DIN 18319 Rohrvortriebsarbeiten - Die Crux mit Hindernissen

Für die Abrechnung von Zulagen für die Beseitigung von Steinen und Hindernissen sollten neue Aufmaßtechniken beschritten werden, die das herkömmliche Aufmaßwesen, das in Bezug auf die Steinbeseitigung und Hindernisbeseitigung nicht mehr funktioniert, ersetzen.

Von Dipl.-Ing. Bernd Braun, IHK Karlsruhe

Durch Flächenverschleiß zerstörter Diskenmeißel.
Durch Flächenverschleiß zerstörter Diskenmeißel.
Foto: Dipl.-Ing. Bernd Braun

Der Begriff Hindernis wird hier als Sammelbegriff verwendet und steht für sämtliche von intakten Abbauwerkzeugen des Mischbohrkopfs bewältigbaren Hindernisse. Dazu gehören alle natürlichen Hindernisse wie Steine, Blöcke, Gerölle und in begrenztem Volumen auch reines Festgestein über den ganzen Querschnitt mit begrenzter Druckfestigkeit bis ca. 100 MPa, aber auch künstliche Hindernisse aus Mauerwerk und Beton. Hindernisse aus Holz, Kunststoff, Stahl und Stahlbeton werden hier nicht betrachtet.

Zur Historie des Rohrvortriebs

Im Zeitraum von 1975 -1992  setzte sich das Rohrvortriebs- und Microtunnelingverfahren sehr schnell in der Nennweite bis etwa DN 4000 bzw. bis etwa 5 m Rohraußendurchmesser erfolgreich durch.
Die rasante und erfolgreiche Entwicklung des Bauverfahrens "Rohrvortrieb", die zunächst in Deutschland, dann europaweit und heute weltweit stattgefunden hat und noch stattfindet, war keineswegs zufällig, sondern hat reale Väter. So konnte Fa. Herrenknecht AG mit Sitz in Süddeutschland innerhalb von 33 Jahren die Führungsposition in der Vortriebs- und in der Tunneltechnik dank laufender Innovation übernehmen und ausbauen.
Beim Rohrvortrieb führte die Verfeinerung der Microtunnelingtechnik zu einem breitgefächerten Angebot an Vortriebsmaschinen, die die erfolgreiche Anwendung des Rohrvortriebsverfahren in nahezu allen Vortriebsböden möglich machte.
Bei den weiteren Betrachtungen genügt es, auf den Vortriebsmaschinentyp AVN der Fa. Herrenknecht (Automatische Vortriebsmaschine mit Nassförderung) einzugehen, da sie alle Merkmale in perfektionierter Form aufweist, welche den Erfolg des Microtunnelingvortriebs begründen.

Merkmale der erfolgreichen AVN-Vortriebstechnik


1.    Geschlossenes Schild (bedeutet eigentlich: geschlossener Schildraum hinter dem Bohrkopf) Erst das geschlossene Schild ermöglicht den Vortrieb im Grundwasser.
Bei offenen Schilden muss das Grundwasser abgesenkt oder verdrängt werden, indem die Ortsbrust mit Druckluft beaufschlagt wird.

2.    Vollflächiger Bodenabbau durch Anpressung des rotierenden Bohrkopfs an den Boden
Den eigentlichen Bodenabbau leisten an den Boden angepasste Abbauwerkzeuge am Bohrkopf.
Die Verwendung des geschlossenen Schildes bedingt den vollflächigen Bodenabbau, der im Lockergestein große Bodenabbauleistung ermöglicht bei gleichzeitiger mechanischer Stützung der Ortsbrust durch entsprechende Gestaltung des Bohrkopfkörpers

