PDF 554Kb - Baumaschine.de

BOHRPFÄHLE IM FESTGESTEIN –
STAND DER TECHNIK
Dipl.-Ing. M. Holfelder, Bilfinger Berger AG, München
Prof. Dr.-Ing. N. Vogt, Technische Universität München
Dipl.-Ing. W. Hartfuß, Hartfuß Stahlbau, Saarbrücken
Einführung
Die Leistungsfähigkeit von Geräten zur
Bohrpfahlherstellung wurde in den letzten
Jahren extrem gesteigert. Es werden heute
Bohrpfähle bis über 70 m Tiefe in Durchmessern von über 2.500 mm hergestellt.
Für diese Entwicklung wurden die Bohrwerkzeuge und das Zubehör von wenigen
Herstellern optimiert und adaptiert.
Die hochdifferenzierte Entwicklung kann
jedoch nur technisch und wirtschaftlich erfolgreich genutzt werden, wenn die zu bohrenden Gesteine hinreichend bekannt und
zutreffend beschrieben sind. Falls seitens
Planung und Ausschreibung unzureichende
Informationen bereitgestellt werden, kann
es in der Bauausführung zu erheblichen Problemen hinsichtlich der Herstellung und
Vergütung und danach zu langwierigen
Rechtsstreitigkeiten kommen.
Es soll für alle Beteiligten eine Übersicht
über den Stand der Bohrtechnik und die
relevanten Regelwerke gegeben werden.
Dargelegt werden die Anforderungen an
Geotechnik, Planung und Ausschreibung im
Hinblick auf ein einwandfreies Gelingen.
Stand der Bohrtechnik
Festgesteinsbohren mit Seilgreifer
und Meißel
Die Art des Lösens in Form des Schneidens
findet sich beim Bohren mit Seilgreifer wieder. Hierbei muss jedoch betont werden,
dass der Seilgreifer wirtschaftlich nur in
Lockerböden bis sehr dichter Lagerung bzw.
weichem, verwittertem Festgestein eingesetzt wird. Ist der Boden härter, so ist der
Seilgreiferbetrieb mittels Fallmeißel zu ergänzen, um den Fels schlagend zu lösen.
Der Seilgreifer-/Meißel-Betrieb findet Anwendung bis zu 3,0 m Durchmesser.
Das Eigengewicht, die Form der Spaten und
die aktivierbaren Schließkräfte sind entscheidende Parameter für den wirtschaftlichen Einsatz dieser Bohrmethode. Die
Bilfinger Berger AG hat in den 80iger Jahren
zusammen mit der Fa. Hartfuß die entsprechenden Zusammenhänge analysiert.
Durch Weiterentwicklung sind Kugelseilgreifer entstanden, die Schließkräfte bis zu
1.000 kN aktivieren können.
Die Verwendung von schweren Fallmeißeln
stellt die archaischste Form zur Zertrümmerung des Festgesteins dar. Die Meißelleistung ist maßgeblich durch die Form und
das Gewicht des Meißels, die Fallhöhe sowie
die Anzahl der Schläge pro Zeiteinheit
bestimmt.
Grundsätzliches
Man unterscheidet folgende Meißelarten:
Beim Herstellen von Pfahlbohrungen in
Festgestein kann man drei Arbeitsprozesse
unterscheiden, welche unabhängig vom
Bohrverfahren, Seilbohren oder Drehbohren, immer auszuführen sind:
• Kreuzmeißel,
• Ringmeißel,
• Sternmeißel
• Flachmeißel.
Bei der Gerätekonfigurierung ist auch der
Einfluss von Stützflüssigkeit zu beachten,
der das Fallgewicht abmindert. Der Seilbagger ist mit einer entsprechenden Hubund Senkautomatik auszurüsten und der
Meißel mittels Umsetzwirbel automatisch
zu drehen, so dass die Bohrlochsohle "zerhackt" wird.
• Lösen des Festgesteins,
• Vertikaler Transport des gelösten Festgesteins von der Bohrlochsohle,
• Stützen der Bohrlochwandung.
Das Lösen wird nachfolgend näher behandelt, bei den beiden letzten Punkten beschränkt sich dieser Beitrag auf Hinweise.
Folgende Arten des Lösens von Festgestein
können unterschieden werden:
•
•
•
•
•
Schneiden,
Schaben,
Reißen,
Drücken
Schlagen.
Wichtig für einen guten Bohrfortschritt ist
auch das Fördern des Bohrkleins. Es macht
keinen Sinn, auf einer bereits zertrümmerten Bohrlochsohle herumzumeißeln, wenn
die Meißelenergie im Bohrklein aufgezehrt
wird. Der rechtzeitige Wechsel zwischen
Greifer und Meißel ist entscheidend.
