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Wasserhaltung
Die blauen Rohre von Köln:
U-Bahn-Bau im Grundwasser
Die neue Kölner U-Bahn-Verbindung zwischen Breslauer Platz und Marktstraße hat sieben unterirdische Haltestellen. Sie alle entstehen unterhalb des Grundwasserspiegels. Damit die für den Bau benötigten Gruben nicht voll Wasser laufen, sind verschiedene Maßnahmen nötig. Um sie soll es in dieser Broschüre gehen.

Das tiefste unterirdische Bauwerk ist der „Gleiswechsel Waidmarkt“, der sich zwischen den Haltestellen Heumarkt und Severinstraße befindet. Hier wird es möglich sein, Bahnen bei Bedarf von der Ost- in die Weströhre fahren zu lassen oder umgekehrt. Die Sohle der Baugrube liegt 28,50 Meter unter der Straßenoberfläche und somit knapp 20 Meter tiefer als der mittlere Grundwasserspiegel. Die tiefstgelegene Haltestelle ist die künftige Station „Heumarkt“. Die Sohle befindet sich hier 22,50 Meter unter der Straßenoberfläche.


Wie hoch über Normalnull?
Statt von der Geländeoberkante nach unten kann man auch von „Normalnull“ nach oben messen, um die Höhe des Grundwasserspiegels anzugeben. Der Wert Normalnull (NN) wurde 1897 in Amsterdam gemessen und entsprach der dortigen Höhe des Meeresspiegels. Mittlerweile ist Normalnull die Grundlage fast aller Höhenmessungen und Angaben in Westeuropa. Die Sohlen der Baugruben der Nord-Süd Stadtbahn befinden sich zwischen 20 und 33 Metern über Normalnull.


Aktion „trockene Gruben“: Die Tertiärwasserhaltung
Um „trockene“ Baugruben zu bekommen, in denen man Haltestellen bauen kann, muss man das Grundwasser aus den Arbeitsbereichen heraushalten. Bei den meisten Baugruben der neuen U-Bahn wird dafür eine Tertiärwasserhaltung eingerichtet: Zunächst stellt man eine wasserdichte Umschließung der Baugrube her, die aus sogenannten Schlitzwänden besteht. Diese Wände sind – je nach Bedarf – zwischen 80 und 150 Zentimeter dick und bestehen aus Stahlbeton. Sie werden bis zu 45 Meter tief in den Boden gebaut. Damit binden sie ins „Tertiär“ ein, eine Erdschicht, die nahezu wasserundurchlässig ist.

Unterschiedliche Bodenschichten
Wenn man unter dem Kölner Pflaster zu graben beginnt, stößt man zunächst auf alle möglichen Überreste, die die Menschen im Laufe der Jahrhunderte hinterlassen haben. Diese „anthropogenen“ Schichten bestehen aus Schutt, Gebäudetrümmern und anderen Materialien, die sich seit der Antike angesammelt haben. Dies ist das Revier der Archäologen, die hier bereits viele, teilweise spektakuläre Funde gemacht haben. An einigen Stellen – zum Beispiel im Bereich des ehemaligen römischen Hafenbeckens am Kurt-Hackenberg-Platz – erstrecken sich diese Schichten bis in eine Tiefe von 13 Metern unter der Straßenoberfläche.

Unter dieser Bodenauffüllung liegt bis zu einer Tiefe von circa 35 Metern das „Quartär“, das aus grobkörnigem Sand und Kies besteht und daher das Grundwasser gut führen kann. Das darunter befindliche „Tertiär“ setzt sich aus Fein- und Mittelsand, tonigem Schluff und Braunkohle zusammen. Es ist so dicht, dass nur sehr wenig und sehr langsam Wasser durchfließen kann.

