Längsläufigkeit von Wasser bei Schlauchleitungen durch Tunnelinnenschalen

Bei der Herstellung von Tunnelinnenschalen kommen zur Aufnahme der Beanspruchung durch Wasserdruck sowohl Konstruktionen aus wasserundurchlässigem Beton als auch Abdichtungen mit Kunststoffdichtungsbahnen zum Einsatz. Beide Abdichtungsmöglichkeiten haben gemein, dass entlang eines Tunnelblocks Schlauchleitungen durch die Tunnelschale geführt werden. Der Artikel in tunnel 3/22 geht der Fragestellung nach, inwieweit konstruktionsbedingte Umläufigkeiten des Wassers entlang der Längsrichtung der Schlauchleitungen möglich sind.

1 | Anordnungen von Schlauchleitungen im Bereich der Tunnelinnenschale
Credit/Quelle: FH Münster, IuB
1 | Anordnungen von Schlauchleitungen im Bereich der Tunnelinnenschale
Credit/Quelle: FH Münster, IuB
 

1 Einleitung

Bei Tunnelinnenschalen aus wasserundurchlässigem Beton erfolgt im Regelfall eine Einbindung von innenliegenden Fugenbändern am Übergang zu den Nachbarblöcken. Diese Fugenbänder sind für eine spätere Ertüchtigung mit Injektionsschläuchen als Nachdichtungsmöglichkeit versehen, welche an einigen Stellen durch die Innenschale geführt werden.

Bei Tunnelinnenschalen mit Kunststoffdichtungsbahnen werden für eine gezielte spätere Nachinjektion im Schadensfall Schlauchleitungen von der Abdichtung durch die Tunnelinnenschale geführt. Weiterhin sehen die ZTV-ING [1] vor, dass zwischen der Innenschale und der Abdichtung gezielt Prüf- und Injektionseinrichtungen vorgesehen werden. Bild 1 zeigt die Anordnung von Schlauchleitungen an unterschiedlichen Stellen im Bereich der Tunnelinnenschale.

Somit werden in beiden Fällen Schlauchleitungen systematisch und regelmäßig zur Tunnelinnenlaibung geführt, die im Kontakt mit dem anfallenden Wasser stehen können. Eindeutige technische Vorgaben, wie diese Schlauchsysteme im Detail auszubilden sind, liegen derzeit nicht vor.

2 | Undichtigkeiten an Injektionsschläuchen
Credit/Quelle: FH Münster, IuB

2 | Undichtigkeiten an Injektionsschläuchen
Credit/Quelle: FH Münster, IuB

Bild 2 zeigt einen Wasseraustritt an Injektionsschläuchen, welche in der Innenschale an innenliegenden Fugenbändern angeordnet wurden. Derartige Erscheinungsbilder finden sich auch bei den Schlauchdurchführungen an der Innenseite von Tunneln, die mit Kunststoffdichtungsbahnen abgedichtet werden.  Durch solche Leckagen kann die geforderte Dichtigkeitsklasse nach den ZTV-ING Teil 5, Abschnitt 5, Kapitel 2.2 [1] und der Ril 853, Modul 853.4101 [2] nicht gewährleistet werden. Daher müssen in diesen Bereichen oftmals
Sanierungsmaßnahmen eingeleitet werden. Zudem führen derartige Undichtigkeiten auf den Baustellen regelmäßig zu Diskussionen über die Ursache und die Verantwortlichkeit der Mängelbeseitigung.

Des Weiteren liegen Erfahrungen vor, dass Wasserzutritte auch zu beobachten waren, während der anhand von Pegelmessungen bestimmte Grundwasserspiegel noch unter der Tunnelsohle lag. Dies scheint ein Widerspruch zu sein. Da jedoch für die vollständige Hydratation des Betons nur ein rechnerischer Wasserzementwert zwischen 0,23 und 0,40 notwendig ist und aufgrund der besseren Verarbeitbarkeit in der Regel höhere w/z-Werte verwendet werden [3], ist es möglich, dass entweder überschüssiges Restwasser in der Schale verbleibt oder Wasser bei der Gewölbebetonage durch Sedimentationserscheinungen aufsteigt und sich an der Außenseite der Innenschale ansammelt.

