4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 95 Ersatzneubau von drei Autobahnbrücken im Zuge der A1 in NRW - Bestandsuntersuchungen zum Erhalt der Unterbauten, dem ingenieurmäßigen Rückbau und für die bauzeitliche Verkehrsführung Dipl.-Ing. Friso Friese und Dipl.-Ing. Ines Nordhaus DEGES Deutsche Einheit Fernstraßenplanungs- und -bau GmbH Zimmerstraße 54 10117 Berlin 1. Vorbemerkungen Das gestiegene Verkehrslastaufkommen und die vorliegende Altersstruktur der Brückenbauwerke führen in Deutschland zu zahlreichen Modernisierungsmaßnahmen im Bundesautobahnnetz. Im Zuge der A1 in Nordrhein-Westfalen zwischen den Anschlussstellen AS Hagen/ Nord und AS Wuppertal/ Langenfeld werden 3 Ersatzneubauten von Talbrücken durch die DEGES realisiert. Dabei wurden auf Grund der vorhandenen Bauwerkssubstanz und der örtlichen Randbedingungen 3 unterschiedliche Herangehensweisen als Vorzugslösung festgelegt, geplant und ausgeschrieben. Alle 3 Maßnahmen befinden sich derzeit in der Bauausführung. Bild 1 - Blick auf das gerodete Baufeld der Talbrücke Volmarstein vor dem Brückanabbruch Die Talbrücke Volmarstein wurde 1959 als doppelzelliger Spannbetonhohlkasten mit einer Gesamtlänge von 315 m über 11 Felder errichtet. Die Brücke liegt in einer schwer zugänglichen Hanglage. 96 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 Ersatzneubau von drei Autobahnbrücken im Zuge der A1 in NRW Bild 2 - Ersatzneubau Talbrücke Volmarstein, Widerlager und Pfeilerachsen werden versetzt Die Modernisierung erfolgt als vollständiger Ersatzneubau, die neuen Widerlager- und Pfeiler sind gegenüber den alten Standorten versetzt, so dass der Ersatzneubau ohne örtliche Konflikte mit den Bestandsgründungen errichtet werden kann. Untersuchungen am Bestandsbauwerk waren hier insbesondere für die bauzeitliche Verkehrsführung (4+0) auf dem alten Überbau erforderlich. Bild 3 - Die Schwelmetalbrücke im Stadtgebiet von Wuppertal vor Baubeginn Die Schwelmetalbrücke wurde 1960 als 2-zelliger Spannbetonhohlkasten mit einer Gesamtlänge von 207 m errichtet. Die 3-feldrige Brücke befindet sich unmittelbar an der Anschlussstelle Wuppertal-Langenfeld im Stadtgebiet und überführt die A1 u.a. über eine 5-gleisige, elektrifizierte Bahntrasse und die Bundesstraße 7. Seit dem Jahr 2006 besteht die Brücke aus 4 Teilbauwerken, die Brücken aus dem Jahr 1960 wurden von neuen Verbundhohlkastenbrücken umschlossen. Bild 4 - Ersatzneubau Schwelmetalbrücke, Widerlager und Pfeilergründungen bleiben erhalten Eine Modernisierung ist nur für die älteren, inneren Bauwerke notwendig. Auf Grund dieser komplizierten Randbedingungen wurden hier für den Ersatzneubau die Standorte der neuen Pfeiler und Widerlager beibehalten, wobei die Widerlager sowie die vorhandenen Brunnengründungen der Pfeiler weitergenutzt werden. Der Rückbau des Überbaus erfolgt unter Zuhilfenahme der Stahlträger für den neuen Überbau, die in dieser Phase als Traggerüst dienen. 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 97 Ersatzneubau von drei Autobahnbrücken im Zuge der A1 in NRW Bild 5 - Die Brücke Hengstey am nahegelegenen Stausee vor Baubeginn Die Brücke Hengstey wurde 1960 als Spannbetonplattenbalkenbrücke mit einer Gesamtlänge von 88 m errichtet, 1980 wurde die Brücke im Zuge des Ausbaus der Autobahn mit einem Spannbetonhohlkörperträger beidseitig verbreitert. Das 37 m lange Hauptfeld führt die A1 über 8 elektrifizierte Bahngleise, die Randfelder über zwei lokale Straßen. Bild 6 - Ersatzneubau Brücke Hengstey, Widerlager und Pfeilerscheiben bleiben erhalten Der Überbau wird bei gleicher Querschnittsbreite komplett erneuert. Die Widerlager und die Pfeilerscheiben können erhalten bleiben, wofür umfangreiche Untersuchungen durchgeführt wurden. 