Stand und Einsatzbereiche der Injektionsverfahren bei der Kanalsanierung

21.08.2012

Reparatur » Geschlossene Bauweise

Die Sanierung von Entwässerungssystemen bleibt aufgrund des weiterhin hohen Sanierungsbedarfs eine Herausforderung für die Kanalnetzbetreiber. Eine intensive kritische Auseinandersetzung mit der Schadenssituation und möglichen Sanierungslösungen ist daher auch in Zukunft unerlässlich.

Bild 1: Übersicht über die Reparaturverfahren [3]
1 Einleitung
 
Alternativ zur Sanierung über die gesamte Haltungslänge mittels Renovierungen oder Erneuerungen, wird immer häufiger zu Reparaturverfahren gegriffen. Diese beschränken sich nach DIN EN 752 [1] auf die „Behebung örtlich begrenzter Schäden“ zur Wiederherstellung der Wasserdichtheit und in Abhängigkeit des eingesetzten Verfahrens auch zur Wiederherstellung der Tragfähigkeit beschädigter Rohre und Bauwerke. Die letzte DWA-Umfrage aus dem Jahr 2009 [2] bestätigt diesen Trend. Eine mögliche Ursache für den vermehrten Einsatz von Reparaturverfahren sind Strategien der Netzbetreiber, die, bedingt durch knappe Finanzmittel, vorrangig auf eine Reduzierung schwerer Einzelschäden in den Kanalhaltungen abzielen. Dabei wird in Kauf genommen, dass im Hinblick auf die bauliche Gesamtsubstanz kein neuwertiger Kanal geschaffen, sondern lediglich in einem befristeten Zeitfenster eine Weiternutzung des jeweiligen Kanals ermöglicht wird.
  
Bei den Reparaturverfahren haben in den letzten drei Jahrzehnten wichtige technische Entwicklungen stattgefunden. Die erste Generation der Reparaturverfahren basierte im Wesentlichen auf der unkontrollierten Injektion von Flüssigkeiten in undichte Stellen bzw. in das umgebende Erdreich. Sie wurden unter der Bezeichnung Posatryn- oder Penetryn-Verfahrennahezu uneingeschränkt und kritiklos zur Behebung von Undichtigkeiten, aber auch statischer Schäden eingesetzt, wohl wissend, dass die dabei verwendeten Injektionsmittel auf Basis von Acrylharzen für die letztgenannte Zielstellung nicht geeignet waren.
 
Durch die Entwicklung neuer Reparaturverfahren und hier insbesondere durch die universell einsetzbaren Robotersysteme mit präzise steuerbaren Arbeitswerkzeugen sowie die Innenmanschetten und Kurzliner (Bild 1) wurden die Injektionsverfahren immer mehr vom Markt verdrängt. Dieser „Generationswechsel“ spiegelt sich auch in den Ergebnissen der oben genannten DWA-Umfrage [2] wider, die innerhalb der Reparaturverfahren einen deutlichen Rückgang der Injektionsverfahren konstatieren. Die nachfolgenden Ausführungen befassen sich mit den Fragestellungen, inwieweit dieser Trend berechtigt ist und welche Bedeutung, angesichts der Verfügbarkeit z. B. von Robotersystemen und der Nachweispflicht der Sanierungsqualität gemäß DIN EN 752 [1], Injektionsverfahren in der Zukunft weiterhin haben können.
 
2 Injektionsverfahren
 
Unter Injektion (Einpressen) wird nachfolgend nach ATV-M 143-8 [4] in Anlehnung an DIN 4093 [5] das Einbringen von Flüssigkeiten bzw. Injektionsmitteln (Einpressgut nach DIN 4093 [5], Füllgut nach ZTV-ING [6] oder Injektionsgut nach DIN EN 12715 [7]) in Hohlräume unter Druck verstanden.
 
Hohlraum ist der Oberbegriff für natürliche und künstliche Hohlraumstrukturen aller Art [8]:
  1. in Bauwerken für Spalten, Fugen, Risse und Poren,
  2. im Felsgestein und in festen Tonböden für Klüfte, Spalten, Risse, Poren und kavernöse Strukturen,
  3. im Lockergestein für Poren,
  4. zwischen Bauwerk und Untergrund für die Kontaktfugen und kavernöse Strukturen.
 
Bild 2: Übersicht über die Injektionsverfahren [3]
Die Injektion selbst kann sowohl von außen als auch von innen aus dem nichtbegehbaren oder begehbaren Kanal oder Bauwerk heraus erfolgen. Eine Übersicht über die dabei eingesetzten Injektionsverfahren vermittelt Bild 2. Gegenstand der nachfolgenden Ausführungen ist die Injektion von innen; die Injektion von außen wird im Rahmen der Kanalsanierung nur noch in Ausnahmefällen praktiziert.
 
2.1 Bauwerksinjektion
 
Die Injektion der unter Punkt 1 aufgeführten Hohlraumstrukturen wie Spalten, Fugen, Risse und Poren in Kanälen und Bauwerken wird als Bauwerksinjektion von innen bezeichnet (Bild 2). Sie beschränkt sich ausschließlich auf die Bauwerksstruktur und bezieht die umgebende Leitungszone nicht mit ein. Zur Bauwerksinjektion zählen in begehbaren Kanälen und Bauwerken die Rissinjektion sowie die Injektion der Rohrverbindung mit Injektionspacker.
 
