9. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2025 295 Bauteilversuche an der Schleuse Oberesslingen - Planen & Bauen Dipl.-Ing. Harold Kötz ARGE BTV OES / GRBV Ingenieure im Bauwesen GmbH & Co. KG, Hannover Dipl.-Ing. Christoph Begemann ARGE BTV OES / LPI Ingenieurgesellschaft mbH, Hannover Zusammenfassung Die Bauteilversuche an der Neckarschleuse in Oberesslingen wurden durch den öffentlichen Auftraggeber im Rahmen eines europaweiten Vergabeverfahrens als Paket von Planungs- und Bauleistungen an ein Totalunternehmen vergeben. Das Leistungsspektrum erstreckt sich dabei von Teilen der Grundlagenermittlung über die verschiedenen Planungsphasen bis hin zur eigentlichen Bauausführung inklusive Dokumentation. Mit den Versuchen sollen unterschiedliche Abtrags- und Reprofilierungsverfahren sowie verschiedene Möglichkeiten zur Trockenlegung sowohl unter Betrieb als auch außer Betrieb erprobt werden. Um diese vielfältigen Leistungsanforderungen zu bedienen, erfolgt die Bearbeitung als Arbeitsgemeinschaft aus Planungsbüros und bauausführenden Unternehmen. Die frühzeitige Beteiligung der Baufirmen bietet im Hinblick auf die Sicherstellung der späteren Ausführbarkeit optimale Voraussetzungen. Der Vortrag erläutert die Herangehensweise an die Aufgabe sowie wesentliche Herausforderungen und Ziele. Außerdem werden Einblicke in die derzeit laufenden Planungen und ein Ausblick auf die spätere bauliche Umsetzung gegeben. 1. Einführung Die Planung und Durchführung der Bauteilversuche (BTV) an der rechten Kammer der Schleuse Oberesslingen, auch immer unter Berücksichtigen der Übertragbarkeit auf andere Schleusenanlagen, erfordert eine große Expertise in der Instandsetzungsplanung massiver Wasserbauwerke, der Bauwerksuntersuchung, der Baustoffkunde und dem Stahlwasserbau sowie technischem Know-how bei Bohr- und Abtragsverfahren, Einsatz von Spritzbetonen bis hin zur detailreichen Kenntnis des Bauwerksbestands im Bereich der WSV. So setzt sich die Arbeitsgemeinschaft inklusive Nachunternehmer aus drei Planungsbüros (GRBV Ingenieure im Bauwesen GmbH & Co. KG, LPI Ingenieurgesellschaft mbH und IRS Stahlwasserbau Consulting AG) sowie drei bauausführenden Unternehmen (w+s bau-instandsetzung GmbH, BeMo Tunneling GmbH und Adolf Cornels GmbH) zusammen. Die rechte Kammer der Schleuse Oberesslingen ist nicht in Betrieb und durch die vormalige Nutzung als Sparbecken auch nicht mit funktionierenden Verschlüssen ausgerüstet. Die Bauteilversuche teilen sich in Instandsetzungen außer Betrieb (IaB) und Instandsetzungen unter Betrieb (IuB) auf. Die IaB-Maßnahmen sollen unter konventionellen Bedingungen, also in dauerhaft und vollständig trockengelegter Kammer erfolgen. Die IuB- Maßnahmen erfolgen unter Ansatz eines simulierten Schleusenbetriebes in der rechten Kammer. Die linke Kammer ist bei beiden Maßnahmenpaketen tatsächlich unter Betrieb. Die fiktiven Sperrzeiten für die Ausführung der IuB-Arbeiten in der Schleusenkammer sind im Regelfall von montags bis freitags von 7.00 Uhr bis 19.00 Uhr. Im Einzelfall können auch längere oder auch mehrtägige Sperrungen, z. B. als fiktive Wochenendsperrpause vorgesehen werden. Außerhalb der Sperrzeiten ist darüber hinaus eine lichte Breite der Schleusenkammer von mindestens 11,80 m zu gewährleisten, was lediglich eine zulässige Einengung von 20 cm gegenüber der vorhandenen Kammerbreite vom 12,00 m darstellt. Die IaB- und IuB-Versuche teilen sich dann jeweils in Maßnahmen zur Trockenlegung und die eigentlichen Reprofilierungsvarianten einschließlich Abtrag auf. Insgesamt sind bei den Bauteilversuchen derzeit 20 Einzelmaßnahmen zu behandeln. Neben den Bauteilversuchen gemäß Tabelle 1 sind auch noch weitere Versuche gemäß Tabelle 2 vorgesehen, die aber in Teilen nicht zur Ausführung kommen sollen. 