14. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2024 293 Innovatives Konzept für eine der tiefsten Baugruben von Frankfurt am Main - Baugrube Station „Güterplatz“ im Zuge der Verlängerung der Stadtbahnlinie U5 Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Christian Moormann Universität Stuttgart, Institut für Geotechnik Ruzica Marijanovic, M. Sc. ARGE U5 Europaviertel, Frankfurt am Main Dipl.-Ing. Thomas Beckmann ARGE U5 Europaviertel, Frankfurt am Main Dr.-Ing. Patrik Buhmann MGC Moormann Geotechnik Consult, Stuttgart Dipl.-Ing. Sven Kirchner Stadtbahn Entwicklung und Verkehrsinfrastrukturprojekte Frankfurt GmbH, Frankfurt am Main Dr.-Ing. Alexandra Weidle Ingenieursozietät Prof. Dr.-Ing. Katzenbach GmbH, Frankfurt am Main Zusammenfassung Im Zuge der Verlängerung der Stadtbahnlinie U5 in das Frankfurter Europaviertel wird nach Abschluss des Tunnelvortriebs aktuell die tiefe Baugrube für die unterirdische Station ´Güterplatz´ errichtet. Die rund 180 m lange und im Mittel 30 m breite Baugrube, die bis auf rund 24 m Tiefe ausgehoben wird, grenzt allseits unmittelbar an eine intensive innerstädtische Bebauung mit zahlreichen Hochhäusern, sodass eine sehr verformungsarme Ausführung der Baugrube zwingend ist. Für die tiefe Baugrube wird ein für Frankfurter Verhältnisse neues Verbaukonzept umgesetzt, indem die Verbauwand als tiefreichende Schlitzwand in Verbindung mit einer dreilagigen Aussteifung aus massiven Stahlbetonsteifen und einer Grundwasserentspannung im Tertiär über die offene Baugrubensohle ausgeführt wird. Zur Beherrschung der hohen Wasserdrücke wurden unterhalb des Endaushubniveaus in der Schlitzwand sogenannte ´Schlitzwandfenster´ integriert, die zu einer räumlichen Reduktion der resultierenden Wasserdruckbeanspruchung führen. Die Stahlbetonsteifen mit Querschnittsabmessungen von bis zu 1,0 m x 1,7 m müssen charakteristische Normalkräfte von bis zu 22,5 MN aufnehmen. Berichtet wird über die Konzeption, die Bemessung sowie die messtechnisch begleitete Realisierung dieses Baugrubenprojektes. 1. Einführung Das Projekt ´Stadtbahn Europaviertel´ ist eines der größten Infrastrukturprojekte der Stadt Frankfurt am Main, mit dem die Stadtbahnlinie U5 über den Hauptbahnhof hinaus in das auf dem ehemaligen Hauptgüterbahnhof der Stadt Frankfurt errichtete neue Europaviertel verlän-gert wird [1]. Die Strecke mit vier Stationen ist 2,7 km lang. Sie verläuft von einem Anschlussbauwerk unter dem Platz der Republik durch die unterirdische Station ´Güterplatz´ und dann über eine Rampe an die Oberfläche und in der Mitte der Europa-Allee weiter Richtung Westen. 294 14. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2024 Innovatives Konzept für eine der tiefsten Baugruben von Frankfurt am Main Abb. 1 Lageplan Trassierung Stadtbahn Europaviertel [4] Das Projekt besteht aus zwei Baufeldern: Dem Baufeld ´Güterplatz´, wo das einzige unterirdische Stationsbauwerk in offener Bauweise entsteht und dem Baufeld in der Mitte der Europa-Allee. Von hier aus startete die Tunnelbohrmaschine und erstellte zwei Tunnelröhren bis zum Anschlussbauwerk unter dem Platz der Republik in maschineller Bauweise [2, 3] (Abb. 1). Verantwortlich für Planung und Realisierung ist die Stadtbahn Entwicklung und Verkehrsinfrastrukturprojekte Frankfurt GmbH (SBEV). Die Ausführung erfolgt durch die aus der Porr GmbH & Co. KG aA und der Stump Spezialtief bau GmbH bestehende ARGE ´U5 Europaviertel´. Mit dem Abschluss der Tunnelbohrarbeiten [5, 6] hat im Sommer 2022 der Aushub der tiefen Baugrube für die unterirdische Station ´Güterplatz´ begonnen. Diese Baugrube besitzt