Ein wichtiger Punkt ist auch die Wahl des
Fachtagung Spezialtiefbau 2003 (Holfelder/Vogt/Hartfuß: Bohrpfähle im Festgestein …)
Abb. 1: Bilfinger Berger/Hartfuß-Kugelgreifer
Materials und die Form der Bohrwerkzeugpanzerung.
In bestimmten Fällen ist es zweckmäßig, das
Bohrloch mittels Wasser zu befüllen, so daß
das Bohrklein durch den Meißel aufgewirbelt wird. Die Förderung erfolgt dann
mittels einer Kiespumpe. Hierbei ist zu
beachten, dass die Bohrlochwandung im
Festgestein einen nahezu dichten Hohlraum
umgrenzt, in dem sich die Kiespumpe beim
Hochziehen festsaugen würde. Um dem
entgegenzuwirken, hat die Bilfinger Berger
AG eine Vorrichtung [1] patentiert, welche
dieses verhindert.
Festgesteinsbohren
mit Drehbohrgeräten
Das Drehbohren ist das flexibelste Bohrverfahren, da es alle Lösverfahren ausführen
kann.
Beim „Schneidenden Lösen“ werden Bohrschnecken oder Bohreimer mit schräggestellten Schneidflachzähnen horizontal
gedreht. Der Bohrfortschritt wird bestimmt
durch Neigung und Anzahl der Zähne sowie
Anpressdruck und Drehmoment. Dieses
1
Bohrverfahren lässt sich sehr gut in verfestigtem Lockerboden sowie verwittertem
bzw. zersetztem Fels anwenden.
Abb. 3:
Betonkern mit Träger
Beim „Reißenden Lösen“ werden ebenfalls
Bohreimer und Bohrschnecken verwendet.
Das Aufreißen des Festgesteins erfolgt ähnlich wie beim Schneiden durch schräggestellte Zähne bzw. Rundschaftmeisel.
Diese reißen durch Drehen und Andrücken
Furchen, nachfolgende Schabzähne lösen
das stehengebliebene Festgestein. Die
Zähne und der Meißel haben beim reißenden Lösen die Tendenz, nach oben aus dem
Festgestein herauszuwandern und ohne
Krafteinwirkung über die Bohrlochsohle zu
schleifen. Aus diesem Grund müssen über
verriegelbare Kellystangen hohe Andruckkräfte (500 kN) und hohe Drehmomente
(400 kNm) auf das Bohrwerkzeug ausgeübt
werden können.
Wesentliche Faktoren für einen guten Bohrfortschritt im Festgestein sind die geometrische Form der Schnecke sowie die räumliche Anordnung der Meißel. Weiterhin ist
der Bohrpilot, das heißt der Anfänger der
Bohrschnecken, von entscheidender Wichtigkeit. Auf einem eigens hierfür entwickelten Test-Bohrstand hat die Bilfinger Berger
AG zusammen mit Fa. Hartfuß [2] eine
Bohrschnecke mit vorgenannten Merkmalen weiterentwickelt. Es entstand eine
sog. Progressivschnecke. Die Rundschaftmeißel sind an der Wendel angeordnet,
gleichzeitig verjüngen sich die Schneckenflügel zur Bohrspitze.
Mit diesem Bohrwerkzeug lässt sich Festgestein mit einer einaxialen Druckfestigkeit
bis zu 100 N/mm2 wirtschaftlich lösen.
Granit und Gneis mit Festigkeiten bis zu
180 N/mm2 kann man allenfalls geringfügig
anbohren. Derartiges Vorgehen führt jedoch zu extremem Verschleiß.
Die Bilfinger Berger AG besitzt ein Rechenprogramm, mit dem für die von der
Bilfinger Berger AG entwickelten ProgressivBohr-Schnecken die zu erwartende Bohrleistung in Abhängigkeit von Parametern
wie Felsfestigkeit, Bohrdurchmesser und
Antriebsleistung abgeschätzt werden kann.
Unbewehrter Beton ist für die Progressivschnecken kein Problem. Bei bewehrtem
Beton kommt es auf Typ und Festigkeit bzw.
Zähigkeit des Bewehrungsstahls an.
Der Vollständigkeit halber sei hier noch das
Kernrohr aufgeführt. Der äußere Schneidring ist mit Rundschaftmeißeln besetzt. Im
Innern des Rohrs befindet sich nochmals ein
Schneidring mit Rundschaftmeißeln sowie
ein Felskernfänger.
Problematisch ist hier das Fördern des
Bohrkleins. Da die Bohrkrone nicht freigespült werden kann, mahlt und reibt sie im
selbst erzeugten Bohrgut. Es kommt wegen
hohem Verschleiß und hohen Temperaturen
zu häufigen Ausfällen. Der Kerngewinn
(Abbrechen des freigebohrten Kernes) ist
oft schwierig.
