DIN 18319 Rohrvortrieb – ihr Umgang mit Hindernissen

Im Zeitraum von 1975 bis heute setzte sich der hydraulische Rohrvortrieb als Bauverfahren zur grabenlosen Herstellung von Leitungen und Tunneln kleiner Durchmesser im Lockergestein bis zu einem Rohraußendurchmesser von etwa 5 m erfolgreich durch. Entscheidend geprägt wurden die Entwicklung und der heutige Stand der Rohrvortriebstechnik durch Fa. Herrenknecht AG mit Sitz in Süddeutschland.

Mit ihrer EUROPIPE-Vortriebsmaschine DN 3000 wurde im Jahr 1993 das Wattenmeer über eine Länge von 2535 m unterquert mit spektakulären Vortriebstagesleistungen.

Grundlage dieses Vortriebserfolges war die für EUROPIPE weiterentwickelte Vortriebsmaschine vom Typ AVN - Abkürzung für Automatische Vortriebsmaschine mit Nassförderung.

Auch heute noch ist dieser Vortriebsmaschinentyp mit sämtlichen technischen Merkmalen ausgestattet, die ihren Erfolg in bei Rohrvortrieben in Locker- und Festgesteinen ausmacht.

Das geschlossene Schild ermöglicht, Vortriebe im Grundwasser aufzufahren, ohne dass aufwändige Maßnahmen zur Grundwasserbeherrschung (Grundwasserabsenkung mit gebohrten Brunnen oder Verdrängung des Grundwassers durch Druckluftbeaufschlagung von Schildraum, Arbeitskammer und Ortsbrust) notwendig wären.

AVN-Rohrvortriebe mit geschlossenen Schilden und Rohrvortriebe im Grundwasser bauen den Boden mittels rotierendem Bohrkopf ab. So werden hohe Vortriebsleistungen in Locker- und Festgestein ermöglicht.

Der Lockergesteinsbohrkopf trägt in der Regel Schürfzähne oder Spaltmeißeln, die für den Abbau von Lockergesteinsböden gebaut sind. Der gelöste Boden gelangt bei Lockergesteinsbohrköpfen über groß dimensionierte Durchtrittsöffnungen in der Bohrkopfscheibe in den Schildraum, was hohe Vortriebsleistungen ermöglicht.

Mischbohrköpfe: Den Abbau der Lockergesteinsböden übernehmen Schürfzähne und Spaltmeißel, den Abbau von Vortriebshindernissen oder begrenzt auftretenden Festgesteinsböden Rollenmeißel. Da der Mischbohrkopf höher beansprucht wird, ist sein Bohrkopfkörper massiver ausgebildet. Die Durch trittsöffnungen für den Abraum schwächen die Bohrkopfscheibe und sind daher kleiner ausgebildet als beim Lockergesteinsbohrkopf.

Schäden an den Abbauwerkzeugen

Dass alle Abbauwerkzeuge durch den Bodenabbau verschleißen und dass beschädigte Abbauwerkzeuge schnell durch Flächenabrasion gänzlich zerstört werden, wenn sie nicht ausgetauscht werden, ist klar.

Dass Abbauwerkzeuge für Lockergestein (Schürfzahn + Spaltzahn) beschädigt werden können, wenn sie Hindernisse abbauen müssen, leuchtet ebenfalls ein. Dass die “Rollenmeißel“ als Felslösewerkzeuge im Lockergestein massive Schäden durch Abrasion erleiden können, wenn sie ohne Abbauauftrag im Lockergestein einfach stehen bleiben und dadurch nicht mehr auf dem Boden abrollen, muss erst durch schmerzliche Erfahrung gelernt werden.

Dass nicht mehr funktionierende Abbauwerkzeuge allmählich zur Gefahr für den ganzen Bohrkopf werden und damit für den Erfolg des Vortriebs, ist vor allem eine kostspielige Erfahrung.

Dass die Information über zerstörte und funktionsunfähige Abbauwerkzeuge vom Maschinenfahrer indirekt über Vortriebsleistungsverluste, Bohrkopfdrehmomentanstiege und Anstieg der Vortriebkraft zur Kenntnis gebracht werden, ist nicht befriedigend. Im Nachfolgenden ist darüber noch Gedankenaustausch zu pflegen und über technische Konsequenzen nachzudenken.

