13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 413 Planung einer komplexen Hangsicherung mittels Böschungsvernagelung am Beispiel BAB A 70 in Thurnau M.Sc. Hassan Alkayyal Boley Geotechnik GmbH - Beratende Ingenieure, München, Deutschland M.Sc. Philipp Siebert Boley Geotechnik GmbH - Beratende Ingenieure, München, Deutschland Zusammenfassung Nahe Thurnau (Oberfranken) soll die BAB A 70 auf einer Länge von rd. 3 km verlegt werden. Die Verlegungstrasse ist gekennzeichnet durch komplexe Baugrundverhältnisse in Form einer Wechsellagerung von stark zerlegten Sandsteinen sowie bindigen Zwischenlagen. Innerhalb des Sandsteines liegen zudem stark schwankende Poren- und Kluftwasserdrücke vor. Zur Gewährleistung der Standsicherheit der bis zu 21 m hohen Einschnittsböschungen wurde auf einer Trassenlänge von rd. 200 m eine Hangsicherung mittels Böschungsvernagelung geplant und ausgeführt. Die Hangsicherungsmaßnahme erfolgte als selbstspannende Bodenvernagelung mittels Bodennägel. Zur Entwässerung von Stau- und Hangwasser wurden horizontale Drainagebohrungen eingesetzt. Ferner wurde eine Außenhaut aus Stahlgittergeflecht mit Kantkornhinterfüllung zur Verhinderung vom Steinschlag sowie zur Vermeidung des Bruchs der oberflächennahen Böschungsbereichen infolge der Erosionsempfindlichkeit des anstehenden Baugrunds ausgeführt. 1. Projektbeschreibung und Bauablauf Die bestehende Bundesautobahn A70 Schweinfurt - Bamberg - Bayreuth verläuft bei Thurnau in einem nach Süden einfallenden Rutschhang. Eine durchgeführte Variantenstudie ergab, dass die Verlegung der Trasse um ca. 200 m hangaufwärts aus dem Rutschbereich heraus die einzig verbleibende und fachtechnisch sinnvolle Maßnahme darstellt (Abbildung 1). Die gesamte Baumaßnahme beinhaltet umfangreiche Erdarbeiten einschließlich der Herstellung der bis zu 21 m hohen Einschnittsböschungen, die Schüttung von Dammbauwerken sowie die Herstellung von zwei Brückenbauwerken. Abb. 1: Darstellung des Projektgebiets Für die Baumaßnahme war zunächst ein zweiphasiger Bauablauf vorgesehen. In der ersten Phase wurde ein Großteil der Erdarbeiten in den Einschnitts- und Dammabschnitten durchgeführt. In der zweiten Bauphase sollten dann die Einschleifbereiche sowie die Anschlussstelle hergestellt werden. Die Vormaßnahme wurde im Rahmen der geotechnischen Bauüberwachung begleitet. Im Zuge dieser geotechnischen Baubegleitung wurden u.a. die Baugrund- und Grundwasserverhältnisse eingehend kartiert und das Baugrundmodell aus der vorab durchgeführten Baugrunderkundung nach EC7-7 sowie DIN 4020 angepasst. Auf Grundlage des angepassten Baugrundmodells wurden erneute Standsicherheitsnachweise für die einzelnen Trassenabschnitte durchgeführt. Als Resultat dieser Berechnungen war eine Hangsicherung im Bereich der größten Böschungshöhen auf einer Abschnittslänge von rd. 200 m (km 106+300 bis km 106+500) erforderlich. 