Metro Cityringen Kopenhagen: Innovatives Grundwassermanagement

Projektvorstellung

Der Cityringen besteht aus einem 15,5 km langen doppelröhrigen Tunnelsystem sowie 17 U-Bahn-Stationen und einem oberirdischen Wartungsbahnhof. Die führerlosen U-Bahn-Züge werden ab 2018 rund um die Uhr täglich bis zu 240.000 Menschen transportieren. Das gesamte Projektbudget des Bauherrn Metroselskabet I/S beträgt 2,87 Mrd. Euro.

Die Hölscher Wasserbau GmbH wurde vom Generalunternehmer CMT I/S mit der Ausführung des Grundwassermanagements für das Projekt beauftragt.

Der Tunnel besteht aus 2 Röhren mit jeweils 5,78 m Durchmesser und wird von insgesamt 4 gleichzeitig eingesetzten EPB-TBM aufgefahren. Die Tunnelröhren verlaufen im Kopenhagener Kalkstein in einer Tiefe von bis zu 25 m unter der Erde. Neben den TBM-Vortrieben werden insgesamt 21 Schächte mit mittleren Abmessungen von 65 x 20 m und Tiefen von bis zu 30 m hergestellt. Diese sind für die 17 Stationen sowie TBM-Startschächte und sonstige Sonderbauwerke nötig (Bild 1).

Geologie

Die für den Tunnelvortrieb relevante Boden- bzw. Felsschicht bildet der Kopenhagener Kalkstein (Copenhagen Limestone). Dieser steht ab einer Tiefe von ungefähr 10 bis 15 m unter Gelände an. Er gliedert sich im Aufbau in eine 2 bis 5 m mächtige Schicht fortgeschrittener Verwitterung „Upper Copenhagen Limestone“ sowie der unterliegend bautechnisch berührten Schicht „Middle Copenhagen Limestone“ und der Schicht des „Lower Copenhagen Limestone“. Im Verbund mit überlagernden quartären Kiessanden aus eiszeitlicher Ablagerung mit einer Schichtdicke von rund 2 m bildet die Kalksteinformation einen Grundwasserhorizont. Dieser Aquifer ist für die Wasserhaltungsarbeiten an den Bauschächten der Metrostationen sowie den Startschächten der TBM und den Sonderbauwerken entscheidend. Die hydraulische Leistungsfähigkeit des Kalksteins ist stark von der örtlichen Trennflächen- und Kluftausbildung sowie deren Orientierung abhängig. Die mittlere horizontale Permeabilität ist im Vergleich zur vertikalen um den Faktor 3 bis 10 größer. Hydraulisch mäßig getrennt wird der untere Aquifer durch eine quartäre überkonsolidierte Mergelschicht vom oberflächennahen Aquifer, der aus jüngeren quartären geringmächtigen Kiessandlagen, Mergelschichten und Auffüllungen besteht.

Das System

Die Konstruktion der Tunnelschächte besteht aus Schlitzwänden und überschnittenen Bohrpfählen mit einer Tiefe von bis zu 46 m, die damit weit in den Kopenhagener Kalkstein einbinden. Zum Abteufen der Schächte und insbesondere zur Entspannung der Schachtsohle ist eine innen liegende Grundwasserabsenkung erforderlich. Da keine Wasser stauende Schicht ansteht, hätte dies natürlicherweise zur Folge, dass sich der Grundwasserspiegel auch außerhalb der Schächte absenkt. Eine Absenkung des normalen Grundwasserstandes ist im Kopenhagener Stadtzentrum jedoch nicht zugelassen, da es auf alten Holzpfählen gegründet ist welche auf keinen Fall trocken gelegt werden dürfen (Bild 2).

