Steinzeug-DN 1200-Kurvenvortrieb in Singapur
Formel I im Rohrvortrieb
Die Public Utilities Board of Singapore beauftragte 2008 das Ingenieurbüro Meinhardt Infrastructure Pte Ltd., Singapur, mit der Planung zum Neubau eines Abwasserkanals im Nordosten Singapurs, in der Admirality Road in Woodlands Town. Der Einbau von ca. 1.100 m Steinzeug-Vortriebsrohren DN 1200 (als Teil des Projekts) im grabenlosen Verfahren in einer Tiefe von 11 m, aber vor allem der erforderliche Kurvenvortrieb von 115 m und einem Radius von 400 m mit Steinzeug-Vortriebsrohren, stellte alle Baubeteiligten vor eine große Herausforderung. Mit dem Know-how des Ingenieurbüros, des ausführenden Bauunternehmens – beraten und vor Ort unterstützt durch Fachkräfte der Steinzeug Abwassersysteme GmbH, der Herrenknecht AG, sowie durch die begleitende Überwachung der Vortriebskräfte (OLC) durch die INKA GmbH – konnte das Projekt erfolgreich abgeschlossen werden.
Die Platzverhältnisse sind eng – sowohl nach oben als auch nach unten.
Von Dipl.-Ing. Ulrich Bohle, INKA Ingenieurgesellschaft für Innovationen in der Kanalisationstechnik Osebold & Cie. GmbH
Dipl.-Ing. Andreas Diedrich, Herrenknecht AG
Bauass. Dipl.-Ing. Karl-Heinz Flick, Steinzeug Abwassersysteme GmbH und
Dipl.-Ing. Geotechnik/Bergbau Christel Flittner, Steinzeug Abwassersysteme GmbH
Singapur hat sich bekanntermaßen in den vergangenen Jahren zu einer quirligen boomtown entwickelt, die mit einer Fläche von 693 km² und 5 Mio. Einwohnern sehr geschickt haushalten muss: Die Häuser der Metropole wachsen deshalb nicht nur „nach oben“ in die Höhe, sondern auch „nach unten“ in die Tiefe, und für das hohe Verkehrsaufkommen sind die Straßen nicht selten mindestens 6-spurig ausgelegt.
Rahmenbedingungen und Anforderungen
Die Verhältnisse sind „eng“
Für den Bau von Abwasserleitungen stellt diese „enge“ Situation in Singapur ganz besonders hohe Anforderungen an alle Beteiligte: So muss der Einbau der Rohre häufig in großen Tiefen erfolgen, Verkehrsbehinderungen durch Bautätigkeit müssen tunlichst vermieden, mindestens aber reduziert werden und natürlich spielt die Wirtschaftlichkeit des Bauwerks Kanal eine wichtige Rolle Diese schwierigen Rahmenbedingungen galten auch für die Admirality Road, die eine dieser großen innerstädtischen 6-spurigen Hauptverkehrsstraßen ist, die von „hohen“ und „tiefen“ Wohn- und Geschäftshäusern flankiert wird und in der eine neue Abwasserleitung errichtet werden sollte. Erschwerend war zudem, dass aufgrund privater Grundstücksgrenzen eine gekrümmte Trasse mit eingeplant werden musste.
Die Voraussetzungen sind definiert
Die ersten Einbauarbeiten starteten 2009, natürlich kam nur der unterirdische Rohrvortrieb als realisierbare Bauweise in Frage. Das in Singapur ansässige Vortriebsunternehmen Swee Hong Engineering Construction Pte Ltd. hatte zwar umfangreiche Erfahrungen in der grabenlose Bauweise gesammelt, wurde aber dennoch von Fachkräften der Herrenknecht AG, der Steinzeug Abwassersysteme GmbH sowie der INKA (Ingenieurgesellschaft für Innovationen in der Kanalisationstechnik, Osebold & Cie. GmbH) im Winter 2010 beim Einbau der Steinzeugrohre vor Ort betreut und unterstützt. Vor allem die geplante Kurvenfahrt mit Steinzeug-Vortriebsrohren stellte ein Novum dar und sollte eine Weltpremiere sein.
