IPB 360 Träger freischachtet. Mit einer Arbeitshöhe
von nur 1,80 m wurden die beiden Träger mit jeweils vier Bohrungen mit Bentonitsuspension
„freigedüst“. Ziel war es, die Mantelreibung der ca. 40 Jahre alten Träger so zu verringern,
dass ein Ziehen mit hydraulischen Pressen möglich wurde. Nachdem die Träger mit dem Düsenstrahlverfahren
„freigedüst“ wurden, konnten sie, aufgrund der beschränkten Arbeitshöhe
nur in 50 cm Schritten, mit Pressen hochgedrückt werden. So wurden insgesamt 8 m Verbauträger
aus der Tunneltrasse entfernt.

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Bild 11. Freidüsen des Verbauträgers Ziehen des Trägers mit hydraulischen Pressen
Zusammenfassung
Bei dem hier beschriebenen Projekt wurden Injektion- und Düsenstrahlverfahren für verschiedene
Bauaufgaben eingesetzt. Die Einsätze der Verfahren hatten folgende Ziele:
1. FEP-Bodenverbesserung (Soilfrac®)
Ziel: Suspensionsdruck und Verpressdruck der Schildmaschine können optimal eingestellt
werden.
2. Kompensationsinjektion
Ziel: Hebung einer Einzelstütze
3. Düsenstrahlkubaturen als Einfahrblöcke für die Tunnelbohrmaschine
Ziel: Abfangung vorhandenen Bebauung, Druckluftverluste vermeiden, Ausbläser verhindern
4. Düsenstrahlkubaturen als „Ersatzverbau“ und Unterfangung unter beengten Verhältnissen
Ziel: Abfangung vorhandener Gebäude, Baugrubenverbau
5. Düsenstrahlkubaturen als Querschotte für Schildmaschinen
Ziel: Abfangung vorhandener Gebäude, vorlaufende Ortsbrustsstabilität in Längsrichtung
6. Düsenstrahlkubaturen als „Setzungsbremse“ für den Tunnelvortrieb
Ziel: Setzungsmulde aus dem Schildvortrieb brechen um Schäden an Bebauung zu
vermeiden, in Kombination mit Kompensationsinjektion
Rückstellung von Gebäuden
7. Bergung von Verbauträgern durch Freidüsen mit dem Düsenstrahlverfahren
Ziel: in Tunnelquerschnitt ragende Verbauträger bergen
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