13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 227 Wasserdichte Baugruben für den Karoline-Luise-Tunnel in Karlsruhe Dipl.-Ing. Sven Köthe BUNG Baumanagement GmbH, Ingenieurgemeinschaft, Karlsruhe Dr.-Ing. Bertram Schulze Spezialtiefbau Consult Dr. Bertram Schulze, Karlsruhe Zusammenfassung Für den Bau des 1,6 km langen Karoline-Luise-Tunnel (Kriegsstraßentunnel) in der bedeutendsten innerstädtischen Hauptverkehrsachse in Karlsruhe war die Herstellung von insgesamt 15 Teilbaugruben erforderlich. Wegen des hoch anstehenden Grundwassers und den Baugrubentiefen von bis zu 10 m musste der Baugrubenverbau wasserdicht ausgeführt werden. Im vorliegenden Beitrag wird der Schwerpunkt auf die Qualitätssicherung der Spezialtiefbaumaßnahmen (und hier insbesondere der knapp 34.000 m2 Weichgelsohlen) gelegt, wobei hier sowohl technische als auch organisatorische und bauablauftechnische Aspekte sowie die intensive und lösungsorientierte Kommunikation zwischen allen Projektbeteiligten beleuchtet werden. Die Rohbaumaßnahmen sind seit Juli 2021 nach 51 Monaten Bauzeit termingerecht abgeschlossen. Der Erfolg des hier implementierten Qualitätsmanagementsystems zeigt sich in der Einhaltung der terminlichen Vorgaben für die Baugruben und vor allem in den geringen Grundwasserentnahmemengen, die nur ca. 20% der behördlich zugelassenen Mengen betrugen. 1. Überblick über die Gesamtsituation Im Zeitraum von 2010 bis 2021 wurde in der Karlsruher Innenstadt die sog. Kombilösung realisiert. Dabei handelt es sich um eine Infrastrukturmaßnahme, die die Freimachung der Haupteinkaufsstraße und zentralen Fußgängerzone Kaiserstraße, vom oberirdischen Stadtbahnverkehr durch Tieferlegung der Stadtbahntrasse und den Neubau eines Straßentunnels in der Kriegsstraße mit neuer oberirdischer Straßenbahntrasse beinhaltet (Abb.- 1).- Das- Teilprojekt- ″Stadtbahntunnel- in- der- Kaiserstraße- mit- Südabzweig- Ettlinger- Straße″- besteht- aus- dem inklusive der Rampenbereiche rund 3,2 km langen etwa in Ost-West-Richtung verlaufenden Stadtbahntunnel in der Kaiserstraße mit 4 unterirdischen Haltestellen und dem etwa 1,2 km langen in Nord-Süd-Richtung verlaufenden Südabzweig mit 3 unterirdischen Haltestellen. Das- Teilprojekt- ″Straßenbahn- in- der- Kriegsstraße- mit- Straßentunnel″-besteht-aus-oberirdischen-Schieneninfrastrukturmaßnahmen und dem rund 1,6 km langen Kriegsstraßentunnel, der mit Beginn der Inbetriebnahme Karoline-Luise-Tunnel heißen soll. Beide Teilprojekte kreuzen sich am sogenannten Kombibauwerk unter dem zentralen innerstädtischen Knotenpunkt Ettlinger Tor. Dort verläuft in der untersten Ebene der Südabzweig des Stadtbahntunnels mit einer unterirdischen Haltestelle, darüber dazu der Karoline-Luise- Tunnel.-An-der-Geländeoberfläche-befindet-sich-die-oberirdische Straßenbahntrasse in der Kriegsstraße und eine große Straßenkreuzung mit den Zugängen zur unterirdischen Stadtbahn-Haltestelle Ettlinger Tor, so dass hier auf-drei-Ebenen-Verkehr-stattfindet. 228 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 Wasserdichte Baugruben für den Karoline-Luise-Tunnel in Karlsruhe Abb. 1: Überblick über die Elemente der Kombilösung Karlsruhe Der hier betrachtete Karoline-Luise-Tunnel, der in der Trasse der viel befahrenen Ortsdurchfahrt der B10 verläuft und große Anteile des Kfz-Verkehrs nun unterirdisch führen soll, ist in 11 Baufelder mit insgesamt 15 Teilbaugruben unterteilt (Abb. 2a und 2b). Auf dem Karoline-Luise-Tunnel wird in der Kriegsstraße eine neue Straßenbahntrasse gebaut, die zusätzliche Kapazitäten für den ÖPNV in der Innenstadt von Karlsruhe schafft und die Erschließung des südlichen Teils der Karlsruher Innenstadt mit Badischem Staatstheater und Landratsamt sowie zukünftig eventuell dem Forum des Rechts verbessert. Abb.-2a: -Baufelder-″West″-des-Karoline-Luise-Tunnels 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 229 Wasserdichte Baugruben für den Karoline-Luise-Tunnel in Karlsruhe Abb.-2b: -Baufelder-″Ost″-des-Karoline-Luise-Tunnels Der Karoline-Luise-Tunnel wurde in offener Bauweise geplant und ausgeführt (siehe unten). Die Länge der Bauabschnitte und die Reihenfolge ihrer Herstellung wurden von den Randbedingungen, die sich insbesondere aus der Aufrechterhaltung des Individualverkehrs, der die Tunneltrasse kreuzenden Nord-Süd-Verkehrsachsen des ÖPNV und der Versorgungsleitungen ergeben, bestimmt. Die Verbauarbeiten wurden in den Baufeldern W2 und O1 im Juni 2017 begonnen. Ausgeführt wurden die Arbeiten von der ARGE Tunnel Kriegsstraße Karlsruhe, bestehend aus der Ed. Züblin AG und Schleith GmbH Baugesellschaft. Das letzte Baufeld, W1.3, wurde im Juni 2021 fertiggestellt. Die VOB-Abnahme aller Rohbauarbeiten war am 22.07.2021. Die Inbetriebnahme des Stadtbahntunnels und der Straßenbahn in der Kriegsstraße war für den 11./ 12.12.2021 geplant. Die Inbetriebnahme des Karoline-Luise-Tunnels ist im Frühjahr 2022 vorgesehen. 