Technik

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msterdam baut eine neue Metro-Linie, die „Noord/Zuidlijn“(Nord/Süd-Line). Das Herz von

Amsterdam, die historische Innenstadt,soll mit dieser Verbindung direkt an dienördlichen und südlichen Stadtteile an-gebunden werden. Mit einer Gesamt-länge von 9,7 km verläuft die Metro,von Norden aus gesehen, über dieStationen Buikslotermeerplein, Johanvan Hasseltweg, Centraal Station, Rokin,Vijzelgracht, Ceintuurbaan und Eu-ropaplein zur Station Zuid/WTC. InAbbildung 1 ist der Streckenverlaufdargestellt.

Die beiden nördlichen Stationen werdenoberirdisch erstellt. Im weiteren Verlaufwird die Strecke über 7,5 km, davon 3,8km bergmännisch aufgefahren, unter

Vakuumbrunnentechnik bei der U-Bahn AmsterdamGrundwassermanagement n Im Rahmen der Ausbauarbeiten des Streckennetzes der Unter-grundbahn in Amsterdam ist eine besondere Aufgabe zu bewältigen: Für den Bau einer U-Bahn-Station erfordert die Sicherung des Baugrundes die Entspannung eines kritischen Aquifers. DasProblem wird durch Einbau von 80 Vakuumtiefbrunnen in Tiefen von bis zu 44 Metern gelöst.

A

Abb. 2 Längsschnitt der Station Vijzelgracht, Endzustand

dem IJ, der Centraal Station sowie derInnerstadt bis zum Europaplain unter-irdisch verlaufen. Die abschließendeStation Zuid/WTC besteht bereits undbietet wie die Centraal Station Um-stiegsmöglichkeiten zu den bestehendenAmsterdamer Metros sowie Regional-und Fernverkehrszügen. Im April 2003wurde mit der Ausführung begonnen.Die ersten Bahnen werden die Streckevoraussichtlich im Jahre 2017 passierenkönnen.

Die Station VijzelgrachtAn der Station Vijzelgracht ist dieHölscher Wasserbau GmbH mit demGrundwassermanagement beauftragt.Vijzelgracht zählt neben Rokin undCeintuurbaan zu den tiefsten Stationen(ca. 30 m Aushubtiefe) der Strecke. Die

ungefähr 18 m breite Metrostation er-streckt sich über eine Länge von 270 m.Abbildung 2 zeigt einen Längsschnittder geplanten Metrostation. Es wurdeeine Schlitzwandbox erstellt, deren Ele-mente bis in eine Tiefe von ca. 45 mabgeteuft wurden. Die Schlitzwändesind wechselseitig mit einhergehenderUmlegung des Verkehrs errichtetworden. Um den Straßenverkehr überdie Bauzeit aufrecht erhalten zu könnenund die Umgebung nicht übermäßigzu beeinflussen, wurde die Deckelbau-weise ausgewählt. Unter dem stetigenAushub in der Baugrube wurden Aus-steifungslagen sowie die planmäßigeZwischendecke eingebaut. Nach demAushub auf die finale Tiefe werden dieTunnelbohrmaschinen die Vijzelgrachtpassieren. Im Endzustand sollen in der

Abb. 1 Streckenverlauf Noord/Zuidlijn

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Brunnenbau

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Station auf der untersten Ebene dieBahnen der Metro verkehren. Der Raumüber der eigentlichen Metrohaltestellesoll eventuell teilweise als automati-sierte Parkgarage genutzt werden.

GeologieIm Zentrum der Stadt Amsterdam imBereich der Station bzw. BaugrubeVijzelgracht stehen maritim sedimen -tierte Lockergesteine in dieser Abfolgean:

• Oberflächenniveau ungefähr 1,0mNAP („Normaal Amsterdams Peil“entspricht müNN),• bis zu einer Tiefe von -2,0 mNAPAnfüllung,• bis -4,5 mNAP Hollandveen,• bis -7,0 mNAP Oude Zeeklei,• wechsellagige Meeressedimente bis -12,5 mNAP,• bis -14,0 mNAP 1. Sandschicht,• bis -17,5 mNAP Alleröd-Sedimente,• bis -26,0 mNAP 2. Sandschicht,

• bis -28,5 mNAP Übergangsschicht,• dann die entscheidende Meeres-ablagerung als nahezu undurchlässigeSchicht des sogenannten Eemkleis biszur Basis von -40,0 mNAP im Nordenund -41,0 mNAP im Süden der Bau -grube.

