Kanalbau in Hanglagen: Hydrologische Probleme mit Flüssigboden bewältigen

GRÄFENHAINICHEN, 25.07.2018 – Flüssigboden mit einer Gütesicherung nach RAL GZ 507 einschließlich der dazugehörigen Planung und Nachweisführung hilft, hydrologische Probleme beim Kanalbau in Hanglagen zu lösen.

Von Andreas Bechert

Blick auf Bonn. Beim Kanalbau in Hanglagen müssen etwaige hydrologische Probleme gelöst werden. | Foto: pixabay
Blick auf Bonn. Beim Kanalbau in Hanglagen müssen etwaige hydrologische Probleme gelöst werden. | Foto: pixabay
Die Bonner Hardthöhe hat mächtige Probleme. Für die Erschließung des Verteidigungsministeriums wurde vor wenigen Jahrzehnten auch der Straßenneubau – hinunter in die Stadt – durchgeführt. Aber seit Jahren sind in diesem Bereich von Bonn-Hardtberg Tiefbauarbeiten zu beobachten. Erst kürzlich wieder sackte auf einer Kreuzung der Asphalt ein. Mitten auf der Straße tat sich ein mehrere Meter tiefes Loch auf, das Stau und Umleitungen notwendig machte. Es dauerte Wochen, bevor hier der Kanal wieder erneuert worden war.
Wer jedoch denkt, dass es sich hierbei um unumgängliche Erneuerungsmaßnahmen handelt, der irrt! Normalerweise halten Kanäle bei qualitativ guter Bauweise bis zu 100 Jahre und länger. Aber hier handelt es sich um eine Straße, die erst vor etwa 50 Jahren gebaut wurde. Gero Kühn, Gründer der Kühn Geoconsulting GmbH in Bonn, beobachtet diese Problemsituation schon seit einigen Jahren. Er ist der festen Meinung, dass diese Straße eine spezielle Untergrundsituation hat, die mit den üblichen Bauweisen für Ver- und Entsorgungsleitungen nicht beherrscht werden kann. Und er kennt die eigentliche Ursache der zahlreichen Schäden.
Immer wieder sorgen plötzliche Absackungen für Straßensperrungen in Bonn. | Foto: Roland Kohls
Immer wieder sorgen plötzliche Absackungen für Straßensperrungen in Bonn. | Foto: Roland Kohls

Geologie und Grundwasser

Sowohl die geologische Karte als auch die neuere ingenieurgeologische Karte von Bonn zeigen, dass sich unter der Straße tertiäre Schichten befinden. Neben Braunkohle bestehen sie vor allem aus einem relativ schnellen Wechsel von Tonen und Feinsanden. Da die Feinsande jeweils in unterschiedlichem Umfang Wasser führen, kommt es bei einem Anschneiden dieser Schichten immer wieder schnell zu Rutschungen, was schon mancher Bonner Bauherr beim Aushub seiner Baugrube mit Entsetzen feststellen musste.
Überdeckt werden die tertiären Ablagerungen von Löß und Lößlehm. Weiter oben am Hang der Bonner Hardthöhe finden sich dann auch noch Kiessande im Bereich der Hauptterrasse. Im Endergebnis ist jetzt ein Untergrund vorhanden, der aus Schichten unterschiedlichster Wasserdurchlässigkeit besteht und in dem überall in unterschiedlichstem Umfang Wasser vorhanden ist.

Ver- und Entsorgungsleitungen

Seit man im 19. Jahrhundert begann, in den deutschen Städten die Kanalisation zu bauen, war es üblich und Standard, die empfindlichen Rohre in einem Sandbett zu verlegen. Bei größeren Rohrdurchmessern werden diese auch schon mal auf Beton verlegt oder ganz mit Beton ummantelt, wobei ein in Trassenrichtung starrer Körper entsteht, der bei jeder noch so kleinen Setzung mit den entsprechenden Folgen brechen kann. Anschließend wird der Graben mit Kiessand verfüllt, den man benötigt, damit man den Verfüllbereich in der herkömmlichen Technologie verdichten kann.
Was bedeutet diese Bauweise für den Untergrund? Dieser Frage ging Gero Kühn nach. Grundsätzlich hat die Verfüllung eines Grabens mit artfremdem Material immer andere physikalische Eigenschaften (z.B. die Wasserdurchlässigkeit) als der natürlich vorhandene Untergrund zur Folge.
Sand und Kies im Rohrgraben bilden für das vorhandene Hangwasser eine Art Autobahn. Wenn dieser Graben nun noch in Richtung des Hanggefälles verläuft, dann ist auch der notwendige Höhenunterschied vorhanden, der dem Wasser die nötige kinetische Energie gibt und so eine entsprechende Dynamik verleiht. Insbesondere die Feinsande bzw. die gesamte Kanalgrabenverfüllung können dadurch wirksam und mitunter sehr schnell hangabwärts transportiert werden. Dieser Prozess kann auch über Jahre unsichtbar verlaufen, bis dann irgendwo die Straße einbricht oder die Leitung beschädigt wird. Straße und Leitungen fehlt in dieser Situation der weggeschwemmte oder weggerutschte Boden als Auflager.

