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Vereisung
Eiszeit unter Tage
Querschlag zwischen Tunnel und Haltestellenbauwerk.
U-Bahn-Bau im Grundwasser

Die künftigen Haltestellen der Nord-Süd Stadtbahn liegen im größten Teil des Streckenbereichs unterhalb des Grundwasserspiegels. Um dennoch bauen zu können, wurden zunächst Baugrubenumschließungen aus sogenannten Schlitzwänden errichtet. Diese reichen rund 45 Meter tief bis in die wasserundurchlässigeren Schichten des Tertiärs. Auf diese Weise wird das Grundwasser nahezu gänzlich aus dem Baubereich herausgehalten. Im Schutz der Schlitzwände kann das Erdreich bis auf das benötigte Niveau ausgeschachtet und die spätere Station gebaut werden. Das wenige Wasser, das dennoch in den Arbeitsbereich eindringt, wird abgepumpt und über Rohrleitungen in den Rhein geleitet.

Auch die Tunnel selbst liegen im Grundwasser. Sie werden durch „Hydro-Mix-Schild“ in einem modernen Vortriebsverfahren aufgefahren. Während das Schneidrad das Erdreich abträgt, wird in der Tunnelbohrmaschine die Tunnelröhre gebaut und zugleich gegen das Eindringen von Wasser abgedichtet. Der Tunnel bleibt von vornherein gänzlich trocken.

Vier der insgesamt acht Haltestellen der Nord-Süd Stadtbahn entstehen in ähnlicher Weise: Die Tunnelröhren führen seitlich rechts und links an den Schlitzwandbaugruben vorbei. Die Röhren, in denen die Gleise der neuen Stadtbahnverbindung untergebracht werden, müssen mit der späteren Haltestelle, die innerhalb der Schlitzwände entsteht, verbunden werden. Dazu müssen Schlitzwände und Tunnelröhren an den entsprechenden Stellen aufgebrochen werden. Auch hierbei muss jedoch das Grundwasser aus dem Baubereich herausgehalten werden. Dies kann mit unterschiedlichen Methoden erreicht werden.

Bei der Nord-Süd Stadtbahn hat man sich bei drei Stationen für das Vereisungsverfahren entschieden. Dabei werden Grundwasser und Erdreich ober- und unterhalb des aufzubrechenden Bereichs eingefroren. Das gefrorene Wasser verfestigt die anstehenden Sande und Kiese. Im Schutz dieses „Eispanzers“ kann das Erdreich ausgehoben werden. Zeitgleich wird eine wasserdichte Betonkonstruktion hergestellt. Ist diese ausgehärtet und stabil genug, kann die Vereisung aufgehoben werden.

Vereisung mit Sole

An den zukünftigen Haltestellen Rathaus, Kartäuserhof und Severinstraße wird als Kälteträger für die Vereisung Sole genutzt. Sole ist ein Gemisch aus Salz (Calcium-Chlorid) und Wasser. Bei einem Gewichtsanteil des Salzes innerhalb der Flüssigkeit von 30 Prozent kann der Gefrierpunkt auf minus 50 Grad abgesenkt werden. Für den Betrieb des verwendeten Vereisungssystems ist eine Betriebstemperatur bis minus 35 Grad möglich.

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Kältemaschine für die Station Kartäuserhof.
Die Kältemaschine

Die Sole wird in einer Kältemaschine unter Einsatz von Ammoniak auf minus 35 Grad Celsius heruntergekühlt. Dabei nutzt die Kältemaschine den physikalischen Effekt der sogenannten Verdämpfungswärme. Dies ist die Wärme, die benötigt wird, um eine Flüssigkeit in einen gasförmigen Zustand zu bringen, sie also zu verdampfen.

Das gasförmige Ammoniak, das sich in einem geschlossenen Kreislauf bewegt, wird nacheinander in unterschiedliche Aggregatzustände versetzt. Es wird zunächst in einem Kompressor „verdichtet“. Dies funktioniert ähnlich wie die Verdichtung von Luft in einer Luftpumpe, wenn die Düse, der „Ausgang“, zugehalten wird. Das unter Druck stehende Gas wird in einem Kondensator vom gasförmigen in einen flüssigen Zustand überführt. Die bei dieser Aggregatzustandsänderung frei werdende Wärmeenergie wird in einem Platten-Wärmetauscher vom vorbeigeleiteten Grundwasser aus der Restwasserhaltung der Baugrube aufgenommen.

Anschließend wird das flüssige Ammoniak in einem „Druckentlastungskessel“ in zwei Stufen verdampft. Diese - auch Entspannung genannte - Aggregatzustandsänderung von flüssig nach gasförmig hat einen hohen Wärmeenergiebedarf. Diese Wärmeenergie wird der Sole entzogen. Hierfür wird im nachgeschalteten zweiten Wärmetauscher das „entspannte“ Ammoniak unter Aufnahme von Wärme an der Sole vorbeigeführt.