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großes Gefährdungspotenzial für einenhydraulischen Grundbruch dar. DerDurchlässigkeitsbeiwert kf liegt im Mittelbei 10-5 bzw. in den Grenzbereichenzwischen 2 • 10-6 bis 2 • 10-5. Bei derZwischensandschicht handelt es sichgeotechnisch um einen Feinstsand mit15 bis 20 Prozent Schluffanteilen.Darunter stehen die glazialen Drenthe -und Warvenkleie in einer Gesamt-mächtigkeit von 9,0 m an, bevor diewasserführende und gespannte 3. Sand-schicht beginnt. Die Boden schichtungist mit dem Bauwerksquerschnitt in Abbildung 3 dargestellt.

AufgabenstellungDie mit dem vorhandenen Messstellen -netz ermittelten Ruhewasserstände derZwischensandschicht liegen im Nordenbei -10,0 mNAP und im Süden bei

-17,0 mNAP. Im 2. artesischen Aquifer,der dritten Sandschicht, sind Druck-höhen von -2,5 mNAP festgestelltworden. Die hydrogeologische Situationwird in Abbildung 3 verdeutlicht. DieseWasserstände führen bei dem erfor -derlichen Maximalaushub bis -32,0mNAP zu einer Grundbruchgefahr. DasGrundwassermanagement der HölscherWasserbau GmbH umfasst die im Bau-prozess vorgesehene Entspannungs-wasserhaltung der Zwischensandschicht,die zusätzlich zur Hauptwasserhaltung(Wasserhaltung der vom Aushub be-troffenen Sandschichten) notwendigist. Die 3. Sandschicht bleibt unberührt.Generell können so zwei maßgebendeVersagensbedingungen, zum einen ein Aufbrechen des Bodens aus derZwischen sandschicht und zum anderenaus der dritten Sandschicht heraus,

formuliert werden. Die aus den großenBaugrubenabmessungen resultierendeAnzahl der erforderlichen Absenk-brunnen der Zwischensandschicht sollendie Gefahr eines Grundbruchs aus dieserverringern. Der anstehende Feinstsandmit dem geringen Durchlässigkeitsbei-wert führte zu dem technischen Vor-schlag, die Absenkbrunnen als Vakuum -tiefbrunnen zu installieren. Somit konn-te Sicherheit durch eine verbesserteEnt wässerung und eine erweitertebodenstabilisierende Wirkung durchdie Vakuumbeaufschlagung erreichtwerden. Als weiteres Sicherungssystemwird ab der Aushubtiefe von -26,0mNAP zusätzlich eine Überdruckanlageden Baugrund gegen Aufbruch resul -tierend aus der 3. Sandschicht heraus absichern.

Eine weitere Anforderung war die Ver-wendung größtmöglicher Brunnen-abstände sowie Vermeidung von Platzie -rungen in der Baugrubenmitte. Damitsollte ein schneller und wirtschaftlicherAushub garantiert werden. Des Wei-teren bestand die Herausforderung ander Sicherstellung der kurz gestecktenAusführungstermine für die Brunnen-installation, um die Aushub- undBetonierarbeiten nicht zu behin dern.Dies konnte durch eine logistisch an-spruchsvolle Arbeitsteilung mehrererBohrtrupps sichergestellt werden.

Erschwerend zu den vorher genanntenBedingungen mussten bohrtechnischdie gespannten Wasserstände derZwischensandschicht beherrscht wer -den. Dazu wurde vorlaufend der Be-stand der Filterstrecken im Aquifergenutzt, um druckentlastende Pump-arbeiten durchzuführen. Damit konntendie Bohrungen sicher abgeteuft undmit Brunnenausbaumaterial sowie Kiesund Abdichtungsmaterialien saubereingebracht werden.