bei Grundrissabmessungen von 173 m in Ost-West-Richtung und 25 m bis 35 m in Nord-Süd-Richtung im Endaushubzustand eine Baugrubentiefe von im Mittel 23,6 m. Sie ist damit eine der bisher tiefsten Baugruben von Frankfurt. Die Stationsbaugrube grenzt allseits unmittelbar an eine intensive innerstädtische Bebauung mit dem 27stöckigen Wohnhochhaus ´Eden Tower´ und dem 128 m hohen ´Spin Tower´ im Süden [7] sowie dem ´Grand Tower Frankfurt´, mit 180 m Höhe Deutschlands höchstes Wohnhochhaus [8], sowie dem Einkaufszentrum ´Skyline Plaza´ im Norden (Abb. 2), sodass eine sehr verformungsarme Baugrube zwingend ist. Die Baugrubenkennzahl T BK = (H res / E s ) · 100 [m] beträgt rd. 8,0 m; ab einer Größe von T BK = 0,4 m wird eine Baugrube als „Tiefe Baugrube“ bezeichnet und in die Geotechnische Kategorie GK 3 eingestuft [9]. Abb. 2 Übersicht tiefe Baugrube Station ´Güterplatz´ im innerstädtischen Umfeld: links: Blick in Richtung Osten nach Einbau der zweiten Steifenlage und rund 12 m Aushubtiefe (© K. Helbig, SBEV); rechts: Lageplan mit umgebender Bebauung (© Google Earth) 14. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2024 295 Innovatives Konzept für eine der tiefsten Baugruben von Frankfurt am Main 2. Baugrund- und Grundwassersituation Die Baugrundsituation wird im Bereich der Trasse der Erweiterung der U5 zunächst von den quartären Sanden und Kiesen der Main- und Niddaterrassen geprägt, die durch anthropogene Einflüsse teilweise durch mächtige Auffüllungen ersetzt sind. Im Liegenden folgen bis in große Tiefe tertiäre Schichtenfolgen, wobei im westlichen Trassenabschnitt die oberste Tertiärschicht von pliozänen Sanden gebildet wird. Im östlichen Trassenabschnitt bilden hingegen die Hydrobienschichten des Miozäns die oberste Tertiärschicht, die von ausgeprägt plastischem Ton und feinsandigen Schluffen steifer und halbfester Konsistenz sowie von eingelagerten Hydrobiensandlagen und Kalkstein-, Dolomit- und Algenkalkbänken gebildet wird und als ´Frankfurter Ton´ bezeichnet wird. Abb. 3 Baugrundsituation im Bereich der Station ´Güterplatz´: a) Grundriss, b) Schematischer Schichtenauf bau im Osten (BP Ost, Schnitt 2-2) und c) in einem kurzen Abschnitt im Westen (BP West, Schnitt 1-1) In der Grundrissfläche der Station ´Güterplatz´ findet geologisch gesehen der Übergang vom westlichen zum östlichen Trassenabschnitt statt, so dass in einem relativkurzen Abschnitt im westlichen Bereich der Baugrube das Pliozän für den Verbau maßgebend wird. Die Baugrundsituation im Bereich der Station ´Güterplatz´ wurde daher über bereichsweise definierte Bemessungsprofile berücksichtigt, die als ´BP Ost´ und ´BP West´ bezeichnet werden (Abb. 3). Neben dem oberen, in den quartären Sanden und Kiesen ausgebildeten Grundwasserleiter bilden innerhalb der miozänen Schichtfolgen die in die Tone eingeschalteten wasserführenden Sande und Kalksteinbänke einen unteren Grundwasserleiter, dessen Druckhöhe im Ausgangszustand in etwa mit dem des oberen freien Grundwasserleiters korreliert und daher unter den Tonen gespannt ist. Der Bemessungswasserstand wurde für die Baugrube Station ´Güterplatz´ mit +93,5- mNHN festgelegt, i.- e. 3,5-m unter dem im Mittel bei +97,0-mNHN liegenden Gelände. 