Baugrundrisiko beim Rohrvortrieb

12.04.2007

Der Erfolg eines jeden Rohrvortriebes hängt von der sicheren Beherrschung des Baugrundes und der hierin liegenden Risiken ab. Trotz dieser grundlegenden Erkenntnis, der Erarbeitung von technischen Vorschriften und Richtlinien, der Weiterentwicklung der Maschinentechnik sowie einer verfeinerten Mess- und Steuerungstechnik kommt es immer wieder beim Rohrvortrieb zu Schäden, die entweder unmittelbar den Vortrieb selbst oder das Umfeld, zum Beispiel bestehende Infrastruktur oder Bauwerke, betreffen. Die Ursachen sind vielfältiger Natur, lassen sich aber überwiegend auf die vorherrschenden Baugrundverhältnisse zurückführen, die entweder nicht zutreffend ermittelt, beschrieben, planerisch umgesetzt und/oder ausführungstechnisch berücksichtigt wurden.

Die nachfolgenden Ausführungen beschreiben die im Baugrund vorhandenen Risiken und zeigen auf, wie diesen Risiken durch richtige Baugrundgutachten begegnet werden kann.
1. Einleitung
Bei allen Baumaßnahmen des Hoch- und Tiefbaues bestehen im Hinblick auf den Erfolg stets Risiken. Besonders hohe Risiken sind bekanntlich im Tunnelbau gegeben, wozu auch der Rohrvortrieb gehört. Risiko bedeutet in diesem Zusammenhang Wagnisse bzw. Gefahren, die infolge von Unsicherheiten und Unwägbarkeiten bei der Ausführung des Rohrvortriebes bestehen. Qualitativ kann das Risiko sehr wohl beschrieben werden. Im Hinblick auf die Quantifizierung des Risikos, das sich aus der Versagenswahrscheinlichkeit (Bild 1) und dem Schadensausmaß ergibt, bestehen Unwägbarkeiten jedoch allein unter Berücksichtigung der Baugrundverhältnisse, das heißt der Materialeigenschaften und deren Streuung, der Modellbildung des Baugrundes und der hierfür maßgeblichen Randbedingungen im Hinblick auf Geometrie, Berechnung und Bemessung und nicht zuletzt auch unter Berücksichtigung der Ausführungsart, der Ausführungsqualität, Überwachung usw.. Die Gründe für das Eintreten eines Schadens (Bild 2) sind vielfältiger Art. Sie können aber im wesentlichen wie folgt zusammengefasst werden:
  • Nichtbeachtung technischer Vorschriften
  • Zeitdruck und technische Schwierigkeiten bei der Abwicklung des Bauvorhabens, auch schon während der Planungsphase
  • Unstimmigkeiten zwischen Planung, Entwurf und Ausführung
  • Mangelnde Qualitätskontrolle
  • Nachlässigkeiten bei der Bauausführung
  • Mangelnde Ausbildung und Erfahrung des Baupersonals (vom Ingenieur bis zum Hilfsarbeiter)
  • Keine ausreichende Erkundung des Baugrundes und der Gründungsbedingungen
Nach Untersuchungen des Institutes für Bauforschung e. V., Hannover, [8] sind mehr als die Hälfte aller Schadensfälle auf Planungsfehler und vor allem eine unzureichende Baugrunduntersuchung zurückzuführen. Vor dem Hintergrund des vorhandenen Risikos bei einem Rohrvortrieb ist aber gerade eine gezielte, der Bauaufgabe angemessene Baugrunduntersuchung zwingend erforderlich.
