Utility Tunnelling – Länger, Tiefer, Kurviger

04.01.2012

Das Utility Tunnelling, welches den Rohrvortrieb und das Microtunnelling umfasst, entwickelt sich weltweit zu der vorherrschenden Baumethode für Entwässerungsleitungen in Metropolen. Mit diesem Popularitätsgewinn geht die Forderung nach immer anspruchsvolleren Projekten einher. Einfach ausgedrückt, Utility Tunnelling Projekte erreichen immer größere Tiefen und Längen.

Beispielhaft hierfür sind u.a. die auch als „Deep Tunnel Sewerage System“ oder „Deep Gravity Tunnel“ bezeichneten Projekte in Singapore (PUP) und Deutschland (Emscher Genossenschaft), bei denen große Abwassersammler (DN/ID 1400 bis 2800) über 50 km und mehr vollständig grabenlos verlegt werden. Hinzu kommt die Forderung zum Auffahren von Kurven, S-Kurven bis hin zu mehreren Raumkurven innerhalb einer Haltung zur Optimierung der Trassenführung und Steigerung der wirtschaftlichen Wettbewerbsfähigkeit.
 
So begrüßenswert diese Entwicklung einerseits ist, ist es andererseits allerdings beängstigend festzustellen, wie wenig die zur statischen Berechnung und Bemessung angewendeten, in den verschiedenen Ländern gültigen Standards der Komplexität dieser Ingenieurbauwerke gerecht werden. Trotz der enormen Investitionskosten werden inzwischen verfügbaren Instrumente zur Qualitätssicherung nur selten in ausreichendem Umfang genutzt.
 
Die nachfolgenden Ausführungen befassen sich mit den kritischen Einflussparametern, die i.d.R. bei der Bemessung solcher Bauwerke nicht berücksichtigt werden, und liefern Lösungsvorschläge und Konzepte zur Qualitätssicherung, welche sowohl in der Planung- als auch in der Bauphase einsetzbar sind. Für Bauherren und Bauunternehmen gleichermaßen stellen sie einen Gewinn hinsichtlich Sicherheit, Wirtschaftlichkeit und Qualität dar.
 
1.1 Wo sind die Fehler- und Gefahrenquellen bei der Bemessung von Vortriebsrohren
  
Die Technik beim Utility Tunnelling hat in den letzten 30 Jahren gewaltige Fortschritte gemacht. Vortriebsstrecken mit Längen über 1000 m und mit S-Kurven sind keine Seltenheit mehr. Die internationalen Normen und Regelwerke zur Bemessung der beim Utility Tunnelling verwendeten Vortriebsrohre hat mit dieser Entwicklung nicht annähernd Schritt gehalten. Die bis heute gültigen Berechnungsannahmen ohne Berücksichtung der unvermeidbaren Steuerbewegungen und der (zulässigen) Fertigungstoleranzen für die Vortriebsrohre sowie der rechnerische Ansatz eines konstanten E-Moduls für den Druckübertragungsringes stoßen spätestens bei den eingangs erwähnten anspruchsvollen Utility Tunnelling Projekten an ihre Grenzen. Diese Beurteilung ist keine theoretische Annahme, sondern beruht auf umfangreichen Schadensgutachten, an den die Prof. Dr.-Ing. Stein & Partner GmbH und die Tochtergesellschaft S & P Consult GmbH als Sachverständigen Büros beteiligt waren. Ursächlich für viele Schäden war die Unkenntnis der tatsächlichen Beanspruchungszustände des Vortriebsrohres infolge der Pressenkräfte und Abwinkelungen in den Fugen. Die vermutlich noch 2011 erscheinende Neufassung des DWA-Arbeitsblattes wird zwar die wichtigsten Einflussfaktoren (Steuerbewegungen, Fertigungstoleranzen, Vorbelastung des Druckübertragungsringes) pauschal berücksichtigen, kann aber individuelle Vortriebssituationen nicht mit ausreichender Genauigkeit erfassen.
 
Gemäß dem heutigen Stand der Technik wird bei der Planung einer Vortriebsmaßnahme im Rahmen der statischen Nachweise in Ermangelung eines geeigneten Berechnungsverfahrens ein konstanter Elastizitätsmodul für den Druckübertragungsring verwendet, der wegen der zwangsläufig großen Ungenauigkeit weit auf der sicheren Seite gewählt werden muss. Somit stellt die statische Berechnung der Vortriebsrohre lediglich eine „Momentaufnahme“ des Vortriebes dar, wobei nur eine bestimmte Abwinkelung der Rohre, eine Vortriebskraft und insbesondere auch nur eine Steifigkeit des Druckübertragungsringes in Form des E-Moduls in die Berechnung eingehen. Das zeit- und beanspruchungsabhängige, hochgradig nichtlineare Werkstoffverhalten des Druckübertragungsringes aus Holz oder Holzprodukten bleibt dabei vollkommen unberücksichtigt (Bild 1). Eine Kontrolle der in der Statik getroffenen Lastannahmen und der Veränderungen des Druckübertragungsringes während des Vortriebes unterbleibt in der Regel vollkommen. Folglich bleibt die tatsächliche Beanspruchung der Vortriebsrohre und damit das jeweils aktuelle Sicherheitsniveau gänzlich unbekannt [1]. 
 
