Wirkende Kräfte beim Rohrvortrieb mit vier Zwischenpressstationen.
Bild 1: Wirkende Kräfte beim Rohrvortrieb mit vier Zwischenpressstationen. ➀ Startschacht ➁ Zielschacht ➂ Vortriebsmaschine ➃ Pressenkräfte ➄ Mantelreibung ➅ Aufzubringende Pressenkraft ➆ Bohrkopfandruck / Schneidkraft

Vortriebsbegleitenden Pressenkraftüberwachung: Aktuelle Praxiserfahrungen

Bei Rohrvortrieben mit hydraulischen Pressen, anspruchsvoller Trassenführung und schwierigen geologischen Randbedingungen sollte der lückenlosen Dokumentation der Rohrverwinkelungen, der Rohrbelastungen und der Vortriebsparameter besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden: Für Bauunternehmer und Bauherren bedeuten entsprechende Vorkehrungen nicht weniger als die Vortriebsbegleitende Qualitätssicherung ihrer Bauvorhaben.

Von Dipl.-Ing. (FH) Andreas Diedrich, Schwanau, Herrenknecht AG, Forschung und Entwicklung und Dipl.-Ing. Ulrich Bohle, Aachen, ibb-Institut für Baumaschinen und Baubetrieb, RWTH-Aachen

aus der B_I umweltbau, Ausgabe 6/2007

Schäden sind unter Umständen schnell passiert, ihre Sanierung ist meist sehr aufwändig, sie können jedoch von vornherein weitgehend vermieden werden. Eine mögliche Lösung bietet das Überwachungssystem Online Load Control (OLC): In Zusammenarbeit mit der Ingenieurgesellschaft für Innovationen in der Kanalisationstechnik Aachen (INKA) hat die Herrenknecht AG ein System entwickelt, das es dem Maschinenfahrer ermöglicht, die für die Rohre maximal zulässigen Pressenkräfte vortriebsbegleitend und damit in Echtzeit zu überwachen und falls nötig rechtzeitig Gegenmaßnahmen zu ergreifen. Die Herrenknecht AG bietet das OLC-System als zusätzliches Modul für das Universal Navigation System, U.N.S. zur Integration in sämtliche Vortriebssysteme an. Auch die nachträgliche Einbindung in bereits bestehende Vortriebssysteme erfolgt in der so genannten Stand-Alone-Variante in nur wenigen Schritten direkt auf der Baustelle. Inzwischen hat das OLC-System verschiedenste Bauvorhaben bis zu ihrem erfolgreichen Abschluss begleitet. So auch ein Projekt des Unternehmens Gergen Hochund Tiefbau GmbH & Co. KG, Saarwellingen.
Über eine vor Ort eingerichtete Internetverbindung hatte das Bauunternehmen zusätzlich zur vortriebsbegleitenden Kontrolle der Pressenkräfte einen ständigen Einblick in den aktuellen Belastungsgrad der Vortriebsrohre und damit in den Fortschritt des gesamten Projekts.
Systemkomponenten in der Messfuge

