Lokale Beseitigung von Versinterungen in Bergwasserdrainagen

1 Rahmenbedingung

Teile des Lainzer Bahntunnels im Stadtgebiet von Wien sowie die zugehörigen Notausstiege (NA) wurden druckwasserentlastet ausgeführt, wobei die Entwässerung durch beidseits angeordnete Ulmendrainagen erfolgt. Die Bergwasserdrainagen wurden als Teilsickerrohre ausgeführt. Die Abdichtung im Gewölbe erfolgte mittels Kunststoffdichtungsbahn zwischen Innen- und Außenschale.

In einem der Notausstiege, dem NA Markwardstiege (Bild 1 + 2), verursachten Versinterungen erhebliche Probleme in einem Bereich der Ulmendrainagen. Dabei war die Drainage auf eine Länge von circa 4 m bis auf ungefähr zwei Drittel der Höhe mit Calcit versintert (Bild 3), wobei diese Ablagerungen eine extreme Härte aufwiesen. Daher waren weder die üblichen hydromechanischen Reinigungsverfahren (Klopfdüse, Kettenschleuder und Rotierdüse) zum Lösen der Versinterungen noch durchgängige Kamerabefahrungen zur Zustandsfeststellung der Drainage möglich.

Aus Sicht des Projektteams ist es zur Sicherstellung der dauerhaften Tragsicherheit und Gebrauchstauglichkeit des Tunnelbauwerks unumgänglich, dass sämtliche Bergwasserdrainagen durchgängig sind sowie in einem wartbaren Zustand vorliegen.

Um auch im gegenständlichen versinterten Abschnitt wiederum ein durchgängiges Spülen möglich zu machen, wurden mehrere Lösungswege diskutiert: Als bauliche Lösung wurde überlegt, die Innenschale im Bereich der Drainage abzubrechen und das Drainagerohr als Ganzes zu ersetzen. Als besonders nachteilig an diesem Verfahren wurden der hohe bauliche Aufwand, die Zerstörung der Abdichtungsebene sowie damit einhergehende Tunnelsperren eingestuft.

Als weitere Lösungsmöglichkeit wurde die Behandlung der Versinterungen durch Härtestabilisatoren diskutiert. Im primären Entwässerungssystem des Lainzer Tunnels wurden beim Bau Depotsteine aus Polysuccinimid eingesetzt, die jedoch anscheinend keine Wirkung auf die Versinterungen in der gegenständlichen Ulmendrainage zeigten. Von einer Flüssigdosierung mittels eines Härtestabilisators bestehend aus Polyasparaginsäure oder anderen organischen Säuren wurde abgesehen aufgrund bereits in anderen Abschnitten des Lainzer Tunnels gemachter negativer Erfahrungen mit starkem Bakterienwachstum.

Als zielführendste Lösung wurde erkannt, den betreffenden Drainageabschnitt mittels Flüssigdosierung von verdünnter – zehnprozentiger – Salzsäure, anstelle der zuvor genannten organischen Säuren zu beaufschlagen. Dazu wurden im Vorfeld folgende Aspekte diskutiert:

Reaktionsprodukte von Salzsäure und Versinterungen: Mit verschiedenen Analyseverfahren (Röntgendiffraktometrie und simultane Thermoanalyse) wurde im Zuge von Beprobungen nachgewiesen, dass es sich bei den Versinterungen um Calcit (CaCO₃) handelt. Die Reaktion der Salzsäure mit den Versinterungen führt zum Auflösen des Calcits. Bei dieser Reaktion entsteht unter Ausgasung von CO₂ und der Bildung von H₂O das Salz Calciumchlorid (CaCl₂), welches sehr gut wasserlöslich ist und in die Ionen Ca²⁺ und 2Cl^– zerfällt, entsprechend der nachstehenden Gleichung:

Der Eintrag von Salzsäure in das Drainagewasser bedeutet daher einen Eintrag von Chloridionen.

Auswirkungen auf das gesamte Drainagewasser:  Vom NA Markwardstiege fließt das mit Salzsäure beaufschlagte Drainagewasser noch auf einer Länge von rund 3,5 km durch Bergwasserdrainagen bevor es beim Hebewerk Jagdschlossgasse in die Vorflut geleitet wird. Am Weg zwischen der Eintropfstelle und der Vorflut findet eine Verdünnung mit weiterem zur Drainage zutretendem Bergwasser statt, wodurch die Chloridionenkonzentration gesenkt wird.

