4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 67 Gründungsertüchtigung eines Bestandspfeilers im Zuge des Neubaus der Schiersteiner Rheinbrücke Dr.-Ing. Heiko Huber (Autor) CDM Smith Consult GmbH, Bickenbach, Deutschland Dipl.-Ing. Wolfgang Kissel und Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Krajewski (Co-Autoren) CDM Smith Consult GmbH, Bickenbach, Deutschland M.Sc., Dipl.-Ing. (FH) André Scholl (Co-Autor) Hessen Mobil Straßen- und Verkehrsmanagement, Wiesbaden, Deutschland Zusammenfassung Das Straßen- und Verkehrsmanagement Hessen Mobil realisiert in Zusammenarbeit mit dem Landesbetrieb Mobilität des Landes Rheinland- Pfalz den 6-streifigen Ausbau der BAB A643 zwischen dem Autobahnkreuz Wiesbaden und dem Autobahndreieck Mainz. Im Rahmen dieses Ausbaus ist es u.a. erforderlich, die zwischen den Anschlussstellen Wiesbaden-Äppelallee und Mainz-Mombach bestehende Schiersteiner Brücke über den Rhein durch einen Neubau zu ersetzen. Der Pfeiler A (Trennpfeiler) der bestehenden Brücke soll erhalten bleiben. Aufgrund einer notwendigen Pfeilerverstärkung sowie neuer, breiterer Überbauten vergrößern sich im Zuge des Brückenneubaus die Pfeilerlasten. Entsprechend war es erforderlich, geotechnische Maßnahmen zu ergreifen, um die Standsicherheit der Gründung des bestehenden Trennpfeilers zu gewährleisten. Die Ertüchtigungsmaßnahmen werden im nachfolgenden Bericht beschrieben. 1. Einleitung und Bauwerksbeschreibung Aktuell realisiert Hessen Mobil in Zusammenarbeit mit dem Landesbetrieb Mobilität des Landes Rheinland- Pfalz den 6-streifigen Ausbau der BAB A643 zwischen dem Autobahnkreuz Wiesbaden und dem Autobahndreieck Mainz. In Rahmen dieses Ausbaus ist es u. a. erforderlich, die zwischen den Anschlussstellen WI-Äppelallee und MZ-Mombach bestehende Schiersteiner Brücke über den Rhein durch einen Neubau zu ersetzen. Die bestehende Schiersteiner Brücke war bisher 4-streifig ausgebaut. Beidseitig der Straße verliefen auf den Brückenkappen Geh- und Radwege. Die Breite der Brücke betrug etwa 26 m. Die rund 1280 m lange Brücke wies 17 Felder auf. Die Brücke stand unter anderem auf 4 Strompfeilern, die im Zuge des Baus der Brücke (Baubeginn 1955) mit Druckluftsenkkästen gegründet wurden. Der Überbau der Brücke bestand aus einer vollwandigen, geschweißten Stahlkonstruktion mit einer maximalen Spannweite von 205 m. Im Zuge des Neubaus erhält die Schiersteiner Brücke jeweils für die Richtungsfahrbahnen Wiesbaden (Achse 1) und Mainz (Achse 2) getrennte Brückenbauwerke. Die Anzahl der Stützstellen reduziert sich dabei von 18 auf 15. Beide Richtungsfahrbahnen sollen 3-streifig ausgebaut werden. Je Brücke sind ein Standstreifen sowie ein Geh- und Radweg vorgesehen, sodass die Breite der neuen Brückenbauwerke im fertigen Zustand jeweils 21,50 m betragen wird. Die neue Brücke mit Fahrtrichtung Mainz (Achse 2) wurde vorab im Unterstrom der Bestandsbrücke errichtet. Nach Fertigstellung der Brücke und nach Umverlegung des Verkehrs auf das neue Brückenteil wurde die alte Brücke zurückgebaut und ortsgleich wurde die neue Brücke mit Fahrtrichtung Wiesbaden errichtet. Hierbei wurden mit Ausnahme der beiden