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BAUWERKSENTWÄSSERUNGEN
Bernhard Dotzler / Alfred Meinlschmidt / Franz H. Roschig / Dieter Wüstefeld
Härtestabilisation von Bergwässern
Ein präventiver Baustein in der Instandhaltung von Bauwerksentwässerungen
Trotz zahlreicher bau- und
baustofftechnischer Optimierungen stellt
die Versinterung der Entwässerungsleitungen
im Tunnelbau nach wie vor ein
ernstzunehmendes Problem dar, das im
Betrieb vielfach zu exorbitanten
Instandhaltungskosten und einer
deutlichen Reduzierung der Streckenverfügbarkeit
führt. In den vergangenen
Jahren wurden daher vermehrt
Anstrengungen unternommen, durch
präventive Maßnahmen die Bildung von
harten Kalkablagerungen zu vermeiden
oder zumindest zu reduzieren. Die
Entwicklung neuer umweltverträglicher
und auf die Anforderungen einer
Bauwerksentwässerung abgestimmter
Härtestabilisatoren hat hierzu einen
wesentlichen Beitrag erbracht. Dabei
kann die Härtestabilisation die konventionelle
Reinigung nicht voll ersetzen,
aber es sind erhebliche finanzielle
Einsparungen gegenüber den bisherigen
Instandhaltungsstrategien erzielbar.
Ursachen der
Versinterungsbildung
Versinterungsbildungen in Bauwerksentwässerungen
beruhen primär auf einer
Störung des Kalk-Kohlensäure-Gleichgewichtes
nach der Generalformel
Ca 2+ -
+ 2HCO 3
CaCO 3 + CO 2 + H 2 O
und sind weitgehend unabhängig von der
Absolutkonzentration der im Wasser gelösten
Ionen. Die wesentlichen Faktoren,
die zu einer Veränderung der Gleichgewichtsbedingungen
führen, lassen sich unter
vier Oberbegriffen zusammenfassen:
Druckentlastung des Bergwassers,
CO 2 Austauschreaktionen mit der Atmosphäre,
Mischung hydrochemisch miteinander
unverträglicher Wässer und
direkte Eingriffe in die Ionenkonzentration.
Die Autoren
Dipl.-Ing. Bernhard Dotzler, DB Netz,
Niederlassung Süd, München, Regionales
IH-Management, Würzburg; Dipl.-Ing.
Alfred Meinlschmidt, Leiter Geotechnik,
DB Systemtechnik, Frankfurt/M.; Dr.
Frank H. Roschig, Geschäftsführer Umwelt
Consulting Management, Heidelberg;
Dipl.-Ing. Dieter Wüstefeld, DB
Netz, Niederlassung Nord, Hannover
Eine ausführliche Diskussion der an der
Versinterung beteiligten physikochemischen
Prozesse und der dabei ablaufenden
chemischen Reaktionen und Interaktionen
findet sich u.a. bei Roques (1996) und –
speziell für unterirdische Bauwerke in der
Schweiz – bei Wegmüller (2001).
Eine Druckentlastung des Bergwassers
erfolgt zwangsläufig an der Grenzfläche
zwischen dem Gebirge, in dem i.a. hydrostatische
Druckverhältnisse herrschen,
und der eigentlichen Tunnelröhre, in der
ein (deutlich geringerer) atmosphärischer
Druck vorliegt. Je schmaler bzw. räumlich
begrenzter diese Trennfläche aufgrund
der Vortriebsweise ist, desto mehr verschiebt
sich die Druckentlastung in Richtung
Tunnelwandung und damit des Entwässerungssystems.
Gleichzeitig verringert
sich der zur Verfügung stehende natürliche
Versinterungshohlraum, so dass
Ausfällungsreaktionen praktisch auf den
Bereich des Entwässerungssystems (einschließlich
des Filterkörpers) reduziert
werden.
Beim Eintritt in das Sickerrohr sowie im
Verlauf der Ableitung steht das Wasser in
permanentem Kontakt mit der umgebenden
Atmosphäre. Die daraus resultierenden
Austauschreaktionen gelöster Gase
mit der Atmosphäre hängen maßgeblich
von der Art des Wasserflusses und der
Größe der Grenzfläche Wasser:Umgebungsluft
ab. Minimale Austauschreaktionen
entstehen bei laminarem, gleichmäßigem
Fluss und kleiner Grenzfläche,
während turbulentes Fließen und / oder
eine Vergrößerung der Grenzfläche derartige
Reaktionen begünstigt. Besonders intensive
Reaktionen treten naturgemäß bei
Sturzbauwerken, wie sie bei Querableitung
bautechnisch fast unvermeidbar sind,
auf; allerdings reichen bereits Abflusshindernisse
oder schlecht ausgeführte Rohrvermuffungen
aus, um einen Übergang
von laminarem zu turbulentem Fließen
und damit eine Verstärkung des Gasaustausches
(i.w. Entgasung von CO 2 ) auszulösen.
Eine Mischung hydrochemisch unverträglicher
Wässer kann insbesondere bei
Durchörterung unterschiedlicher wasserführender
lithologischer Einheiten oder
das Eindringen ascendenter, meist
hochmineralisierter Tiefenwässer erfolgen.
Am verbreitetsten sind derartige mischungsbedingte
Versinterungen allerdings
aufgrund unterschiedlichen Einflusses
von Baustoffelutionen. In nur wenigen
Fällen wurde dagegen eine direkte
Beeinflussung der hydrochemischen
Gleichgewichtsbedingungen durch mikrobiologische
Einflüsse beobachtet. Stoffwechselprozesse,
die verallgemeinernd als
Abspaltung biologisch nutzbarer, gelöster
Verbindungen und Abgabe der nicht
nutzbaren Komponenten beschrieben
werden können, vermögen direkt in die
Ionenkonzentrationen des Wassers im
Sinne einer An- und Abreicherung bestimmter
Stoffe oder Verbindungen einzugreifen.
