Was macht ein gutes Betonvortriebsrohr aus?

Die Vorteile des Rohrvortriebs sind allgemein bekannt. Durch die Wahl eines Rohrvortriebs gegenüber einer offenen Bauweise können Eigentümer eine präzise installierte Pipeline mit weniger Störungen für die Öffentlichkeit erhalten – und das zu einem wettbewerbsfähigen Preis, mit weniger Lärm und geringeren Emissionen.

Auch wenn die Vorteile des Rohrvortriebs auf der Hand liegen, sind sie nicht ohne Risiken. Jeder kennt das Sprichwort: „Eine Kette ist nur so stark wie ihr schwächstes Glied.“ Während dieses Prinzip in vielen verschiedenen Szenarien von der Wirtschaft bis zum Sport angewendet werden kann, trifft es im wahrsten Sinne des Wortes auf den Rohrvortrieb zu.

Beim Rohrvortrieb wird jedes Rohrsegment nacheinander in den Boden gedrückt, wodurch unter der Erde eine „Rohrkette“ mit zunehmender Länge und zunehmendem Gewicht entsteht, wodurch sich die Spannung im Rohr zunehmend erhöht. Jeder Ausfall eines einzelnen Rohrsegments oder einer Verbindung an irgendeinem Punkt entlang der Trasse kann möglicherweise verheerende Folgen für ein Projekt haben, insbesondere in städtischen Gebieten oder an Wasserkreuzungen, wo der Zugang zur Pipeline über einen „Rettungsschacht oder Tunnel“ schwierig sein kann, wenn nicht unmöglich.

In der Vergangenheit gab es bei Eigentümern und Ingenieuren nur begrenzte Kenntnisse über den Rohrvortrieb, insbesondere wenn es darum ging, was ein akzeptables Betonvortriebsrohr ausmacht. Dies ist verständlich, wenn man den Nischencharakter des Rohrvortriebs im Allgemeinen und des Mikrotunnelbaus im Besonderen bedenkt. Aufgrund der kritischen Natur jedes einzelnen Rohrsegments entlang des Rohrstrangs erfüllen Betonrohre, die sich seit Jahrzehnten gut für den offenen Bau geeignet sind, einfach nicht die Anforderungen des modernen Rohrvortriebs.

Heutzutage benötigen Rohrvortriebs- und Mikrotunnelbauunternehmen, deren Vortriebsrohre auf den Endverbrauch ausgerichtet sind. Vortriebsrohre benötigen zusätzliche Festigkeit, Verbindungen, die eine Krümmung des Rohrstrangs ermöglichen, und Dichtungen, die das Eindringen von Wasser, Erde oder Bentonit verhindern.

Dies bedeutet nicht, dass Vortriebsrohre in ihrer Konstruktion oder Herstellung kompliziert sein müssen. In Nordamerika gibt es mehrere Rohrhersteller, die Rohrsegmente herstellen, die den Erwartungen von Rohrvortriebs- und Mikrotunnelbauunternehmen entsprechen. Wir sprachen mit Robert Ward, einem Ingenieur und Mitbegründer/Eigentümer von Ward and Burke Microtunnelling, der seine Erfahrungen im Zusammenhang mit Betonvortriebsrohren für Mikrotunnelprojekte in den Vereinigten Staaten und Kanada teilte. Ward and Burke Microtunnelling ist Mitglied der North American Microtunneling Association (www.NAMicrotunneling.com), einer Organisation von Auftragnehmern, die Aufklärung und Dialog zu Fragen im Zusammenhang mit Mikrotunneling fördert.

„Das erste, was ein Eigentümer bedenken sollte, ist, dass das Vortriebsrohr in vielen Fällen das endgültige Endprodukt ist – nichts anderes ist auf lange Sicht von Interesse“, sagte Ward. „Daher ist es mit Abstand der wichtigste Teil des Mikrotunnelbauprozesses.“