Bild 2: Systemkomponenten in der
Messfuge

Belastung von Vortriebsrohren

Beim Rohrvortrieb werden die von den Hydraulikzylindern im Startschacht aufgebrachten Kräfte auf das jeweils zuletzt eingebaute Rohr übertragen und auf diese Weise von Rohr zu Rohr bis zur Vortriebsmaschine weitergeleitet. Die aufzubringende Vorpresskraft ergibt sich aus dem so genannten Spitzenwiderstand am Schneidrad und der Mantelreibung zwischen Rohren und Boden (Bild 1). Mit zunehmender Vortriebslänge nimmt dementsprechend auch die aufzubringende Pressenkraft im Startschacht zu. Auch wenn die verwendeten Vortriebsrohre korrekt bemessen und dimensioniert werden, kann es vereinzelt zu Schäden in Form von Abplatzungen am Rohrspiegel, Rissbildungen in Rohrlängsrichtung bis hin zu großflächigen Scherbenbrüchen an den Rohrspiegeln und den Rohraußenflächen kommen. Die Ursache für diese während des Vortriebs entstehenden Schäden liegt zumeist in einer lokalen Über schreitung der Druckfestigkeit des Rohrwerkstoffs infolge einer zu hohen partiellen Beanspruchung der Rohrspiegel. Maßgeblich für die von den Rohren aufnehmbare Vorpresskraft sind die gegenseitigen Verwinkelungen der Rohre. Diese können einerseits unplanmäßig durch Versteuerung oder wechselnde Bodenverhältnisse, andererseits durch planmäßige Änderungen der Vortriebsrichtung hervorgerufen werden. Planmäßige Verwinkelungen beim Auffahren von Kurven sollten bereits im Vorfeld während der Projektplanung berücksichtigt werden. Dies kann beispielsweise durch Verwendung von der Kurve angepassten Rohrlängen und dicker ausgelegten Fugenzwischenlagen erfolgen, die Einfluss auf die Übertragung der Vortriebskraft und die Spannungsverteilung in der Rohrfuge nehmen: Durch die Verformung der Fugenzwischenlagen vergrößert sich die Last übertragende Fläche bei Verwinkelung der Vortriebsrohre, gleichzeitig reduzieren sich die Spannungen in der Rohrfuge. Die Verformungseigenschaften von Fugenzwischenlagen aus Holzwerkstoff oder Vollholz zeichnen sich durch ein überwiegend elastisches Materialverhalten im niedrigen Lastbereich, im höheren Lastbereich hingegen durch ein nicht linear elastisch-plastisches Materialverhalten aus.

Messtechnik im Vortriebsrohr
Bild 3: Messtechnik im Vortriebsrohr
In Kombination mit der Fugenzwischenlage sollte das Vortriebsrohr statisch so ausgelegt werden, dass die Pressenkräfte schadlos aufgenommen werden können. Jedoch ist eine rechnerische Berücksichtigung der Verwinkelungen und des Materialverhaltens der Fugenzwischenlage bei der Berechnung der zulässigen Pressenkraft nach derzeit gültigen Regelwerken nicht möglich. Zwar existieren alternative Berechnungsverfahren, mit denen die Verwinkelungen rechnerisch berücksichtigt werden können. Ob die auf Schätzungen basierenden Rohrverwinkelungen aus unplanmäßigen Abweichungen von der Sollachse jedoch eingehalten oder überschritten werden, wird zumeist erst im Schadensfall durch Nachvermessung kontrolliert.
Visualisierung am Steuerstand
Bild 4: Visualisierung am Steuerstand

Online Load Control (OLC)

Diese Lücke schließt eine Entwicklung der INKA, die unter anderem in einem aktuellen Projekt der Gergen Hochund Tiefbau GmbH & Co. KG, Saarwellingen zum Einsatz kam: Das Überwachungssystem OLC kann die aktuelle, schadlos von den Rohren aufnehmbare Vorpresskraft der jeweiligen Pressstation ermitteln und die Spannungsverteilung in den Rohrfugen kontrollieren. Kritische Rohrbelastungen, die zu Schäden führen könnten, werden frühzeitig erkannt.

