PDF 554Kb - Baumaschine.de
Werbung
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 …)