Bild 1: Druckübertragungsring vor und nach dem Vortrieb – die Reduzierung der Dicke des Drückübertragungsringes ist deutlich erkennbar (Quelle: S & P Consult GmbH 2011)
 
Die Folge sind entweder in der Länge begrenzte Vortriebsabschnitte, welche die Baumaßnahme unnötig verteuern, geringere zulässige Pressenkräfte mit der Folge einer längeren Bauzeit oder ein erhöhtes Risiko bezüglich einer Überbeanspruchung der Rohre beim Vortrieb. Trotz der in den Normen- und Regelwerken vorgeschriebenen kontinuierlichen Erfassung und Aufzeichnung der wichtigsten Vortriebsparameter wird eine baubegleitende Aktualisierung der statischen Berechnung mit einer Korrektur der zulässigen Vortriebskraft (erhöhend oder verringernd) unter Berücksichtigung der spezifischen Eigenschaften des Druckübertragungsringes bisher nicht durchgeführt.
 
Eine weitere Diskrepanz besteht zwischen geplanter und aufgefahrener Trasse. Für den Planer existieren nur die Gerade und der Kreisbogen. Der Maschinenfahrer muss diese mit den Steuerungsmöglichkeiten der Vortriebsmaschine und einem Rohrstrang, der eine Gelenkkette darstellt, in die Realität umsetzen. In Anhängigkeit vom Können des Maschinenführers, der Art und Zusammensetzung des Baugrundes, der Mess- und Steuertechnik gelingt dies mehr oder weniger gut. Die aufgefahrene Trasse entspricht in keinem Fall den jeweils geplanten, idealen Trassierungselementen Gerade und Kurve. Allein die unvermeidbaren, bei einer Änderung der Trassenkrümmung entstehenden klothoidenförmigen Übergangsbögen erzeugen eine Abweichung von der Sollachse, die mit zusätzlichen Steuerbewegungen kompensiert werden müssen. Einfach ausgedrückt, zu viele und/ oder zu große Steuerbewegungen führen schnell zu unplanmäßigen und erheblichen Erhöhungen der Vortriebskraft und im schlimmsten Fall zu so großen Abwinkelungen zwischen den Rohren, dass Überbeanspruchungen und damit Schäden an Vortriebsrohren nicht mehr auszuschließen sind.
 
1.2 Die Kette reißt am schwächsten Glied
 
Bild 2: Klaffende Fuge (Quelle: S & P Consult GmbH)
„Die Kette reißt am schwächsten Glied“ – diesen bekannten Satz auf die Gelenkkette „Rohrstrang“ angewendet, ist das schwächste Glied die Rohrverbindung. Die zentrale statische Problematik beim Rohrvortrieb ist die Übertragung der Vortriebskräfte von Rohr zu Rohr. Insbesondere bei Stahlbeton- und Steinzeugrohren krümmt sich bei Kurvenfahrten und Steuerbewegungen der Rohrstrang nicht kontinuierlich, sondern das „steife“ Rohr bleibt weitgehend gerade und in den Rohrverbindungen entstehen Abwinkelungen, die an unterschiedlichen Fugenspaltbreiten über den Umfang der Rohrverbindung erkennbar sind. Ist die Abwinkelung groß genug, bildet sich eine klaffende Fuge (Bild 2), wodurch sich die Druckübertragungsfläche verkleinert und die Kontakt-Druckspannungen zwangsläufig ansteigen.
 
Der Druckübertragungsring (DÜR) mildert diesen Effekt (s. Bild 2). Er wirkt spannungsreduzierend, da er sich aufgrund der geringeren Steifigkeit des Holzes oder Holzproduktes verformen kann und damit die zur Kraftübertragung verfügbare Kontaktfläche an den Rohrspiegeln vergrößert [2, 3, 4, 5, 6].
 
Je größer die Kräfte sowie die Anzahl und das Maß der Steuerbewegungen desto stärker wird der Druckübertragungsring weit über seine Elastizitätsgrenze hinaus beansprucht. Es entstehen plastische Stauchungen, die nicht reversibel sind und somit auch nach einer Entlastung bestehen bleiben (s Bild 1). Im Laufe einer Vortriebsmaßnahme wird jeder Druckübertragungsring vielfach be- und entlastet, wobei sich zudem ständig die Abwinkelung ändert. Er verändert dadurch seine Geometrie und verliert zunehmend seine lastverteilende Wirkung; er „verhärtet“.
 