Das SystemDie oben genannten Anforderungenkonnten durch Verwendung eines Sys -tems bestehend aus Vakuumtiefbrunnenund komplexer Steuerungstechnik erfülltwerden. Vakuumtiefbrunnen sind Tief-brunnen mit einer zusätzlichen Beauf-schlagung von Unterdruck auf denBrunnenraum. Somit wird auch auf denzu entspannenden Grundwasserleiter

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Abb. 3 Geologische und hydrogeologische Aspekte zum Bauwerk

AnfüllungHollandveen

Oude Zeeklei

1. Sandschicht

Alleröd Sedimente

2. Sandschicht

Übergangsschicht

Eemklei

Zwischensandschicht

Drenthe-Klei

Warve-Klei

3. Sandschicht

0 mNAP

-20 mNAP

-30 mNAP

-40 mNAP

-45 mNAP

Überdruck abAushubniveau-26 mNAP

Injektionssohle =Endaushubniveau

18 m

1. Artesischer AquiferDruckhöhe: -10 mNAP

2. Artesischer AquiferDruckhöhe: -2,5 mNAP

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Brunnenbau

die Charakteristik der Absenkwirkungverändert. Das Entspannungsgefällewird im angewandten System durch dieAufbringung von Unterdruck erhöht.Der wirksame Brunnenraum und dieAbsenkkurven verändern sich. Dies istfür einen größeren Wasserandrang sowieeine größere Entspannungswirkung ver-antwortlich. Das führt zu einem er-weiterten, konstanten Anströmungs-bereich an der Entnahmestelle, imGegensatz zur Absenkspitze der Schwer-kraftentwässerung (Abb. 4).

Durch die größere abzupumpendeWassermenge, die proportional zumEntspannungsgefälle ansteigt, wird eingeringerer Maximalwert der Druckhöhein der Baugrube erreicht bzw. bei größe -rem Brunnenabstand das gleiche Ab-senkniveau. Vergrößerte Brunnenab -stände ermöglichen die weitgehendeFreihaltung des Baugrubenraums.

In der ersten Betriebsphase ermöglichtdie Vakuumwasserhaltung allein denAushub von -22,5 mNAP bis -26 mNAP.In der anschließenden Aushubphase bis zur Endtiefe auf -32 mNAP wird die Baugrube zusätzlich mit Druck-luft beaufschlagt, um die Sicherheit gegen einen Bodenaufbruch vollstän-dig zu gewährleisten. Die Größe des indie Baugrube eingeleiteten Überdruckes hängt von der durch das Grund wasser -manage ment erreichten Druckhöhe der

Zwischen sandschicht und der Druck-höhe der 3. Sandschicht ab. Da beideSysteme aufeinander abgestimmt wer -den können, bieten sie die größtmög -liche Sicherheit. Dabei bleibt fest-zuhalten, dass das Druckluftsystemallein nicht wünschenswert wäre unddass nur die Entspannung nicht dievolle Sicherheit garantieren könnte. Beieiner alleinigen Entspannung würdeder Druck der unter liegenden, nichtentspannten 3. Sandschicht zum Pro-blem werden. Eine Baugrundsicherung

nur mit dem Überdrucksystem würdezu hohen Überdrucken führen und die Arbeitszeiten im Überdruckraumaus arbeitsschutztechnischen Gründenstark reduzieren und so einen wirt-schaftlichen Bauprozess nicht ermög -lichen.

Aufbau der Grundwasser-management Anlage:Brunnen In dem zur Verfügung stehenden Zeit-fenster wurden zunächst von der

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Abb. 5 Bohrarbeiten in der Station VijzelgrachtAbb. 4 Vergleich Schwerkraftent-wässerung und Vakuumentwässerung

AbsenkkurveSchwerkraftentwässerung

AbsenkkurveVakuumentwässerung

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Bohrebene -20,5 mNAP bis ungefähr -34,0 mNAP die Bohrungen mit zweiBohranlagen mit 380 mm Durchmesserim Direkt-Spülbohr-Verfahren vor-gebohrt und stabilisierend mit PVC-Rohren DA 315 verrohrt. Der Ringraum380 x 315 mm wurde mit Brunnen -dämmer abgedichtet. Im Rollsystemwurden dann mit zwei leichten Direkt-Spülbohranlagen und mit zeitlich vor-laufender Grundwasserdruckentlastungdurch Entspannung über den zuvor ge-bohrten Brunnen die Bohrungen miteinem Durchmesser von ca. 300 mmauf die Endteufe von -44,5 mNAP ab -geteuft (Abb. 5). Es wurden keineSpülungs zusätze verwendet. Nach Er -reichen der Endteufe und vor Einbau desBrunnenausbaumateriales erfolgte derTotalspülungsaustausch gegen Klar-wasser. Durch die vorlaufenden Pump-arbeiten und die dadurch erreichtenDruckentlastungen in der Zwischen -sandschicht konnte der Einbau der Edel-stahlwickeldrahtfilter DN 100 mit Schlitzweiten von 0,1 mm und einerEinbaulänge von 4,0 m sicher erfolgen.Die Brunnenvollrohre wurden in PEHDausgeführt, um mechanische Schä -den durch Erdbaufahrzeuge wäh rend der Aus hubphase zu vermeiden. DieMuffen verbindungen wurden druck-und vakuumfest gewählt.