Weiters werden durch das Bergwasser zusätzliches Calciumkarbonat und als Resultat dessen Karbonate und Hydrogenkarbonate in das System transportiert, wodurch eine ausreichende Pufferung im Drainagewasser gegeben ist.

Eine überschlägige Simulation des Wassershaushaltes im gesamten Drainagesystem ergab, dass bei den geplanten Zugabemengen an Salzsäure keine gesetzlichen Grenzwerte von Chloridionen beziehungsweise des pH-Wertes überschritten werden.

Auswirkungen auf das Tunnelbauwerk: Das gesamte Bergwasserdrainagesystem besteht aus PVC-Rohren, die gemäß den Produktdaten des Herstellers beständig gegenüber 37-prozentiger Salzsäure sind. Im Bereich der Putzschächte wurden während des Baus die Drainagerohre als Vollrohre durchgezogen und nachträglich aufgeschnitten. Somit besteht kein Kontakt zwischen Drainagewasser und der Schachtsohle aus Beton. Ein Kontakt zwischen Salzsäure und zementgebundenen Baustoffen findet an keiner Stelle im Drainagesystem statt.

Arbeitnehmerschutz: Die Versuchsbetreuung wurde ausschließlich von eingeschultem Personal durchgeführt, sodass keine Gefährdungen aus Sicht des Arbeitnehmerschutzes vorlagen. Für andere Arbeitnehmer, die Tätigkeiten im Tunnel verrichteten, wurden entsprechende Warnhinweise angebracht.

Notfall: Hätten Passagiere oder Bahnpersonal den NA Markwardstiege im Falle eines Notfalls benutzen müssen, wäre es zu keinen Gefahrenmomenten im Bereich der Dosierstation gekommen, da ihre Position außerhalb des Fluchtweges festgelegt wurde. Ergänzend wurde auch noch der gesetzlich vorgeschriebene Stauraum gemäß der Richtlinie A12 des Österreichischen Bundesfeuerwehrverbands im Bereich vor den Treppen und dem Personenaufzug eingehalten.

Nach positiver Prüfung der oben angeführten Aspekte wurde am 24. November 2012 mit dem HCl-Versuch begonnen. Die Zugabe der zehnprozentigen Salzsäure zum Drainagewasser (Anfangs 280 ml/h; ab dem 28. Oktober 2013 wurden noch weitere 280 ml/h durch eine Zusatzdosierung zugeführt) erfolgte über einen Putzschacht der Ulmendrainage mittels Dosierpumpen aus je einem 140 l- und einem 500 l-Tank, jeweils mit eigenem Auffangbehälter. Sowohl 50 m unterhalb der Eintropfstelle (Messstelle 1) als auch in 3,5 km Entfernung, direkt vor Einleitung des Drainagewassers in die Vorflut beim Hebewerk Jagdschlossgasse (Messstelle 2) wurden während der gesamten Versuchsdauer Leitfähigkeit, pH-Wert und Temperatur des Drainagewassers alle zehn Minuten gemessen und aufgezeichnet. Vom Hebewerk Jagdschlossgasse wird das gesamte Drainagewasser aus einem Sammelbecken in das Kanalsystem, welches die Vorflut darstellt, abgepumpt.

2 Messergebnisse

2.1 Bergwassermenge

Im Verlauf des HCl-Versuchs wurden eindeutige Veränderungen im Bergwasserandrang festgestellt. Zwischen Januar 2013 und Ende Juli 2013 war ein deutlich höherer Bergwasserandrang in der betreffenden Drainage im Bereich des NA Markwardstiege (circa 150–200 ml/s) zu verzeichnen als während der restlichen Versuchsdauer (circa 20–50 ml/s). Im Hebewerk Jagdschlossgasse lag der Bergwasserandrang bei circa 1,5 l/s aus beiden Ulmendrainagen zusammen, wobei auch hier im Zeitraum zwischen Januar 2013 und Ende Juli 2013 ein höherer Bergwasserandrang erkennbar war (circa 3 l/s).