Besonders häufig treten Schäden an der Außenseite der Rohre auf, da die Beanspruchung hier üblicherweise am höchsten ist. Insbesondere die Betondeckung der Bewehrung kann den hohen Kontaktdruckspannungen nicht standhalten und platzt ab. Dieser typische Schaden ist vielfach von der Innenseite der Rohre nicht erkennbar, stellt aber eine solch wesentliche Beeinträchtigung der Dauerhaftigkeit der Gesamtkonstruktion dar, dass nach einigen Jahren vor oder nach Ablauf der Gewährleitungsfrist mit noch massiveren Folgeschäden und erheblichem Sanierungsbedarf zu rechnen ist (siehe Bild 3). Hier wird nicht nur die Gebrauchfähigkeit (Funktion der Dichtung), sondern sogar die Standsicherheit (Korrosion der tragenden Bewehrung) beeinträchtigt.
 
Bild 3: Typische Überlastungsschäden an Vortriebsrohren – fatal für die dauerhafte Standsicherheit, aber von innen nicht erkennbar (Quelle: S & P Consult GmbH)
 
1.3 Stand der Technik bei der Berechnung der Rohrbeanspruchung
 
Eine genauere statische Berechnung der Rohrbeanspruchung unter Berücksichtigung des nichtlinearen Steifigkeitsverhaltens des Druckübertragungsringes ist zur Gewährleistung eines ausreichend hohen Sicherheitsniveaus bei gleichzeitiger Respektierung der wirtschaftlichen Vertretbarkeit unbedingt erforderlich. Wesentliche Eingangsparameter für eine ingenieurmäßige Berechnung der Rohrbeanspruchungen sind:
 
  • nichtlineares Steifigkeitsverhalten des Druckübertragungsringes unter Trennung des elastischen und des plastischen Verformungsanteiles,
  • Beanspruchungsgeschichte des Druckübertragungsringes zu jedem betrachteten Zeitpunkt,
  • Veränderung der Steifigkeit und der Geometrie des Druckübertragungsringes im Vortriebsverlauf,
  • zeitliche Entwicklung der Längskraft und
  • zeitliche Abfolge der durchfahrenen Trassengeometrie.
  
Die Auflistung macht deutlich, dass die Berechnung der Rohrbeanspruchungen nicht auf einen diskreten Zeitpunkt beschränkt werden darf, sondern insbesondere eine Berücksichtigung der o.g. Parameter während der Bauphase erfordert.
 
Erste wissenschaftliche Ansätze einer baubegleitenden Aktualisierung der Berechnungsannahmen anhand der von der Baustelle gelieferten Messwerte über die Methode der Finiten Elemente sind in [5] dokumentiert. Es folgten umfangreiche Untersuchungen des tatsächlichen Spannungs- Stauchungsverhalten von Druckübertragungsringen und die Auswertung von aufgetretenen Schäden bei durchgeführten Vortriebsmaßnahmen. Insbesondere die S&P Consult GmbH erforschte die mathematische Formulierung der theoretischen Berechnungsannahmen und entwickelte eine vollkommen neue Berechnungsmethode, die nicht nur die aktuellen Beanspruchungszustände während des Vortriebes zutreffend ermittelt, sondern eine Prognose für die noch aufzufahrende Reststrecke ermöglicht. Inzwischen ist auf dieser Grundlage ein praxiserprobtes, problemlos und kostengünstig installierbares Kontrollsystem namens CoJack entstanden, das Baufirmen und Auftraggebern eine webbasierte Onlinekontrolle der Rohrbeanspruchungen im Internet nahezu in Echtzeit ermöglicht [2, 7].
 
1.4 CoJack - Das statische Kontrollsystem in der Praxis
 
1.4.1 Was macht CoJack?
 
Mit dem von der S&P Consult GmbH, Bochum entwickelten statischen Kontrollsystem CoJack steht ein praxisgerechtes und leistungsfähiges Instrument zur Erhöhung der Sicherheit und Wirtschaftlichkeit von Rohrvortrieben zur Verfügung. Es berücksichtigt u.a. die im Abschnitt 1.3 aufgeführten Eingangsparameter, die einen hohen Einfluss auf die Rohrbeanspruchung haben, in den bisherigen Berechnungsverfahren aber vernachlässigt werden.
 