automatisch oder per Handeingabe ein-und ausgeschaltet werden können. Dabeiwird jede einzelne Pumpe separat ge-steuert. Durch diese Art der Steuerungsoll eine möglichst hohe Leistungs-fähigkeit erreicht und ein Ausfallmehrerer Pumpen zum gleichen Zeit-punkt verhindert werden. Die auto-matische Steuerung erfolgt über die deneinzelnen Brunnen vorgegebenen Ein-und Ausschaltwasserstände, die durch indie Brunnen integrierte Drucksondenkontinuierlich gemessen werden. Zu-sätzlich werden die Wasserstände inexternen Pegeln gemessen, um zu kon-trollieren, ob die Absenkung ihrengewünschten Grad erreicht und die theo-retisch errechneten Absenkungen be-stätigt werden können. Für die Vaku-umbeaufschlagung sind jeweils achtBrunnen an eine Vakuumluftpumpe an-geschlossen. Der Unterdruck wird überAbsaugleitungen, die an den Brunnen-kopf angeschlossen sind, im Brunnen -innenraum erzeugt und so auf den Aqui -fer übertragen. Auch die Vakuum pum -pen werden wie die Unterwasserpumpenüber die EMSR separat gesteuert.

Risikoanalyse, Systemtest und RisikominimierungUm die Grundwassermanagement-anlage unter der komplexen Rand -

Die Ringraumverkiesung 300 x 100 mitQuarzfilterkies Fraktion 0,2 bis 0,5 mmbzw. 0,4 bis 0,8 mm, je nach Filterkon-vektion, zwischen -44,5 und -39,0 mNAPkonnte eingebracht werden. Die Ver-wendung dieser feinen Ringraumver-kieselung und der Wickeldrahtfilter istaußergewöhnlich filigran und resultiertaus den vorhandenen Feinstsanden.Eine Ringraumverfüllung mit Quelltonals plastische und durchschlagsichereVorabdichtung zwischen -39,0 und -35,0 mNAP gelang ebenfalls so gut,wie die Verpressung des verbleibendenRingraumes mit Brunnendämmer von-35,0 mNAP bis zum Fuß der 2. Sandlagebei -26,0 mNAP. Somit konnte dieBrunnenkonstruktion druck- und vaku-umfest sowie sicher gegen mechanischeBeschädigungen durch den Baubetriebin der Grube gestaltet werden.

Vakuum, Pumpen und SteuerungsanlageZur Gewährleistung einer besten Be-triebssicherheit wurde das Grundwasser -managementsystem über eine EMSR-Anlage gesteuert (Elektronische Mess-,Steuer- und Regeltechnik) (Abb. 6). Inden einzelnen Brunnen sind Unter-wasserpumpen installiert worden, dieeinen Meter über der Brunnensohlehängen und über die EMSR entweder

Abb. 6 Monitoring- und Kontrollsystem

Pressure chamber

Workstation (Client)

Client MonitoringMaintenanceRemote Control HWRemote ReportingSMS Alarms

Ethernet

(Ethernet)

(Ethernet)

Server

(Ethernet) (Ethernet)

(Ethernet)

(Ethernet)(Ethernet)

Workstation

Monitoring System(MS Windows PC)

Main Server

PLC Siemens S7 300(20 Wells) 1b

PLC Siemens S7 300(20 Wells) 2a

PLC Siemens S7 300(20 Wells) 2b

PLC Siemens S7 300(20 Wells) 1a

Monitoring System(MS Windows PC)

ISDN-Modem ISDN-Modem ISDN-Modem

TelephoneNetwork

Monitoring System(MS Windows PC)