Tatsächlich könnte das Vortriebsrohr bei seiner Inbetriebnahme das endgültige Endprodukt sein und Wasser, Abwasser oder andere Versorgungsleitungen transportieren. Je länger es also hält, desto kostengünstiger wird die Erstinstallation. Darüber hinaus bedeutet dies, dass die Öffentlichkeit weniger durch zukünftige Reparaturen oder Austauscharbeiten gestört wird. Es ist wichtig zu bedenken, dass das Vortriebsrohr auch ein Mantelrohr für ein permanentes Produktrohr wie PVC, DIP usw. sein kann. Manchmal wird der Ringraum zwischen dem Futterrohr und dem endgültigen Rohr hinterfüllt, wodurch das Mantelrohr vorübergehender Natur ist Der Ringraum ist nicht gefüllt, das Vortriebsrohr ist eine dauerhafte Struktur. In allen Situationen und bei allen Einsatzzwecken ist ein qualitativ hochwertiges Vortriebsrohr entscheidend für den Erfolg eines Projekts.

Welche Eigenschaften zeichnet ein gutes Betonvortriebsrohr aus? Ward identifiziert mehrere Bereiche, die er als Schlüsselbereiche ansieht. Während es derzeit keine Standardspezifikation für Mikrotunnelrohre gibt, sagt Ward, dass Teile mehrerer bestehender ASCE- und ASTM-Standards kombiniert werden können, um gute Vortriebsrohre aus Stahlbeton für Mikrotunnelprojekte herzustellen. Idealerweise werden diese unterschiedlichen Abschnitte in einem einzigen Standard zusammengefasst, den Konstrukteure beim Verfassen von Spezifikationen für Mikrotunnelbauprojekte zitieren können, insbesondere bei solchen mit schwieriger Geologie, langen Vortrieben oder Kurven.

Steifigkeit: Das erste Merkmal, das für ein leistungsfähiges Vortriebsrohr benötigt wird, ist die Steifigkeit, sagte Ward, und das führt zu Beton. „Während des Baus wird das Rohr auf Hindernisse stoßen, die Punktlasten auf das Rohr ausüben, und das Rohr muss in seiner Kreisform bleiben“, sagte er. „Die TBM ist starr und schneidet einen Kreis, daher ist es sinnvoll, dass alles, was Sie hinter die TBM schieben, auch ein Kreis bleiben sollte. Beton ist starr und bleibt in einem Kreis, wenn er punktuell belastet wird.“

Gelenkdesign: „Einer der Schlüssel zum erfolgreichen Mikrotunnelbau ist die Reduzierung der Reibung, damit die Vortriebskräfte niedrig bleiben“, sagte Ward. „Dies gelingt durch das Einspritzen von Bentonit um die Außenseite des Rohrs. Der Bentonit muss häufig mit einem Druck zwischen 40 und 100 psi eingespritzt werden. Daher muss die Dichtung einem Außendruck von 100 psi standhalten – und nicht 13 psi.“ was typisch für offene Rohre ist.“

Der Druck ist entscheidend, um den Ringraum offen zu halten und so zu verhindern, dass Sand und Erde das Rohr festhalten und die Reibung entlang des Rohrstrangs erhöhen.

Typische Betonrohrsysteme verwenden Dichtungen, die das Eindringen von Grundwasser in die Rohrleitung verhindern sollen, jedoch keine Bentonit-Schmiersysteme berücksichtigen. „Manche Leute denken, dass sie beim Tunnelbau in trockenem oder flachem Gelände ohne eine Dichtung auskommen können, die höheren Drücken standhält, aber das ist nicht der Fall. Das hat nichts mit dem Grundwasser zu tun. Die Folge ist, dass sie dem Bentonitdruck nicht standhalten.“ dass Sand und Erde mit dem Rohr in Berührung kommen und die Rohre dadurch stecken bleiben.“

Lenkbares Rohr: Gebogene Antriebe sind seit einigen Jahren international üblich und haben sich in den letzten fünf Jahren auch in den Vereinigten Staaten und Kanada durchgesetzt. Durch die Möglichkeit, Kurvenvortriebe durchzuführen, können Zwischenschächte entfallen oder Hindernisse umgangen werden, was zu kostengünstigeren Projekten führt. Selbst wenn die geplante Trasse gerade ist, ist die Lenkfähigkeit ein wichtiges Merkmal für Mikrotunnelrohre. „Das Rohr muss in der Lage sein, eine Kurve mit einem Radius von 500 m zu bewältigen, unabhängig davon, ob der Tunnel theoretisch gekrümmt oder gerade ist“, sagte Ward.