Durch Re-Infiltration von aufbereitetem Grundwasser in den Aquifer soll gewährleistest werden, dass sich der Grundwasserstand außerhalb der Schächte nicht ändert. An mehreren definierten Messpegeln wird der vorhandene Grundwasserstand beobachtet und mittels Infiltrationsbrunnen die erforderliche Menge an Wasser infiltriert. Hierzu entwickelte die Hölscher Wasserbau GmbH ein innovatives Konzept, welches sowohl technische als auch wirtschaftliche Vorteile hat. Das konzipierte System enthält Wasseraufbereitungsanlagen, die es ermöglichen das geförderte Grundwasser nach der Behandlung wieder zu Infiltrieren und somit teures Trinkwasser einzusparen. Des Weiteren kann das System den Grundwasserstand in der Stadt vollautomatisch und computergesteuert regeln und somit die Sicherheit erhöhen.

Insgesamt besteht das Grundwassermanagementsystem für den Cityring aus ca. 600 Entnahme- und Re-Infiltrationsbrunnen sowie ca. 600 mit GPRS-Datenlogger ausgestatteten Grundwassermesspegel, 21 Wasseraufbereitungsanlagen, ca. 25 km Rohrleitung und einem vollautomatischen SCADA-System.

Aufbau der Grundwassermanagement-Anlage

Grundvoraussetzung zur erfolgreichen Installation der Anlagen des Grundwassermanagements ist die Herstellung von funktionsfähigen Brunnen. Die Arbeiten umfassen die Herstellung von Förder-, Re-Infiltrations- und Monitoringbrunnen. Für die einzelnen Stationen und weitere Schachtbauwerke werden separate Brunnengalerien aus den genannten Brunnenarten abgeteuft. Die Brunnentiefen liegen je nach Erfordernis zwischen 15 und 45 m unter Gelände.

Gebohrt wird durchgängig mit der DTH-Methode (Hammerbohrungen mit Doppelkopfverfahren). In einem Arbeitsschritt werden Bohrgestänge und Verrohrung zusammen abgeteuft. Über den Ringraum zwischen Gestänge und gleichzeitig abgeteufter Verrohrung wird mittels Druckluft das Bohrgut gefördert. So lässt sich in dieser bohrtechnisch schwierigen Geologie mit vielen natürlichen Hindernissen im Quartär sowie der Formation des Kalkseins ein wirtschaftlicher Bohrprozess unterhalten.

An den Bohrprozess sind in Kopenhagen erhöhte Anforderungen gestellt. Um das innerstädtische Leben auch während der Bauzeit in der gewohnten Qualität zu gewährleisten, ist ein besonderes Augenmerk auf die Verkehrssicherung sowie die Emission von Schall und Abgasen zu legen. Um die Abgasbelastung zu verringern wurden alle Bohrgeräte mit Rußpartikelfiltern ausgestattet.

Die Pumpbrunnen lokalisieren sich jeweils innerhalb der Schachtbauwerke, um dort den Grundwasserspiegel des von unten unter freiem Zufluss stehenden Aquifers abzusenken. Förderbrunnen werden über die gesamte Brunnenlänge verfiltert um aus beiden Aquiferen in allen Bauphasen Wasser fassen und so die Absenkung kontinuierlich sicherstellen zu können. Es kommen PVC-Filter mit 165 mm Durchmesser zur Anwendung. Schlitzweiten der Filter und die Fraktionen von Filterkörnungen werden der jeweiligen geologischen Situation angepasst.

Nach Fassung und Aufbereitung des Förderwassers wird es in die außerhalb der Baugrube im Umkreis von bis zu 500 m gelegenen Re-Infiltrationsbrunnen wieder dem Untergrund zurückgegeben. Die Re-Infiltration erfolgt über Brunnen, deren Re-Infiltrationsstrecken im Kluftwasserleiter stecken. So soll der Grundwasserhorizont, dem primär das Wasser entzogen wird, wieder an sein natürliches Niveau angepasst werden. Eine dauerhafte, zeitverzögerte Beeinflussung des oberen Aquifers über die Mergelschicht, welche sich suboptimal auf die umliegend gegründete Bebauung auswirken würde, wird so verhindert. Der Ausbau erfolgt mit Voll- und Filterrohren mit 165 mm Durchmesser.