Die Rissinjektion, d.h. das Füllen oder Injizieren von Rissen, erstreckt sich aufgrund der großen Nennweiten ausschließlich auf die Werkstoffe Beton, Stahlbeton und Ziegelmauerwerk. sie wird eingesetzt zum [6]:
  • Hemmen oder Verhindern des Zutrittes von korrosionsfördernden Wirkstoffen in Bauteile durch Risse (Schließen)
  • Beseitigung von rissbedingten Undichtigkeiten des Bauteils (Abdichten)
  • Herstellen einer zug- und druckfesten Verbindung beider Rissufer (kraftschlüssiges Verbinden)
  • Herstellen einer begrenzt dehnfähigen Verbindung beider Rissufer (dehnfähiges Verbinden)
 
 
Für die Rissinjektion im Rahmen der Kanalsanierung gibt es keine speziellen technischen Vorschriften. Sinngemäß übertragbar erscheinen das Zement-Merkblatt „Betontechnik“ der Bauberatung Zement des Bundesverbandes der Deutschen Zementindustrie [9] und die „Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten (ZTV-ING) – Teil 3: Massivbau, Abschnitt 5: Füllen von Rissen und Hohlräumen in Betonbauteilen“ der Bundesanstalt für Straßenwesen [6] sowie die DafStb-Richtlinie „Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen (Instandsetzungs-Richtlinine) – Teil 2: Bauprodukte und Anwendung“ [10]. Sie enthalten Regelungen für das Füllen von Rissen in Betonbauteilen und befassen sich mit Begriffsbestimmungen, Anwendungen, Bestandsaufnahme, Werkstoffen, Ausführung, Prüfungen, Abnahme, Gewährleistung sowie Abrechnung. Ausführliche Erläuterungen und Ausführungsbeispiele enthält [8].
 
Die ebenfalls zur Bauwerksinjektion zählende Injektion der Rohrverbindung mit Injektionspacker bzw. Bohrpacker im begehbaren Bereich und mit Spezialpackern mit aufblasbaren Packermanschetten bzw. -kammern im nichtbegehbaren Bereich verfolgt das Ziel, die Abdichtung ausschließlich durch die vollständige Verfüllung des zuvor gereinigten Fugenspaltes der Rohrverbindung ohne Einbeziehung des Baugrundes zu erreichen.
 
Im begehbaren Bereich hat sich in diesem Anwendungsfall z. B. die Injektion undichter Rohrverbindungen mit Bohrpackern unter Einsatz eines vermörtelten Widerlagers bewährt [8]. Für den Einsatz in nichtbegehbaren Abwasserleitungen und -kanälen wurde das MUSA-Verfahren [9] entwickelt, welches sich jedoch in der Praxis nicht durchsetzen konnte. Hier dominieren heute anstelle der Injektionsverfahren die Roboterverfahren.
 
2.2 Geotechnische Injektion
 
Die Injektion der unter den o.a. Punkten 2 bis 4 genannten Hohlraumstrukturen zählt in Anlehnung an DIN EN 12715 [7] zur „geotechnischen Injektion“ (Bild 2). Unter diesem Begriff werden die Injektion von Lockergestein (Poreninjektion) und das Verfüllen von Hohlräumen in der Leitungszone verstanden. Bei der Poreninjektion wird das natürliche Porenwasser in den vorhandenen, zugänglichen Hohlräumen des Baugrundes durch das Injektionsmittel ohne signifikante Baugrundverdrängung ersetzt [7]. Die dabei aufgebrachten Drücke sollten niedrig genug sein, um Verformungen zu verhindern. In Abhängigkeit des Injektionsverfahrens kommen für die Injektion von Poren und kavernösen Strukturen verschiedene Injektionsmittel zum Einsatz, z. B. Lösungen auf Basis von Kunstharzen oder Wasserglas, Suspensionen sowie Zementmörtel und -pasten.
 
Bei der geotechnischen Injektion nach DIN EN 12715 [7] wird vorausgesetzt, dass der verpresste Teil der Leitungszone, auch Injektionskörper genannt, die Aufgaben des partiell geschädigten Kanals im Hinblick auf die Dichtheit und/oder Tragfähigkeit übernimmt.
 
Anwendungsfälle der geotechnischen Injektion im begehbaren Nennweitenbereich sind (siehe auch Bild 2):
  • Boden-/Hohlrauminjektion der Leitungszone über Injektionsstutzen:
    Hierbei handelt es sich um die gezielte Behebung eines punktuellen Schadens mit an das Schadensbild anpassbaren Injektionsmitteln und -strategien. Diese Verfahrensgruppe hat in der Praxis einen relativ hohen Stellenwert.
  • Muffeninjektion mit Packer:
    Die Injektion von Rohrverbindungen in begehbaren Querschnitten mithilfe handpositionierter und fixierter aufblasbarer Packersysteme hat sich in der Bundesrepublik Deutschland nicht durchgesetzt. Probleme bereiten, insbesondere bei großen Nennweiten, die vollständige und homogene Verfüllung des Fugenspaltes und der angrenzenden Hohlräume des Lockergesteins sowie die unvermeidliche Querschnittsreduzierung durch anhaftende Injektionsmittelrückstände im Packerbereich. 
 
Anwendungsfälle der geotechnischen Injektion im nichtbegehbaren Nennweitenbereich sind: 
  • Flutungsverfahren (Trasseninjektion)
  • Injektion von Anschlusskanaleinbindungen (Stutzeninjektion)
  • Injektion der Rohrverbindungen (Muffeninjektion)
  • Injektion im Rohrschaft oder Haltungsabschnitt (Riss- und Scherbeninjektion).
 