Dazu ist es erforderlich, dass sich die Endhaut des Rohrs um 7 Zoll erstreckt, damit die Verbindung flexibel geöffnet und geschlossen werden kann, ohne dass der Druck auf die Dichtung verloren geht. Laut Ward benötigt das Schwanzfell, wenn es in die Wand des Betonrohrs eingebettet ist, einen Winkel, der sowohl als Anker als auch als Fugenband dient. Darüber hinaus benötigt das Schwanzfell alle 12 Zoll einen mit Nieten versehenen Anker, der um den Umfang herum angeschweißt ist, oder Bewehrungsanker, die an das Schwanzfell geschweißt werden, um zu verhindern, dass sich das Schwanzfell löst und Wasser um es herum austreten kann. Abschließend wird ein hydrophiler Streifen benötigt, der auf die Innenseite des Schwanzfells geklebt wird und als zusätzlicher Wasserstopp dient. (Siehe Abbildung 1: Typisches Verbindungsdetail für Betonvortriebsrohre)

Abbildung 1: Typisches Verbindungsdetail für Betonvortriebsrohre

Axiale Belastungen: Beim Rohrvortrieb ist die Fähigkeit des Rohrs, axiale Belastungen aufzunehmen, der Schlüssel zum Erfolg. Das Rohr muss sich störungsfrei durch den Boden schieben lassen. Unabhängig von der Länge des Projekts ist ein stabiles Rohr erforderlich, da in einer unvollkommenen Welt Schwierigkeiten auftreten und ein Mikrotunnelbauunternehmen möglicherweise zusätzliche Kraft aufwenden muss, um den Rohrstrang in Bewegung zu halten.

Darüber hinaus sollten Betonvortriebsrohre aus Nassguss statt aus Trockenguss hergestellt werden, sagte Ward. Obwohl Trockengussrohre, die typischerweise für Projekte mit offenem Schnitt verwendet werden, die gleiche Endfestigkeit wie Nassgussrohre haben, weisen Nassgussrohre eine höhere Dehnungsfestigkeit auf und können eine axiale Last von etwa 2.000 Tonnen auf einem 84-Zoll-Rohr tragen. Rohr in einem Radius von 1.500 Fuß.

„Unserer Erfahrung nach verlieren Trockenbetonrohre ihre Widerstandsfähigkeit gegen Belastungen, wenn die Dehnung 0,002 übersteigt“, sagte Ward. „Nass gegossene Betonrohre weisen nur einen sehr geringen Abfall in ihrer Widerstandsfähigkeit gegenüber Belastungen auf und können auch bei Dehnungen über 0,002 und bis zu 0,005 oder mehr weiterhin Lasten tragen. ACI/ASCE ist für eine maximale Dehnungskapazität von 0,003 ausgelegt, aber das ist immer noch der Fall.“ Gut zu wissen, dass in einem „Weltuntergangsszenario“ über dieser Belastung ausreichend Tragfähigkeit vorhanden ist.“

„Hohe Belastungen für das Rohr sind keine alltägliche Erscheinung, aber man muss sich auf den Tag vorbereiten, an dem etwas schief geht“, sagte Ward. „Möglicherweise müssen Sie sehr stark auf das Rohr drücken, um aus einer engen Stelle herauszukommen, und nass gegossene Rohre sind in der Lage, diese Lasten aufzunehmen.“

Ein weiterer Vorteil des Nassgussverfahrens ist die glatte Außenseite des Vortriebsrohrs. Diese glattere Rohroberfläche verringert die Mantelreibung am Rohrstrang und verringert dadurch die erforderliche Vortriebskraft, die auf das Rohr ausgeübt werden muss, um den Vortrieb abzuschließen.

Rohrwandstärke: Zusätzlich zu seiner Steifigkeit eignen sich Betonrohre aufgrund ihrer Wandstärke gut für Rohrvortriebsprojekte. Die dicken Wände der Betonrohre bieten die Möglichkeit, Zwischenvortriebsstationen (IJSs oder Interjacks) unterzubringen, die typischerweise auf langen Mikrotunnelvortrieben installiert werden, um zusätzlich zu den Pressen an der Eintrittsgrube Schub auszuüben. Zwischenrohre werden in regelmäßigen Abständen entlang des Rohrstrangs zwischen den Rohrsegmenten angebracht und diese zusätzliche Schubfähigkeit dient quasi als Versicherungspolice für den Fall, dass ein zusätzlicher Schub auf den Rohrstrang erforderlich ist.