Ein wesentlicher Bestandteil dieser
Prozesse ist dabei Kohlenstoff (C) als
leicht aufschließbare Nahrungsquelle. Eine
biologisch bedingte Abreicherung des
Dränagewassers von Kohlenstoff bei
gleichzeitiger Anreicherung mit Sauerstoff
hat für das oben beschriebene Kalk-Kohlensäure
– Gleichgewicht naturgemäß gravierende
Auswirkungen. Erste Hinweise
auf derartige Prozesse finden sich bei
Romer (1999); im Rahmen eines Härtestabilisationsversuches
im Mühlbergtunnel
der DB AG wurde eine auf sogenannte
Biofilme zurückzuführende, schwerpunktmäßige
Versinterung in Teilabschnitten
des Entwässerungssystems festgestellt.
Eine zentrale Frage bei der genetischen Interpretation
von Versinterungen in Bauwerksdränagen
ist die Herkunft der Karbonate,
zumal sich bei hydrochemischen
Vorerkundungen häufig keine Hinweise
auf ein signifikantes Versinterungspotenzial
des Bergwassers ergeben. Bereits frühzeitig
wurden daher Elutionen der verwendeten
Baustoffe als Quelle der
Versinterungen vermutet, wobei sich die
Untersuchungen zunächst auf die Zusammensetzung
der Spritzbetone konzentrierten.
Durch Verwendung spezieller, alkaliarmer
bzw. -freier Spritzbetone konnten
vereinzelt (z.B. Schönraintunnel, Springenschmitt
et al. 1992) sehr gute Erfolge im
Sinne einer nur minimalen Versinterungstendenz
erzielt werden. Der Großteil der
Neubautunnel zeigt allerdings nach wie
vor in weiten Bereichen des Entwässerungssystems
Versinterungs–Neubildungsraten
von > 1 cm / Monat, in Einzelfällen
von bis zu 4 cm / Monat. In zahlreichen
Bauwerken (u.a. Zammer Tunnel, Grenztunnel
Füssen) ist darüber hinaus eine
Maximierung der Sinterbildung in bestimmten
Bauteilen zu beobachten: Betroffen
sind insbesondere die Anschlüsse
von Lüftungs- oder Rettungsstollen, Übergänge
von druckdicht ausgebildeten Teilabschnitten
sowie die Portalbereiche. Hy-
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Abb. 1: pH-Wert-Varianz in den Ulmenschächten Gleis 3 des Siebergtunnels. Jeweils im
Bereich der fünf Fluchtbauwerke ist eine signifikante Erhöhung des pH-Wertes festzustellen
drochemisch äußert sich dieses Phänomen
in einer deutlichen Varianz der pH-Werte
(Abb. 1). Dies deutet darauf hin, dass insbesondere
Injektionsmassen maßgeblich
zur Versinterungsproblematik beitragen;
Untersuchungen verschiedener Injektionsmörtel
der Universität Innsbruck in anderem
Zusammenhang ergaben Eluate mit
Ca-Konzentrationen von bis zu 2 g/l
(Saxer 2002, freundl. mündl. Mittlg.). Es
bestehen allerdings auch deutliche Anzeichen
dafür, dass auch Ankermörtel in teilweise
signifikantem Umfang einer Elution
unterliegen und damit zum Versinterungspotenzial
wesentlich beitragen. Generell
zeigt sich zumindest in Deutschland und
weiten Teilen Österreichs, dass die Versinterungsneigung
nach wie vor zum weitaus
überwiegenden Teil auf einer hydrochemischen
Beeinflussung des Bergwassers
durch die verwendeten Baustoffe und
nicht auf quasi natürlichen Mineralisationen
des Bergwassers beruht.
Die vorhandene Versinterungstendenz der
dränierten Wässer wird vielfach durch planerische
wie ausführungstechnische Mängel
des Entwässerungssystems deutlich
verstärkt, vereinzelt sogar erst ausgelöst.
Zu den verbreitetsten Fehlern zählen die
unsystematische Reduzierung des Wasserflusses
durch Querableitungen, unzureichendes
bzw. fehlendes Gefälle, Überwindung
von Höhenunterschieden durch
Sturzbauwerke (Abb. 2) sowie unsachgemäße
oder fehlerhafte Vermuffung der
Dränrohre. In allen beschriebenen Fällen
ergibt sich zwangsläufig eine Störung des
Kalk-Kohlensäure – Gleichgewichtes, die
in einer verstärkten Versinterungsbildung
resultiert.
Härtestabilisation als
Unterhaltsstrategie
Die aus der Instandhaltung der Entwässerungssysteme
resultierenden Kosten und
Beschränkungen der Streckenverfügbarkeit
ließen Zweifel an einer ökonomisch
vertretbaren Unterhaltung dränierter Tunnel
entstehen. Eine Untersuchung von
Maidl & Kirschke (1998) zeigte allerdings,
dass ein druckdichter und damit (hinsichtlich
des Bergwassers) theoretisch instandhaltungsfreier
Ausbau unter Berücksichtigung
aller kostenwirksamen Faktoren nur
unter bestimmten Rahmenbedingungen
wirtschaftlich vertretbar ist.