Am Institut für unterirdisches Bauen (IuB) der FH Münster wurde deshalb im Rahmen von diversen Untersuchungen der Fragestellung nachgegangen, inwieweit konstruktionsbedingte
Umläufigkeiten des Wassers entlang der Längsrichtung der Schlauchleitungen (nachfolgend „Längsläufigkeit“ genannt) möglich sind. Dabei lag der Fokus auf den Untersuchungen zum Einfluss der Geometrie, zum Material verschiedener Schlaucharten sowie zu den Schwindreaktionen des Betons.

2 Versuchsaufbau
2.1 Untersuchungsumfang

Für die Untersuchungen wurden insgesamt sieben verschiedene Schläuche gewählt, welche sich in Oberflächenbeschaffenheit, Material und Durchmesser unterschieden, aber derzeit alle bei der Herstellung von Tunnelinnenschalen eingesetzt werden. Zur Nachbildung einer Tunnelinnenschale wurden die Schläuche in 40 cm dicken Probe­körpern einbetoniert. Hierfür wurden zudem zwei verschiedene Betonrezepturen mit unterschiedlichem Schwindverhalten verwendet. Nach einer Verfüllung der Schläuche mit Polyurethanharz oder einer Zementsuspension wurde die Längsläufigkeit der Schläuche in Anlehnung an die DIN EN 12390-8 [4] geprüft (Bild 3).

3 | Darstellung des Versuchsaufbaus (real und schematisch)
Credit/Quelle: FH Münster, IuB

3 | Darstellung des Versuchsaufbaus (real und schematisch)
Credit/Quelle: FH Münster, IuB

Der Prüfdruck wurde mit 5 bar festgelegt, da druckwasserhaltende Tunnel mit solchen Wasserdruckbeanspruchungen bereits ausgeführt worden sind und im Falle von Fehlstellen, Undichtigkeiten etc. derartige Beanspruchungen vorlägen.

2.2 Verwendete Materialien
2.2.1 Schlauchleitungen

Die verwendeten Schläuche können in vier verschiedene Arten eingeordnet werden:

4 | PVC-Gewebeschläuche
Credit/Quelle: FH Münster, IuB

4 | PVC-Gewebeschläuche
Credit/Quelle: FH Münster, IuB
1. Der erste Schlauchtyp ist ein (Weich-)PVC-Gewebeschlauch (Bild 4) mit einer glatten Oberfläche ohne Rillen oder Profilierung. In den Versuchen wurden drei verschiedene Größen (Außendurchmesser 12, 20 und 26 mm) verwendet. Diese Schläuche werden im Allgemeinen sowohl als Prüf- und Injektionssysteme als auch als Zuleitung für Verpressschläuche im Bereich der Fugenbänder eingesetzt.

 

5 | Kabelschutzrohre
Credit/Quelle: FH Münster, IuB

5 | Kabelschutzrohre
Credit/Quelle: FH Münster, IuB

2. In Bild 5 sind Flexrohre aus PVC zu sehen, die häufig als Kabelschutzrohre bzw. Leerrohre verwendet werden. Hier wurden Schläuche mit Außendurchmessern von 20 mm (schwarz) und 25 mm (grau) untersucht. Die Höhe der Rippen beträgt bei dem größeren Schlauch ca. 3 und beim kleineren Schlauch etwa 2,5 mm; der lichte Abstand dazwischen beträgt bei beiden etwa 1 mm. Die innere Oberfläche bildet jeweils das Negativ zur Außenseite.

 

6 | Spiralschlauch
Credit/Quelle: FH Münster, IuB

6 | Spiralschlauch
Credit/Quelle: FH Münster, IuB

3. Ein weiterer verwendeter Schlauchtyp besteht aus plastifiziertem PVC mit einer Verstärkungsspirale (Bild 6). Dieser Schlauch ist innen glatt und außen gewellt, und der Außendurchmesser beträgt 26,5 mm. Die 2 mm breite Verstärkung ist im Abstand von ca. 7,5 mm spiralförmig angebracht, und die Rippenhöhe beträgt 3 mm.