Mit diesem Programm war es 2004 erstmalig möglich, die ständig wechselnden Beanspruchungen von Rohren während des Vortriebes über eine statische Simulation zu ermitteln und darzustellen. Dabei werden die Beanspruchungen der Stahlbetonrohre an den Stirnflächen zu jedem Zeitpunkt des Vortriebes in Abhängigkeit von der Belastungsgeschichte des Druckübertragungsringes bestimmt, und es wird eine stets aktualisierte Prognose für die Rohrbeanspruchungen auf dem noch anstehenden Vortriebsteilabschnitt errechnet. Berücksichtigt werden dabei alle wesentlichen Eingangsparameter, wie das nichtlineare Steifigkeitsverhalten des Druckübertragungsringes, das sich bekanntlich unter der ständig wechselnden Belastung im Laufe des Vortriebes (Belastungshistorie) stark zur unsicheren Seite hin verändert [7]. Auf dieser Basis ermöglicht CoJack insbesondere:
 
  • Die Ermittlung der Beanspruchung der Rohre infolge von Einwirkungen in Richtung der Rohrachse
    • für jedes Rohr
    • zu jedem beliebigen Zeitpunkt des Vortriebes
  • Die sichere Nutzung erhöhter Vortriebskräfte im Bedarfsfall
  • Die sichere Fortsetzung des Vortriebes nach Steuerfehlern und nach Überschreitungen der Vortriebskraft
  • Betrachtung und Bewertung von Szenarien bezüglich der Entwicklung der Vortriebskraft und der Steuerung auf der noch aufzufahrenden Vortriebsstrecke (Reststrecke)
  • Eine lückenlose, vollständige und insbesondere nachvollziehbare Dokumentation des Vortriebes
  • Ständige und ortsunabhängige Beobachtung der Vortriebsdaten in grafisch aufbereiteter Form im Internet (mit Zugangsberechtigung)
  
Bild 4: Entwicklung der Vortriebskraft – Darstellung von Plan- und Baustellendaten (Quelle: S & P Consult GmbH)
Das große Interesse an einer Erhöhung der Kontrollierbarkeit und folglich auch der Sicherheit von anspruchsvollen Vortriebsmaßnahmen insbesondere seitens der Bauherren, aber auch seitens der Baufirmen führte zu einer steigenden Nachfrage an dieser Dienstleistung im In- und Ausland. Dadurch konnten wichtige Praxiserfahrungen gewonnen werden, die ihrerseits eine praxisgerechte Weiterentwicklung und Optimierung von CoJack ermöglichten.
 
Inzwischen erstreckt sich der Einsatz von CoJack auf alle drei wichtigen Phasen von Vortriebsmaßnahmen: Planung, Überwachung und Abnahme.
 
Im Rahmen der Planung erfolgt auf der Grundlage der meist vom Rohrhersteller erstellten Statik eine Vorab-Simulation des Vortriebs mit den Plandaten. Dabei wird die vorliegende Rohrstatik überprüft, verifiziert und ihr Gültigkeitsbereich definiert. Diese Vorgehensweise ist insbesondere deshalb erforderlich, da sich die Standardstatik nach dem ATV-A 161 [8] bekanntlich auf die Berechnung und Angabe einer einzigen zulässigen Vortriebskraft in Form eines Fixwertes für den gesamten Vortrieb beschränkt. Über die Entwicklung der zulässigen Vortriebskraft und insbesondere bezüglich zulässiger Steuerbewegungen werden in der Regel keine Aussagen getroffen. Diese fehlenden, für die Ausführung der Baumaßnahme aber unverzichtbaren statischen Vorgaben liefert CoJack. Ausgehend von der erwarteten Vortriebskraft (rote Linie in Bild 4) wird nicht wie üblich lediglich ein Fixwert für die zulässige Vortriebskraft definiert (blaue Linie), sondern es wird eine lineare Grenzkurve vorgegeben (grüne Linie), die während des Vortriebes nicht überschritten werden sollte.
  
Bild 5: Verlauf der Krümmung des Rohrstranges – Darstellung von Plan- und Baustellendaten (Quelle: S & P Consult GmbH)
Analog dazu wird der planmäßige Krümmungsverlauf des Vortriebes (rote Linie im Bild 5) mit den erwarteten Steuerbewegungen (blaue Linie) überlagert. Damit ergibt sich ein Bereich für zulässige Krümmungen des Rohrstranges als Grenzwerte für die Ausführung.
 
In der Regel ergibt die Simulation des anstehenden Vortriebs, dass die in der Rohrstatik angegebene zulässige Vortriebskraft unverändert gelten kann. Es können aber nun zugehörige Grenzen für das Maß und die Häufigkeit von Steuerbewegungen angegeben werden. Damit werden die Bedingungen definiert, unter denen die zulässige Vortriebskraft gilt. Nur in Ausnahmefällen muss die in der Rohrstatik angegebene zulässige Vortriebskraft moderat gesenkt werden, um praxisgerechte Steuerbewegungen zu erlauben.
 
Das Hauptanwendungsgebiet von CoJack ist aber die baubegleitende Simulation und Kontrolle der Rohrbeanspruchungen. Dazu wird auf der Baustelle eine spezielle Sensorik installiert, die die erforderlichen Messwerte erfasst (s. Bild 6) und per Internet in Echtzeit auf den Server von S&P übermittelt (s. Abschnitt 1.4.2). Die Messwertkurven werden zusammen mit den zugehörigen Grenzen grafisch aufbereitet im Internet dargestellt. Darüber ermöglich diese moderne Übertragungstechnik eine sehr zeitnahe statische Neu-Simulation des Vortriebes.
 