Bild 5: Screenshot Online Load Control
Bild 5: Screenshot Online Load Control
Die Klaffung ausgewählter Fugen wird anhand von jeweils vier Wegsensoren erfasst und über einen Messumsetzer an einen Rechner weitergeleitet, der im Steuerstand installiert ist (Bild 2 und 3). Dort wird die Berechnung der Rohrverwinkelung und der Spannungsverteilung in den Rohrfugen vorgenommen. Die Ausgangsdaten für diese Berechnungen ergeben sich dabei aus der Verformungsgeschichte der Fugenzwischenlagen. Jeder Fugenzwischenlage werden die plastische Verformung und der ElastizitätsModul zur Vorpresskraftübertragung zugewiesen, nachdem das Spannungs-Stauchungsverhalten zuvor im Labor anhand mehrerer Materialprüfungen ermittelt wurde. Auf diese Weise wird die zur Verfügung stehende Kontaktfläche und die Spannungsverteilung in allen Fugen errechnet. Unter Berücksichtigung dieser Historie ermittelt der Rechner durch einen Vergleich der Spannungen mit der Druckfestigkeit des Rohrwerkstoffes die aktuell resultierende, zulässige Vorpresskraft. Diese zeigt dem Maschinenfahrer im Steuerstand das Verhältnis von zulässiger und tatsächlich aufgebrachter Vorpresskraft in Echtzeit an (Bild 4). Falls eine potentielle Überlastung der Rohre droht, können vorausschauende Gegenmaßnahmen (Richtungskorrekturen, Aktivieren von Dehnern, zusätzliche Schmierung) ergriffen werden. Der Auftraggeber und das Bau ausführende Unternehmen erhalten zudem eine ausführliche Dokumentation der Rohrverwinkelungen, der zulässigen und der tatsächlich aufgebrachten Vorpresskräfte. Die Installation des OLC-Systems und dessen Betrieb behindern die Vortriebsarbeiten dabei in keiner Weise. Ganz im Gegenteil: Die beständige Kontrolle der Vorpresskräfte schafft beste Voraussetzungen für einen schadensfreien Rohrvortrieb. Zugriff auf die Daten aus der Belastungsüberwachung der Rohre bietet außerdem nicht nur der Rechner auf der Baustelle, sie können nach Einrichtung einer Internetverbindung auf der Baustelle weltweit von jedem beliebigen Rechner mit Internetzugang abgerufen werden. Die entsprechenden Zugangsdaten eröffnen einen schnellen Überblick in die durch Passwort geschützten Onlinedaten. Dies ermöglicht es allen am Bauvorhaben beteiligten Personen, sich rund um die Uhr über die aktuellen Messdaten des Rohrvortriebs zu informieren: über die Pressenkrafthistorie, die für die Vortriebsrohre zulässigen und tatsächlichen Pressenkräfte und ggf. deren Überschreitung, die aktuellen Rohrverwinkelungen an den einzelnen Messfugen und die daraus resultierende Verwinkelungshistorie (Bild 5).
Bild 6: Einbau eines Vortriebsrohrs mit vormontierter MesstechnikBild 6: Einbau eines Vortriebsrohrs mit vormontierter Messtechnik
Bild 6: Einbau eines Vortriebsrohrs mit vormontierter
Messtechnik

Da sämtliche Werte kontinuierlich aktualisiert werden, liefert OLC Bau ausführenden Unternehmen wie Bauherren einen objektiven Nachweis darüber, dass das Projekt durch den Einsatz von OLC an Qualität, Arbeitssicherheit und Wirtschaftlichkeit gewonnen hat.

Projekt „Mittleres Saartal“

Das Unternehmen Gergen Hochund Tiefbau GmbH & Co. KG, Saarwellingen hat in Bous Schwalbach, einer Gemeinde im Landkreis Saarlouis (15 km nordwestlich von Saarbrücken) drei Vortriebstrecken aufgefahren, die den Bommersbach zum Teil unterqueren. Die Baumaßnahme „Mittleres Saartal“, Hauptsammler Bommersbach, LOS 2 erfolgte im Auftrag des Entsorgungsverbands Saar Abwasserwirtschaft Saarbrücken.

Schacht Nr. Haltungslänge Trassenführung
25-27 361m Gerade
27-28 231m 121m Gerade;
110m Kurve
R=191m
30-28 392m 307m Gerade;
85m Kurve
R=220m

Die geologischen Verhältnisse des Bauvorhabens wurden vorwiegend von Schichten aus Bundsandstein und Rotliegendem/Karbon bestimmt. Die Schichten von Buntsandstein waren im Bereich der aufzufahrenden Trasse größtenteils stark verwittert bis zersetzt und wiesen nur eine geringe Festigkeit auf. Von einer standsicheren Ortsbrust konnte demnach nicht ausgegangen werden