3.    Abtransport des gelösten Bodens aus dem geschlossenen Schildraum per Nassförderung
Die Nassförderung erfolgt mittels Baggerpumpen, die das zur spülbaren Trübe aufbereitete Gemisch aus Boden und Fördermedium (Wasser oder Bentonitsuspension), aus dem Schildraum absaugen und über die Förderleitung bis OK Gelände pumpen.
An OK Gelände wird das Gemisch in der Regel von Separieranlagen wieder in Boden und Fördermedium getrennt und das vom Boden befreite Fördermedium über die Speiseleitung wieder an die Ortsbrust zum erneuten Beladen gepumpt.
Wird als Fördermedium eine Bentonitsuspension verwendet, so lässt sich neben spültechnischen Vorteilen im geschlossenen Nassfördersystem das thixotrope Verhalten des Bentonits für die Stützung des Bodens an der Ortsbrust nutzen, was Bodensetzungen um die Vortriebselemente minimieren hilft.
Hier sei daran erinnert, dass der Rohrvortrieb zu den Hohlraumbauten gehört und zwangsläufig d.h. verfahrensbedingt im Lockergestein Setzungen erzeugt. Auf Bodenanhebungen durch fehlerhaftes Arbeiten wird nicht näher eingegangen.
Neben den obengenannten Vorteilen konnte die Nassförderung die Nachteile der traditionellen Trockenförderung mit Loren und Grubenwagen ausgleichen. Es waren jetzt längere Vortriebsstrecken ökonomisch herstellbar, was der Planung neue Möglichkeiten einräumte.
Die Kostenersparnis realisiert sich, wenn sich die notwendigen Vortriebsfixkosten aufgrund längerer Vortriebsstrecken günstiger auf die Vortriebsleistung umlegen lassen.
Das Zusammenwirken dieser 3 spezifischen Techniksparten der AVN-Technik etablierte den Rohrvortrieb als Allroundverfahren, das erfolgreich in Locker- und Festgesteinsböden arbeiten und im Grundwasser und oberhalb des Grundwassers eingesetzt werden kann.
Die Entwicklung des Mischbohrkopfes brachte nochmals einen Entwicklungsschub, der die erzielbaren Vortriebsleistungen in Mischböden aus Locker- und Festgestein merklich verbesserte.
Steigender Volumenanteil an Festgestein und zunehmende einaxiale Druckfestigkeit des Gesteins setzen dem Mischbohrkopf allerdings Grenzen. Zu hoher Verschleiß an Reiß- und Spaltzähnen verlangt den Einsatz des Felsbohrkopfes, der ausschließlich mit Diskenmeißeln bestückt ist.

Zur Historie der DIN 18319 "Rohrvortriebsarbeiten"