Das Kernrohr eignet sich somit für kurze
Einbindelängen in den Fels bzw. zum
Durchörtern von geringmächtigen Fels-
bänken. Eine Weiterentwicklung stellt der
Rollenmeißelkernbohreimer dar. Der Fels
wird statt mit Rundschaftmeißeln mit
Rollenmeißeln gebrochen, die am äußeren
Schneidring angebracht sind. Das Bohrklein
wird durch Luftspülung in den Eimer gefördert. Dieses aufwendige Verfahren hat
ebenfalls Schwächen in der Kerngewinnung.
Bei den als Flachbohrkopf bezeichneten
Bohrwerkzeugen handelt es sich um
”kleine” Vortriebsmaschinen, die einer Vollschnitt-Tunnelfräse sehr nahe kommen.
Beim „Drückenden Lösen“ wird unter hoher
Auflast ein sich drehender Bohrkopf mit
Rollenmeißeln, der mit Warzen, Disken oder
Zähnen bestückt ist, in versetzten Spuren
über den Fels gerollt und somit die ganze
Bohrlochsohle bearbeitet. Der Fels splittert
unter der Einwirkung der hohen Punktlasten. Die Auflast wird mittels Schwer-
Abb. 4:
Imlochhämmer [2]
Abb. 2:
Progressivschnecke
2
Fachtagung Spezialtiefbau 2003 (Holfelder/Vogt/Hartfuß: Bohrpfähle im Festgestein …)
stangen, Zusatzgewichten sowie durch aktiven Zylindervorschub erzeugt.
Neben dem Lösen ist bei dieser Bohrtechnik
das Fördern des Bohrkleins von entscheidender Wichtigkeit. Gängige Fördermethoden sind das Lufthebeverfahren, das Saugbohrverfahren, das Jet-Bohrverfahren sowie
das Counterflash-Verfahren. Durch das effiziente Fördern wird auch ein Verkleben des
Bohrkopfes verhindert.
Beim „Schlagenden Lösen“ sind die gebräuchlichsten Bohrwerkzeuge der Imlochhammer, der Schlagschürfbohreimer, die
Schlagbohrschnecke, der Bohrlochschlaghammer und die Cluster Drills (Bündelbohrhämmer).
Beim Imlochhammer schlägt ein mit Druckluft beschleunigter Kolben in kurzen Abständen auf eine über die gesamte Fläche
mit Hartmetall bestückte, sich drehende
Bohrkrone. Die Stifte zersplittern den Fels.
Eine hohe Schlagzahl wirkt sich positiv auf
die Bohrleistung aus. Da der Druckluftbedarf mit dem Quadrat des Bohrlochdurchmessers steigt, endet bei uns die Palette der Imlochhämmer bei 600–800 mm.
In den USA existieren Imlochhämmer mit
1.080 mm Durchmesser.
Der starke Staubaustritt aus dem Bohrloch
ist problematisch. Absauganlagen am Bohrlochmund bzw. neuere indirekte Spülbohrverfahren (RC-Verfahren) ähnlich dem Lufthebeverfahren wirken dem entgegen.
Bündelbohrhämmer (Cluster Drills) ”bündeln”, wie der Name sagt, mehrere kleine
Imlochhämmer. Cluster Drills funktionieren
in homogenem Gestein oder Beton hervorragend. Aus Korea sind Durchmesser von
1.500 mm bekannt.
Der Bohrlochschlaghammer ist mit dem
Anbau-Baggermeißel aus dem Erdbau verwandt. Mit einer Seilaufhängung oder
Stangenführung wird er ins Bohrloch eingeführt. Ein schwenkbarer Hydraulikhammer
zerkleinert die Bohrlochsohle.
Der Schlagschürfbohreimer mit Imlochhammer kombiniert das konventionelle Eimerbohren und die Imlochhammertechnik.
Ähnlich funktioniert die Schlagbohrschnecke. Die Kombination von Rotations- und
Schlagbewegung ermöglicht hier das
gleichzeitige Lockern und Aufnehmen des
Bohrgutes ohne Wechsel des Bohrwerkzeuges.
Ergänzende Hinweise
Die genannten Bohrwerkzeuge haben jeweils ihre eigenen Einsatzschwerpunkte und
es gibt keine universell einsetzbaren Bohrköpfe. Um einen technisch und wirtschaftlich erfolgreichen Einsatz sicherzustellen,
müssen verschiedene Eigenschaften des zu
durchbohrenden Festgesteins genau bekannt sein, siehe Abschnitt „Auswirkungen...“. Zunächst werden noch drei The-
menkreise gestreift, die für das Bohren in
Festgestein bezüglich Machbarkeit und
Wirtschaftlichkeit wichtig sind.