Die Schichten von Rotliegendem/Karbon hingegen waren auf Höhe der geplanten Vortriebsstrecke zu halbfesten bis festen Tonen zersetzt. Einige Teilstrecken wiesen Störzonen mit geradezu breiigen Konsistenzen auf, die zur Annahme führten, dass die Ortsbrust nicht standfest sein würde. Die gesamte Trassenführung zeichnete sich durch eine sehr starke Durchnässung aus, weshalb der Rohrvortrieb unter Druckluft bereits in der Ausschreibung des Projekts zur Bedingung gemacht wurde. Des Weiteren verläuft der Hauptsammler Bommersbach zum größten Teil innerhalb einer Wasserschutzzone: Ein weiteres Argument für automatischen Rohrvortrieb mit Hydroschild und Druckluftpolsterregelung. Zum Einsatz kam eine Herrenknecht Tunnelvortriebsmaschine vom Typ AVND1600.
Die aufzufahrenden Vortriebsstrecken lagen größtenteils im Übergangsbereich von Lockerboden zu Festgestein, aus diesem Grund lag das Augenmerk des Maschinenfahrers besonders auf Abweichungen der Maschine von der Sollachse in vertikaler Richtung.

Bei drei Haltungen betrug die Vortriebslänge insgesamt 984 Meter und wies zwei enge Kurvenradien von 191 bzw. 220 Metern auf. Jeder Meter wurde dabei vom Überwachungssystem OLC begleitet. Die statische Berechnung der Vortriebsrohre (DN1600) erfolgte gemäß der Regelwerke ATV A 125, ATV A 161 und DIN 1045 bzw. EC2. In den Bereichen des geraden Vortriebes wurden Rohre mit einer Länge von 3 Metern verbaut, in Kurvenstrecken wurden Rohrlängen von 2 Metern verwendet. Für die Rohre im Bereich der ersten Pressstrecke, mit einer verwendeten Rohrlänge von drei Metern, wurden Fugenzwischenlagen aus Pressspan mit einer Stärke von 22 Millimetern verwendet. Die Fugenzwischenlagen im Kurvenbereich der zweiten und dritten Vortriebstrecke bestanden im Unterschied zur ersten Strecke aus Vollholz und betrugen eine Stärke von 36 Millimeter: Genug, um auch im Kurvenbereich eine ausreichende Last übertragende Fläche im Fugenbereich zu gewährleisten. Vortriebsstrecke Schacht Nr. Haltungslänge Trassenführung 25-27 361m Gerade 27-28 231m 121m Gerade; 110m Kurve R=191m 30-28 392m 307m Gerade; 85m Kurve R=220m .

Das Auffahren des ersten Teilstücks (Schacht 25-27) begann im April 2007. Der Vortrieb wurde besonders durch die bereits beschriebenen Schichten von Rotliegendem/Karbon erschwert, die laufend eine Verklebung des Schneidkopfes verursachten. Zur Sicherheit wurden ferner zwei Zwischenpressstationen eingesetzt und im Abstand von ca. 100 Metern passiv mit geschoben. Bei einer drohenden Überschreitung der zulässigen Vorpresskraft hätten die Zwischenpressstationen aktiviert und die aufzubringenden Kräfte reduziert werden können. Trotz der schwierigen geologischen Bedingungen konnte der Zielschacht bereits nach wenigen Wochen erreicht werden. Die Einrichtung der zuvor beschriebenen Messtechnik zur vortriebsbegleitenden Pressenkraftüberwachung erfolgte für alle drei Haltungslängen gleichermaßen. Zur Aufnahme der Rohrabwinkelungen bzw. der Fugenspaltmaße wurden die Doppelmessfugen in den Rohren unmittelbar hinter der Vortriebsmaschine angeordnet. Um vor Ort eine einfache Montage ohne Beschädigung der Rohre zu ermöglichen, wurden spreizbare Stahlringe eingesetzt, die im Rohrinnern durch Verspannen fixiert werden konnten. An den Stahlringen selbst wurden die Peripheriegeräte zur Messung befestigt. Die Messtechnik wurde vor dem Einbau der Vortriebsrohre vormontiert, so dass der Einbauvorgang der Rohre nur unwesentlich behindert wurde (Bild 6).