In der Regel werden die im Rahmen der Planung festgelegten Grenzwerte eingehalten, so dass hier CoJack lediglich eine zusätzliche Kontrolle und Dokumentation bietet und damit insbesondere der statischen Absicherung dient.
 
Gelegentlich treten aber während des Vortriebes unerwartete, in der Planung nicht berücksichtigte Ereignisse auf, die ohne die CoJack-Begleitung vielfach zu spät bemerkt werden und in der Folge zu Schäden an den Rohren, einem längeren Stillstand oder sogar zum Abbruch des Vortriebs führen können.
 
1.4.2 Messdaten ersetzen Plandaten
 
Bei der Begleitung des laufenden Vortriebes ist CoJack auf präzise und aktuelle Messwerte von der Baustelle angewiesen. Dazu haben Partnerfirmen (ILM, Stolberg; VMT, Bruchsal und Centerline, Wesel) und auch einige Baufirmen speziell auf die Anforderungen von CoJack ausgerichtete Meßsysteme entwickelt, deren Sensorik kontinuierlich und automatisch die Vortriebsparameter aufnimmt, archiviert und an den Server der S & P Consult überträgt. Dort werden die Daten vom statischen Kontrollprogramm CoJack abgerufen und es erfolgt eine Visualisierung der Messdaten sowie der Berechnungsergebnisse im Internet. Damit ist gewährleistet, dass die Informationen zeitnah in aufbereiteter Form zur Verfügung stehen. Dabei ist es sogar möglich, den Vortrieb online in Echtzeit zu verfolgen und auf
Bild 6: Messdatenerfassung und Datenaustausch mit CoJack (Quelle: S & P Consult GmbH)
Veränderungen frühzeitig zu reagieren.
 
Die integrierte Aufzeichnung der aktuell anliegenden Pressenkräfte an Haupt- und Dehnerstationen ermöglicht die lückenlose und übersichtliche Dokumentation der online ermittelten Kräfte in Bezug auf einen bestimmten Zeitpunkt und/oder eine bestimmte Vortriebsstation.
 
Die Messsysteme arbeiten vollkommen autark, d.h. unabhängig vom installierten Steuerleitsystem und können somit auf jeder Vortriebsbaustelle unmittelbar nach Vortriebsbeginn installiert werden. Dazu wird lediglich ein Zeitfenster von ca. 5 Stunden benötigt, in dem nicht vorgetrieben werden kann, wobei die Installation natürlich in die Vortriebspausen in der Nacht oder am Wochenende gelegt werden kann.
 
Die Sensorik besteht in der Regel aus den folgenden Komponenten:
  • Wegsensoren zur Messung der Fugenspalte (s. Bild 8)
  • Wegsensoren zur Messung der Rohrverkrümmung (nur bei GFK-Rohren, s. Bild 8)
  • Drucksensoren zur Messung der Drücke an den Pressstationen (s. Bild 10)
  • Wegsensoren zur Messung der Ausfahrung der Pressstationen (s. Bild 10)
  • Messrad zu Bestimmung der zurückgelegten Vortriebsstrecke (s. Bild 9)
  
In ausgewählten Rohrfugen werden Wegsensoren zur Überwachung der Fugenspalte installiert. In jeder Messfuge werden mindestens drei Sensoren montiert und kalibriert. In der Regel werden zwei oder drei Messfugen unmittelbar hintereinander angeordnet. Die Wegsensoren (weiße Pfeile in Bild 7) ragen ca. 8 cm radial ins Rohrinnere und haben eine Länge von ca. 35 cm. Eine zusätzlich erforderliche Box (roter Pfeil in Bild 7) mit den Seitenlängen von 32 cm x 32 cm ragt ca. 10 cm ins Rohrinnere.
 
Nach vollendeter Kalibrierung transformiert das System die gemessenen Fugenspaltmaße auf die Positionen Kämpfer, Scheitel und Sohle (s. Bild 7).
 
Bild 7: links: Sensorik zur Messung der Fugenspalte (oben Messfuge mit drei Wegmessnehmern (weiße Pfeile) und Messbox (roter Pfeil), rechts: Detail Fugen-Wegmessnehmer (Quelle: S & P Consult GmbH)
Bild 8: Anordnung von Wegsensoren zur Messung der Fugenspalte bei Stahlbeton- und GFK-Rohren. Untere Darstellung zeigt die Positionierung der Messnehmer bei GFK-Vortriebsrohren mit den zusätzlichen Wegsensoren zur Messung der Rohrverkrümmungen bei GFK-Rohren (Quelle: S & P Consult GmbH)
 
In die Hydraulikleitungen an der Hauptpresse und den Dehnerstationen werden Drucksensoren eingebunden (s. Bild 10). Diese erfassen die tatsächlich aufgebrachten Drücke, woraus das Fugenmesssystem die daraus resultierenden Kräfte der jeweiligen Pressen berechnet.
 