296 9. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2025 Bauteilversuche an der Schleuse Oberesslingen - Planen & Bauen Tab. 1: Übersicht BTV Oberesslingen Nummer Einzelmaßnahem / BTV 01 IuB Ortbeton 02 IuB Fertigteile 03 IuB Spundwand 04 IuB Spritzbeton 05 IuB FT 1m UW 06 Ausbau Spundwand 07 Zwingender Dammbalkenverschluss 08 Sohlsicherung 09 Lärmschutz 10 Sicherung Oberwasser 11 IaB FT 12 IaB Ortbeton MHK beidseitig 13 IaB Ortbeton MHK einseitig 14 Süllkasten 15 Rahmenlösung für Tortausch Tab. 2: Übersicht weitere BTV Oberesslingen Nummer Einzelmaßnahem / BTV 21 Bodenaustausch 22 Mobiler Revisionsverschluss 23 Befüllung von OW (Heber) 24 Umlaufendes Fugenband 25 Austausch Nischenpoller 2. Trockenlegung und Verschlüsse 2.1 Trockenlegung IaB In der rechten Kammer der Schleuse Oberesslingen sind kein Ober- und Untertor vorhanden. Anstatt dessen sind im Ober- und Unterhaupt jeweils Spundwände eingebaut. Abb. 1: Rechte Kammer Schleuse Oberesslingen, trockengelegt, Blick Richtung OW Im Unterhaupt gibt es außerdem einen Notverschluss mit dem auch eine Trockenlegung fast des gesamten Unterhauptes möglich ist. Um eine Instandsetzung unter Betrieb zu simulieren und schwimmendem Gerät Zugang zur Kammer zu ermöglichen, ist zu Beginn der Maßnahme die Spundwand im Unterhaupt auszubauen. Die Rückbauplanung konnte schon in einer frühen Planungsphase mit den ausführenden Firmen unter anderem bezüglich der einzusetzenden Geräte abgestimmt werden. Als Ersatz für die Spundwand wird ein Dammbalkenverschluss im Block 9 eingebaut. Mit dieser Maßnahme kann man die Kammer dann im Bereich der Blöcke 1 bis 8 inklusive Oberhaupt trockenlegen. Der Dammbalkenverschluss wird auf Oberwasserstand ausgelegt, um auch eine Wasserbeaufschlagung an den zu reprofilierenden Kammerwänden auf ganzer Höhe zu ermöglichen. Der Verschluss wurde von der ARGE BTV OES als klassisches Dammbalkensystem konzeptioniert. In einzelne Dammbalken können Schieber für die Befüllung und Entleerung eingebaut werden. Die Herstellung der Auflagernischen im Kammerwandbeton erfolgt unter IuB-Bedingungen. Um die Auftriebssicherheit der trockengelegten Kammer zu gewährleisten, müssen im Vorfeld insgesamt 48 Entspannungsbrunnen unterhalb der Sohle hergestellt werden. Abb. 2: Draufsicht Doppelkammerschleuse Oberesslingen mit Blockeinteilung 9. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2025 297 Bauteilversuche an der Schleuse Oberesslingen - Planen & Bauen 2.2 Partielle Trockenlegung IuB Die Maßnahmen zur Instandsetzung unter Betrieb (IuB) sollen im Wechsel mit der Schifffahrt durchgeführt werden. Hierfür ist eine arbeitstägliche Trockenlegung des zu reprofilieren Bereiches erforderlich, wobei aufgrund der begrenzten Arbeitszeitfenster möglichst kurze Rüstzeiten anzustreben sind. Die weiteren vom AG gestellten Anforderungen sind vielfältig. An der rechten Kammerwand sollen die Wandblöcke bis auf OK Sohle reprofiliert werden, an der linken Kammerwand nur bis 1 m unter Unterwasser. In Oberesslingen bedeutet dies eine maximale Höhe von 10,10 m. Im Sinne der Übertragbarkeit müssen aber grundsätzlich höhere Kammerwände bis 12,00 m betrachtet werden. Des Weiteren soll nicht nur die in Oberesslingen vorhandene Blocklänge vom 11,00 m zuzüglich Blockfugen abgedeckt werden, sondern auch die ehemalige Regelblocklänge von 15,00 m gemäß DIN 19703 von 1995-11 [1]. Die Konzeptidee der ARGE BTV OES war, alle Anforderungen mit einem einzigen Arbeitsgerät in Form eines Süllkastenpontons abzudecken. Der Süllkasten hat einen herausnehmbaren Boden und ist mit einem eigenen Pumpsystem zum Lenzen des Arbeitsraumes ausgestattet. Des Weiteren ist eine