Dehnungsmessstreifen warnen vor Bodensenkung an A2 in Maastricht

Zur Umtrassierung der Autobahn A2 untertunnelt Avenue2, ein Konsortium von Strukton und Ballast Nedam, zurzeit die Stadt Maastricht. Das Projekt ist komplex; nicht nur, weil die Erdaushubarbeiten bis in eine Tiefe von 22 Metern unter der Geländeoberfläche reichen, sondern auch aufgrund des Bodengefüges und der Tatsache, dass in gerade einmal drei Metern Abstand vom Rand der Ausschachtungen Wohnblocks stehen. Um rund um die Uhr zu überwachen, dass die Baugrube stabil ist und es nicht zu Bodensenkungen kommt, hat Avenue2 zusammen mit HBM an der untersten Ebene von Stützen in der Baugrube Dehnungsmessstreifen installiert. Damit werden die Kräfte gemessen, die über die Spundwände auf die Stützen wirken.

Ein wesentlicher Unsicherheitsfaktor bei den Bauarbeiten an der A2 ist das Bodengefüge. Zum Teil besteht das Erdreich entlang der 2,3 km langen Strecke aus instabilem Mergel. Dieses Gestein ist normalerweise recht stabil, die passive Widerstandsfähigkeit am Boden der Baugrube kann jedoch abnehmen, wenn der Wasserdruck im Mergel steigt. Darüber hinaus kann der Mergel mit Wasser gefüllte Kiesablagerungen oder Hohlräume (Karst) enthalten. Wird der Widerstand zu gering oder trifft man auf Karst, kann über den Boden der Baugrube Wasser und Erdreich ausgespült werden. Wenn dann nicht rechtzeitig Gegenmaßnahmen ergriffen werden, kann es zu Bodensenkungen kommen, die möglicherweise die Baugrube oder in der Nähe stehende Gebäude beschädigen oder Projektverzögerungen verursachen. Daher hat Avenue2 ein System entwickelt, um den Zustand des Erdreichs in und um die Baugrube herum in Echtzeit überwachen zu können.

Überwachung in Echtzeit

"An der A2 kombinieren wir verschiedene Methoden zur Überwachung von Veränderungen des Bodengefüges, um rechtzeitig Maßnahmen gegen Bodensenkungen ergreifen zu können," erläutert Hessel Galenkamp, Monitoring & Engineering-Experte bei Strukton. "Wir messen fortlaufend den Zustand der Außenwände der in der Nähe der Baugrube stehenden Gebäude. An den Außenseiten der Spundwände setzen wir automatische Neigungsmesser ein, den Wasserdruck an der Innenseite messen wir mit Druckaufnehmern in senkrechten Röhren. Die Belastung der horizontalen Stützen wird mit einer anderen Methode gemessen. Dazu verwenden wir Dehnungsmessstreifen, die von HBM Waalwijk geliefert und installiert wurden."

Die Planung dieser Arbeiten stellte HBM vor große Herausforderungen. Die Zeitpläne auf der Baustelle sind eng und die Arbeitsbelastung kann sehr groß werden. Der Nachschub an Stützen ist entscheidend; daher erwies es sich als schwierig, für das Installieren der Dehnungsmessstreifen an allen Stützen einen ganzen Tag  zu reservieren, was HBM ein hohes Maß an Flexibilität abverlangte.

Image: H.F. Galenkamp
Image: H.F. Galenkamp

Beobachtungsbasiertes Verfahren

Galenkamp: "In der Baugrube wurden in Tiefen von 0,4, 5, 11,5 und 16,5 Metern in bis zu vier Ebenen Stützen eingebaut. Die Dehnungsmessstreifen wurden lediglich an den Stützen der untersten Ebene installiert und nur in dem Teil der Baugrube, wo Vorkommen von schwachem Kalkstein zu beherrschen waren. Jede dritte Stütze wurde mit vier rund um ihren Umfang verteilten Dehnungsmessstreifen bestückt. Die Daten wurden sofort digitalisiert und online gestellt, so dass die Erdarbeiten jederzeit verfolgt werden konnten. "Wir baggern das Erdreich etappenweise aus, beginnend mit einem Graben in der Mitte, von dem aus wir in Richtung der Spundwände arbeiten. Auf dem Bildschirm meines Tablets kann ich in Echzeit die Zunahme der Kräfte beobachten; ein gutes Beispiel für einen Prozess, der Beobachtungsbasiertes Verfahren genannt wird: die Optimierung der Konstruktion durch Echtzeitüberwachung der Ausgangspunkte mit vordefinierten Szenarien für ein Eingreifen."