2. Baugrundverhältnisse 2.1 Geologische Schichten Das Untersuchungsgebiet befindet sich geologisch gesehen in den Gesteinsfolgen des nordbayerischen Deckgebirges. Im Projektgebiet Thurnau treten vor allem Gesteine des Keupers (mittlerer bis oberer Keuper) mit einer Schichtneigung von ca. 10° nach S bzw. SW zu Tage. 414 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 Planung einer komplexen Hangsicherung mittels Böschungsvernagelung am Beispiel BAB A 70 in Thurnau Der Projektabschnitt verläuft dabei überwiegend in den geologischen Schichten des Rhätolias. Diese bestehen aus seiner Wechselfolge von feinbis mittelkörnigen, tonig-quarzitisch gebundenem Rhätsandstein sowie bindigen Zwischenlagen. Hinsichtlich der Festigkeit stellt der Sandstein ein heterogenes Schichtpaket dar, bei dem sich unverwitterte Lagen mit rostbraunen stark entfestigten und zersetzten Lagen abwechseln (Abbildung 2). Eine tendenzielle Zunahme der Gebirgsfestigkeit mit der Tiefe ist nicht gegeben. Abb. 2: Bohrkern im Sandstein, Tiefe 12-16 m Auf Grund des überwiegend tonigen Bindemittels und der Schwächung des Mineralgefüges infolge von Verwitterung weist der Sandstein einaxiale Druckfestigkeiten von überwiegend 5,0 bis 15,0 MPa auf. Weiterhin wurde nach dem Herstellen der Einschnittsböschungen eine rasche Abnahme der Festigkeit infolge von Witterungseinflüssen festgestellt, sodass der Sandstein als stark erosions- und verwitterungsempfindlich einzustufen ist. Der Sandstein ist durch ein ausgeprägtes Trennflächengefüge, insbesondere durch ein unregelmäßiges Kluftgefüge mit tendenziell steil stehenden und teils offenen Klüften gekennzeichnet. Für die Trennflächenanalyse wurden im Sandstein im gesamten Projektgebiet insgesamt 150 Trennflächen (Schichtung, Klüftung) eingemessen und die zugehörigen Polpunkte in die Lagenkugel übertragen. Abb. 3: Trennflächeninventar im Sandstein Auf Grundlage der Trennflächenauswertung liegt ein orthogonales Trennflächengefüge mit nahezu senkrechten Klüften und flach nach Südwest einfallenden Schichten vor. Die Kluftflächenschar K2 weist eine West/ Ost-gerichtete Streichrichtung parallel zur Achse der A70 auf. Die Kluftflächenschar K1 steht senkrecht auf der Kluftflächenschar K2 mit Nord/ Süd-gerichtetem Streichen. Im Liegenden des Standsteins stehen bindige Böden mit halbfester Konsistenz an, die maßgebend für die Grundwasserverhältnisse im Projektabschnitt sind. 2.2 Grundwasserverhältnisse Im Trassenabschnitt der Böschungssicherung sind (Grund-)Wasseraustritte in der Einschnittsböschung zu verzeichnen. Diese Wasseraustritte kommen i.d.R. oberhalb der wasserstauenden Schichten des Rhäts an ausstreichenden Klüften im Sandstein vor (Abbildung 4). Die Schüttmengen betragen im Mittel < 0,1 l/ s je m² durchströmte Böschungsfläche. Abb. 4: Wasseraustritte entlang der Böschung Für die Bewertung der Grundwasserspiegelschwankungen wurden die Messwerte einer im Trassenabschnitt liegenden Grundwassermessstelle herangezogen (Abbildung 5). Wie die Grundwasserganglinie zeigt, ist im vorliegenden Abschnitt mit kurzfristigen und ausgeprägten Grundwasserspiegelschwankungen von bis zu 4 m auszugehen. Für die statische Bemessung wurde daher auf der sicheren Seite liegend ein Lastfall betrachtet, bei dem der Bemessungsgrundwasserstand auf Höhe der Geländeoberkante liegt und die gesamte Böschung durchströmt wird. 