 

7 | Injektionsschlauch
Credit/Quelle: FH Münster, IuB

7 | Injektionsschlauch
Credit/Quelle: FH Münster, IuB

4. Der vierte Schlauchtyp ist ein Injektionsschlauch (Bild 7), welcher in der Regel zur Abdichtung von Arbeitsfugen zwischen zwei Betonierabschnitten verwendet wird. Dieser Schlauch ist in Längsrichtung mit vier Schlitzreihen versehen, durch welche bei einem Verpressvorgang das Injektionsgut austritt. Der Außendurchmesser des Schlauches beträgt 13 mm.

2.2.2 Beton

Für die Versuche wurden zwei verschiedene Betonrezepturen erstellt, die sich in den Parametern Wassereindringwiderstand, Festigkeit und Schwindverhalten deutlich unterschieden. Die in Tabelle 1 angegebene Festigkeitsklasse wurde nach DIN EN 206-1 [5] bestimmt; die Wassereindringtiefe stellt die mittlere maximale Wassereindringtiefe des Betons (ermittelt nach DIN EN 12390-8 [4]) dar. Für die Versuche wurde ein Portlandzement CEM I 52,5 N und die Sieblinie A/B verwendet.

Tabelle 1 | Eigenschaften der Betonrezepturen

Tabelle 1 | Eigenschaften der Betonrezepturen

Hierbei wurde die erste Betonrezeptur als wasserundurchlässiger Beton entworfen [6], bei welchem jedoch aufgrund des hohen Zementleimgehaltes ein starkes chemisches und autogenes Schwinden zu erwarten war. Dieses Grundschwinden sollte bei der zweiten Betonrezeptur verringert werden, weshalb der w/z-Wert auf 0,80 erhöht und somit der
Zementleimgehalt um ca. ein Drittel verringert wurde. Dieser Wasserzementwert erhöht zwangsläufig der Anteil des kapillaren Schwindens (Frühschwinden), welches jedoch keinen Einfluss auf die Längsläufigkeit der Schlauchleitungen aufweisen sollte. Bei der ersten Betonrezeptur wurde zusätzlich ein Fließmittel zugegeben, da der Beton ansonsten aufgrund des niedrigen w/z-Wertes nicht ausreichend verarbeitbar war.

2.3 Versuchsablauf

Mit den beschriebenen Schläuchen wurden je Betonrezeptur drei Probekörper mit den Abmessungen 45 x 12,5 x 12,5 cm erstellt. Die Probekörper wurden nach 24 Stunden ausgeschalt und anschließend weitere 27 Tage im Wasserbad gelagert. Nach der Wasserlagerung wurden die Probekörper einseitig auf die Länge von 40 cm zurechtgesägt, wodurch bei allen Probekörpern eine vergleichbare Prüffläche gewährleistet werden konnte. Danach wurden die Schläuche entweder mit Zementleim oder mit Polyurethanharz verfüllt. Hierzu wurde die Schnittfläche mit Klebeband abgedichtet und das Injektionsgut anschließend in aufrechtstehende Probekörper gefüllt.

Nach weiteren 24 Stunden wurden die Proben in einen Prüfstand (vgl. Bild 3) eingebaut und anschließend in Anlehnung an DIN EN 12390-8 [4] für 72 ± 2 h mit 5 bar Wasserdruck beaufschlagt. Falls die Prüfkörper während dieser dreitägigen Versuchsdauer keine Undichtigkeiten aufwiesen, wurden diese anschließend für die Messung der Wassereindringtiefe in den Beton gespalten.

3 Untersuchungsergebnisse

In den Versuchen zeigte sich, dass alle glatten Schläuche (sowohl PVC-Gewebeschläuche als auch Injektionsschlauch) unmittelbar nach dem Aufbringen des Wasserdruckes und noch vor dem Erreichen des Prüfdruckes von 5 bar Längsläufigkeiten aufwiesen, welche sich durch den Wasseraustritt an der wasserabgewandten Seite äußerten. Einige PVC-Gewebeschläuche wurden durch den Wasserdruck sogar teilweise an der Unterseite des Probekörpers aus dem Beton herausgedrückt, sodass an der Oberseite des Probekörpers ein zylindrischer Hohlkörper entstand (Bild 8, rechts).

