12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 167 Kombilösung Karlsruhe - Bau des Straßentunnels in der Kriegsstraße M.Sc. Isabelle Niesel Ed. Züblin AG, Zentrale Technik, Technisches Büro Tiefbau Stuttgart Dipl.-Ing. C. Maier Ed. Züblin AG, Zentrale Technik, Technisches Büro Tiefbau Stuttgart Zusammenfassung Die Herstellung des 1,6 km langen Straßentunnels in offener Bauweise in der Karlsruher Kriegsstraße gliedert sich in 9 Baufelder, die abschnittsweise hergestellt werden. Die angrenzende innerstädtische Bebauung, der aufrechtzuerhaltende Verkehr und der hohe Grundwasserspiegel machen die Baugrubenumschließung dabei zu einer anspruchsvollen Herausforderung. Dabei stellt die Wahl einer geeigneten Abdichtung der durchlässigen Sande und Kiese einen entscheidenden Faktor für den Erfolg der Baumaßnahme dar. Im Folgenden wird das Projekt hinsichtlich des Baugrubenkonzepts vorgestellt und auf einzelne besondere Randbedingungen eingegangen. 1. Einleitung 1.1 Allgemeines Der zweizellige Tunnel in der Kriegsstraße ist Teil des zweiten Teils der sogenannten Kombilösung, mit dem die Karlsruher Innenstadt eine Entlastung vom oberirdischen Autoverkehr erfährt, um ein leistungsfähiges Schienennetz für den ÖPNV herstellen zu können. Abbildung 1: Übersicht, Lage des Projekts im Stadtplan Die Bauarbeiten in der Kriegsstraße haben im April 2017 begonnen und die Fertigstellung ist für Mitte 2021 geplant. Dann wird die Kriegsstraße zwischen Mendelssohnplatz und Karlstor für den Durchgangsverkehr auf einer Strecke von ca. 1,6 km unterirdisch verlaufen. Der Straßentunnel wird als Rechteckstahlbetonrahmen in offener Bauweise erstellt. Die Arbeiten unterteilen sich in neun Bauabschnitte, die jeweils ausgehoben, gebaut und wiederverfüllt werden. Als Verbau kommt in weiten Teilen eine Dichtwand mit eingestellter Spundwand zur Ausführung. In Bereichen mit bestehenden Bauwerken in der Verbauachse und naher Bestandsbebauung werden die Verbauwände überwiegend aus überschnittenen Bohrpfählen hergestellt. Die angrenzende innerstädtische Bebauung, der während der Bauzeit aufrechtzuerhaltende Verkehr und der hohe Grundwasserspiegel machen die wasserdichte Baugrubenumschließung dabei zu einer anspruchsvollen Herausforderung. Ein besonderes Augenmerk fällt dabei auf die tiefliegende Weichgelsohle. Die geeignete Abdichtung der durchlässigen Sande und Kiese durch das Weichgel stellt einen entscheidenden Faktor für den Erfolg der Baumaßnahme dar. 168 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 Kombilösung Karlsruhe - Bau des Straßentunnels in der Kriegsstraße Abbildung 2: Regelquerschnitt Straßentunnel 1.2 Verkehr und Bauabschnitte Für die Aufrechterhaltung des Fußgänger- und Autoverkehrs in Nord-Südrichtung und die Aufrechterhaltung wichtiger Versorgungsleitungen wird die Baumaßnahme in 9 Bauabschnitte unterteilt. Damit können stets Fußgängerquerungen und Wendeschleifen für den Autoverkehr in den freien Baufeldern eingerichtet werden. Abbildung 3: Grundgriss mit Bezeichnung der Bauabschnitte Für ein freies Baufeld muss der Verkehr zunächst umverlegt werden. Dies erfolgt in einer Seitenlage, sodass das Baufeld durch die Fahrspuren umschlossen wird. Der Abstand wird in der Regel größer 1,0 m gewählt wodurch ein vereinfachter Lastansatz von 10 kN/ m 2 gemäß EAB ausreichend ist. Im Baufeld O3 und O4 musste der Verkehr aufgrund der beengten Platzverhältnisse über einen Kopfbalken bzw. eine in die Baugrube ragende Kragplatte geführt werden. Zudem sorgen Behelfsbrücken für den Schienenverkehr für eine Aufrechterhaltung des ÖPNV. Abbildung 4: Seitenlage Verkehr im Baufeld O1 während den Bauarbeiten 1.3 Baugrund und Grundwasser Unter geringmächtigen Deckschichten bzw. Auffüllungen stehen die