Als Voraussetzungen für einen erfolgreichen Kurvenrohrvortrieb definierte das Team:
- Ausreichende Vortriebskräfte auch in der Kurvenfahrt
- den Einsatz belastbarer Vortriebsrohre mit V4A-Edelstahlkupplung und Edelstahl verstärkter Druckübertragung (EDÜ)
- die Online-Überwachung der Vorpresskraft mit OLC – Online Load Control
- den Einsatz eines Kurvenvermessungssystems
- die Berechnung der Statik für die Rohre und der Nachweis zur Druckübertragung
- Fahren einer Anfangsgeraden und dann erst das Einleiten der Kurvenfahrt
- den Einsatz eines erfahrenen Vortriebsunternehmens
- den Einbau von Schmierrohren
- die exakte Kenntnis der Baugrundverhältnisse
- den Einsatz einer wiedergewinnbaren Dehnerstation, um Spitzendrucke an der Ortsbrust besser zu beherrschen
- die Erstellung eines Rohrfolgeplans für die einzubauenden Rohre
Die Steinzeug Abwassersysteme-Betreuung ergänzte die „Systemvoraussetzungen“ für die gesamte Vortriebsstrecke und setzte die folgenden Punkte direkt um:
- Verbreiterung des Edelstahl-Führungsringes von 143 mm auf 163 mm zur Aufnahme der planmäßigen Verwinkelung und zur Reserve außerplanmäßiger Auswinkelungen
- Einbau von Bentonitrohren (3 Bentonit-Stutzen/Rohr, jedes 7. Rohr) zur Reduzierung der Vortriebskräfte
- Erstellung eines Rohrfolgeplanes (optimaler Folgeeinbau für die Rohre 1 bis 60) zur Optimierung der Rohrreibung
- Berechnung der Statik, Begrenzung der max. zulässigen Vorpresskraft auf 3.700 kN für die Kurvenfahrt mit Berücksichtigung des Verformungsverhaltens des Druckübertragungsrings unter Belastung, der planmäßigen Verwinkelung und der vortriebsbedingten Steuerbewegungen
- Einsatz, Betreuung und Auswertung des OLC-Fugenvermessungssystems
Die von Swee Hong eingesetzte Herrenknecht-Vortriebsanlage AVN 1200 leistete ganze Arbeit: Knapp 1.100 m Steinzeug-Vortriebsrohre DN 1200 (Baulänge 2,00 m; Führungsring Typ 2) wurden aus dem in 11 m Tiefe gelegenen Startschacht mit einer max. Vortriebskraft von 1.100 bis 1.200 kN gepresst. Die erste Haltung DN 1200 wurde exakt aufgefahren und repräsentierte mit 180 m ein vorzeigbares Ergebnis.
links: Rohrsegment mit vormontierten OLC–Komponenten.
rechts: Aufbau einer Doppelmessfuge; Schematische Darstellung von Spannring, Positionssensor, Tunnelbox.
Die Kurvenfahrt ist kein Kinderspiel
Die eigentliche Herausforderung bestand jedoch, wie oben erwähnt, in der Realisierung der Kurvenfahrt, bei der die Vorpresskraft der Rohrfugenvermessung und der Rückberechnung der Vortriebskraft mit dem OLC Online Load Control-System überwacht wurde. Ihre „Dimensionen“ und Parameter:
- Steinzeug-Vortriebsrohre DN 1200 (Baulänge 2,00 m)
- Vortrieb in 11 m Tiefe
- Baugrund: Ton, schwach toniger Sand (mit Grundwasser 1 m über GOK)
- 400 m planmäßiger Radius
- Haltungslänge 115 m
- 3.700 kN max. zulässige Vorpresskraft
- Startschacht mit ca. 6 m Durchmesser aus Stahlbeton (nach GW-Absenkung mit 1-m-Ortbetonringen von oben nach unten gebaut)
Pro Schicht konnten 5 bis 8 Rohre vorgepresst werden. Zur Aufnahme der Rohrabwinkelung bzw. der Fugenspaltmaße wurde eine Doppelmessfuge (MF1.1, MF1.2) vorgesehen. Die einzelnen Messfugen wurden wie folgt platziert:
Doppelmessfuge:
Messung zwischen Rohr Nr. 2 und Nr. 3 (Messfuge 1.1) und zwischen Rohr Nr. 3 und Nr. 4 (Messfuge 1.2)
Die je vier Messwertaufnehmer jeder Messfuge wurden in den Viertelspunkten der Rohre bei 45°, 135°, 225° und 315° (Firste = 0°) montiert. Vom Bohrkopf bis zum Ende von Rohr 4 waren es 16,5 m (Vortriebslänge).
