Tunnel A2 Maastricht: Grundwassermanagement mit DSI-System

Das Projekt

Die heutige A2 geht bei Maastricht in die N2 über und der gesamte Straßenverkehr durchquert dann das Stadtgebiet von Maastricht/NL. Die durch die großen Ampelkreuzungen hervorgerufene Verkehrsverlangsamung führt zu einer Belastung der Anwohner und wirkt sich als Verkehrsflußbarriere zwischen den Stadtteilen aus. Das Integrationsprojekt A2 Maastricht „De Groene Loper“ möchte diese Situation ändern. Grundlage des Projektes ist ein ca. 2300 m langer Doppelstock-Tunnel, durch den 80 % des heutigen Straßenverkehrs unterirdisch verlaufen soll. Oberirdisch wird eine begrünte und verkehrsberuhigte Zone entstehen. Planung und Ausführung des Projektes liegt in den Händen der Baukooperation Avenue2, einer Arbeitsgemeinschaft bestehend aus Ballast Nedam und Strukton (Bild 1).

Vorgesehen ist, den Tunnel in offener Bauweise herzustellen. Die Baugrube selbst wird ca. 16 m tief und bis auf wenige Ausnahmen 30 m breit. Die Wände der Baugrube werden mit in Beton/Bentonit-Schlitzwänden gestellten Spundwänden, die wiederum in 3 Ebenen mit Gurten und Rohren ausgesteift sind, hergestellt. Die Grundwasserabsenkung sowie die Reinfiltration und das gesamte Grundwassermanagement werden durch das Niederländische Tochterunternehmen der Hölscher Wasserbau GmbH, der Reinders-Wessemius B.V., ausgeführt (Bild 2).

Baugrundaufbau/
Geologie

Die Bodenbeschaffenheit in Maastricht, insbesondere bei diesem Projekt, unterscheidet sich sehr zu den Bodenbeschaffenheiten in den restlichen Niederlanden. Unter der Oberbodenschicht aus Mutterboden, Ton und Lehm von 2 bis 4 m Dicke kommt eine Kiesschicht mit einer Dicke von ca. 8 m. Darunter befindet sich eine klüftige Kalksteinschicht, die nicht durchörtert wird.

Im Rahmen der Planung des Projektes wurden umfangreiche Bodenuntersuchungen ausgeführt. Zahlreiche Bohrungen wurden abgeteuft und der Boden im Labor untersucht. Sondierungen verschiedenster Art, seismische Tests, Probegrabungen, Tracer Tests, Pumpversuche etc. wurden durchgeführt. Alle Untersuchungen hatten das Ziel, bereits im Planungsstadium eine möglichst hohe Ausführungs- und Planungssicherheit zu gewährleisten.

Die Bodenuntersuchungen haben ergeben, dass eine relativ hohe Unsicherheit bezüglich der Festigkeit des Kalksteins besteht. Die Stabilität der Baugrubenwände wird maßgeblich durch die Festigkeit des Kalksteins bestimmt. Um dennoch eine technisch verantwortungsvolle und ökonomisch realisierbare Planung der Baugrube zu erzielen, wurde beschlossen eine Überwachungsmethode bei diesem Projekt anzuwenden, d.h. die Baugrubenwände durch Messungen verschiedenster Art während der Ausführung zu beobachten und bei Überschreitung von vorher festgelegten Grenzwerten die Aussteifung oder den Baugrund nachzubessern.

Grundwassermanagementsystem

Ein entscheidender Faktor für die Festigkeit des Kalksteins war der Feuchtigkeitsgrad. Trockener Kalkstein ist wesentlich fester als nasser. Aus diesem Grund ist eine kontinuierliche Entwässerung des Kalksteins für die Haltbarkeit der Baugrubenwände essenziell. Für die Überwachung der Grundwasserabsenkung wurde ein spezielles Monitoring System aufgebaut, welches in Echtzeit die Grundwasserstände, den Wasserdruck, die Wassermenge und auch die Einleitungsmenge sowie weitere Parameter überträgt. Im Falle einer Über- oder auch Unterschreitung von entsprechenden Grenzwerten wird über eine Telenot-Anlage Alarm ausgelöst. Die Reinders-Wessemius B.V. sichert eine Alarmbereitschaft innerhalb von 15 Minuten zu.