2. Talbrücke Volmarstein: Untersuchungen für die Einrichtung des 4+0-Verkehrs Der Nachweis des 4+0-Verkehrs erfolgt im Regelfall durch eine Nachrechnung, die mindestens eine Brückenklasse 60 nach DIN 1072 ausweist. Des Weiteren ist die bisherige Mittelkappe zu einem bauzeitlichen Randabschluss umzubauen. Bei der Talbrücke Volmarstein konnte in der Nachrechnung die Brückenklasse 60 bestätigt werden. Jedoch ging aus den Bestandsunterlagen hervor, dass an der Fahrbahnplatte in der Vergangenheit erhöhte Chloridwerte nachgewiesen wurden. Die Unsicherheit über den potentiellen Schädigungsgrad hat eine Untersuchung notwendig gemacht. 98 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 Ersatzneubau von drei Autobahnbrücken im Zuge der A1 in NRW Bild 7 - Spannstahlbruchortung mit Magnetremanenzverfahren bei nächtlicher, halbseitiger Verkehrssperrung An Stelle einer punktuellen Untersuchung wurde das Magnetremanenzverfahren zur flächendeckenden Spannstahlbruchortung angewendet. Dabei wurde das 315 m lange Bestandsbauwerk in zwei nächtlichen Einsätzen unter Sperrung jeweils einer Brückenhälfte mit einem Spezialfahrzeug detektiert. Die Detektion konnte einwandfrei durch die bestehende Asphaltdecke erfolgen, was eine schnelle Ausführung ermöglichte. Bild 8 - Spannstahlbruchortung (Systembild) Im Ergebnis zeigte sich für die Talbrücke Volmarstein nur im sehr geringen Maße und lokal eingegrenzte Schäden an Bewehrungs- und Spannstahl, so dass auf eine Öffnung der detektierten Schäden verzichtet werden konnte. Bei größeren Schädigungsbereichen ist es ratsam, diese Stellen im Nachgang zu öffnen und zu untersuchen. Für ein Untersuchungskonzept im Hinblick auf Spannstahlbrüche sind daher lokale Öffnungen im Nachgang der Detektion einzuplanen. Bild 9 - für die Talbrücke Volmarstein gewählter Randabschluss mit Super-Rail BW Mit den positiven Ergebnissen der Spannstahlbruchortung konnte die Standsicherheit der Fahrbahnplatte in Querrichtung nachgewiesen werden. Damit konnte auch der Randabschluss wie vorgesehen ausgebildet werden. Eingesetzt wurde eine Stahlschutzplanke Super Rail BW entsprechend der Systemzulassung. Die Auswahl der passiven Schutzeinrichtung ist stets in Zusammenarbeit mit der bauzeitlichen Verkehrsplanung und der Systemwahl im Streckenbereich zu treffen. Eine Produktausschreibung kann demzufolge begründet, muss aber sorgsam durchdacht werden. Nach Umbau der Randkappe konnte der bauzeitliche 4+0-Verkehr eingerichtet werden. Mittlerweile läuft der Verkehr bereits 6-streifig auf dem ersten fertiggestellten Teilbauwerk. 