Einteilung des Baugrunds in Homogenbereiche bei Vortrieben mit Schildmaschinen

1 Einleitung

Bis zur Aktualisierung der für Untertagebauarbeiten und somit auch für Arbeiten mit Schildvortrieben in Deutschland geltenden Norm DIN 18312 im Jahre 2015 wurde der zu durchörternde Boden u. a. gemäß DIN 18196 für bautechnische Zwecke klassifiziert (vgl. [1] bzw. [2]). Basierend auf diesen Angaben erfolgte eine Unterteilung in Vortriebsklassen für das vereinbarte Bauverfahren, wobei gemäß DIN 18312:2012 z. B. für das Bauverfahren mit Schildmaschine (SM) unterschieden wurde in:

Aufgrund der Aktualisierung verschiedener Normen der VOB/C in 2015 bzw. deren Überarbeitung in 2016 sind Boden und Fels entsprechend ihres Zustands vor dem Lösen in Homogenbereiche einzuteilen. Die Homogenbereiche sind zum Beispiel für die Bauleistungen Erdarbeiten [3], Rohrvortriebsarbeiten [4] und Untertagebauarbeiten [5] anzugeben (vgl. u. a. [6]).

1.1 Definition Homogenbereich

Der Homogenbereich ist definiert als ein räumlich begrenzter Bereich, bestehend aus einzelnen oder mehreren Boden- oder Felsschichten, der – im Falle der DIN 18312:2016 für Untertagebauarbeiten – vergleichbare Eigenschaften aufweist (siehe [5]). Aufgrund dessen ist die Unterteilung des Baugrunds in Homogenbereiche von der ausgewählten Verfahrenstechnik abhängig. Sind zudem umweltrelevante Inhaltsstoffe zu beachten, müssen diese bei der Einteilung in Homogenbereiche berücksichtigt werden. Gemäß DIN 18312:2016 müssen wesentliche Änderungen der Eigenschaften und Zustände von Boden und Fels bei und nach dem Lösen, insbesondere in Verbindung mit Luft, Wasser, Stützflüssigkeit oder sonstigen Konditionierungsmitteln, zwar angegeben werden, für die Einteilung in Homogenbereiche ist allerdings nur der Zustand vor dem Lösen relevant (vgl. [5]).

Grundlage der Zusammenfassung der Bodenschichten in Homogenbereiche sind die stichprobenartigen Baugrundaufschlüsse sowie die üblicherweise durchgeführten Feld- und Laboruntersuchungen. Dabei sind Bandbreiten festgelegter geotechnischer Kennwerte im Geotechnischen Bericht anzugeben, wobei sich die Einteilung in Homogenbereiche nach Bauleistungen unterscheiden kann. Basierend auf diesen bzw. weiteren Parametern erfolgt bei Vortrieben mit Schildmaschinen im Vollschnittabbau eine Unterteilung in Vortriebsklassen, wobei gemäß der aktuell gültigen DIN 18312:2016 zu unterscheiden ist in

1.2 Besonderheiten beim Schildvortrieb

Der Begriff Homogenbereich wurde bei Tunnelbauprojekten in der Vergangenheit bereits eingesetzt. Dabei wurde die Tunneltrasse in Homogenbereiche unterteilt, die „einen Bereich mit gleichbleibender Gebirgscharakteristik“ beschrieben (vgl. [7]). Daher wurden für die Einteilung des Baugrunds in Homogenbereiche nur die geotechnischen Randbedingungen berücksichtigt. Der Einfluss der auszuwählenden Verfahrenstechnik auf die Einteilung des Baugrunds war hingegen üblicherweise nicht maßgebend und stellt somit einen wesentlichen Unterschied zur aktuellen Definition von Homogenbereichen gemäß DIN 18312:2016 mit Berücksichtigung der Interaktion zwischen Verfahrenstechnik und Baugrund dar. Die Homogenbereiche nach DIN 18312:2016 dienen zur Planung des Geräteeinsatzes und somit zur Kalkulation und Abrechnung der Bauleistung.