2. Baugrund- und Grundwasserverhältnisse Die Baugrund- und Grundwasserverhältnisse in Karlsruhe sind geprägt durch ihre Lage im Rheintal mit mächtigen-fluviatilen-Kies--und-Sandablagerungen,-die-unter-oft- mehrere Meter mächtigen Auffüllungen anstehen und bis in Tiefen > 40 m reichen. Die ganz überwiegend gerundeten Sande und Kiese sind meist dicht, teilweise auch sehr dicht, untergeordnet auch mitteldicht gelagert. Kiese und Sande wechseln sich regellos ab (siehe Abb. 3). Diese Bodenverhältnisse müssen insbesondere bei Planung und Ausführung von Niederdruck-Injektionsmaßnahmen berücksichtigt werden, weil sich das Injektionsgut in solchen Böden nicht in alle Richtungen gleich (isotrop) ausbreitet, sondern durch feinsandige- ″Bremsschichten″- vielmehr- eine- ausgeprägte Durchlässigkeitsanisotropie (kf,h > kf,v) vorhanden ist.- Durch- das- häufige-Auftreten- von- schräg-- und- kreuzgeschichteten Lagen, wie sie ebenfalls typisch sind für den Karlsruher Baugrund (siehe Abb. 4) ist die Prognose für das Ausbreitungsverhalten von Injektionsgütern noch weiter erschwert. Abb. 3: Typische Schichtung im Karlsruher Baugrund Abb.-4: -Schrägschichtung-der-fluviatilen-Sedimente Der Grundwasserspiegel liegt im Bereich des Karoline-Luise-Tunnels etwa bei 110 m ü. NN bis 111 m ü. NN und damit rund 4 m bis 5 m unter Gelände. Die Schwankungsbreite ist gering und beträgt in der Langzeitbetrachtung maximal 3 m bis 4 m. Über die letzten 7 Jahre (2014 - 2021) lag die Schwankungsbreite bei < 1 m mit ausgeprägten Hochs jeweils im 2. Quartal und Tiefs jeweils im 4. Quartal (siehe Abb. 5) 230 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 Wasserdichte Baugruben für den Karoline-Luise-Tunnel in Karlsruhe Abb. 5: Ganglinie der zentral gelegenen Grundwasser-Messstelle GwM B60 (nahe Kombibauwerk) Die-Grundwasserfließrichtung-ist-mit-dem-Rhein-als-Vorfluter- von- Südwest- nach- Nordost- gerichtet- (siehe- Abb.-- 6). Das Fließgefälle liegt bei rund 1‰, die Fließgeschwindigkeit liegt bei rund 1 m/ Tag. Abb. 6: Grundwassergleichenplan (Stichtagsmessung: 15.04.2017) Bereits im Rahmen der Umweltverträglichkeitsstudien zur- ″Kombilösung″- wurde- untersucht,- ob- die- tief- in- den Grundwasserleiter einbindenden Bauwerke für den Stadtbahntunnel und den Karoline-Luise-Tunnel während der Bauzeit und im Endzustand zu einer negativen Beeinflussung- der- Grundwasserfließverhältnisse- führen- können. Wegen der sehr mächtigen, stark durchlässigen Schichten unterhalb der Tunnelbauwerke und der Haltestellen- waren- hier- aber- keine- gravierenden- Einflüsse- (Aufstau im Zustrom, Absunk im Abstrom) zu erwarten, sie wurden im Rahmen einer numerischen Modellierung nicht prognostiziert und im Rahmen des Monitoringprogramms, welches unter Aufsicht der Wasserbehörden der Stadt Karlsruhe von 2009 (Beginn Baumaßnahmen Stadtbahntunnel) bis Ende 2021 durchgeführt wurde, auch nicht festgestellt. 3. Baugrubenverbau Der Tunnel wurde in offener Bauweise erstellt. Die wesentlichen Daten sind: • Geländeoberfläche: -115,5-m-ü.-NN-(West)-bis-114,6-m- ü. NN (Ost) • Gradientenhochpunkte: 109,830 m ü. NN (Westportal) und 108,233 m ü. NN (Ostportal); • Gradiententiefpunkte: 105,873 m ü. NN (Baufeld O3) und 106,683 m ü. NN (Baufeld W2) • Maximale Baugrubentiefe im Tunnelbereich: 11,1 m • Maximale Baugrubentiefe im Havariebecken Ost: 14,5 m • Bauzeitlicher Bemessungswasserstand HGWBau = 111,00 m ü. NN (West) bis 111,90 m ü. NN (Ost) 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 231 Wasserdichte Baugruben für den Karoline-Luise-Tunnel in Karlsruhe Der Baugrubenverbau bestand planmäßig aus folgenden Elementen (siehe auch Abb. 7): • Vertikaler Verbau aus Stahlbeton-Schlitzwand, in Bereichen mit erhöhtem Aufkommen von Leitungen, unterirdischen Bestandsbauwerken o.ä.: überschnittene Bohrpfahlwand, ganz im Westen auch aufgelöste Bohrpfahlwand mit Ausfachungen im Düsenstrahlverfahren (DSV), da wegen des bestehenden Verbaus für die Unterführung Karlstor eine überschnittene Bohrpfahlwand nicht möglich bzw. zu aufwändig war • Rückverankerung durch Temporäranker in mehreren Lagen • Horizontale Baugrubenabdichtung durch eine Weichgelsohle in auftriebssicherer Lage • Zum Abtrennen der einzelnen Baufelder Querschotts aus Einphasen-Schlitzwänden mit eingestellter Spundwand, bei beengten Verhältnissen (z.B. im Bereich von Bestands-Unterführungen in der Tunneltrasse) im Düsenstrahlverfahren ausgeführt • Wasserhaltung über Schwerkraftbrunnen während des Aushubs und Restwasserhaltung (offene