2. Technische Anforderungen an den Rohrvortrieb
Ziel des Rohrvortriebs ist es, Vortriebs-/ Produktrohre von einem Startschacht aus durch den Baugrund in eine Zielbaugrube vorzutreiben. Der zu durchfahrende Baugrund stellt für den Vortrieb die maßgebliche Ausführungsrandbedingung und damit im Hinblick auf die Risiken das maßgebliche Risiko dar. Es ist völlig unzureichend, den Baugrund nur im Bereich von Start- und Zielschacht aufzuschließen und hieraus auf den Baugrund zwischen den beiden Schächten zu schließen. Vielmehr sind die Untergrundverhältnisse im Bereich der Vortriebsstrecke gezielt zu untersuchen, so dass mögliche Unwägbarkeiten wie Baugrundschichtung, Boden-/Felsarten, Grundwasser, mögliche Hindernisse aus Baulichkeiten, Auffüllungen und vieles andere mehr weitestgehend ausgeschlossen werden können (Bild 3).
Dabei ist den geotechnischen Fragestellungen beim Rohrvortrieb gemäß Bild 4 zu entsprechen. Hierzu zählen neben den Ein- und Auswirkungen, um nur einige zu nennen, auch Belastungen auf den Vortrieb, die Vortriebswiderstände und die Rohrbeanspruchung im Bau- und Endzustand, die sich aus der Überdeckung, der Baugrundschichtung und den Grundwasserverhältnissen ergibt. Um dem zu genügen, sind verschiedene technische Regelwerke und Richtlinien erarbeitet worden, die weiterentwickelt und fortgeschrieben werden. Hierzu zählen insbesondere die Arbeitsblätter des DWA A 125 [3], A 127 [4] und A 161 [5], in denen zum einen die Rohrvortriebsverfahren und zum anderen Berechnung und Bemessung der Vortriebsrohre geregelt werden.
In DIN 18 319 werden Boden- und Felsklassen für Rohrvortriebsarbeiten genannt (Bild 5). Sie erlauben die Einordnung in unterschiedliche Schwierigkeitsklassen für den Rohrvortrieb und die zweckmäßige Wahl des Vortriebsverfahrens durch das ausführende Unternehmen. Die oben genannten Regelwerke stellen die Grundlage für eine umfassende Planung dar, die das Baugrundrisiko für die Rohrvortriebsarbeiten minimieren und so den technischen wie wirtschaftlichen Erfolg sichern sollen. Ohne die Kenntnisse der anstehenden Baugrund- und Grundwasserverhältnisse ist die Wahl eines geeigneten, zielführenden Rohrvortriebsverfahrens unmöglich, denn durch die Eigenschaften von Boden und Fels, dem Vorhanden- oder Nichtvorhandensein von Grundwasser, den Einflüssen aus Auffüllungen und Altlasten sowie dem Eintritt von Hindernissen, zum Beispiel in Form von Baulichkeiten, werden die maßgeblichen Parameter bestimmt, beispielsweise für die Ortsbruststützung, die Überwindung der Rohrmantelreibung, Beherrschung von Hindernissen, die Vermeidung unerlaubter Setzungen, die Beherrschung des Grundwassers usw..