Grenzwerte bisher nicht überschritten

Bis heute funktioniert das Messsystem tadellos und steht über 98 Prozent der Zeit online zur Verfügung. Die Belastung der Stützen und der Wasserdruck wurden in Schichten rund um die Uhr überwacht. Im Falle des Überschreitens der vordefinierten Grenzwerte wurden per SMS automatisch Warnmeldungen versendet. Es wurde festgelegt, dass der Bauunternehmer bei einem Signalwert von 4000 kN, entsprechend einer auf jede Stütze wirkenden Kraft von 400.000 kg, aktiv werden sollte. Der Wert zum Eingreifen wurde auf 6000 kN gesetzt und für den Fall seines Auftretens, steht Tag und Nacht eine ganze Notfallorganisation bereit.

"Die Anfangsphase des Beobachtungsbasierten Verfahrens ist nun abgeschlossen," sagt Galenkamp, "und die Grenzwerte wurden bisher nicht überschritten. Die auf die Stützen wirkenden Kräfte wurden mit Fortschreiten der Aushubarbeiten größer, erreichten jedoch nie das Niveau von 4000 kN. Verursacht durch Veränderungen im Erdreich hinter den Spundwänden, beobachteten wir allerdings einen abrupten Wechsel der Lastverteilung an den Stützen; die neue Situation stabilisierte sich jedoch sofort wieder. Selbst die Auswirkungen der einseitigen Erwärmung der Stützen durch Sonneneinstrahlung können wir sehen." Die zweite und abschließende Phase des Beobachtungsbasierten Verfahrens wird im Dezember dieses Jahres beginnen.

Genaue Beobachtung für mehr Sicherheit

"Wir beobachten, um die Gewissheit zu haben, dass wir das Erdreich sicher aus der Baugrube heraus baggern können. Vorrangig soll hiermit die Sicherheit der Menschen und Geräte in der Baugrube gewährleistet werden; es sollen aber auch durch Bodensenkung verursachte Beschädigungen der Baugrube selbst und von in der Nähe stehenden Gebäuden verhindert werden. Während der Überwachung sammeln wir für den weiteren Projektverlauf nützliche Informationen. Aufgrund unserer Feststellung, dass die Kräfte unterhalb der Signalisierungswerte bleiben, können wir in Erwägung ziehen, in der Baugrube weniger Stützen einzusetzen. Dadurch lassen sich Produktions- und Transportkosten sowie Straßensperrungen minimieren - von möglichen Zeiteinsparungen gar nicht zu reden. Diese Optimierung bedeutet, dass die Kosten des Systems sich bald bezahlt machen."

Darüber hinaus ergaben sich weitere unerwartete Einsparungen: das Entwässern des Mergels erwies sich als schwierig, was bedeutete, dass der Wasserdruck ungünstig war und sogar die Signalisierungswerte überschritt. Ausgeglichen wurde dieses Defizit durch die unerwartet hohen Kräfte der Stützen. Die von uns gelieferten Informationen brachten den Ingenieuren vor Ort Entlastung in der Baugrube, sodass es nicht zu Verzögerungen kam."

"Ich denke, wir werden zukünftige Projekte durch Überwachung noch effizienter durchführen können," schließt Galenkamp. "In der Bauindustrie sind wir ständig bestrebt, ein Gleichgewicht zwischen Kosten und Sicherheit herzustellen. Bauunternehmer halten die Konstruktionsplaner für zu vorsichtig, andererseits sind Konstruktionsplaner der Meinung, dass die Bauunternehmer zu viele Risiken eingehen. Durch unsere Daten können wir der Diskussion eine neue Dimension geben. Die Echtzeitüberwachung zeigt auf, welche Kräfte bei solchen Bauarbeiten im Spiel sind; dadurch können wir in Zukunft eventuell bereits in der Konstruktionsplanung dafür sorgen, dass Strukturen stark und sicher bleiben, während wir gleichzeitig schneller und mit geringerem Materialeinsatz und Kosten bauen können."

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