kiesig, sandigen Abfolgen, im Wesentlichen sandige Kiese mit vereinzelten Sandsteinschaltungen der oberen kiesig sandigen Abfolge (OksA) an. Die unterlagernde mittlere sandig kiesige Abfolge (MskA) schließt sich direkt an die OksA an. Diese wird in der Regel aus sandigen Kiesen und Grobkiesen bis kiesigen Sanden gebildet. Es zeigt sich folgender schematischer Schichtaufbau: - Auffüllungen - Kiese und Sande - Tone/ Schluffe - Pleistozäne Tone, Schluffe, Sande 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 169 Kombilösung Karlsruhe - Bau des Straßentunnels in der Kriegsstraße Abbildung 5: Baugrundtechnischer Geländeschnitt (grau: Auffüllungen, gelb: mitteldicht gelagerte Kiese und Sande, orange: mitteldicht bis dicht gelagerte Kiese und Sande, rot: dicht bis sehr dicht gelagerte Kiese und Sande) Die bei der Erkundung angetroffenen GW-Stände lagen zwischen 109,84mNN und 111,01mNN. Für die Baumaßnahme wurden die bauzeitlichen Bemessungswasserstände je nach Lage der Bauabschnitte zwischen 110,85mNN und 111,90mNN gewählt, mit einem Flurabstand von ca. 3 bis 4m. Die Grundwasserfließrichtung ist im ungestörten Zustand in Richtung des Rheins nach Nordwesten gerichtet. Die durchschnittlichen Durchlässigkeiten über das gesamte Schichtpaket der Kiese und Sande inkl. der lokal vorhandenen Tone weisen nur geringe Schwankungen auf und liegen im Bereich von kf = 3,0 - 6,1 · 10-4 m/ s. 1.4 Bestand In weiten Teilen des Baufeldes sind Bestandsbauwerke vorhanden. Zwei bestehende Unterführungs-/ Trogbauwerke der Kriegsstraße werden durch die Baugrube umschlossen und im Zuge des Aushubs abgebrochen. Im Baugrund verbliebene Verbauten wie Spundwände und Anker aus der Erstellung der bestehenden Bauwerke und auch der Nachbarbebauung erschweren die Herstellung zusätzlich. Umfangreiche Leitungsumverlegungen werden im Vorfeld durchgeführt. Abbildung 6: Abbruch der bestehenden Unterführung Ettlinger Tor im Zuge des Aushubs im Bauabschnitt W3 und W4 Im Hinblick auf bestehende Gebäude und naheliegende Leitungen wurden als rechnerische Grenzwerte 25 mm Kopfverformung und 30 mm im Feld zugelassen, in Einzelfällen sind 10 mm einzuhalten. 2. Wahl des Baugrubenverbaus Aufgrund der genannten Randbedingungen hat man sich dazu entschieden, zwei verschiedene Verbauarten zu wählen. In Bereichen mit zu erwartenden Hindernissen aus dem Bestand kommt eine überschnittene Bohrpfahlwand mit D = 1,2 m zum Einsatz. In Bereichen, in denen kein Bestand vorhanden ist, wird die kostengünstigere Verbauart einer Dichtwand mit eingestellter Spundwand ausgeführt. 2.1 Dichtwand/ Spundwand Es werden in der Regel Schlitztiefen von bis zu 18 m hergestellt, in Tiefteilen werden auch bis zu 25 m erreicht. Die statische und dichtende Funktion des Verbaus wird geteilt. Die Spundwände werden lediglich bis zur statisch notwendigen Einbindetiefe eingebracht. Die horizontale Abdichtung unterhalb der Spundwand bis zur Weichgelsohle (WGS) wird durch die Dichtwand gewährleistet. Abbildung 7: Schlitzarbeiten im Bauabschnitt W2 170 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 Kombilösung Karlsruhe - Bau des Straßentunnels in der Kriegsstraße Diese wirtschaftliche Bauweise wurde in einem Nebenangebot durch die Arge Züblin / Schleith angeboten und beauftragt. Zur Herstellung werden zunächst Leitwände in Ortbetonbauweise als Hilfskonstruktion zur Führung des Aushubwerkzeugs und zur Stützung des oberen Teils des Schlitzes hergestellt. Die Leitwände halten während des Dichtwandaushubs auch die Träger des Vorverbaus. Für die Dichtwandherstellung wird eine Dichtwandmasse verwendet, welche während der Schlitzarbeiten als Stützflüssigkeit dient und nach Herstellung des Schlitzes aushärtet und die dichtende Funktion des Verbaus übernimmt. Abbildung 