Klassen der Lockergesteine nichtbindig (LN), Korngröße ≤ 63mm
Lagerung Lockergestein nichtbindig
eng gestuft weit oder intermittierend gestuft
Klasse Klasse
locker LNE 1 LNW 1
mitteldicht LNE 2 LNW 2
dicht LNE 3 LNW 3
5 Boden- und Felsklassen nach DIN 18 319. Quelle: Placzek
Klassen der Lockergesteine bindig (LB), Korngröße ≤ 63mm
Konsistenz Lockergestein bindig
mineralisch organogen
Klasse Klasse
breiig-weich LBM 1 LBO 1
steif-halbfest LBM 2 LBO 2
fest LBM 3 LBO 3
5 Boden- und Felsklassen nach DIN 18 319. Quelle: Placzek
Zusatzklassen
Massenanteil der Steine Steingröße
bis 300 mm bis 600 mm
Klasse Klasse
bis 30 % S 1 S 3
über 30% S 2 S 4
5 Boden- und Felsklassen nach DIN 18 319. Quelle: Placzek
Klassen der Festgesteine
einaxiale Druckfestigkeit MN/m2 Festgestein
Trennflächenabstand im Dezimeterbereich Trennflächenabstand im Zentimeterbereich
Klasse Klasse
bis 5 FD 1 FZ 1
über 5 bis 50 FD 2 FZ 2
über 50 bis 100 FD 3 FZ 3
über 100 FD 4 FZ 4
5 Boden- und Felsklassen nach DIN 18 319. Quelle: Placzek
3. Verbleibende Risiken
Jedem Bauherrn, jedem Planer, jedem Fachingenieur und jedem ausführenden Unternehmen muss bewusst sein, dass für den Tunnelbau bzw. für den Rohrvortrieb die Baugrundeigenschaften weitergehender und viel umfänglicher als für übliche Gründungen und normale Tiefbaumaßnahmen ermittelt werden müssen. Beim Rohrvortrieb kommt es im Gegensatz zu Baumaßnahmen mit normalem Schwierigkeitsgrad nicht allein auf die globalen Baugrundverhältnisse an, sondern vielmehr auf die im Einzelnen unmittelbar an der Ortsbrust anstehenden Untergrundbedingungen (Bild 6).
Eine detaillierte, räumliche, voll umfängliche Ermittlung dieser Untergrundbedingungen ist naturgemäß aufgrund der zur Verfügung stehenden Untersuchungsmethoden jedoch nicht möglich. So stellt jede Schlussfolgerung aus Einzeluntersuchungen immer nur eine Prognose dar, die natürlich mit zunehmender Anzahl von Einzeluntersuchungen präziser wird, ohne jedoch voll umfänglich zutreffend sein zu können.
Hierin besteht ein in der Natur der Sache liegendes unvermeidbares Restrisiko, das so genannte Baugrundrisiko, das in der von vornherein beschränkten Aussagefähigkeit der geotechnischen Untersuchungen begründet ist. Darüber hinaus ist der Baugrund einschließlich seiner Inhaltsstoffe ein so komplexer, von der Natur vorgegebener Werkstoff, dass er in seiner Gesamtheit nur näherungsweise mit Hilfe technischer Modellbildungen beschrieben werden kann.
Werden bei der Ausführung des Rohrvortriebs Baugrund- und Grundwasserverhältnisse vorgefunden, die von den nach Baugrundgutachten zu erwartenden Verhältnissen abweichen und dies trotz bestmöglicher, den Regeln der Technik entsprechender Erkundung der Baugrundverhältnisse und trotz Erfüllung aller Prüfungsund Hinweispflichten der Baubeteiligten, so ist das echte Baugrundrisiko eingetreten. In Bild 7 ist ein Beispiel für ein echtes Baugrundrisiko dargestellt. Für einen Rohrvortrieb DN 2 000 wurden Baugrundaufschlüsse entsprechend der Regelwerke und technischen Vorschriften im Abstand von 50 m ausgeführt. Die Bohrungen ergaben ein vergleichsweise einfaches Baugrundmodell mit gleichmäßiger Schichtung, bestehend aus oberflächennahen Auffüllungen und darunter gewachsenen Sanden. Bei der Bauausführung wurde zwischen den Bohrungen B 103 und B 104 lokal eine Vertiefung der Auffüllungen festgestellt, die bis in den Vortriebsbereich hineinreichten. Sie war bei der Baugrunderkundung durch Bohrungen nicht erkannt worden. In diesem konkreten Fall hatte sich das Baugrundrisiko verwirklicht. Hier wurde nach den Regeln der Technik und bestmöglicher Erkundungsmethodik der Baugrund untersucht und die Prüfungs- und Hinweispflichten erfüllt und dennoch traten bei der Bauausführung Abweichungen vom erwarteten Baugrund auf.