Die offenkundigen Nachteile der konventionellen
Instandhaltung der Dränagen
durch Hochdruckspülung und – in extremen
Versinterungsfällen – mechanisches
Abfräsen der Ablagerungen (hoher Zeitund
Kostenaufwand, reduzierte Streckenverfügbarkeit,
mechanische Belastung und
damit Beschädigung der Dränrohre) führte
konsequenterweise zu Überlegungen, die
Entstehung der Versinterungen durch geeignete
bautechnische Maßnahmen bereits
im Vorfeld zu unterbinden. Da der
Bergwasser-Atmosphärekontakt in Verbindung
mit der Entspannung des Bergwassers
als eine dominierende Ursache
der Versinterungsbildung anzusehen ist,
wurden Systeme zur Druckhaltung und
zur Reduzierung des Atmosphärekontaktes
entwickelt. Neben vollständig neuen
Entwässerungsstrategien (hierzu zählen
vor allem die Druckhaltungssysteme des
Farchant-Tunnels (Schikora et al. 2001)
und des Freudenstein-Tunnels (Kirschke &
Pommersberger 1992) – wurde auch in
bereits bestehenden Tunneln u.a. mit luftdicht
abschließenden Schachtdeckeln und
Syphonierungen experimentiert. Diese
Maßnahmen sind grundsätzlich geeignet,
die Versinterungsbildung zu reduzieren,
vermögen sie jedoch nach aller Erfahrung
nicht vollständig zu stoppen, so dass mittel-
bis langfristig eine Reinigung der Entwässerungsleitungen
erforderlich wird.
Durch die vollständig mit Wasser gefüllten
Leitungen kann es zu Versinterungen
Abb. 2: Versinterungsbildung an einem Sturzbauwerk (Querableitung
der Ulme in die Sohldränage) des Siebergtunnels. Durch den CO 2 -
Entzug erfolgt eine spontane Kalkfällung, die trotz hoher Wassermenge
und -fließgeschwindigkeit zur Bildung von Hartversinterungen
in der Sohldränage führt
Abb. 3: Biologischer Abbau von Polyasparaginsäure nach dem Sturm-
Test im Vergleich zu Traubenzucker und industriell zur Härtestabilisation
eingesetzten Polyacrylaten
Quelle: BAYER AG
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Abb. 4: pH-abhängige Hydratation von
Polysuccinimid zu Polyasparaginsäure
Quelle: Bayer AG
über den gesamten Rohrquerschnitt
(einschließlich der Filterschlitze) kommen,
die zu einer zunehmenden Verringerung
der Ableitkapazität führt.
Ein weiterer präventiver Handlungsansatz
besteht in der sogenannten Härtestabilisation,
einem aus der industriellen Wasseraufbereitung
bereits seit langem bekannten
Verfahren. Hierbei werden dem
Wasser bestimmte Chemikalien, vorzugsweise
Polyacrylate, in geringen Mengen
zugesetzt, die zum einen die Löslichkeit
von Calcium im Wasser erhöhen (Inhibierung),
zum anderen das Kristallwachstum
so modifizieren, dass sich keine großen,
miteinander verwachsene Kristalle und
somit Hartversinterungen bilden können
(Threshold-Effekt). Eine direkte Übertragung
dieses Verfahrens auf Bauwerksentwässerungen
scheiterte jedoch zunächst
aus mehreren Gründen:
im Gegensatz zu industriellen Wasserkreisläufen
variiert die anfallende Wassermenge
in erheblichem Umfang; eine
konstante Dosierung eines Härtestabilisators
birgt somit automatisch die Gefahr
einer Über- oder Unterdosierung
bereits bei geringen Abweichungen von
der durchschnittlich abgeleiteten Wassermenge;
Dosierungssteuerungen z.B.
über Durchflusszähler weisen aufgrund
der mitunter hohen Sedimentfracht
eine nicht akzeptable Störanfälligkeit
auf;
innerhalb der Dränage fällt das Wasser
häufig nur tropfenweise an; Wasserwegsamkeiten
(und damit die Lage der
Wasserzutritte) können sich sehr rasch
und wiederholt ändern; im allgemeinen
existiert somit keine eindeutig definierbare
optimale Lage für eine Dosierstelle;
der Wasserchemismus unterliegt in Entwässerungssystemen
räumlich wie
zeitlich erheblichen Schwankungen,
während in industriellen Kreisläufen
durchgängig konstante oder zumindest
in der Variationsbreite bekannte Bedingungen
herrschen;
während Wasser in industriellen Anwendungen
fast ausschließlich im
Kreislauf gefahren bzw. in Abwassersysteme
eingespeist wird, entwässern
die meisten Bauwerksentwässerungen
direkt in einen Vorfluter; in vielen Fällen
werden durch das abgeleitete
Bergwasser sogar schützenswerte Biotope
gespeist, so dass an die ökotoxikologischen
Eigenschaften eines hier
eingesetzten Härtestabilisators völlig
andere und wesentlich höhere Ansprüche
als im industriellen Bereich zu
stellen sind.
Die ökotoxikologischen Anforderungen
konnten Mitte der 90‘er Jahre erstmals
durch den Einsatz von flüssigen Polyasparaginsäuren
(PASP) erfüllt werden. Diese
Aminosäure zeigt eine sehr gute biologische
Abbaubarkeit, die in etwa der von
Traubenzucker entspricht (Abb. 3) und
weist als Inhibitor eine hervorragende
Dosis-Wirkungsleistung auf. Damit konnten
die Einsatzkonzentrationen so niedrig
gehalten werden, dass weder eine negative
Beeinflussung der Gewässergüte noch
Schädigungen der -flora und -fauna zu
besorgen waren. Ökotoxikologisch entsprechen
die ermittelten Grenzwerte etwa
denen von Natriumchlorid (Steinsalz).