Wasserhaltung) mit Überlaufbrunnen beim Erreichen der Baugrubensohle. In der Ausführung kam für den vertikalen Verbau ein Nebenangebot der Bietergemeinschaft zum Zuge: Die Stahlbeton-Schlitzwände (d = 80 cm) wurden ersetzt durch Einphasen-Schlitzwände (d = 60 cm) mit eingestellter Spundwand, was den Bauablauf wesentlich optimierte und insgesamt wirtschaftlicher als das Hauptangebot war. Abb. 7: Elemente des Baugrubenverbaus beim Karoline-Luise-Tunnel (aus [1]) 4. Prinzipielle Vorgehensweise bei der Qualitätssicherung der Spezialtiefbauarbeiten In der von der Wasserbehörde erteilten wasserrechtlichen Erlaubnis für das Bauvorhaben waren strenge Anforderungen an die Wasserhaltung gestellt. Diese sollen die Entnahme von Grundwasser aus dem Aquifer begrenzen und hatten im Wesentlichen drei Komponenten, die für jedes Baufeld separat formuliert und einzuhalten waren: • Begrenzung der Entnahmezeit (Monate) • Begrenzung der Entnahmerate (l/ s bzw. m3/ h) und • Begrenzung der Entnahmemenge (m3) Die Entnahmerate wurde, wie zwischenzeitlich in Deutschland-üblich,-auf-einen-Wert-von-1,5-l/ (s-∙-1.000-m2- benetzter Fläche) begrenzt, der - mit Ausnahme des erstmaligen Leeren des Porenraums in den Absenkphasen der jeweiligen Dichtigkeitsprüfungen - in keinem Zustand, also auch nicht bei hohen Grundwasserständen, überschritten werden durfte. Dies führte in Abhängigkeit der Baufeldgröße zu zulässigen Entnahmeraten von 9,4 m3/ h im kleinsten Baufeld bis 150 m3/ h im größten Baufeld. Die benetzte Fläche ist dabei eine gedachte Fläche an der Verbau-Außenseite mit einer Begrenzung durch den jeweils aktuellen Außenwasserspiegel (entsprechend dem in- das- Wasser- eintauchenden- Oberflächenanteil- an- der- Außenseite eines Schiffes). Beurteilungsrelevant ist die benetzte Fläche, die sich beim Ansatz des bauzeitlichen Bemessungswasserspiegels (HGWBau) ergibt, weil auch für-diesen-Extremfall-das-″1,5-l/ s-Kriterium″-gilt. Mit diesen strengen wasserrechtlichen Anforderungen, mit der Randbedingung, die Einschränkungen für den weiterhin laufenden Nah- und Durchgangsverkehr zeitlich so gering wie möglich zu halten und mit dem Wissen, dass die Fehlersuche in undichten Baugruben- 232 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 Wasserdichte Baugruben für den Karoline-Luise-Tunnel in Karlsruhe umschließungen sehr zeit- und kostenintensiv sein kann, war es Konsens zwischen allen Projektbeteiligten, dass der Qualitätssicherung und -überprüfung vom ersten bis zum letzten Projekttag allerhöchste Bedeutung beigemessen- wird.- Es- wurde- daher- ein- vielstufiges- Qualitätsmanagementsystem implementiert, das wie folgt skizziert werden kann: 1. Eindeutige und transparente Darstellung der Zuständigkeiten, der Prüfabläufe und der Freigabemodalitäten (Verantwortlichkeiten, Termine) für die Planungen in einem vom Auftraggeber erstellten Projekthandbuch 2. Intensive,- mehrstufige- Prüfung- der- Ausführungsplanung der bauausführenden ARGE (P0-P1-zAf) für jedes Verbauelement separat unter Einbeziehung der jeweiligen Fachexperten auf Seiten AG und Planer/ örtl.- BÜ- sowie- des- Prüfingenieurs; - regelmäßige, von der ARGE gut vorbereitete Besprechungen in größeren Planungsrunden mit Konzentration auf- Schwerpunktthemen- (″große- Linien″,- prinzipielle Fragen) und auch bilateral (Detailfragen der Ausführung/ Ausführbarkeit). Vorteilhaft war hier die räumliche Nähe zwischen den Beteiligten der ARGE und der örtl. BÜ (Ingenieurgemeinschaft BUNG Baumanagement GmbH, Emch + Berger Projekt GmbH und DB Engineering & Consulting GmbH). Nachverfolgung der Einarbeitung der Korrekturen, umgehende Klärung von Unstimmigkeiten in kleineren oder größeren Gesprächsrunden Freigabe der Planung zur Ausführung durch AG erst nach-positiver-Rückmeldung-durch-Prüfingenieur-und- örtl. BÜ 3. Intensive- und- mehrstufige- Prüfung- der- gesondert- ausgeschriebenen, meist baufeldbezogenen Verfahrensanweisungen/ Qualitätssicherungspläne für die einzelnen Spezialtiefbaugewerke (Dichtwand/ Spundwand, Bohrpfahlwand, Verankerungen, DSV-Arbeiten, Weichgelsohle) und für die Dichtigkeitsprüfungen der einzelnen Teilbaufelder. Letztere in enger Abstimmung mit der Wasserbehörde (Umwelt- und Arbeitsschutz der Stadt Karlsruhe).Freigabe durch AG erst nach positiver Rückmeldung-durch-Prüfingenieur-und-örtl.