Sind in einem Baugrundgutachten Mängel enthalten, ist es nicht vollständig, nachvollziehbar und widerspruchsfrei, so ergibt sich zwar hieraus ein Risiko, bei dem es sich aber nicht um das echte Baugrundrisiko handelt. Denn in diesem Fall wurde das Baugrundgutachten nicht mit bestmöglicher, den Regeln der Technik entsprechender Methodik erstellt. Das Baugrundrisiko darf aber auch nicht mit dem so genannten Systemrisiko verwechselt werden. Hierunter versteht man das sich Einstellen eines Mangels im Zuge der Bauarbeiten oder das sich Einstellen eines Schadens, ohne dass sich das Baugrundrisiko verwirklicht, und dies trotz bestmöglicher technischer Ausführungen nach dem Stand der Technik [7].
4. Beherrschung der Risiken durch richtige Baugrundgutachten
Für den Erfolg des Rohrvortriebs und zur Minimierung des Risikos ist die Erstellung richtiger Baugrundgutachten unabdingbar, da sie neben der technischen Relevanz auch von elementarer vertraglicher Bedeutung sind. Unter „richtig“ ist in diesem Zusammenhang nicht zu verstehen, dass zum Beispiel die Kenngrößen des Baugrundes richtig ermittelt werden. Vielmehr ist mit „richtig“ in diesem Zusammenhang gemeint, dass die für die Beurteilung des Rohrvortriebes maßgeblichen Parameter zutreffend ermittelt werden und dass die für den Rohrvortrieb (einschließlich Planung, Berechnung, Kalkulation und Ausführung) aus den ermittelten Baugrundeigenschaften sich ergebenden Einflüsse zutreffend unter Berücksichtigung der begrenzten Bestimmungsgenauigkeiten und der notwendigen Praktikabilität in einem Baugrundgutachten festgestellt werden. Für viele Bauherrn, Planer, Fachingenieure und ausführende Unternehmen ist oft unklar, was eigentlich unter einem Baugrundgutachten zu verstehen ist und welchen Zweck es erfüllen soll. In diesem Zusammenhang wird auf die europäische Normung verwiesen, bei der unter den Structural Eurocodes TC 250, in EN 1990 „Basis of design for structural Eurocodes“ auch der Eurocode EN 1997 mit der Überschrift „Geotechnical Design“ subsummiert wird, der in 3 Teile unterteilt ist. Teil 1: Geotechnische Planung; Teil 2: Laborversuche; Teil 3: Feldversuche. Die Erkenntnisse fließen in den so genannten „Geotechnical Report“, das Baugrundgutachten ein (Bild 8). Es setzt sich zusammen aus dem Bodenoder Felsgutachten, das im wesentlichen einen geotechnischen Untersuchungsbericht darstellt, und dem Grund- oder Tunnelbaugutachten, das dem Gründungsgutachten entspricht und Schlussfolgerungen aus dem Untersuchungsbericht für die bautechnische Planung und Ausführung herleitet, hier im konkreten Fall für den Rohrvortrieb.
Während das Boden- und Felsgutachten die geologische und hydrogeologische Situation, die Ergebnisse der Feld- und Laborversuche sowie die sich daraus ergebende Baugrundbeschreibung von Boden und Fels, Grundwasser, Altlasten usw. beinhaltet, enthält das spezifische Grundbauund Tunnelbaugutachten Einzelheiten, zum Beispiel zur Baugrubensicherung und deren Bemessung, zu Abdichtungen, zur Grundwasserhaltung, zur Herstellung der Start- und Zielschächte, deren Auskleidung, Vorgaben für die statische Berechnung und Bemessung, ebenso geotechnische Angaben zum Rohrvortriebsverfahren, Maßnahmen bei zu unterfahrenden Bauwerken usw..