Der Durchmesser der Zwischenzylinder beträgt etwa 6 Zoll, und es ist eine Wandstärke erforderlich, die mindestens dem Durchmesser der Zwischenzylinder entspricht.

„Betonrohre haben mit ihrer dicken Wand einen inhärenten wirtschaftlichen Vorteil gegenüber allen anderen Produkten, da sie mit Zwischenhebern bei sehr hohen Lasten verwendet werden können“, sagte er. „Auch hier müssen Sie vielleicht nicht oft Zwischenstecker verwenden, aber wenn Sie sie brauchen, möchten Sie kein Rohr, das aufgibt.“ Im Vergleich zu anderen Rohrmaterialien sind Zwischenvortriebsstationen in Betonrohren tendenziell wirtschaftlicher herzustellen, während des Vortriebs zu installieren und nach Abschluss des Vortriebs wieder zu entfernen.

Beschaffung des Rohrs: Ward sagt, dass viele Betonrohrhersteller mehr als in der Lage sind, hochwertige Vortriebsrohre zu liefern. Der entscheidende Aspekt ist die Erstellung einer hochwertigen Form. Die Toleranz des Vortriebsrohrs muss höher sein als bei typischem offenem Beton – in der Größenordnung von 1/16 Zoll. Ward und Burke haben mit Betonrohrherstellern in den Vereinigten Staaten und Kanada zusammengearbeitet, die erstklassige Betonrohre für erstklassige Projekte produzieren.

„Sobald Sie die Form eingerichtet haben, ist die Pfeife einfach herzustellen“, sagte Ward. „Es kostet nicht viel mehr, das richtige Rohr herzustellen, und Sie sparen viel Geld, anstatt das Rohr stecken zu lassen.“

Industriestandards: In der Branche gab es einige Diskussionen über die Notwendigkeit, eine neue Spezifikation für Betonvortriebsrohre zu verfassen. Ward sagt jedoch, dass vorhandene Dokumente zunächst als Leitfaden für die Herstellung von Betonrohren verwendet werden können, die den Anforderungen von Mikrotunnelbauunternehmen entsprechen ASCE 27-00 und sein Nachfolger ASCE 27-17: „Standard Practice for Direct Design of Precast Concrete Pipe for Jacking in Trenchless Construction.“

„ASCE 27-17 ist die Bibel für Mikrotunnelbauer“, sagte Ward. „Man muss es wissen und sich daran halten.“

Für die Festigkeit des Rohrs kann ASTM C76-19: „Standard Specification for Reinforced Concrete Culvert, Storm Drain, and Sewer Pipe“ als Referenzdokument verwendet werden. Der Standard identifiziert fünf verschiedene Rohrklassen, wobei Klasse V die robusteste ist. Ward empfiehlt die Verwendung von Rohren der Klasse V für alle Rohrvortriebsprojekte (außer beim Tunnelbau in Strandsand oder Fels, wo Klasse IV akzeptabel sein kann).

Standards für Dichtungen für Rohre mit einem Nenndruck von bis zu 50 psi finden Sie unter ASTM C361-16: „Standard Specification for Reinforced Concrete Low-Head Pressure Pipe“. Die C-300-Rohrspezifikation von AWWA sollte für zylinderummantelte Mikrotunnel-Betonrohre für Druckstufen zwischen 50 und 150 psi verwendet werden.

ASCE hat außerdem das Buch „Standard Construction Guidelines for Microtunneling“ veröffentlicht, das die Planung, das Design, die Rohrmaterialien und den Bau des Mikrotunnelbaus behandelt (CI/ASCE 36-15).

Durch die Auswahl richtig konzipierter Rohre für die jeweilige Aufgabe können Eigentümer erfolgreiche Projekte verwirklichen, die den Anforderungen der Öffentlichkeit für kommende Generationen gerecht werden.

Robert Ward, Mitbegründer von Ward und Burke, war die Quelle dieses Artikels im Namen der North American Microtunneling Association (NAMA). NAMA und ihre Mitglieder unterstützen den Inhalt dieses Artikels.