Durchführung der Baumaßnahme direkt an einer Haltestelle der Wuppertaler Schwebebahn
Durchführung der Baumaßnahme direkt an einer Haltestelle der Wuppertaler Schwebebahn

Der Entlastungssammler Wupper

10 km Rohrvortrieb unter schwierigsten Bedingungen

Über einen Zeitraum von fast 20 Jahren wird in Wuppertal ein innovatives und komplexes Entwässerungssystem verwirklicht. Dabei waren schwierigste geologische Verhältnisse im stark urbanisierten Raum zu bewältigen.

Von Dr.-Ing. Helmut Grüning, Dipl.-Ing. Dirk Scharbatke, Dipl.-Ing. Udo Lauersdorf, Dipl.-Ing. Ralf H Eringer

aus der B_I umweltbau, Ausgabe 2/2005

Wuppertal ist durch eine enge Bebauung des langgestreckten Tales entlang der Wupper gekennzeichnet. In Kombination mit der starken Geländeneigung in Richtung der Talsohle resultieren daraus erhebliche Anforderungen an eine sichere und umweltgerechte Abwasserentsorgung. Insgesamt leben rd. 365.000 Einwohner in Wuppertal. Weiterhin sind eine Reihe von Gewerbeund Industriebetrieben im Stadtgebiet angesiedelt. Der Verkehr in Wuppertal orientiert sich in Richtung des Tals, so dass eine überdurchschnittlich hohe Verkehrsbelastung für den Bereich der Talsohle typisch ist.
Portalkran über der Pressgrube – im Hintergrund die Wuppertaler Schwebebahn
Portalkran über der Pressgrube – im Hintergrund die
Wuppertaler Schwebebahn
Die Entwässerung erfolgt zum größten Teil im Trennverfahren. Die Oberflächenabflüsse werden im Einzugsbereich der Tallage hauptsächlich in die Wupper eingeleitet. Die meisten Bachläufe der oberen Gebiete sind im Unterlauf verrohrt. Gemäß behördlicher Vorgaben (u.a. MUNLV, 2004) erfolgt eine flächennutzungsabhängige Behandlungspflicht für den Oberflächenabfluss. Bei der Festlegung der klärpflichtigen Oberflächenabflüsse wurde ursprünglich zwischen Gewerbegebieten, Mischgebieten und stark befahrenen, klassifizierten Verkehrswegen unterschieden. Für fast zwei Drittel der ca. 600 Gewässereinleitungen sind Vorbehandlungsmaßnahmen erforderlich. Der Platz für die Anordnung entsprechender Regenbecken ist in der stark bebauten Tallage jedoch nicht vorhanden. Für dieses Problem haben ursprünglich die Stadt Wuppertal und später die Wuppertaler Stadtwerke (WSW AG) in Zusammenarbeit mit der Dr. Pecher AG, Erkrath, ein umfassendes Entwässerungskonzept entwickelt. Primäres Ziel des Regenwasserbehandlungskonzeptes war die Speicherung und damit die Möglichkeit zur Reinigung von behandlungspflichtigen Oberflächenabflüssen bei gleichzeitiger Reduktion des Mischwasserabflusses zur Kläranlage Buchenhofen (Wupperverband). Das Einzugsgebiet der Kläranlage umfasst etwa 80 % des gesamten Stadtgebietes.
Durchführung von Baumaßnahmen inmitten der beengten Bebauung inkl. der Sicherung der teilweise historischen Gebäude
Durchführung von Baumaßnahmen
inmitten der beengten Bebauung inkl.
der Sicherung der teilweise
historischen Gebäude

Als Alternative zu den zahlreichen dezentralen Regenwasserbehandlungsanlagen wurde ein als kaskadierter Stauraumkanal ausgebildeter fast 10 km langer Sammler konzipiert, der etwa parallel zur Wupper quer durch das Wuppertaler Stadtgebiet verläuft. Dieser Entlastungssammler Wupper (ESW) weist eine Nennweite von DN 2000 bis DN 2600 auf. Die Tiefenlage beträgt etwa 10 bis 15 m. Mit diesem Sammler ist Speichervolumen von rd. 42.000 m³ aktivierbar. Am Ende des Sammlers steht mit dem Regenüberlaufbecken „Am Rutenbecker Weg“ nochmals ein Speicherraum von ca. 4.000 m³ zur Verfügung.

Insgesamt erfüllt das Sammlersystem, das aus dem Rohrstrang selbst und einer Vielzahl an Zuleitungsund Trennbauwerken besteht, folgende Aufgaben:

  • Die Behandlung klärpflichtiger Oberflächenabflüsse durch Zwischenspeicherung und anschließende Weiterleitung in die Kläranlage Buchenhofen.
  • Die Reduktion des Mischwasserzuflusses auf den maximalen Kläranlagenzufluss durch aktive Stauraumbewirtschaftung.
  • Die Möglichkeiten zur Wartung und Inspektion des rd. 90 Jahre alten Hauptschmutzwassersammlers in der Wuppertaler Talsohle. Während der sanierungsbedingt temporär erfolgenden, abschnittsweise vorzunehmenden Außerbetriebnahme des auch mischwasserführenden Hauptschmutzwassersammlers, kann der Abfluss in den ESW umgeleitet werden.
  • Der Abschlag möglicher temporärer Überlastung aus der Misch-/Schmutzwasserkanalisation in den ESW.
Die teilweise fast ein Jahrhundert alten Mauerwerkskanäle waren großteils noch gut erhalten
Die teilweise fast ein Jahrhundert alten Mauerwerkskanäle
waren großteils noch gut erhalten

Planungskonzept

Mit der Entwicklung des linienförmigen „quasizentralen“ Bauwerkes sind die Platzprobleme weitgehend gelöst und die umwelttechnischen Zielsetzungen gesichert. Darüber hinaus waren eine Reihe organisatorischer und technischer Fragestellungen zu lösen, die aus folgenden, das Bauprojekt kennzeichnenden Randbedingungen, resultierten:

  • Eine enge Bebauung in der Wuppertaler Talsohle.
  • Die verkehrstechnischen Belange. Die Trasse verläuft größtenteils unterhalb der BundesAufschüttungen, Schwemmsand, Sandstein, Massenkalk inklusive großer Diagonalklüfte sowie nicht kartierter Brunnenanlagen und Querstollen.
  • Die Kreuzung der Wupper an fünf Stellen.
  • Die Koordination der Baumaßnahmen mit den Instandhaltungsund Erneuerungsmaßnahmen der Wuppertaler Schwebebahn. Die Trasse dieses weit über die Landesgrenzen hinaus bekannten Verkehrsmittels verläuft größtenteils über der Wupper, so dass eine direkte Wechselbeziehung zu den Baumaßnahmen des ESW besteht.
  • Der 4 bis 5 m über dem Rohrscheitel liegende Grundwasserstand.
  • Die extrem wechselhafte Geologie, gekennzeichnet durch
  • Die Berücksichtigung von Anwohnerinteressen inklusive der Fragen der Grunddienstbarkeit.
  • Die Berücksichtigung und Einbindung von Wasser-, Landschaftsund Baubehörden sowie der jeweiligen Versorgungsund Verkehrsträger.
  • Die Einbindung des Wupperverbandes als Betreiber der Kläranlage und der Zuständigkeit für die Wupper.