2.2 Wasseranalysen

In den Bildern 4–6 werden die elektrische Leitfähigkeit und der pH-Wert der beiden Messstellen sowie die Chloridionenkonzentration der Wässer kurz vor dem Hebewerk Jagdschlossgasse in Form von Zeitreihen dargestellt.

Notausstieg Markwardstiege (Messstelle 1)

Beginnend bei einem pH-Wert von 11,7 und einer Leitfähigkeit von 2,2 mS/cm am 24. November 2012 setzte innerhalb von zwei Stunden, also rasch nach Beginn der Zugabe der zehnprozentigen Salzsäure, eine Veränderung der Parameter ein. Der pH-Wert sank mit fortschreitender Versuchsdauer, die Leitfähigkeit stieg an. Ab 7. Dezember 2012 bildete sich ein Plateau aus (niedriger pH-Wert um 0,4 und hohe Leitfähigkeiten bis zu 180 mS/cm), welches mit geringen Schwankungen bis zum 8. Januar 2013 andauerte. Um den 31. Dezember 2012 ist ein kurzer Anstieg beim pH-Wert erkennbar.

Ab dem 8. Januar 2013 entwickelte sich zeitgleich zum Anstieg des Bergwasserandranges über einen längeren Zeitraum ein dynamisches Verhalten des pH-Wertes und der Leitfähigkeit, welches nach dem 12. März 2013 in nahezu identische periodische Verläufe im pH-Wert und der Leitfähigkeit überging, die folgendes Muster zeigten:

einen Anstieg des pH-Wertes auf bis zu 9,3 (ausgehend von pH=1,5–2,0)

einen Abfall der Leitfähigkeit auf bis zu 1,8 mS/cm

nach Erreichen des maximalen pH-Werts und der minimalen Leitfähigkeit fand eine sprungartige Veränderung auf das Ausgangslevel vor der jeweiligen Periode statt.

Diese regelmäßigen Schwankungsperioden dauerten bis zum 29. Juli 2013 an, wobei sich die Periodendauer ab diesem Zeitraum wieder sukzessive verlängerte. Zeitgleich zur Verlängerung der Periodendauer war eine Reduktion des Bergwasserandrangs zu verzeichnen. Am 16. November 2013 wurde die Zugabe der Salzsäure für einige Tage gestoppt.

Notausstieg Jagdschlossgasse (Messstelle 2)

Der Verlauf der Parameter der Drainagewässer zeigt ein deutlich homogeneres Bild als jener aus der Markwardstiege. Der pH-Wert bewegte sich im Bereich von 8,8 ± 0,3 und die Leitfähigkeit um 1,1 mS/cm (Bild 5).

Beginnend am 28. Januar 2013 zeigten fünf aufeinander folgende Peaks einen Anstieg des pH-Wertes auf 9,8 und der Leitfähigkeit auf Werte von 2,2 mS/cm. Die zeitlichen Abstände dieser Peaks betrugen je sieben Tage. In den darauf folgenden Monaten wurden drei weitere Peaks dieser Art detektiert. Weiters waren zwei Abstürze der Datenkurven zwischen dem 25. und 30. April 2013 (pH-Wert und Leitfähigkeit) sowie zwischen dem 6. und 13. Mai 2013 beziehungsweise zwischen dem 1. und 9. April 2014 (nur bei der Leitfähigkeit) zu verzeichnen. Zwischen dem 11. und 23. Juli 2013 wurden abweichend hohe Werte der Leitfähigkeit gemessen. Im Zeitraum vom 2. bis 26. April 2013 und vom 30. September bis 25. Oktober 2013 zeigten die Datensätze ein leichtes “Rauschen”.

Chloridionenkonzentration

Die Chloridionenkonzentration der Wasserproben der Messstelle 2 vor dem Hebewerk Jagdschlossgasse zeigten deutliche Schwankungen. Mit Versuchsbeginn stieg die Konzentration von 58 mg/l bis auf ein Maximum von 106 mg/l am 27. Februar 2013 an, wobei direkt danach die Konzentration wieder absank. Am 5. September 2013 befand sich diese bei 67 mg/l.