Zur Sicherstellung und Kontrolle der Absenk- und Re-Infiltrationsziele werden im weitläufigeren Umkreis Monitoringbrunnen mit Peilfiltern in beiden Aquiferen hergestellt. Hierzu werden jeweils HDPE-Rohre mit 63 mm Durchmesser mit 2 m Filterstrecke eingebaut. Bild 3 zeigt einen Auszug aus der dokumentierten Erfassung der Bohrarbeiten inklusive des Schichtenaufbaus und des Ausbaus an einem Monitoringbrunnen.

Zur Kontrolle der Leistungsfähigkeit der Brunnen, die stark von der globalen und lokalen Kluftausbildung und -orientierung des Kalksteins abhängt, werden an den Pump- und Re-Infiltrationsbrunnen Drei-Stufen-Tests und an den Monitoringbrunnen Kapazitätstests durchgeführt. Die Drei-Stufen-Tests gliedern sich in 3 direkt ineinander übergehende Pumpstufen ansteigender Pumpleistung von je 1 Stunde Zeitumfang und anschließender dreistündiger Beobachtung des Wiederanstieges. Kapazitätstests bei den Monitoringbrunnen werden mit stündlicher einstufiger Pumpleistung und Beobachtung des Wiederanstieges über 1 Stunde gefahren. Die Wasserstände während der Bepumpung und des Wiederanstieges werden elektronisch über Logger erfasst und durch Handmessungen referenziert (Bild 4).

SCADA-Steuerungsanlage

Die Grundwassermanagement-Anlage wird zentral über eine speicherprogrammierbare Steuerung (SCADA) gesteuert und überwacht. Dazu wird jede der 21 lokalen Baustellen von einer Siemens-SPS gesteuert. Über die SPS werden die frequenzgesteuerten Brunnenpumpen, die Wasseraufbereitung und die Re-Infiltration geregelt und überwacht.

Die 21 SPS-Anlagen sind über UMTS an einen Mainserver angeschlossen. Zwischen den Anlagen und dem Mainserver besteht ein ständiger Datenverkehr, über welchen die Anlagen gesteuert werden und auch Daten zur Dokumentation übertragen werden. Beispielsweise können gewünschte Grundwasser-Absenkziele über den Mainserver eingegeben werden, welche dann in “real time“ über die SPS auf die frequenzgesteuerten Brunnenpumpen übertragen werden.

Die 21 Stationen werden visualisiert, wodurch die wichtigsten Betriebszustände der Anlage zu erkennen sind. Das SCADA-System generiert variabel gestaltbare Berichte der Betriebsdaten und stellt sicher, dass bei Fehlfunktionen oder Grenzwertverletzungen entsprechende Nachrichten via Onlinesystem oder SMS abgesetzt werden. Gegenwärtige Betriebsparameter können auf iPads des Wartungspersonals abgerufen werden. Ebenfalls lässt sich die Gesamtanlage mit den iPads auch steuern. So ist es dem Wartungspersonal möglich, rund um die Uhr von jedem beliebigen Ort aus die ständige Kontrolle über die Anlage zu haben. Des Weiteren können regelmäßig geplante Wartungsvorgänge wie z.B. das Rückspülen der Wasseraufbereitungsanlagen mit einem einfachen „Klick“ durchgeführt werden (Bild 5).

Kontrollpegel

Verteilt um die jeweiligen Schachtbauwerke sind ca. 600 Grundwassermesspegel herzustellen. Die Pegel werden mit einem Bohrdurchmesser von 8“ hergestellt und als Doppel- bzw. Dreifachpegel ausgebaut. Die Logger in den Grundwasserpegeln zeichnen kontinuierlich den Grundwasserstand auf und übertragen die Daten zur Dokumentation sowie zur Steuerung des Grundwassermanagementsystems an das SCADA-System. Die in Schachtnähe befindlichen Pegel werden per erdverlegter Datenleitung auf die jeweilige SPS geschaltet.

Die Pegel, die sich in größerer Entfernung zu den Steuerungsanlagen befinden, sind mit batteriebetriebenen GPRS-Datenloggern ausgestattet. Die GPRS-Datenlogger übertragen die aufgezeichneten Daten über das Mobilfunknetz direkt zum SCADA-System der Grundwassermanagement-Anlage.