Felsbohrköpfe sind für Vortriebe in Festgesteinsböden vorgesehen und tragen nur Abbauwerkzeuge für den Felsabbau. Dies sind meistens Rollenmeißel, die durch Keilwirkung in der Anpresszone Felsteile abplatzen lassen. Die Rollenmeißel lieben den festeren Fels mit höherer einaxialer Druckfestigkeit, weil sie seiner Lösecharakteristik entgegenkommen. Durch die Keilwirkung der abrollenden Disken können sich die abplatzenden Felstücke – Felschips genannt – ausbilden. Diese Chips fallen meistens vor dem Bohrkopf nach unten und werden dort von den peripher am Bohrkopf angeordneten Räumern eingesammelt und über die daneben liegenden relativ kleinen Durchtrittsöffnungen in den Schildraum befördert. Der Vorgang ist bei Mischbohrköpfen ähnlich.

Bei beiden Bohrköpfen haben die sogenannten Profilschneider die wichtige Aufgabe, durch ihre schräge Anordnung die Felshöhle bzw. das Hindernis vortriebsprofilgerecht abzubauen und den definierten Überschnitt zu erzeugen.

Werden die Profilschneider beschädigt und können ihre Dienste nicht mehr versehen, ist der Bohrkopf sofort gefährdet. Die Schadensbilder mit Bohrkopftotalschäden machen das eindrucksvoll klar.

Sie fördert den gelösten Boden aus dem Schildraum bis über Tage und arbeitet völlig unabhängig von der Presslänge, da sie ein eigenes geschlossenes System bildet. Das Abfördern des Bodens leisten bei der Spülförderung Baggerpumpen. Sie erzeugen ihren Förderdruck durch Zentrifugalkraft. Wird ein höherer Förderdruck benötigt, weil die Vortriebsstrecke länger geworden ist, wird die Umdrehungzahl des Schaufelrades erhöht.

Der Abraum wird als Trübe gepumpt, die zu etwa 1 Volumenteil Boden und 10 - 12 Volumenteilen Fördermedium (Wasser oder Bentonitsuspension) besteht. Zu große Abraumkörner können im Fördersystem zu Stopfern führen, die wiederum erhebliche Vortriebsleistungsverluste zur Folge haben, da der Vortrieb sofort steht, wenn die Bodenabförderung blockiert ist.

Hier schafft ein kybernetisch funktionierendes Brecherystem Abhilfe:

An OK Gelände wird die Trübe in eine Separieranlage gleitet und dort in ihre Bestandteile Boden und Fördermedium zerlegt. Der Abraum wird als Haufwerk aus der Separieranlage ausgeworfen und das gereinigte Fördermedium über die Speiseleitung wieder in den Schildraum zur Neubeladung mit Abraum gepumpt.

Der Bodenabbau, die Bodenaufbereitung mit dem Brechvorgang im Schildraum, die Beförderung der Trübe mittels Baggerpumpe bis in die Separieranlage an OK Gelände, die Separierung der Trübe in Abraum und Fördermedium und die Rückführung des gereinigten Fördermediums in den Schildraum erfolgen gleichzeitig in einem fein abgestimmten Arbeitsrythmus. Zur Koordinierung der Abläufe ist eine ausgeklügelte Mess- und Steuertechnik erforderlich, die von einem erfahrenen Maschinenfahrer bedient werden muss, damit alle Vorgänge im Gleichgewicht bleiben.

Erst dann können Rohrvortriebe maschinenschonend, vortriebsleistungsorientiert und zielgenau, d.h erfolgreich aufgefahren werden.

Die EDV-Aufzeichnung sämtlicher Vortriebsdaten nach vorgegebenen Zeit- oder Vortriebslängenintervallen rundet die Qualität der AVN-Vortriebstechnik ab und sorgt für eine lückenlose Dokumentation der vortriebsrelevanten Maschinenvorgänge.

Bis zum Jahr 1992 waren für den Rohrvortrieb ausschließlich die Regelungen der DIN 18300 “Erdarbeiten“ verbindlich. Bald zeigte es sich, dass diese Norm den technischen Ansprüchen und Kriterien des „Rohrvortriebs“ nicht gerecht wurde, da in DIN 18300 die Grenzen der Rohrvortriebstechnik und die Schwierigkeit, bergmännisch Reparaturen, bauliche Anpassungen in den engen Stahlrohren auszuführen, einfach zu wenig berücksichtigt waren.