Vortriebsanlage implementiert OLC
Bewährte Vortriebstechnik
Der grabenlose Tunnelvortrieb ist ein sehr komplexer Vorgang, der von zahlreichen Eigenschaften der zu durchfahrenden Geologie, von der Größe des Bohrlochdurchmessers und von den Werkzeugparametern beeinflusst wird. Als Vortriebsanlage kam bei diesem Bauvorhaben eine Standardmaschine der Herrenknecht AG vom Typ AVN 1200 TB mit entsprechendem Zusatzequipment wie Steuercontainer und Separationsanlage zum Einsatz
In Abhängigkeit vom Baugrund stehen verschiedene Auswahlmöglichkeiten für die Art des Bohrkopfes und der zu verwendenden Schneidwerkzeuge zur Verfügung. Die hier eingesetzte Slurry–Vortriebsanlage war mit einem Mischbodenbohrkopf ausgestattet, der mit einer Kombination aus Lockergesteins- und Hartgesteinswerkzeugen bestückt war.
Engste Baustellenverhältnisse
Dass eine Baustelleneinrichtung für den Rohrvortrieb auch auf nur minimalem Raum ihren Platz finden kann, war bei diesem Projekt deutlich erkennbar. Selbst das Dach des Steuercontainers blieb nicht ungenutzt. Zum einen diente dieser als überdachtes Lager für kleinere Ersatzteile, zum anderen als schattige Pausenunterkunft für das Baustellenpersonal.
Aufgrund der sehr beengten Platzverhältnisse wurden die Produktrohre auf einem nur wenige hundert Meter von der Baustelle entfernten Lagerplatz vorgehalten; bei Bedarf waren sie zeitnah abrufbar.
Messen auf direktem Weg
Bei der Auslieferung der Vortriebsanlage war die Einbindung der Fugenwegmessung noch nicht standardisiert vorgesehen. Daher wurde beim Projekt in Singapur die OLC–Messtechnik nach dem Baukastenprinzip in die Systemsteuerung der Vortriebsmaschine teilintegriert. Somit war es möglich, die für die OLC-Berechnungen erforderlichen und bereits existenten Vortriebsdaten direkt vom Steuercomputer abzurufen und in die Berechnungen mit einfließen zu lassen. Für die Ermittlung der Pressenkräfte sowie der Stationierung mussten somit keine zusätzlichen Sensoren installiert werden, was zum einen die Kosten für die Messtechnik herabsetzt und zum anderen eine Reduzierung möglicher Fehlerquellen ausmacht. Die Messdaten aus den Positionssensoren wurden direkt über die integrierte SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung) des OLC–Systems eingelesen.
Sollte eine Zusammenfügung des Systems mit einer Vortriebsanlage, beispielsweise älterer Bauart, nicht möglich sein, können sämtliche erforderlichen Parameter – wie etwa Stationierung, Dehnerwege sowie Dehnerdrücke ebenso wie die Werte aus den Positionssensoren – direkt in die SPS des Systems eingelesen werden.