Hinsichtlich der Nutzung eventuell genutzter
Fischvorkommen in der Vorflut ergaben
sich aufgrund des sehr niedrigen
log P O-W-Wertes von -2,5 (eines Verteilungkoeffizienten,
der die mögliche
Anreicherung eines Stoffes im Gewebe
beschreibt) ebenfalls keine Besorgnisgründe.
PASP wurde etwa ab Mitte der 90‘er
Jahre vor allem in Schweizer Tunneln zur
Härtestabilisation des Entwässerungssystems
eingesetzt (Galli 2000, Chabot &
Rehbock-Sander 2000). Voraussetzung
war allerdings ein relativ gleichmäßiger
Wasserfluss über die gesamte zu stabilisierende
Dränagestrecke, um das Problem
der Über- bzw. Unterdosierung zu vermeiden.
Aufgrund des mit Installation und
Wartung der Dosieranlage verbundenen
Aufwandes waren die Einsatzmöglichkeiten
dieses Systems aus technologischer
wie ökonomischer Sicht zunächst stark
limitiert. Insbesondere die starke Tagwasserabhängigkeit
und / oder geringe Wasserführung
vieler Entwässerungssysteme
deutscher und österreichischer Tunnel verhinderten
eine weitere Verbreitung dieser
Technologie.
Die systemisch bedingten Mängel der
Härtestabilisation mit flüssigen Inhibitoren
führten ebenfalls in der Schweiz zur Entwicklung
sogenannter Depotsteine. Hierbei
handelte es sich zunächst um in Tablettenform
gepresste Polyacrylate, die in
Netzen zusammengefasst und in die Revisionsschächte
des Entwässerungssystems
eingehängt wurden. Die Auflösung der
Tabletten und damit die Wirkstoffabgabe
richtete sich ausschließlich nach der
jeweils anfallenden Wassermenge. Mit
diesem System wurde es grundsätzlich
möglich, auch gering wasserführende
Dränagen mit einer Härtestabilisation
auszurüsten und durch Anpassung der
Einsatzmengen auf unterschiedliche Versinterungspotenziale
einzelner Entwässerungsabschnitte
zu reagieren. Ende des
Jahres 2000 gelang es dann schließlich,
die anwendungstechnischen Vorteile des
Depotsteinverfahrens mit der besseren
Produktperformance und den ökotoxikologischen
Vorteilen des Polyasparaginsäureverfahrens
miteinander zu kombinieren,
indem ein dehydriertes Vorprodukt der
PASP mit geringen Mengen an Fettsäuren
zu festen Härtestabilisatoren gepresst
wurden. Neben der besseren Dosis-Wirkungsleistung
und der wesentlich höheren
Umweltverträglichkeit zeigen diese als
PSI-Stabilisatoren bezeichneten Produkte
ein optimiertes Auflöseverhalten nicht nur
in Abhängigkeit von der Wasserführung,
sondern vor allem in einer pH-abhängigen
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Autodosierung: die Wirkstoffabgabe erhöht
sich mit steigendem pH und der
damit wachsenden Versinterungsgefahr
(Abb. 4). Da die Tabletten zudem bei zeitweiliger
Austrocknung weitestgehend
formstabil bleiben, ist der Einsatz auch bei
temporärer Wasserführung möglich.
Ein gänzlich unerwarteter zusätzlicher
Effekt wurde bei der Erprobung der PSI-
Stabilisatoren im Schemmelsbergtunnel
festgestellt (UCM 2001). In diesem Tunnel
bestanden in einer Ulmendränage
zwei versinterungsbedingte Vollverschlüsse,
die durch Bypassleitungen umgangen
wurden. Nach mehrmonatiger Anwendung
der Härtestabilisation zeigte sich,
dass nicht nur die Versinterungsneubildung
gestoppt wurde, sondern sich die
Vollverschlüsse aufzulösen begannen. Untersuchungen
zeigten, dass kein unmittelbar
lösender Angriff auf die Kalkablagerungen
vorlag, sondern die intensive
Verbindung zwischen Rohrwandung und
Sinter durch einen Kriecheffekt des Wirkstoffes
langsam gelöst wurde. Dieser
Effekt wurde indirekt bei anderen Bauwerken
wie z.B. dem Langener Tunnel
bestätigt: Hier ließen sich bestehende
Ablagerungen bei Spülarbeiten problemlos
aus dem Dränrohr blockweise ablösen und
entfernen.
Einsatzbereiche und -grenzen
Bei Einsatz einer Härtestabilisation ist zu
berücksichtigen, dass sich die Wirkung auf
die Fließsohle der Dränage beschränkt. Je
nach Wasserführung und Strömungsgeschwindigkeit
wird die Bildung von Versinterungen
in diesem Bereich unterbunden
oder die Bildung von Hartablagerungen
verhindert, so dass der Wartungsaufwand
in jedem Fall reduziert werden
kann. Aus betriebswirtschaftlicher
Sicht erweist sich ein Härtestabilisationseinsatz
immer dann als wirtschaftlich günstigere
Alternative zu konventioneller
Hochdruckreinigung, wenn das Spülintervall
zumindest verdoppelt werden kann.
Dies ist insbesondere bei Entwässerungsstrecken
mit hoher Versinterungstendenz
(> 5 mm / Monat) in der Regel der Fall.