Im Dezember 1992 wurde DIN 18319 wirksam. Die Normung war also gemessen an der damaligen Verbreitung des Bauverfahrens "Hydraulischer Rohrvortrieb", bei dem die Rohrverlegung grabenlos d.h. bergmännisch durchgeführt wurde, schon spät dran.
Vor 1992 wurden für den Rohrvortrieb ausschließlich die Regeln der DIN 18300 Erdarbeiten angewendet. Es zeigte sich aber schnell, dass diese Norm den technischen Ansprüchen und Kriterien des "Rohrvortriebs" nicht gerecht wurde. Die Grenzen der Rohrvortriebstechnik waren in DIN 18300 nicht ausreichend berücksichtigt worden.
Waren im Erdbau baugrundbedingt Gerätewechsel, -umbauten und -anpassungen erforderlich, so waren sie relativ einfach zu bewerkstelligen: Ein zu kleiner Bagger ließ sich problemlos gegen einen größeren austauschen, eine zu kleine Raupe mit Planierschild leicht durch eine große Raupe mit Reißzähnen ersetzen und der Bagger sehr einfach von Schaufel- auf Meißelbetrieb mit Hydraulikhammer umbauen.
Eine weit nachteiligere Situation herrscht bei Vortriebsmaschinen, die entscheidende Teile ihrer Technik in Stahlrohren mit sich führen: Hier lassen sich baugrundbedingte maschinentechnische Umbauten wegen der beengten Platzverhältnisse in den Stahlrohren meistens nur sehr aufwändig bei stehendem Vortrieb oder überhaupt nicht durchführen.
Gerade die Regelungen in DIN 18300 für die Bodenklasse 6 "Leichter Fels" und Bodenklasse 7 "Schwerer Fels" sorgten bei Rohrvortrieben immer wieder für Konflikte zwischen AG und AN, weil die Grenzen der Löse- und Fördertechnik in felsigen, steinigen oder hindernishaltigen Böden schnell erreicht oder überschritten waren und der Vortriebsaufwand dann enorm anstieg.
Es war verständlich, dass bei Auseinandersetzungen AG-seits der Rohrvortrieb nur durch die Erdbaubrille betrachtet wurde. Schließlich war DIN 18300 ja Vertragsgrundlage und eine andere Norm stand nicht zur Verfügung.
Zudem führte man damals noch zahlreiche Vortriebe mit offenem Schild aus, an deren Ortsbrust kräftig teleskopgebaggert wurde, sodass der Eindruck einer Verwandschaft dieses Bauverfahrens mit dem Erdbau keineswegs abwegig war. Allmählich wuchs jedoch die Erkenntnis, dass der Rohrvortrieb in eigener Norm zu regeln sei.
Im Dezember 1992 war es soweit und DIN 18319 Rohrvortriebsarbeiten war geboren.
Ihr Kernstück war die Neuordnung der Bodenklassifizierung. Bei den Lockergesteinen wurden neben den genaueren Beschreibungen der bindigen und nichtbindigen Lockergesteine die Zusatzklassen S für die Beschreibung des Steinanteiles im Boden eingeführt, die bei näherer Betrachtung nur ein DIN-18300-Aufguss war, auf deren Mängeln im Weiteren eingegangen wird.
Zu den Lockergesteinen bis 63 mm Korndurchmesser gehören seitdem die Steine mit Korndurchmessern zwischen 63 mm und 600 mm, die durch die 2 altbekannten Kriterien “prozentualer Steinanteil“ und “Steindurchmesserbereich“  in 4 Steinklassen aufgeteilt sind:
Beim Festgestein wurden die Klassen F eingeführt, bei denen die einaxiale Druckfestigkeit und die Trenn- flächenabstände Kriterium der Klassifizierung war.
Dipl.-Ing. Erstermann c/o Erdbaulaboratorium Essen Prof. Dr.-Ing. Nendza u. Partner schrieb in dem 1995 im Tunnelbautaschenbuch veröffentlichten Kommentar "Die Boden- und Felsklassifizierung für Rohrvortriebsarbeiten gemäß DIN 18319" zutreffend:
„Unabhängig davon wird jedoch auch künftig eine sorgfältige Baugrunderkundung für die Planung und Ausschreibung von Rohrvortriebsarbeiten unumgänglich, da durch die neue Bodenklassifizierung vergleichsweise hohe Anforderungen an die Baugrunduntersuchung gestellt werden.
So dürften in jedem Fall Bohrungen mit einem an den anstehenden Boden angepassten Bohrdurchmesser (zum Beispiel Greiferbohrung bei Steineinlagerung) notwendig werden, um ausreichendes Probenmaterial für die notwendige Analyse und Beurteilung des Kornaufbaus im unmittelbaren Vortriebsbereich zu erhalten."
Der Verfasser hat vielleicht kommende Missstände vorhergesehen und daher auf erforderliche Verfahrensweisen wie "Greiferbohrung zur Probengewinnung bei Steineinlagerungen" extra hingewiesen.

Die Einteilung Steinzusatzklassen S in DIN 18319 und ihre schwerwiegenden Mängel


Der verwendete Begriff “Massenanteil“
Das Einteilungskriterium "Massenanteil" ist unglücklich gewählt: Die Masse des Lockergesteinsbodens ändert sich mit seiner Lagerungsdichte, seinem Kornaufbau und seinem Feuchtegehalt.
Daher ist auch die Grösse "% Massenteil" an Steinen mit Bezug zu einem definierten Steindurchmesserbereich nicht eindeutig, da er sich bei Lockergestein von Kubikmeter zu Kubikmeter ändert – allerdings ist das ja auch beim Steinanteil der Fall.
In diesem Fall ist jedoch minus x minus keineswegs gleich plus.

Technisch sinnvoll ist es, das Steinvolumen auf das Bodenvolumen zu beziehen. Diese Größe ist vorstellbar und – falls gewollt – auch messbar
Im Weiteren ist deshalb % Steinanteil im Folgenden als % Volumenanteil zu verstehen. Ob dies vom Grundsätzlichen her mehr Sinn macht, werden die weiteren Darlegungen etwas erhellen.