Eine der grundsätzlichen Planungsfragen ist die Wahl des Gefälles als Kompromiss zwischen Investitionskosten und betrieblichen Aspekten. Je steiler das Gefälle, umso geringer die Möglichkeit von Ablagerungen und somit ein verminderter Unterhaltungsaufwand. Ein stärkeres Gefälle bietet darüber hinaus eine höhere Flexibilität gegenüber vertikaler Lageabweichungen während des Vortriebs. Am Endpunkt ergibt sich jedoch eine größere Förderhöhe für das Pumpwerk. Aufgrund dieser Bedingungen wurde auch darauf verzichtet, den ESW in tieferen, evtl. homogeneren Bodenschichten anzuordnen. Das mittlere Gefälle des ESW beträgt 2 ‰. Durch Sohlsprünge in den Staubauwerken resultiert ein mittleres Gesamtgefälle von 2,4 ‰.

Bergung der Vortriebsmaschine
Bergung der Vortriebsmaschine

Bauphase

Der Bau des Sammlers erfolgte im Vortriebsverfahren. Der gesamte Streckenabschnitt wurde straße 7 der verkehrstechnischen Hauptschlagader Wuppertals. in 6 Lose mit 12 Vortriebsstrecken unterteilt. Die nach wirtschaftlichen Kriterien festgelegten Vortriebsabschnitte weisen Längen von bis zu 1.115 m auf. Der Mindestradius der teilweise gegenläufigen Kurven beträgt 250 m. Für den Vortrieb wurden, bis auf das erste Los, Teilschnittmaschinen gewählt. Der hohe Grundwasserstand erforderte hierbei einen Vortrieb unter Druckluft. Eine besondere Herausforderung stellten die kaum einzuschätzenden geologischen Bedingungen dar. Diese erforderten besondere Maßnahmen zur Überwachung des Setzungsverhaltens während der Vortriebsarbeiten. Entlang der Trasse wurden im Abstand von 10 m Setzungsprofile vermarkt und kontinuierlich überwacht. Die vermessungstechnische Überwachung der angrenzenden Bebauung erfolgt zum Zweck der Beweissicherung durch Anordnung von Kontrollbolzen an den Kellersockeln sowie Straßen-, Eisenbahnund Autobahnbrücken, die eine besondere Sensibilität erforderten.

Einbau des Förderbandes zur Bodenförderung
Trotz der Sondierungsbohrungen im Abstand von 50 bis 80 m waren unvorhergesehene Zwischenfälle nicht auszuschließen. Als Extremereignisse sind ein Tagesbruch in der Bundesstraße 7 und wiederholte Überflutungen der Vortriebsanlagen zu nennen. In einem Fall kam es zur Überflutung, weil in 13 m Tiefe ein völlig unbekannter gemauerter Stollen angefahren wurde. Zur Minimierung des geologischen Risikos wurden neben der konventionellen Bodenerkundung zusätzlich Bodenradar und Luftschall-Seismik eingesetzt. Darüber hinaus wurden vielfach Horizontalbohrungen von der Ortsbrust aus durchgeführt, um mögliche Störzonen zu orten. Die Steuerung von Vortriebslosen, die mit Teilschnittmaschinen unter Druckluftbeaufschlagung aufgefahren wurden, erfolgte mit Winkelund Streckenmessungen, die in den Vortriebsstrang eingemessen wurden. Der Vortrieb des untersten Abschnittes erfolgte durch eine Vollschnittmaschine mit flüssigkeitsgestützter Ortsbrust. Die Navigation gewährleistete in diesem Fall ein Laser mit elektronischen Zieltafeln. Die horizontale Lagesteuerung der beiden letzten Abschnitte stellte ein bandgehängter, nordsuchender Meridiankreisel sicher. Die vertikale Ausrichtung erfolgte hierbei durch ein elektronisches Schlauchwaagensystem.
Einbau der Teilschnittmaschine
Einbau der Teilschnittmaschine

Bauzeit und Kosten

Während der Planungsphase im Jahr 1990 wurde eine Kostenschätzung in der Höhe von 218 Millionen DM (rd. 112 Millionen EUR) vorgenommen. Die damals veranschlagten Endkosten von 343 Millionen DM (rd. 175 Millionen EUR) basieren auf der Grundlage einer jährlichen Preissteigerung von 10 % für die ausstehenden Restleistungen. Der mittlere spezifische Preis für den gesamten Sammler liegt bei 7.650 EUR/m. Das Land NRW hat das Projekt mit rd. 31 Millionen EUR bezuschusst. Die damaligen Kostenschätzungen weichen trotz der langen Bauzeit von bislang 14 Jahren nur unerheblich von den Kostenfeststellungen ab. Die Vortriebsarbeiten für den Sammler dauerten von Februar 1992 bis September 2001. Die weiteren Trenn-, Zuleitungsund Anschlussbauwerke werden bis 2009 gebaut sein.