3. Baugrube für das Stationsbauwerk ´Güterplatz´ 3.1 Baugrubenkonzept Die Baugrube folgt dem Konzept einer Trogbaugrube mit in den gering wasserdurchlässigen Ton des Miozäns einbindenden wasserdruckhaltenden Verbauwänden in Kombination mit Entspannungsbrunnen und -lanzen und einer offenen Wasserhaltung in der Baugrube. Für die Baugrube sah die Ausschreibung eine überschnittene, ab 3- m unter Endaushubniveau aufgelöste Bohrpfahlwand (Æ-1,5-m) vor, was dem im Frankfurter Ton seit Jahrzehnten üblichen und bewährten Verbaukonzept entspricht. Die Aussteifung sollte mit Stahlrohrsteifen in fünf Lagen erfolgen. Die Ausschreibung sah ferner eine zusätzliche Stützung des Fußauflagers der Bohrpfahlwände durch eine künstliche Sohlsteife in Form eines Bohrpfahlrostes vor. Im Zuge einer Optimierung wurde die Baugrubenumschließung schließlich abweichend von dem Bauherrenentwurf mit einer Schlitzwand mit einer Wandstärke von 1,20-m und Wandtiefen von rund 40-m geplant und ausgeführt, wobei die an sich wasserdruckhaltende Verbauwand im Bereich ihrer großen Einbindetiefe von rund 16-m unter Endaushubniveau durch in regelmäßigen horizontalen Abständen angeordnete, meist 1,20-m breite ´Grundwasserfenster´ wasserdurchlässig ausgebildet wurde, um die Wasserdruckeinwirkungen zu reduzieren (Abb. 4). Die Oberkante dieser ´Grundwasserfenster´ liegt 2,5 m unter dem Endaushubniveau, ihre Unterkante in Höhe der Unterkante der Schlitzwandlamellen. 296 14. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2024 Innovatives Konzept für eine der tiefsten Baugruben von Frankfurt am Main a) Grundriss b) Ansicht Abb.-4 ´Grundwasserfenster´ in der Schlitzwand der Station ´Güterplatz´ Die Schlitzwände werden durch eine dreilagige Innenaussteifung aus Stahlbetonsteifen mit Querschnittsabmessungen von bis zu 1,0-m x 1,7-m gestützt, die monolithisch mit der umlaufenden Stahlbetongurtung verbunden sind. Zusätzlich erfolgt die Stützung der Schlitzwände im Zustand des Endaushubs temporär durch eine abschnittsweise einzubringende Unterbetonsohle. Abbildung-5 zeigt das realisierte Baugrubenkonzept. Zur Gewährleistung der hydraulischen Stabilität der Baugrubensohle ist es erforderlich, über die gesamte Baugrubenfläche die druckwasserführenden Kalksteinbänke resp. Sandlagen im Miozän zu entspannen, wofür mehr als 100 vertikale, entlang der Verbauwände angeordnete Entspannungslanzen sowie 14 in der Mitte der Baugrube platzierte Entspannungsbrunnen bis in 34-m Tiefe unter Baugrubensohle hergestellt wurden. 3.2 Bemessung der Schlitzwände Die Bemessung des Verbaus erfolgte im Wesentlichen konventionell, d. h. auf Basis der EAB [10] mit analytischen Modellen. Als Einwirkung wurde ein erhöhter aktiver Erddruck mit einem Erdruhedruckanteil von 25- % angesetzt. Als Wasserdruck war gemäß Lastenheft ein hydrostatischer Wasserdruck bis zur Unterkante der Primärpfähle der ausgeschriebenen überschnittenen Bohrpfahlwand anzusetzen. Im Bereich zwischen Unterkante Primär- und Unterkante Sekundärpfähle konnte auf den Ansatz eines Wasserdrucks verzichtet werden. In den statischen Berechnungen wurde zunächst von der auf der sogenannten ´Frankfurter Stadtbahnrichtlinie´ [11] basierenden Regelung Gebrauch gemacht, wonach für den Nachweis des Erdauflagers des Baugrubenverbaus die undrainierte Scherfestigkeit des Frankfurter Tons angesetzt werden kann und der deutlich ungünstigere Nachweis mit den drainierten Scherfestigkeitsparametern für die Endscherfestigkeit entfallen kann, wenn der jeweilige Bauzustand nur kurzfristig auftritt. Dies ist der Fall, wenn nach einem maximal 8,0-m tiefen Aushubschritt unter einer vorlaufenden Aussteifung spätestens vier Wochen, nachdem mit dem Aushub der letzten 2,5-m begonnen wurde, die Baugrubenwand gegen die Bauwerkssohle oder gleichwertig abgestützt wird. Andernfalls ist das Erdauflager des Baugrubenverbaus mit den Scherfestigkeitsparametern sowohl der Anfangsals auch der Endscherfestigkeit nachzuweisen. Um die Abhängigkeit von dieser „4 Wochen-Regel“ zu minimieren, wurden