Monitoring

Die Überwachung der Betriebsparameter erfolgt automatisch über das SCADA-System. Im Vorfeld definierte Alarmmeldungen werden bei auftretenden Grenzwertverletzungen direkt auf der Benutzeroberfläche des Systems angezeigt und als SMS auf eine beliebige Anzahl von Mobiltelefonen übertragen. Um zu gewährleisten, dass die übertragenen Daten den tatsächlichen Grundwasserständen entsprechen, werden diese mit regelmäßig durchgeführten manuellen Messungen überprüft. Die anfallenden Daten können in das System eingegeben und zusammen mit den von den Sensoren automatisch übertragenen Daten als Diagramm angezeigt werden um einen bequemen Abgleich zu ermöglichen. Auch die Fördermengen der Pumpbrunnen werden mit regelmäßig manuell abgelesenen Zählerständen abgeglichen.

Trübesonden zeichnen die Suspensionsfracht im geförderten Wasser auf. Liegen Grenzverletzungen vor, so wird automatisch ein Signal erzeugt, das Ventile zur Re-Infiltrationsleitung oder der Kanalisation ansteuert, um diese zu öffnen oder zu schließen. Das Einmessen der Trübesonde erfolgt bei Inbetriebnahme der Anlage. Für die Gewährleistung der Wasserqualität innerhalb der Anlage und um deren frühzeitiger Alterung in Form von Anlagerungen vorzubeugen, werden in regelmäßigen Abständen Wasserproben entnommen und auf ihre chemischen Bestandteile untersucht.

Wasseraufbereitungsanlage

Das gepumpte Grundwasser aus den Schächten wird, um es wieder infiltrieren zu können, auf eine Qualität besser als Trinkwasserqualität aufbereitet. Die Behörden stellen dazu höchste Anforderungen um absolut auszuschließen, dass die kommunalen Trinkwassergewinnungsbrunnen, welche sich im weiten Einzugsbereich der Metro befinden, von der Re-Infiltration in irgendeiner Weise beeinflusst werden. So werden teilweise selbst Trinkwasser zugelassene Flockungshilfsmittel nicht zur Anwendung freigegeben. Nur gemeinsam mit den Behörden entwickelte spezielle Rezepturen dürfen verwendet werden.

Das Grundwasser wird aus den im Innern der Schächte angeordneten Entnahmebrunnen zur Wasseraufbereitungsanlage gepumpt. Zusätzlich sind in einzelnen Schächten, in welchen Sonderbauwerke in Kavernenbauweise hergestellt werden, Pumpensümpfe zur Ableitung des anfallenden Grundwassers installiert. Wegen des dann relativ hohen Sedimentgehalts wird dieses Wasser zuerst über eine Vorsedimentation geführt. Über Lamellenschrägklärer und Kiesfilter wird das Wasser bis auf einen Sedimentgehalt < 0,02 mg/l abgereinigt. Das nun vorsedimentierte Kavernenwasser sowie das Grundwasser, welches direkt aus den Förderbrunnen gepumpt wird, durchläuft die eigentliche Wasseraufbereitungsanlage.

Die Aufbereitungsanlage besteht neben einer chemischen Aufbereitungsstufe primär aus einer Oxidationsanlage, in der zweiwertiges Eisen zu dreiwertigem Eisen aufoxidiert wird, und anschließend mittels Kiesfiltern aus dem Grundwasser entfernt wird. Das gereinigte Wasser wird dann zur Re-Infil-trationsanlage gepumpt.

Eine besondere Herausforderung stellt die Baugrundsituation am Tunnelschacht “Sonder Boulevard“ dar. Das Grundwasser ist dort mit Benzol und Cyaniden belastet. Hier wird die Standard-Aufbereitungsanlage mit Aktivkohlefiltern, Stripanlagen, Ionentauscher-Anlagen sowie Zentrifugentechnik erweitert. Nicht nur das Wasser aus dem Grundwassermanagement-System durchläuft diese Anlage, sondern auch Prozesswässer aus der Herstellung der Schlitzwände sowie die Prozesswässer, die bei der Herstellung der Brunnenbohrungen anfallen. Neben der per se schon vorhandenen Komplexität der Aufbereitungsanlage sind zudem noch logistische Herausforderungen für das Management dieser Prozesswässer zu meistern (Bild 6, 7).