Bei geringeren Versinterungsgeschwindigkeiten
hängt eine mögliche Reduktion der
Unterhaltskosten dagegen überwiegend
von der Härte der gebildeten Ablagerungen
und der Wartungsfreundlichkeit des
Entwässerungssystems ab, so dass eine individuelle
Analyse der Unterhaltskosten
anzuempfehlen ist. Hierbei sind neben
den primären Kosten aus den eigentlichen
Spülarbeiten auch sekundäre Kosten, die
z.B. aus der verringerten Streckenverfügbarkeit
resultieren können, zu berücksichtigen.
Insbesondere bei sehr harten Ablagerungen,
die den Einsatz mechanischer
Reinigungswerkzeuge (Kettenschleuder,
Fräse) erfordern, ist bei asymmetrischen
Dränrohren und regelmäßigem Einsatz
mittelfristig mit einer Beschädigung der
Rohrwandungen und entsprechenden Reparaturkosten
zu rechnen, die ebenfalls in
der Bilanzierung zu berücksichtigen sind.
Allgemein ist zu beobachten, dass
während und unmittelbar nach Abschluss
der Betonierarbeiten eine extrem starke
Versinterungsbildung, bedingt durch entsprechende
Baustoffelutionen, erfolgt.
Dies führte zu der Überlegung, Härtestabilisatoren
bereits im primären Entwässerungssystem
einzusetzen, um diese Spitzenbelastungen
abzufangen. In einem
ersten Versuch wurden im Unterwalder
Tunnel der ÖBB in wasserführenden Abschnitten
Härtestabilisatoren am Übergang
der Isolierung zum Filterkörper in
Strängen eingebaut. Damit konnte eine
frühzeitige Versinterungsbildung erfolgreich
unterbunden werden; bis zum Abschluss
der Betonierarbeiten wurde nach
Auskunft der Projektleitung lediglich eine
Spülung erforderlich, bei der keine Hartablagerungen
festgestellt wurden. Es gibt
jedoch derzeit keine abgesicherten Erkenntnisse,
über welchen Zeitraum die
Härtestabilisation im Primärsystem wirksam
bleibt; dies hängt in erster Linie von
der (im Endzustand nicht prognostizierbaren)
Wasserführung sowie der Hydrochemie
(i.e. pH-Wert) der penetrierenden
Wässer ab.
Der Einsatz moderner, umweltfreundlicher
Härtestabilisatoren unterliegt hinsichtlich
der wasserrechtlichen Genehmigungsfähigkeit
aufgrund der niedrigen Einsatzkonzentrationen
(i. a. zwischen 3 und
20 ppm / ltr) und der guten biologischen
Abbaubarkeit keinen Beschränkungen.
Eine Veränderung der Wassergüte ist
allgemein nur in einer Erhöhung der
Wasserhärte festzustellen, da die Calziumlöslichkeit
durch den Einsatz der Inhibitoren
erhöht wird, während der pH-Wert
des Bergwassers praktisch unverändert
bleibt.
Eine hohe biologische Aktivität des Bergwassers
kann in Einzelfällen zu einem unerwünschten
Befall der Härtestabilisatoren
durch Hefen und Pilze führen, wodurch
die Wirkstoffabgabe reduziert und der
Stabilisatorverbrauch erhöht werden kann.
Bislang ist allerdings lediglich ein Fall bekannt
(Mühlbergtunnel der DB Netz AG),
in dem die Härtestabilisation bereichsweise
durch biologische Einwirkung nachhaltig
beeinträchtigt wurde und biologische
Stoffwechselprozesse sogar zu einer lokalen
Erhöhung der Karbonatabscheidung
führten. Dieses Phänomen beruht nach
bisherigen Untersuchungen auf der Existenz
sogenannter Biofilme (ortsfester, aus
mehreren Schichten unterschiedlicher Mikroorganismen
bestehender Strukturen),
die den Härtestabilisator als zusätzliche
Nahrungsquelle erschließen können, und
weist keinen unmittelbaren Bezug zu den
mitunter sehr hohen Keimbildungszahlen
(bis zu 4 Mio. Einheiten/ml) auf. Für derartige
Fälle wurden Härtestabilisatoren
entwickelt, die durch Konservierungsmittel
aus der Lebensmittelindustrie gegen unerwünschte
Abbauprozesse geschützt sind,
ohne dass dadurch die positiven ökotoxikologischen
Eigenschaften beeinträchtigt
werden.
In verschiedenen Bauwerken der DB AG
(z.B. Leinebuschtunnel) wurden die Ulmendränagen
blockweise verlegt, wobei
jeweils blockmittig ein Hochpunkt angelegt
wurde und jeder Abschnitt über eine
Querableitung in einen zentral gelegenen
Sammler entwässert. Jeder Entwässerungsabschnitt
weist damit eine Länge
von nur 44 m auf. Durch die damit verbundene
Reduzierung der abzuleitenden
Wassermenge kommt es hier zu massiven,
verdunstungsbedingten Versinterungen,
die aufgrund der Unzugänglichkeit des
Systems für eine Härtestabilisation nicht
zugänglich sind. Bei dieser Art des Entwässerungssystems
ist somit lediglich eine
Härtestabilisation der Querableitungen
sowie der Sammelleitung möglich.
Anwendungsbeispiele
Aufgrund der Vielzahl planerischer und
bautechnischer Varianten von Entwässerungssystemen
ist auch der Einsatz einer
Härtestabilisation sowohl hinsichtlich der
einzusetzenden Verfahrenstechnik als
auch der betriebswirtschaftlichen Auswirkungen
bauwerksabhängig zu beurteilen.
Nachfolgend werden verschiedene Einsatzbeispiele
dokumentiert, die einen
Überblick über die erzielbaren Fortschritte
in der Bauwerksinstandhaltung ermöglichen
sollen.