8 | Wassereindringtiefe in den Beton und durch Wasserdruck
verschobener Schlauch
Credit/Quelle: FH Münster, IuB

8 | Wassereindringtiefe in den Beton und durch Wasserdruck
verschobener Schlauch
Credit/Quelle: FH Münster, IuB

Im Gegensatz dazu wiesen die Kabelschutzrohre keine Undichtigkeiten auf. Nach dem Spalten der Probekörper zeigte sich, dass die Wassereindringtiefe bei der ersten Betonrezeptur an dem dickeren Kabelschutzrohr nicht über die in den Referenzversuchen ermittelte Wassereindringtiefe des Betons hinausging (vgl. Tabelle 1). Das Kabelschutzrohr mit dem geringeren Durchmesser wies mit Werten von durchschnittlich 2,5 cm eine ungefähr doppelt so hohe Wassereindringtiefe auf. Zudem zeigte die Spaltung der Probekörper, dass der Beton bei beiden Rezepturen die feinen Zwischenräume des Schlauchs ausfüllte und somit einen dichten Verbund mit dem gewellten Schlauch einging (Bild 9).

9 | Wassereindringtiefe an der Oberseite bei gewelltem Schlauch
Credit/Quelle: FH Münster, IuB

9 | Wassereindringtiefe an der Oberseite bei gewelltem Schlauch
Credit/Quelle: FH Münster, IuB

Von den Spiralschläuchen war bei zwei von sechs Probekörpern eine Längsläufigkeit noch während der dreitägigen Versuchsdauer feststellbar. Nach dem Spalten der vorerst dichten Prüfkörper zeigte sich, dass die Wassereindringtiefe entlang des Schlauches bei der ersten Betonrezeptur etwa 27 cm betrug (Bild 10). Vergleichbare Ergebnisse zeigten sich auch bei der zweiten Betonrezeptur, sodass alle während der Versuchsdauer dichten Probekörper ausgesprochen hohe Wassereindringtiefen aufwiesen.

10 | Wassereindringtiefe bei Spiralschlauch
Credit/Quelle: FH Münster, IuB

10 | Wassereindringtiefe bei Spiralschlauch
Credit/Quelle: FH Münster, IuB

Die Ergebnisse der Untersuchungen sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Die in Tabelle 2 gelb gekennzeichnete Undichtigkeit der Injektionsmaterialien innerhalb des Schlauches trat nur bei der Verwendung von Polyurethanharz auf. Dies könnte möglicherweise darauf zurückgeführt werden, dass sich beim Befüllen der Probekörper an der Innenwand des Rohres noch Wasserreste vom Sägen befanden, welche mit dem Polyurethanharz zu Harnstoff bzw. Polyharnstoff unter der Abspaltung von CO2 reagierten. Im ausreagierten Zustand würde somit durch die gebildeten Poren die Dichtigkeit negativ beeinflusst [7]. Bei den glatten Schläuchen war die Längsläufigkeit an der Außenseite des Schlauches jedoch so stark ausgeprägt, dass diese vor dem Wasseraustritt im Inneren des Schlauches eintraf.

Tabelle 2 | Ergebnisübersicht

Tabelle 2 | Ergebnisübersicht

3.1 Auswertung

In den Untersuchungen zeigte sich, dass von den verwendeten Schlaucharten die Kabelschutzrohre bei den angesetzten Randbedingungen am besten für wasserundurchlässige Konstruktionen geeignet sind. Die Oberflächenstruktur, welche den Weg des Wassers verlängert, ist vergleichbar mit dem Labyrinthprinzip bei Fugenbändern [8] und sorgt für eine hohe Dichtigkeit gegenüber eindringendem Wasser. Die Versuche zeigten, dass der Beton bei beiden Betonrezepturen einen dichten Verbund mit dem gewellten Schlauch einging. Ein mögliches, durch das Schwinden des Betons induziertes Zurückziehen aus den einzelnen Rillen des Schlauchs konnte im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen nicht festgestellt werden.