3. Schwelmetalbrücke: Untersuchungen für den Erhalt der Gründungen und Widerlager Während die massiven Widerlager unter Erneuerung der Auflagerbänke erhalten bleiben können, ist ein Erhalt der als Pendelstützen ausgebildeten Pfeiler nicht möglich. Da der Neubau als Stahlverbundkonstruktion erfolgt, nehmen die Gründungslasten gegenüber dem Bestand 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 99 Ersatzneubau von drei Autobahnbrücken im Zuge der A1 in NRW nicht zu. Da weiterhin in den Bereichen zwischen Bahn, Schwelme und Straßenverkehrswegen wenig Platz für Spezialtiefbaugeräte zur Verfügung steht, wurde unter Berücksichtigung von Bauteiluntersuchungen ein Ertüchtigungsverfahren für die Bestandsgründung entwickelt. Bild 10 - die ertüchtigten Bestandsgründungen des Neubauteils zwischen den äußeren Rampenbauwerken, abgeleitet aus BIM-3DModell Die Bestandsgründungen bestehen aus Brunnenringen, die in einer offenen Baugrube bis zum Felshorizont hergestellt und dann im unteren Bereich mit Magerbeton und im oberen Bereich mit unbewehrtem Konstruktionsbeton aufgefüllt wurden. Die offene Baugrube wurde mit den Mitteln der damaligen Zeit rückverfüllt. Über den Brunnenringen wurde eine Pfahlkopfplatte errichtet um die Pendelstützen aufstellen zu können. Bild 11 -Bestandsgründungen der Pfeilerachsen Schwelmetalbrücke Zur Weiternutzung der Bestandsgründungen wurde ein Untersuchungsprogramm aufgestellt. Mit einem Sondierbohrgerät wurde unter dem Oberboden zunächst die bestehende Pfahlkopfplatte durchbohrt, darunter die mit Konstruktionsbeton aufgefüllten Brunnenbereiche, darunter die mit Magerbeton aufgefüllten Brunnenbereiche bis der Felshorizont erreicht war. Zudem wurden um die Brunnenringe Drucksondierungen durchgeführt, um die horizontale Steifigkeit abschätzen zu können- Bei der Bohrsondierung in den Brunnenringen erwies sich der Übergang zwischen Konstruktionsbeton und Magerbeton als trügerisch. In einem ersten Bohrverfahren wurde die Sondierung mit einem Einfachkernrohr durchgeführt. Die einfache Bohrkrone zermalmte im Zusammenhang mit dem Bohrwasser den Magerbeton, so dass dieser in der Kernkiste als sandiges Material in Erscheinung trat. Da der Bohrführer die Anweisung hatte, bis zur Unterkante Gründung zu bohren wurde die Bohrung hier abgebrochen und zunächst eine Gründung auf lockeren Sanden angenommen. 100 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 Ersatzneubau von drei Autobahnbrücken im Zuge der A1 in NRW Bild 12 -Beide Sondierungsbohrungen sind ca. 50 cm versetzt im gleichen Brunnenrohr erfolgt. Die linke Bohrung mit Einfachkernrohr zerbohrte den Magerbeton bis zur Unkenntlichkeit Die rechte Bohrung mit Doppelkernrohr ließ Druckfestigkeitsuntersuchungen der Proben bis zur Festigkeit 29,7 MPA zu In der Diskussion dieser Ergebnisse und dem erneuten Studium der Bestandspläne wurde der Fehler erkannt und eine erneute Sondierung mit Doppelkernrohr durchgeführt. Auf die Gefahr des Zerbohrens von Felsmaterial in Übergangsbereichen wird im Merkblatt zur Qualitätssicherung bei der geotechnischen Erkundung MQGeoE hingewiesen und eine Sondierung mit Doppelkernrohr empfohlen. Mit diesem Verfahren konnten letztendlich ungestörte Magerbetonproben gezogen werden, an denen im Betonprüfstand Festigkeiten von bis zu 29,7 MPA nachgewiesen wurden. Trotz der guten Ergebnisse der Sondierungen mit Doppelkernrohr wurde eine Verstärkung der Brunnengründungen mit Mikropfählen ausgeschrieben und wird derzeit ausgeführt. Damit werden letzte Zweifel an der Materialbeschaffenheit beseitigt, es verbleibt eine sehr viel wirtschaftlichere und raumsparende Gründungslösung, als eine Neugründung mit Großbohrpfählen. Da die Umgebung der Ringe in den 50er Jahren wahrscheinlich ohne Verdichtung mit dem örtlich anstehenden Felszersatz verfüllt wurden, werden diese Bereiche zusätzlich mit Zementsuspension