Einsatz von Pumpen
Wenn die Schlitzwände im Boden sind und die Baugrube vollständig umschließen, wird das Erdreich ausgebaggert. Die Archäologen haben dabei immer ein wachsames Auge auf mögliche historische Überreste. Bevor die Bagger die Grundwasser führende Schicht erreichen, werden innerhalb des Schlitzwandkastens Brunnen gebohrt. In diese werden knapp oberhalb des Tertiärs spezielle Unterwasserpumpen installiert. Sie pumpen das Grundwasser ab, das sonst von unten her in die Baugrube eindringen würde. Am tiefsten reichen die Brunnen am Heumarkt mit bis zu 37,50 Meter unter der Geländeoberkante. Aber nicht nur von unten kann Grundwasser in die Baugrube gelangen; auch von oben kommendes Regenwasser wird kontinuierlich abgepumpt.


Ab in den Rhein
Die Zahl der Brunnen unterscheidet sich von Baugrube zu Baugrube, ebenso die Menge des Wassers, das abgepumpt wird. Entscheidend ist jeweils, wie hoch das Grundwasser außerhalb der Baugrube ansteht und wie stark es abgesenkt werden muss. Das wiederum hängt davon ab, wie tief die Baugrube ist. Ausschlaggebend für die Wassermenge ist zudem, wie dicht der Tertiär-Boden an der jeweiligen Stelle ist.

Doch wohin mit dem abgepumpten Wasser? Hier kommen die blauen Stahlrohre ins Spiel, die rund um die Baustellen der Nord-Süd Stadtbahn ins Auge fallen: Mit ihrem Durchmesser von etwa 60 bis 80 Zentimetern leiten sie das Wasser in den parallel zur neuen U-Bahn-Trasse fließenden Rhein. Da es sich um klares, sauberes Grundwasser vermischt mit Regenwasser handelt, ist das problemlos möglich.

Insgesamt gibt es vier Stellen, an denen das Wasser in den Rhein geleitet wird: Die erste befindet sich in Höhe des Breslauer Platzes, eine in Höhe Heumarkt und zwei weitere in Höhe des Rheinauhafens.


Der trockene Trichter: Die Quartärwasserhaltung
An den meisten Baustellen kommt die beschriebene Tertiärwasserhaltung zum Einsatz, doch an manchen bietet sich ein anderes Verfahren an. So zum Beispiel am Breslauer Platz: Mit etwa elf Metern unter der Geländeoberkante ist die Baugrube dieser Haltestelle nicht so tief. Deshalb muss das Grundwasser auch nicht so stark abgesenkt werden. Die Grundwasserabsenkung liegt im natürlichen Schwankungsbereich des Wasserstandes. Das schont die Bepflanzung in der Umgebung und vermeidet eine Beeinflussung der umliegenden Bebauung. Lediglich die Startschächte für die Tunnelbohrmaschinen Nord, die sich ebenfalls in diesem Bereich befinden, liegen tiefer und werden daher im Schutz einer Tertiärwasserhaltung gebaut.

Statt Schlitzwände zu bauen, werden bei der Quartärwasserhaltung sehr viel kürzere Wände bis maximal 20 Meter Tiefe in den Boden eingebracht. Diese Trägerbohlwände bestehen aus Stahlträgern und horizontal dazwischen eingebauten Holzbohlen. Sie sind kostengünstiger als Schlitzwände und bieten zudem einen weiteren Vorteil: Baugruben, die – wie der Breslauer Platz – keine einfache, eckige Form aufweisen, sondern etwas „verwinkelt“ sind, lassen sich mit Trägerbohlwänden sehr viel einfacher herstellen.