Im Vergleich der zwei verwendeten Kabelschutzrohre zeigte sich, dass der Schlauch mit 20 mm Durchmesser eine im Schnitt 1,5 cm höhere Wassereindringtiefe aufwies. Dies könnte entweder auf einen geringeren Sickerwasserweg oder auf einen geringeren Ausfüllgrad der Rillen zurückzuführen sein. Da sich aber im Versuch zeigte, dass sich der Beton – unabhängig von der Betonrezeptur – ausreichend zwischen den Rillen ausbreiten konnte, ist vermutlich ersteres maßgebend. Nichtsdestotrotz ist bei beiden Schläuchen die Wassereindringtiefe nach drei Tagen so gering, dass diese Schlauchart voraussichtlich ohne das Auftreten von Leckagen eingesetzt werden kann. Zur Absicherung dieser Aussage sind allerdings Langzeituntersuchungen sowie weitere Versuchsvariationen notwendig.

Bei allen PVC-Gewebeschläuchen sowie dem Injektionsschlauch waren die Ergebnisse identisch. Hier wiesen alle Schläuche ausgeprägte Längsläufigkeiten auf, welche auf die glatte Schlauchoberfläche und den damit einhergehenden unzureichenden Verbund mit dem Beton zurückzuführen sind. Dies zeigte sich auch dadurch, dass einige Schläuche durch den aufgebrachten Wasserdruck aus den Probekörpern herausgedrückt wurden. Daher könnten in der Praxis bei der Verwendung dieser Schlauchtypen Undichtigkeiten auftreten.

Die Ergebnisse der Spiralschläuche waren hingegen diffus. Hier traten sowohl Längsläufigkeiten an der Außenseite des Schlauches durch den 40 cm dicken Betonprobekörper innerhalb des Prüfzeitraumes als auch Wassereindringtiefen von bis zu 27 cm nach drei Tagen auf. Durch die spiralförmigen Verstärkungen des Schlauches wurde das einwirkende Wasser an einer direkten Längsläufigkeit gehindert. Da das Wasser jedoch verhältnismäßig schnell entlang des Schlauches in die Probekörper eindringen konnte, kann auf Grundlage der Ergebnisse nur eine bedingte Empfehlung zur Nutzung von Spiralschläuchen für die Durchdringungen von Tunnelinnenschalen gegeben werden.

An dieser Stelle ist zu erwähnen, dass die Injektionsschläuche bei den Untersuchungen drucklos mit Injektionsmaterial befüllt wurden. So könnte durch den Anpressdruck an den Beton insbesondere bei weicheren Schläuchen, wie z. B. dem Spiralschlauch, eine mögliche Leckage verringert bzw. vermieden werden. Des Weiteren sollten die durchgeführten Untersuchungen die grundsätzliche Problematik aufzeigen; für fundierte Erkenntnisse sind eine deutlich größere Probenanzahl sowie variierende Versuchsdurchführungen erforderlich.

4 Zusammenfassung

In der Praxis konnten im Bereich der Schläuche diverse Feuchtstellen an den Laibungsflächen der Innenschale lokalisiert werden. Diese konstruktionsbedingte Möglichkeit einer Längsläufigkeit gegenüber der hydrostatischen Belastung trat ebenfalls in den durchgeführten Untersuchungen auf. Dabei zeigte sich, dass sich die Art des Schlauches maßgeblich auf die Längsläufigkeit auswirkt.

Im Tunnelbau werden entlang eines Blockes vielfach Schlauchleitungen durch die Innenschale geführt, für welche in den technischen Regelwerken derzeit keine eindeutigen Vorgaben vorhanden sind. So konnte hier die grundsätzliche Problematik bei der Verwendung von ungeregelten und daher unterschiedlichen Schlauchsystemen aufgezeigt werden.

In den Untersuchungen zeigte sich, dass die Kabelschutzrohre aufgrund des Verbundes mit dem Beton einen hohen Widerstand gegenüber eindringendem Wasser aufweisen. Es ist jedoch fraglich, ob die Ausbreitung von (insbesondere zementbasierten) Injektionsmaterialien durch die ebenfalls gewellte Form der Innenseite möglicherweise beeinflusst wird.

