Schleusen und Sperrwerke

Arge Ersatz Bremer Weserschleuse
WSA Bremen
1995-2001
Volumen: 43,5 Mio. €

Baugrund, Baugruben, Gründung und Probebe- lastungen im Rahmen des Neubaus der Weserschleusen im Bremen
(von Dipl.-Ing. J. Grabau und Baudirektor Dipl.-Ing. F. Eißfeldt)

Allgemeines:
Die Häupter der Großschiffahrtschleuse werden in Stahlbetonbauweise ausgeführt und sind auf Stahlpfähle tief gegründet. Als Baugrubensohle dient eine als Unterwasserbeton hergestellte unbewehrte Betonsohle. Die Schleusenkammer wird in Spundwandbauweise mit einer verankerten Stahlbetonsohle errichtet. Die Kammerwände sind rechtsseitig mit Rammverpresspfählen aus PEINER-Stahlpfählen und linksseitig aus gebohrten Rohrverpresspfählen (Sondervorschlag) verankert. Häupter und Schleusenkammer sind für sich auftriebssicher und können jederzeit zu Inspektionszwecken trockengelegt werden.

Baugrundverhältnisse:
Im Bereich der Bremer Weserschleusen steht nach dem Baugrundgutachten der Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) Außenstelle Küste - basierend auf zahlreichen Bohrungen und Sondierungen - folgender Schichtenaufbau an:

• Auffüllung aus Sanden mit Bauschutt und Trümmern
• Holozäne Sande geringer bis mittlerer Festigkeit
• Pleistozäne Sande mit großer Festigkeit und guter Tragfähigkeit
• Bindige Schichten aus Geschiebemergel sowie Beckenton/Beckenschluff steifer bis halbfester Konsistenz
• Untere Sande mit sehr großer Festigkeit und sehr guter Tragfähigkeit

Die anstehenden Böden erlauben die Herstellung von mit Spundwänden umschlossenen Baugruben. Die amtsseitige Planung sieht eine Tiefengründung vor, um zum einen die Standsicherheit und Gebrauchsfähigkeit zu gewährleisten und zum anderen einen risikoarmen Bauablauf neben der im Betrieb befindlichen alten Schleuse sicherzustellen.

Baugruben und Gründung:
Baugruben der Häupter: Die Häupter werden in Spundwandbaugruben hergestellt, die nach Herstellung einer Arbeitsebene auf NN +1,50m mit Landgeräten gerammt werden. Die Wellenspundwände System LARSSEN werden bereichsweise mit Lamellen verstärkt. Zur Hochwasser- sicherung war ursprünglich eine Baugrubenoberkante au NN +5,50m vorgesehen. Durch die als Sondervorschlag vorgesehene Einpolderung konnte sie auf NN +2,50m reduziert werden. Das Baufeld ist unterwasserseitig tidebeeinflusst. Zur Reduzierung von Spundwandverformungen infolge Tidewasserschwankungen wurde als Abschluss ein Fangedamm (Sondervorschlag) eingebaut. Die Unterhauptbaugrube ist mit einer Innenaussteifung versehen. Dies war möglich, weil die Wände allseitig durch Boden gebettet sind und die auf die gesamte Baugrube wirkenden Horizontalkräfte gering sind. Am Oberhaupt war eine generelle Verankerung der rechten Baugrubenwand erforderlich, um die gegen& über der linken Baugrubenwand höheren Horizontallasten aufzunehmen.

Gründung der Häupter:
Eine Grundwasserabsenkung schied wegen durchlässiger Sande und aus ökologischen Gründen aus, so dass von vornherein eine grundwasserschonende Bauweise gewählt wurde. Bei einer Grundwasserabsenkung waren außerdem schädliche Setzungen an der unmittelbar benachbarten Altanlage zu befürchten. Unter Beachtung auch der guten Erfahrungen beim Wehrneubau wurde einer Tiefgründung aus Stahlpfählen der Vorzug gegeben, die gleichzeitig zur Verankerung der Unterwasserbetonsohle dient. Bei der Konzeption des Pfahlrasters der Tiefgründung sind folgende Parameter zu beachten:

• In Abhängigkeit der Dicke der Unterwasserbetonsohle darf ein definierter Abstand des der Pfahlrasters nicht überschritten werden, um einen Aufbruch der unbewehrten Baugrubensohle in jedem Fall auszuschließen.
• Zum Nachweis der Auftriebssicherheit gegenüber dem angehängten Boden zwischen den Pfählen ist eine Mindesteinbindetiefe notwendig.
• Die Pfahlgründung sollte unterhalb der bindigen Bodenschichten enden, um wegen der unterschiedlichen Schichtdicken und -höhen eine gleichmäßige Abtragung in den Untergrund zu erreichen.
• Wegen der Auftriebskräfte bei gelenzter Baugrube sollten die Schrägpfähle zur Aufnahme der Horizontallasten nicht zu schräg angeordnet werden.
• Es ist ein gleichmäßiges Pfahlmuster bei gleichen Pfahllängen zu bevorzugen.

Für den Endzustand wäre eine Flachgründung unter gewissen Voraussetzungen möglich gewesen. Allerdings ist zur Auftriebssicherung bereits eine erhebliche Anzahl von Stahl- pfählen erforderlich, so dass der Schritt zur Ausführung einer "echten" Tiefgründung - auch für den Betriebszustand - nicht sehr groß ist. Wichtig ist dabei, dass dann sowohl für die Aufnahme der Horizontalkräfte aus dem Bauzustand als auch dem Betriebszustand ausreichend Schrägpfähle angeordnet werden.