Nach Einleiten der gekühlten Sole ins Erdreich und dortiger Aufnahme der Umgebungswärme, durch die letztlich die Vereisung bewirkt wird, beginnt der Kreislauf von vorn. Auf diese Weise kann die Sole immer wieder mit der gleichen konstant niedrigen Temperatur auf den Weg gebracht werden.

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In die Schlitzwand eingebrachte Gefrierrohre.
Gefrierrohre führen ins Erdreich
Beispiel: Haltestelle Kartäuserhof


Von der Kältemaschine aus wird die Sole über ein Rohrleitungsnetz in die Baugrube hinein- und wieder herausgebracht. Im Baustellenbereich verästelt sich das Leitungssystem nahe den Baugrubenwänden. Die Sole wird weitergeleitet in „Gefrierrohre“. Diese wurden parallel zum Erdaushub innerhalb der Baugrube durch die 80 Zentimeter dicke Schlitzwand bis hin zum äußeren Bereich der Tunnelröhre gebohrt oder gerammt. Dabei musste gegen den bis zu 1,5 bar hohen Wasserdruck gearbeitet werden, der im umgebenden Erdreich herrscht.

Die eiskalte Sole läuft bis an das vordere Ende der Gefrierrohre an der Tunnelaußenseite und von hier aus wieder durch das Rohrleitungsnetz zurück bis zur Kältemaschine. Auf dem Hinweg bis zur Tunnelröhre beträgt die Temperatur der Sole im Gefrierrohr bis zu minus 35 Grad Celsius, beim Rücklauf hat sie sich auf bis zu minus 30 Grad „erwärmt“.

Die Kälte der Sole wird im Bereich zwischen Schlitzwand und Tunnelröhre an das umgebende Grundwasser und Erdreich abgegeben. Dadurch entsteht nach und nach in einem Radius von etwa 60 Zentimetern um die Gefrierrohre herum eine kompakte Eismasse. Sie darf keine Lücken aufweisen und muss, um genügend Tragkraft und Stabilität aufzubieten, gleichzeitig eine flächendeckende Längsausdehnung von mindestens 1,50 Meter erreichen. Um dies zu gewährleisten, wurden pro „Querschlag“ zwischen Baugrube und Tunnel je 95 Gefrierrohre auf einer Gesamtlänge von 507 Metern eingesetzt. Am Kartäuserhof werden insgesamt sechs Querschläge gebaut.

Die Gefrierrohre befinden sich im Abstand von etwa 120 Zentimetern in zwei Lagen übereinander. Um sicherzustellen, dass die Temperatur an jedem Gefrierrohr gleich ist, wurden Temperaturfühler in kleine Bohrungen eingelassen. Jeder Temperaturwert wird in regelmäßigen Abständen automatisch erfasst. Auf Schwankungen kann so jederzeit reagiert werden. Unregelmäßigkeiten können zum Beispiel durch Luft in den Leitungen entstehen. Diese müssten dann, ähnlich wie die heimische Heizung, entlüftet werden.

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Vorbereitung der Vereisung am Rathaus.
Vereisung an den Haltestellen
Rathaus und Severinstraße


Die Vereisungen im Bereich der Haltestelle Rathaus funktioniert ähnlich wie die Vereisungen am Kartäuserhof. Dabei werden fünf Querschläge gebaut. Pro Querschlag werden hier 99 Gefrierrohre auf einer Gesamtlänge von 492 Metern eingesetzt.

An der Severinstraße wird die Haltestelle aus zwei getrennten Baugruben am nördlichen und am südlichen Ende der Haltestelle errichtet, die unterhalb des Perlengrabens miteinander verbunden werden müssen. Dazu werden aus der Nordbaugrube heraus zunächst mittig oberhalb und unterhalb der Tunnelröhren für die spätere Stadtbahn kleinere Stollen mit einem Durchmesser von circa drei Metern von einer Tunnelbohrmaschine aufgefahren. Aus diesen Röhren heraus werden nach der beschriebenen Methode „Vereisungsschirme“ erstellt, so dass die Erde zwischen den beiden Baugruben ausgehoben werden kann, um Platz für die spätere Bahnsteigebene mit insgesamt sechs Querschlägen zu schaffen.

Eine andere und weniger aufwendige Verfahrensweise zur Herstellung der neuen unterirdischen Haltestelle Severinstraße der Nord-Süd Stadtbahn wäre nicht möglich gewesen, da der in Ost-West-Richtung verlaufende Individual- und der Stadtbahnverkehr über den Perlengraben als eine extrem frequentierte Hauptverkehrsader der Stadt nicht unterbrochen werden konnte.

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Microtunnel unter der Bechergasse.
Eisiger Sonderfall
in der Bechergasse


Zwischen Kurt-Hackenberg-Platz und der zukünftigen Haltestelle Rathaus entsteht ein sogenanntes Verflechtungsbauwerk, das Platz für vier Gleise und die benötigten Weichenverbindungen bietet. Bahnen können von hier aus auf den Schienen der Nord-Süd Stadtbahn sowohl den Breslauer Platz als – über einen nach Westen führenden Abzweig – auch die Haltestelle Dom/ Hauptbahnhof anfahren.