 
Entsprechend der geltenden Regelwerke, hier z. B. DIN 1054 [1] in Verbindung mit DIN 4020 [2], müssen für jede Bauaufgabe Aufbau und Beschaffenheit von Boden und Fels im Baugrund sowie die Grundwasserverhältnisse ausreichend bekannt sein. Hierdurch soll die Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit des Bauwerkes auch im Bauzustand und seine Auswirkungen auf die Umgebung sicher beurteilt werden. In jedem Fall sind geotechnische Untersuchungen projektbezogen auszuführen. Diese haben sich selbstverständlich an den geologischen Gegebenheit und der im Laufe der Untersuchungen gewonnenen Erkenntnisse zu orientieren. Dabei ist der für die geotechnischen Untersuchungen einzuschaltende Baugrundsachverständige (Sachverständiger für Geotechnik) über alle maßgebenden Fragestellungen entsprechend dem jeweiligen Planungs- und Ausführungsstand zu informieren, damit die geotechnischen Untersuchungen auch dem Anforderungsprofil des geplanten Rohrvortriebs entsprechen.
Gemäß Bild 9 ist der Baugrund unter Berücksichtigung der Tatsache, dass er zum einen Baustoff und zum anderen Bestandteil des Tragwerkes ist, durch den Baugrundgutachter (Sachverständiger für Geotechnik) zu untersuchen, zu beschreiben, zu begutachten, zu beurteilen, zu berechnen, zu prüfen, zu überwachen und zu dokumentieren; nicht nur planungs-, sondern auch ausführungsbegleitend. Das Ziel seiner Tätigkeiten gilt vorrangig der Sicherung der technischen Bearbeitung der Bauaufgabe und ihrer Durchführung, u. z. im Hinblick auf Machbarkeit und Wirtschaftlichkeit. Aufgrund der zuvor beschriebenen Aufgaben muss der Sachverständige für Geotechnik nicht nur fachkundig sein, sondern über hinreichende Erfahrungen auf dem Gebiet der Geotechnik und des Bauwesens und hier speziell des Rohrvortriebs verfügen.
Bei Rohrvortrieben handelt es sich stets um Baumaßnahmen mit hohem Schwierigkeitsgrad und damit der höchsten geotechnischen Kategorie 3, bei der stets ein Sachverständiger für Geotechnik einzuschalten ist. Zur Beurteilung des Baugrundverhaltens im Hinblick auf die Rohrvortriebsarbeiten sind Baugrunduntersuchungen notwendig, um das Baugrundgutachten so abzufassen, dass alle relevanten Schichten erfasst, der Baugrund bis in ausreichende Tiefe aufgeschlossen und in ausreichendem Umfange untersucht wird. Darüber hinaus ist eine Beurteilung des zeitabhängigen Verhaltens notwendig, ebenso sind schwankende Grundwasserstände und Aussagen zu einem möglichen Quellen und Schwinden des anstehenden Baugrundes zu treffen. Natürlich gehören hierzu die klassischen Untersuchungen bei Lockergesteinen, wie zum Beispiel Kornverteilung, Konsistenzgrenzen, Wassergehalt, Scherparameter usw., und bei Fels, wie zum Beispiel Wasserandrang, Klüftung, Lage geologischer Schichtgrenzen, einaxiale Druckfestigkeit, Scherparameter des Gebirges, E-Modul des Gesteins, Verformungsmodul des Gebirges usw.. Darüber hinaus sind aber auch Angaben zum Mineralbestand, zur Wasserempfindlichkeit, Klebrigkeit, zum primären Spannungszustand, möglichen Kontaminationen und zur Gebirgstemperatur erforderlich. Die Angaben sind durch einen ausreichend qualifizierten Sachverständigen für Geotechnik im Hinblick auf das Lösen, Laden und Deponieren, im Hinblick auf die Sicherung der Ortsbrust bzw. Ortsbruststützung beim Rohrvortrieb, die Wasserhaltung, die Bewetterung und den Verschleiß der Abbauwerkzeuge u. ä. für die jeweilige Baumaßnahme zu bewerten.