Einsatz einer Flüssigstabilisierung im
Galgenbergtunnel der ÖBB
Der 1998 fertig gestellte, 5460 m lange
Galgenbergtunnel zwischen Leoben und
St. Michael zeigte bereits unmittelbar
nach Inbetriebnahme zentimeterdicke
Versinterungen insbesondere der bergseitigen
Ulmendränage, die bei pH-Werten
zwischen 8,1 und 9,5 eine Wasserhärte
zwischen 8° und 12° dH aufwies. Die
Wasserführung betrug dabei relativ konstant
zwischen 3 und 5 ltr/sec. Um die
Funktionsfähigkeit des Entwässerungssystems
zu gewährleisten, wurde ein neunmonatiges
Spülintervall erforderlich. Trotz
eines verwendeten Spüldruckes von 200
bar konnten die Ablagerungen nicht hinreichend
beseitigt werden, so dass ab-
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schnittsweise Fräsarbeiten erforderlich
wurden. Damit bestand die akute Gefahr
einer nachhaltigen Beschädigung der verwendeten
PVC-U Rohre mit u-förmigem
Querschnitt. Die Personal- und Gerätekosten
der Dränageunterhaltung beliefen
sich auf rund 54 000 EUR/Spülung (Draschitz
et al. 1999).
Im Juni 1999 wurde eine Flüssig-Härtestabilisationsanlage
eingerichtet, die über
zwei Dosierstellen in beide Ulmen durchschnittlich
12 ppm Polyasparaginsäure in
die Ulmen injiziert wurden. Die Überwachung
erfolgte durch Quartalsweise Kontrolle
ausgewählter Referenzstellen und
der Dosieranlage. Seit Inbetriebnahme
wurden keine Betriebsstörungen der Anlage
registriert. Die Betriebskosten einschließlich
Material- und Personalkosten
betragen rund 17 900 EUR/Jahr.
Durch den Einsatz der Härtestabilisation
erhöhte sich die Wasserhärte um rund 25
% bei gleich bleibenden pH-Werten. Die
Bildung von Hartversinterungen wurden
seit Einrichtung der Anlage soweit reduziert,
dass im Zeitraum Juni 1999 bis
heute lediglich eine Spülung erforderlich
wurde; auf Fräsarbeiten konnte dabei vollständig
verzichtet werden. Der Spülaufwand
reduzierte sich durch Einsatz der
Härtestabilisation auf ein Drittel der ursprünglichen
Kosten.
Härtestabilisation des Landecker
Tunnels
Der 6955 m lange Landecker Tunnel
wurde im Jahr 2000 als Bestandteil der
Südumfahrung Landeck fertig gestellt.
Das Entwässerungssystem besteht aus
zwei Ulmendränagen DN 200, die in regelmäßigen
Abständen von 48 bis 54 m in
eine zentrale Sammelleitung überführt
werden. Die Gesamt-Abflussmenge am
Nordportal beträgt zwischen 5 und 20
ltr/sec. Die Wasserführung beschränkt
Abb. 5: Massive
baustoffinduzierte
Versinterungen in
der Ulmendränage
des Landecker
Tunnels
(Nothaltebucht 3)
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sich generell auf einen Bereich etwa von
der Tunnelmitte bis zum Nordportal.
Entgegen der lithologisch günstigen Rahmenbedingungen
zeigten sich bereits in
der Bauphase in den wasserführenden
Bereichen des Entwässerungssystems massive
Versinterungs-erscheinungen, die insbesondere
im Bereich der Nothaltebuchten
Fräsarbeiten erforderten (Abb. 5). Die
Versinterungs-Neubildungsrate betrug bereichsweise
8 bis 10 cm pro Halbjahr. Vor
Einrichtung der Härtestabilisation wurde
die Wasserführung innerhalb des Entwässerungssystems
von der örtlichen Straßenmeisterei
detailliert erfasst und dokumentiert.
In einem zweiten Verfahrensschritt
wurden die existierenden Querableitungen
systematisch dergestalt verschlossen,
dass trockene Bereiche „umfahren“ und
wasserführende Abschnitte zu komplexen
Entwässerungsabschnitten zusammengefasst
wurden. Auf diese Weise konnte
bereits ein erheblicher Teil des Dränagesystems
aus der Standardunterhaltung
entlassen werden.
Die Wirkung der Härtestabilisation wird
dabei durch den optimierten Wasserfluss
in den Ulmen zusätzlich unterstützt, da
hierdurch auch Feinablagerungen ausgeschwemmt
werden. Für die Härtestabilisation
der wasserführenden Abschnitte werden
jährlich rund 100 kg Stabilisatoren
eingesetzt; der Kostenaufwand hierfür
liegt bei etwa 5000 EUR/Jahr. Dem steht
eine Verlängerung des Spülintervalls von 6
auf 12 Monate gegenüber. Neben der
deutlichen Kostenreduzierung bildet in
diesem Fall auch die deutlich erhöhte
Streckenverfügbarkeit ein wesentliches
Argument für die eingeschlagene Verfahrensweise.
Der Landecker Tunnel steht exemplarisch
für die mit der Einrichtung einer Härtestabilisation
erzielbaren Synergieeffekte. Aufgrund
der oftmals erstmalig im Zusammenhang
mit den Einrichtungsarbeiten
erfolgenden detaillierten Bestandsaufnahme
des Entwässerungssystems ist gerade
bei Bauwerken, die mit Querableitungen
der Ulmen versehen sind, eine deutliche
Reduzierung der zu unterhaltenden
Streckenlänge durch einfache bauliche
Maßnahmen möglich. Die damit verbundene
Optimierung des Wasserflusses
sowie die Verringerung der Anzahl von
Sturzbauwerken tragen dabei nachhaltig
zur Reduzierung des Versinterungsproblems
bei.