Bild 9: Zusätzliches Messrad zur Ermittlung des Vortriebsfortschrittes (Quelle: S & P Consult GmbH)
Bild 10: Sensorik an der Zwischenpressstation: Drucksensor (rechts) zur Messung der Drücke bzw. Kräfte, Wegsensor (Mitte) zur Messung der Dehnerbewegungen (Quelle: S & P Consult GmbH)
 
Alle Messdaten werden über ein einziges Datenkabel und die Controller Unit an den Systemrechner übertragen und dort angezeigt. Die Abspeicherung erfolgt individuell wählbar zeit- oder stationsabhängig bzw. in Abhängigkeit der Dehner- oder Hauptpressenbewegungen.
 
1.4.3 Den Vortrieb im Internet beobachten
 
Die Ergebnisse der statischen Simulation mit CoJack werden auf drei Visualisierungsebenen dargestellt:
 
  • Baustellenrechner mit Bildschirm auf Wunsch unterstützt durch eine auffällige Ampel
  • Kurzberichte mit einer verbalen Bewertung der Mess- und Berechnungsergebnisse sowie gegebenenfalls Vortriebsempfehlungen
  • Internet zur aktuellen Online-Information aller Beteiligten zu jeder Zeit an jedem Ort
 
 Nicht nur auf dem Baustellenrechner, sondern auch ortsunabhängig auf jedem beliebigen Computer können mit der entsprechenden Zugangsberechtigung (Benutzername, Passwort) per Internet (Bild 11) die gerade aktuellen Messdaten abgerufen und visualisiert werden, so dass neben dem Baustellenpersonal z.B. auch der Bauleiter und der Auftraggeber im Büro jeder Zeit über den aktuellen Stand des Vortriebes inkl. der wichtigsten Vortriebsparameter informiert sind. Die Kurven werden ständig mit den aktuellen Messwerten ergänzt.
 
Die Diagramme im Internet zeigen
  • den Verlauf der tatsächlich aufgebrachten Vortriebskraft (inkl. aktuellem Grenzwert)
  • den Verlauf der Trassenkrümmung als Fugenspaltdifferenz zwischen den Kämpfern
  • (inkl. den aktuellen Grenzwerten)
  • den Verlauf der Kuppen und Täler als Fugenspaltdifferenz zwischen Scheitel und Sohle (inkl. den aktuellen Grenzwerten)
  
Alle Kurven können wahlweise über die Vortriebslänge oder über die Zeit dargestellt werden, wobei der Betrachter beliebige Positionen heranzoomen und detailliert betrachten kann.
 
Bild 11: Visualisierung der Messdaten und Berechnungsergebnisse im Internet (Quelle: S & P Consult GmbH)
 
1.4.4 Interaktion mit der Baustelle – die Ampel macht’s möglich
 
Eine praxisnahe, vereinfachte Darstellung der Ergebnisse stellt die „Ampel“ dar. Grundsätzlich können die mit CoJack simulierten Vortriebe in 4 Fallgruppen entsprechend Tabelle 1 eingeteilt werden:
 
Tabelle 1: Fallgruppen der Simuationsergebnisse
Fallgruppe Ereignis Maßnahme
A
 Alle Messwerte blieben in den Grenzen der Vorberechnung keine
B Steuerbewegung außerhalb der zulässigen Grenzen Fortsetzung des Vortriebes unter neuen Bedingungen
C Überschreitung der zulässigen Vortriebskraft Fortsetzung des Vortriebes unter neuen Bedingungen
D Mehrere Steuerbewegung außerhalb der zulässigen Grenzen und Überschreitung der zulässigen Vortriebskraft (Nachberechnung) Gezielte Untersuchung bestimmter Rohre auf Schäden
 
Grüner Bereich: Alle Vorgaben für den Vortrieb entsprechen der Vorabsimulation wurden eingehalten. Die Rohrbeanspruchung war ständig unterhalb des zulässigen Niveaus (Fallgruppe A).
 
Gelber Bereich: Die zulässigen Steuerbewegungen (Fallgruppe B) oder die zulässigen Vortriebskräfte (Fallgruppe C) wurden soweit überschritten, dass der Vortrieb eigentlich unter- oder abgebrochen werden müsste. Mit CoJack kann jedoch nachgewiesen werden, dass zum Zeitpunkt des Eintritts noch keine Überbelastung eingetreten ist. Darüber hinaus bestätigt die statische Simulation der noch aufzufahrenden Reststrecke (Prognose) mit aktualisierten Plandaten und unter Berücksichtigung der „Vorschädigung“ des Druckübertragungsringes, dass der Vortrieb mit zusätzlichen Auflagen fortgesetzt und erfolgreich beendet werden kann.
 