Trasseninjektionen mit Lösungen auf der Basis von Wasserglas finden vorrangig dort Anwendung, wo andere Reparaturverfahren aufgrund der fehlenden Zugänglichkeit in Folge z. B. kleiner Nennweiten und des Vorhandenseins von Formstücken (Abzweige, Bögen) nicht einsetzbar sind. Hierzu zählen insbesondere die Anlagen der Grundstücksentwässerung. Die Sanierungsqualität hängt maßgeblich von der Ausbildung des Gelkörpers ab. Wenn der Porenraum des umgebenden Lockergesteins in der Leitungszone vollständig durch den Gelkörper geschlossen wird und das Korngerüst des Bodens eine ausreichende Stützwirkung gegenüber Synärese aufweist, ist davon auszugehen, dass die Schadensstellen langfristig abgedichtet sind. Bei inhomogen ausgebildeten Gelkörpern besteht die Gefahr der Schrumpfung und Rissbildung innerhalb des Gelkörpers, verbunden mit dem Verlust der Dichtwirkung [8, 11].
 
Die Gefahr der Ausbildung inhomogener Gelkörper besteht insbesondere bei [11]:
  • Grobkörnigen Böden
  • Locker gelagerten Böden
  • Hohlräumen
  • Böden mit hohen Wassergehalten
 
Speziell für die Sanierung von Anschlusskanaleinbindungen, d. h. von Stutzen bzw. der Verbindungsbereiche Hauptkanal/ Hausanschluss werden Injektionsverfahren auf der Basis von Polyurethan- [12], Silikatharz oder Zement [8, 13] eingesetzt. Diese Form der Injektion wird auch Stutzeninjektion genannt. Dabei werden Spezialpacker verwendet, die unter Kamerabeobachtung vom Sanierungsfahrzeug aus in dem zu reparierenden Einbindungsbereich positioniert werden. Auch in diesem Reparatursektor haben sich die ferngesteuert, unter Kamera-Beobachtung arbeitenden Robotersysteme sehr stark etabliert. Ihr Vorteil besteht insbesondere darin, dass sie nicht nur vorhandene Hohlräume verfüllen oder verspachteln, sondern zuvor auch die zu reparierende Stutzeneinbindung fachgerecht präparieren können.
 
Bei der Injektion von Rohrverbindungen, auch Muffeninjektion mit Packer genannt, kommen vornehmlich Injektionsmittel auf der Basis von Acrylharz, Polyurethan und Epoxidharz zum Einsatz. Neuentwicklungen verwenden speziell formulierte mineralische Mörtel [14]. Die oben angeführten Injektionsmittel erfordern unterschiedliche Packersysteme und Mischtechniken für die jeweils eingesetzten Komponenten. Ziel der Muffeninjektion ist die Herstellung eines „rohrumlaufenden Dichtkörpers“, der die fehlende Dichtfunktion übernimmt [14].
 
Die geotechnische Injektion von Rohrverbindungen von innen mit Kunstharzen (Muffeninjektion mit Packer, vgl. Bild 2) hat in der Praxis seit Entwicklung und Einführung der Robotertechnik ihren einstmals hohen Stellenwert eingebüßt und ist aufgrund der großen Abhängigkeit des Injektionserfolges von der Injizierbarkeit des Lockergesteins der Leitungszone (s. Abschnitt 2.3.1) sowie der unzureichenden Kontrollierbarkeit des Injektionsprozesses, insbesondere des Kosten verursachenden Materialverbrauches, und der fehlenden Nachweisbarkeit des langfristigen Abdichtungserfolges mittlerweile fast gänzlich vom Markt verdrängt worden. Diese Verfahren werden allenfalls als Interimslösung im Rahmen der Vorarbeiten zur Renovierung von Abwasserkanälen und -leitungen zur Unterbindung von Grundwasserinfiltrationen eingesetzt.
 
Die Reparatur geschädigter Rohrwandungen (Rohrschaft) oder begrenzter Haltungsabschnitte auf Basis von geotechnischen Injektionsverfahren mit Hilfe von Packersystemen (Bild 2) wird auch heute noch in der Praxis ausgeführt und deshalb nachfolgend bzgl. ihrer Einsatzmöglichkeiten und -grenzen am Beispiel des Janßen Riss- und Scherbensanierungsverfahrens (nachfolgend als Janßen-Verfahren und als Riss- und Scherbeninjektion bezeichnet) näher analysiert.
 
2.3 Geotechnische Injektion begrenzter Haltungsabschnitte
 
Das Janßen-Verfahren [12] zählt zu den geotechnischen Injektionsverfahren – Verfahrensuntergruppe „Injektion von innen“. Es wird im Rohrschaftsbereich bzw. in begrenzten Haltungsabschnitten nichtbegehbarer Kanäle (Bild 2) zur
  • Abdichtung örtlich begrenzter Undichtigkeiten zur Vermeidung von In- und Exfiltrationen und/oder
  • Wiederherstellung der statischen Tragfähigkeit 
unter direkter Einbeziehung der Leitungszone eingesetzt.
 
Bei diesem Verfahren kommt ein dreiteiliger, aufblasbarer Schlauchpacker zur Anwendung, der nach Positionierung an der Schadensstelle unter Kamerabeobachtung mit Druckluft beaufschlagt wird. Im Mittelbereich des Packers befindet sich eine Austrittsöffnung für das Injektionsmittel auf Basis eines 2-Komponenten-Polyurethansystems. Die beiden Injektionsmittelkomponenten (Komponente A: Polyurethanharz / Komponente B: Polyisocyanat [15]) passieren vor dem Austritt in den Hohlraum zwischen Packer und Rohr ein Mischventil (Hochdruckmischkopf) und werden anschließend bei einem Druck von 2 bar über die vorhandenen Undichtigkeiten der Rohrwandung in die Leitungszone injiziert [12, 15].
 