-BÜ-sowie- Wasserbehörde 4. Abstimmung der Abfolge der Spezialtiefbauarbeiten im Hinblick auf eine maximale Dichtigkeit der Baugruben (Idealfall: erst Verbauwände, dann Teilaushub bis 1. Ankerlage (Ansatzpunkt oberhalb GW-Spiegel, dann Bohren, Verpressen und Festlegen der Anker, dann Herstellen Injektionssohle) 5. Implementierung eines Messprogrammes für Grundwasser- (Grundwasserstände,- -fließrichtung,- -qualität: Durchführung durch Dritte) und Verformungen (Baugrube, Verkehrswege, Nachbargebäude: Durchführung durch Eigenüberwachung und durch Fremdüberwachung) unter Berücksichtigung der Dichtigkeitsprüfungen (Absenkversuche) 6. Intensive Begleitung der Ausführung insbesondere zu Beginn eines neuen Gewerks und/ oder eines neuen Baufelds; Klärung und Dokumentation von Auffälligkeiten umgehend nach deren Feststellung durch gemeinsame Ortsbegehungen, unverzügliche Abstimmungen der weiteren Vorgehensweise zwischen ARGE und örtl. BÜ, unter Einbeziehung des AG, offenes und aktives Fehler-/ Mängelmanagement seitens der ARGE durch unverzügliche Einbindung der örtl. BÜ. Hilfreich war hier das große Vertrauen und der hohe Respekt gegenüber allen an der Ausführung und der Überwachung Beteiligten. 7. Intensive Kontrolle der vorgelegten Herstelldokumentationen und Materialprüfungen und sofortige Durchsprache von Auffälligkeiten zwischen der örtl. BÜ und dem/ der jeweiligen Fachbauleiter(in) der ARGE. Sofern wasserrechtliche Belange betroffen waren: sofortige Information und Abstimmung mit der Wasserbehörde 8. Detaillierte Abstimmung der Vorgehensweise bei den Dichtigkeitsprüfungen mit allen Beteiligten, auch den Behörden, permanente Begleitung während der Durchführung und baubegleitende Auswertung; Diskussion mit allen Beteiligten, erst danach Freigabe zum Weiterbauen 9. Regelmäßiger Informationsaustausch mit den Wasserbehörden über alle wasserrechtlich relevanten Belange 10. Erstellung von bauzeitlichen Sicherheitskonzepten für Aushub und Wasserhaltung mit Havarieplänen für verschiedene Szenarien (z.B. zu große Verformungen, zu hoher Wasserandrang). Darin textliche und grafische- Darstellung- von- planerischen- Besonderheiten (z.B. Schnittstellen Bohrpfahlwand/ Schlitzwand) und von festgestellten Auffälligkeiten bei den Verbauarbeiten (Beobachtungsschwerpunkte beim Aushub) um sicherzustellen, dass die von den Spezialtiefbauern gewonnenen Erkenntnisse auch den Erdbauern beim Aushub zur Verfügung stehen. 5. Vorstellung des Vorgehens am Beispiel der Herstellung einer Weichgelsohle Für die Herstellung der Weichgelsohlen in den einzelnen Teilbaugruben für den Karoline-Luise-Tunnel war der Einsatz eines im Jahr 2017 noch neuartigen Injektionsgels ohne Aluminiumbestandteile im Härter vorgesehen. Die Verwendung aluminiumfreier Injektionsgele war von den Karlsruher Wasserbehörden im Rahmen der wasserrechtlichen Erlaubnis vorgegeben. Für dieses- Injektionsgel- (Silikatgel- ″INSOND-SEAL-INJECT- (ISI)″- zum- Einpressen- in- den- Untergrund)- stand- zwar- die bauaufsichtliche Zulassung durch das DIBt kurz bevor, womit die umwelttechnische Eignung nachgewiesen war (zwischenzeitlich zugelassen unter Z-101.34.34), jedoch lagen noch nicht ausreichend bautechnische Erfahrungen mit dem Verhalten dieses Silikatgels vor. 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 233 Wasserdichte Baugruben für den Karoline-Luise-Tunnel in Karlsruhe Aus diesem Grund wurden bereits in der Ausschreibung dieser Arbeiten zwei Maßnahmen gefordert, die nicht zum Standard bei Injektionsmaßnahmen gehören: Die Herstellung eines Probefelds und Der-planmäßige-Einbau-sogenannter-″Havarielanzen″-im- gesamten Probefeld und in den ersten Baufeldern Das Probefeld wurde im westlichen der beiden sog. Auffangbecken, lokalen Vertiefungen im Tunnel zum Auffangen von Löschwasser, eingerichtet. Dort liegt eine nach allen vier Seiten hin vollständig über Einphasenwände mit eingestellten Spundwänden abgedichtete Teilbaugrube von 175 m2 Fläche vor, die separat auf ihre Dichtigkeit geprüft werden konnte. Ein Schnitt durch das Probefeld im Baufeld W2 ist in der nachfolgenden Abb. 8 dargestellt. Abb.-8: -Schnitt-durch-das-Probefeld-″ISI-Gel″-(aus-[2]) Das Injektionsraster wurde zu a = 1,90 m und b = 1,70 m gewählt (siehe Abb. 9). Eine Bohrung muss somit eine Fläche von a x b = 3,23 m2 abdecken. Das ist ein vergleichsweise grobes Raster, das nur für - hier vorhandene - gut durchlässige Böden vertretbar ist. Abb. 9: Injektionsraster im Probefeld im Auffangbecken Baufeld W2 (aus [2]) Zu diesem Raster und den Baugrundverhältnissen passend, musste das Injektionsvolumen pro Punkt festgelegt werden. Dabei sind insbesondere zwei Kenngrößen zu beachten und entscheidend für den Verpresserfolg: • Das Verhältnis der horizontalen zur vertikalen Durchlässigkeit des Bodens gegen Wasser bzw. gegen Injektionslösungen.