Obwohl die Zugabemenge der zehnprozentigen Salzsäure im ersten Jahr des Versuchs nicht verändert wurde, kam es also trotz eines gleichzeitig stattfindenden Anstiegs des Bergwasserandranges zwischen Januar 2013 und Ende Juli 2013 zu einem Anstieg der Chloridionenkonzentration auf 106 mg/l. Keine Veränderung der Chloridionenkonzentration zeigte sich durch die Verdopplung der Zugabemenge ab dem 28. Oktober 2013. Mit Fortdauer des HCl-Versuchs blieb die Chloridionenkonzentration konstant um den Bereich von 80 mg/l und veränderte sich bis zum Versuchsende nur minimal. Im Zeitraum von Anfang August 2013 bis zum Versuchsende im April 2014 zeigte der Bergwasserandrang keine sichtbaren Schwankungen mehr.

Dies bedeutet, dass die Konzentration der Chloridionen nur lokal, jedoch nicht vor Einleitung in die Vorflut durch den Versuch beeinflusst wurde.

2.3 Visuelle Kontrollen

Es ist eindeutig zu erkennen, dass die Versinterungen im Bereich der Drainagesohle im Verlauf des HCl-Versuchs abgenommen haben (Bild 7) und nach der Reinigung entfernt werden konnten. Somit konnte die Spülbarkeit für herkömmliche Methoden wieder ermöglicht werden.

3 Dateninterpretation

3.1 Notausstieg Markwardstiege

Mit Versuchsbeginn am 24. November 2012 hat ein langsames Auflösen der Karbonate oberhalb der Messstelle 1 begonnen. Die Salzsäure floss sukzessive über die vorhandenen Versinterungen und wurde so neutralisiert. Dieser Prozess dauerte bis zum 7. Dezember 2012. Danach fand kein Kontakt mehr zu Karbonaten vor der Messstelle 1 statt und die Salzsäure konnte zur Messstelle 1 durchfließen. Dies ist am pH-Wert und der Leitfähigkeit zu erkennen (Bild 4).

Am 31. Dezember 2012 wurde die kontinuierliche Zugabe der Salzsäure unterbrochen, um zu testen, wie rasch das System auf die veränderte Wasserchemie reagieren würde. Die Daten zeigen einen sehr raschen Anstieg des pH-Wertes und einen Abfall der Leitfähigkeit beginnend wenige Minuten nach dem Dosierstopp und ein Erreichen der Ausgangswerte schon nach etwa 30 Minuten.

Ab dem 8. Januar 2013 war ein starker Anstieg des Bergwasserandranges zu verzeichnen. Dadurch kam es zu einer Verdünnung der Salzsäure, der pH-Wert des Drainagewassers stieg und Leitfähigkeit sank. Der Anstieg des Bergwasserandranges Anfang Januar 2013 begann im Vergleich zum erhöhten Niederschlag erst mit etwa 1,5 Monaten Verzögerung. Als mögliche Ursache der periodischen Schwankungen von Leitfähigkeit und pH-Wert im Zeitraum zwischen 8. Januar und 29. Juli 2013 könnte ein unterirdisches Hohlraumsystem angenommen werden, das mit Bergwasser gefüllt ist und sich bei vermehrtem Bergwasserandrang periodisch entleert. Demzufolge würden diese Schwankungen eine zunehmende Verdünnung und schlagartiges Aufkonzentrieren nach dem jeweiligen „Versiegen” dieser Quelle darstellen (Bild 4).

Ab Ende Juli 2013 nahm der Bergwasserandrang wieder ab. Demzufolge würde sich die Dauer, die für die Füllung des Hohlraumsystems erforderlich ist, verlängern, sichtbar in der verlängerten Dauer der Perioden bei den Schwankungen von pH-Wert und Leitfähigkeit.

3.2 Notausstieg Jagdschlossgasse

Das sprunghafte Ansteigen des pH-Wertes beginnend am 28. Januar 2013 (Pfeile in Bild 5; periodisch zu acht Zeitpunkten) ist zeitlich geplanten Spülungen der Bergwasserdrainagen zuzuordnen. Es weist auf einen Spülstoß hin, bei dem bereits ältere, alkalische Ablagerungen (Zementschlempe, Betonpartikel oder Portlanditversinterungen) der Drainagen des Haupttunnels ausgespült wurden und somit die pH-Werte ansteigen ließen.