Roter Bereich: Das Eintreten dieses Bereiches soll durch CoJack vermieden werden. Hier überschreiten die Rohrbeanspruchungen die zulässigen Grenzwerte. Die erforderliche Sicherheit gegenüber der Bruchfestigkeit des Betons wird unterschritten und es ist mit Schäden zu rechnen. 
Bild 12: Funktionsschema von Cojack (Quelle: S & P Consult GmbH)
Dieser Fall trat bisher nur bei Nachberechnungen bereits abgeschlossener, kritischer Rohrvortriebe ein, die nicht mit CoJack begleitet wurden.
 
Das Funktionsschema von Cojack ist dem Bild 12 zu entnehmen. Es stellt die drei Prozessphasen dar: Baustelle mit der Datenerfassung und –übermittlung (CoJack-Sync). Die statische Simulation (Cojack-Calc) und die Ausgabe der Ergebnisse an die Baustelle (Ampel) und via Internet (CoJack-Online).
 
Weitere Dienstleistungen sind die Berichtserstellung und auf Wunsch eine fachliche Beratung.
 
1.4.5 Einsatzbeispiel – Ohne CoJack wär’s schief gegangen
 
Das Kontrollsystem CoJack hat sich bei zahlreichen Vortriebsmaßnahmen in den vergangenen Jahren bewährt. In vielen Fällen ermöglichte CoJack lediglich eine lückenlose und auch bequeme Kontrolle der Vortriebsdaten im Internet. Bei einigen Vortrieben mit problematischem Verlauf wurde CoJack aber richtig gefordert und konnte zeigen, dass die verhältnismäßig geringe Investition in das Kontrollsystem sehr viel wert werden kann.
 
Dies soll das folgende Beispiel verdeutlichen:
 
Bei einem ca. 250 m langen Vortrieb mit mehreren planmäßigen Krümmungswechseln traten infolge eines Steuerfehlers bereits 20 m hinter dem Startschacht Abwinkelungen in den Rohrfugen auf, die das zulässige Maß um das Doppelte überschritten. Es war offensichtlich, das alle weiteren Rohre diesen Knick passieren mussten und dass natürlich die Längskraft von Rohr zu Rohr steigen würde. Die sofort durchgeführte Simulation mit einer aktualisierten statischen Prognose für den gesamten Vortrieb zeigte natürlich, dass die zulässige Vortriebskraft infolge des Steuerfehlers abgesenkt werden musste.
 
Bild 13: Vortriebsbegleitende Simulation (Vortriebsstand 170 m) für das Rohr 3 mit Plandaten und statischer Prognose für die Reststrecke (Quelle: S & P Consult GmbH)
Infolge des geringen Abstandes der Problemstelle vom Startschacht waren die Druckübertragungsringe unmittelbar vor dem Knick aber noch so wenig verpresst (plastisch verformt), dass sie ihrer Aufgabe der Lastverteilung ungewöhnlich gut nachkommen konnten. Aus diesem Grunde fiel der Absenkung der zulässigen Vortriebskraft so moderat aus, dass der Vortrieb ohne Verzögerung fortgesetzt und problemlos abgeschlossen werden konnte.
 
Das Bild 13 zeigt beispielhaft für das dritte Rohr bei einem Vortriebsstand von 170 m die zu diesem Zeitpunkt bereits eingetretenen Beanspruchungen (links von 170 m) und die Ergebnisse der statischen Prognose (rechts von 170 m). Die Spannungen im Knick blieben infolge der geringen Vortriebskraft weit unter den zulässigen Werten. Die dadurch eingetretene Vorschädigung des Druckübertragungsringes war aber gering, so dass lediglich eine moderate Anpassung der zulässigen Vortriebskraft erfolgen musste.
 
Bild 14: Vortriebsbegleitende Simulation (Vortriebsstand 240 m) für das Rohr 50 mit Plandaten und statischer Prognose für die Reststrecke (Quelle: S & P Consult GmbH)
Das Bild 14 zeigt dieselbe Simulation kurz vor Abschluss des Vortriebes für das höchstbeanspruchte Rohr (Rohr 50), das sich genau im Knick befand als die maximale Vortriebskraft aufgebracht wurde. Die in diesem Fall sehr ausgeprägte Verpressung des Druckübertragungsringes hatte allerdings keine Folgen im weiteren Vortriebsverlauf, da dieses Rohr nicht mehr weit geschoben werden musste und vor Erreichen der zweiten Kurve seine Endlage bereits erreicht hatte.
 