Die erste Messebene wurde zwischen dem ersten und zweiten Vortriebsrohr installiert, die zweite Messebene zwischen dem zweiten und dritten Vortriebsrohr. Die Fugenspaltmaße wurden pro Messebene von vier Wegmesssensoren erfasst, die an gleichmäßig über den Rohrdurchmesser verteilten Stellen auf den Spannringen fixiert waren. Anschließend wurde die Information über Messumsetzer an den im Vortriebscontainer aufgestellten Rechner weitergeleitet. Unter Berücksichtigung der Belastungshistorie ermittelte der Rechner zeitgleich die aktuell resultierende und die zulässige Vorpresskraft für die Vortriebsrohre. Der Maschinenfahrer im Steuerstand erhielt in Echtzeit die zulässige sowie die tatsächlich aufgebrachte Vorpresskraft angezeigt. Dank der OLCAnzeige auf der Herrenknecht-Datenvisualisierung am Steuerstand konnte auf einen Blick erkannt werden, wie hoch der prozentuale Auslastungsgrad der Pressenkräfte mit Bezug auf die Belastung der Vortriebsrohre ausfielt und ob bzw. welche Reserven vorhanden waren. Einer Überlastung der Rohre konnte somit vorgebeugt werden, da der Maschinenfahrer jederzeit die Gelegenheit hatte, vorausschauend entsprechende Gegenmaßnahmen zu ergreifen. Hierzu würden in erster Linie die rechtzeitige Aktivierung der Dehner sowie eine verstärkte Schmierung des Rohrstranges zählen.
Die Verwinkelungen der zuerst aufgefahrenen Vortriebsstrecke wiesen die für einen geraden Vortrieb typischen Pendelbewegungen aus Korrektursteuerungen um die Nullachse auf. Die vom OLC-System ermittelten maximal zulässigen Vorpresskräfte wurden zu Beginn des Vortriebs beziffert. Durch auftretende Fugenabwinkelungen reduzierten sich diese nach einigen Metern um ca. 2 Prozent. Die maximal aufgebrachte Pressenkraft erreichte nur 72 Prozent der zu Anfang bestimmten Werte. Somit wurden die zulässigen Pressenkräfte zu keinem Zeitpunkt des Vortriebs überschritten und auf einen Einsatz der passiv mitgeführten Zwischenpressstationen konnte verzichtet werden. Um beim Einfahren in die Kurven der beiden nachfolgenden Teilstrecken die korrekten Steuerbewegungen zum richtigen Zeitpunkt einzuleiten bedurfte es der langjährigen Erfahrungen des Pressenmeisters. Auch beim Vortrieb dieser Haltungen waren vorab die maximal zulässigen Vorpresskräfte der Hauptpressen ermittelt worden. Durch die Einfahrt in die Kurven und den damit verbundenen Rohrverwinkelungen reduzierten sich die zulässigen Vorpresskräfte um 4 bzw. 10 Prozent

In den ersten Metern der Pressstrecken stiegen die gemessenen Vorpresskräfte stark an und fielen dann wieder ab, um für den weiteren Verlauf der Strecke nahezu kontinuierlich zuzunehmen. Das plötzliche Abfallen der gemessenen Vorpresskräfte resultierte wahrscheinlich aus einem Wechsel der geologischen Verhältnisse und/oder einer intensiveren Schmierung des Rohrstrangs. Dank der gezielten Aktivierung einer von insgesamt zwei mitgeführten Dehnerstationen konnte bei der dritten Haltung einer drohenden Überbelastung der Vortriebsrohre im Bereich der Kurve gezielt entgegengewirkt werden.

Während des Auffahrens der gesamten Vorpressstrecke wurde zu keiner Zeit die in Bezug auf die Rohrbelastungen jeweilige maximal zulässige Vorpresskraft überschritten.