zweite variable Arbeitsebene, der sogenannte Hubboden, zur Bearbeitung der Wand über die ganze Höhe vorgesehen. Ergänzt wird die Ausrüstung mit einem eigenen Hebegerät. Abb. 3: Süllkastenponton in Kammer - Planungsstand aus Konzeptphase Neben den geometrischen Anforderungen aus dem WSV- Schleusenbestand heraus müssen weitere Anforderung hinsichtlich des Platzbedarfs und den Belastungen aus Baubetrieb sowie nicht zuletzt aus der Arbeitssicherheit definiert, abgestimmt und umgesetzt werden. Dies kann nur durch einen intensiven Austausch zwischen allen Planern und den ausführenden Unternehmen und im Weiteren auch mit dem Auftraggeber glücken. Es müssen schon in einer sehr frühen Phase detailliert die einzelnen Abtrags- und Reprofilierungsschritte durchdacht werden, um dadurch die richtigen Randbedingungen an den Süllkasten zu definieren. Des Weiteren sind einige nautische Anforderungen für den Transport des Süllkastens innerhalb des gesamten deutschen Wasserstraßennetzes, im Bereich des Neckars sowie im direkten Baustellenbereich an der Schleusenanlage in Oberesslingen zu beachten. Auch hier ist eine frühzeitige Abstimmung mit den ausführenden Firmen zu Klärung der logistischen Möglichkeiten mehr als hilfreich. Nicht zuletzt müssen bei der Planung auch schon Wartung und Betrieb berücksichtigt werden. 2.3 Befüllung Durch das fehlende Obertor und ein nicht funktionstaugliches Verbindungsschütz zwischen den beiden Kammer muss auch die Befüllung bis auf Oberwasserstand ‚simuliert‘ werden. Hierfür ist nach aktuellem Planungsstand eine Heberanlage vorgesehen, die es ermöglicht, die Kammer in einer zu einer konventionellen Befüllung vergleichbaren Zeit von ca. 15 Min vom Oberwasser zu befüllen. Die Entleerung kann dann über das oben beschriebene Dammbalkensystem erfolgen. 3. Reprofilierung 3.1 Ortbeton Insbesondere hinsichtlich der Bauverfahrenstechnik wurden viele Lösungsansätze untersucht, da hier große Unterschiede im Vergleich zum Bauen außer Betrieb vorliegen. Als besonders innovativer Ansatz wurde der Einsatz eines Schalpontons untersucht, welcher die Schalung auf der gegenüberliegenden Kammerseite abstützt. Eine solche Lösungen wäre jedoch verfahrenstechnisch komplex und hätte ein sehr frühes Ausschalen erfordert und damit zusätzliche, erhöhte betontechnologische Anforderungen an die eingesetzten Betone (schnelle Erhärtung vs. begrenzte Hydratationswärmeentwicklung, etc.) gestellt. Letztlich wurden die Risiken sowohl für den Bauablauf als auch für die Betonqualität als zu hoch bzw. die Robustheit unter realen Bedingungen als schwer erreichbar eingeschätzt, sodass entschieden wurde, eine Lösung zu verfolgen, bei dem der Beton im ersten Schleusenbetrieb nach dem Einbau in der Schalung bleibt und keine schnelle Frühfestigkeitsentwicklung erforderlich ist. Dies bedeutet, dass für die Schalung mitsamt der erforderlichen Verankerung jedoch nur eine Auf bauhöhe von maximal 200-mm in der vorhandenen Kammer zur Verfügung steht. Die entwickelte Lösung der rückverankerten Schalung berücksichtigt sowohl die genannte Einschränkung in der Auf bauhöhe als auch eine für den baubetrieblichen Ablauf optimierte Schalungskonstruktion, die eine effiziente Montage und Ausrichtung in den begrenzten Zeitfenstern der Sperrpausen erlaubt. 298 9. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2025 Bauteilversuche an der Schleuse Oberesslingen - Planen & Bauen Das Konzept sieht vor, dass horizontale Arbeitsfugen in der Vorsatzschale flexibel ausgebildet werden können, um auf möglichst viele Bedingungen beim Bauen unter Betrieb und / oder Kammerwandhöhen adaptierbar zu sein. Die in Anbetracht des Ziels einer dichten Vorsatzschale eigentlich „unerwünschten“ Details Anker und Arbeitsfuge werden im Rahmen des BTV genauer untersucht. Da kein frühes Ausschalen erforderlich ist, sind betontechnologisch vorteilhafterweise Lösungen nahe an praxisbewährtem Vorsatzschalenbeton möglich, wobei im Rahmen der BTV zumindest bei einem Kammerblock der chemische Luftporenbildner durch Mikrohohlkugeln ersetzt werden soll. 3.2 Fertigteile Für die Konzipierung einer Fertigteil-Lösung wurden zunächst auch verschiedene Ansätze verfolgt. Die Vorzugslösung bildete dann ein Halbfertigteil mit horizontal ausgerichteten Verlegefugen. Die Halbfertigteile werden abschnittsweise eingehoben und verfüllt. Erforderliche Nischenpoller sind schon in das Fertigteil integriert. Der Vorteil der horizontalen Ausrichtung gegenüber einer vertikalen liegt u. a. in dem hohen Gewicht, welches ein vertikales Sonderfertigteil mit allen Pollern und Leiternische aufweisen würde, dem problematischen Einbau durchgehender horizontaler Bewehrung, der guten Zugänglichkeit für die unterschiedlichen Betonierabschnitte (Fugenvorbereitung, Betonage) sowie der Schwachstelle der vertikalen Fugen auch für Zwangsbeanspruchung aus dem Schwinden des Hinterfüllbetons. Bei den gewählten Höhenlagen der horizontalen Fertigteil-Fugen wurden sowohl die Einbauteile in Form der Nischenpoller berücksichtigt als auch die Vermeidung einer Fuge im Bereich der Unterwasserwechselzone. 3.3 Spundwand Für die Reprofilierung mittels Spundwand ist vorgesehen, ein aus mehreren Doppel- und Konstruktionsbohlen bestehendes Spundwandelement über die gesamte Blockfläche vor die Wand zu setzen und zu hinterfüllen. Das Spundwandprofil stellt in dieser Variante die Dichtebene dar. Hierfür werden die Schlösser verschweißt oder mit einem Dichtsystem ausgerüstet. Die Integration von Ausrüstung wie Leitern und Poller ist gut als geschweißte Konstruktion in den Spundwandtälern möglich. Für die Ausbildung der Blockfugen sind Sonderlösungen mittels Anschlussprofilen angedacht an denen ein Klemmfugenband befestigt werden kann. Diese Fugenausbildung soll eine Kompatibilität zu den anderen Varianten gewährleisten, bei denen ebenfalls Klemmfugenbandkonstruktionen vorgesehen sind. 3.4 Spritzbeton Nach den Konzeptanforderungen des AG soll die Kammerwand vom 1- m unter UW bis zur Planie mit einer Vorsatzschale aus Spritzbeton reprofiliert werden. Diese Variante soll dann später auch bei nicht trockenlegbaren Schleusen zum Einsatz kommen können. Spritzmörtel oder Spritzbeton wurden bereits vielfach zur Reprofilierung von Betonoberflächen von Verkehrswasserbauwerken eingesetzt, wobei viele Anwendungen in relativ geringer Dicke oder nur bereichsweise erfolgten. Für die Anwendung bei Bestandsbeton mit vergleichsweise niedriger Festigkeit und rückwärtiger Durchfeuchtung muss jedoch eine Vorsatzschale mit größerer Dicke hergestellt werden. Tatsächlich wurde eine solche, zweilagig bewehrte Vorsatzschale aus Spritzbeton sogar schon versuchsweise unter IuB-Bedingungen an der Schleuse Feudenheim hergestellt [2]. Die Ausführung erfolgte in 2003 von der w+s bauinstandsetzung GmbH, Mitglied der ARGE BTV OES. Dementsprechend war zunächst ein konzeptioneller Ansatz, die in Feudenheim eingesetzten Verfahren unter Nutzung der gewonnenen Erkenntnisse weiter zu entwickeln und zu optimieren. Unabhängig davon wurden jedoch auch alternative, bislang im Verkehrswasserbau noch nicht eingesetzte Lösungsansätze betrachtet, wie z.- B. in einer ersten Stufe das Nassspitzverfahren (im Vergleich zum Trockenspritzverfahren u.