Diplom-Geologe Gero Kühn
Diplom-Geologe Gero Kühn

Einbau von Querriegeln

Gero Kühn ist sich sicher: Grundsätzlich ist der Graben immer ein Eingriff in den Untergrund und je nach Tiefe beeinflusst er immer die Wasserverhältnisse. Damit dieser Eingriff auf ein Minimum beschränkt wird – was im Übrigen auch im Sinne des Grundwasserschutzes entsprechend Wasserhaushaltsgesetz gefordert wird –, muss bei den Bauarbeiten gewährleistet werden, dass in Bezug auf die Wasserdurchlässigkeit die natürlich vorhandenen Verhältnisse wiederhergestellt werden. Aber auch andere physikalische Prozesse, die das Verhalten bei sich ändernden äußeren Bedingungen wie z.B. Bodenfeuchte, statische und dynamische Lasten oder auch nur die Temperatur, die sich auf die Hydrologie auswirkt, müssen vom Planer beachtet werden. Allerdings muss er auch passende Lösungen kennen bzw. müssen solche verfügbar sein. Z.B. eine Wassersperre herzustellen, hat man lange mit Ton oder Betonriegeln versucht, die in bestimmten Abständen z.B. quer in den Kanalgraben wasserdicht eingebaut werden müssen. Eine Dichtheit kann aber bautechnisch nur selten in ausreichendem Maße und vor allem nie dauerhaft sichergestellt werden.
Hinzu kommt das Problem, dass sich zwischen den Querriegeln immer wieder Wasser anstauen kann, da diese Bereiche wie ein Wasserspeicher wirken. Die Folgen sind verheerend: Die Leitung liegt permanent im Wasser, erfährt Auftrieb und kann – z.B. durch Erschütterungen – in ihrer Lage verändert oder gar zerstört werden. Die Querriegel sind außerdem auch nicht wirklich dauerhaft dicht und führen daher mit der Zeit zu den schon beschriebenen Wasserbewegungen im Untergrund und hier dann im Kanalgraben. Das Ende vom Lied sind Ausspülungen von Feinkorn, der Versatz von Bodenmassen in bestimmten Bereichen des Untergrundes und – kurze Zeit später oder zeitgleich – eintretende Setzungen und Schäden an Leitungen und Straße.
Erfolgt die Verfüllung mit bindigem Boden geringer Durchlässigkeit, dann kann dieser nur unter optimalen Bedingungen ausreichend verdichtet werden. Hier stellt sich das baustellentypische Problem, dass jeder nicht ausreichend verdichtete Bereich später zu Schäden an der Straße und den unter ihr eingebauten Rohren und Leitungen führen wird. Bei unseren Klimabedingungen müsste der Tiefbauer eigentlich bei jedem Regenschauer die Arbeiten unterbrechen und darf erst dann weiterbauen, wenn der Boden wieder richtig abgetrocknet ist.

Problemlösung: Flüssigboden

Die hydrogeologische Situation, die hier als ganz typisch für das Vorgebirge beschrieben wurde, gilt praktisch bei allen Hanglagen, soweit der natürliche Untergrund eine geringere Durchlässigkeit hat als die Verfüllung des Grabens. Besonders gravierend ist das dann bei z.B. Schichtwasser führenden Ablagerungen mit Staunässe; oder es sind die Hänge im Bereich der Oberen Süßwassermolasse. Weitere Beispiele lassen sich unschwer finden. Die Schlussfolgerung kann nur heißen, dass bei allen Kanälen und Leitungen in Hanglagen nur nach Nachweis, dass tatsächlich kein Schicht- oder Grundwasser vorhanden ist, gebaut werden kann. Solch ein für die herkömmliche Bauweise erforderlicher Nachweis wird bei unseren Klimaverhältnissen kaum zu führen sein.
Gero Kühn ist überzeugt, dass dieses Problem nur durch den Einsatz von Flüssigboden gelöst werden kann – mit den an die Erfordernisse angepassten Eigenschaften samt der dazugehörigen fachplanerischen Vorleistungen der Geologen und der Fachplaner für Flüssigbodenanwendungen sowie der dazugehörigen Gütesicherung nach RAL GZ 507.
Vor fast 20 Jahren wurde das Flüssigbodenverfahren durch das Forschungsinstitut für Flüssigboden aus Leipzig (FIFB) entwickelt und die erforderlichen planerischen Vorleistungen definiert bis hin zu den notwendigen Maßnahmen der Gütesicherung und Nachweisführung. Auf der Internet-Seite des Verfahrensentwicklers finden interessierte Planer und Auftraggeber viele Hinweise und Hilfen, um diese Dinge für die eigenen Maßnahmen nutzen zu können (siehe www.fi-fb.de).