Bild 3: Janßen-Riss- und Schadensanierungssystem: Positionierung des Packers an der Schadensstelle [3]
Bild 4: Janßen-Riss- und Schadensanierungssystem: Packer im Endzustand nach der Injektion [3]
 
Das Injektionsmittel erhärtet in Abhängigkeit der Temperatur innerhalb von etwa 15 bis 30 Minuten. Die Druckfestigkeit des injizierten Bodens erreicht nach Herstellerangaben Werte von 5 bis ca. 19 N/mm2. In einem Arbeitsgang kann dabei eine Rohr- oder Haltungsabschnittslänge bis 1 m Länge saniert werden. Anstelle des Polyurethansystems ist auch Silikatharz einsetzbar [12, 16].
 
Um einen kontrollierten Ablauf der eigentlichen Injektion zu ermöglichen, muss eine kontinuierliche Aufzeichnung und Überwachung von Volumenstrom, Durchflussmenge und Druckverlauf des Injektionsmittels erfolgen.
 
Einsatzbereiche
 
Das Janßen-Verfahren wird nach Herstellerangaben in Kanälen mit Kreisprofil aus Beton, Steinzeug, PVC, Stahl und Gusseisen im Nennweitenbereich DN 100-600 eingesetzt [12].
 
Generell ist das Verfahren insbesondere zur Reparatur undichter Stellen in der Rohrwandung, wie Risse, Scherbenbildung, aber auch fehlender Wandungsteile/Löcher durch die geotechnische Injektion konzipiert. Darüber hinaus können laut Angaben des Verfahrensanbieters selbst deformierte Rohre repariert werden. In diesem Fall erfolgt vor der eigentlichen Injektion eine Rückverformung des deformierten Rohres bis zum ursprünglichen Innendurchmesser mittels des Packers. Der durch die Injektion erzeugte Abdichtungskörper im Lockergestein muss allein die Abdichtungs- und/oder Tragfunktion übernehmen. Die im Rahmen der Maßnahme erfolgte Verfüllung der Risse und Scherbenbildungen kann für diese Zwecke nicht herangezogen werden, da eine Haftgrundvorbereitung nicht möglich ist und der Kraftschluss bzw. die Haftzugfestigkeit durch Schmutzstoffe/Fette/Öle beeinträchtigt wird, d. h. die Biegezugfestigkeit in den Rissen wird dadurch nicht wieder hergestellt. Die Gelenke in der Wandung bleiben bestehen.
 
Der Einsatz des Janßen-Verfahrens ist laut Herstellerangaben auch bei drückendem Grundwasser möglich. Das verwendete Harz hat eine Zulassung für die Wasserschutzzone II. Eine Wasserhaltung ist in der Regel nicht notwendig.
 
2.3.1 Bewertung der geotechnischen Injektion begrenzter Haltungsabschnitte aus geologischer, hydrogeologischer und Injektionstechnischer Sicht
 
Voraussetzung für den Einsatz der geotechnischen Injektion ist das Vorhandensein von injizierfähigem Lockergestein in der Leitungszone. Maßgebliche geologische, hydrogeologische, bodenmechanische und chemische Einflussfaktoren für die Injizierbarkeit von Lockergestein sind [17]:
  • Geologischer Aufbau
  • Schichtgrenzen, -mächtigkeit und -raumstellung
  • Chemisch-mineralogische Zusammensetzung
  • Kornverteilung
  • Lagerungsdichte
  • Porenanteil, Porengröße
  • Wasserdurchlässigkeit
  • Grundwasser: Grundwasserstand und dessen Schwankungen; Strömungsrichtung und -geschwindigkeit; Chemismus
  • Temperatur
 
Bild 5: Injektionsgrenzen für Injektionsmittel in Abhängigkeit von der Korngrößenverteilung (Körnungslinien) des Lockergesteins in der Leitungszone [17]
Unter Berücksichtigung beispielsweise der Kornverteilung des zu injizierenden Lockergesteins ergeben sich die im Bild 5 dargestellten unteren Grenzbereiche für die großtechnisch gebräuchlichsten Injektionsmittel. Dabei ist zu beachten, dass für die Injizierfähigkeit der Ungleichförmigkeitsgrad des Bodens, seine Lagerungsdichte und die Oberflächenbeschaffenheit der Körner mitentscheidend sind.
 
Die hier nicht dargestellte obere Grenze wird unter anderem bestimmt von wirtschaftlichen Gesichtspunkten und der Forderung, dass das Injektionsmittel nicht durch gravimetrische oder hydrogeologische Einflüsse aus der injizierten Zone entweicht.
 
Bei der für die Injektion im vorliegenden Anwendungsfall einbezogenen Leitungszone handelt es sich in der Regel nicht um einen homogenen, sondern einen stark heterogen ausgeprägten Baugrund. Sie umfasst nach DIN EN 1610 [18] die Bereiche der Bettung, der Seitenverfüllung und der Abdeckung in der Breite des Leitungsgrabens und spiegelt darüber hinaus im Aufbau und in der Zusammensetzung der verwendeten Baustoffe zahlreiche Entwicklungsetappen seit Beginn des Kanalbaus im 19. Jahrhundert wider.
 
Selbst unter der Voraussetzung, dass bei der Verlegung der Kanäle die jeweils gültigen Vorschriften und Regelwerke eingehalten wurden, muss man damit rechnen, dass sich die ursprüngliche Struktur und bodenmechanischen Eigenschaften des Verfüllmaterials im Laufe der Jahrzehnte durch Nachverdichtung, innere Suffosion bzw. Erosion, Kontakterosion sowie durch den Chemismus des Sickerwassers und durch Kontamination verändert haben [8].
 