5. Ausblick – Zielsetzung
Der immer stärker werdende Wettbewerb zwischen den Bauunternehmen, der Verlust an qualifizierten Mitarbeitern auf Auftraggeber- wie auf Auftragnehmerseite hat in der Vergangenheit zu einer Reihe von Schadensfällen geführt. Auch ist verstärkt zu beobachten, dass infolge des harten Wettbewerbs Bauunternehmen Aufträge mit unauskömmlichen Preisen einwerben bzw. aus Existenzgründen einwerben müssen und den hierdurch entstandenen wirtschaftlichen Nachteil durch ein intensives Nachtragsmanagement auszugleichen versuchen. Hierzu wird sehr häufig das so genannte Baugrundrisiko fälschlicherweise bemüht. Vielen Bauherren ist bei Auftragsvergabe die Tragweite ihrer Entscheidung nicht bewusst, dass nicht der Preis über den Erfolg der ausgeschriebenen Maßnahme entscheidet. Hier gilt es, die beste technische Lösung für die jeweilige Aufgabenstellung zu finden, zu beauftragen und angemessen zu honorieren. Nur so wird es zukünftig möglich sein, Nachtragsauswüchse oder gar Schäden weitestgehend zu vermeiden. Die eigentliche Bauaufgabe muss wieder in den Vordergrund rücken und als gemeinsame Bauaufgabe verstanden werden. Deshalb gilt es für die Zukunft, folgende Ziele zu erreichen:
  • Risikobewusstsein bei Bauherren schärfen
  • Normen und Regelwerke anwenden
  • Sachverständige für Geotechnik planungs- und baubegleitend einschalten
  • Richtige Baugrundgutachten erstellen lassen
  • Ausbildung der am Bau Beteiligten verbessern, sowohl auf Seiten der Bauherren wie auf Seiten der Planer, Fachingenieure und ausführenden Unternehmen
  • Qualitätskontrollen nach dem Vieraugenprinzip durchführen lassen
  • Staatlich anerkannte Sachverständige für Erd- und Grundbau, für die geotechnische/ erdstatische Prüfung einschalten
  • Technisch beste Lösung zur Minimierung des Baugrundrisikos beauftragen und ausführen
Da in den nächsten Jahren eine Vielzahl von Rohrvortriebsarbeiten auch unter schwierigsten Bedingungen ausgeführt werden müssen und für die Beherrschung der Baugrundverhältnisse sehr unterschiedliche Vortriebsverfahren zur Verfügung stehen, kommt der Beurteilung des Baugrundrisikos und der Erstellung der Baugrundgutachten besondere Bedeutung zu.
Literatur
[1] DIN 1054 (2005): Baugrund. Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau.
[2] DIN 4020 (2003): Geotechnische Untersuchungen für bautechnische Zwecke
[3] ATV – A 125 (1996): Grabenloser Rohrvortrieb. Regelwerk der Deutschen Vereinigung Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall (DWA)
[4] ATV – A 127 (2000): Statische Berechnung von Abwasserkanälen und -leitungen. Regelwerk der Deutschen Vereinigung Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall (DWA)
[5] ATV – A 161 (1990): Statische Berechnung von Vortriebsrohren. Regelwerk der Deutschen Vereinigung Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall (DWA)
[6] Borchert, K.-M., Placzek, D. und Lächler, W. (2001): Anforderungen an Baugrundgutachten zur Beherrschung der Risiken. Beratende Ingenieure. Heft 7/8, Springer- VDI-Verlag, Düsseldorf
[7] Englert, K., Grauvogel, J. und Maurer, M. (2004): Handbuch des Baugrund- und Tiefbaurechts. Werner-Verlag, Düsseldorf
[8] Godehart, M., Rizkallah, V. und Vogel, R. (1995): Zur Abschätzung des Restrisikos einer Baumaßnahme. Institut für Bauforschung e. V. Hannover. Heft 11

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