Verbauwände in geringer Tiefe
Anders als bei der Tertiärwasserhaltung liegen die Brunnen der Quartärwasserhaltung außerhalb der Baugrube hinter den Verbauwänden. Sie reichen bis in rund 18 Meter Tiefe. Dort, wo Wasser abgepumpt wird, bildet sich um und unter der Baugrube ein trockengelegter „Absenktrichter“, der den Bau der Haltestelle ohne Beeinträchtigungen durch anstehendes Grundwasser ermöglicht. Deshalb müssen die Wände lediglich dem Druck des Erdreichs standhalten. Der Bau der unterhalb des natürlichen Grundwasserspiegels liegenden Abschnitte beginnt erst, wenn die Wasserhaltung in Betrieb ist.

Das gleiche Verfahren wird in dem Teilabschnitt am Kurt-Hackenberg-Platze angewandt, in dem der Anschluss an die Haltestelle Dom/ Hauptbahnhof entsteht. Zudem werden Teile der Verteilerebenen und Ausgänge der Haltestellen Rathaus und Severinstraße unter Quartärwasserhaltung gebaut: Sie bietet sich an, da sie sich nur wenige Meter unter der Straßenoberfläche befinden.


Pumpen gegen nasse Füße
Insgesamt sind im Laufe der gesamten Bauzeit über hundert Pumpen im Einsatz, die das Wasser aus den Baugruben der Nord-Süd Stadtbahn herauspumpen und in den Rhein leiten.

Sobald die Bauwerke im Rohbau fertig sind, d.h. Sohle, Wände und eine Decke haben, und hierdurch auftriebssicher sind, können die Pumpen abgestellt und zurückgebaut werden, bevor der Ausbau beginnt.

Der Einbau
Um eine Pumpe sicher im Boden zu installieren, bohrt man mit einem Bohrrohr aus Stahl zunächst ein Loch tief in die Erde. Erdreich und Grundwasser können nicht mehr in das gebohrte Loch eindringen.
In dieses äußere Rohr wird ein Brunnenrohr eingelassen. Es ist an den Stellen, an denen das Wasser später abgepumpt werden soll, mit Schlitzen versehen. Zwischen innerem Brunnenrohr und äußerem Bohrrohr besteht ein freier Raum, der nach und nach mit Perlkies ausgefüllt wird. Gleichzeitig wird das außen liegende Bohrrohr aus dem Erdreich herausgezogen. So entsteht eine ringförmige Kiessäule um das Brunnenrohr herum. Dieser Kies filtert das Wasser, bevor es durch die Schlitze in den Brunnen gelangt.

Damit der Brunnen nicht verschmutzt, wird er beim Einbau immer wieder klargespült, bis sich keine Schwebeteile mehr in ihm befinden. Zum Abpumpen des Wassers wird eine sogenannte Unterwasser-Motorpumpe eingesetzt. Damit wird gegebenenfalls zuerst ein Pumpversuch durchgeführt, um herauszufinden, wie viel Wasser gepumpt werden muss, um das angestrebte Absenkziel in der Baugrube zu erreichen. Danach richten sich dann auch die verwendete Pumpengröße und die Anzahl der herzustellenden Brunnen.

Leistung und Funktionsweise
Die Pumpen, die beim Bau der Nord-Süd Stadtbahn verwendet werden, haben eine Leistung von maximal 30 Kilowatt. Eine solche Pumpe kann bis zu 200 Kilogramm wiegen. In den Brunnen eingesetzt werden die Pumpen mit einem Dreibock, eventuell auch einem Kran.

Im unteren Bereich der Pumpen sitzen die Unterwasser-Motoren. Sie werden durch das sie umgebende Wasser gekühlt, daher müssen die elektrischen Teile wasserdicht sein. Eine sogenannte Gleitringdichtung auf der Antriebswelle der Unterwasser-Motoren dichtet diese auch in sehr großen Wassertiefen zuverlässig gegen den Wasserdruck ab. Die Elektromotoren treiben die Schaufelräder der Pumpe an, die den notwendigen Wasserdruck produzieren, um das Wasser in die Vorflutleitungen, die blauen Rohre, zu transportieren. Die Pumpen sind leistungsstark und gleichzeitig Platz sparend gebaut, so dass die Durchmesser der Brunnen relativ klein gehalten werden können.


