Tief unter dem Rhein: Ein Düker, wie er im Buche steht

DÜSSELDORF, 10.01.2017 – Bei der Planung und Realisierung von Unterwasserkanälen macht der Fortschritt auch im Tiefbau nicht Halt. Überzeugendes Beispiel dafür ist ein neuer Düker im Düsseldorfer Norden, der das Mischwasser unter dem Rhein zu einem Großklärwerk transportiert und mit zahlreichen Innovationen aufwarten kann.

von Peter van Hoof, Stadtentwässerungsbetrieb Düsseldorf (SEBD), und Eberhard Wendt, Ingenieurbüro Wendt (Düsseldorf)

Vortriebsrohr im Startschacht
Erst 30 m in die Tiefe, dann 1.000 m unter dem Rhein vorgetrieben: Hochleistungs-Stahlbetonrohre DN 1800 / DA 2400 mit erhöhtem Säurewiderstand (SWB(R))

Die Landeshauptstadt Düsseldorf betreibt seit Mitte der 60er Jahre einen rund 1.000 m langen Düker unter dem Rhein, der das gesamte Abwasser, das im rechtsrheinischen Düsseldorfer Norden anfällt, auf die linke Rheinseite zum Klärwerk Nord transportiert. Das Einzugsgebiet umfasst eine Gesamtlänge des Düsseldorfer Kanalsystems von etwa 1.500 km und stellt damit eine wichtige Hauptschlagader des Düsseldorfer Entwässerungssystems dar.

Übergang von Stahl- zu Stahlbeton-Tübbings


Mitte 1958 wurde mit dem Bau des noch heute in Betrieb befindlichen Dükers begonnen. Er besteht aus gusseisernen Tübbings mit einem Außendurchmesser von 3,80 m. Auf einem Teilstück von 300 m kamen dabei erstmalig auch Stahlbetontübbings mit eingebauter Dichtung zum Einsatz. Sie läutete eine neue Ära im Kanalbau ein. Der Vortrieb erfolgte im Druckluftverfahren in einem offenen Haubenschild. Der Innenausbau des Tunnels mit einem zweizügigen Düker aus nierenförmigen und unterschiedlich großen Abfluss-Querschnitten erfolgte erst in den Jahren 1964 bis 1965, der dann 1966 zusammen mit dem Klärwerk Nord in Betrieb ging.
Der fast 50 Jahre alte Kanal ist zwar noch immer in einem recht guten Zustand, der Aufwand für Unterhaltung sowie Inspektion und Sanierung wäre jedoch erheblich und aus konstruktiven Gegebenheiten unter laufendem Betrieb auch hinsichtlich des Arbeitsschutzes gar nicht mehr möglich gewesen. Es besteht bereits heute die akute Gefahr von Verstopfungen.

Startbaugrube im Schlitzwandverfahren


Nach der Analyse von acht Varianten entschied sich der Düsseldorfer Stadtentwässerungsbetrieb für eine gemeinsam mit dem Ingenieurbüro Wendt entwickelte langlebige, kostengünstige Lösung: den Neubau eines im Abstand von 25 m parallel und in etwa auf gleicher Tiefe verlaufenden Dükers vom rechtsrheinischen zum linksrheinischen Dükeroberhaupt im Schild-Rohrvortrieb. Damit wurde eine 100%ige Redundanz ermöglicht, so dass der vorhandene Düker zur Reinigung und für die Instandsetzung stillgelegt und entleert werden kann.
Die Herstellung der 27 m tiefen Startbaugrube für den Rohrvortrieb am Dükeroberhaupt erfolgte im Schlitzwandverfahren als Kreis-Polygon mit einem Innendurchmesser von 10,5 m. Die sieben Lamellen der Schlitzwände wurden in einer Wandstärke von 1,2 m ausgeführt, die Flachfugen als „Stein-Fuge“. Die 42 m tiefen Schlitzwand-Lamellen, die bis 16 m unter die Baugrubensohle reichen, waren selbst für erfahrene Tiefbauer keine leicht zu lösende Aufgabe. So durfte z.B. die Lotrechte der einzelnen Stiche maximal um 1% abweichen. Bei 42 m langen Schlitzen sind das immerhin 42 cm. Damit wäre eine Überlappung im Tiefsten von zwei Lamellen selbst bei ungünstigster, gegenläufiger Abweichung von 30 cm gewährleistet gewesen. Das war erforderlich, damit das System Startbaugrube bei allen Grundwasserständen funktionierte. Weiterhin waren die Anforderungen an die Dichtheit der Baugrube dahingehend formuliert, dass lediglich feuchte Stellen akzeptiert werden würden – also hohe Anforderungen an den Unternehmer.