Steinanteile “bis 30%“ und “über 30%“ und Steingrenzdurchmesser von 300 und 600 mm
Neben den physikalischen Ungereimtheiten bezüglich Masse sind es aber vor allem die festgelegten Prozentanteile der Steinbereiche und die definierten Grenzen der Steindurchmesser in der Steinklassenregelung der DIN 18319, die nicht zur Baugrundbeschreibung für den Rohrvortrieb taugen:
Der Mengenanteil an Steinen am Gesamtboden ist weder realistisch zu ermitteln, noch zu überprüfen.
Die Mehr- und Mindermengenangaben der Steinanteile sind grobe Abgrenzungen der Steinvolumina, die ohne Nennung der einaxialen Druckfestigkeiten des Steinmaterials keinerlei verwertbaren Informationsgehalt für die Gestaltung der Vortriebstechnik besitzen.
Sie als nutzlos zu bezeichnen, wäre aber die Vertragswirksamkeit verkannt: Mit dieser Steinklasseneinteilung wird auf einfache Art und Weise Baugrundrisiko in unzulässiger Form zur AN-Seite verschoben.
Dass diese Feststellung zutrifft, lässt sich am Vergleich zweier Vortriebe DN 1600 in Modellböden veranschaulichen.


Vortrieb 1


Ein Microtunnelingvortrieb DN 1600 von 300 m Länge ist in Lockergestein mit 20 (Volumen-)% Steinen mit Durchmesser D = 20 cm - also in Steinklasse S1 - aufzufahren.
Die Steine sind aus harten Festgestein (z.B. Gneiss) mit einaxialer Druckfestigkeit von 180 MPa.
Ein Steinanteil D = 20 cm von 20 (Volumen-)% bedeutet, dass etwa alle 20 cm Vortrieb 15 Stück Steinkugeln aus Gneiss über die Ortsbrustfläche verteilt oder als Ansammlung vom Bohrkopf angetroffen werden und abzubauen sind.
Über 300 m Vortriebslänge sind somit insgesamt ca. 94 m3 sehr harter Fels abzubauen.
Zur Verdeutlichung: Dies entspricht etwa 32 m Vortrieb in sehr hartem Fels über den ganzen Querschnitt.

Auswirkung auf Bohrkopfgestaltung und Bohrkopfart
Um diesen verschleissträchtigen Abbau über 300 m Vortriebslänge leisten zu können, sollte die AVN- Vortriebsmaschine DN 1600 einen Felsbohrkopf mit Diskenmeißelbestückung tragen.
Spaltmeißel tun sich unter Dauerbeanspruchung durch Steine mit einaxialer Steindruckfestigkeit von 180 MPa sehr schwer und finden ein zu schnelles Ende.

Vortrieb 2


Ein Microtunnelingvortrieb DN 1600 von 300 m Länge ist in Lockergestein mit 20 (Volumen-)% Steinen des Durchmessers D = 20 cm - also wie bei Vortrieb 1 in Steinklasse S1 - aufzufahren.
Die Steine bestehen aus weichem Sandstein mit einaxialer Druckfestigkeit von 40 MPa.
Wie bei Vortrieb 1 trifft der Bohrkopf immer nach 20 cm Vortrieb auf 15 Steinkugeln D = 20 cm und muss diese abbauen. Im Unterschied zu Vortrieb 1 sind die Steine diesmal aus weichem Sandstein.
Über 300 m Vortriebslänge sind somit wieder ca. 94 m3 weicher Fels abzubauen.

Auswirkung auf Bohrkopfgestaltung und Bohrkopfart


Um diesen wenig verschleißträchtigen Abbau über 300 m Vortriebslänge leisten zu können, kann die AVN-Vortriebsmaschine DN 1600 mit einem Mischbohrkopf bestückt mit Disken- und Spaltmeißeln ausgestattet werden.
Beim Mischkopf konnte der Durchtritt des gelösten Bodens an der Ortsbrust durch den Bohrkopf in den Brecherraum des Schildes gegenüber dem Felsbohrkopf stark verbessert werden:
Die Bodendurchtrittsöffnungen im Bohrkopf ließen sich gegenüber dem Felsbohrkopf aufgrund der geringeren Belastung des Bohrkopfs vergrößert ausbilden.
Dadurch können Vortriebe in Mischböden mit höheren Vortriebsleistungen aufgefahren werden und damit preisgünstiger ausgeführt werden.
Die Darlegungen zu Vortrieb 1 und Vortrieb 2 zeigen, dass die Steinklassenregelung im Rahmen der Baugrundbeschreibung keinen verwertbaren Beitrag leistet.