Aufbau der Grundwassermanagementanlage

Zur Grundwasserabsenkung und zur Entwässerung des Kalksteins wurden über die Länge des Tunnels 520 Brunnen bis in Tiefen von 32 m gebohrt. Die Brunnen wurden so angeordnet, dass sie während der Arbeiten am Tunnel und der notwendigen Umsteifung der Gurte nicht umgebaut oder angepasst werden müssen (Bild 3).

Das abgepumpte Wasser sollte zum Schutz des Grundwassers, der angrenzenden Bebauung sowie zum Schutz der Flora und Fauna wieder im direkten Umkreis der Baustelle infiltriert werden. Von der Reinders-Wessemius B.V. wurden hierfür in 14 Versickerungsfeldern ca. 1500 Infiltrationslanzen eingespült, die in der Lage sind ca. 80 bis 100 % des abgepumpten Wassers wieder in den Baugrund zu infiltrieren. Bei dieser Technik handelt es sich um die sogenannte DSI®-Technik, die in ganz Europa mit Patenten geschützt ist.

Bohrverfahren

Als Bohrverfahren wurde das Trockenbohrverfahren gewählt. Die von Hölscher Wasserbau eingesetzte Drehbohranlage Liebherr LB 16 ist in der Lage mit einem Drehmoment von 16 tm Bohrungen je nach Boden im Durchmesser von 1200 mm und bis zu 2000 mm mit vorgesetztem Bohrtisch abzuteufen (Bild 4).

In Maastricht wurden Bohrungen im Durchmesser 750 mm bis 32 m Tiefe gebohrt. Aufgrund des festen Kalksteins ist es zu erheblichem Verschleiß der Bohrkronen gekommen. Hölscher Wasserbau konnte in eigener Werkstatt die Ausbesserungen und Aufpanzerungen der Bohrwerkzeuge in sehr kurzer Zeit realisieren, so dass es zu keiner Terminverzögerung aus diesen unvorhergesehenen Komplikationen kam.

DSI®-System

Hölscher Wasserbau ist Patentinhaber für das DSI®-System (Düsensauginfiltration-System). Diese Methode ermöglicht es, Wasser wesentlich effizienter und effektiver in den Boden zu infiltrieren. Der deutsche Geologe Werner Wils hat intensive Untersuchungen zu den Prozessen in einem wasserführenden Boden während einer Rückführungsentwässerung ausgeführt. Er entdeckte, dass die Heterogenität und der hydraulische Widerstand eines Wasser führenden Bodens einen noch größeren Einfluss auf die Infiltration von Wasser haben als ursprünglich angenommen wurde. Ein Wasser führender Boden besteht zusammen mit einer Infiltrationsdüse aus verschiedenen Infiltrationspunkten. Diese Punkte sind nicht nur von der örtlichen Durchlässigkeit abhängig, sondern auch von der zu bewegenden Wassermasse. Sowohl Einstein als auch Newton beschreiben den „Impuls“. Ein Impuls wird als Geschwindigkeit x Masse definiert. Für Grundwasser ergibt sich dadurch die folgende Formel (Bild 5):

Grundwasserimpuls = Strömung (Durchlässigkeit) [m/sec] x Masse [kg]

Wenn man Wassermoleküle mit einer hohen Geschwindigkeit auf bereits vorhandene Wassermoleküle treffen lässt, entsteht eine pulsierende Bewegung. Dieser Effekt ist auch als Wellenbewegung bekannt. Tatsächlich findet eine Verschiebung von Energie statt. Dies bedeutet, dass die Infiltration von Wasser nur möglich ist, wenn die Übertragung von Energie gelingen kann. Laut den Theorien von Wils ist dies ausschließlich in den sogenannten Infiltrationspunkten eines Wasser führenden Bodens möglich. In diesen Infiltrationspunkten ist die Situation ideal für die Energieübertragung. Dies bedeutet, dass nicht der ganze Wasser führende Boden für die Infiltration geeignet ist. Möchte man eine Wassermenge zurück in den Boden führen, muss zuerst der Infiltrationspunkt für diese Wassermenge bestimmt werden. Der Transport des Grundwassers findet nur in natürlicher Strömungsrichtung des Grundwassers statt. Dadurch erklärt sich auch, warum konventionelle Schluckbrunnen mit wechselndem Erfolg angewandt worden sind und noch heute angewandt werden. Manchmal wird ein Infiltrationspunkt zufällig gefunden, aber manchmal eben auch nicht. Darüber hinaus wird das Infiltrationsfeld nicht gemäß Strömungsrichtung des Grundwassers ausgewählt. Aus diesen Gründen kann die Aufnahmekapazität einer traditionellen Rückflussquelle stark variieren.