Kontakterosion, d. h. die von einer Kontaktfläche zu einem gröberen Erdstoff ausgehende Erosion, entsteht immer dann, wenn Böden aufeinandertreffen, die nicht entsprechend den in der Bodenmechanik entwickelten Filterregeln aufeinander abgestimmt und einem entsprechenden Strömungsgefälle, z. B. des Grund- oder Sickerwassers, ausgesetzt sind. Die in Abhängigkeit vom Strömungsgefälle in den gröberen Erdstoff eindringenden Teilchen werden dort entweder abtransportiert (Suffosion) oder abgelagert (Kolmation). Mögliche Erosionsbereiche innerhalb des verfüllten Grabenquerschnittes oder auch zwischen diesem und dem anstehenden Boden zeigt Bild 6.
 
Bild 6: Mögliche Suffusionen und Erosionen im verfüllten Leitungsgraben in Anlehnung an [19], [3]
1 Anstehender Boden, 2 Bettung, 3 Seitenverfüllung, 4 Abdeckung, 5 Hauptverfüllung
 
Besonders kritisch sind in dieser Hinsicht nicht fachgerecht ausgeführte Sickerpackungen mit Dränageleitungen im Bereich der Bettungszone. Durch Einspülung von Sand aus der Leitungszone in die grobkörnige Sickerpackung entstehen Auflockerungen im Bettungsbereich der Leitung und im Extremfall Hohlräume (Bild 7). Diese Bettungsveränderungen können zum statischen Versagen des Kanals führen.
 
Bild 7: Auswirkungen einer nicht fachgerecht ausgeführten Sickerpackung in Anlehnung an [20], [3]
Mehr oder weniger große Hohlräume können sich im Leitungsbereich auch durch Infiltration von Grundwasser und Boden in den Kanal und in Ausnahmefällen auch durch Exfiltration von Abwasser aus dem Kanal heraus bilden. Darüber hinaus können ursächlich für die Hohlraumbildung bei schadhaften Kanälen auch der Einsatz von Hochdruckspülverfahren bei der Reinigung oder Dichtheitsprüfungen mit Wasser sein [21].
 
Aufbau, Beschaffenheit, vorhandene Auflockerungen und Hohlräume der Leitungszone sind bei der Planung geotechnischer Injektionsmaßnahmen unbedingt zu berücksichtigen. Aus diesem Grund ist es erforderlich, sich einen genauen Überblick über die geologische und hydrogeologische Situation im Bereich der Leitungstrasse zu verschaffen. Nur dadurch sind Abwägungen über das Ausbreitverhalten des Injektionsmittels im Boden sowie der geometrischen Ausbildung und Festigkeit des Injektionskörpers möglich.
 
Die geometrische Ausbildung des Injektionskörpers, der die Dichtheit und/oder Tragfunktion des zur reparierenden Rohres übernehmen soll, hängt nicht nur von den geologischen und hydrogeologischen Bedingungen der Leitungszone, sondern auch von Art, Anzahl und Anordnung der Injektionsöffnungen im Bereich des Rohrschaftes ab.
 
Im Jahre 1985 an der Ruhr-Universität Bochum durchgeführte Untersuchungen [22, 23] an Steinzeugrohren DN 250 haben ergeben, dass zur Bildung eines rohrumlaufenden, mit einem Polyurethan-Systems hergestellten Tragringes zum einen ein injizierfähiger, homogener Baugrund und zum anderen eine Vielzahl systematisch versetzt angeordneter Injektionsöffnungen erforderlich sind (Bild 8b und Bild 8c). Anderenfalls bilden sich nur mehr oder weniger große einzelne Injektionskörper unmittelbar an der jeweiligen Injektionsöffnung aus (Bild 8a).
 
Partielle Rohrschaft-Reparatur durch die geotechnische Injektion: Injektionskörper mit nicht geschlossenem Tragring / einzelne Injektionskörper [Quelle: STEIN Ingenieure GmbH]
 
Partielle Rohrschaft-Reparatur durch die geotechnische Injektion: Injektionskörper mit geschlossenem Tragring [Quelle: STEIN Ingenieure GmbH]
 Partielle Rohrschaft-Reparatur durch die geotechnische Injektion: Querschnitt durch das reparierte Rohr mit geschlossenem Injektionskörper (Tragring) [Quelle: STEIN Ingenieure GmbH]
 
Bild 9: Janßen-Riss- und Scherbensanierungsverfahren: Ausgebautes Versuchsrohr mit partiell ausgebildetem Injektionskörper [12]
Die letztgenannte Situation ist typisch für die Riss- und Scherbeninjektion (Bild 9), da es als Injektionsöffnungen nur jeweils die vorhandenen baulichen Schäden – Risse, Scherbenbildung, fehlende Wandungsteile – nutzt. Somit bestimmen neben den bodenphysikalischen Parametern der Leitungszone maßgeblich die Rissbreiten, die Lage der Risse und die Beschaffenheit der Rissflanken das zu erzielende Injektionsergebnis. Aus diesen Gründen ist das Verfahren selbst bei homogener Leitungszone nicht geeignet zur gezielten Herstellung eines Injektionskörpers in Form eines geschlossenen Tragringes.
  
2.3.2 Injektionsmittel Polyurethan
 
Bei dem beim Janßen-Verfahren eingesetzten Injektionsmittel handelt es sich um ein 2-Komponenten-Polyurethan System. Dabei entsteht Polyurethan durch Reaktion von Polyisocyanaten und Polyhydroxyl-Komponenten.
 