Felsgestein ist in der Regel standfest und
muss somit nicht gestützt werden. Sollte
z.B. im stark zerscherten Gebirge zum
Fernhalten sehr starker Kluftwasserzutritte
oder beim Durchteufen von Hohlräumen
eine Verrohrung erforderlich werden, so
wird diese beim Seilbohren grundsätzlich
mittels schockierenden Verrohrungsmaschinen oder Rohrdrehmaschinen niedergebracht.
Das Eindrehen der Verrohrung in Festgestein stellt jedoch grundsätzlich ein
Problem dar und sollte aus wirtschaftlichen
Gründen vermieden werden.
Da das Bohrrohr nur spanen kann, ist ein
Ausweichen und Entspannen des gespanten
Bohrkleins in den bereits vorab gelösten
Bohrlochkern unerlässlich. Ohne dieses
Vorausbohren mahlt das Bohrrohr auf seinem selbst erzeugten Bohrklein, wodurch
die Mantelreibung des Bohrrohrs in einem
unvorhersehbaren Maß erhöht werden
kann.
Geologische Randbedingungen sind:
• Harte Schichten überlagern weiche
Schichten. Ist das der Fall, so sollte immer
Greifer- und Meißelbohrbetrieb vorgesehen werden.
• Tonige, bindige (Zwischen-) Schichten
neigen zu zeitverzögerten Verformungen, zum Quellen oder setzen sich unter
Auflast. Dadurch kommt es zur Verspannung des Bohrrohrs im Boden trotz
Überschnitt.
• Tonige, bindige Schichten über Fels sind
ungeeignet für Rollenmeißel
• Geröllschichten sind mit Greifern zu beherrschen. Bei Rollenmeißel sind evtl.
Verfestigungs-Injektionen erforderlich.
Beim Drehbohren treten große Probleme
vor allem bei kleinen Durchmessern auf.
Bei Aufschlussbohrungen werden Geröllschichten oft nicht erkannt, da die Aufschlussbohrungen zu kleine Durchmesser
haben oder am Geröll abgelenkt werden
können.
• Schräg einfallender Fels lenkt das Bohrwerkzeug ab bzw. verklemmt es. Abhilfe
kann durch Aufbetonieren geschaffen
werden, so daß das Bohrwerkzeug auf
eine horizontale Angriffsfläche trifft.
Folgende Anhaltswerte von Leistungsdaten
für Bohrungen im Fels sind als Größenordnung anzusehen. Als Bezugsgröße soll
vereinfacht die einaxiale Druckfestigkeit von
Fels dienen:
• Greifer/Meißelbohrungen
Festigkeitsbereich
10–150 N/mm2
Größenordnung
Netto-Bohrzeit
2,5–0,1 m3/h
• Drehbohren
Festigkeitsbereich
ca. 25–100 N/mm2
Fachtagung Spezialtiefbau 2003 (Holfelder/Vogt/Hartfuß: Bohrpfähle im Festgestein …)
Größenordnung
Netto-Bohrzeit
• Flachbohrkopf
Festigkeitsbereich
Größenordnung
Netto-Bohrzeit
ca. 5–0,1m3/h
75–200 N/mm2
2–0,2 m3/h
Festgesteinsbohren
mit Sonderverfahren
Eine Methode zur Herstellung von Pfählen
oder Pfahlfüßen im Fels ist das Sprengen vor
dem Ausgreifern. Ähnlich dem schonenden
Sprengen, wie es im Tunnelbau oder bei
Böschungen angewendet wird, kann das
zukünftige Pfahlprofil umlaufend mit Bohrlöchern mit geringem Abstand versehen
werden. Diese Löcher werden mit Sprengschnur geladen.
Kaltexpansions-Sprengmittel und Kaltquellmittel ergänzen das konventionelle Sprengen.
Bei der Gesteinsbearbeitung durch Hitze
kommen zur Erzeugung der Hitze Sauerstofflanzen zur Anwendung. Gesteine wie
Granit und Kalkstein zerplatzen oder werden zumindest mürbe.
Zukunftstechnologien sind in der Entwicklung, z.B. Elektrodynamische Fragmentation von Beton und ein Verfahren, bei dem
Schockwellen durch Drahtexplosionen in
wassergefüllten Bohrlöchern erzeugt werden.