Bei Projekten mit wechselnden geologischen Schichten und daraus resultierenden geotechnischen Eigenschaften der Schichten im Bereich der Tunneltrasse kann es zu Situationen kommen, bei denen an der Ortsbrust zwei oder mehrere Schichten anstehen. Diese als „gemischte Ortsbrust“ bezeichneten Baugrundverhältnisse sollten aufgrund der häufig eingesetzten großen Durchmesser der Schildmaschinen und der dadurch resultierenden großen Volumina an abzubauenden Materialien bei der Unterteilung des Baugrunds in Homogenbereiche im Sinne der DIN 18312:2016 berücksichtigt werden.

Aufgrund der geotechnischen Kennwerte bestehen verschiedene Möglichkeiten der Unterteilung der anstehenden Böden in Homogenbereiche, auf die im Rahmen des Beitrags beispielhaft eingegangen wird.

2 Anzugebende geotechnische Eigen- schaften gemäß DIN 18312:2016
2.1 Übersicht der anzugebenden Kennwerte

Für die Homogenbereiche sind verschiedene Eigenschaften bzw. Kennwerte mit ihren Bandbreiten anzugeben. Kennwerte müssen nicht zwingend durch Laborversuche bestimmt werden, sondern können auch aufgrund von Erfahrungen abgeschätzt werden.

Im obenstehenden Infokasten sind die Bodenkennwerte aufgeführt, für die Bandbreiten gemäß DIN 18312:2016 anzugeben sind.

Die Kennwerte zur Abrasivität des Lockergesteins sind in Deutschland mit der Übersetzung der Norm NF P 18-579 neu. Anhand entsprechender Versuche können der Abriebwert A_BR in [g/t] und der Brechbarkeitskoeffizient B_R in [%] angegeben werden. Da die aktuelle Version der Norm keine Klassifikation der Ergebnisse vorsieht, sollte einschlägige Literatur (wie z. B. [8]) für die Interpretation bzw. Klassifikation der Ergebnisse genutzt und angegeben werden. Es ist zu beachten, dass aktuell der Versuch zur Bestimmung des Abriebwerts A_BR kontrovers diskutiert wird, da u. a. aufgrund der Versuchsdurchführung in der Regel nur eine begrenzt repräsentative Kornfraktion genutzt wird und die Übertragung der Versuchsergebnisse in die Praxis fraglich ist (vgl. [9], [10]).

2.2 Angabe von geotechnischen
Leitparametern

Für die Einteilung des Baugrunds in Homogenbereiche eignet sich die Betrachtung von geotechnischen Leitparametern, die auf die Unterteilung einen wesentlichen Einfluss haben (vgl. [11]). Für die Unterteilung bei Vortrieben mit Schildmaschinen eignen sich die nachfolgend aufgeführten Leitparameter, da diese sowohl als Kennwerte im Rahmen der Homogenbereiche (gemäß DIN 18312:2016) anzugeben als auch bei der Auswahl von Schildmaschinen gemäß der Empfehlung zur Auswahl von Tunnelvortriebsmaschinen des Deutschen Ausschuss für Unterirdisches Bauen (DAUB) [12] zu berücksichtigen sind:

3 Planerische Aspekte bei der Unterteilung des Baugrunds in Homogenbereiche

Generell, z. B. bei Bauleistungen wie Erdarbeiten, erfolgt die Unterteilung des Baugrunds in Homogenbereiche in Abstimmung zwischen Geotechnischem Sachverständigen und dem Planer des Bauherrn. Zur Visualisierung der allgemeinen Zusammenarbeit zwischen Planer und Geotechnischem Sachverständigen wurde seitens [13] ein Ablauf zur Zusammenarbeit entwickelt, dessen grundsätzlicher Inhalt in Bild 1 dargestellt ist.

Der Ablauf sieht vor, dass das Bauziel bzw. das zu berücksichtigende Bauverfahren vom Planer in einem ersten Schritt vorgegeben wird und die Baugrunderkundung und der Geotechnische Bericht darauf abgestimmt sind. Auf Basis der Baugrunderkundung soll der Geotechnische Sachverständige einen Vorschlag zur Unterteilung des Baugrunds in Homogenbereiche vornehmen. Anschließend erfolgt ein Abgleich des Vorschlags der Homogenbereiche mit dem aktuellen Stand der Planung und eine mögliche Anpassung der Planung. Abschließend kann die Leistungsbeschreibung mit Berücksichtigung der ggf. angepassten Homogenbereiche erfolgen.