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 415 Planung einer komplexen Hangsicherung mittels Böschungsvernagelung am Beispiel BAB A 70 in Thurnau Abb. 5: Grundwasserganglinien 2.3 Baugrundmodell und Versagensmechanismus Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen aus der Erkundung sowie der Baubegleitung wurde für die Planung der Hangsicherung ein Baugrundmodell erarbeitet, das im Wesentlichen durch folgende geomechanische sowie hydrogeologische Eigenschaften gekennzeichnet ist: • ausgeprägtes Trennflächengefüge mit offenen Klüften (φ = 0°, c = 0 kN/ m²) • orthogonales Trennflächensystem mit steil stehenden und trassenparallelen Klüften • ausgeprägte und kurzfristige Grundwasserspiegelschwankungen • erosionsempfindlicher Sandstein Auf Grund der südlichen Exposition der Einschnittsböschung sowie den geologischen Randbedingungen sind alle Trennflächenscharen im Sandstein potentiell mechanisch wirksam. Insofern stellt die Translationsrutschung, sprich das Abgleiten eines Sandsteinblockes auf bindigen Zwischenlagen den wahrscheinlichsten Versagensfall dar. 3. Planung 3.1 Beschreibung des Böschungssicherungssystems Die durchgeführten Standsicherheitsberechnungen für die kritischen Schnitte bei km 106+300, 106+340, 106+400 und 106+480 haben mit Ausnutzungsgraden von μ > 1,0 ein unzureichendes Sicherheitsniveau der Böschung in dem untersuchten Trassenabschnitt gezeigt. Zur Gewährleistung der Standsicherheit der Böschung in diesem Trassenabschnitt wurde eine Sicherungsmaßnahme mittels selbstspannender Bodenvernagelung geplant und bemessen. Als Bodennägel wurden die Ischebeck TITAN Mikropfähle 30/ 11, 40/ 16, 52/ 26 und 73/ 53 eingesetzt. Zur Verhinderung von Steinschlag sowie Abgleiten der oberflächennahen Böschungsbereiche infolge der Erosionsempfindlichkeit des Sandsteins wurde eine an den Nägeln befestigte Außenhaut in Form einer Vernetzung wie z. B. hochfestes Stahldrahtgeflecht in Kombination mit einer Steinschüttung ausgeführt. Dabei sollte die gewählte Vernetzungsart die Begrünung der Böschungsoberfläche zur Vermeidung von Ausspülen der Sandpartikel sowie Destabilisierung der oberflächennahen Böschungsbereichen ermöglichen. Für die Ausbildung der Außenhaut der Böschung wurde das 1-lagige System der Fa. KRISMER eingesetzt. Für die Erhöhung der Böschungsstandsicherheit wurde weiterhin horizontale 8,0 m lange Entwässerungsbohrungen in einem Achsabstand von 5,0 m in der Längsrichtung hergestellt. Durch diese Drainagebohrungen wird oberhalb der bindigen Schichten bzw. Zwischenlagen aufgestautes Grund-/ Hangwasser zur Reduzierung des Wasserdrucks aus der Böschung abgeleitet. Anhand der aufgeschlossenen Baugrund- und Grundwasserverhältnisse wurde die Anordnung der Entwässerungsbohrungen in zwei übereinanderliegenden Reihen als ausreichend erachtet. Zur Her- 416 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 Planung einer komplexen Hangsicherung mittels Böschungsvernagelung am Beispiel BAB A 70 in Thurnau stellung der Entwässerungsbohrungen wurde das DRILL DRAIN System der Fa. Ischebeck verwendet. 3.2 Die Berechnungsmodelle und -verfahren Die Berechnungsmodelle ergeben sich aus der Böschungsgeometrie der entsprechenden Querprofile sowie aus den erkundeten Baugrundverhältnissen. Bei den durchgeführten Standsicherheitsberechnungen wurden insgesamt 4 Berechnungsmodelle entsprechend den Querprofilen bei km 106+300, 106+340, 106+400 und 106+480 erstellt. Abb. 6 zeigt die Lage der Berechnungsschnitte entlang der Böschung und Abb. 7 stellt beispielweise das Berechnungsmodell für den Schnitt bei km 106+480 dar. Abb. 6: Lage der Berechnungsschnitte Abb. 7: Berechnungsmodell für den Schnitt