BAUWERKSENTWÄSSERUNGEN
Grenztunnel Füssen
Das Dränagesystem des Grenztunnels
Füssen besteht aus zwei durch einen 280
m langen druckdicht ausgebauten Abschnitt
voneinander getrennten Bereichen,
die über separate Leitungen entwässern.
Aufgrund der ausgeprägten Versinterungstendenz
musste ein dreimonatiges
Spülintervall, bei dem jeweils zwei Fahrzeuge
für die Dauer von zwei Tagen eingesetzt
wurden, eingehalten werden. Die
maximale Versinterungsbildung war im
Anschluss an den druckdicht ausgebauten
Teilbereich mit Zuwächsen von bis zu 4
cm/Monat festzustellen, in anderen Bereichen
des Entwässerungssystems lag die
Versinterungsgeschwindigkeit zwischen
wenigen mm und ca. 4 cm/Quartal. Eine
stichprobenartige Untersuchung der hydrochemischen
Leitparameter ergab pH-
Werte zwischen 7,8 und 11,5 bei Leitfähigkeiten

Rossbergtunnel
Das aus zwei Ulmendränagen DN 250 bestehende
Entwässerungssystem des Rossbergtunnels
weist beidseitig auf einer
Länge von jeweils 1618 m deutliche Versinterungstendenzen
mit einem Versinterungsschwerpunkt
im südlichen Portalbereich
auf. Im Dezember 2000 wurde von
U.C.M. in diesen Bereichen eine Härtestabilisation
eingerichtet und seitdem durchgängig
betrieben. Ab 2002 wurde die
Kontrolle und Revision halbjährlich von
Mitarbeitern der DB AG durchgeführt und
dokumentiert (Dotzler 2003). Aufgrund
der detaillierten, durch Kamerabefahrungen
unterstützten Beobachtungen kann
ein unmittelbarer Vergleich der Kostenstrukturen
bei konventioneller Instandhaltung
und Einsatz des Härtestabilisationsverfahrens
gezogen werden.
Vor Aufnahme der Härtestabilisation war
je Fahrtrichtung eine jährliche Spülung erforderlich.
Die Kosten bei dieser
Instandhaltungsvariante erfordern eine
durchschnittliche, jährliche Gesamtaufwendung
in Höhe von rund 19 000,- €.
Dagegen konnte durch den Einsatz von
jährlich rund 30 kg Härtestabilisatoren
(Abb. 6) die Versinterungsbildung so weit
Abb. 6: Einsatzmengen von Härtestabilisatoren in einer der Ulmendränagen des
Rossbergtunnels (nach Dotzler 2003)
© Tetzlaff Verlag
reduziert werden, dass nach 12 bzw. 18
Monaten lediglich gezielte Reinigungen in
begrenztem Umfang und nach 30 Monaten
eine durchgängige Spülung des konditionierten
Bereiches erforderlich werden.
Für die Konditionierung betragen die
durchschnittlichen, jährlichen Kosten einschließlich
Überwachungs- und Dokumentationskosten
rund 11 000,- €. Unter
Berücksichtigung der trotz Härtestabilisation
erforderlichen Spülkosten ergibt sich
über einen Zeitraum von 10 Jahren eine
vsl. Einsparung in Höhe von 23 % oder
83 000,- € gegenüber der rein auf Spülung
basierenden Instandhaltungsstrategie.

BAUWERKSENTWÄSSERUNGEN
Voraussetzungen für die
wirtschaftliche Zielerreichung
Die gegenüber den bisher geläufigen Instandhaltungsstrategien
durch den Einsatz
der Härtestabilisation durch die Vergrößerung
der Spülintervalle und durch
die Veränderung der Versinterungscharakteristik
als auch durch die aufgrund
der geringeren mechanischen Belastung
der Rohre reduzierte Gefahr von Beschädigungen
des Systems zu erreichenden
erheblichen finanziellen Einsparungen
setzen jedoch voraus, dass den mit der
Wartung der Entwässerungsanlagen beauftragten
objektverantwortlichen Stellen
die für die Wartung der Anlagen erforderlichen
Wirtschaftsmittel zeit- und bedarfsgerecht
zur Verfügung stehen. Zur
Sicherstellung wirtschaftlichen Erfolges
müssen diese Mittel zentral zweckgebunden
zugewiesen werden. Von einer Bereitstellung
der Mittel im allgemeinen Instandhaltungsbudget
muss abgesehen
werden, da die geschilderten Sachzusammenhänge
der Wartungsstrategie mit
Härtestabilisatoren den die Wirtschaftsmittel
verwaltenden Stellen ganzheitlich
nicht bekannt sind und Überlegungen,
bei dem ganzheitlich zur Verfügung stehenden
Budget vor dem Hintergrund der
Unternehmenslage nach anderen Gesichtspunkten
Prioritäten zu setzen, sehr
oft unter Inkaufnahme großer nachhaltiger
wirtschaftlicher Schäden in den Folgejahren
sehr verfänglich sind.
In der Vergangenheit angeordnete Unterbrechungen
der Wartung z.B. von nur
zwei Jahren bzw. Kürzungen der Wirtschaftsmittel
führten in den folgenden 3
Jahren in Folge der dann wegen der harten
Versinterungen wieder erforderlichen
Grundreinigungen zu Zusatzkosten in
Höhe eines sechsstelligen Eurobetrages,
der die erreichten Einsparungen um ein
Vielfaches überstieg.