4 Möglichkeiten zur Unterteilung des
Baugrunds in Homogenbereiche bei Schildvortrieben im Lockergestein
anhand eines Beispiels

4.1 Randbedingungen des Beispiels

Anhand eines Beispiels sollen verschiedene Möglichkeiten der Einteilung des Baugrunds in Homogenbereiche bei Schildvortrieben in Lockergesteinen vorgestellt werden. Das beispielhafte Projekt sieht einen Vortrieb vor, an dessen Ortsbrust unmittelbar zu Vortriebsbeginn vollflächig kiesige Sande anstehen. Anschließend wird ein Vortrieb mit zwei Schichten (kiesige Sande und Ton) an der Ortsbrust erwartet; aufgrund der Ergebnisse der Baugrunderkundung ist abschließend ein vollflächiger Vortrieb im Ton zu realisieren. Der projektspezifische geotechnische Längsschnitt der zwei zu durchörternden Schichten ist in Bild 2 dargestellt. Im gewählten Beispiel sei für beide Schichten die Einbauklasse Z0 nach LAGA M20 ermittelt worden, so dass für das Aushubmaterial in Bezug auf die umwelttechnischen Eigenschaften keine Einschränkungen beim Wiedereinbau bestehen. Auf weitere anzugebende geotechnische Kennwerte dieser Schichten gemäß DIN 18312:2016 wird im Rahmen des Beispiels verzichtet.

Basierend auf den für Untertagebauarbeiten vergleichbaren Eigenschaften ist der Baugrund in Homogenbereiche in Abhängigkeit der Verfahrenstechnik einzuteilen. Gemäß [12] bzw. des vom Planer abgeschätzten Bauverfahrens können die vorliegenden Baugrundschichten sowohl durch Einsatz von Schildmaschinen mit flüssigkeitsgestützter (Vortriebsklasse
VS 2) als auch mit erddruckgestützter Ortsbrust (Vortriebsklasse VS 3) aufgefahren werden.

4.2 Mögliche Varianten zur Unterteilung des Baugrunds in Homogenbereiche

Die beiden Schichten kiesige Sande und Tone weisen hinsichtlich des Leitparameters Korngrößenverteilung naturgemäß unterschiedliche Zusammensetzungen auf. So könnten bei Schildmaschinen mit flüssigkeitsgestützter Ortsbrust in feinkörnigen Böden Verklebungen auftreten (vgl. u. a. [14]), die bei Vortrieben in Böden ohne bzw. mit geringem Feinkornanteil nur eine untergeordnete Rolle spielen. Der Leitparameter Konsistenz spielt bei Verklebungen ebenfalls eine wichtige Rolle, da in Abhängigkeit der Konsistenzzahl des Baugrunds vermehrt Verklebungen entstehen können (vgl. u. a. [15]).

Bei Schildmaschinen mit erddruckgestützter Ortsbrust können in Abhängigkeit des Feinkornanteils des Bodens ebenfalls Verklebungen einen wesentlichen Einfluss haben (vgl. [16], [17]), während bei Vortrieben in kiesigen Sanden üblicherweise keine Verklebungen auftreten und dem Baugrund bzw. dem abgebauten Boden Schaum als Konditionierungsmittel zugegeben wird, um die bautechnische Verarbeitbarkeit zu verbessern (vgl. [18], [19]).

4.2.1 Variante 1

Der Baugrund kann daher basierend auf dem Leitparameter Korngrößenverteilung in Homogenbereiche unterteilt werden. Eine Möglichkeit (Variante 1) wäre dabei die Aufteilung gemäß Bild 3, bei der die kiesigen Sande bzw. der Ton je einen abgeschätzten Homogenbereich darstellen. Im Bereich des Vortriebs mit zwei Schichten an der Ortsbrust ist so keine eindeutige Zuordnung des Homogenbereichs möglich. Für die klare vertragliche Kalkulation bzw. Abrechnung sollten bei dieser Wahl der Unterteilung des Baugrunds in Homogenbereiche die Homogenbereiche A und B in einer Leistungsposition zusammengefasst werden. Als Abrechnungseinheit bieten sich in diesem Fall Vortriebsmeter oder Volumen aller abgebauten Schichten an. Werden jedoch aufgrund wahrscheinlicher Unterschiede zwischen prognostizierter und tatsächlicher Baugrundschichtungen andere Längen bzw. Volumina als erwartet aufgefahren, werden Teile des Baugrundrisikos auf die ausführende Firma übertragen.