ergänzend statische Berechnungen für den drainierten Endaushubzustand durchgeführt. Dabei konnten zunächst beim Nachweis des Erdauflagers der bereits ausgeführten Schlitzwand nicht für alle statischen Schnitte zulässige Ausnutzungsgrade nachgewiesen werden. Es wurden daher ergänzende Betrachtungen vorgenommen, wobei insbesondere die folgenden beiden Ansätze verfolgt wurden: a. Berücksichtigung der in Lage und Mächtigkeit nachgewiesenen, lateral aushaltenden Kalksteinbänke; b. Berücksichtigung realistischer, auf Basis von dreidimensionaler Strömungsberechnungen ermittelter, resultierender Wasserdruckbeanspruchungen der Schlitzwände. Für beide Ansätze ist eine differenziertere Kenntnis der Baugrundsituation im Hinblick auf die anstehenden, lateral aushaltenden Kalksteinbänke wichtig. Zum einen liefert eine Kalksteinbank eine Reduktion des aktiven Erddrucks sowie eine Erhöhung des mobilisierbaren Erdwiderstandes durch im Vergleich zu den Bodenpartien des Frankfurter Tons höhere Scherparameter, zum anderen wird durch das Vorhandensein einer Kalksteinbank die resultierende Wasserdruckverteilung auf die Schlitzwand maßgeblich beeinflusst. Vor diesem Hintergrund erfolgte eine detaillierte Auswertung der Baugrundsituation. Zusätzlich zu den vorliegenden Baugrundaufschlüssen wurden die während der Bauausführung gewonnen Erkenntnisse berücksichtigt, i. e. aus der Herstellung der Schlitzwand sowie der in der Grundrissfläche der Baugrube angeordneten Brunnen und Entspannungslanzen. Abbildung 6 zeigt exemplarisch für die südliche Längswand der Baugrube, den so ermittelten Verlauf der überwiegend lateral aushaltenden Kalksteinbänke. 14. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2024 297 Innovatives Konzept für eine der tiefsten Baugruben von Frankfurt am Main a) Grundriss Baugrube und Aussteifung b) Nord-Süd-Schnitt durch Baugrube Abb. 5 Baugrubenkonzept für die Station ´Güterplatz´ mit Schlitzwand und Stahlbetonaussteifung in drei Lagen Abb. 6 Baugrube ´Güterplatz´: Auswertung der angetroffenen Kalksteinbänke in der Achse der südlichen Verbauwand Die bei messtechnisch überwachten tiefen Baugruben im ´Frankfurter Ton´ gewonnenen Erfahrungen (u. a. [12]) belegen, dass das Vorhandensein von Kalk- und Dolomitsteinbänken im Bereich der Einbindetiefe der Verbauwände das Trag- und Verformungsverhalten maßgebend bestimmt (Systembild in Abb.- 7). Lateral aushaltende Felssteinbänke führen auf Grund ihrer hohen Steifigkeit zu einer ausgeprägten Stützwirkung der Verbauwände. Zudem ergeben sich die vorstehend geschilderten positiven Auswirkungen auf die Erddruckermittlung. Durch eine diskrete Abbildung der Kalksteinbänke konnte daher eine realistischere und zugleich optimierte Verbaubemessung erreicht werden. Zur Ermittlung einer realistischen Wasserdruckbeanspruchung der Schlitzwände wurden unter Berücksichtigung der tatsächlich vorhandenen Baugrundsituation, i. e. unter Berücksichtigung durchgehender Kalksteinbänke, aber auch der vorhandenen Durchlässigkeits-Anisotropie der anstehenden Bodenschichten, dreidimensionale Strömungsberechnungen durchgeführt. Die Notwendig- 298 14. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2024 Innovatives Konzept für eine der tiefsten Baugruben von Frankfurt am Main keit zum Einsatz räumlicher Simulationsmodelle ergibt sich dabei aus dem Umstand, dass es - anders als bei einer aufgelösten Bohrpfahlwand - bei der Schlitzwand auf Grund des deutlich größeren horizontalen Abstandes der ´Grundwasserfenster´ (Abb. 4) zu horizontalen Strömungsvorgängen und einer resultieren-den Wasserdruckbeanspruchung auch über die Höhe der hydraulischen Fenster kommt. Daneben sind die strömungsinduzierten Erddrücke auf der passiven und insbesondere der aktiven Seite der Schlitzwand zu berücksichtigen. Die Berechnungsergebnisse für einen ausgewählten Wandabschnitt in Abbildung-8 zeigen, dass sich durch die hydraulischen Fenster eine Reduktion der Wasserdruckbeanspruchung ergibt, was zu einer nachhaltigen Optimierung des Baugrubenkonzeptes führt [13, 14, 15]. Abb.