Um den entsprechenden Bereich unterirdisch ausschachten und ausbauen zu können, werden aus der Baugrube unterhalb der Bechergasse heraus Vereisungslanzen oberhalb der Tunnelröhren in den Boden gebracht. Die Vereisung unterhalb der Tunnelröhren erfolgt aus insgesamt neun Mini-Tunneln mit einem Durchmesser von je 80 Zentimetern. Diese führen vom Kurt-Hackenberg-Platz bis einige Meter vor den Haltestellenbereich Rathaus. In jeden dieser Tunnel werden auf der gesamten Länge je vier Gefrierrohre eingebaut, über welche die Vereisung durchgeführt wird.

Verwendete Materialien für die beim Bau der
Nord-Süd Stadtbahn durchgeführten Vereisungen:


1.900 Gefrierrohre mit einer Gesamtlänge von
12.500 Bohrmetern
3.000 Meter Rohrleitungen
5.700 flexible Schlauchleitungen
3.300 Gefrierrohre als Kühlschleifen in Mikrotunnel
5 Kältemaschinen mit einer Kälteleistung
von insgesamt 2.000 Kilowatt (kW)
150 Kubikmeter Sole


Kühlschranke: Kältemaschinen
für den Hausgebrauch…


Kältemaschinen arbeiten im Prinzip nicht anders als ein Kühlschrank. Auch in diesem wird nicht Kälte erzeugt, sondern Wärme entzogen: Ein Thermostat prüft, ob es im Kühlschrank kühl genug ist. Wenn nicht, wird der Kühlkreislauf für einige Minuten in Gang gesetzt und der Kühlschrank „brummt“.

Für den Kreislauf ist ein Kühlmittel nötig, eine Flüssigkeit, die schon bei Minusgraden verdampft. Dieses Kühlmittel befindet sich in einem kleinen Rohrleitungssystem, das meistens an der inneren und äußeren Rückseite des Kühlschranks verläuft. Im Bereich an der Außenseite ist das Kühlmittel flüssig, da es hier unter Druck steht. Der Druck beträgt 1 bar, das ist in etwa der Druck, der in zehn Metern Wassertiefe herrscht. Wird der Kühlkreislauf in Gang gesetzt, gelangt das Kältemittel durch den „Verdampfer“ in den Bereich der Leitungen, der im Inneren des Kühlschranks verläuft. Werden Flüssigkeiten verdampft, entsteht Gas. Für diesen Prozess wird Wärme benötigt, die dem Kühlschrankinneren entzogen wird. Auf diese Weise werden die Lebensmittel darin kühl gehalten.

Durch eine Pumpe wird das Gas wieder aus dem im Kühlschrank liegenden Bereich des Rohrleitungssystems hinausgesaugt. Dabei verdichtet die Pumpe das Gas, das heißt, es wird wieder unter Druck gesetzt und verflüssigt. Hierbei entsteht Wärme, die durch das außen liegende Rohrleitungssystem an die Luft abgegeben wird. Der Kreislauf kann nun von vorne beginnen.

Schon vor über 100 Jahren
wurde Erdreich vereist…


Dass man Boden stabilisieren kann, indem man ihn vereist, ist schon seit Mitte des 19. Jahrhunderts bekannt. Bereits 1862 wurde in einem Bergwerk in Südwales eine künstliche Bodenvereisung hergestellt. 1883 meldete der deutsche Bauingenieur Hermann Poetsch das Patent auf das Verfahren an, das in modifizierter Weise auch heute beim Bau der Nord-Süd-Stadtbahn Köln angewandt wird: In vertikale Bohrlöcher werden doppelwandige Rohre eingebracht. In den inneren Bereich des Rohres wird ein Kälteträger geleitet, der über den äußeren Bereich zurück fließt und dabei das im Boden befindliche Wasser gefriert.

Intensive Grundlagenforschungen für den sicheren Einsatz des Verfahrens wurden in den 70er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts betrieben. So wurde Bodenvereisung zu einem verlässlichen und umweltfreundlichen Verfahren insbesondere für vorübergehende Stützbauwerke im Tiefbau.

Auch die Grundlage der heute noch für Bodenvereisungen im Tiefbau verwandten Kältemaschine stammt aus den 1870er Jahren. Der deutsche Industrielle Carl von Linde veröffentlichte 1871 einen Aufsatz zu Kältetechnikverfahren, für die sich besonders die deutschen Bierbrauer interessierten. Sie suchten nach einer Möglichkeit, ihr Bier länger frisch und kühl zu halten. So war es die Münchener Spaten-Brauerei, die von Linde die Möglichkeit bot, seine Entdeckung auszuprobieren. Schon 1876 arbeiteten seine Kühlmaschinen mit Ammoniak als Kältemittel, wie es heute beim Bau der Nord-Süd Stadtbahn Köln eingesetzt wird. Auch Kühlschränke, die Kühlmaschinen für den Hausgebrauch, gehen auf von Lindes Verfahren zurück. Bereits 1926 ging der erste Kühlschrank bei General Electric in Serie.

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