Infiltrationsanlage

Zwischen den Infiltrationsbrunnen und den Steuerungs-/Aufbereitungsanlagen werden unterirdisch, vorwiegend in Straßen, die erforderlichen Wasserleitungen und Steuerungskabel verlegt. Die anstehende Geologie impliziert relativ unterschiedliche Leistungsfähigkeiten der einzelnen Infiltrationsbrunnen. Hierzu ist noch anzumerken, dass die horizontale Durchlässigkeit des Kopenhagener Kalksteins etwa 3 bis 10 mal größer ist als die vertikale Durchlässigkeit.

Zur Ermittlung der optimalen Betriebszustände wurde das Schluckvermögen eines jeden Infiltrationsbrunnens im Rahmen eines Testlaufes bestimmt. Die Testergebnisse wurden als Grundlage für die Programmierung der Grundwassermanagement-Anlage herangezogen. Die Wasseraufbereitungsanlage und die Infiltrationsanlage zusammen mit der Steuerungsanlage bilden ein komplexes, zusammenhängendes System. Den Kern der Anlage bildet das Infiltrationssystem. Es besteht aus Schiebern und automatischen Klappen, die über die SPS gesteuert werden. Entsprechend den von den Messpegeln aufgezeichneten aktuellen Grundwasserständen werden die automatischen Klappen angesteuert und somit der Zufluss zum Infiltrationsbrunnen geregelt. Der maximale Zufluss zu einem Brunnen wird vorab entsprechend dem ermittelten Schluckvermögen eingestellt. Die dabei erreichten Toleranzen des aktuellen Grundwasserstandes liegen im Zentimeterbereich. Solche Werte sind mit herkömmlichen, manuell betriebenen Infiltrationsbrunnen praktisch unmöglich.

Insgesamt ca. 20 Mio. m³ Grundwasser werden über die Wasseraufbereitungsanlagen aufbereitet und wieder in den Kopenhagener Untergrund infiltriert (Bild 8).

Berichtswesen

Das SCADA-System bietet die Möglichkeit, die aufgenommenen Daten in Form von individuell zusammengestellten Berichten übersichtlich darzustellen. Hierbei kann die Auswahl an darzustellenden Parametern als Stunden- oder Tagesmittelwerte zusammengefasst und als Tages-, Wochen- oder Monatsbericht exportiert werden. Neben Wasserbilanzen und weiteren tabellarischen Auflistungen können zusätzlich Daten in Form von Diagrammen angezeigt werden.

Zusammenfassung und Ausblick

Das vollautomatisch gesteuerte Grundwassermanagementsystem, wie es beim Bau der Metro Cityringen verwendet wird, bietet ein Höchstmaß an Sicherheit im Umfeld innerstädtischer Tunnelbaumaßnahmen. Darüber hinaus wird zu Behörden und Bauherrenvertretern großes Vertrauen geschaffen durch die Möglichkeit, ständig über einen direkten Onlinezugang zum Grundwassermanagementsystem einen Überblick der Grundwassersituation zu haben.

Neben dem Sicherheitsaspekt bietet dieses Grundwassermanagementsystem nachhaltige Vorteile in der Wirtschaftlichkeit und Umweltverträglichkeit. Allein schon die Tatsache, dass durch die Aufbereitung und somit Weiterverwendung von Grundwasser hohe Trinkwasser- und Einleitgebühren eingespart werden können, können monetär direkt bewertet werden. Hinzu kommt die Möglichkeit entsprechend dem aktuellen Schluckvermögen der Infiltrationsbrunnen die Anlage fortlaufend flexibel zu regeln.

Ganz zuletzt sei noch die international steigende Bedeutung von Umweltverträglichkeitsprüfungen erwähnt, deren Rahmenbedingungen innovative Lösungen zum Schutz der Grundwasserressourcen im Zuge von Bauprojekten erfordern.