-7 Stützende Wirkung von lateral aushaltenden Kalk- und Dolomitsteinbänken des ´Frankfurter Tons´ im Bereich der Einbindetiefe der Verbauwände (Systembild) Abb. 8 Einwirkungen infolge resultierenden Wasserdrucks und strömungsinduzierten Erddrücken im Ergebnis von 3D-Strömungsberechnungen In einem weiteren Schritt wurden die so ermittelten resultierenden Einwirkungen aus Wasserdruck und strömungsinduzierten Erddrücken in die analytische Verbauwandbemessung übernommen (Abb.-8). Auf dieser Basis konnte der Nachweis des Erdwiderlagers im Endaushubzustand auch im drainierten Endzustand erbracht werden, so dass die zeitlichen Abhängigkeiten in diesem Bauzustand aufgelöst werden konnten. 3.3 Bemessung der Aussteifung Das Innenaussteifungssystem aus bewehrtem Stahlbeton wurde konventionell für jede Lage als horizontales Tragwerk bemessen. Bei der Dimensionierung der Steifen wurde eine Zusatzbelastungen aus einer Temperaturerhöhung in Anlehnung an [16] berücksichtigt. DerTemperaturbeiwert f T , mit dem die temperaturinduzierten Steifenkräfte bei behinderter Längenausdehnung bezogen auf die Zwangskraft bei vollständig verhinderter Längsdehnung in der Form ΔN-=-f T - ⋅- α T -⋅- Δ T- ⋅- EA ermittelt werden kann, wurde dabei gemäß Lastenheft mit f T -=-0,35 vorgegeben und eine Temperaturdifferenz von DT-=-45-K angenommen, was einer Differenz zwischen -10 °C im Winter und +35 °C im Sommer entspricht. 3.4 Bauablauf Die Schlitzwände wurden 2019/ 20 hergestellt, anschließend erfolgte 2020/ 21 das Abteufen der Entspannungslanzen und Entspannungsbrunnen. Der maschinelle Tunnelvortrieb konnte im Juli 2022 abgeschlossen werden, wobei auch die Station ´Güterplatz´ von den beiden Röhren durchfahren wurde. Im Zuge des im Sommer 2022 begonnen Aushubs der Baugrube erfolgte zunächst der Einbau der Steifenlagen A und B und die Verfüllung der Tunnelröhren. Im Zuge des weiteren Aushubs wurden die Tunnelröhren innerhalb der Baugrubenumschließung rückgebaut und nach Herstellung der Steifenlage C der weitere Aushub bis auf das Endaushubniveau vorgenommen. 14. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2024 299 Innovatives Konzept für eine der tiefsten Baugruben von Frankfurt am Main 4. Monitoringkonzept der Baugrube Die tiefe Baugrube für die Station ´Güterplatz´ ist - wie oben erwähnt - in die Geotechnische Kategorie 3 einzuordnen und im Hinblick auf die umgebende innerstädtische Bebauung nach der Beobachtungsmethode umfassend und engmaschig messtechnisch zu überwachen [17]. Das Monitoringkonzept (Abb. 9) sieht u. a. eine Verformungsüberwachung der Baugrube und des nahen Umfeldes mittels geodätischer Messungen sowie mit in der Schlitzwand installierten Inklinometern vor [18]. Ergänzt werden diese Messungen durch eine Überwachung der Grundwassersituation. Abb.-9 Baugrube Station ´Güterplatz´: Übersicht Messkonzept (Darstellung für Aussteifungslage A) Ein zentrales Element des Monitorings ist die Überwachung der hoch beanspruchten Stahlbetonsteifen (Abb. 10), die charakteristische Normalkräfte von bis zu 22,5-MN aufnehmen müssen. Im Hinblick auf das Szenario Knicken sind die Steifen gemäß EB 52 der EAB die empfindlichsten Teile einer Baugrubenkonstruktion. Abb.