Als Ergänzung zeigen die nachfolgenden Beispiele außerdem, wie unlauter sich mit der  Steinklassifizierung argumentieren lässt und wirklich auch wird. Die angeführten Argumente wurden mehrfach  von Bauherrnvertretungen und Baugrundsachverständigen in der Sphalanx der Auftraggeber vorgebracht:

Missbrauch des theoretischen Gesamtsteinanteils


Die Angabe des Maximal- bzw. Minimalgehaltes an Steinen ("..bis 30% Massenanteil der Steine" und "über 30% Massenanteil der Steine") wird bei Problemen mit Steinanhäufungen auf kurzer Vortriebsstrecke durch Fehlinterpretation missbraucht, indem der Höchstanteil des Steinanteils von 30% des vom Vortrieb verdrängten Bodens bei Steinklasse S1 und S3 gern als der vom AN insgesamt vom vertraglich zu bewältigender Steinanteil dargestellt wird.
Im Folgenden wird ein Beispiel der rein algebraischen Betrachtungsweise "ad absurdum" geführt, was die  Fragwürdigkeit dieser Argumentationsweise aufweist.
Beim Vortrieb im Lockergesteinsboden mit Steinklasse 1 konnten 70% der Gesamtvortriebslänge völlig steinfrei aufgefahren werden.
Nach obiger Argumentationsweise lässt sich ableiten, dass die verbleibenden 30 % der Gesamtvortriebslänge im reinen Steinboden mit 100 % Anteil an Steinen von bis 300 mm Durchmesser vom AN aufzufahren sind ohne jeglichen Anspruch auf Vergütung einer Zulage.

Ebenso wird gern das Haufwerk-Argument vorgebracht:


Ist in Steinklasse S3 das Vorhandensein eines Steinblocks mit D = 900 mm zu vermuten, ist vom AN  zunächst der Nachweis zu führen, dass es sich bei dem Steinhindernis nicht um eine Steinansammlung von 3 Steinen mit D = 60 cm handelt, sonst steht der Vergütungsanspruch in Frage.

Fehlende Beschreibung der Steindichte


Gerade weil die Steinverteilung im Boden großen Einfluss auf den Verschleiß der Abbauwerkzeuge am Bohrkopf haben kann, sie jedoch außer Acht gelassen wird, weil sie bei den  Baugrunduntersuchungen schwer zu erfassen ist, ist die Festlegung der Steinbereiche in über oder unter 30% Steinanteil wirklich  bodenmechanischer Unfug, der aber sicher nicht der Zunft der Bodenmechaniker zuzuschreiben ist, die anerkannte Methoden der Baugrundbeschreibungen geschaffen haben. 

Zielsetzung der Abbauwerkzeuge am Bohrkopf und der Brechereinheit im Schildraum: Zerkleinerung von Steinen und Hindernissen


Dieses obige Beispiel weist auf einen noch schwerer wiegenden Mangel der Steinklassenregelung hin, dass nämlich zur Durchsetzung von Vergütungsansprüchen nach wie vor konventionelle Aufmaße im althergebrachten Sinn von Länge x Breite x Höhe gefordert werden.
Die herkömmliche Aufmaßmethode, welche Länge x Breite x Höhe zum Inhalt hat, tut sich äußerst schwer mit dem, was moderne Vortriebstechnik als wesentlichen Bestandteil  fachmännischen Arbeitens betreibt, nämlich vom Bohrkopf angetroffene Steine und Hindernisse durch ihre Abbauwerkzeuge am Bohrkopf und ihre Brechertechnik im Schildraum bis auf einen spülbaren Korndurchmesser von 50-80 mm zu zerkleinern, damit sie aus dem Schildraum bis OK Gelände gespült werden können.
Es werden die für das Aufmaß benötigten Beweismittel vernichtet, die man zum Nachweis für die Vergütung erbrachter Leistungen benötigt.
Da aber die moderne Vortriebstechnik auf die Zerkleinerung der Steine und Hindernisse im Rahmen der technischen Möglichkeiten nicht verzichten kann, kann nur eine Aufmaßmethode zufriedenstellend sein: das Aufmaß mit vortriebsmaschinentechnischen Daten