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Brunnenbau

bedingung, der Entspannung einesfeinstsandigen, dünnschichtigen Aqui -fers, bemessen zu können, wurde imSommer 2010 ein Praxistest durch-geführt. An ausgewählten Stellen imNorden und Süden der Baugrube wur -den je sechs Testbrunnen installiert undangefahren. Die Ausführung des Test-laufes mit den Brunnentypen und derAnlagentechnik entsprach der umge-setzten Ausführung der Grundwasser-managementanlage der gesamten Bau -grube. Auf Grundlage der Ergebnisseder Pumpversuche in verschiedenenVariationen (mit und ohne Vakuum,verschiedenen Absenkzielen und Wie -deranstieg des Wassers) wurde einGrundwassermodell erstellt. Mit diesemFinite-Elemente-Modell wurden ver-schiedene Varianten der Grundwasser-entspannung theoretisch untersucht.Hierbei war vor allem die Risiko mini -mierung von größter Bedeutung. Umdennoch die Wirtschaftlichkeit einersolchen Anlage und des restlichen Bau-betriebes nicht zu vernachlässigen,wurden möglichst große Brunnen-abstände festgelegt. Mit der Bemessungging auch eine Risikoanalyse einher.

Dazu wurden in einer komplexen Matrixmögliche Risikoszenarien erfasst undbewertet. Des Weiteren wurde definiert,wie diese zu messen und überwachensind. Auf Grundlage dieser Risikoanalysewurde beispielsweise die Redundanzder eingesetzten Systeme verlangt. DieTat sache, dass jeder Brunnen einzeln

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Autoren:

B. Eng. Henrik Koers

Dipl.-Ing. (FH) Ulrich Kropp

Dipl.-Ing. (FH) Tim Röder

Hölscher Wasserbau GmbH

Hinterm Busch 23

49733 Haren

Tel.: 0201 83116-12

Fax: 0201 83116-25

E-Mail: info@hoelscher-wasserbau.de

Internet: www.hoelscher-wasserbau.de

gesteuert werden kann, birgt den Vor-teil, bei einer lokalen Störung nur einenausgefallenen Brunnen zu haben. DieVakuumbeaufschlagung ist so installiert,dass nicht Brunnen in Reihe bei einerPum pen störung ausfallen können.Hierbei würde nur jeder zweite Brunnenausfallen und die globale Sicherheit sogegenüber dem Reihenausfall ver-größern. Im Falle einer Störung imSystem würde durch die automatischeSteuerung der EMSR-Anlage Alarm-meldungen an die zuständigen Personenper SMS versendet. So wird eineschnellstmögliche Fehlerbeseitigungund ein hohes Sicherheitsniveau erreicht.Bei einem even tu ellen Totalausfall des Grundwassermanage mentsystemskönn te das Druckluftsystem die Sicher -heit durch tempo räre Erhöhung desÜberdruckes gewährleisten. Diese tem -po räre Druckerhöhung wurde ausSicherheits- und Gesundheitsschutz -gründen aber zu einer verminder ten Arbeits leistungs fähigkeit führen.

Zusammenfassung und AusblickFür die geologischen und hydrogeo-logischen Randbedingungen in Ams-terdam konnte eine leistungsfähige undsicherheitstechnisch auf höchstemNiveau arbeitende Anlage des Grund-wassermanagements installiert werden.Besondere Gegebenheiten erfordertenes, eine für die Lokalität geeigneteLösung zu finden. Im innerstädtischenTunnelbau wird es immer wichtiger, dieSicherheit gegen direkte oder indirekte

Postfach 21 51D-49727 Haren / Ems

WasserhaltungBrunnenbauUmwelttechnik

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Beeinträchtigungen der hohen Güterdes Lebens, der Umwelt und der Bebau-ung zu gewährleisten: Sei es der hydrau-lische Grundbruch, den es zu verhinderngilt, oder die Beibehaltung von Grund-wasserständen außerhalb von Bau gru -ben, damit es nicht zu ungewollten Setzungen oder Beeinträchtigung der städti schen Vegetation kommt. Hierfürsind konsequentes Grundwassermana -gement und eine vorhergehende weit-läufige Erkundung des von der Baumaß-nahme beeinträchtigten Gebietes er-forderlich. Nach der Ermittlung derRisiken und Prioritäten einer Baumaß-nahme kann so ein auf die Anforde -rungen individua lisiertes, leistungs-fähiges Ausfüh rungs konzept entwickeltwerden.

Abbildungen: Abb. 1 u. 2: Dienst Noord-Zuidlijn

Amsterdam, Abb. 3-6: Hölscher Wasserbau

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