Als Gründungspfähle wurden Stahlpfähle HP 400x131 aus StSpS36 angeordnet, die als Sondervoschlag angeboten wurden. Ursprünglich waren PEINER PSt-Pfähle vorgesehen. Die HP-Pfähle unterscheiden sich durch die fehlenden Keulen und in der Flansch- ausführung. Auf eine Anordnung von Flügeln am Pfahlfuß - wie bei der Wehrgründung - konnte nach den Ergebnissen der Probebelastung verzichtet werden. Laut Gründungsgutachten waren die Pfähle für die Häupter der Großschiffahrtsschleuse bis auf NN -30,0m (Oberhaupt NN -28,0m) abzuteufen. Sie binden ca. 3m in die sehr festen Unteren Sande ein. Am Unterhaupt wurden 65 Lotpfähle und 104 Schrägpfähle gerammt, während am Oberhaupt 52 Lotpfähle und 78 Schrägpfähle zur Ausführung kamen. Die Pfahllängen liegen zwischen 21m und 24m. Die Rammung erfolgte in der ausgehobenen Baugrube ab NN -10,0m. Der Abstand der Pfahlreihen beträgt i. M. 1,90m, der Abstand der Pfähle untereinander i. M. 3,20m. In der Entwurfsphase wurde vom WSA eine entsprechende Vorstatik für die Häupter aufgestellt. Bau-, Betriebs- und Revisionszustände wurden in Lastfallkollektiven zusammengestellt und in die Berechnungen eingestellt. Durch die genaueren Berechnungen der Ausführungsstatik wurde die Vorstatik insgesamt bestätigt.

Ausführung der Schleusenkammer:
Die Schleusenkammerwände bestehen aus einer kombinierten Spundwand aus PEINER PSp 600 Doppelbohlen mit Zwischenbohlen PZi 612 aus StSpS36. Die Unterkante der Spundwand liegt etwa auf -17,50m. Bei dieser Konstruktion kann die Ausrüstung der Kammer mit Pollern und Steigeleitern in den Spundwandtälern erfolgen. Die rechtsseitige Wand ist mit herkömmlichen 1:1 geneigten Rammverpresspfählen aus PEINER PSt 400/127 (StSp37) verankert. Linkseitig wurde für die Verankerung ein Sondervorschlag aus gebohrten und verpressten Ankerpfählen beauftragt, deren Pfahlfüße mit HDI-Technik verdickt werden. Durch die gebohrte Einbringung konnten schädliche Erschütterungen auf die Altanlage vermieden werden. Nach Herstellung einer verrohrten Bohrung - teilweise durch die alte Trennmauer - wurde am Ankerende auf mehreren Metern eine Fußverdickung mit HDI-Technik hergestellt und der Ankerstab (Durchmesser 75/80mmm) mit Schutzrohr und Bentonitverfüllung gegen Setzungen der Trennmauer eingebaut. Anschließend wurde die Verrohrung gezogen und der Ringraum zwischen Anker und Boden verpreßt. Die Tragfähigkeit wurde durch Probebelastungenam Einzelpfahl und an der Pfahlgruppe nachgewiesen. Die Krafteintragung vom Anker in den Baugrund erfolgt bei diesem Verankerungspfahl im wesentlichen über die Fußverdickung. Die Krafteinleitung durfte dabei nicht zu dicht unter der alten Schleusenkammersohle erfolgen, um Hebung bzw. Ausbruch der alten Kammersohle zu vermeiden. Oberseitig schließt die Kammerspund- wand mit einem querverteilenden Stahlbetonholm ab.

Probebelastungen: Bei Bauwerken dieser Größenordnung empfehlen sich Probebelastungen zur Optimierung des Pfahlrasters und zu Einstellung zutreffender Tragfähigkeiten in die Berechnungen. Die Pfahlprobebelastungen wurden rechtzeitig vor Baubeginn durchgeführt. Die Versuchsanordnung und die Durchführung der Probebelastungen wurden in Abstimmung mit der Bundesanstalt für Wasserbau (Außenstelle Küste) vorgenommen.

Es ergab sich folgendes Versuchprogramm:

• 2 Stk. Stahlträgerpfähle mit Flügelverstärkung, Einbindung in die Unteren Sande, für die Gründungspfähle der Häupter der großen Schleuse.
• 2 Stk. Stahlträgerpfähle ohne Flügelverstärkung, Einbindung in die bindigen Schichten, für die Gründungspfähle der Kammer der großen Schleuse und der Bootsschleuse.

Alle Pfähle wurden erst auf Druck und danach auf Zug geprüft. Die Belastungseinrichtung wurde auf die zu erwartenden Prüflasten aufgelegt, wobei die innere Tragfähigkeit durch besondere Wanddicken der Pfähle sichergestellt war. Neben der Messung der Pfahl- setzungen/-hebungen und der Pfahlkräfte über Kraftmessdosen am Kopf wurden Dehn- meßstreifen (DMS) in Höhe der Schichtgrenzen am Pfahl angeordnet. Damit war es möglich, den Verlauf der eingetragenen Kraft im Pfahl zu ermitteln und die Grenzmantel- reibungswerte für die einzelnen Bodenschichten zu errechnen. Die Applikation der DMS-Aufnehmer wurde vom Ing.Büro Burmann und Mandel, Hamburg vorgenommen.Nach Durchführung der ersten Versuchsreihe zeigte sich, dass die Stahlträgerpfähle mit Flügeln nicht die erwarteten Zugtragfähigkeiten erfüllten. Daher wurden die Probepfähle der zweiten Versuchsreihe ohne Flügel im Fußbereich gerammt. Die Probebelastungen haben im Ergebnis gezeigt, daß die Gründungspfähle keinen nennenswerten Spitzendruck, sondern vornehmlich als Reibungspfahl die Bauwerkslasten abtragen.Der Bemessung der Gründungspfähle konnten folgende Grenzmantelreibungswerte zu Grunde gelegt werden: