Stabilisierung von Brückenpfeilern durch Zementinjektionen

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Die Gründungssohle der Pfeiler liegt ca. 3,30 m unterhalb der Geländeoberkante in einem schwach grobsandigem Fein- und Mittelkies. Der Gründungsbereich des Pfeilers ist mit einer Spundwand eingefasst, die vermutlich nur bis in 7,0 m Tiefe reicht. Eine Einbindung in den in ca. 9,10 bis 9,80 m Tiefe anstehenden Porphyrzersatz (Fels) war nicht gegeben. Die Auskolkungen außerhalb des Spundwandkastens reichen bis in eine Tiefe von ca. 5,00 bis 5,50 m und damit ca. 2,00 m unter das Gründungsfundament des Pfeilers. Der freistehende Bereich von ca. 2,00 m zwischen Fundament -UK und Sohle der Auskolkung bedeutet trotz der Umspundung ein Standsicherheitsrisiko für den Pfeiler. Bild 1 zeigt die Situation 10 Tage nach dem verheerenden Hochwasserereignis. Folgende Maßnahmen zur Stabilisierung des Brückenpfeilerpaares wurden im Auftrag des Autobahnamtes Sachsen durchgeführt:

• Injektion des Sedimentbereiches unterhalb der Gründung und innerhalb des Spundwandkastens mit einer Wasser-Zement-Suspension zur Verfüllung von eventuell durch Unterspülung der Spundwand entstandenen Hohlräumen. Die Setzungsempfindlichkeit des Gründungsbereiches wurde dadurch vermindert. Weiterhin wurde die Injektion bis in eine Teufe von ca. 9,20 m geführt und damit auch der Bereich zwischen 7,00 m und 9,20 m unterhalb der Spundwände (Übergangsbereich zum Fels) stabilisiert.
• Auffüllung des inneren und äußeren Bereiches des Spundwandkastens zur Herstellung des statischen Gleichgewichtes mit Sand, Kies und Schotter.

Ablauf der Bohr- und Verpressarbeiten

Im Ergebnis von Vorversuchen wurde folgender Arbeitsablauf festgelegt:

Bohrarbeiten

• Abteufen von 22 Kernbohrungen pro Pfeiler im Durchmesser 120 mm mit einer Länge von 2,40 m durch das Betonfundament,
• Abteufen von verrohrten Bohrungen Ø ca. 117 mm durch den Sedimentbereich im ODEXverfahren bis in eine Teufe von ca. 9,20 m (Porphyrzersatz).

Die Bohrarbeiten wurden von einem Bohrplanum ausgeführt, das durch die innere Auffüllung des Spundwandkastens geschaffen wurde. Damit war der Einsatz einer größeren Gerätetechnik möglich als ursprünglich geplant (Bild 2). Die Anordnung der Bohrungen im Abstand von 1,20 m rund um den Pfeiler ließ genügend Zwischenraum für das Abteufen von Verdichtungsbohrungen offen.

Verpressarbeiten

• Einbau von Manschettenrohren im Durchmesser 2" mit einem Manschettenabstand von 33 cm.

Injektion mit Zementsuspension

Für die Injektion galten folgenden technischen Parameter:

• Injektionsdruck (Abbruchkriterium): max. P im Bereich 0–5 m = 3 bar am Bohrlochmund, max. P im Bereich 5–9 m = 5 bar am Bohrlochmund
• W/Z-Faktoren: 1,5–0,4. Die W/Z-Faktoren wurden in diesem Bereich dem Aufnahmevermögen des Bodens angepasst.
• Injektionsrate: max. 10 l/min, min. 0,5 l/min
• Mengenbegrenzung pro Manschette: keine
• weitere Abbruchkriterien: Austritt von Suspension aus der Spundwand oder am Bohrlochmund - dann wurde die Injektion nach einer Wartezeit von 5–24 Stunden wiederholt.
• Zement: CEM I 42,5 R-HS

Bild 3 zeigt beispielhaft die Zementaufnahmemenge am Pfeiler 1 mit zunehmender Tiefe gemittelt über alle 22 Bohrungen. Die Aufnahmewerte steigen mit zunehmender Tiefe deutlich an. Insbesondere die hohen Aufnahmen im Übergangsbereich zum Fels fallen auf. Pro Manschettenrohr wurden im Mittel 1680 kg verpresst.

Verdichtungsinjektion zur Überprüfung des Injektionserfolges

Die Überprüfung erfolgte über die Auswertung der injektionstechnischen Parameter und durch Verdichtungsbohrungen (2. Injektionsphase). Diese Verdichtungsbohrungen wurden zwischen die Bohrungen der 1. Injektionsphase angesetzt und mit 5-15° Neigung unter den Pfeiler geführt. Bohr- und Verpresstechnologie wurden beibehalten. Die Bohrungen wurden 1,0 m tiefer abgeteuft, um bessere Aussagen über den Injektionserfolg im Übergangsbereich zum Fels treffen zu können. Auffallend ist eine deutliche Minimierung der Zementaufnahme in der 2. Injektionsphase. Das lässt den Schluss zu, dass sowohl die Anordnung der Bohrungen als auch die injektionstechnischen Parameter optimal gewählt wurden. So betrug z.B. die Gesamtverpressmenge in der 1. Injektionsphase in 7,90 m Tiefe rund 4700 kg (Bild 3) und im gleichen Teufenbereich in der zweiten Injektionsphase nur 230 kg (Bild 4).

Schlussbemerkung

Mit der vorgestellten Manschettenrohrinjektion konnte in kürzester Zeit eine Sofortsicherung im Gründungsbereich von zwei Brückenpfeilern der Bundesautobahn A 14 Dresden/Leipzig erreicht werden. Insgesamt wurden 475 m Manschettenrohr eingebaut und 33 t Zement verpresst.