Königsstuhl aus Schieflage befreit

45 m Durchmesser, 3200 m³ Fassungsvermögen – dies sind die Parameter eines Nachklärbeckens innerhalb der Kläranlage der niedersächsischen Stadt Celle. Kernstück des Klärbeckens, in dem die Biomasse vom Wasser getrennt wird, ist der so genannte Königsstuhl, ein mittig aufragendes Stahlbetonbauwerk, in dem sich die Zu- und Ableitungen für Abwasser und Klärschlamm sowie die Achsen und die Technik für die Rundräumer befinden. Genau dieses zentrale Bauwerk hatte sich bedrohlich geneigt, nachdem ein Hochwasserereignis der nahe gelegen Aller zu einem Aufschwimmen des gesamten Klärbeckens geführt hatte.

Nach der Havarie entleerten die Betreiber das Becken im April 2011 und mussten feststellen, dass die Sohle des Beckens parallel zum Mittelbauwerk ein umlaufendes Rissbild aufwies. Von dort verliefen weitere Risse senkrecht zum Königsstuhl. Durch den hohen Grundwasserstand bei gleichzeitig nicht vollständig gefülltem Becken war vermutlich die Sohlplatte in Feldmitte angehoben worden. Dabei war das Fugenband der planmäßig angeordneten Bauwerksfuge zwischen dem Königsstuhl und der Sohlplatte abgerissen, und mehrere Kubikmeter Sand wurden aus dem Untergrund in das Becken gespült.

Daraufhin hatte sich das rund 260 t schwere Mittelbauwerk einseitig in den entstandenen Hohlraum gesenkt, und die gegenüberliegende Seite wurde um etwa 14 cm angehoben. Drehpunkt hierbei war eine Zulaufleitung aus duktilem Gusseisen, die ebenfalls zerstört wurde, wie eine Kamerabe­fahrung gezeigt hatte. Inwieweit die unmittelbar unter der Sohle verlegten und bei der Havarie zerstörten Drai­nage­leitungen dabei eine Rolle gespielt ha­tten, konnte nicht mehr geklärt wer­den. Die Folge waren Auflockerungen des Baugrunds, Verlust des kraftschlüssigen Verbundes zum tragfähigen Boden und infolgedessen eine Lageverschiebung sowie eine Schiefstellung des Königsstuhls um circa 19 cm – das Becken konnte in diesem Zustand nicht mehr genutzt werden.  

Baugrundsondierungen

Ein kompletter Abriss des Klärbeckens mit anschließendem Neubau schied aus Zeitgründen aus, da die Anlage bereits im Winter 2011 wieder gebraucht würde. Die Außenwand mit dem Ablaufgerinne war nicht beschädigt worden. Das Planungsbüro Wittig aus Winsen (Aller), das von der Stadt Celle mit allen Ingenieurleistungen zur Wiederherstellung und Wiederinbe­triebnahme des Nachklärbeckens beauftragt worden war, empfahl, den Königsstuhl lage- und höhenmäßig wieder auszurichten. Die vorab durchgeführten Sondierungen des Ingenieurbüros Marienwerder aus Hannover ergaben, dass der Baugrund unterhalb der Fundamentsohle des Königstuhls aus feinsandigem, schwach kiesigem Mittelsand besteht und bis zu einer Tiefe von 3,80 m nur locker gelagert ist. Der Königsstuhl weist außen einen Durchmesser von 5,60 m auf, im Inneren liegt er sogar bei nur 3,40 m. Die Fundamentsohle des Bauwerks gründet 1,80 m unter der Oberkante der Beckensohle.

Wirtschaftliche Injektionsmethode

Viele Alternativen kamen zur Sanierung nicht in Frage. Ein kompletter Abriss des Klärbeckens mit anschließendem Neubau war nicht durchführbar, da die Anlage bereits im folgenden Winter wieder in Betrieb sein musste. Eine Ausrichtung durch das HDI-Verfahren (ein Düsenstrahl-Verfahren aus dem Spezialtiefbau) erschien dem Gutachter aus bodenmechanischer Sicht zwar möglich, aber auch kostspielig. Alternativ stand eine Wiederausrichtung durch das Einbringen von hydraulischen Presspfählen zur Wahl. Für die Durchführung der Erd- und Bauarbeiten wären hierbei allerdings eine Grundwasserabsenkung sowie eine tiefe Auskofferung erforderlich gewesen. Grund: Die Pfähle müssen ausreichend tief in den uneingeschränkt tragfähigen Sand einbinden. Dieses Verfahren wurde durch den Gutachter im vorliegenden Fall als zu zeit- und kostenintensiv beurteilt.