Verfüllbereich mit bodenfremdem Verhalten (links) und mit bodenartigen Verhalten | Abbildung: RAL Gütegemeinschaft Flüssigboden e.V.
Verfüllbereich mit bodenfremdem Verhalten (links) und mit bodenartigen Verhalten | Abbildung: RAL Gütegemeinschaft Flüssigboden e.V.

Flüssigboden nach RAL Gütezeichen 507

„Der Vorteil des Flüssigbodenverfahrens liegt darin, dass die Wasserdurchlässigkeit und andere bodenmechanische wie auch wichtige technologische Eigenschaften für den Einbau in Hanglage bei diesem Verfahren den natürlichen Bodenverhältnissen und der Einbausituation gezielt angepasst werden können. Man muss das nur vorher in der Planung berücksichtigen und kompetent umsetzen“, erklärt Kühn. Im Ergebnis kann sich die oben ausgeführte Problematik mit im Graben fließendem Wasser nicht mehr einstellen. Ebenso werden Differenzsetzungen zwischen dem Bereich des Grabens und dem gewachsenen Boden vermieden, da erstmals die annähernd ungestörten Verhältnisse derartiger Aufgrabungen wiederhergestellt werden können. Der Kanal bzw. die Leitung behält über Jahrhunderte ihre volle Stützung/Bettung und kann so nicht zur Ursache für Folgeschäden an den Straßen werden.
In Leipzig, beim Entwickler des Flüssigbodenverfahrens, kennt man das beschriebene Problem zur Genüge. Daher wird allen Kommunen empfohlen, beim Kanalbau Flüssigboden nach RAL Gütezeichen 507 einzusetzen. Olaf Stolzenburg, Fachplaner für Flüssigboden und früherer Obmann der RAL-Gütegemeinschaft Flüssigboden e.V., stellt fest, dass bei einem solchen Flüssigboden neben den bodenmechanischen auch die technologisch relevanten Eigenschaften sowie die benötigten Gebrauchseigenschaften „gezielt eingestellt werden können“. Die richtig eingestellten bodenmechanischen Eigenschaften helfen, das beschriebene Problem zu vermeiden. Stolzenburg: „Die im Rahmen einer Fachplanung festgelegten technologisch relevanten Eigenschaften machen selbst den Einbau in Hanglagen einfach und damit kostengünstiger, da passend eingestellter Flüssigboden, ähnlich wie ein Putz, zwar unter kinetischem Energieeintrag selbst gepumpt werden kann, am Einbauort aber ohne weiteren kinetischen Energieeintrag erstarrt und nicht den Hang entlang abwärts läuft.“

Einbau in Flüssigboden, der das Rohr nahtlos umschließt.
Einbau in Flüssigboden, der das Rohr nahtlos umschließt. Nach der eigenständigen Verfestigung gibt es kein Nachsacken des Bodens; spätere Straßeneinbrüche sind ausgeschlossen. Dank der schmalen Grabenbreite ist der Tiefbau mit Flüssigboden selbst in den engsten Straßenabschnitten möglich. | Foto: RAL Gütegemeinschaft Flüssigboden e.V.