8: Baugrubenschnitt einer Dichtwand mit eingestellter Spundwand Nach Fertigstellung eines Schlitzes werden die Doppelbohlen eingesetzt. Das Einfädeln und Ablassen der Bohlen erfolgt i.A. über Schwerkraft, falls erforderlich mittels eines kleinen Rüttlers. Jede Doppelbohle wird mittels zweier Auflagerstangen abgehängt und ggf. ausgerichtet. Das Schloss der letzten Bohle innerhalb einer Lamelle wird durch einen Breitflanschträger gesichert. Durch den Träger werden Beschädigungen am Schloss beim Schlitzen der Nachbarlamelle verhindert. Abbildung 9 zeigt den fertiggestellten Schlitz mit dem Träger als Schlossschutz. Abbildung 9: Abhängung der Spundwände im Schlitz mit Träger als Schlossschutz Abbildung 10: Abhängung der Spundwände nach Öffnen des Folgeschlitzes Nach zwei Tagen Aushärtezeit können die Lagesicherungen der Spundwände entfernt und die Folgelamellen geschlitzt werden. Ab diesem Zeitpunkt ist die Dichtwandmasse soweit stichfest, dass kein Material mehr ausläuft und sich mit der Frischsuspension vermischt. Beim Ausheben des Anschlussstichs an die fertige Nachbarlamelle wird der Greifer direkt am eingestellten Träger entlanggeführt. Nach Erreichen der Endtiefe wird der Träger ausgebaut. Dabei wird der Träger zunächst seitlich in Richtung des offenen Schlitzes herausgebrochen und erst danach gezogen. So wird sichergestellt, dass in der entstehenden Fuge ein sicherer Anschluss der Nachbarlamelle erfolgen kann. In Abbildung 10 ist eine mögliche Ausprägung des Anschlussbereichs nach dem Trägerziehen dargestellt. 2.2 Bohrpfahlwand Zur Ausführung kommt eine überschnitte Bohrpfahlwand mit Pfählen mit einem Durchmesser von 120 cm und einem Überschnitt von 30 cm. Die Pfahlwand umfasst eine Abwicklungslänge von ca. 1,1 km. Die Pfähle werden über die statisch erforderliche Länge hinaus bis 50cm unter die planmäßige Unterkante der Weichgelsohle verlängert, um die Baugrubenabdichtung zu vervollständigen. In großen Teilen sind Bestandsbebauung wie stillgelegte und verdämmte Kanäle, Anker oder Bauwerke zu durchörtern. 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 171 Kombilösung Karlsruhe - Bau des Straßentunnels in der Kriegsstraße Abbildung 11: Herstellung der Bohrpfahlwand im Bereich der späteren Kragplatte im Bauabschnitt O3 Abbildung 12: Baugrubenschnitt einer Bohrpfahlwand, Bauabschnitt O3 Kragplatte 3. Baugrubenabdichtung 3.1 Dichtwand Die fertige Dichtwand muss neben den Anforderungen aus den gültigen Vorschriften einer Qualität entsprechen, so dass die Dichtigkeitsanforderung an das Gesamtsystem von Q zul ≤ 1,5 l/ s · 1000 m² erfüllt wird. Zur Erfüllung dieser Anforderung kommt den Anschluss- und Eckbereichen eine besondere Bedeutung zu. Hier besteht die Gefahr, dass der Greifer bei einem einseitigen „Abschälen“ von Boden ausweicht und damit Fehlstellen innerhalb der Dichtwand erzeugt werden. Da die Spundwände nicht über die gesamte Schlitzlänge eingestellt werden, verbleibt damit zwischen UK-Spundwand bis zur UK-Dichtwand alleinig die Dichtwand als abdichtendes Element. Zur Minimierung des Risikos werden die Schlitze als Eckschlitze ausgeführt und in den Anschlussbereichen zusätzliche Injektionsmöglichkeiten durch Manschettenrohre vorgesehen. 