Es zeigte sich, dass vor allem die Regelungen in DIN 18300 für Bodenklasse 6 „Leichter Fels“ und Bodenklasse 7 „Schwerer Fels“ bei Rohrvortrieben immer für Konflikte zwischen AG und AN sorgten, weil die Grenzen der Löse- und Fördertechnik in felsigen, steinigen oder hindernishaltigen Böden schnell erreicht oder überschritten waren und der Vortriebsaufwand kräftig anstieg. Dass der Rohrvortrieb AG-seits bei Auseinandersetzungen nur durch die Erdbaubrille betrachtet wurde, war nachvollziehbar, schließlich war ja DIN 18300 Vertragsgrundlage. Eine andere Norm stand nicht zur Verfügung.

Außerdem vermittelte das Arbeiten mit Stollenbaggern im offenen Schilden schon den Eindruck herkömmlicher Erdarbeiten, sodass eine engere Verwandtschaft des Rohrvortriebe mit dem Erdbau nicht abwegig erschien.

Allmählich setzte sich aber die Erkenntnis durch, dass der Rohrvortrieb in eigener Norm geregelt werden musste. Im Dezember 1992 war es soweit und DIN 18319 “Rohrvortriebsarbeiten“ war geboren.

Die Normung war gemessen an der damaligen Verbreitung des Bauverfahrens „Hydraulischer Rohrvortrieb“ allerdings schon spät dran.

Auf ihr Kernstück, die Neuordnung der Vortriebbodenklassifizierung schien man besonders stolz zu sein. Bei den Lockergesteinen wurden neben genauen Beschreibungen und Benennungen der bindigen und nichtbindigen Lockergesteine die Zusatzklassen S für die Beschreibung des Steinanteiles im Boden eingeführt.

Bei näherer Betrachtung entpuppten sich diese Regelungen allerdings als ein reiner DIN-18300-Aufguss ohne jegliches Aroma.

In der Normausgabe April 2010 hat die Steintabelle der DIN 18319 nun zwei Anpassungen gegenüber Ausgabe Dezember 2000 erfahren:

Beim Festgestein wurden die einaxialen Druckfestigkeiten neu aufgestellt, was hier nicht kommentiert wird, da diese Änderung augenscheinlich keine wesentliche Änderung ergibt.

Der Spaltentitel Einaxiale Druckfestigkeit wurde ersetzt durch Einaxiale Druckfestigkeit in Vortriebsrichtung.

Aus bodenmechanischer Sicht stellt sich hier eine Frage der Praxis: Woher weiß ein erbohrter runder Bohrkern eigentlich, aus welcher Richtung er auf der Vortriebstrecke vom Schild angefahren wird? Ist hier etwa neuer Konfliktstoff vergraben worden?!

Wäre es nicht einfacher, sicherer und erheblich stressfreier für alle am Bau Beteiligten gewesen, den größten ermittelten Wert der einaxialen Felsfestigkeit zu Grunde zu legen?

Ein engagierter Baugrundsachverständigen kommentierte 1995 die damals neu geschaffene DIN 18319 “Rohrvortriebsarbeiten“ mit kritischen Anmerkungen, die heute noch sehr aktuell sind.

Dipl.-Ing. Erstermann c/o Erdbaulaboratorium Essen Prof. Dr.-Ing. Nendza u. Partner veröffentlichte im Jahr 1995 einen Kommentar im Tunnelbautaschenbuch mit dem Titel „Die Boden- und Felsklassifizierung für Rohr-vortriebsarbeiten gemäß DIN 18319“. Zutreffend formulierte er:

„Unabhängig davon wird jedoch auch künftig eine sorgfältige Baugrunderkundung für die Planung und Ausschreibung von Rohrvortriebsarbeiten unumgänglich, da durch die neue Bodenklassifizierung vergleichsweise hohe Anforderungen an die Baugrunduntersuchung gestellt werden.

So dürften in jedem Fall Bohrungen mit einem an den anstehenden Boden angepassten Bohrdurchmesser (zum Beispiel Greiferbohrung bei Steineinlagerung) notwendig werden, um ausreichendes Probenmaterial für die notwendige Analyse und Beurteilung des Kornaufbaus im unmittelbaren Vortriebsbereich zu erhalten.“

Der Verfasser bewies Weitblick, als er kommende Missstände bei der Baugrunderkundung für Rohrvortriebe vorhersah und deshalb auf erforderliche Verfahrensweisen wie „Greiferbohrung zur Probengewinnung bei Steineinlagerungen“ vorsorglich hinwies.