Zusammenfassung
Der Einsatz einer Härtestabilisation im Entwässerungssystem
unterirdischer Bauwerke
kann die konventionelle Reinigung
durch Hochdruckspülung nicht vollständig
ersetzen, da sich der Wirkungsbereich auf
die wasserführende Sohle der Dränagerohre
beschränkt und keinen Einfluss auf
das Versinterungsverhalten im Bereich der
Filterschlitze oder normale Verschmutzungen
ausübt. Durch die Erhöhung der Calziumlöslichkeit
und die Verhinderung des
Entstehens von Hartversinterungen ergeben
sich jedoch durch die Verlängerung
der Spülintervalle und die deutliche Erhöhung
der realisierbaren Spülgeschwindigkeit
signifikante wirtschaftliche Vorteile
gegenüber einer rein auf Hochdruckspülung
basierenden Instandhaltungsstrategie.
Im Bereich der sekundären Kosten ergeben
sich weitere betriebswirtschaftliche
Vorteile durch die erhöhte Streckenverfügbarkeit
sowie durch die aufgrund der
geringeren mechanischen Belastung der
Rohre reduzierte Gefahr von Beschädigungen
des Systems.
Die Erfahrung aus einer Vielzahl realisierter
Anwendungen zeigt, dass die Einsatzmöglichkeiten
sowohl aus verfahrenstechnischer
als auch ökonomischer Sicht für
jedes Bauwerk individuell zu bewerten
sind. Ein pauschaler, ubiquitär anwendbarer
Verfahrensvorschlag ist aufgrund der
Vielzahl unterschiedlich ausgelegter Entwässerungssysteme
sowie der hohen hydrochemischen
Variabilität der anfallenden
Dränagewässer generell nicht
zielführend.
Von wenigen Ausnahmen abgesehen,
stellt sich der Einsatz fester Härtestabilisatoren
als die wirtschaftlich günstigere Alternative
gegenüber einer Flüssigkonditionierung
dar. Einsatzbeschränkungen sind
gegenwärtig nur bei einer hohen, die Härtestabilisatoren
unmittelbar angreifenden
biologischen Aktivität des Bergwassers
erkennbar. In diesen Fällen besteht
allerdings die Möglichkeit, Spezialprodukte
mit umweltverträglichem Konservierungsschutz
einzusetzen.
In der überwiegenden Anzahl der bislang
mit Härtestabilisatoren ausgerüsteten Verkehrsbauwerke
zeigt sich, dass planerische
und konstruktive Mängel des Entwässerungssystems
die Versinterungsproblematik
nachhaltig verstärken. Daher sollte diesem
Gewerk bei Neubaumaßnahmen
unabhängig von der Qualität des natürlichen,
nicht durch Baustoffe beeinflussten
Bergwassers grundsätzlich eine entsprechend
hohe Aufmerksamkeit gewidmet
werden.
Literatur
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bergmännischer Tunnel – neue Tendenzen; SI+A,
Nr. 12, S. 244-249, Verlags AG der technischen
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der technischen Vereine, Zürich 2000
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schädlich ?“ GDcH Öffentlichkeitarbeit, 2001,
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[6] Maidl, B.; Kirschke, D.: Abdichtungs- und Entwässerungssyteme
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[8] Henri Roques: Chemical Water Treatment, Principles
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[9] Schikora, K.; von Soos, P.; Jedelhauser, B.;
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[10] Springenschmitt, R.; Breitenbücher, R.; Dorner,
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[11] UCM Heidelberg GmbH : Härtestabilisation der
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[12] Wegmüller, M.C.: Einflüsse des Bergwassers auf
Tiefbau/Tunnelbau; Stäubli-Verlag, Zürich 2001,
215 S.
Summary / Résumé
Stabilising the hardness of
mountain water
Although many advances have been made in
construction and materials, scale build-up in
tunnel water drains is still a serious problem
that at the operational level frequently leads to
huge maintenance costs and a marked reduction
in line availability. Over recent years increasing
efforts have therefore been made to
finds ways of preventing or at least reducing
the build-up of hard lime scale. A major step in
this direction has been the development of
new, environmentally friendly hardness stabilisers
tailored to the requirements of structure
drainage. Stabilising hardness does not do
away with the need for conventional cleaning
altogether, but offers considerable potential
savings compared with the maintenance strategies
employed to date.
Stabilisation des eaux calcaires
souterraines
Malgré de nombreuses optimisations en matière
de construction et de matériaux de construction,
la calcination des conduites d’évacuation
des eaux pendant les forages de tunnels représente
encore et toujours un problème à prendre
très au sérieux qui provoque souvent, pendant
l’exploitation, des coûts d’entretien exorbitants
et une réduction sensible de la disponibilité des
lignes. C’est pourquoi des efforts accrus ont été
entrepris, au cours des années passées, afin
d’éviter, par des mesures préventives, la formation
de dépôts calcaires durs ou tout au moins
de les réduire. Le développement de nouveaux
stabilisateurs des eaux calcaires, compatibles
avec l’environnement et les exigences de l’évacuation
des eaux des ouvrages, a permis d’apporter
une contribution essentielle dans ce domaine.
Certes, la stabilisation des eaux calcaires
ne saurait remplacer entièrement la purification
classique, mais l’on peut réaliser des économies
financières considérables par rapport aux
stratégies d’entretien appliquées jusqu’à présent.
12 EI – Eisenbahningenieur (54) 7/2003
© Tetzlaff Verlag