Erstellen der Schlitzwände
Schweres Gerät im Einsatz, um die Schlitzwände für die Startbaugrube bis in eine Tiefe von 47 m zu erstellen

Innovativer Betonfertigteilschacht


Zu den „herausragenden“ Objekten des neuen Rheindükers zählt ohne Zweifel der mit Gründung 27 m tiefe Schacht für die Startbaugrube mit einem Grundriss von 6,60 m x 3,80 m. Er wurde nicht, wie ursprünglich geplant, in Ortbeton erstellt. Schwierige Randbedingungen sprachen für eine innovative Fertigteillösung, die sich nach kritischen neuen Planungsansätzen herauskristallisiert hatte. Das neue Bauwerk Dükeroberhaupt wurde vom Ingenieurbüro Wendt als offener Zweikammerschacht geplant: Ein Schacht dient als Absturzschacht zur Beschickung des neuen Dükers, der zweite Schacht zur Pumpenaufstellung für die Entleerung der neuen Dükeranlage.
Das Ortbetonkonzept sah ursprünglich 80 cm dicke Wände vor. Mit der gewählten Fertigteilkonstruktion gelang es, diese auf 40 cm, im oberen Bereich sogar auf 30 cm zu reduzieren. Aus Transportgründen hatte man das Einzelgewicht auf maximal 44,5 t festgelegt.
Die für den Schacht notwendigen 13 Elemente mit einem Gesamtgewicht von rund 600 t mussten nebst einer von Hochtief entwickelten WU-Sohlenkonstruktion komplett einbaufertig zur Baustelle geliefert werden. Entsprechend zügig, fast wie am Fließband, erfolgte die Montage der Schachtelemente, die bei 26 m Wassersäule aus Sicherheitsgründen erstmalig mit einer ganz speziellen Dreifachabdichtung versehen sind.

Hohe Anforderungen an Stahlbetonrohre


Wegen nicht abschätzbarer Betriebszustände in späteren Jahren und der besonderen Lage unter dem Rheinbett waren die Qualitätsansprüche an das Rohrmaterial besonders hoch. Für den Vortrieb wurde ein Rohrquerschnitt DN 1800/DA2400 gewählt, der sowohl aus hydraulischen Gründen ausreicht, als auch aus ergonomischen und verfahrensbedingten Gründen für eine bemannte Schildfahrt als Mindestdurchmesser noch geeignet ist.
Insgesamt waren für die Rheinunterquerung rund 250 Stahlbeton-Vortriebsrohre erforderlich, die individuell nach Vorgaben des Bauherrn in der Schalungsform erhärtend im DW-Fertigteilwerk Nievenheim von Berding Beton hergestellt wurden. Neben einer Vielzahl von Sonderrohren ist die Dükerstrecke überwiegend mit 20 t schweren und 4 m langen Vortriebsrohren bestückt.
Seitens des SEBD war ein Beton mit erhöhtem Säurewiderstand (SWB) in der Mindestbetongüte C 60/75 und in genanntem Werk unter Einhaltung aller im Leistungstext vorgegebenen Beanspruchungsgrade der Expositionsklasse XA3 ein spezielles Betonkonzept erarbeitet, welches nach intensiven Versuchsreihen durch ein akkreditiertes Prüfinstitut mit hervorragenden Beständigkeitseigenschaften bestätigt wurde.
Vortriebsmaschine Anita im Startschacht
Auf der 27 m tiefen Schachtsohle wird die Vortriebsmaschine „Anita“ für ihren Einsatz eingeschwenkt.