Flusspfeiler in den Achsen H und I alle Stützstellen zurückgebaut. Ebenfalls erhalten blieb der sogenannte Trennpfeiler. Aufgrund der neuen, schwereren Überbauten sowie der erforderlich gewordenen Pfeilerverstärkungen vergrößerten sich die Pfeilerlasten. Entsprechend mussten geotechnische Maßnahmen ergriffen werden, um die Standsicherheit der Pfeilergründungen zu gewährleisten. Der Trennpfeiler A besteht aus einer 5-kammerigen, dreigeschossigen Stahlbetonkonstruktion mit einer Länge von ca. 36,3 m, einer Breite von ca. 7,0 m und einer Höhe von ca. 12,0 m (Abb. 1). Der Pfeiler ist statisch als Widerlager ausgebildet. Nach Norden beginnt von hier aus der Hessische Abschnitt der Schier-steiner Brücke. Nach Süden schließt das sogenannte Herzstück als Teil der Vorlandbrücke auf Rheinland-pfälzer Seite an. 68 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 Gründungsertüchtigung eines Bestandspfeilers im Zuge des Neubaus der Schiersteiner Rheinbrücke Die Wandstärken der Außenwände des Trennpfeilers A betragen 1,0 m bzw. 0,8 m. Die Pfeilerwände sind außen mit einer etwa 0,2 m starken Granitsteinvorsatzschale verblendet. Im Pfeilerinnern sind vier quer verlaufende Wandscheiben mit Wandstärken von 0,5 m und zwei Zwischendecken mit Deckenstärken von 0,3 m und die Decke am Pfeilerkopf mit einer Stärke von 0,4 m vorhanden. Abb. 1: Gründungsebene des Trennpfeilers A Die Pfeileraußenwände sind auf einem umlaufenden 2 m hohen und 0,9 m breiten Fundament und die vier Pfeilerinnenwände auf Fundamenten mit 1,5 m Breite und 0,9 m Höhe gegründet. 2. Baugrund Die Baugrundverhältnisse im Bereich der Schiersteiner Brücke wurden im Herbst 2010 zur Ergänzung der bereits vorliegenden Ergebnisse früherer Bohrkampagnen mit insgesamt 52 Aufschlussbohrungen untersucht. Je Pfeiler wurden drei bzw. vier Bohrungen ausgeführt. Zwei weitere Bohrungen wurden im Bereich der Vorlandbrücke Schierstein auf der Mainzer Seite abgeteuft. Die Endteufen betrugen ca. 30 m bzw. 40 m. Weiterhin wurden 42 Archivbohrungen mit Endteufen zwischen etwa 10 m und 20 m aus dem Jahr 1959 zur Baugrundbeurteilung herangezogen. Die Bohrungen wurden in den Überlagerungsböden als Rammkern-Trockenbohrungen ausgeführt. In den tertiären Schichtenfolgen wurde das Bohrverfahren auf Rotation mit Spülhilfe umgestellt. In einem Teil der Bohrlöcher wurden Bohrlochrammsondierungen (BDP) ausgeführt. Ferner wurden Grundwassermessstellen DN 125 in den tertiären und den quartären Böden hergestellt. Zur Untersuchung der Lagerungsdichte der Überlagerungsböden wurden Sondierungen mit der Schweren Rammsonde (DPH) bis in Tiefen von maximal 16,0 m geschlagen. An 90 Bodenproben wurde ein umfangreiches bodenmechanisches Laborprogramm ausgeführt. Nach den Ergebnissen der Baugrunderkundung steht im Planungsgebiet unter der Geländeoberfläche zunächst eine bis maximal 9 m dicke Schicht aus jungzeitlichen Schluffen und Sanden an, die lokal durch künstliche Auffüllungen ersetzt wird. Darunter folgen bis in Tiefen zwischen ca. 6 m und 12 m unter Gelände die Terrassenablagerungen des Rheins und des Mains. Im Bereich des Flussbetts weisen diese Sande und Kiese eine Schichtmächtigkeit