-10 Blick in die ausgehobene Baugrube mit in der A- und B-Lage installierten Stahlbetonsteifen, Messsteife der B-Lage im Vordergrund (© K. Helbig, SBEV) Während Aussteifungssysteme aus Stahlprofilen in der Regel durch Kraftmessdosen oder Kapselpressen, alternativ auch durch auf den Steifen applizierte Verzerrungsmessgeber zuverlässig überwacht werden können (u. a. [19, 20]), führen die Ausbildung des Aussteifungs-systems aus Stahlbetonsteifen, die großen Querschnittsabmessungen der Steifen, aber auch deren monolithischer Anschluss an die Gurtung zu besonderen Herausforderungen. Das Messkonzept sieht die messtechnische Überwachung von jeweils sieben Steifen je Lage (´Messsteifen´) vor (Abb. 8). 5. Steifenkraftmonitoring mit Verzerrungsmessung im Beton 5.1 Messtechnik und Messaufbau Die Steifenkräfte werden durch die Messung der Verzerrungen in den Stahlbetonquerschnitten der Steifen und eine hierauf auf bauende Auswertung überwacht. Zur Erfassung der Verzerrungen kommen Schwing saitensensoren (´vibrating wire´) zum Einsatz, die vor der Betonage der Steifen im Bewehrungskorb positioniert und anschließend im Beton eingebettet werden (Abb. 11). a) b) Abb.-11 Messtechnische Überwachung der Stahlbetonsteifen durch Vibrating Wire Sensoren, a) Prinzip, b) Einbau eines Sensors im Bewehrungskorb In jeder Messsteife wird im Sinne einer steifenbezogenen Redundanz an ihrem nördlichen und an ihrem südlichen Ende jeweils ein Messquerschnitt mit jeweils fünf (A-Lage) bzw. sieben Schwingsaitensensoren (B- und C- Lage) angeordnet (Abb. 12). Pro Steifenlage sind so bis zu 98 Verzerrungsmit ebenso vielen Temperatursensoren einzubauen sowie kontinuierlich zu überwachen und auszuwerten. 300 14. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2024 Innovatives Konzept für eine der tiefsten Baugruben von Frankfurt am Main Messgeber in A-Lage Messgeber in B- und C-Lage Abb.-12 Messtechnische Überwachung der Stahlbetonsteifen - Anordnung der Schwingsaitensensoren je Messquerschnitt 5.2 Einflussfaktoren und Interpretation der Verzerrungen Die gemessenen Verzerrungen werden folgenden Effekten beeinflusst: • Normalkräfte infolge Erd- und Wasserdruckbeanspruchung der Schlitzwände, • Verzerrungen aus zweiachsiger Biegemomenten beanspruchung, • tageszeitliche und saisonale temperaturinduzierte Steifenkraftänderungen, • Einfluss aus Kriechen, • Einfluss aus Schwinden. Aus diesen Einflüssen ergibt sich hinsichtlich der Umrechnung der gemessenen Verzerrungen in Steifenkräfte eine komplexe Ingenieuraufgabe. Abbildung 13 stellt das Vorgehen dar, um bei der Interpretation der Verzerrungsmessungen hin zu resultierenden Steifenkräften einen bestmöglichen Workflow zu realisieren. Wesentliche Einflüsse, die bei der Ermittlung der Steifenkräfte zu berücksichtigt werden müssen, sind: a. Nullstand: Um den Einfluss der Historie auf den aktuellen Verzerrungszustand und damit auch auf die resultierende aktuelle Steifenkraft zu erfassen, erfolgt die Messdatenaufzeichnung ab Betonage der Stahlbetonsteife. Die Nullung erfolgt 7 Tage nach Erreichen der maximalen Hydratationswärme. b. Temperatur der schwingenden Saite: Die schwingende Saite als Stahlbauteil erfährt Verzerrungen nicht nur infolge des umgebenden Betons, sondern auch infolge seiner eigenen Temperaturänderung. Die Verzerrungen aus Temperatureinfluss sind daher zu korrigieren. c. Verzerrungszustand: Die an fünf bzw. sieben Stellen je Messquerschnitt gemessenen Verzerrungen sind über den Querschnitt zu integrieren. Dabei war festzustellen, dass sich in den großen Querschnitten kein ebener Verzerrungszustand