Einfache und schnelle Montage
Die für die Fugenwegmessung erforderlichen OLC–Systemkomponenten ermöglichten vor Ort eine zügige und einfache Installation. Das Produktrohr wird bei der Installation der Doppelmessfuge nicht beschädigt. Zum Einsatz kamen hier Stahlsegmente, die in das Rohrinnere gelegt und mittels Spannschlössern an den Rohrinnendurchmesser angepasst und fixiert wurden. An den Stahlsegmenten selbst wurden alle erforderlichen Peripheriegeräte zur Messung befestigt. Die Messtechnik wurde vorab bereits soweit vormontiert, dass nach dem Einbau des Messrohres lediglich das Kabel zur Datenübertragung gekoppelt werden musste. Der Einbauvorgang des Rohres behinderte die Vortriebsarbeiten nicht.
Nachdem das mit der Messtechnik ausgestattete Rohr eingebaut war, konnten die Fugenspaltmaße pro Messebene von vier Wegmesssensoren erfasst werden. Diese waren gleichmäßig über den Rohrdurchmesser verteilt auf den Spannringen befestigt. Im Sekundentakt wurden die Messdaten über eine Tunnelbox gesammelt und über das installierte Datenkabel an die im Steuercontainer aufgestellte OLC-Auswerteeinheit weitergeleitet.
Unter Berücksichtigung der Belastungshistorie ermittelte der Rechner zeitgleich die aktuell resultierende und die zulässige Vorpresskraft für die Vortriebsrohre.
Vertrauen ist gut, Betriebssicherheit ist besser
Um auch über die sehr große Distanz zwischen Deutschland und Singapur den Überblick über den Projektverlauf zu behalten, wurde die Vortriebsanlage mit einem Modul der Herrenknecht AG zur mobilen Datenübertragung ausgestattet. Mittels MDT (Mobile Data Transmission) konnten zum einen die Daten des OLC-Systems auf jeden beliebigen Rechner übertragen werden, und zum anderen wäre über ein direktes Einloggen auf dem Leitrechner eventuelle Hilfestellung durch den Herrenknecht After-Sales-Service möglich gewesen. Wäre es zu einem Defekt gekommen, hätte mittels Fernwartung direkt auf die Anlage zugegriffen werden können. Dies war während der Baumaßnahme allerdings nicht erforderlich.
Genutzt wurde dieses Modul jedoch, um allen am Bauvorhaben beteiligten Personen Passwort–geschützt die Möglichkeit zu bieten, sich auf der Homepage der INKA GmbH über den aktuellen Stand des Vortriebs zu informieren. Die kontinuierlich übertragenen Informationen beinhalteten Grafiken über die Pressenkrafthistorie, die für die Vortriebsrohre zulässigen und tatsächlichen Pressenkräfte und ggf. deren Überschreitung, die aktuellen Rohrverwinkelungen an den einzelnen Messfugen und die daraus resultierende Verwinkelungshistorie.
Online-Überwachung der Vorpresskraft
Die Baustelle ist online
Die OLC-Software berechnet während des Vorpressens die zulässigen Vorpresskräfte für jede Presseinrichtung (Hauptpresse und Dehnerstationen) auf Grundlage der gemessenen Rohrabwinkelungen. Um die Rohrbelastung bestimmen zu können, werden zunächst die gemessenen Sensorwerte über Messumsetzer an die OLC-Software übergeben, in der auf Grundlage dieser Daten die resultierende Fugenabwinkelung berechnet wird. Die aktuelle Vorpresskraft wird aus den erfassten Hydraulikdrücken und den Zylinderflächen bestimmt.
Mit diesen Eingangswerten wird für jede Rohrfuge die Abwinkelung und die dort wirkende Pressenkraft bestimmt. Die OLC-Software führt im Anschluss eine Finite-Elemente-Berechnung durch, bei der die Fugenzwischenlage in kleine Elemente unterteilt wird. Jedem Element wird das zuvor in einer Materialprüfung bestimmte Druckspannungs-Stauchungsverhalten zugewiesen. So kann für jede Fugenzwischenlage kontinuierlich der aktuelle Belastungszustand unter Berücksichtigung der Belastungshistorie berechnet werden.