ertüchtigt. Bild 13 - Widerlagerrückansicht der verstärkten Widerlagerscheiben abgeleitet aus BIM-3DModell Die neu zu schaffenden Auflagerbänke werden mit Injektionsdübeln mit den bestehenden Widerlagerscheiben verbunden. Zusätzlich werden die Auflagerbänke mit Mikropfählen rückverankert. Damit kann auf einen Ersatzneubau der Widerlager verzichtet werden. Dies hat auf die bauzeitliche Verkehrsführung und die Sicherheit des Autobahnverkehrs sowie die Gesamtbauzeit einen erheblichen und günstigen Einfluss. 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 101 Ersatzneubau von drei Autobahnbrücken im Zuge der A1 in NRW Bild 14 - nach Öffung mit HDW festgestelltem Verpressfehler an einem stark geneigten Spannglied der Schwelmetalbrücke Die Abbruchplanung der Schwelmetalbrücke machten weitere Materialuntersuchungen notwendig, da der tatsächliche Verpresszustand der Spannglieder unbekannt war. Daher wurde nach Verkehrsumlegung die Spannglieder bereichsweise mit Hochdruckwasserstrahlen (HDW) freigelegt und die Hüllrohre geöffnet. Im Ergebnis wurde hierbei überwiegend ein vollständiger Verpresszustand detektiert, in stark geneigten Bereichen wurden jedoch lokale Verpressfehler festgestellt. Dennoch konnten mit diesen Ergebnissen die Rückbauzustände statisch nachgewiesen werden. 4. Brücke Hengstey: Untersuchungen für den Erhalt der Pfeilerscheiben Für die Pfeilerscheiben der Brücke Hengstey wurde seitens der DB AG trotz relativ naher Gleislage der Bestandsschutz festgestellt. Ein Neubau dieser Pfeilerscheiben müsste in einem weiteren Abstand zu den Gleisen erfolgen, was sowohl Auswirkungen auf die bahnparallel unterführten Kommunalstraßen und auf die Stützweitenverhältnisse und somit auf die Bestandswiderlager hätte. Zudem müsste bei einem Neubau der Pfeilerscheiben die gleisparallele Bahntechnik erheblich umgebaut werden. Daher war es das Ziel, die Pfeiler- und Widerlagerscheiben zu erhalten. 102 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 Ersatzneubau von drei Autobahnbrücken im Zuge der A1 in NRW Bild 15 - Die Brücke Hengstey auf massiven Widerlagerscheiben vor Baubeginn Die massive Ausbildung der Pfeiler und Widerlager mit großformatiger Verblendung wurde bei der beidseitigen Erweiterung in den 80er Jahren aufgegriffen, so dass ein äußerst robuster Gesamteindruck der Unterbauten besteht. Dennoch wurden sämtliche Bereiche der aufgehenden Wände und auch der Gründungen aufwändig erkundet um die Weiterverwendung der Bauteile für die Lebensdauer des neuen Überbaus sicher zu stellen. Überraschend war, dass entgegen der Bestandszeichnungen in den älteren Pfeilerbereichen keine Bewehrung angetroffen wurde. Die Bauform der mittleren Pfeilerbereiche stellte sich als zwischen den Verblendsteinen lageweise betonierter Brückenpfeiler heraus. Gemäß der durchgeführten statischen Berechnung, die im Abstimmungsprozess auch dem Eisenbahnbundesamt vorgelegt werden musste, ergab sich unter Vernachlässigung der eigentlich mittragenden Verblendung eine statische Ausnutzung von nur 1,95 N/ mm². Zudem entsteht unterhalb der Auflagerbank nie eine klaffende Fuge. Demgegenüber ergaben die an den Bohrkernen durchgeführten Druckfestigkeitsproben die charakteristische Festigkeit eines C16/ 20. Mit dieser nachgewiesenen Druckfestigkeit war der Einsatz von Injektionsdübeln zur Verbindung zwischen neuer Auflagerbank und bestehenden Pfeilerscheibe