zwischen ca. 0,8 m und 3,3 m auf. Im Liegenden folgen bindige tertiäre Hydrobienschichten (vgl. Baugrundschnitt in Abb. 2). Abb. 2: Baugrundschnitt Fahrrichtung Wiesbaden Freies Grundwasser in den Rhein- und Mainterrassen steht in Tiefen knapp oberhalb des Rhein-wasserstandes an. Innerhalb der sandigen Zwischenhorizonte und in den Festgesteinshorizonten der tertiären Schichtenfolgen ist das Grundwasser gespannt. Der Druckspiegel des tertiären Grundwassers liegt etwa auf dem Niveau des quartären Grundwassers. 3. Standsicherheitsuntersuchungen Zur Untersuchung der Standsicherheit der Gründung des Trennpfeilers wurden Grundbruchberechnungen durchgeführt. Die als Trägerrost ausgebildete Fundamentierung wurde vereinfachend als durchgehende Fundamentplatte angesetzt. Dies ist gemäß DIN 4017 nur dann erlaubt, wenn die Summe der Aussparungen nicht mehr als 20 % der gesamten umrissenen Sohlfläche beträgt. Diese Voraussetzung war mit der Vergrößerung der quer verlaufenden Wandscheiben (vgl. Abb. 1) erfüllt. Die Untersuchungen zeigten, dass die Sicherheit des Bestandspfeilers gegen Grundbruch für die neuen Lasten unzureichend ist. Dementsprechend wurden mehrere Ertüchtigungsmaßnahem geplant und umgesetzt (vgl. Kapitel 4). 4. Ertüchtigungsmaßnahmen 4.1 Tiefgründung mittels Mikropfählen Als tragwerksplanerische Ertüchtigungsmaßnahme wurde der Bestandpfeiler mit innen liegenden Lisenen verstärkt. Die über die Lisenen abgeleiteten Lastanteile werden nach dem neuen Tragwerkskonzept nicht über die bestehende Flachgründung in den Baugrund geleitet. Vielmehr wurde hierzu eine Tiefgründung mit Mikropfählen ausgeführt. Es liegt somit eine Mischgründung vor, wobei die Mikropfähle so dimensioniert wurden, dass diese steifer sind als die Flachgründung. Die Zusatzlasten werden daher überwiegend von den steiferen Mikropfählen aufgenommen. Insgesamt wurden 52 Mikropfähle mit doppeltem Korrosionsschutz im Inneren des Bestandsbauwerks ausgeführt (vgl. Abb. 3). Die Pfähle reichen bis zum so genannten 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 69 Gründungsertüchtigung eines Bestandspfeilers im Zuge des Neubaus der Schiersteiner Rheinbrücke Erdgeschoss (EG) des Pfeilers. Das Untergeschoss wurde verdämmt. Abb. 3: Ertüchtigungsmaßnahmen am Trennpfeiler A Um das für die beschriebene Ertüchtigungsmaßnahme geeignete Mikropfahlsystem und Bohrverfahren zu bestimmen, wurden zunächst außerhalb des bestehenden Trennpfeilers sechs Probemikropfähle (3 Pfähle im System ISCHEBECK und 3 Pfähle im System GEWI) hergestellt. Die Mikropfähle wurden einer Probebelastung unterzogen. Als geeignetes Mikropfahlsystem wurde schließlich GEWI 63,5 mm mit doppeltem Korrosionsschutz gewählt. Zur Herstellung der Mikropfähle aus dem Bestandsbauwerk heraus wurden zunächst durch den Kammerfußboden im EG Kernbohrungen mit einem Durchmesser von D = 0,3 m ausgeführt. Die anschließenden Pfahlbohrungen wurden in diesen Bohrlöchern angesetzt und im Duplexbohrverfahren mit einem Bohrgerät vom Typ Klemm KR 702 hergestellt. Bei diesem Bohrverfahren werden die Außenverrohrung und das Innengestänge der Verrohrung gleichdrehend über einen gemeinsamen Drehantrieb