Regelwerke
Für das Herstellen von Bohrpfählen im Festgestein sind folgende Normen und Vorschriften von Bedeutung, wobei die alten
DIN-Normen nochmals bemüht werden:
DIN 18301 VOB/C Bohrarbeiten
EN 1536
Bohrpfähle
DIN 4014
Bohrpfähle
ENV 1997-1 Allgemeine Regeln
ENV 1997-2 Laborversuche
ENV 1997-3 Feldversuche
DIN 4020
‘
Geotechnische Untersuchungen für bautechnische Zwecke
DIN 4021
Aufschluss durch Schürfe und
Bohrungen sowie Entnahme
von Proben
DIN 4022
Teil 1: Benennen und Beschreiben von Boden und Fels
DIN 4022
Teil 2: Benennen und Beschreiben von Boden und Fels;
Schichtenverzeichnis für
Bohrungen im Fels
DIN 4023
Baugrund- und Wasserbohrungen, Zeichnerische
Darstellung der Ergebnisse
DIN 18136 Bestimmung der einaxialen
Druckfestigkeit
DGGT
Arbeitskreis 3.3 (früher AK 19)
3
Massenanteil der Steine
Zusatzklassen für Steingröße
bis 300 mm
bis 600 mm
bis 30 %
S1
S3
über 30 %
S2
S4
Weiche Gesteine
Tabelle 1: Zusatzklassen S in Lockerböden
Einaxiale
Druckfestigkeit
MN/m2
Klassen der Festgesteine
Trennflächenabstand im
Dezimeterbereich
Zentimeterbereich
bis 5
FD 1
FZ 1
über 5 bis 50
FD 2
FZ 2
über 50 bis 100
FD 3
FZ 3
über 100
FD 4
FZ 4
Tabelle 2: Klasse F: Festgesteine
Tabelle 3:
Druckfestigkeit
von Gesteinen
Drei Normen sind hier hervorzuheben.
Nimmt man die DIN 18301 als Ausgangspunkt, so wird im Teil 0: "Hinweise für das
Aufstellen der Leistungsbeschreibung", auf
die oben aufgeführten Normen für die Erkundung und Untersuchung des Baugrundes hingewiesen. Für die Beschreibung von
Festgestein werden als Soll-Angaben benötigt: Korngrößenverteilung, Festigkeit,
Scherparameter, Verwitterungsgrad, mineralische Zusammensetzung, Trennflächengefüge, Zustandsänderungen und Quellfähigkeit. Im Teil 2 ist die Einstufung in
Boden- und Felsklassen geregelt.
Für das Herstellen von Bohrpfählen sind
auch in den Lockerböden Beschreibungen
von Größe und Anteil von Steinen wichtig,
da sie Bohrhindernisse darstellen, die
besondere Maßnahmen erfordern.
Festgesteine und vergleichbare Bodenarten
werden in Punkt 2.3.2 nach einaxialer
Druckfestigkeit und Trennflächenabstand
aufgeteilt. Hier wird über die zwei ausgewählten Parameter der einaxialen GesteinsDruckfestigkeit und den Trennflächen dem
Umstand Rechnung getragen, dass grundsätzlich zwischen dem Gestein als solchem
und dem Gebirgskörper, das heißt Gestein
im Verbund, zu unterscheiden ist. Man
spricht auch von Gesteinsfestigkeit und
Gebirgsfestigkeit (Verbandsfestigkeit).
Im Gegensatz zu intakten Gesteinsstücken
wird das Verhalten größerer Felsab-
Mittelfeste
Gesteine
Mergel, fest
Tonschiefer, fest; mürber Sandstein
30
40
Ziemlich feste
Gesteine
sandiger Schiefer
Sandstein, mittelfest
Kalkstein, mittelfest
50
60
70
Feste Gesteine
fester Sandstein; fester Kalkstein;
mürber Granit
Sandstein, sehr fest
Kalkstein, sehr fest; Granit, dicht
Sehr feste
Gesteine
Granit, fest; Kalkstein, hart;
Sandstein, hart
Höchstfeste
Gesteine
Granit, hart; Basalt, zäh;
Quarz, zäh
schnitte durch vorhandene Trennflächen,
z.B. Schichtfugen, Klüfte, Scherzonen oder
Hohlräume geprägt.
Abstand, Orientierung (Streichen, Fallen),
Öffnungsweite, Rauhigkeit sowie Füllung
des Trennflächengefüges sind für die Bohrbarkeit, das Bohrverfahren und die Bohrleistung wichtige Angaben.
Bei der Ermittlung der einaxialen Gebirgsdruckfestigkeit ist die Richtung der Belastung im Vergleich zur Anisotropie (Schichtung, Schieferung usw.) der Gesteinsprobe
zu beachten.
Der Ansatz der DIN 18301, die Lösbarkeit
über zwei messbare Größen zu klassifizieren, geht in die richtige Richtung; wie
Kapitel 3 zeigt, sind jedoch noch weitere
Messgrößen erforderlich. Auch ein Blick in
die DIN 4021 sowie DIN 4022 Teil 3 verdeutlicht dies.