Pressenkräfte im Sekundentakt
Mit der genauen Vorbelastungsverteilung und der jeweiligen Fugenabwinkelung wird für jedes Vortriebsrohr die maximal zulässige Vorpresskraft nach dem Entwurf des DWA A 161 berechnet. Hierbei werden die zum Teil weit auf der sicheren Seite liegenden Annahmen durch die berechneten Werte ersetzt. Aus den zulässigen Pressenkräften der Rohre wird die niedrigste zulässige Pressenkraft für jede Presseinrichtung bestimmt und dem Maschinenfahrer auf dem Vortriebsmonitor visualisiert. Die Berechnung der Anzeige wird im Zwei-Sekundentakt aktualisiert.
Neben der Unterstützung des Maschinenfahrers beim schadlosen Auffahren des Kurvenvortriebs standen beim Einsatz des OLC-Systems jedoch auch die lückenlose und unabhängige Erfassung und Protokollierung sämtlicher relevanter Vortriebsparameter während des ersten Kurvenvortriebs mit Steinzeugrohren im Fokus. So konnten alle relevanten Informationen auf der Homepage der INKA GmbH eingesehen werden.
Die Bewährungsprobe
Die Auswertung der Fugenspaltvermessung ergab, dass die aus dem planmäßigen Radius (400 m) resultierende horizontale Abwinkelung von 0,284° an drei Stellen erheblich überschritten wurde. Die größte gemessene Abwinkelung von 1,9° (entspricht einem Kurvenradius von 60 m) zeigte, dass die im Vorfeld geplante Verlängerung des Edelstahl-Führungsringes angesichts des resultierenden Fugenspalts sehr vorausschauend war. Jedoch führten die enormen Abwinkelungen zu einer erheblichen Reduzierung der zulässigen Vorpresskraft, die von den tatsächlichen Pressenkräften teilweise überschritten wurde.
Dass die Vortriebsarbeiten dennoch erfolgreich zu Ende geführt werden konnten und nach Abschluss der Vortriebsarbeiten ein schadloser Rohrstrang übergeben wurde, war dem Einsatz der edelstahlverstärkten Druckübertragung zu verdanken. Bei der begleitenden statischen Berechnung mit dem OLC-System war diese „Reserve“ bewusst nicht angesetzt worden. Mit dem OLC-System konnte dann die Presskraft im Bereich der abgewinkelten Rohrfugen durch den zielgerichteten Einsatz von Schmierrohren und der wiedergewinnbaren Zwischenpressstation minimiert sowie eine lückenlose Dokumentation des Vortriebs erstellt werden.
Der Kurvenvortrieb gelang mit der fachlichen, aber auch mit der emotionalen Unterstützung aller Beteiligten und stellt eine Weltpremiere dar, die das Attribut „sensationell“ verdient. Neben den vielfältigen Herausforderungen, die das Projekt „zu bieten“ hatte, wie z.B. die erforderlichen statischen Berechnungen, stellten auch die Vortriebstechnik und die Online-Überwachung der Vorpresskraft mit dem OLC höchste Anforderungen an die Beteiligten.
Logistische Herausforderung
Knapp 11.000 km: Deutschland – Singapur
Die rund 1.100 m „normaler“ Rohrvortrieb sowie der 115 m lange Kurvenrohrvortrieb DN 1200 sind Teil eines umfassenden Kanalbauprojektes zur Abwasserbeseitigung. Die Bereitstellung der Rohre seitens der Produktion und das Zusammenfassen aller weiteren Aktivitäten sorgte auch für besondere Randbedingungen in Hinblick auf die Logistik:
- Produktion der Steinzeug-Vortriebsrohre DN 1200
- Änderung der Fräsmaße auf den verbreiterten Edelstahlführungsring
- Funktionsprüfung der geänderten Verbindung
- Abstimmung der Montage der OLC-Messeinrichtung auf die Rohre
- Bereitstellung des Transports mit Container via Antwerpen nach Singapur
- Abstimmung des verbindlichen Liefertermins zwischen Bauunternehmer / Steinzeug-Singapur / Steinzeug-Hasselt (B)
Die Rohre konnten deutlich vor Baubeginn in Singapur angelandet werden.
Die Gesamtbauzeit für das Projekt wurde mit 18 Monaten, die Gesamtkosten mit 3,65 Mio. US Dollar kalkuliert.