-Die-überwiegend-fluviatile- Ablagerungsgeschichte im Rheingraben (siehe Abb. 3 und 4) ist der Grund, dass die horizontale Durchlässigkeit des Baugrunds größer ist als die vertikale. Das führt dazu, dass sich eine Injektionslösung nicht kugelförmig um die Verpressstelle ausbreitet, sondern ellipsoidförmig, was sich günstig auf die Herstellung von Dichtsohlen auswirkt. Für die Weichgelsohlen in den Baugruben für den Karoline-Luise-Tunnel wurden mit einem Anisotropieverhältnis von ah/ av = 4 gute Erfahrungen gemacht und dieses Verhältnis für alle Baugruben beibehalten. • Das nutzbare, d.h. in diesem Falle für die Injektionslösung zugängliche, Porenvolumen des Bodens. Aus einer Vielzahl von Wasserhaltungsmaßnahmen und dem Vergleich von Absenkbzw. Beharrungsphase und dem Wiederanstieg wurde gelernt, dass das nutzbare Porenvolumen der sandigen Kiese im Karlsruher Baugrund zwischen neff = 0,15 und 0,25 liegt. Dieser Parameter wurde für jede Baugrube angepasst, weil die Sandanteile der Böden im Injektionsbereich relativ stark variierten. In jedem Fall wurde aber für die Festlegung der Verpressmengen pro Punkt immer ein Zuschlag auf das Injektionsvolumen berücksichtigt (siehe Abb. 10). Abb. 10: Festlegung der Verpressmengen für Injektionsraster gemäß Abb. 8 Die Dicke der Injektionssohle war mit 1,0 m angesetzt. Es wäre prinzipiell möglich gewesen, diese Dicke mit der Injektion über eine Lanze (und einem entsprechend hohen Injektionsvolumen) zu erreichen. Bei den Baugruben für den Karoline-Luise-Tunnel wurden bei den ersten Baufeldern aber vier Lanzen pro Bohrloch eingebaut (siehe Abb. 11), was wie folgt begründet wurde: 234 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 Wasserdichte Baugruben für den Karoline-Luise-Tunnel in Karlsruhe Abb. 11: Lanzenbündel mit Bezeichnungen (aus [2]) Die oberste Lanze (Nr. 4) wurde für die sog. Deckelinjektion verwendet. Dabei wird eine Suspension aus Zement-Bentonit und Wasser (z.B. auch eine Fertigmischung für Einphasen-Dichtwandmassen) verwendet.- Der- Begriff- ″Deckelinjektion″- ist- irreführend,- weil- sich- ein- ″Deckel″,- also- eine- horizontal- ausgebreitete- durchgängig mit dieser Suspension injizierte Schicht, nur unter ganz bestimmten Bodenverhältnissen ausbilden kann. Er wird aber, weil er sich in der Fachwelt eingebürgert hat, auch hier beibehalten. Die stark eingeschränkte Dichtwirkung bedeutet auch, dass die rechnerische Dicke der Deckelinjektion nicht auf die Dicke der Dichtsohle angerechnet werden darf. Das Erfordernis einer Deckelinjektion wird unter den Fachfirmen- durchaus- kontrovers- diskutiert.- Wir- haben- darin sowohl beim Bohrverfahren als auch und hier besonders beim Rüttelverfahren folgende Vorteile gesehen: • Verfüllung möglicher, durch den Bohr- oder Rüttelvorgang- hervorgerufener- Auflockerungszonen- rund- um die Verpresslanze, • Erhöhte Sicherheit gegen Aufsteigen des eigentlichen Injektionsgutes entlang der Injektionslanzen durch die Pfropfenbildung bei der Deckelinjektion, • Erhöhte Sicherheit gegen das Herausziehen von Injektionslanzen beim späteren Aushub in der Baugrube und • Schutz vor hydraulischen Einwirkungen auf die Gelsohle durch die spätere Wasserhaltung mit Schwerkraftbrunnen. Die eigentliche Gelsohle wurde über die Lanzen Nr. 3 und Nr. 2, also zweilagig, hergestellt. Diese Maßnahme ist durch die Durchlässigkeitsanisotropie des Karlsruher Baugrundes (Abb. 3 und 4) und die geforderte Dicke der Weichgelsohle begründet. Bei der Injektion über eine Lanze wären wegen der Durchlässigkeitsanisotropie weit mehr als das Doppelte der hier gewählten Verpressmengen pro Punkt (Abb. 9) erforderlich, um rechnerisch die geforderte Dicke von 1 m zu erreichen. Außerdem erhöht die zweilagige Herstellung die Ausführungssicherheit. Unterhalb der zweilagigen Gelsohle wurde bei den ersten Baufeldern eine vierte Lanze eingebaut. Mit der sog. ″Havarielanze″-sollte-eine-Nachdichtung-der-Gelsohle-im- Falle festgestellter Undichtigkeit möglich werden, ohne dass erneut Lanzen eingebohrt oder eingerüttelt werden müssen. Dieses System hat sich beim Probefeld sofort bewährt (siehe unten). Bei den anderen Baufeldern mussten die Havarielanzen nicht mehr beaufschlagt werden. Sie wurden im Verlauf der Arbeiten in Abstimmung zwischen AG, BauARGE und örtl. BÜ mit steigender Erfahrung mit den Injektionsvorgängen nicht mehr eingebaut. Ein weiteres wichtiges Element der Qualitätssicherung war die Bohrlochvermessung. Gemäß den Abb. 8 und 9 hängt das planmäßig zu injizierende Injektionsvolumen vom gegenseitigen Abstand der Injektionsventile ab. Da die Lage der Injektionsventile durch die unvermeidliche Bohrlochabweichung nicht gleich ist mit der Lage der an- der- Geländeoberfläche- sichtbaren- Bohransatzpunkte,- ist es zur Festlegung des jeweiligen Injektionsvolumens wichtig, Kenntnis über die Lage der Injektionsventile im Injektionshorizont zu bekommen. Aus diesem Grunde wurden beim Injektionsprobefeld alle 63 Bohrungen für die Injektionslanzen in ihrer Vertikalität vermessen. Bei