angetrieben. Angetroffene Kalkstein-, Dolomit- und Algenkalk-Schichten wurden mittels Rollenmeißel oder Imlochhammer drehend bzw. drehschlagend gelöst. Um die temporäre Schwächung des Baugrundes unterhalb der bestehenden Flachgründung im Zuge der Bohrarbeiten zu minimieren und eine mögliche Verkippung des Bauwerkes zu vermeiden, wurden die Bohrarbeiten in Tag- und Nachtbetrieb wechselseitig entlang der Symmetrieachse des Bauwerks in den beiden Kammern A und B des Pfeilers hergestellt (Abb. 4) Die Mikropfahlgründung erfolgte unter sehr beengten Platzverhältnissen (vgl. Abb. 5, 6). Die zur Verfügung stehende Grundfläche betrug je Kammer 5,85 m x 4,00 m, die freie Höhe zwischen OK Bodenplatte und UK Decke lag bei ca. 3,20 m. Aufgrund der begrenzten Raumhöhe erfolgte der Einbau des Tragglieds in Einzellängen von 1,7 m mit Muffenstößen. Die Bohrlöcher wurden im Kontraktorverfahren vom Bohrlochtiefsten bis zur Bohrebene verpresst. Abschließend wurden zur Verankerung der Mikropfähle die Kammern A und B im Erdgeschoss bis auf einen Durchgang zu den äußeren Kammern ausbetoniert. Abb. 4: Lageplan zur Mikropfahlherstellung Abb. 5: Kernbohrungen (l) und Mikropfahlbohrung (r) Abb. 6: Hergestellte Tragglieder der Mikropfähle 4.2 Mitteldruckinjektionen Die Baugrunderkundung zeigte, dass unterhalb der nachträglich eingebrachten Lisenen locker gelagerte Auffüllungen anstanden. Innerhalb der Auffüllungen wurden bereichsweise Hohlräume angetroffen. Um die notwendige seitliche Bettung der herzustellenden Mikropfähle in diesem Bereich zu gewährleisten und ein 70 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 Gründungsertüchtigung eines Bestandspfeilers im Zuge des Neubaus der Schiersteiner Rheinbrücke Versagen durch Knicken auszuschließen, wurden Injektionsmaßnahmen zur Verbesserung der Materialeigenschaften der Auffüllungen geplant und durchgeführt. Hierzu wurde zunächst die bereits oben beschriebene Verdämmung des Untergeschosses ausgeführt. Die Verbesserung der unter dem Pfeiler anstehenden Auffüllungen erfolgte mit Mitteldruckinjektionen. Bei diesem Verfahren wird analog zum Düsenstrahl-verfahren der Boden mit einem Schneidstrahl aus Zementsuspension erodiert und mit der Suspension vermischt. Überschüssiges Injektionsmaterial tritt an Bohrlochmund aus, wird aufgefangen und fachgerecht entsorgt. Die Pumpendrücke sind mit ca. 50 bis 60 bar deutlich geringer als beim Düsenstrahlverfahren. Die Parameter der Mitteldruckinjektion wurden nach Durchführung der Probesäulen wie folgt gewählt: • Pumpendruck ca. 55-60 bar • Durchflussrate ca. 50-55 l/ min • Düse 1 x 4,0 mm • Ziehgeschwindigkeit ca. 20 cm/ min • w/ z - Wert 1,0 Die Mitteldruckinjektionen erfolgten an den Ansatzpunkten der Mikropfähle und wurden mit der Pfahlherstellung so koordiniert, dass keine unzulässige temporäre Schwächung des Baugrundes auftrat. Abb. 7: Injektionsbohrkrone (l) und Probesäule (r) Die vorgeschalteten Probeversuche hatten gezeigt, dass bei den Mitteldruckinjektionen ein Säulendurchmesser von 44 cm bis 48 cm zu erwarten war (Abb. 7). Der geplante Bohrdurchmesser der Mikropfähle lag bei 17,8 cm. Um einen möglichst großen Injektionskörper um den Bohransatzpunkt herum herzustellen, wurden die Mitteldruckinjektionen in vier Schritten von je 90° um den Ansatzpunkt herum verschwenkt und bis 7° gegen die Vertikale geneigt. 