In der Regel wird weit vor Beginn jedes Bauvorhabens ein Bodengutachten in Auftrag
gegeben. In dessen Vorfeld werden die Anforderungen für die Planung, Ausführung
und Auswertung von geotechnischen
Untersuchungen festgelegt. Es soll sicherstellen, dass Aufbau und Eigenschaften des
Baugrundes bereits für den Entwurf bekannt
sind und dazu beitragen, die Unsicherheiten
bezüglich des Baugrundes zu verringern,
Bauschäden vorzubeugen und eine wirtschaftliche Planung zu ermöglichen. Die
EN 1536 ”Bohrpfähle” verlangt, dass im
Abb. 5:
Kluftscharen mit
Haupttrennflächen [3]
4
N/mm2
Ton fest; toniger Boden;
weiche Steinkohle
10
feste Steinkohle; harter Ton
15
weicher Schiefer; weicher Kalkstein;
steiniger Boden
20
80
90
100
15
200
Baugrundgutachten alle relevanten Angaben zur Verfügung zu stellen sind, die
sich auf die Wahl des Verfahrens und die
Ausführung von Pfählen auswirken können.
O.g. Normen eignen sich deshalb als
Checklisten für die zu untersuchenden Festgesteincharakteristika, damit wiederum das
Bohrverfahren, der Bohrfortschritt sowie der
Bohrverschleiß abgeschätzt werden können. So sind in DIN 4021 eine Vielzahl von
Eigenschaften von Gestein und Gebirge aufgeführt, die bei Aufschlussbohrungen in Fels
unmittelbar erkennbar sind. Mit sorgfältigem Ausfüllen der Schichtenverzeichnisse
bei Rotationskernbohrungen in Fels entsprechend DIN 4022 werden sie nachvollziehbar dokumentiert.
Auswirkungen von
Festgesteinseigenschaften
auf den Bohrvorgang
Es stellt sich die Frage, welche grundsätzlichen Zusammenhänge zwischen den Erkundungsergebnissen und der Herstellung
von Pfahlbohrungen in Festgestein baupraktisch bestehen. Welchen Einfluss hat die
zu bohrende Gesteinsart auf Bohrleistung
und Verschleiß? Das Gestein ist zwar gottgegeben, wenn man es bohrtechnisch versteht, können jedoch wirkungsvoll seine
Schwächen ausgenutzt und seine Stärken
umgangen werden. Der Einfluss auf die
Bohrbarkeit von Festgesteinen und auf den
Verschleiß der Bohrwerkzeuge hängt im
wesentlichen von folgenden Parametern ab.
Mineralbestand
und Mineralkorngröße
Aus Bohrerfahrungen ist bekannt, dass die
Fachtagung Spezialtiefbau 2003 (Holfelder/Vogt/Hartfuß: Bohrpfähle im Festgestein …)
Ritzhärte
(Mohs)
Vergleichsmineral
Schleiffestigkeit (Rosiwal)
Härteprüfmittel
1
Talk
0.03
Stearinkerze
2
Gips oder
Steinsalz
0.3–1.4
Fingernagel
3
Kalkspat
3.75
4
Flußspat
4.17
5
Apatit
5.42
Taschenmesser
6
Feldspat
(Orthoklas)
3–40
Fensterglas
7
Quarz
100
Hartporzellan
8
Topas
87–148
9
Korund
833
10
Diamant
117000
Stellt man bei einem Gestein durch mineralogische Untersuchung die Anteile verschiedener Mineralarten fest, dann lässt sich aus
einer Summierung der Anteile, gewichtet
Klüftung und
Schieferung
IAEG-Term
massig
gebankt
sehr
weitständig
very widely
spaced
dickbankig
weitständig
widely spaced
mittelbankig
mittelständig
medium spaced
dünnbankig
engständig
closely spaced
dickplattig
dichtständig
very closely
spaced
dünnplattig
sehr
dichtständig
blättrig
zerbrochenes
Gestein in einer
Störungszone
Karborundum
Tabelle 4: Ritzhärten nach Mohs und Schleiffestigkeiten nach Rosiwal [4]
Höhe des Gehalts an verschleißscharfen
Mineralien maßgeblich für den Werkzeugverschleiß verantwortlich ist. Je höher der
Gehalt, desto höher der Verschleiß und
damit auch die Kosten. Als Grundlage für
die Bestimmung des effektiven Gehaltes an
schleißscharfen Mineralien dient die relative
Schleifhärte nach Rosiwal. Danach hat
Quarz die Schleifhärte 100. Die Schleifhärten aller anderen Mineralkomponenten
werden umgerechnet und auf Quarz bezogen.
Schichtung
Abstände
größer
200cm
60–200cm
20–60cm
6–20cm
2–6cm
0,6–2cm
kleiner
0,6cm
Tabelle 5: Kategorien von Trennflächenabständen nach IAEG (1981) und
ISRM (1978d), nach unten hin erweitert [5]
mit der jeweiligen Rosiwal-Schleifhärte, ein
äquivalenter Quarzgehalt [6] ermitteln.
Weiterhin ist bekannt, dass die Korngröße
der schleißscharfen Mineralien ebenfalls
Einfluss auf den Werkzeugverschleiß hat. Je
größer die Körner, desto höher der Verschleiß.