Die Maßnahme konnte mit zeitnaher Begleitung durch CoJack und erhöhter Sorgfalt bei der Steuerung ohne Verzögerung erfolgreich beendet werden. Ohne CoJack wäre der Knick bei Station 20 möglicherweise nicht bemerkt worden und man hätte ohne Absenkung der zulässigen Vortriebskraft Überbeanspruchungen und damit Schäden in den Vortriebsrohren erzeugt. Wäre der Knick trotz fehlender Fugenmessung bemerkt worden, hätte man den Vortrieb sofort stoppen müssen und eine statische Überprüfung in Auftrag geben müssen. Eine angepasste „normale“ Statik hätte aber nun so kleine zulässige Vortriebskräfte ergeben, dass der Vortrieb nach dem Stillstand nicht oder nur mit Mühe hätte fortgesetzt werden können.
 
Alle Beteiligten waren nach dem erfolgreichem Abschluss der Baumaßnahme der Meinung, dass CoJack den Vortrieb gerettet hat.
  
2 Zusammenfassung
 
Das Utility Tunnelling, welches den Rohrvortrieb und das Microtunnelling umfasst, entwickelt sich weltweit zu der vorherrschenden Baumethode für Entwässerungsleitungen in Metropolen. Diese sehr anspruchsvolle Bauverfahrenstechnik erfordert, wie zahlreiche Schadensfälle national und international zeigen, eine über die aktuellen Standards und Normen hinausgehende fachliche Betrachtung und Behandlung bei der Planung, Bauausführung und Qualitätssicherung.
 
Umfangreichen Praxiserfahrungen haben nachgewiesen, dass mit dem von der Prof. Dr.-Ing. Stein & Partner GmbH und der S & P Consult GmbH entwickelten statischen Kontrollsystem CoJack diese neuen Vorgaben voll erfüllt werden. Mit CoJack steht sowohl den Bauherren als auch den Baufirmen eine zuverlässige statische Kontrollmöglichkeit und eine kurzfristige Entscheidungshilfe bei der Beurteilung von unerwarteten Ereignissen während des Vortriebs zur Verfügung. Damit gewährleistet CoJack selbst bei schwierigen Utility Tunnelling Projekten die Vermeidung von unnötigen Stillständen sowie ein Höchstmaß an Sicherheit und Wirtschaftlichkeit durch mehr Transparenz und einen größeren aktiven Handlungsspielraum auf einer bisher nicht verfügbaren Entscheidungsbasis.
 
Neben den Bauherren nutzen auch besonders qualitätsbewusste Vortriebsfirmen CoJack zur Sicherung ihres wirtschaftlichen Erfolges. Sie haben erkannt, dass CoJack eine wichtige Entscheidungshilfe ist, wenn es darum geht, den Rohrvortrieb zu optimieren und sowohl höchste Qualität zu liefern als auch technische Maßnahmen wie Dehnereinsatz gezielt nur dann zu nutzen, wenn es wirklich erforderlich ist. So macht CoJack den Rohrvortrieb nicht nur sicherer, sondern auch schneller, kostengünstiger und damit wirtschaftlicher. Diese Vorteile nutzt auch die Emschergenossenschaft beim eingangs erwähnten Bau von Europas größtem Abwasserprojekt, dem „Emscher Kanal“.
 
Autoren
 
Dr.-Ing. Robert Stein
Prof. Dr.-Ing. Stein & Partner GmbH
robert.stein@stein.de
Tel. +49 234 5167-113
 
Dr.-Ing. D. Beckmann
S & P Consult GmbH
dietmar.beckmann@stein.de
Tel. +49 234 5167-181
[1] Stein, D.: Trenchless Technology for Installation of Cables and Pipelines, Prof. Dr.-Ing. Stein & Partner GmbH, Bochum 2005, ISBN 3-00-014955-4
[2] Beckmann, D., Stein, R., Fabri, T.: CoJack – statische Online-Überwachung von Rohrvortrieben TIS (20 ), H S.
[3] Scherle, M.: Zwängungsbeanspruchungen beim Rohrvortrieb im Locker﷓ und Festgestein. Dissertation, Neu-berg 1990.
[4] Vogler, G.: Rohrvortrieb – Beanspruchung von Vortriebsrohren bei Kurvenfahrten. BFT (2002), H. 7, S. 50–61.
[5] Buchhardt, A.: Untersuchungen zur Spannungsverteilung zwischen Vorpressrohren. bi umweltbau (2002), H. 2, S. 6–13 (Teil 1) und H. 3, S. 4–15 (Teil 2).
[6] Stein, D.: Grabenloser Leitungsbau. Verlag Ernst & Sohn, Berlin 2003.
[7] Beckmann, D.: CoJack- Praktische Erfahrungen mit der statischen Online-Kontrolle bei Rohrvortriebsmaß-nahmen, TIS
[8] ATV-A 161: Statische Berechnung von Vortriebsrohren, Verlag DWA, Ausgabe: 01 1990

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