einstellt. d. Schwinden: Das Schwinden des Betons beginnt bereits direkt nach der Betonage (autogenes Schwinden) und erstreckt sich über einen langen Zeitraum (Trocknungsschwinden). Die Quantifizierung der Verzerrungsanteile aus Schwinden erfolgt gemäß [21]. e. Kriechen: Kriechen stellt sich erst unter Einwirkungen ein, die aber variabel sind. Die Kriechverzerrungen infolge Erd- und Wasserdruck werden daher auf Basis der Steifenkräfte aus der Verbaustatik ermittelt. Auf der sicheren Seite erfolgt keine Berücksichtigung der Kriechverzerrungen unter temperaturinduzierten Steifenkräften. f. E-Modul des Betons: Die um Kriech- und Schwindeffekte korrigierten Verzerrungen sind in äquivalente Spannungen zu überführen. Hierzu kommt ein linearelastischer Ansatz zur Anwendung, bei dem der flächenanteilig gemittelte Elastizitätsmodul aus Betonstabstahl und dem zeitabhängigen Sekantenmodul des Betons den entsprechenden Proportionalitätsfaktor bildet. g. Temperatur der Steifen: Die Steifenkräfte resultieren zu einem signifikanten Teil aus der behinderten Längenausdehnung der Steifen infolge tageszeitlicher und saisonaler Erwärmung. Das Maß der Dehnungsbehinderung der Steife korreliert in örtlicher und zeitlicher Abhängigkeit mit den Baugrundverhältnissen, der Steifigkeit von Verbauwand und Stützung sowie dem Bauablauf. Die Analysen der temperaturinduzierten Steifenkraftänderungen zeigen, dass die rückgerechneten Temperaturbeiwerte f T keine konstanten, sondern variable Größen sind, die vom Beanspruchungsniveau der Steifen und damit vom Bauzustand sowie der Dauer des Einsatzes der Steifen abhängig sind. Die projektspezifisch ermittelten f T -Werte korrelieren mit den u. a. in [20, 22] für verformungsarme Verbauwände in bindigen Böden ermittelten Erfahrungswerten und liegen in der im Lastenheft mit f T = 0,35 spezifizierten Größenordnung. Abb. 13 Vorgehen zur Ermittlung der Steifenkräfte aus den gemessenen Verzerrungen 14. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2024 301 Innovatives Konzept für eine der tiefsten Baugruben von Frankfurt am Main 5.3 Messergebnisse Exemplarisch sind anhand eines Messquerschnitts in der Steife B23 aus der mittleren Steifenlage B die Ergebnisse der Verzerrungsmessungen in Abbildung 14 dargestellt. 6. Resümee und Ausblick Die Baugrube Station ´Güterplatz´ der Verlängerung der Stadtbahnlinie U5 in das Frankfurter Europaviertel stellt durch ihre große Baugrubentiefe sowie ihre unmittelbare Nähe zu innerstädtischer Bebauung mit mehreren Hochhäusern besondere Anforderungen an Planung und Ausführung. Für die knapp 24- m tiefe Baugrube wurde ein für Frankfurter Verhältnisse neues Verbaukonzept umgesetzt, in dem die Verbauwand als tiefreichende Schlitzwand mit einer dreilagigen Aussteifung aus massiven Stahlbetonsteifen und einer Unterbetonsohle in Verbindung mit einer Tertiärentspannung ausgeführt wird. Die im Bereich der großen Einbindetiefe der Schlitzwände integrierten ´Grundwasserfenster´ tragen zu einer maßgeblichen Reduktion der hohen resultierenden Wasserdruckbeanspruchung bei, erfordern aber den Einsatz dreidimensionaler Strömungsberechnungen. Durch eine Optimierung der Verbaubemessung konnten auch die Nachweise für den drainierten Endzustand geführt und so die sich aus der Ausnutzung des undrainierten Anfangszustandes ergebenden zeitlichen Abhängigkeiten („4 Wochen-Regel“) eliminiert werden. Abb. 14 Verzerrungs- und Temperaturmessungen in einem Messquerschnitt der Steife B23 Bei der messtechnischen Überwachung der Baugrube liegt der Fokus neben der Beobachtung der Auswirkungen im innerstädtischen Umfeld auf der