DSI®-Infiltration

Das DSI®-System besteht aus der Ermittlung des richtigen Infiltrationspunktes und der Methode zur Auslösung des Impulses. Die patentierte Technologie heißt DSI® (Düsensauginfiltration, auch Elementarwelleninfiltration genannt). Indem Filter am richtigen Infiltrationspunkt angebracht werden treten günstige Umgebungseffekte auf. So steigt das Grundwasser nicht unkontrolliert an, sondern in Bezug zur natürlichen Strömungsrichtung strömungsaufwärts. Der Grund dafür ist, dass durch die Impulswirkung das natürliche Grundwasser einen Umweg um das Infiltrationsfeld machen muss.

Die Tests und inzwischen auch die Praxis auf vielen Baustellen haben ergeben, dass durch die Anwendung von DSI® in kurzem Abstand zur Baustelle und Baugrube weniger Wasser entzogen werden muss und die Infiltration ohne negative Beeinflussung der Baugrube und des Absenkzieles funktioniert. Diese Feststellung widerspricht völlig der Denkrichtung der heutigen Hydrologie. Trotzdem können wir dies mit Beispielen aus der Praxis beweisen. In Versuchsfeldern wurde ein Entzugssystem mit Drainagen angelegt. Aus diesen Drainagen wurde einige Tage Wasser gepumpt um zu sehen, welche Senkung möglich ist. Dieses Wasser wurde über die vorhandene Kanalisation abgeführt. Anschließend wurde eine Reinfiltration installiert. Das entzogene Wasser wurde zu 100 % in den Boden zurückgeführt. Auffällig war, dass der Entzug um ca. 20 % rückläufig war, während die Senkung signifikant zugenommen hatte. Stromaufwärts stieg der Grundwasserstand während dieser stromabwärts sank.

Inzwischen wird DSI® in Deutschland und in ganz Europa an mehr als 100 Orten erfolgreich angewandt. So auch in Maastricht beim A2 Projekt. Da DSI® sehr nahe an der Baustelle installiert werden kann, ist dies fast überall insbesondere innerstädtisch anwendbar.

DSI® ist mit jeder Art der Grundwasserabsenkung kombinierbar. Der große Vorteil ist hierbei, dass für das Projekt die richtige Grundwasserabsenkungsmethode gewählt werden kann, zum Schutz von Bebauung, Flora und Fauna. Darüber hinaus reduziert man die notwendige Wasserentnahme. Weniger Wasserentzug bedeutet gleichwohl weniger Wasserrückfluss. Die Folge ist eine geringere Beeinflussung der Umgebung.

In Maastricht wird das DSI®-System mit Erfolg verwendet. Derzeit werden ca. 95 % des anfallenden Wassers infiltriert. Dies gilt nicht nur für das Wasser der Tiefbrunnen sondern auch für das Wasser des offenen Entwässerungssystems der Baugrube.

Zusammenfassung und Ausblick

Bei dem Großprojekt A2 Maastricht ist ein entscheidender Punkt zur Durchführung dieses Projektes das Grundwassermanagement. Dies bedeutet auf der einen Seite die sichere und effiziente Absenkung und Trockenlegung des Kalksteins und auf der anderen Seite zum Schutz der anstehenden Bebauung und zum Schutz der Flora und Fauna die effiziente Reinfiltration des gepumpten Wassers und dies nahezu zu 100 % (Bild 6).

Die Hölscher Wasserbau GmbH und ihre Niederländische Tochterunternehmung Reinders-Wessemius B.V. hatten hierzu nicht nur das notwendige Knowhow bereitgestellt sondern aufgrund der großen Erfahrung das Projekt zum Erfolg geführt.