Zudem wurden in ersten Untersuchungen an der FH Münster Modifikationen an Schläuchen mit Längsläufigkeiten vorgenommen, um die beschriebenen Undichtigkeiten zu beheben. Die ersten Tastversuche hierzu zeigten positive Ansätze. Aufgrund dieser noch ungeklärten Fragen und um fundierte Aussagen treffen zu können, sollte diese Thematik in weiteren Versuchen (u. a. Langzeituntersuchungen) ausführlicher analysiert werden.

References/Literatur
[1] Bundesanstalt für Straßenwesen: ZTV-ING – Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten. Fassung 01/2018.
[2] DB Netz AG: Richtlinie 853: Eisenbahntunnel planen, bauen und instand halten. Fassung 03/2011.
[3] Locher, F. W.: Zement: Grundlagen der Herstellung und Verwendung. Verlag Bau + Technik, Düsseldorf, 2000.
[4] DIN EN 12390-8: Prüfung von Festbeton – Teil 8: Wassereindringtiefe unter Druck. Beuth Verlag, Berlin, 2019-08.
[5] DIN EN 206: Beton - Festlegung, Eigenschaften, Herstellung und Konformität. Beuth Verlag, Berlin, 2021-06.
[6] Deutscher Ausschuss für Stahlbeton: Wasserundurchlässige Bauwerke aus Beton (WU-Richtlinie), Fassung 12/2017.
[7] STUVA (Hrsg.): Abdichten von Bauwerken durch Injektion (ABI-Merkblatt). 3. Auflage. Fraunhofer IRB-Verlag, Stuttgart, 2014.
[8] Hohmann, R.: Fugenabdichtung bei wasserundurchlässigen Bauwerken aus Beton. 2. Auflage. Fraunhofer IRB-Verlag, Stuttgart, 2009.
Acknowledgement/Danksagung
The authors would like to thank Marc Meissner from Naue Sealing GmbH & Co. KG for providing several hose systems.
 
Die Verfasser bedanken sich bei Marc Meissner von der Naue Sealing GmbH & Co. KG für die Bereitstellung einiger Schlauchsysteme.
x

Thematisch passende Artikel:

Ausgabe 2013-03 Injektion

Innovativer Injektionsschlauch schützt den Nordhavnsvej-Tunnel vor dem Wasserdruck der Ostsee

Der vierspurige Nordhavnsvej-Tunnel ist eines der derzeit größten Bauvorhaben in Kopenhagen und gehört zum Großprojekt Nordhavnsvej-  Vej- og Tunnelentreprise. Er unterquert auf 1,65 km Länge...

mehr
Ausgabe 2012-07 Deutschland

Neuer Bebenrothtunnel: Ortbetoninnenschale mit besonderem Zement

Unmittelbar neben dem alten 935 m langen, zweigleisigen Bebenrothtunnel (1872/75) bei Witzenhausen zwischen den Bahnhöfen Oberrieden und Eichenberg auf der Bahnstrecke...

mehr
Advertorial

A.S.T. Bochum GmbH

Armaturen, Schlauch- und Tunneltechnik – A.S.T. Bochum ist Ihr kompetenter Partner und Lieferant im Tunnelbau. Unser Sortiment umfasst Schlauch- und Rohrleitungen sowie Fittings und Zubehör für die...

mehr
Ausgabe 2015-02

Abdichtungssysteme mit Kunststoffdichtungsbahnen

1 Das Abdichtungssystem Die Abdichtungskonstruktion übernimmt drei wichtige Funktionen im Tunnel: Sie trennt die spätere Tragkonstruktion von der  Vortriebs- sicherung, um Zwängungsspannungen zu...

mehr
Ausgabe 2021-05

A.S.T. Bochum GmbH

Partner der Bauindustrie: Tunnelbau, Micro-Vortrieb, Spezialtiefbau, Bodengefrierung und weitere ... Versorger der Industrie: Maschinentechnik, Agrartechnik, Kommunaltechnik ...Armaturen, Schläuche,...

mehr