Allgemeine Eigenschaften dieser Zweikomponentensysteme sind [8]:
  • Volumenvergrößerung durch Aufschäumen (Wirtschaftlichkeit),
  • plastische und elastische Verformungseigenschaften in Abhängigkeit der Rezeptur einstellbar,
  • gutes Haftvermögen auch auf feuchtem Untergrund,
  • lösemittelfrei und nicht schwindend
  
Nachteilig wirkt sich bei diesen Systemen das nur wenig kontrollierbare Aufschäumen in Abhängigkeit von der Porengröße im Boden und der Bodenfeuchtigkeit aus. Es führt zur Dichteänderung und damit zu entsprechenden Änderungen der mechanischen Eigenschaften des Endproduktes.
 
Baugrundinjektion mit dem Polyurethansystem Bevedan/ Bevedol NLW – Schaumverhalten des Injektionsmittels und mechanische Eigenschaften des Injektionskörpers in Abhängigkeit der Kornverteilung des Lockergesteins [[Stein87d]] [Quelle: STEIN Ingenieure GmbH]
Die im Lockergestein unterschiedlicher Körnungen erzielbaren mechanischen Eigenschaften der verfestigten Böden nach DIN 18136 [24] sind im Bild 10 beispielhaft für das Bevedan/Bevedol NLW-System dargestellt. Die Untersuchungen wurden in den 80-Jahren an der Ruhr-Universität Bochum im Auftrag der Bergbau Forschung GmbH, Essen, mit dem im Steinkohlenbergbau eingesetzten Polyurethansystem Bevedan/Bevedol N und dem speziell für die Versuche neuformulierten, niedriger viskosen Polyurethansystem Bevedan/Bevedol NLW durchgeführt.
 
Aufgrund der dabei gewonnenen Ergebnisse wurde festgestellt, dass beide Polyurethansysteme erfolgreich bei der Verfestigung und/oder Abdichtung von Lockergestein im Korngrößenbereich mit einem Schluffanteil mit ca. < 15 % in Abhängigkeit von der Lagerungsdichte einsetzbar sind. Je nach Kornverteilung und Porengröße des zu injizierenden Lockergesteins sind sowohl im bodenfeuchten als auch im wassergesättigten Zustand einaxiale Druckfestigkeiten von über 50 N/mm² zu erzielen. Je geringer die Porengröße im Lockergestein ist, umso weniger schäumt das injizierte Mittel auf und umso größer wird die Festigkeit.
 
Durch die Einbeziehung von Wasser in die chemische Reaktion entsteht keine Trennschicht aus Wasser zwischen Polyurethan und dem Korn. Außerdem findet durch die nachträgliche Volumenvergrößerung eine Art Selbstinjektion kleinster Poren statt [8].
 
Maßgebend für die Homogenität und damit auch für die Festigkeit des Injektionskörpers ist in jedem Fall die Porengrößenverteilung innerhalb der Lockergesteinsmatrix.
 
Lockergestein mit einem Schluffanteil > 15 % ist mit Polyurethan nur unter Anwendung hoher, mit einem Packer jedoch nie erreichbarer Injektionsdrücke injizierbar. Die Injektion unter diesen Bedingungen würde zwangsläufig zu Verformungen der Leitungszone, zur Lageänderung der Rohre bzw. Ausweitung bereits vorhandener Schäden führen und scheidet deshalb für den vorliegenden Anwendungsfall aus.
 
Lockergestein des Mittel- bis Grobkiesbereiches (8-63 mm) ist bei geringem Injektionsdruck unter Wassersättigung mit den herkömmlichen Systemen und im trockenen Zustand nur mit schnell reagierenden PUR-Systemen erfolgreich zu verfestigen. Bedingt durch die Porengrößen erreichte der Injektionskörper nur eine einaxiale Druckfestigkeit von 1 N/mm².
 
Die nach Herstellerangaben beim Janßen-Verfahren erreichbaren Druckfestigkeiten des injizierten Bodens in Höhe von 5 bis ca. 19 N/mm² sind nach diesen Ergebnissen nur realisierbar, wenn die Leitungszone aus einem Boden mit einer Kornverteilung zwischen 0,063 bis 2,0 mm (Sand) besteht.
 
2.3.3 Beurteilung
 
Geotechnische Injektionsverfahren mittels Packersystemen, wie das Janßen-Verfahren [12], versprechen bei komplexen Rissbildungen in der Rohrwandung mit Hohlraumbildung auch bei Deformationen nicht nur eine Abdichtung, sondern auch eine statische Ertüchtigung des Rohr-Boden-Systems an der Schadensstelle.
 
Das Verfahrenskonzept basiert auf dem Gedanken, durch Injektion eines 2-Kompenten-Polyurethansystems in den umliegenden Bodens einen außenliegenden Injektionskörper zu schaffen, der die Dichtheits- und Tragfunktion des ursprünglichen Rohrabschnitts vollständig übernimmt. Grundvoraussetzung für die Anwendung eines solchen Verfahrens ist das Vorhandensein einer Hohlraumstruktur im angrenzenden Lockergestein mit untereinander verbundenen Porenräumen. Die Ausbildung des Injektionskörpers hängt also maßgeblich von der Schadenscharakteristik und der Hohlraumstruktur des umgebenden Lockergesteins in der Leitungszone ab (vgl. 2.3.1). Zur Herstellung eines rohrumlaufenden Injektionskörpers, welcher die Anforderungen an die Dichtheit und Tragfähigkeit des geschädigten Rohrschaftes oder Haltungsabschnittes erfüllt, sind gezielte und auf die geologische und hydrogeologische Situation abgestimmte Injektionen durch systematisch angeordnete und künstlich hergestellte Injektionsöffnungen notwendig, was aufgrund des hierfür erforderlichen Aufwandes kaum vertretbar bzw. aufgrund der Vorschädigung des Rohrschaftes technisch nicht realisierbar ist.
 