4.2.2 Variante 2

Um pro Homogenbereich eigene Leistungspositionen zu berücksichtigen und so eine klare Kalkulations- bzw. Vertragsgrundlage zu ermöglichen, eignet sich für das Beispiel eine weitergehende Unterteilung des Baugrunds aufgrund des Leitparameters Korngrößenverteilung (Variante 2) wie in Bild 4 dargestellt. Während der vollflächige Vortrieb im Sand den Homogenbereich A bzw. im Ton den Homogenbereich B darstellt, ist der Vortrieb mit gemischter Ortsbrust im Sand und Ton dem Homogenbereich C zugeordnet. Für die Homogenbereiche A und B wären übliche Bandbreiten der geotechnischen Kennwerte bzw. des Leitparameters Korngrößenverteilung anzusetzen. Die Bandbreite der Korngrößenverteilung des Materials an der Ortsbrust, welche zwischen den beiden Korngrößenverteilungen der Schichten liegen wird, wird im Homogenbereich C hingegen sehr groß ausfallen. Aufgrund dessen ist ggf. eine eindeutige Zuordnung der Homogenbereiche A und B im Unterschied zum Homogenbereich C schwierig.

Bei der Unterteilung des Baugrunds in Homogenbereiche nach dieser Methode sind Leistungspositionen je Homogenbereich möglich und sollten entsprechend im Leistungsverzeichnis berücksichtigt werden. Als Abrechnungseinheiten bieten sich in diesem Fall Volumina der abzubauenden Homogenbereiche an. Die Anteile der Schichten können im Homogenbereich C durch die Ermittlung von Korngrößenverteilungen bestimmt werden. Etwaige Unterschiede zwischen prognostizierten und tatsächlichen Baugrundschichtungen werden vertraglich berücksichtigt.

4.2.3 Variante 3

Um zusätzlich zum Leitparameter Korngrößenverteilung und den klaren kalkulatorischen und vertraglichen Grundlagen des Beispiels auch das bodenmechanische Verhalten (bzw. den Leitparameter der Konsistenz) vertiefter zu berücksichtigen, eignet sich eine weitere Unterteilung des Homogenbereichs C (Variante 3).
Bei einem Erddruckschild und einer verfahrensbedingten Vermischung der an der Ortsbrust anstehenden Böden in der Abbaukammer könnte das Stützmedium in Abhängigkeit der Massenverhältnisse der zwei betrachteten Schichten entweder bindige oder nichtbindige Eigenschaften aufweisen. Um diese Eigenschaften besser beschreiben zu können, eignet sich die weitere Unterteilung des Homogenbereichs C mit der gemischten Ortsbrust.

Aus diesem Grund sollte der Homogenbereich C in den Homogenbereich C1, welcher z. B. einen dominierenden Anteil an nichtbindigem Material aufweisen wird, und in den Homogenbereich C2, welcher einen dominierenden bindigen Anteil aufweisen wird, unterteilt werden (vgl. Bild 5). Bei der Differenzierung der Homogenbereiche nach dieser Methode sind Leistungspositionen je Homogenbereich möglich und sollten im Leistungsverzeichnis vorgesehen werden. Als Abrechnungseinheiten bieten sich in diesem Fall Volumina der abzubauenden Schichten an, wobei die Abgrenzung im Homogenbereich C durch die Ermittlung von Korngrößenverteilungen erfolgen kann. Etwaige Unterschiede zwischen prognostizierten und tatsächlichen Baugrundschichtungen werden wiederum vertraglich berücksichtigt.

Weiterhin wäre theoretisch auch eine Unterteilung hinsichtlich der Leitparameter Konsistenz/Lagerungsdichte bzw. der Leitparameter Abriebwert A_BR und Brechbarkeitskoeffizient B_R möglich.