- a. höhere Einbauleistung, Reduzierung von Arbeitsfugen und Bauzeit, verbesserte Gleichmäßigkeit und w/ z-Wert) und in einer zweiten Stufe dann der Stahlfasernassspritzbeton (zus. Bauzeitreduzierung, da Bewehrungseinbau entfällt). Erfahrungen zu temporären aber auch permanenten Schalen aus Stahlfaserspritzbeton gibt es im Tunnelbau, in einigen Fällen sogar bereits über Jahrzehnte. Vorteilhafterweise verfügt ein Mitglied der ARGE BTV OES, die BeMo Tunneling GmbH, über große Erfahrungen mit Nassspitzbeton und Stahlfaserspritzbeton. Daher sieht das Konzept vor, im Rahmen der BTV die Anwendung von Stahlfaserspritzbetonvorsatzschalen zu untersuchen. Dabei gilt es noch, sowohl Lösungen für statische und konstruktive Fragen zu finden, als auch nachzuweisen, dass mit Stahlfasernassspritzbeton die erforderlichen Qualitäten, z.-B. hinsichtlich der Dichtigkeitsanforderungen der Vorsatzschale und Anforderungen zum Frostwiderstand, erreicht werden können. Nach der Konzeptanforderung des AG ist die Spritzbetonreprofilierung von 1-m unter UW bis Planie auszuführen, wobei die Grundlösung für die Schaffung des Arbeitsbereiches bis 1-m unter UW ein Süllkasten ist. Der für HDW-Betonabtrag und für Spritzbetonarbeiten erforderliche Arbeitsraum erfordert ein recht großes Süllkastenvolumen. Es wurden in der Konzeptphase verschiedene Ansätze untersucht, wobei mit „klassischen“ Süllkästen verschiedene, kaum lösbare Probleme auftauchten. Somit führte auch der BTV Spritzbeton zur Überlegung des oben vorgestellten Süllkastens. 4. Weitere Maßnahmen Zur Absicherung der Arbeiten in der Schleusenkammer ist eine Sicherung im Oberwasser erforderlich. Diese solle als Teil der IuB-Versuche täglich geöffnet und geschlossen werden. Außerdem muss die Sicherungskonstruktion eine definierte Schiffsanpralllast von 5,2 MN aufnehmen können. Die ARGE BTV OES hat dieses Sicherungselement als schwimmenden Balkenstoßsschutz konzipiert. 9. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2025 299 Bauteilversuche an der Schleuse Oberesslingen - Planen & Bauen 5. Ausblick und Ablauf IuB Derzeit laufen die Planungen im Planungsschritt 2, was einer vertieften Entwurfsplanung entspricht. Ziel ist es Mitte 2025 mit den ersten Maßnahmen vor Ort zu starten. Die eigentlichen IuB-Versuche unter Einsatz des Süllkasten folgen dann in der zweiten Hälfte der Ausführungsmaßnahmen. Hierfür muss ein auf die Schleusenanlage Oberesslingen ausgelegter Bauablauf entwickelt werden. Abb. 4: Luftbild Schleusenanlage Oberesslingen, Blick Richtung Unterwasser Hochwasserbedingt können schwimmenden Einheiten nur im Bereich des oberen Vorhafens vorgehalten werden. Diese müssen dann vor dem tägliche 12-h-Fenster entsprechend vorbereitet und ins Unterwasser geschleust werden. Das Arbeitsfenster beginnt und endet mit der täglichen Baufeldübergabe. Wenn diese erfolgt ist, kann die rechte Kammer mit dem schwimmende Stoßschutz im Oberwasser gesichert werden und im Unterwasser wird der Süllkasten mit einem Schubboot in der Kammer eingefahren und in Position gebracht. Das Schubboot ist auch mit Hebegerät und Lagerflächen für Material ausgerüstet. Nach erfolgter Positionierung wird der Süllkasten gelenzt und die Zugänge für das Personal werden eingerichtet. Parallel wird die Schleuse im Unterwasser mit einer Schute gesichert. Dann erfolgen die für den Tag geplanten Arbeiten. Gegen Ende des tägliche 12-h-Fenster wird der in Arbeit befindliche Bereich gesichert und der Süllkasten wird wieder für das Fluten und Ausschwimmen vorbereitet, um anschließend wieder in das Oberwasser geschleust zu werden. Literatur [1] DIN 19703: 1995-11, Schleusen der Binnenschifffahrtsstraßen - Grundsätze für Abmessungen und Ausrüstung. [2] Reschke, T. (2011) Instandsetzung unter Betrieb mit einem schnell erhärtenden Spritzbeton - Probemaßnahme Schleuse Feudenheim in: Bundesanstalt für Wasserbau [Hrsg.] BAWMitteilungen 93. Karlsruhe: Bundesanstalt für Wasserbau, S. 1-22.