Fachplanung und passende Gütesicherung erforderlich

Flüssigboden herzustellen klingt im ersten Moment einfach, doch setzt die erforderliche Qualität viele fachliche Vorarbeiten voraus, die nur durch eine entsprechende Ausbildung und die nötige technische Ausrüstung risikofrei abgesichert werden können. Das erforderliche Fachwissen betrifft sowohl die Planung einschließlich der Baugrunderkundung, wie auch die bauliche Ausführung.
Interessierte Planer können heutzutage über den Verfahrensentwickler das erforderliche Fachwissen auf dem Wege einer entsprechenden Ausbildung erwerben oder einen speziellen Fachplaner für Flüssigbodenanwendungen analog einem Statiker oder einem Tragwerksplaner für ein konkretes Projekt an ihre Seite holen.
Bei einer Baufirma müssen sich, bevor sie dieses Verfahren risikofrei und kompetent zur Anwendung bringen kann, die Mitarbeiter einem zweitägigen Seminar mit anschließender Zertifizierungsprüfung zum „Geprüften Gütesicherungsbeauftragten Flüssigboden nach RAL Gütezeichen 507“ stellen und werden so theoretisch in die Lage versetzt, Flüssigboden qualitativ hochwertig herzustellen und einzubauen. Die RAL Gütegemeinschaft Flüssigboden e.V. bietet auf ihrer Homepage (www.ral-gg-fluessigboden.de) die nächsten Termine für eine solche Weiterbildung an. Natürlich werden auch die erforderlichen technischen Hilfsmittel von der Herstellung bis zum Einbau des Flüssigbodens benötigt. Deren Verfügbarkeit ist inzwischen nicht mehr nur über den Kauf solcher Technik möglich, sondern auch über das Angebot von entsprechender Miettechnik gegeben.

Das RAL-Gütezeichen 507 für Flüssigboden | Abbildung: RAL Gütegemeinschaft Flüssigboden e.V.
Das RAL-Gütezeichen 507 für Flüssigboden
| Abbildung: RAL Gütegemeinschaft
Flüssigboden e.V.

Fazit: Straßen halten länger

Zurück nach Bonn: Von den Gebrauchseigenschaften ist es in diesem Fall der kf-Wert und damit die richtig eingestellte Wasserdurchlässigkeit, die als wichtigste Voraussetzung dazu dient, die hydrogeologischen Verhältnisse im Untergrund nicht nachteilig zu beeinflussen und Drainagebereiche zu vermeiden. Ergänzt wird diese Eigenschaft noch durch die Suffosionssicherheit und die Abrasionsfestigkeit, die die Grundlagen dafür bilden, dass keine Feinkornanteile und Teile der Oberfläche aus der Flüssigbodenmatrix ausgespült werden und Hohlräume entstehen können. Hinzu kommt, dass durch den Einsatz von Flüssigboden nach RAL GZ 507 auch die Forderungen des Kreislaufwirtschaftsgesetztes zu 100% erfüllt werden, die den Wiedereinbau des Bodenaushubes statt des Einsatzes von Austauschmaterial zwingend vorschreibt.
Gegenüber den bindigen Böden hat der entsprechend RAL GZ 507 hergestellte Flüssigboden den großen Vorteil, dass er bereits nach wenigen Stunden bei geeigneten Rezepturen eine relativ hohe Tragfähigkeit erreichen kann, so dass für so eingestellten Flüssigboden generell der Straßenaufbau sehr schnell wieder aufgebracht werden darf. Da der Flüssigboden bei entsprechender Gütesicherung nach RAL Gütezeichen 507 unter Einbaubedingungen auch eine hohe Volumenstabilität aufweist, wird neben den eingebauten Rohren und Leitungen auch die Straße länger halten als bei der üblichen Verfüllung mit verdichtetem Kiessand.
Gerade bei letzterem sind die aus den vorgenannten Differenzsetzungen stammenden Absätze, die sich auf Dauer fast überall auftun, problematisch. Wo wir gerade beim Verdichten sind: Beim Einsatz des Flüssigbodens wird jeder Anwohner dankbar sein, wenn er bei dieser Bauweise nicht mehr durch die Schwingungen gestört und sein Haus so auch nicht beschädigt werden kann. Sowohl die Verdichtung im Kanalgraben wird überflüssig als auch andere Emissionen, wie Lärm, Feinstaub, CO2, zusätzliche Transporte, die unnötig die Straßen füllen und belasten; die Bauzeit verkürzt sich signifikant, wenn geschulte Baufirmen die mit dem Verfahren möglichen, neuen technologischen Lösungen nutzen usw. Mit anderen Worten, die Bauweise wird nicht nur bei Bau- und Folgekosten wirtschaftlicher, wenn man sie von der Planung bis zur Ausführung beherrscht. Diese Bauweise ist auch regelrecht anwohnerfreundlich und macht Betroffene zu Verbündeten statt zu Gegnern.
Weitere Infos zum Flüssigbodenverfahren und zur RAL Gütegemeinschaft Flüssigboden e.V. unter www.ral-gg-flüssigboden.de


Diesen Beitrag lesen Sie in voller Länge auch in unserer Ausgabe 3/18 (S. 84-89).