möglich. Geringere Betonfestigkeiten wären zwar statisch unproblematisch, durch die Zulassungsbescheide der Dübelhersteller jedoch nicht regelkonform abgedeckt. Die Widerlager werden entsprechend der Brücke Schwelmetal mit Mikropfählen verstärkt, deren Ankerkopf im Bereich der neu zu schaffenden Auflagerbänke problemlos untergebracht wird. Bild 16 - Beim Schneiden der Brücke Hengstey zeigt sich ein guter Verpresszustand der Spannglieder, der anzusetzende Verbundkraft soll duch Versuche festgestellt werden. Bei der Brücke Hengstey werden an den bereits rückgebauten Bauwerksteilen für die Spannglieder Ausziehversuche durchgeführt, um festzustellen welche Spannkraft nach Durchschneiden der Spannstähle ansetzbar ist. Die hier gewonnenen Erkenntnisse sollen die weiteren Rückbauplanung einfließen. 5. Fazit Das Modernisierungsprogramm des Brückenbestandes in Deutschland setzt überwiegend auf den vollständigen Ersatzneubau von Brücken. In bestimmten Fällen bietet jedoch der Erhalt, insbesondere der Unterbauten bzw. der Gründungen erhebliche Vorteile. Dabei sind wirtschaftliche Betrachtungen in Bezug auf das konkrete Bauteil nur ein Teilaspekt. Weitere Aspekte sind die positiven Auswirkungen auf Verkehrsführungen und die Bauzeit im Zusammenhang mit der Vermeidung großer Baugruben und Verbauten sowie Eingriffen in den unterirdischen Bauraum. Dazu sollte bei der Erkundung, Planung und bauaufsichtlichen Abstimmung im Vorfeld umfangreich investiert werden. Eingehende Untersuchungen und Nachrechnungen des Bestands mit gutachterlichen Stellungnahmen im 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 103 Ersatzneubau von drei Autobahnbrücken im Zuge der A1 in NRW Zuge der Bauvorbereitung sind erforderlich, um in den Schritten der Bauvergabe und Baudurchführung die bautechnischen und bauzeitlichen Vorteile des Bestandserhalts sicher umzusetzen. Eine eingehende Nachrechnung mit Bestandsuntersuchung ist bei größeren Bauwerken weiterhin stets erforderlich, da der 4+0-Verkehr nachgewiesen werden muss und mindestens beim Umbau der Mittelkappe als bauzeitliche Randkappe Baumaßnahmen am Bestand notwendig sind. Daher sollte bereits zur Variantenuntersuchung eine eingehende Nachrechnung mit begleitendem Untersuchungsprogramm erfolgen. Die Varianten Ertüchtigung, Erneuerung des Überbaus beim Erhalt der Unterbauten und vollständiger Ersatzneubau können je besser abgewogen werden, je mehr über den Bestand bekannt ist. Der Nachweis von Abbruchzuständen ist in der Bauvorbereitung nur eingeschränkt möglich, da die Ausführungsplanung meist der beauftragten Firma obliegt und nach Verkehrsumlegung kurz vor Abbruch viel einfacher genauere, zerstörende Prüfverfahren angewendet werden können. Werden beim Abbruch Bauwerksteile zerstörend untersucht, sollten die Ergebnisse zum projektspezifischen und zum allgemeinen Erkenntnisgewinn ausgewertet werden. Die Ersatzneubauten im Zuge der A1 der Brücken Volmarstein, Schwelmetal und Hengstey sind Beispiele wie durch umfangreiche Bestandserkundung und der gezielten und vollkommen unterschiedlichen Art des Bestanderhalts Planrecht, Bautechnik und Bauzeit optimiert werden konnten. 6. Projektdokumentation Die DEGES begleitet die Ersatzneubaumaßnahmen an der A1 mit einer umfangreichen Projektdokumentation. Zahlreiche Hintergrundinformationen, Bilder und Videos sind zu finden unter: https: / / www.deges.de/ projekte/