4.3 Bohrpfahlwand als konstruktive Sicherung Aufgrund baubetrieblicher Randbedingungen trat ein Bauzustand auf, bei welchem bereits höhere Lasten des Trennpfeilers wirksam waren, der Anschluss der Mikropfähle an das Bauwerk jedoch noch nicht erfolgt war. Lasten konnten in dieser Phase somit nicht über die Mikropfähle in den tieferen Baugrund abgetragen werden. Um auch die Standsicherheit für diesen Bauzustand zu gewährleisten, wurden auf der Wasserseite Bohrpfähle in einem Abstand von etwa 9 m zum Trennpfeiler als konstruktive Sicherung gegen Grundbruch hergestellt. Die Bohrpfähle sicherten die Gründung im Sinne einer Baugrundverdübelung. Hierzu wurden 13 m lange Bohrpfähle mit einem Durchmesser von 0,9 m hergestellt. Der Achsabstand der Pfähle beträgt 1,8 m (siehe Abb. 8). Der Abstand zum Trennpfeiler sowie die Bohrpfahllänge wurden so gewählt, dass die Bohrpfähle die theoretische Bruchmuschel der Grundbruchfigur schneiden. Mit der konzipierten Maßnahme wird der Scherwiderstand der Pfähle aktiviert, bzw. es wird eine tiefer reichende Bruchfigur erzwungen wodurch die Grundbruchsicherheit erhöht wird. Abb. 8: Anordnung Bohrpfahlverdübelung Die Wirksamkeit der Baugrundverdübelung mittels aufgelöster Bohrpfahlwand wurde numerisch nach der FEM nachgewiesen. Hierzu wurde der Modellraum um den Trennpfeiler mit einem Berechnungsnetz aus 116.641 10-knotigen tetrahedralen Elementen mit quadratischem Verformungsansatz dreidimensional abgebildet. Die aufgelöste Bohrpfahlwand wurde im Modell mittels zylindrischer Volumenelementen simuliert. Die Abbildung 9 zeigt die analytische Grundbruchfigur ohne Berücksichtigung der Bohrpfahlverdübelung sowie den mittels numerischer Untersuchungen ermittelten Versagensmechanismus im Grenzzustand der Tragfähigkeit im Rahmen der Safety-Analyse (Grundbruch) unter Berücksichtigung der Bohrpfähle. Die mittels der numerischen Berechnungen ermittelte globale Sicherheit für den Lastfall maximale Vertikallast (max. V) beträgt η = 2,54. Somit konnte nachgewiesen werden, dass mit der Bohrpfahlverdübelung die Sicherheit gegen Grundbruchversagen im erforderlichen Maß erhöht werden konnte. Der Trennpfeiler wurde während der Bauarbeiten mit einem elektronischen Schlauchwaagensystem, geodätischen Messungen sowie einem digitalen Rissmonitoring überwacht. Die gemessenen Verformungen blieben mit 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 71 Gründungsertüchtigung eines Bestandspfeilers im Zuge des Neubaus der Schiersteiner Rheinbrücke maximalen Werten von 2,4 cm im erwarteten und zulässigen Bereich. Die messtechnische Überwachung des Pfeilers bestätigte das erdstatische Sicherungskonzept. Abb. 9: Untersuchung zur Bohrpfahlverdübelung 5. Aktueller Stand und Ausblick Die Ertüchtigungsmaßnahmen am Trennpfeiler wurden zwischenzeitlich erfolgreich abgeschlossen. Die Arbeiten zum Bau der Schiersteiner Brücke liegen derzeit voll im Zeitplan. Die Gesamtfertigstellung ist für das Jahr 2021 geplant.