Die Prozentanteile der Steinbereiche und die neu definierten Grenzen der Steindurchmesser in der Steinklassenregelung der DIN 18319 tragen weiterhin nichts Wesentliches zur Baugrundbeschreibung für den Rohrvortrieb bei:

Die Annahme, bei Steinklasse S1 entspräche 30% des vom Vortrieb verdrängten Gesamtvolumens an Boden dem Gesamtvolumen an vertragsrechtlich zu bewältigenden Steinen, trifft sicher nicht zu.

Rechenbeispiel

Für einen Vortrieb im Lockergesteinsboden ist die Steinklasse S 1 anzusetzen. Wenn 70% der Gesamtvortriebslänge steinfrei aufgefahren werden konnten, so wären dann gemäß obiger Argumentationsweise die verbleibenden 30 % der Gesamtvortriebslänge auch in reinem Steinboden mit 100 % Steinanteil von Steinen bis zu 200 mm Korndurchmesser diese Strecke ohne jeglichen Vergütungsanspruch aufzufahren, was natürlich nicht sein kann.

Ist in Steinklasse S3 das Vorhandensein eines Steinblocks mit D = 900 mm zu vermuten, wird vom AN zunächst verlangt, dass er nachweisen möge, dass das Steinhindernis wirklich einen Durchmesser von 900 mm hat und es sich nicht doch um eine Steinansammlung von 3 Steinen des Durchmessers von 600 mm handelt. Dann bestünde nämlich kein Vergütungsanspruch.

Solches Ansinnen hat eigentlich etwas Niederträchtiges an sich, wenn man bedenkt, dass

Es ist offensichtlich, dass hier etwas nicht mehr ganz zusammenpasst. Während vor Gericht der Grundsatz * “in dubio pro reo“ gilt, wird im deutschen Bauwesen leider häufig nur im Zweifel gegen die ausführende Firma entschieden.

Es muss daran erinnert werden, dass eine solche Einstellung keineswegs im Sinne der VOB-Verfasser war, die mit ihren Regelungen den fairen Interessenausgleich suchten.

Steine bis 630 mm Durchmesser bei einem Volumenanteil von 30% (Steinklasse S3) haben bereits erheblichen Einfluss auf die Standzeit der Abbauwerkzeuge am Bohrkopf, wenn sie eine höhere einaxiale Druckfestigkeit von etwa 130 MPa besitzen. Bei einer Vortriebslänge von 300 m müsste dann bereits ein Felsbohrkopf eingesetzt werden. Bei einer einaxialen Druckfestigkeit von nur 75 MPa wäre ein Mischbohrkopf völlig ausreichend. Auch diese beiden Beispiele belegen, dass die Steinklasseneinteilung der Steintabelle ohne Feststellung der einaxialen Druckfestigkeiten der zu durchfahrenden Steine kaum verwertbare Baugrundinformation liefert. Der Bieter ist daher bereits in der Angebotsphase zu Spekulationen gezwungen. Damit verstößt sie ganz offensichtlich gegen die Forderungen nach einer Leistungsbeschreibung gemäß VOB Teil A §7 Allgemeines 1., 2. und 3., wo gefordert ist, dass

Daher müssen neue Abrechnungsmethoden für die Bewältigung von Vortriebshindernissen gefunden werden. Allerdings werden rein maschinentechnische Lösungen nicht genügen. Der erforderlichen erschöpfenden Baugrundbeschreibung wäre bereits gut gedient, wenn die Festlegungen der DIN 4020 „Geotechnische Untersuchungen für bautechnische Zwecke“ sorgfältig im Sinne des betagten und immer noch aktuellen obenstehend erwähnten Beitrags von Dipl.-Ing. Estermann „Die Boden- und Felsklassifizierung für Rohrvortriebsarbeiten gemäß DIN 18319“ angewendet würde. Dabei helfen sicher auch die Regelungen des neuen Arbeitsblattes DWA-A 125. Dort steht: Die Baugrundverhältnisse sind gemäß DIN 4020 zu erkunden und dokumentieren.

Der Rohrvortrieb ist gemäß DIN 4020 als Hohlraumbau in die geotechnische Kategorie 3 eingestuft.n