Zusammenfassung und Ausblicke


Für die Abrechnung von Zulagen für die Beseitigung von Steinen und Hindernissen sollten neue Aufmaßtechniken beschritten werden, die das herkömmliche Aufmaßwesen, das in Bezug auf die Steinbeseitigung und Hindernisbeseitigung nicht mehr funktioniert, ersetzen.
Dass die Lösung nur in dokumentierten Betriebsdaten der Vortriebsmaschinentechnik wie Vortriebgeschwindigkeit / Bohrkopfdrehmoment /  und Überprüfungen des Bodenauswurfs der Separieranlage hinsichtlich Materialänderungen etc. beruhen kann, ist ziemlich wahrscheinlich.
Allerdings erfordert seine Umsetzung die Weiterentwicklung der vorhandenen Messtechnik, geduldige Feldversuche zu ihrer Erprobung und verbindliche Vereinbarungen über die Interpretation der relevanten Messdaten. Klar ist auch, dass die Detailarbeit nur in Zusammenarbeit mit innovativen Herstellern von Vortriebsmaschinentechnik erfolgreich verrichtet werden kann.

Totalschaden an einem Bohrkopf - sämtliche
Abbauwerkzeuge wurden zerstört und der
Bohrkopfkörper weist gravierenden
Flächenverschleiß durch Abrasion auf.
Foto: Dipl.-Ing. Bernd Braun

Die Zusatzklassenregelung S der DIN 18319 sollte als Relikt der bodenbeschreibenden Steinzeit schnellstens außer Dienst gestellt werden und den Weg für eine moderne Regelung der Stein- und Hindernisproblematik freimachen.
Der erforderlichen erschöpfenden Baugrundbeschreibung ist bereits enorm gedient, wenn die Festlegungen der DIN 4020 "Geotechnische Untersuchungen für bautechnische Zwecke" sorgfältig im Sinne des betagten und immer noch aktuellen obenstehend erwähnten Beitrags von Dipl.-Ing. Estermann "Die Boden- und Felsklassifizierung für Rohrvortriebsarbeiten gemäß DIN 18319" angewendet werden.
Dabei helfen die Regelungen des neuen Arbeitsblattes DWA-A 125. Dort steht dienliches für den Vortriebsfortschritt:
-    Die Baugrundverhältnisse sind gemäß DIN 4020 zu erkunden und dokumentieren.
-    Der Rohrvortrieb ist gemäß DIN 4020 als Hohlraumbau in die geotechnische Kategorie 3 eingestuft.
In Abschnitt 7.1.3 "Baugrund und Grundwasser" steht aber leider auch Überholtes, das sich aber sicher leicht einschwärzen lässt: Die Baugrundverhältnisse sind nach DIN 18319 einzustufen.

Für die nächste Zukunft ist anzustreben:
-    Zur Vermeidung von großen Schäden an Abbauwerkzeugen und Bohrkopf sollte die Weiterentwicklung der Messtechnik an der Vortriebsmaschine dem Maschinenfahrer melden, wenn der Verschleiß an den Abbauwerkzeugen bzw. am Bohrkopf zunimmt, damit Extremschäden, wie sie auf den Bildern sehen sind, ausgeschlossen werden können.
-    Ebenso sollte eine vertragsrechtliche Basis gefunden werden, die einvernehmlich regelt, nach welchen Kriterien ein Vortrieb vom AN eingestellt werden kann bei Antreffen eines Hindernisses, ohne dass er die Verantwortung für Folgekosten zu übernehmen hat. Diese Kriterien müssen vortriebstechnischer Natur sein, z.B. das Unterschreiten einer definierten Vortriebsgeschwindigkeit über einen bestimmten Mindestzeitraum.