den folgenden Baufeldern wurden - auf die Erfahrungen beim Probefeld aufbauend - alle randlichen Bohrungen in ihrer Vertikalität vermessen und zusätzlich ein Teil der ″Feldbohrungen″: • Bohrtiefe-<-10-m: -- ≥-10%-der-Bohrungen • 10-m-<-Bohrtiefe-<-20-m: - ≥-15%-der-Bohrungen • Bohrtiefe->-20-m: - ≥-20%-der-Bohrungen Mit steigender Kenntnis über das Verhalten der Bohr- und später auch der Rüttelgeräte im Hinblick auf die Lagegenauigkeit beim Einbringen der Injektionsschläuche/ -ventile wurden diese Messungen stetig reduziert. Die Ergebnisse der Bohrlochvermessungen wurden dann messbegleitend- in- einen- ″IST″-Lageplan- eingetragen,- aus- dem im Detail der gegenseitige Abstand der Injektionsventile im Injektionshorizont hervorgeht und mit dem in Abstimmung zwischen der ausführenden ARGE und der örtl. BÜ festgelegt werden konnte, ob und welche Maßnahmen zu treffen waren (Erhöhung der Verpressmengen in den umliegenden Bohrungen oder in der nächsten Injektionslage, Aktivierung der Havarielanze(n) oder Zusatzbohrung(en)). Von großer Bedeutung für den Injektionserfolg ist auch die Einpressrate ([l/ min]). Zur Beschleunigung der Vorgänge scheint es sinnvoll, eine hohe Einpressrate zu wählen. Demgegenüber steht aber die Gefahr von Spannungsrissen im Boden bei zu schnellem Injizieren (in einem solchen Fall würde das Injektionsgut unkontrolliert abwandern und die obigen Beziehungen zwischen Lanzenabstand und Injektionsmenge pro Ventil hätten keine Bedeutung mehr. Generell ist bei geringen Erdüberdeckungen der Injektionsventile eine niedrige Einpressrate zu wählen, bei größeren Überdeckungen darf die Einpressrate erhöht werden, siehe hierzu auch [3]). Zum anderen fördert eine niedrige Einpressrate die homogene Ausbreitung der Injektionslösung auch 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 235 Wasserdichte Baugruben für den Karoline-Luise-Tunnel in Karlsruhe bei inhomogenem Untergrund (siehe Abb. 3 und 4). Hier wurden die Injektionen des Weichgels mit einer Einpressrate von 6 - 8 l/ min durchgeführt. Bei üblichen Injektionsvolumina und hier unter der vereinfachenden Annahme einer kugelförmigen Ausbreitung bewegt sich die Ausbreitungsfront um die Injektionsstelle somit mit einer Geschwindigkeit von anfangs rund 3 cm/ min, zum Ende hin mit wenigen mm/ min. Der Boden wird also mit der Gellösung eher getränkt als durchströmt. Da die gelbildenden Reaktionen temperaturabhängig sind, müssen sowohl die Außentemperatur als auch die ″Reaktionszeit″- des- Gels,- die- sog.- Kippzeit,- mehrfach- pro Schicht gemessen und die Ergebnisse dokumentiert werden. Bei Nachtarbeiten, was wegen des positiven Effekts-des-Arbeitens-″frisch-in-frisch″-bei-der-Herstellung- von Gelsohlen nicht unüblich ist, kann es also sein, dass die Rezeptur der Weichgellösung, also das Verhältnis von Härter zu Wasserglas und Wasser, angepasst werden muss, damit die Kippzeit einigermaßen gleich bleibt. Alle diese genannten Punkte waren Bestandteil einer Verfahrensanweisung (Qualitätsmanagementplan) für die Herstellung der Weichgelsohle im Probefeld W2, die von der ausführenden ARGE aufgestellt und von der örtl. BÜ geprüft und nach Einarbeitung der Prüfbemerkungen vom AG zur Ausführung freigegeben wurde. Prinzipiell wurden derartige Verfahrensbeschreibungen für jedes Baufeld einzeln erstellt, weil sich die Gelsohlen in Einzelheiten von Baufeld zu Baufeld unterschieden (z.B. Höhensprünge in den Dichtsohlen, Umgang mit Hindernissen und Bestandsbauwerken, Erfordernis von Schrägbohrungen etc.). Die Erkenntnisse aus den vorangegangenen erfolgreich hergestellten Teilbaugruben wurden in den weiteren Verfahrensbeschreibungen berücksichtigt. Bei-den-Injektionen-selbst-fielen-täglich-eine-große-Menge- an Daten an (24/ 7-Betrieb, bis zu 8 Pumpen gleichzeitig in Betrieb, die in unterschiedlichen Lagen der Gelsohle arbeiten). Diese mussten erfasst, dokumentiert, übersichtlich dargestellt und sofort von der ausführenden ARGE und von der örtl. BÜ bewertet werden, damit auf Auffälligkeiten und Abweichungen von der Planung / Verfahrensbeschreibung (Soll-Menge nicht erreicht, Injektionsgutaustritte- an- der- Geländeoberfläche,- auffällige Druckverläufe etc.) sofort reagiert werden konnte. Diese Aufgabe übernehmen zunehmend Programmsysteme, die direkte Verbindung zu den Injektionscontainern haben,- die- Daten- praktisch- ″live″- mit- vorbereiteten- Einstichplänen-kombinieren-und-″intuitiv-visualisieren″-(siehe- Abb. 12). Beim Karoline-Luise-Tunnel hat sich die ausführende ARGE für das System eguana mit den Programmteilen-″SCALES″-(für-die-Erfassung-und-Verarbeitung-der- Daten)-und-″MAPS″-(für-die-grafische-und-interaktive-Darstellung) entschieden. Abb. 12: Visualisierung der