bei km 106+480 Die Durchführung der Standsicherheitsberechnungen und die Bemessung der Böschungssicherung erfolgten nach der Blockgleitmethode für die Bemessungssituation BS-P im Grenzzustand des Versagens durch Verlust der Gesamtstandsicherheit (GEO-3) gemäß den Angaben im EC7 sowie in der DIN 4084-2009. Tab. 1: Die charakteristischen Kennwerte der Baugrundschichten Schicht Wichte γ k Reibungswinkel φ k ` Kohäsion c k ` [kN/ m³] [ o ] [kN/ m²] Sandstein * 23,0 40,0 150,0 Rhät, bindig, steifhalbfest 20,5 20,0 25,0 * Scherfestigkeitsparameter senkrechter Klüfte K1/ K2: φ k,k ` = 0 [ o ], c k,k ` = 0 [kN/ m²], Winkel der Kluft w = -85 [ o ] Für die Durchführung der Standsicherheitsberechnungen sowie für die Bemessung der dafür erforderlichen Böschungssicherung wurden die folgenden charakteristischen bodenmechanischen Kennwerte angesetzt: Auf Höhe des Wirtschaftsweges wurde eine Verkehrslast (Ersatzflächenlast) von 52,0 kN/ m² angenommen. Mit diesem Lastansatz wird die Nutzung des Wirtschaftsweges ohne Beschränkung der Nutzlast modelliert. Der Ansatz der Verkehrslasten erfolgt gemäß EC1 - Teil 2 unter Berücksichtigung des Lastmodells 1. Der Bemessungswasserstand wurde auf der sicheren Seite liegend auf Höhe der Böschungsschulter angenommen. Die folgenden charakteristischen Mantelreibungen wurden für die Bemessung der zur Gewährleistung der Böschungssicherung notwendigen Bodennägel verwendet: Tab. 2: Die charakteristischen Werte der Mantelreibungen Baugrundschicht Bruchwert q s,k der Pfahlmantelreibung (verpresster Mikropfahl) [kN/ m²] Sandstein 255 Rhät, bindig, steifhalbfest 115 Die Standsicherheitsberechnungen sowie die Ermittlung der notwendigen Nagelkräfte erfolgten mit der Software GGU-Stability. Für die Betrachtung eines Worst-Case-Szenarios, in dem die Oberfläche der Tonschicht eine potentiell geologisch vorgegebene Gleitfläche darstellt, wurde eine ca. 50 cm mächtige Scherzone zwischen der Sandsteinschicht und der Tonschicht mit den folgenden charakteristischen Kennwerten modelliert. Die in der Tab. 3 angegebenen charakteristischen Kennwerte entsprechen den ermittelten Restscherfestigkeitsparametern der Tonschicht. 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 417 Planung einer komplexen Hangsicherung mittels Böschungsvernagelung am Beispiel BAB A 70 in Thurnau Tab. 3: Die charakteristischen Kennwerte der Scherzone Schicht Wichte γ k Reibungswinkel φ k ` Kohäsion c k ` [kN/ m³] [ o ] [kN/ m²] Scherzone 20,0 16,0 0,0 Die Standsicherheitsberechnungen wurden nach der Blockgleitmethode durchgeführt. Hierzu wurden unterschiedliche Gleitkörper bestehend aus 3 Punkten untersucht. Der Punkt 1 wurde immer auf der Böschungsschulter definiert. Der Punkt 2 wurde ober-, innersowie unterhalb der Scherzone angenommen. Der Punkt 3 wurde auf dem Böschungsfuß gesetzt. Nach Ermittlung der Ausnutzungsgrade für alle 4 Modelle ohne Zugglieder unter Berücksichtigung aller Gleitkörper wurden die Bodennägel mit einem Durchmesser des Verpresskörpers von 125 mm in das Modell implementiert. Danach wurden die Anordnung sowie die Längen aller modellierten Nägel so iteriert, dass die Ausnutzungsgrade aus allen untersuchten Gleitkörpern < 1,0 sind und sich mindestens ein Drittel der Nagelgesamtlänge außerhalb der Scherzone befindet. Nach Optimierung der Nagellängen und -anordnung wurden die Nagelkräfte aus allen Bruchmechanismen bzw. Gleitkörpern ermittelt und die Nachweise der inneren und äußeren Tragfähigkeit der Nägel durchgeführt. 