Messung der Steifenkräfte der hoch beanspruchten Innenaussteifung. Die messtechnische Überwachung von Stahlbetonsteifen mit großen Querschnittsabmessungen ist anspruchsvoll und komplex, da die gemessenen Verzerrungen nicht nur aus Normalkraft infolge Erd- und Wasserdrucks, sondern auch aus zweiachsiger Biegung resultieren und durch Temperatur-, Schwind- und Kriecheffekte erheblich beeinflusst werden. Mit einer Baugrubentiefe von rund 24-m erweitert die Maßnahme als eine der bislang tiefsten Baugruben in Frankfurt am Main die insbesondere aus vielen Hochhaus-Baugruben gewonnenen Erfahrungen (u. a. [12]). Literatur [1] Kühn, I.; Kirchner, S. (2019): Das Europaviertel Frankfurt am Main - Großprojekt zur infrastrukturellen Erschließung und Entwicklung eines neuen Stadtteils - Baurechtliche, organisatorische, vertragliche und technische Anforderungen. Tagungsband zur STUVA-Tagung 2019 [2] Iffländer, R.; Lutz, R.; Budach, C. Kirchner, S. (2019): Geotechnische und tunnelbautechnische Herausforderungen beim Bau der U5 in Frankfurt mit einem Erddruckschild. Tagungsband zur STU- VA-Tagung, 2019, 265-271 302 14. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2024 Innovatives Konzept für eine der tiefsten Baugruben von Frankfurt am Main [3] Budach, C.; Weiner, T.; Kulkarni, R., Kirchner, S. (2020): Komplexe Stützdruckberechnungen und anspruchsvoller Vortrieb in heterogenem Baugrund beim Bau der U5 in Frankfurt. Geotechnik 43(4), 283-288 [4] Meyer, D.M.; Löffler, M.; Mumme, K.; Schulz, Ch. (2015): Stadtbahn Europaviertel Frankfurt: Tiefe Baugruben und maschineller Vortrieb im „Frankfurter Ton“. STUVA Tagung 2015, Forschung + Praxis 46, 145-149 [5] Huber, H.; Schäfers, P.; v. d. Werth, H.; Kirchner, S.; Grübl, F. (2022): Erfahrungen aus dem ersten modernen maschinellen Tunnelvortrieb im Frankfurter Ton am Projekt U5. 28. Darmstädter Geotechnik-Kolloquium, Mitteilungen des Instituts für Geotechnik der TU Darmstadt, Heft 113, 119-130 [6] Weiner, T., Kühn, I. (2021): U5 Europaviertel Frankfurt - Bergmännischer Anschluss an den Bestand: partnerschaftliche Lösung unerwarteter Herausforderungen. STUVA Tagung 2021, Forschung + Praxis 54, 262-268 [7] Meißner, S.; Michael, J.; Quick, H. (2019): Realisierung von geotechnischen Großprojekten in Ballungsräumen. 23. Symposium Felsmechanik und Tunnelbau, Fachsektionstage Geotechnik, Würzburg. 2019, DGGT [8] Kies, M.; Meißner, S.; Michael, J.; Schmitt, J. (2020): Risikoanalysen bei geotechnischen Aufgabenstellungen an Praxisbeispielen im Europaviertel in Frankfurt a.M. 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(2002): Wirtschaftlicher Verbauwandentwurf für tiefe (teil-) wasserdichte Baugruben. Vorträge zum 9. Darmstädter Geotechnik-Kolloquium, Mitteilungen des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotechnik der Technischen Universität Darmstadt, Heft 58, 103-130 [14] Moormann, Ch. (2003): Reduktion der Wasserdruckbeanspruchung tiefer, wasserdichter Baugruben in bindigen Böden. 2. Geotechnik Tag, TU München, , Schriftenreihe des Zentrums Geotechnik der Technischen Universität München, Heft 35, 85-108 [15] Moormann, Ch. (2004): Entwurfsoptimierung von Verbau und Wasserhaltung tiefer, wasserdichter Baugruben in bindigen Böden. Bautechnik 81 (12), 921-940 [16] Besler, D. (1994): Einfluss von Temperaturerhöhungen auf die Tragfähigkeit von Bau-grubensteifen. Bautechnik 71(9), 582-590 [17] Katzenbach, R.; Moormann, Ch. (1999): Anwendung der Beobachtungsmethode auf die Erstellung tiefer Hochhausbaugruben neben schwerer Bebauung. Beiträge zum 14. 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