Zähigkeit
Der Quotient aus Druckfestigkeit zu Zugfestigkeit ist ein Maß für die Zähigkeit eines
Gesteins. Die Zähigkeit ist die Eigenschaft
eines Materials, unter Belastung erst nach
vorangegangener, wesentlicher Formänderung, zu brechen. Große Zähigkeit wirkt
Abb. 6:
Abhängigkeit der Bohrgeschwindigkeit von der
einaxialen Gesteinsdruckfestigkeit bei zwei unterschiedlichen TBM [4]
sich negativ auf die Bohrgeschwindigkeit
aus.
Druckfestigkeit
Aus dem Tunnelbau mit Vollschnittmaschinen ist bekannt, daß die Gesteinsfestigkeit ein brauchbarer Wert für die Abschätzung der Größenordnung einer zu
erwartenden Bohrgeschwindigkeit ist.
Beckmann [4] zeigt an Hand der Beziehung zwischen einaxialer Druckfestigkeit
und Bohrgeschwindigkeit, dass die Bohrzeit bei höherer Druckfestigkeit nicht linear,
sondern deutlich hyperbolisch zunimmt
(Abb. 6). Thuro [5] ist bei Kleinkaliberbohrungen zu ähnlichen Ergebnissen gekommen.
Trennflächengefüge
Abb. 7:
Bohrgeschwindigkeit,
aufgetragen gegen den
Kluftabstand [5]
Fachtagung Spezialtiefbau 2003 (Holfelder/Vogt/Hartfuß: Bohrpfähle im Festgestein …)
Die Tabelle 5 zeigt eine Einteilung von
Trennflächen.
Für die Bohrbarkeit kann festgehalten werden, dass ein Trennflächengefüge "blättrig
bis dickplattig" den Bohrfortschritt fördert,
5
da durch spanendes Abheben der Trennflächen die Gebirgsschwäche in der Trennfuge ausgenutzt wird (Abb. 7).
Verspannung des Gebirges in situ
Festgesteine, die z.B. aus überkonsolidiertem Tonstein bestehen, haben die Eigenschaft, sich beim Anbohren zu entspannen,
das heißt der Bohrlochdurchmesser verkleinert sich. Dies kann dazu führen, dass
eine Verrohrung zur Stützung des Bohrlochs
trotz Überschnitt festsitzt.
Porosität
Das Porenvolumen ist ebenfalls ein Faktor,
der auf den Verschleiß und die Bohrgeschwindigkeit Einfluss hat. Eine hohe
Porosität setzt u.a. die Kornbindung herab,
mindert die Druckfestigkeit und erleichtert
somit das Bohren.
Verwitterungsgrad
Aussagen zum Verwitterungsgrad sind zur
Relativierung von den zuvor genannten
Gesteinseigenschaften für die Wahl des
Bohrverfahrens wichtig. Stark bis völlig verwitterter Fels ähnelt Lockerboden. Eine
Einteilung zeigt Tabelle 6.
Ausschreibung
W
V
Bezeichnung nach [Spaun]
I
1
frisch und unverwittert (Fels)
II
2
angewittert
3
leicht verwittert
III
4
mittelstark verwittert
IV
5
stark verwittert
V
6
sehr stark verwittert
VI
7
völlig verwittert (Boden)
Tabelle 6: Verwitterungsgrade nach internationalen Empfehlungen, bearbeitet [5]
ständigkeit der Ausschreibung zu beachten.
Festgestein und Fels sind eine sehr komplexe Materie und daher seitens des Bauherrn so umfassend wie möglich zu beschreiben, da im Angebot der Baufirmen für
die diesbezügliche LV-Position nur ein Preis
erwartet wird, der dann für die gesamte
Bauausführung Gültigkeit hat.
Der Ausschreibung sind daher Baugrundgutachten beizufügen, welche die in den
vorgenannten Kapiteln dargestellten Kriterien erfüllen. Zusammenfassend nochmals
die wichtigsten Punkte:
• Gesteins-Druckfestigkeit,
• Trennflächengefüge (Intensität, Kluftfüllung, Raumstellung generell und auf
Bohrachse bezogen),
• Verwitterungsgrad, Entfestigungs- und
Zersetzungsstatus,
teilung in sieben Klassen vor (Klasse 1 Oberboden bis Klasse 7 schwer lösbarer Fels).
In der Praxis findet man bei vielen Ausschreibungen für Bohrpfahlarbeiten immer
wieder den LV-Text: Durchörtern von
Bodenklasse 5, 6 und 7. Die FestgesteinsUmschreibungen dieser Norm reichen
jedoch nicht aus, um den Boden konkret
einschätzen zu können und Aussagen über
seine Bohrbarkeit, den zu erwartenden
Bohrfortschritt oder den Bohrverschleiß zu
treffen.
Eine Ausschreibung in dieser Art ist nicht
VOB konform!