Ist die injizierbare Hohlraumstruktur in der Leitungszone nicht vorhanden, muss sich der Anwender darauf verlassen, dass das durch entsprechenden Druck injizierte Injektionsmittel diese Abdichtungsfunktion trotzdem ausreichend verlässlich ausfüllt, indem es sich durch entsprechende Verdrängung die notwendigen Räume schafft. Eine sichere Kontrolle der Größe und Qualität des Injektionskörpers von innen ist in beiden Fällen mit zerstörungsfreien Prüfmethoden nicht möglich.
 
Zudem wird die Haftung der Injektionsmittel an den Rissflanken maßgeblich beeinflusst von deren Oberflächenbeschaffenheit. Gerade bei komplexen Rissbildungen bzw. Scherbenbildung (ohne klar definierte Rissflanken), d. h. den wichtigsten Anwendungsfällen des packerbasierten geotechnischen Injektionsverfahrens, ist eine Haftgrundvorbereitung nicht möglich, so dass der Kraftschluss bzw. die Haftzugfestigkeit durch Schmutzstoffe/Fette/Öle nicht garantiert werden kann. Auch aus diesem Grund muss der Injektionskörper im Lockergestein maßgeblich die Trag- und Abdichtungsfunktion übernehmen. Dass dennoch Dichtheitsprüfungen nach DIN EN 1610 [18] bei der Abnahme so durchgeführter Reparaturmaßnahmen bestanden werden, kann u.a. mit dem verbliebenen Überschussharz an der Rohrinnenfläche im Zusammenhang stehen. Hier fehlen diesbezügliche Dichtheitsnachweise von in Betrieb befindlichen, injizierten Schadenstellen nach mehrmaliger Hochdruckreinigung und Ablösen der Überschussharzschicht. Die Notwendigkeit dafür zeigen die Untersuchungen des IKT [15], bei denen mit dem Janßen-Verfahren reparierte Schadensstellen nach der Hochdruckreinigung leichte Unebenheiten aufwiesen. Zum Teil lösten sich dünne Harzschichten von der Rohrwand. Obwohl davon ausgegangen werden kann, dass es sich hierbei um überschüssiges Harz handelt und damit nicht unmittelbar die Dichtheit betroffen sein sollte, können nach Einschätzung des IKT Abflussbehinderungen jedoch nicht ausgeschlossen werden.
 
Die IKT-Untersuchung [15] ergab ferner, dass beim Janßen-Verfahren die vom Hersteller angegebene Einsatzfähigkeit unter Grundwasserzutritt und Außenwasserdruck nicht nachgewiesen werden konnte.
 
Anzumerken bleibt, dass die IKT-Untersuchungen [15] auf Laborversuchen mit definierten Randbedingungen basieren. Die im Abschnitt 2.3.1 beschriebenen geologischen und hydrogeologischen Unwägbarkeiten, die maßgeblichen Einfluss auf das Injektionsergebnis haben, konnten dabei nicht abgebildet werden.
 
3 Zusammenfassung
 
Die Kenntnis über den hohen Sanierungsbedarf in den Entwässerungsnetzen und die daraus begründeten gesetzlichen Auflagen (z. B. Selbstüberwachungsverordnung) führten insbesondere in den letzten 15 Jahren zu einer intensiven Auseinandersetzung mit dem baulichen Zustand der Netze und geeigneten Sanierungslösungen. In diesem Zusammenhang wurden zahlreiche neue Sanierungsverfahren entwickelt und vorhandene Verfahren immer weiter optimiert.
 
Im Bereich der Reparaturverfahren führten die Negativerfahrungen bei der Anwendung und den Ergebnissen der geotechnischen Injektionsverfahren sowie die technischen Weiterentwicklungen auf dem Gebiet der Reparaturverfahren allmählich zu einer Ablösung der Injektionsverfahren, welche die Anfangszeit partiellen Sanierungen dominierten. Inzwischen können alternativ mithilfe der Bauwerksinjektion (Rissinjektion in Grossprofilen), Robotersystemen, aber auch Innenmanschetten etc. auf die spezielle Schadenssituation optimal angepasste und bezüglich ihrer Funktionsfähigkeit und Standzeit gut zu beurteilende Sanierungen durchgeführt werden.
 
Die Zielstellung geotechnischer Injektionsverfahren ist eine Abdichtung und Verfestigung des umliegenden Bodens, welche jedoch ohne Vorerkundungen nicht verifiziert belegt werden kann. Problematisch bei diesen Verfahren ist, dass die Reaktion bzw. Aushärtung des Injektionsmittels im umliegenden Boden nur schwer abschätzbar ist. Form und Struktur des Injektionskörpers sind u. a. von der zufälligen Geometrie der Schadensstellen und der zumeist unbekannten Hohlraumstruktur der heterogenen Leitungszone abhängig. Eine gleichmäßige Umhüllung des geschädigten Rohres und damit eine statische Ertüchtigung des Rohr-Boden-Systems kann folglich, wenn überhaupt, nur mit sehr hohem, ökonomisch nicht vertretbarem Aufwand realisiert werden.
 
Insgesamt kann mithilfe geotechnischer Injektionsverfahren sowohl bei der Abdichtung von Rohrverbindungen (Muffeninjektion) als auch bei der Riss- und Scherbeninjektion keine definierte Qualität des Endproduktes und somit auch keine dauerhafte Wiederherstellung der Dichtheit und/oder Tragfähigkeit im betreffenden Schadensbereich gewährleistet werden.
 