5 Vorschlag zur Unterteilung des
Baugrunds in Homogenbereiche

Homogenbereiche sollen für den Auftragnehmer die Grundlage für die Planung seines Geräteeinsatzes und die Kalkulation und Abrechnung der Bauleistung bilden. Zudem bilden die Homogenbereiche die Grundlage für die Auswahl der Tunnelvortriebsmaschinen. Für die Unterteilung des Baugrunds in Homogenbereiche bei Projekten mit Schildmaschinen müssen sowohl die geotechnischen Kennwerte der anstehenden Bodenschichten als auch die einzusetzende Verfahrenstechnik berücksichtigt werden. Aus diesem Grund eignen sich zur Unterteilung die oben beschriebenen Leitparameter Korngrößenverteilung, Konsistenz bzw. Konsistenzzahl, Lagerungsdichte sowie Abriebwert A_BR und Brechbarkeitskoeffizient B_R.

Da bei Vortrieben mit Schildmaschinen häufig unterschiedliche
Schichten an der Ortsbrust anstehen, sollte eine detaillierte Beschreibung dieser Übergangsbereiche hinsichtlich der Leitparameter und der Verfahrenstechnik des Schildmaschinentyps erfolgen. Es wird im Zuge der Erstellung einer klaren Kalkulations- bzw. Vertragsgrundlage empfohlen, für die Homogenbereiche jeweils separate Leistungspositionen im Bauvertrag zu berücksichtigen.

Für die Unterteilung des Baugrunds in Homogenbereiche bei Nutzung von Schildmaschinen im Lockergestein wird die in Bild 6 dargestellte Vorgehensweise empfohlen. Im 1. Schritt wird eine geotechnische Voruntersuchung gemäß DIN EN 1997-2, Kapitel 2.3, durchgeführt, auf deren Basis der Planer das prinzipielle Vortriebsverfahren (hier: Vortrieb mit Schildmaschinen im Vollschnittabbau) und prinzipiell geeignete Vortriebsklassen nach DIN 18312:2016 abschätzt. Diese Leistungen sind den Leistungsphasen Grundlagenermittlung und Vorplanung gemäß HOAI zuzuordnen. Für die Entwurfsplanung wird dann im 2. Schritt die geotechnische Hauptuntersuchung gemäß DIN EN 1997-2, Kapitel 2.4, in Verbindung mit DIN 4020 durchgeführt. Der im 3. Schritt anzufertigende Geotechnische Bericht beinhaltet auch einen Vorschlag zur Unterteilung des Baugrunds in Homogenbereiche anhand der Leitparameter, bezogen auf die favorisierte Vortriebsklasse (VS 1, VS 2 oder VS 3). Die Hauptuntersuchung ist darauf ausgelegt, dass der Planer auf dieser Basis im 4. Schritt die Auswahl der optimalen Schildmaschine bzw. Vortriebsklasse unter Berücksichtigung der in [12] angegebenen Kriterien trifft. Dafür sollte der Baugrund entlang der Trasse in weitere Tunnelabschnitte (bzw. Vortriebsabschnitte) unterteilt werden, um das Systemverhalten abschnittsweise zu betrachten (vgl. [12]).

Im Anschluss an die Festlegung der optimalen Vortriebsklasse erfolgt im 5. Schritt ein Abgleich der aktuellen Planung mit dem Geotechnischen Bericht, u. a. hinsichtlich der Einteilung in Homogenbereiche und ggf. ihrer Anpassung. Abschließend erstellt der Planer im 6. Schritt die Unterlagen für die Ausschreibung der Bauleistung. Bei der Bepreisung der Leistungspositionen im Leistungsverzeichnis werden somit nicht nur die Vortriebsklasse und die o. g. Tunnelabschnitte sondern auch die Homogenbereiche berücksichtigt.

Mithilfe dieses Vorgehens wird erwartet, dass die Besonderheiten beim maschinellen Tunnelvortrieb im Lockergestein dank Abstimmung zwischen Geotechnischem Sachverständigen und Planer berücksichtigt werden. Zudem ermöglicht das Vorgehen in Verbindung mit der Empfehlung zur Auswahl von Tunnelvortriebsmaschinen [12] eine geeignete Einteilung in Homogenbereiche auf Basis der jeweiligen projektspezifischen Randbedingungen und in Kombination mit Vortriebsklassen bzw. Vortriebsabschnitten eine klare Kalkulations- bzw. Vertragsgrundlage.