3.3 Ergebnisse der Bemessung Die Ergebnisse der durchgeführten Berechnungen sind exemplarisch für die Schnitte 2-2 und 4-4 in den nachfolgenden Tabellen zusammengefasst. Tab. 4: Die Berechnungsergebnisse Schnitt 2-2 (km 106+340) Nagellage Nagellänge Nagelneigung TITAN Typ L [m] β [ o ] [-] N11 30 30 73/ 53 N10 27 52/ 26 N9 24 40/ 16 N7 21 N6 18 30/ 11 N5 15 25 N4 12 20 N3 9 N2 6 N1 6 Die Abb. 8 stellt die erforderlichen Bodennägel für Schnitt 2-2 dar. Abb. 8: Berechnungsergebnisse Schnitt 2-2 (km 106+340) 418 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 Planung einer komplexen Hangsicherung mittels Böschungsvernagelung am Beispiel BAB A 70 in Thurnau Tab. 5: Die Berechnungsergebnisse Schnitt 4-4 (km 106+480) Nagellage Nagellänge Nagelneigung TITAN Typ L [m] β [ o ] [-] N14 30 30 73/ 53 N13 27 52/ 26 N12 24 40/ 16 N11 21 N10 18 30/ 11 N9 15 N8 12 N7 12 N6 12 N5 6 20 N4 6 N3 6 N2 6 N1 6 Die Abb. 9 zeigt die zur Gewährleistung der Böschungsstandsicherheit erforderlichen Bodennägel für den Schnitt 4-4. Abb. 9: Berechnungsergebnisse Schnitt 4-4 (km 106+480) Die Herstellung der Bodennägel erfolgte ohne weitere Vorkommnisse (Abb. 10). Abb. 10: Herstellung der Bodennägel 3.4 Die Entwässerungsbohrungen Eine Entwässerung trägt zur Verringerung des anstehenden Wasserdrucks und somit zur Erhöhung der Standsicherheit der Böschung bei. Zur Entwässerung des sich oberhalb der bindigen Schichten bzw. Zwischenlagen (Tonschicht) aufgestauten Grundwassers wurde empfohlen, horizontale, 8,0 m lange Entwässerungsbohrungen in einem Achsabstand von 5,0 m in der Längsrichtung in zwei übereinanderliegenden Reihen anzuordnen. Für die Ausführung der Entwässerungsbohrungen ist das System DRILL DRAIN der Firma Ischebeck eingesetzt worden. Diese Art der Drainagebohrung besteht aus dem Stahltragglied TITAN 40/ 27 mit einem Verpresskörper aus Filterbaustoff, der einen Durchlässigkeitsbeiwert von K f -Wert ≈ 1 x 10 -4 m/ s nach DIN 18130 besitzt. Das DRILL DRAIN-System wird wie der Verpresspfahl TITAN direkt eingebohrt. Allerdings wird bei nicht standfesten Böden zur Bohrlochstabilisierung DRILL DRAIN Suspension (Mischungsverhältnis Drill Suspension zu Wasser 1: 50) verwendet und anschließend das Bohrloch über das Stahltragglied mit DRILL DRAIN Filterbaustoff injiziert (Mischungsverhältnis Filterbaustoff zu Wasser 2: 1). Bei der Ausführung ist wesentlich, dass der Drainageanker steigend mit ≥ 10% (ca. 6 Grad) eingebohrt wird, damit das zu drainierende Grundwasser drucklos durch den Filterbaustoff abfließen kann. Somit verschiebt sich die Sickerlinie im Boden bis zum Tiefsten des Filternagels. Der Boden hinter der Böschungssicherung bleibt erdfeucht und die Scherfestigkeit des Bodenmaterials bleibt erhalten. Die folgende Abb. 11 stellt eine Prinzipskizze des DRILL DRAIN-System der Fa. Ischebeck dar. 