Eis als Baustoff: Geotechnik-Labor unter dem Rathaus

Unter dem Münchner Marienplatz rumort es: Der U-Bahnhof wird erweitert, um 2006 die Fahrgäste reibungsloser zum neuen Fußballstadion in Fröttmaning zu bringen. Mit beteiligt sind Wissenschaftler vom Lehrstuhl und Prüfamt für Grundbau, Bodenmechanik und Felsmechanik der TU München, dem Zentrum Geotechnik (Prof. Norbert Vogt). Sie nutzen die Tunnelbaustelle als Geotechnik-Labor: In rund 15 Metern Tiefe beobachten sie das Verformungsverhalten von gefrorenem Boden – ein Forschungsprojekt, das in dieser Form in Deutschland zum ersten Mal durchgeführt wird.

Unter dem Neuen Rathaus entstehen zwei Begleittunnel, die parallel zu den bestehenden U-Bahnröhren verlaufen. Zum Bau dieser Tunnel wird der Boden vereist, um ihm mehr Festigkeit zu verleihen. Die dafür notwendigen Vereisungslanzen wurden von Pilotstollen aus gebohrt, die vorab seitlich versetzt über den Begleittunneln angelegt worden waren. Die Vereisung lässt das im Boden enthaltene Porenwasser gefrieren, was dem Boden in etwa die Festigkeit von Magerbeton verleiht und ihn wasserdicht macht.

Um die Standsicherheit der vereisten Bodenkörper ermitteln zu können, werden die Festigkeitseigenschaften des gefrorenen Bodens untersucht. Wendet man die Bodenvereisung unter setzungsempfindlichen Bauwerken an, muss das Maß von Frosthebungen begrenzt werden. Sie können im schlimmsten Fall zu beträchtlichen Schäden führen. Die Prognose solcher Hebungen infolge von Bodenvereisungsmaßnahmen ist zentrales Ziel eines aktuellen Forschungsvorhabens am Zentrum Geotechnik der TU München.

Frosthebungen lassen sich im Wesentlichen auf zwei Mechanismen zurückführen. Soweit nicht widerstandsfrei erreichbare freie Porenräume (Kies) vorhanden sind, kommt es zunächst durch die etwa neunprozentige Volumenzunahme beim Übergang von Wasser zu Eis zu homogenen Frosthebungen. Ihr Maß ist proportional zur Dicke der gefrorenen Schicht. Zusätzlich bilden sich insbesondere bei feinkörnigem Böden an der Grenze von gefrorenem zu ungefrorenem Boden aus reinen Eiskristallen wachsende Körper, sogenannte ?Eislinsen“. Bei gleich bleibender Temperatur führen sie ebenfalls allmählich Hebungen herbei.

Um die verschiedenen Hebungsanteile getrennt erfassen zu können, entwickelten die TUM-Wissenschaftler einen Laborversuch, bei dem wesentliche Randbedingungen simuliert werden – etwa das Vorhandensein von drainierten Verhältnissen oder die vor Ort auf den Vereisungskörper wirkende Auflast. In einer Zwei-Kammer-Technik wird eine Bodenprobe eindimensional von oben gefroren, sie kann jedoch gleichzeitig über die Unterseite Wasser aufnehmen. Die im Labor ermittelten Hebungsbeträge und -geschwindigkeiten dienen als Eingangsgröße in Finite-Element-Berechnungen, mit denen die Auswirkungen der Frosthebungen bis zur Geländeoberfläche simuliert werden.

In der Tunnelbaustelle unter dem Münchner Rathaus wurde schließlich das tatsächliche Verformungsverhalten direkt vor Ort mit einem Schlauchwaagen-Messsystem erfasst, das nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren Setzungsdifferenzen bis zu 1/100 mm an ausgewählten Messpunkten misst. Zusätzlich erfolgten indirekte Messungen mit Dehnmessstreifen an den Bewehrungsstählen der Tunnelschale. Bislang haben die Messungen die prognostizierten Frosthebungen bestätigt. Den TUM-Forschern ist damit ein wichtiger Schritt bei der Erforschung des gekoppelten Wärme- und Massentransports im Boden gelungen: In Zukunft können sich Hebungen im Vorfeld besser abschätzen lassen.

Kontakt:

Dipl.-Ing. Christian Kellner
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