Das starke Absinken des pH-Wertes und der Leitfähigkeit zwischen 25. und 30. April 2013 ist auf ein Verdrehen der Messzellen zurückzuführen. Nach Lagekorrektur zeigten beide Messzellen sofort wieder korrekte, den bisherigen Ergebnissen entsprechende Daten an. Gleiches gilt für den Zeitraum vom 6. bis 13. Mai 2013 bzw. vom 1. bis 9. April 2014 für die Daten der Leitfähigkeit. Die Inhomogenität der Datensätze vom 2. bis 26. April 2013 und vom 30. September bis 25. Oktober 2013 ist ebenfalls auf Drainagespülarbeiten zurückzuführen.

Im Zeitraum vom 11. bis 23. Juli 2013 wurden bei der Leitfähigkeit zu hohe Werte gemessen, da nach der Kalibrierung die falsche Temperaturkompensation eingestellt war. Nach Korrektur dieser Einstellung wurden den bisherigen Ergebnissen entsprechende Daten gemessen.

4 Diskussion

Die Verwendung von Salzsäure zur Lösung von Calciumkarbonat ist bekannt. Da nachgewiesen wurde, dass es sich bei den Versinterungen um Calcit handelt ist klar, dass diese von zehnprozentiger Salzsäure aufgelöst werden.

Auch wird in der Literatur mehrfach erwähnt, dass neben Calcit auch Brucit (Magnesiumhydroxid – Mg(OH)₂) [5][6][7]und Portlandit (Calciumhydroxid – Ca(OH)₂) Versinterungen in Ulmendrainagen bilden können [8][9][10].

Diese Verbindungen wurden im Bereich der Versinterungen der Markwardstiege nicht nachgewiesen. Verdünnte Salzsäure wäre jedoch geeignet auch diese Versinterungen zu lösen [11], was das

Einsatzspektrum für zukünftige Einsatzgebiete wesentlich erweitern würde.

Durch das konstante messtechnische Monitoring und die Wasseranalysen konnte nachgewiesen werden, dass keine gesetzlich festgelegten Grenzwerte vor der Einleitung in die Vorflut überschritten wurden.

Zusätzlich konnte festgestellt werden, dass eine ungünstige Beeinflussung der Chloridionenkonzentration des Drainagewassers bei der Einleitung in die Vorflut nicht vorzuliegen scheint, da im ersten Versuchsjahr trotz gleichbleibender Zugabe von Salzsäure und erhöhtem Bergwasserandrang keine Verringerung (Bild 6), sondern ein Anstieg der Konzentration stattgefunden hat. Nach der Verdopplung der Zugabemenge an Salzsäure im zweiten Versuchsjahr wurde kein Anstieg der Chloridionenkonzentration gemessen. Es ist daher ein Fremdeintrag von Chloridionen in das Drainagewasser wahrscheinlich; möglicherweise besteht hier ein verzögerter Eintrag durch die Verwendung von Streusalz im Winter an der Oberfläche. Würde die Konzentration der Chloridionen nur vom Versuch beeinflusst werden, müsste mit steigendem Wasserandrang eine Verringerung der Konzentration stattfinden.

Durch das sukzessive Auflösen der Versinterungen konnte die Drainage freigelegt, spülbar und somit wieder wartbar gemacht werden (Bild 7), das Ziel des HCl-Versuchs wurde somit erreicht. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Anwendung zehnprozentiger Salzsäure das periodische Spülen der Drainagen nicht ersetzen kann, da die Rohrschlitze der Teilsickerrohre dennoch versintern können.

Weiters ist die Verwendung einer Säure – unabhängig ob es sich um eine organische Säure oder um Salzsäure handelt – nicht möglich, wenn zementöse Baustoffe damit in Berührung kommen. Zehnprozentige Salzsäure erscheint jedoch für lokale, zeitlich eingeschränkte Anwendungen mit intensivem Monitoring bei entsprechenden baulichen Gegebenheiten sinnvoll, um starke Versinterungen in Drainagen zu reduzieren.