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Frankfurt, U5 Verlängerung

Daten und Fakten
Firma Stump-Franki Spezialtiefbau GmbH
Auftraggeber PORR GmbH & Co. KGaA, München
Stadt/Land Frankfurt - Deutschland
Projektart Spezialtiefbau
Bauzeit 01.2018 - 12.2021

Vereisungsarbeiten im Anschlussbereich an den Tunnelbestand.

Im Zuge der zweigleisigen Verlängerung Grundstrecke B im Stadtbahnnetz Frankfurt bedarf es einer Vereisungsmaßnahme im Anschlussbereich an den Tunnelbestand am Platz der Republik.
Bei einer Baugrundvereisung wird dem Boden durch das Zuführen von Kälte durch eingebohrte Gefrierlanzen Wärme entzogen. Das Grundwasser gefriert und es entstehen einzelne „Eiszylinder“, welche im Laufe der Zeit im Durchmesser um die Gefrierlanze herum zunehmen. Durch die Aneinanderreihung dieser Eiszylinder können geschlossene, wasserdichte Systeme mit einer ausgiebigen statischen Wirkung erzeugt werden. Als „Beförderer“ der Kälte kommen im Spezialtiefbau die Kälteträger Sole (bis ca. -37°C) oder Stickstoff (bis -196°C) zum Einsatz – je nach vorhandenen Randbedingungen und Anforderungen.

Aufwendiges Monitoring

Die grundsätzlichen Arbeitsschritte zur Realisierung einer Baugrundvereisung liegen in den Vereisungsbohrungen, dem Ausbau dieser Bohrungen zu Gefrierrohren, dem Aufbau und Anschluss des Kälteträger-Leitungssystems, der Inbetriebnahme des passenden Bodengefrieraggregates (GA) sowie dem Betreiben der Vereisung. Ein übergeordneter wichtiger Arbeitsschritt liegt in der Installation und Durchführung des Monitorings. Wichtige Systemparameter des GA‘s, des Solestroms müssen überwacht werden – und insbesondere der planmäßige Aufbau des Frostkörpers. Bohrtechnik, Kälteverfahrenstechnik, Kältemaschinentechnik, Installationsarbeiten sowie mechatronische Kompetenzen sind im Zusammenspiel erforderlich. Vorangehend erfolgt die planerische Leistung, welche aus den Hauptkomponenten Anordnung der Vereisungsbohrungen und der sog. thermischen Berechnung besteht. Aus letzterer ergeben sich u. a. Prognosen hinsichtlich der Dauer des Frostkörperaufbaues und der erforderlichen Gefrierenergie.
Anhand technischer und wirtschaftlicher Betrachtungen wurde für die vorliegende Vereisungsmaßnahme ein Sole-Gefrieraggregat mit einer Kälteleistung von etwa 140 KW (Leistung bei Luftkühlung) investiert. Diese Leistung ergibt sich aus zwei redundanten und unabhängig voneinander steuerbaren Kältekreisläufen mit Leistungen von jeweils 70 KW. Die Gefrierleistung kann über optionalen Kühlwasserkreislauf ggf. erhöht werden. Um den Kälteträger „an den Boden zu bringen“, sind vorab Vereisungsbohrungen herzustellen.

Hierbei handelt es sich um den schwierigsten Teil der Aufgaben, da sehr hohe Anforderungen an die Bohrlochabweichungen und die Dichtigkeit der Bohrstränge zu stellen sind. Außerdem handelt es sich i.d.R. um Bohrungen gegen drückendes Grundwasser, welche mittels Preventer, Standrohr, vorlaufenden Kernbohrungen und Abdichtungssystemen auszuführen sind. Hier ist Maßarbeit gefordert – viele Arbeitsgänge sowie sehr beengte Arbeitsräume erschweren die Arbeiten. Die eingebauten Bohrrohre werden einem Drucktest unterzogen und in ihrer Lage relativ und absolut anhand der Zielvorgaben verifiziert.
Die so abgeteuften Bohrrohre werden im Anschluss als „Gefrierrohr“ ausgebaut. Diese werden verzweigt, in sich autonome Gruppen aufgeteilt und an die Sole Hauptzu- und -ableitung angeschlossen, welche letztlich am GA münden. Ist das GesamtSole-Leitungssystem angeschlossen und geprüft, kann der Kälteträger in das System eingelassen werden und in diesem zirkulieren. Das GA wird gestartet und kühlt die Sole im Kältekreislauf nach deren erwärmter Wiederkehr aus den Gefrierrohren wieder auf die Zieltemperatur ab.

Aktive Kühlung

Beim Bauvorhaben U5 in Frankfurt fährt die Tunnelmaschine quasi in einen von zuvor aufgefrorenen Bodenkörpern erstellten Trichter „hinein“. Daher hat dieser eine spezielle kragenförmige Anordnung der Gefrierrohre. Ein durch Stump-Franki Spezialtiefbau ZNL Hannover entwickeltes Konzept einer aktiven Kühlung, welches die aus den Gefrierrohren rückgeführte Sole zusätzlich nutzt, wurde oberflächlich auf der Anschlagwand installiert und unterstützt den Aufgefrierprozess. Die berechnete Kälteleistung bei vorliegendem Projekt wurde mit zirka 50 KW ermittelt. Die Aufgefrierzeit bis zum Erreichen der erforderlichen Temperaturen respektive Vereisungskörperdurchmesser wird mit etwa 50 Tagen angenommen.

Technische Daten / Massen

Kälteleistung

140 KW