Rohrvortrieb rund um die Uhr


Nachdem Start- und Zielgrube abgeteuft und für die Schildfahrt eingerichtet waren, konnte die Vortriebsmaschine „Anita“ ihre Arbeit rund um die Uhr aufnehmen, um trotz unvorhersehbarer Hindernisse im Boden das angestrebte Endziel zu erreichen. Der Vortrieb wurde von dem Startschacht zur linksrheinischen Seite mit einem Dükergefälle von 0,5 Promille und zur 12 m tiefen Zielbaugrube mit einem Kreisbogen von R=3000 m ansteigend aufgefahren. Vom Tiefpunkt des Dükers am Dükeroberhaupt + 11,50 m üNN steigt der Düker mit einem Gefälle von J=1:2000 in Richtung des Dükerunterhauptes an. Unter dem linksrheinischen Vorland geht das Gefälle des Dükers in den Kreisbogen über, der dann auf einer Höhe von 26,20 m üNN am Dükerunterhaupt endet. Eine Entleerung des Dükers ist im Dükeroberhaupt möglich.

Besonderheiten bei der Schildfahrt


Für die anstehenden geologischen Bodenformationen war ein Vortriebsverfahren mit vollflächigem Abbau und flüssigkeitsgestützter Ortsbrust und Druckluftpolster als Mixschild erforderlich. Im Übergangsbereich vom Tertiär zum Quartär war beim Vortrieb den geologischen Verhältnissen besondere Aufmerksamkeit zu schenken. An der Oberfläche des Tertiärs fanden sich im Übergang zum Quartär mächtige Quarzitblöcke, meist aus verhärtetem Feinsand, die mehrere Meter Durchmesser erreichen konnten. In der Flusssohle ist das Tertiär durch Quarzite, die in der Schifffahrt auch als „Steinersche Bänke“ bekannt sind, abgedeckt.
Um beim Vortrieb die Vorpresskräfte des rund 1.000 m langen Dükers zur Verminderung der Reibungskräfte zwischen Rohrstrang und Boden sicher zu managen, wurden in genau berechneten Abständen sieben Zwischenpress-Stationen positioniert und der Vortrieb durch die Aktivierung dieser mit Hydraulikzylindern ausgestatteten Sonderrohre diskontinuierlich in Richtung der Zielbaugrube aufgefahren: Jede Station kann dadurch einzeln Vorschub leisten, und zwar so, dass sich der Gesamtstrang in Pressrichtung fortbewegt. Die verwendeten Dichtungen waren nachstellbar auszuführen.
Zur Reduktion der stetig mit der Presslänge steigenden Mantelreibungskräfte wurde ein Bentonit-Schmiersystem durch werkseitig in den Vortriebsrohren eingebaute Injektionshülsen eingesetzt. Anzahl und Lage dieser Edelstahlhülsen oblag der Erfahrung des Pressunternehmens, welches die genaue Positionierung vorgab.
Doppelkammer-Fertigteile über der Schlitzwandgrube
Ablassen der Doppelkammer-Fertigteile mit rd. 44 t Einzelgewicht in die Schlitzwandbaugrube. Das Fertigteilwerk hatte in Anlehnung an das Konzept der Düker-Vortriebsrohre eine SW-Beton-Rezeptur erarbeitet.

Bauzeit gut gemacht


Als Gesamtbauzeit für die komplette Dükeranlage waren 30 Monate veranschlagt worden. Auf vorbereitende Arbeiten und die Herstellung der tiefen Baugruben entfallen etwa acht Monate, für den reinen Vortrieb rund fünf Monate und für die Erstellung der Bauwerke sowie die Renaturierung der Oberflächen noch einmal 17 Monate. Dann steht eine weitere große Herausforderung ins Haus: die eigentliche Sanierung des bestehenden Rheindükers. Sie wird weiterhin viel neues Know-how bei Bauherrn, Planern und Ausführenden erfordern, damit der Vater Rhein in mindestens 100 Jahren noch dem Abwasser gebührend Paroli bieten kann. Die Voraussetzungen dafür wurden bereits geschaffen.



Einen ausführlichen Bericht lesen Sie in unserer aktuellen Ausgabe (6/16) der B_I umweltbau.