Aus wirtschaftlichen Gründen und zur Vermeidung umfangreicher Erd- und Bauarbeiten entschied sich die Stadt Celle für eine Injektionstechnik nach dem System Uretek. Diese Tiefeninjektionsmethode basiert auf einem extrem schnell reagierenden und expandierenden Zweikomponenten-Kunstharz auf Polyuretanharzbasis, welches über getrennte Schläuche zum Einsatzort gepumpt, in einer Injektionsvorrichtung vermischt und gezielt über Injektionslanzen mit relativ geringem Druck in den Boden verpresst wird. Der Baugrund wird in einem ersten Schritt seitlich verdichtet und Hohlräume werden aufgefüllt. Erst dann kann durch gezielt dosierte weitere Injektionen das Bauwerk angehoben werden. Das verwendete Material ist chemisch neutral, umweltverträglich und langzeitbeständig. Neben der extrem kurzen Baustellenzeit sprach auch die mit der Anhebung des Königsstuhls verbundene Stabilisierung der Lockerzonen und Hohlraumauffüllung für dieses Verfahren.

Baugrundverstärkung unter schwierigen Bedingungen

Für die Uretek-Mitarbeiter gestaltete sich die Ausführung als anspruchsvolle Aufgabe, da aufgrund der sehr begrenzten Platzverhältnisse im Inneren der Aktionsradius stark eingeschränkt war. Als weiteres schwieriges Detail offenbarte sich das Setzen der Bohrlöcher, da der Sockel des Königstuhls aus rund 1,50 m dickem Beton mit einem hohen Bewehrungsgrad errichtet worden war. Ein Teil der Arbeiten zur Baugrundverstärkung musste deshalb auch von außen durchgeführt werden.

Die Sanierung mit der DeepInjection-Methodeteilte sich in zwei Schritte:

1. Baugrundverstärkung:

Durch die Sohle des Mittelbauwerks wurden an dem zu hebenden Bereich des Königsstuhls Bohrlöcher mit einem Durchmesser von  16 mm für die Injektionen gesetzt. In die Bohrlöcher führten die Uretek-Techniker Injektionslanzen bis etwa 3,50 m unter die Oberkante der Schachtsohle. Durch diese Lanzen wurde dann das Zweikomponenten-Expansionsharz flüssig und unter kontrolliertem Druck in den Baugrund gepresst. Während der Injektion wurden die Lanzen mit einem Ziehgerät langsam und gleichmäßig nach oben gezogen. Durch die Volumenvergrößerung der Harze (Polymerisation) und die dabei entstehende Expansionskraft (bis 2000 kN/m² in Abhängigkeit vom Widerstand der Umgebung und der Baukonstruktion) wurde der Untergrund örtlich aufgesprengt. Die Expansion der Harze erfolgte in Richtung des geringsten Widerstandes und damit genau dorthin, wo die Verstärkung notwendig war. Dabei bildeten sich vertikale und diagonale, fein verästelte Harzlamellen, die zunächst eine horizontale Verspannung im Baugrund bewirkten. Mit der so erreichten Verdichtung des Baugrundes wuchsen die Horizontalspannungen im Boden bis auf das Maß der vertikalen Auflast an. Dabei kam es lokal begrenzt zu einer messbaren Hebungstendenz von circa 0,5 mm.

2. Bauwerksanhebung:

Durch weitere Bohrlöcher durch die Sohlplatte mit Durchmessern von 12 mm wurde das Expansionsharz direkt unter die Gründung injiziert. Durch die Volumenvergrößerung der Harze wurden auch hier vorhandene Hohlräume aufgefüllt und der anstehende Untergrund verdichtet. Durch weitere Materialzugabe konnte das Mittelbauwerk auf das gewünschte Niveau von 19 cm angehoben werden.

Aufgrund der extrem kurzen Reaktionszeit der Harze und der millimetergenauen Überwachung durch Nivellierlaser ließ sich der ganze Anhebungsprozess genau steuern. Die Laserempfänger registrierten jede Ausweichbewegung der Baukonstruktion und der Umgebung und brachten somit den Nachweis für den Zuwachs der Untergrundtragfähigkeit unter der zu diesem Zeitpunkt herrschenden Belastung. Zusätzlich zu den digitalen Lasermessungen wurden vier weitere optische Nivelliergeräte am Beckenrand aufgestellt, um die Achse des Königsstuhls während der Anhebung zu überwachen.

Sanierung innerhalb von fünf Tagen

Innerhalb von fünf Arbeitstagen richteten die Techniker das abgesackte Mittelbauwerk des Nachklärbeckens wieder komplett auf, wo­bei die alte Bauwerksachse mit we­niger als 15 mm Abweichung wieder erreicht wurde. Dann wurde die Sohl­platte bis 8,5 m zur Außenwand ab­gebrochen und alle Rohr­leitungen unter­halb der Sohle wurden erneuert. Nur die Drai­nage­leitungen setzte man nicht in­stand, da ihre Funktion eher frag­würdig war. Um künftig ein homo­ge­nes Bauwerk ohne Bauwerksfugen zu erhalten, ist die neue Sohlplatte mittels Quer­kraftan­schlüssen an das Mittelbauwerk und die alte Sohlplatte angeschlossen.

Das gesamte Projekt wurde durch Ver­mes­sungsleistungen, begonnen bei der Feststellung des Schadens­­ausmaßes, über eine höchst intensive und perma­nente Überwachung wäh­rend des Hebe­vorgangs vom Königs­stuhl, bis zur Bestands­vermessung , durch das Planungsbüro Wittig be­gleitet.

Uretek Deutschland GmbH