Sicherung der Wuppersohle vor der Unterquerung (Vortrieb unter Druckluft)

Bauwerke und Bewirtschaftung

Zur optimierten Ausnutzung des Stauvolumens wurde eine Kaskadierung in 6 Staustufen vorgenommen, die durch 5 Staubauwerke und ein Pumpwerk am Ende des Sammlers aktiviert werden. Das gesamte Sammlersystem mit ca. 100 Zuleitungs-, Anschlussund Verzweigungsbauwerken wird derzeit und künftig sukzessive zunehmend durch Fernwirktechnik bewirtschaftet.

Für der Bewirtschaftung des Systems befinden sich bereits innovative Messkonzepte in der Planungsund Erprobungsphase. Zur effektiven Trennung stofflich belasteter Regenwasserabflüsse von den vergleichsweise unbelasteten Abflüssen ist der Einsatz von Parametersonden vorgesehen. Diese Sonden liefern online Indikatoren für den Grad der Abwasserverschmutzung. Auf dieser Basis ist in den Verzweigungsbauwerken eine gezielte Ableitung in den Sammler oder die direkte Gewässereinleitung durch entsprechende Steuerelemente möglich. Erste Untersuchungen hierzu verliefen vielversprechend.

Bau eines Wupperauslasses
Bau eines Wupperauslasses
Einbau von kreuzenden Ver- und Entsorgungsleitungen
Einbau von kreuzenden Ver- und Entsorgungsleitungen

Fazit

Über einen Zeitraum von fast 20 Jahren wird in Wuppertal ein innovatives und komplexes Entwässerungssystem verwirklicht. Dabei waren schwierigste geologische Verhältnisse im stark urbanisierten Raum zu bewältigen. Eine wesentliche Voraussetzung zum Gelingen des Projektes war die Einbindung der Öffentlichkeit. Durch regelmäßige Medienpräsenz, Besichtigungen von Sammlerabschnitten und Broschüren wurden die Bürgerinnen und Bürger informiert, die das System letztendlich bezahlen und in der Bauphase viele Beeinträchtigungen hinnehmen mussten. Durch die gezielte Öffentlichkeitsarbeit lässt sich der langfristige Nutzen eines tief unter der Erde liegenden Systems vermitteln, dessen Wirksamkeit oft nicht nur unterschätzt, sondern von der Bevölkerung in aller Regel gar nicht wahrgenommen wird.

Literatur

MUNLV (2004): Anforderungen an die Niederschlagsentwässerung im Trennverfahren. RdErl. d. Ministeriums für Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz IV-9 031 001 2104 v. 26.5.2004

Hinweis

Dieser Beitrag beschreibt das grundsätzliche Konzept der Regenwasserbehandlung in Wuppertal. Das Hauptelement stellt dabei der Entlastungssammler Wupper (ESW) dar. In einem Folgebeitrag ist die Beschreibung der Konzeption und Ausführung einzelner, exemplarischer Regenwassertrennund Anschlussbauwerke vorgesehen.

Autoren

Dr.-Ing. Helmut Grüning Dipl.-Ing. Dirk Scharbatke Dipl.-Ing. Ralf Heringer Dr. Pecher AG, Klinkerweg 5, 40 699 Erkrath Dipl.-Ing. Udo Laeuersdorf Wuppertaler Stadtwerke AG Bromberger Straße 39 -41 42281 Wuppertal