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 419 Planung einer komplexen Hangsicherung mittels Böschungsvernagelung am Beispiel BAB A 70 in Thurnau Abb. 11: Prinzipskizze Drainagebohrung DRILL DRAIN-System der Fa. Ischebeck 3.5 Die Außenhaut (Böschungssicherung-System der Fa. KRISMER) Zur Verhinderung vom Steinschlag sowie zur Vermeidung des Abgleitens der oberflächennahen Böschungsbereichen infolge der Erosionsempfindlichkeit des Sandsteins wurde die Ausführung einer an den Nägeln befestigte Außenhaut in Form einer Vernetzung als notwendig erachtet. Zur Ausbildung der Außenhaut ist das System der Fa. KRISMER zur Ausführung gekommen. Die Abb. 12 stellt eine Prinzipskizze für das System dar. Für den Einbau des KRISMER-Systems muss zunächst die Böschungsoberfläche möglichst gleichmäßig und eben hergestellt werden. Instabile Bereich sind zu entfernen. Lockeres Gestein ist zu beräumen. Vorhandene Vertiefungen sind ggf. durch mehrlagigen Einbau der Gittermatten gemäß Herstellerangaben auszugleichen. Ränder von Ausbruchstellen müssen abgerundet werden. Abb. 12: Prinzipskizze Böschungssicherung mit Vernagelung und die Ausbildung einer begrünbaren Außenhaut als Erosionsschutz Dann erfolgt der Einbau der 3D-Stahlgittermatten, die mit 40 Grad bis 55 Grad schräg zur Falllinie der Böschung im Verband zu verlegen sind. Die Gittermatten sind längs und quer gemäß den Herstellerangaben (2 Knoten, d.h. ca. 250 mm in Längsrichtung und 1/ 2 Welle d.h. ca. 40 mm in Querrichtung) zu überlappen. Die Pfeilkonten der Gittermatten müssen erdseitig liegen. Die Einbindung der Gitterpaneele in der Böschungskrone sowie in den seitlichen Randbereichen soll 1,5 m betragen. Abb. 13: Herstellung der Außenhaut Die Abstände der Verteilereisen richten sich nach dem Raster der T-Profil-Nägel. An den Randzonen der Böschungssicherung sind zusätzliche Verteilereisen vorzusehen und mit Nägeln (1 Stück/ m) zu sichern. Die Verteilereisen sind immer oberhalb der T-Profil-Nägel einzubauen. Die Seile sind horizontal und diagonal zwischen den Ankern gemäß den Herstellervorgaben einzubauen 420 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 Planung einer komplexen Hangsicherung mittels Böschungsvernagelung am Beispiel BAB A 70 in Thurnau Weiterhin sind die T-Profil-Nägel (Systemnägel) zum Teil mit d = 50 mm vorzubohren und zu verpressen. Am Bohrlochfuß sind die Nägel 30 - 50 cm einzurammen. Sie sind konstruktiv in einem Raster von 1,5 m x 1,5 m anzuordnen und 15 Grad zur Hangsenkrechten zu neigen. Die Nägel dürfen nicht in der vertikalen Flucht der Daueranker und der Drainagen angeordnet und nicht in der Horizontalen geneigt werden. Der Abstand zur vertikalen Flucht der Daueranker muss mindestens 25 cm betragen. Die Nägel müssen festsitzend und tragfähig sein. Im Zweifelsfall ist dies zu prüfen. Nach Fertigstellung des Einbaus des KRISMER-Systems erfolgt die Steinfüllung und die Ausbildung der Krallschicht. Das Einfüllen der Steinschüttung erfolgt aus gebrochenem Material der Korngröße 32 - 63 mm gemäß den Herstellerangaben. Die Abb. 13 und Abb. 14 stellen die Herstellung der Außenhaut mit dem KRISMER-System dar. Abb. 14: Steinfüllung und Ausbildung der Krallschicht Zur Herstellung einer Vegetationsschicht soll Oberboden im Spritzverfahren aufgebracht, verteilt, angedrückt und abgerichtet werden. Danach soll ein Decknetz aus Naturfaser (Maschenweite 30 mm x 30 mm) aufgeklammert werden. Abschließend ist eine Spritzbegrünung aufzubringen. Die Abb. 15 zeigt das Wachstum der Vegetationsschicht nach Fertigstellung der Baumaßnahme. Abb. 15: Wachstum der Vegetationsschicht