Angesicht der hohen Ansprüche an die Dichtheit und Tragfähigkeit der Entwässerungsnetze und der inzwischen weiter entwickelten Sanierungstechniken im nichtbegehbaren Nennweitenbereich, sind geotechnische Injektionsverfahren deshalb nicht mehr als eigenständiges Sanierungsverfahren zu betrachten. Vielmehr haben sie ihren berechtigten Stellenwert als Interimsmaßnahme, z. B. zur temporären Vorabdichtung oder Rückverformung geschädigter Rohre vor der eigentlichen, die Anforderungen an die Stabilität, Betriebssicherheit, Dichtheit und Dauerhaftigkeit erfüllenden Sanierung. In diesen Fällen leisten sie einen entscheidenden Beitrag zur Schaffung beherrschbarer Randbedingungen für den erfolgreichen Einsatz der eigentlichen Sanierung.
Literatur
 
[1] DIN EN 752: Entwässerungssysteme außerhalb von Gebäuden (04.2008).
[2] Berger, C.; Falk, C.: DWA-Umfrage 2009: Zustand der Kanalisation in Deutschland, Korrespondenz Abwasser (KA), (2011)
[3] Bildmaterial und Visualisierungen Prof. Dr.-Ing. Stein & Partner GmbH, Bochum
[4] ATV-DVWK-M 143-8: Sanierung von Entwässerungssystemen außerhalb von Gebäuden – Teil 8: Injektionsverfahren zur Abdichtung von Abwasserleitungen und -kanälen (08.2004).
[5] DIN 4093: Baugrund; Einpressen in den Untergrund; Planung, Ausführung, Prüfung (09.1987).
[6] Bundesanstalt für Straßenwesen (bast): Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinie für Ingenieurbauten ZTV-ING. Verkehrsblatt Verlag, Dortmund, (Ausgabe 12.2007).
[7] DIN EN 12715: Ausführung von besonderen geotechnischen Arbeiten (Spezialtiefbau) – Injektionen (10.2000).
[8] Stein, D.: Instandhaltung von Kanalisationen. 3. überarbeite Auflage, Verlag Ernst & Sohn, Berlin (1998).
[9] BDZ2003: Bundesverband der Deutschen Zementindustrie e. V.: Füllen von Rissen – Zement-Merkblatt Betontechnik (B 26 6.2003). Bauberatung Zement (06.2003).
[10] Deutscher Ausschuss für Stahlbeton: DafStb-Richtlinie Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen (Instandsetzungs-Richtlinie) – Teil 2: Bauprodukte und Anwendung (10.2001).
[11] Osebold, R., Beyert, J., Sindermann, Th.: Sanierung von Grundleitungsnetzen mit dem Flutungsverfahren – Dauerhaftigkeit und Wirksamkeit (Teil 2). Tiefbau Ingenieurbau Straßenbau (TIS), H. 1-2, S. 26 (2006).
[12] Firmeninformation Franz Janßen GmbH, Kalkar.
[13] Firmeninformation Umwelttechnik Strobel GmbH, Krauchenwies.
[14] Beyert, J., Vennekötter, J.: Kostengünstige Erhaltung von Kanalisationen. Korrespondenz Abwasser 56 (KA), H. 12, S. 1128-1235 (2009).
[15] IKT – Institut für Unterirdische Infrastruktur: IKT-Warentest „Reparaturverfahren für Hauptkanäle“, Gelsenkirchen (2009).
[16] Grabenlose Kanalsanierung für punktuelle Schäden. 3R international 36 (1997), H. 7, S. 380.
[17] Maidl, B., Stein, D., Kubicki, K.: Mittel zur Herstellung von Injektionen im Lockergestein. In: Taschenbuch für den Tunnelbau 1984, Glückauf-Verlag, Essen 1983, S. 383-407.
[18] DIN EN 1610: Verlegung und Prüfung von Abwasserleitungen und -kanälen (10.1997).
[19] Howard, A. K.: Auswahl und Prüfung von Böden für erdverlegte Rohrleitungssysteme. Internationale Tagung von Kanalbaufachleuten - feugres, 21.- 24.09.1986, Baden-Baden.
[20] Lehr- und Handbuch der Abwassertechnik. Band I: Wassergütewirtschaftliche Grundlagen, Bemessung und Planung von Abwasserableitungen. 3. überarbeitete Aufl. 1982; Band II: Entwurf und Bau von Kanalisationen und Abwasserpumpwerken. St. Augustin, Hrsg.: Abwassertechnische Vereinigung e.V. (ATV), Berlin/München: Verlag von Wilhelm Ernst & Sohn, 3. überarbeitete Aufl. 1982.
[21] Stein, D.; Kaufmann, O.: Dichtheitsprüfungen an bestehenden Abwasserkanälen nach dem Merkblatt ATV-M 143 Teil 6 (Entwurf). Korrespondenz Abwasser (KA) 44, H. 9 (1997)
[22] Stein, D.: Tunnelvortrieb bei partiell schwierigem Gebirgsverhalten – Injektionsverfahren als Vorausmaßnahmen. In: Tunnelvortrieb bei partiell schwierigem Gebirgsverhalten – Vorausmaßnahmen und Bewältigung. IV. Kolloquium des Lehrstuhls für Bauverfahren und Baubetrieb , Ruhr-Universität Bochum 29.01.1987. Technisch-wissenschaftliche Mitteilungen Nr. 87-2 der Ruhr-Universität Bochum (06.1987).
[23] Stein, D., Kipp, B., Niederehe, W.: Partielle Sanierung von Abwasserleitungen unter Verwendung der Injektions- und Frästechnik. Korrespondenz Abwasser (KA) 33, H. 2, S. 113-118 (1986).
[24] DIN 18136: Baugrund - Untersuchung von Bodenproben - Einaxialer Druckversuch (11.2003).

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