3.2 Weichgelsohle Die Weichgelsohle sorgt für die vertikale Abdichtung der Baugrubenumschließung und muss je nach statischen Erfordernissen zwischen 7 und 11m unterhalb der Baugrubensohle angeordnet werden. Zur Herstellung der Weichgelsohlen werden von einem Voraushubniveau oberhalb des Grundwassers in einem regelmäßigen Raster Bohrungen niedergebracht. Nach der Fertigstellung der Injektionsbohrungen werden die Injektionslanzen in die Bohrlöcher eingebaut. Zum Einsatz kommen Hart-PVC-Injektionsrohre mit Verpressventilen, welche am unteren Ende der Lanzen angeordnet sind. Pro Bohrloch werden mehrere höhenversetzte Injektionslanzen (Schläuche) eingebaut. Abbildung 13: Bohransatzpunkte im Raster 1,70m x 1,90m im Bauabschnitt O1 Vor Beginn der eigentlichen Weichgelinjektion wird ein obenliegender „Deckel“ aus hydraulischem Bindemittel mit einer Dicke von ca. 0,30 m hergestellt. Dieser Deckel verhindert das unkontrollierte Aufsteigen des Weichgels. Als Bindemittel kommt das Produkt DiWa-Mix 230 zum Einsatz. Die Verpressung dieses Bindemittels erfolgt über die höchste Lanze des Lanzenbündels. Nach einem Vorlauf von mindestens 3 Tagen erfolgt anschließend die Injektion des Weichgels. Um Anisotropien in der Ausbreitung des Weichgels im Boden zu berücksichtigen, werden die zu injizierenden Mengen so dimensioniert, dass theoretisch das gesamte erreichbare Porenvolumen von ca. 25% durch Injektionsgut ausgefüllt wird. Die Annahme der Verteilung des Injektionsguts in Form eines Rotationsellipsoids beruht darauf, dass die hori- 172 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 Kombilösung Karlsruhe - Bau des Straßentunnels in der Kriegsstraße zontale Durchlässigkeit im Karlsruher Baugrund höher ist als die vertikale Durchlässigkeit ist. Das Raster folgt einem gleichseitigen Dreieck. Der Abstand der Bohrungspunkte wurde im Vorfeld definiert und in einem Probefeld durch einen Pumpversuch überprüft. Abbildung 14: Beispiel einer Weichgellanze Abbildung 15: Prinzipdarstellung der Injektionslanzen im Bauabschnitt O1 Vor Beginn der Injektionsphase wird eine Baustellenmischung des Weichgels hergestellt, um die örtlichen Gegebenheiten (z.B. Temperatureinfluss, Wasser etc.) zu berücksichtigen. Seitens des Umweltamts Karlsruhe wurde ein Mischungsverhältnis mit Härteranteil von 1,7%, 2% und 2,5% freigegeben, basierend auf Versuchen der MFPA Leipzig. Es wird jedoch versucht, den Härteranteil so gering wie möglich zu halten. 4. Stand der Arbeiten Zum aktuellen Zeitpunkt - Mitte Januar 2020 sind in den Bauabschnitten O1, O2 und W2 die Massivbauarbeiten vollständig abgeschlossen. In dem Baufeld W3 sind die Verbauarbeiten abgeschlossen, die Massivbauarbeiten sind in vollem Gange. In den Bauabschnitten O3, O4, O5 W4 und W1.2 ist die Herstellung der Spundwände und Bohrpfahlwände abgeschlossen. Mit dem Aushub und den Ankerarbeiten hat man dort begonnen. Die Weichgelsohle ist in den Bauabschnitten O4 und W4 bereits fertiggestellt. In den fertiggestellten Baugruben konnten die zulässigen Fördermengen während der Restwasserhaltung eingehalten werden, was auf eine erfolgreiche Abdichtung der Gesamtbaugruben schließen lässt. Abbildung 16: Massivbauarbeiten im Bauabschnitt W3 Mit der Herstellung der Verbauten des Bauabschnitts W1.3 (Anschluss an den bestehenden Trog im Westen der Baumaßnahme) und W3.1 (Herstellung einer Betriebszentrale und eines unterirdischen Anschlusses des Straßentunnels an das Einkaufszentrum Ettlinger Tor) wird Anfang bis Mitte 2020 begonnen. Mit den Erfahrungen aus der Herstellung der Weichgelsohlen und Verbauwände in den ersten Bauabschnitten werden stets die Bauabläufe hinterfragt und optimiert. Unterstützt werden Arbeiten durch die partnerschaftliche und konstruktive Zusammenarbeit aller Projektbeteiligten. Literaturverzeichnis [1] KASIG (2015), Baubeschreibung AP03 Tunnel- und Straßenbau in der Kriegsstraße / Ludwig-Erhard-Allee. 09.11.2015 [2] Ingenieurbüro Roth & Partner (2014), Geotechnischer Bericht, Kombilösung Straßenbahn in der Kriegsstraße mit Straßentunnel, 11.08.2014 [3] DGGT (2012). Empfehlungen des Arbeitskreises „Baugruben“ 5.Auflage, Verlag Ernst und John, 2012 [4] Vogt N. & Stiegler R. (2003). Vertikales Gleichgewicht einer in den Suspensionsschlitz eingehängten Spundwand, Felsbau 21, 2003