Injektionsergebnisse für die Weichgelsohle im Baufeld W2 (Quelle: webpage der eguana GmbH): grün: Injektionsvorgang in allen Lagen planmäßig abgeschlossen, gelb: Auffälligkeit im Injektionsvorgang in einer der Lagen - Prüfung durch AN und/ oder örtl. BÜ, rot (hier nicht aufgetreten): Injektionsvorgang abgebrochen - Handlungsbedarf Insbesondere injektionsbegleitend ist eine derartige interaktive Darstellung außerordentlich hilfreich. Der Fortschritt der Arbeiten in den einzelnen Lagen ist klar erkennbar. Mit einem Klick auf einen der Punkte werden alle relevanten Daten (Punktnummer, Injektionsdaten der einzelnen Lagen) und-die-grafischen-Darstellungen-der-Entwicklung-der-Einpressrate, des Drucks und der Menge über die Injektionszeit sichtbar. Die Wahrscheinlichkeit von Ausführungsfehlern (Punkt vergessen, zeitliche Abstände zwischen den einzelnen Lagen zu groß oder zu klein, ungünstige Injektionsreihenfolgen etc.) wird durch derartige Systeme deutlich reduziert und der Handlungsbedarf wird unmittelbar und räumlich exakt zugeordnet mitgeteilt. Den Abschluss der Qualitätssicherungsmaßnahmen bei der Ausführung bildet die Dichtigkeitsprüfung der Teilbaugrube durch einen Pumpversuch. Dabei wird das Wasser innerhalb der Baugrube durch mehrere Schwerkraftbrunnen abgesenkt. Der Versuch besteht aus drei Teilen: • Absenkphase bis zum Erreichen des Absenkziels (″Lenzen″) • Beharrungsphase (quasi-stationärer Zustand mit ± konstanten Innen- und Außenwasserspiegeln) • Wiederanstiegsphase nach dem Ausschalten der Pumpen in den Entnahmebrunnen 236 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 Wasserdichte Baugruben für den Karoline-Luise-Tunnel in Karlsruhe Während des Pumpversuchs werden die Förderraten in den einzelnen Brunnen, die Gesamtförderrate und die Gesamtmenge (Zählerstände) an der Einleitstelle, die Wasserstände außerhalb und innerhalb der Baugrube und die Zeit gemessen und in einem sog. Wasserbuch (hier: Excel-Tabelle) festgehalten. In der nachfolgenden Abb. 13 ist beispielhaft für das Teilbaufeld O5 die Auswertung der Beharrungsphase des Pumpversuches dargestellt: Abb. 13: Auswertung Beharrungsphase des Pumpversuchs im Baufeld O5 Man erkennt aus dieser Darstellung Folgendes: • Die Innenwasserspiegel verhalten sich in etwa gleich (Wasserspiegelunterschiede lediglich im [cm]bis [dm]-Bereich) • Während der Beharrungsphase bleibt der Innenwasserspiegel nicht auf einem Niveau, sondern sinkt leicht (gemäß Abb. 12 um ∆h = 7 cm). Die damit verbundene Wassermenge (abhängig von der Sohlfläche ASohle und dem (geschätzten) Porenvolumen neff) muss von der über die Wasserzähler festgestellten Wassermenge abgezogen werden, weil während der Beharrungsphase definitionsgemäß. Innen- und Außenwasserspiegel konstant sein müssen. Im Fall, dass der Innenwasserspiegel während der Beharrungsphase steigt, muss die damit errechenbare Wassermenge dazu addiert werden. • Die Zuflussrate konnte - unter Berücksichtigung der geringfügigen Absenkung des Innenwasserspiegels während der Beharrung - mit Q = 3,13 m3/ h bzw. zu 0,87 l/ s ermittelt werden, Bei einer benetzten Fläche im Baufeld O5 von ABen = 1.960 m2 beträgt die bezogene Zuflussrate q = 0,44 l/ (s ∙ 1.000 m2 benetzte Fläche), sie erfüllt damit die Anforderungen gemäß Wasserrecht und Bauvertrag q ≤ 1,50 l/ (s ∙ 1.000 m2 benetzte Fläche) Allerdings muss noch berücksichtigt werden, dass der Außenwasserspiegel im Bemessungsfall (bauzeitlicher Bemessungsgrundwasserstand HGWBau) mit 111,40 m ü. NN deutlich höher liegt als der tatsächliche Grundwasserstand (während des Pumpversuches im Baufeld O5 wurde dieser mit i.M. 110,59 m ü. NN gemessen). Da die behördlich zulässige Zuflussrate für die gesamte Bauzeit und für alle Grundwasserstände bis HGWBau gilt, muss eine Hochrechnung von den tatsächlichen Innen- und Außenwasserstände auf die Bemessungswasserstände (innen und außen) erfolgen. Wegen des doppelten Einflusses des Außenwasserspiegels auf a) die benetzte Fläche und b) den hydraulischen Gradienten auf Wand und Sohle ist dieser Zusammenhang nicht-linear. Im vorliegenden Fall konnte die Zuflussrate, hochgerechnet auf den Bemessungsfall zu Q = 1,0 l/ s, entsprechend q = 0,51 l/ (s ∙ 1.000 m2 benetzte Fläche), ermittelt werden (Abb. 14). 