Taucher am Bonner Wall
Von der Haltestelle Marktstraße fahren die Bahnen über eine Rampe in den Untergrund zur Haltestelle Bonner Wall. Sie ist die erste unterirdische Station in Süd-Nord-Richtung und liegt nur elf Meter unter der Geländeoberkante.

Wegen der geringen Tiefe ist es hier problemlos möglich, in den Schlitzwandkasten eine Unterwasserbetonsohle einzubauen. Eine Wasserhaltung ist hierbei nicht erforderlich. Die Schlitzwände der Baugrube reichen an dieser Stelle nicht bis ins Tertiär, sondern lediglich 16 bis 22 Meter in die Tiefe. Da auch hier Grundwasser ansteht, wird die Baugrube mit einer 1,30 Meter dicken Betonsohle wasserdicht abgeschlossen.

Bevor dies geschehen kann, wird der im Grundwasser befindliche Kies und Sand ausgehoben bis in die Tiefe, in der später die Sohle gebaut werden soll. Bis zu fünf Meter hoch steht dann noch das etwa vier Grad kalte Wasser in der Baugrube. Zu diesem Zeitpunkt kann es noch nicht abgepumpt werden, da es von unten immer wieder nachfließen würde.


Taucher im Einsatz
Taucher bereiten den Boden für den Bau der Sohle vor. Eingesetzt werden gelernte Schlosser oder Stahlbauer, die zusätzlich zwei Jahre lang für die Arbeit unter Wasser ausgebildet wurden.

Insgesamt sind vier Gruppen im Einsatz. Jedes Team besteht aus drei Tauchern, die sich bei den Tauchgängen abwechseln: Einer arbeitet unter Wasser, der Zweite sitzt als Signalmann in einem kleinen Boot über der Einsatzstelle des Tauchers, um sofort reagieren zu können, falls dem Taucher etwas zustößt, und der Dritte bedient die Luftversorgungsanlage, von der aus Schläuche für Luft und Stromkabel zum Helm des Tauchers führen. Eine Tauchzeit dauert bis zu vier Stunden. Fiele die Basisstation für die Luft- und Stromversorgung ausfällt, haben die Taucher für den Notfall noch eine zusätzliche Vier-Liter-Flasche dabei, die die Versorgung mit Luft für die halbe Stunde der Auftauchphase gewährleistet. Zudem ist der Taucher jederzeit per Funk mit der Basisstation verbunden.


Betonage unter Wasser
Um einen wasserdichten Trog herzustellen, müssen die Schlitzwände und die unter Wasser hergestellte Sohle möglichst lückenlos miteinander verbunden werden. Dazu wird beim Bau der Schlitzwände im Bereich des Sohlanschlusses bereits eine Nut für das Auflager der Bodenplatte eingeplant. Damit diese Nut nicht schon bei der Schlitzwandherstellung mit Beton voll läuft, wird die Nut zunächst mit Styropor gefüllt. Um einen festen und dichten Anschluss zu gewährleisten, wird das Styropor vor dem Einbau des Unterwasserbetons von den Tauchern restlos und sauber entfernt. Anschließend müssen die Taucher noch den in der Baugrube verbleibenden Boden einebnen. Hierzu wird eine Baggerpumpe über die unebenen Stellen geführt, die den überflüssigen Sand und Kies abpumpt.

Ist der Grund der Baugrube vorbereitet, wird Unterwasserbeton mit einer Betonpumpe direkt auf die ebene Kiesfläche geleitet. Hierdurch entsteht eine dichte Sohle, die direkt an die Schlitzwände anschließt. Nach der Erhärtung dieser Sohle kann das Wasser aus der Baugrube gepumpt werden, ohne dass weiteres Grundwasser nachfließt. Der Haltestellenbau kann jetzt im Trockenen weitergehen.