Schlußwort
Der Vortrag zeigt auf, daß die FestgesteinsBohrtechnik einen hochdifferenzierten Entwicklungsstand erreicht hat.
Es werden die maßgebenden Zusammenhänge zwischen bedeutsamen geologischen Randbedingungen bzw. den wesentlichen zu erkundenden Gesteinsparametern in Bezug auf die Bohrbarkeit sowie
die Bohrtechnik herausgestellt.
Vor dem Hintergrund bestehender Normen
wird verdeutlicht, dass auch die Festgesteinserkundung und somit die Ausschreibung dem vorgenannten Entwicklungsstand der Bohrtechnik Rechnung
tragen muss.
Nur auf Grund der genauen und zutreffenden Beschreibung des Festgesteins in der
Ausschreibung ist der Unternehmer in der
Lage, das entsprechende Bohrkonzept zu
entwickeln, um hinsichtlich der Machbarkeit und der Preisbildung eine für beide
Seiten wirtschaftliche Lösung anbieten zu
können.
Die Gestaltung des Leistungsverzeichnisses
ist der Zeitpunkt, bei dem die technische
mit der vertragsrechtlichen Sphäre aufeinander trifft. Hier geschieht die gedankliche
Vorwegnahme der Herstellung des Werkes
in allen Phasen als unerläßliche Voraussetzung für eine ordnungsgemäße und
vertragspartnerschaftliche Abwicklung des
Bauvorhabens.
• Mineralogie, Textur,
• Bohrprotokoll der Aufschlußbohrung
gem. DIN 4022 Teil 2.
Literaturverzeichnis
Unabhängig von der vom Auftraggeber gewählten Vertragsart (vom VOB-Vertrag über
den BGB-Vertrag bis hin zum ”FunktionalPauschal-Schlüsselfertig-Betriebsbereit-Vertrag”) gilt immer noch als Hintergrund im
Sinne einer Generalnorm der § 9 VOB/A.
Hier ist, für private und öffentliche Auftraggeber gleichermaßen, aus den Bedürfnissen
und Gegebenheiten der Baupraxis erwachsend definiert, was gewerbeüblich und
unter den Beteiligten als zumutbar anzusehen ist.
Ist man sich unsicher, ob die angegebenen
Gesteinsparameter ausreichend beschrieben sind, so ist es zumindest bei größeren
Bauvorhaben sinnvoll und auch wirtschaftlich, Probepfahlbohrungen, eventuell in
Kombination mit Probebelastungen, durchzuführen. Spätestens hier kann sich der Bauherr ein Bild machen, ob es zweckmäßiger
ist, z.B. eine Brückengründung aufgrund
sehr vorsichtiger Pfahlbemessungswerte
mehrere Meter in harten Fels zu führen oder
aufgrund überprüfter, realistischer Bemessungswerte unsinnigen Herstellaufwand zu
vermeiden.
(1) Patent DE 19721814 Bilfinger Berger
AG
(2) Unterlagen Fa. Hartfuß, Fa. Bauer, Fa.
Ingersoll-Rand
(3) Dachroth, „Baugeologie“, Springer
1992
(4) Beckmann, „Einflussgrößen für den Einsatz von TBM“, TU Braunschweig 1982
(5) Thuro, „Bohrbarkeit beim konventionellen Sprengvortrieb“, TUM 1996
(6) Plinninger, „Klassifizierung und Prognose von Werkzeugverschleiß bei konventionellen Gebirgslösungsverfahren
im Festgestein“, Münchner Geol. Hefte,
B17, 2002.
Der §9 VOB/A Pkt. 1–3 gibt u.a. vor, dass
die Leistung vom AG eindeutig und so
erschöpfend zu beschreiben ist, dass eine
sichere Preisbildung und Beurteilung der
Bauausführung möglich ist und dem AN
kein ungewöhnliches Wagnis auferlegt
wird! Dies gilt in unserem Fall insbesonders
für die Boden- und Wasserverhältnisse.
Die vorangestellten "Teile 0" der DIN
18299ff. sind im Hinblick auf die Voll6
• verschleißscharfe Mineralien nach Vol-%
und Korngröße,
• Porenvolumen/Kornbindung,
• Zähigkeit/Sprödigkeit,
• Wasserverhältnisse,
Aus allen o.g. Angaben wählt der AN das
Bohrverfahren, den Bohrablauf sowie die
Bohrgeräte im Sinn der DIN 4014 und VOB
15301 Pkt. 3.2.2 eigenverantwortlich aus.
An dieser Stelle sei noch ein Hinweis auf die
DIN 18300 Erdarbeiten gestattet. Bekanntermaßen nimmt die DIN 18300 bezüglich der Lösbarkeit des Bodens eine Ein-
Fachtagung Spezialtiefbau 2003 (Holfelder/Vogt/Hartfuß: Bohrpfähle im Festgestein …)