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 237 Wasserdichte Baugruben für den Karoline-Luise-Tunnel in Karlsruhe Abb. 14: Auswertung Pumpversuch Baufeld O5 Zusammen mit dem - hier nicht dargestellten - • unauffälligen Verhalten der Außenwasserstände während des gesamten Pumpversuches, • der unauffälligen Entwicklung der Förderraten in den Einzelbrunnen und • der die Beharrungsphase bestätigenden Auswertung der Wiederanstiegsphase wurde dieser Pumpversuch als erfolgreich, die Dichtigkeitsprüfung als bestanden bewertet. Das Teilbaufeld O5 konnte durch die örtl. BÜ, durch die Wasserbehörde und durch den AG für den weiteren Aushub mit Restwasserhaltung freigegeben werden. Dies war nicht so beim Probefeld, Auffangbecken im Baufeld W2: Hier wurde zwar das Absenkziel des Pumpversuches erreicht, dies jedoch nur auf Kosten einer Förderrate, die mehr als doppelt so hoch war wie zulässig. In Verbindung mit den vergleichsweise stark und an allen Seiten etwa gleichmäßig abfallenden Außenwasserständen (die Innenwasserstände haben sich bei dem kleinen Baufeld erwartbar - nicht nennenswert unterschieden) und einer nochmaligen Sichtung der Schlitzwandherstellungsprotokolle sowie durch den Umstand, dass im Probefeld Messeinrichtungen in der Weichgelsohle eingebaut wurden, die Hinweise auf die Reichweite und die Ausbreitgeschwindigkeit des Injektionsgutes geben sollten, hier also möglicherweise Störfaktoren vorhanden waren, wurden die unzureichenden Ergebnisse der Dichtigkeitsprüfung der Weichgelsohle zugewiesen. Wegen des nur kleinen Baufeldes war eine Suche nach der oder den Fehlstellen unwirtschaftlich und es wurde die gesamte Sohle (175 m2) in weniger als 24 Stunden über- die- Havarielanzen- nachinjiziert- (″untergelt″).- Der- Folge-Pumpversuch wenige Tage später war erfolgreich, die zulässigen Förderraten wurden um lediglich 5% überschritten. Das Teilbaufeld wurde für den weiteren Aushub freigegeben. Die Weichgelinjektion konnte auch in den anderen Baufeldern mit diesem Injektionsgel und diesen Injektionsparametern (Raster, Mengen, Raten etc.) durchgeführt werden. 6. Fazit Der zu Beginn ungewohnt hohe Aufwand für die Qualitätssicherung bei den Reviews für die Ausführungsplanung und die Verfahrensbeschreibungen ging allen Beteiligten- ebenso- schnell- ″in- Fleisch- und- Blut″- über- wie die hohe Intensität der Zusammenarbeit zwischen ausführender ARGE und örtl. BÜ in allen Ausführungsschritten unter ständiger Einbeziehung des AG. Das hohe Vertrauen in die Sachkunde des jeweils Anderen 238 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 Wasserdichte Baugruben für den Karoline-Luise-Tunnel in Karlsruhe und der gegenseitige Respekt für alle an der Ausführung und Überwachung Beteiligten führten zu einem Fehlermanagement, bei dem auch unbedeutend erscheinende Planungsdetails vorab besprochen und bei der Ausführung geringste Abweichungen von der Planung gemeldet, meist sofort in gemeinsamen Ortsbegehungen in Augenschein genommen und gemeinsam lösungsorientiert bewertet wurden. Dies führte dazu, dass bei einer gesamten wasserbenetzten- Verbaufläche- von- über- 86.000- m2- (! )- inkl.- Querschotts nur an drei Stellen Undichtigkeiten auftraten, die durch Nachdichtarbeiten saniert werden mussten. Gerade hier zeigten sich aber die Stärken des Qualitätsmanagementsystems, weil es durch die intensive Begleitung und durch die Dokumentationen während der Herstellung des Baugrubenverbaus und die Schwachstellenanalyse bei der Erstellung der bauzeitlichen Sicherheitskonzepte möglich- war,- die- Undichtigkeiten- relativ- schnell- zu-finden und durch gezielte Arbeiten zu sanieren. Insgesamt wurde bei keiner der Teilbaugruben die wasserrechtlich zulässige Wassermenge ausgeschöpft. Der ″Ausnutzungsgrad″-lag-zwischen-5%-und-80%,-über-die- gesamte Maßnahme gesehen bei knapp über 20%. Dies war neben dem Umstand, dass sich das Vermeiden von Sanierungsarbeiten positiv auf den gesamten Bauablauf und die erkennbar gute Qualität der Ausführung auch positiv auf die Stimmung auf der Baustelle auswirkte, auch mit einer ganz erheblichen Kosteneinsparung verbunden, da ein Großteil der Gelder, die für die Einleitgebühren in die städtische Kanalisation eingeplant waren, nicht abgerufen werden musste. Die Dauer der Wasserhaltung wurde in den meisten Fällen eingehalten; sobald eine Überschreitung der Dauer erkennbar war, erfolgte unmittelbar eine Information und Abstimmung mit der technischen und juristischen Wasserbehörde der Stadt Karlsruhe (Umwelt- und Arbeitsschutz sowie Zentraler Juristischer Dienst/ Untere Wasserbehörde) und dem Tiefbauamt der Stadt Karlsruhe. Die wasserrechtlich zugelassenen Förderraten wurden nur im Falle des Lenzens der Baugruben bei Probeabsenkung für jeweils ein oder zwei Tage überschritten, dies in Übereinstimmung mit den behördlichen Vorgaben. Literatur [1] Planungsgemeinschaft Kriegsstraße (2015): Ausschreibungspläne. [2] Arbeitsgemeinschaft Tunnel Kriegsstraße Karlsruhe (2017): Verfahrensbeschreibung Probefeld Weichgelsohle - Auffangbecken Baufeld W2, Rev. 2 vom 13.08.2017. [3] Schulze, B. (1996): Zulässige Einpressraten bei der Bodeninjektion. Geotechnik 19 (1996), Heft 1, S. 18 - 26.