Fazit und Ausblick

Obwohl der Einsatz der vortriebsbegleitenden Pressenkraftberechnung nicht Bestandteil der Ausschreibung für diese Baumaßnahme war, entschied sich Gergen Hochund Tiefbau GmbH & Co. KG zusätzlich für das Überwachungssystem OLC: Damit erfüllte das Bauunternehmen bereits zu diesem Zeitpunkt alle Anforderungen an die Überwachung und Dokumentation von Vorpresskräften, die die DWA in ihren aktuellen Entwürfen der Arbeitsblätter A 161 und A 125 für die Zukunft fordert. Für das Bauunternehmen konnte durch den Einsatz von OLC ein objektiver Nachweis dafür erbracht werden, dass das Projekt an Qualität, Arbeitssicherheit und Wirtschaftlichkeit gewonnen hat und somit in mehr als einer Hinsicht erfolgreich umgesetzt wurde.Mit der Entwicklung von OLC haben die Herrenknecht AG und INKA ein System geschaffen, das das Auffahren von Rohrvortrieben trotz anspruchsvollster Trassenführung und schwierigster geologischer Bedingungen wesentlich erleichtert. Die kontinuierliche Dokumentation der Rohrverwinkelungen, der Rohrbelastungen und der Vortriebsparameter durch OLC führt einen neuen Qualitätsmaßstab für den Rohrvortrieb mit hydraulischen Pressen ein. Das Maschinenpersonal ist dank der Echtzeit-Übertragung der Messdaten an den Rechner im Steuerstand jederzeit in der Lage, im Falle einer drohenden Überlastung der Vortriebsrohre umgehend und rechtzeitig Gegenmaßnahmen zu ergreifen und somit möglichen Schäden vorzubeugen. Durch das Überwachungssystem OLC haben außerdem sämtliche am Bau beteiligten Personen die Möglichkeit, sich rund um die Uhr über Ablauf und Fortschritt des Unternehmens zu informieren. Die unkomplizierte Integration und die einfache Handhabung des Systems sowie die übersichtliche Bedienerführung seiner Technik lässt die Ausführung des Bauvorhabens ferner mit einem Mindestmaß an Vortriebsbegleitenden Ingenieurleistungen auskommen. Insgesamt beweist sich das Online Load Control System als ein Instrument, das dem Rohrvortrieb von morgen schon heute Vorschub leistet.

Gelber Bagger mit Rohr

Auf einen Blick

Technik:

  • Online-Bestimmung der zulässigen Pressenkräfte über die gesamte Vortriebsstrecke
  • Visualisierung der zulässigen sowie tatsächlichen Vortriebskräfte für den Maschinenfahrer
  • Vollständige Dokumentation der Rohrverwinkelungen und Kräfte
  • Auswertung der Verwinkelungen

Qualitätssicherung:

  • Lückenlose Dokumentation des Einbaus
  • Kontinuierliche Überwachung der tatsächlichen und der jeweils zulässigen Vorpresskräfte
  • Abnahmeerleichterung für Bauherren

Wirtschaftlichkeit:

  • Geringere Dehneraktivitäten durch gezieltes und situationsabhängiges Aktivieren der Dehner
  • Planungssicherheit und -spielräume werden erhöht: Engere Radien, mehr Trassenfreiheit, Modulation der Rohrlängen
  • Im Rahmen der neuen Arbeitsblättern der Deutschen Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V. (DWA) ist ein gezieltes und gesichertes Herabsetzen der Sicherheitsbeiwerte bei kritischen Belastungssituationen sowie eine Erhöhung der Auslastungsgrade möglich
  • Durch kontrolliertes Auffahren der Vortriebsstrecke und der Vermeidung von ungeplanten Stillstandzeiten können Baukosten reduziert werden
  • Weniger Schächte durch Realisierung längerer Haltungen bzw. Vorpressstrecken möglich


Literaturhinweise

ATV-Arbeitsblatt 125: Rohrvortrieb, Abwassertechnische Vereinigung e.V.GFA, September 1996 ATV-Arbeitsblatt 161: Statische Berechnung von Vortriebsrohren, Abwassertechnische Vereinigung e.V.GFA, Januar 1990 DWA-Arbeitsblatt 125 (Entwurf): Rohrvortrieb und verwandte Verfahren, Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V., Februar 2007 Girmscheid, G.: Baubetrieb und Bauverfahren im Tunnelbau, Ernst & Sohn Verlag, Berlin, 2000 Schumann, W.: Mineralien, Gesteine – Merkmale, Vorkommen und Anwendung, BLV Verlagsgesellschaft mbH, München 1997