DE10218771B4

DE10218771B4 - Baugrubenumschließung und Verfahren zum Herstellen einer Baugrubenumschließung

Info

Publication number: DE10218771B4
Application number: DE10218771A
Authority: DE
Inventors: Lars Liersch; Wolfgang Dr. Schwarz
Original assignee: Bauer Spezialtiefbau GmbH
Current assignee: Bauer Spezialtiefbau GmbH
Priority date: 2001-05-18
Filing date: 2002-04-26
Publication date: 2006-06-08
Anticipated expiration: 2022-04-27
Also published as: DE10218771A1

Abstract

Baugrubenumschließung zur Abdichtung einer Baugrube gegen Grundwasser, mit einer im Wesentlichen vertikal verlaufenden Umschließungswand und einer im Wesentlichen horizontal verlaufenden Abdichtungssohle, welche durch Einpressen eines Injektionsmediums in einen porösen Bodenbereich unterhalb der Sohle der Baugrube hergestellt ist, wobei das Injektionsmedium in Poren des Bodenbereiches aufgenommen und hierdurch eine wasserundurchlässige Schicht in dem Bodenbereich gebildet ist, wobei zum Bilden der wasserundurchlässigen Schicht das Injektionsmedium eine Mischung ist, welche als Komponenten zumindest einen Abdichtungsgrundstoff und einen Härter aufweist, welcher eine Lösung mit Metallsalzen ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass das gemischte Injektionsmedium einen an das Grundwasser angepassten, grundwasserneutralen pH-Wert besitzt, und
dass zum Bilden des Injektionsmediums mit dem gewünschten grundwasserneutralen pH-Wert der Abdichtungsgrundstoff mit Ionenaustauschern auf einen hierzu notwendigen definierten pH-Wert zwischen 8 und 10 eingestellt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Baugrubenumschließung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen der Baugrubenumschließung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
Baugruben, deren Sohlen unterhalb eines Grundwasserspiegels liegen, bedürfen in aller Regel einer Baugrubenumschließung. Diese soll einen Eintritt des Grundwassers in die Baugrube verhindern. Sofern keine horizontal verlaufende, wassersperrende Bodenschicht vorhanden ist, muss für die Baugrubenumschließung eine im Wesentlichen horizontal verlaufende Abdichtungssohle erstellt werden.
Zum Herstellen einer derartigen Abdichtungssohle für eine Baugrubenumschließung sind verschiedene Verfahren bekannt. So wird beispielsweise mit einem sogenannten Düsenstrahlverfahren eine Abdichtungssohle aus Zement in einem Bodenbereich unterhalb der Baugrubensohle eingebracht.
Das Verfahren ist sehr zeitaufwändig und mit relativ hohen Kosten verbunden.
Die DE 198 56 729 A1 bechreibt ein wässriges Mittel zum Abdichten oder Verfestigen von Fels, Lockergestein oder Böden, welche sich in Kontakt mit Ca²⁺-Ionen enthaltendem Wasser befinden, wobei das Mittel 2 bis 40 Gew.-% SiO₂ in Form eines wässrigen Kieselsols enthält und Härtestabilisatoren aus der Klasse der anorganishen Polyphosphate, der Phosphonsäuren, der Aminoethylenphosphorsäuren, der Phosphorsäureester, der Phosphorcarbonsäuren sowie von Polycarbonsäuren oder Mischungen dieser Substanzen.
Aus der EP 560 600 A1 ist ein Mittel für die Verfestigung und Abdichtung von Fels, Lockergestein, porösen natürlichen und künstlichen Steinen sowie Böden bekannt, das Kieselsäuresol enthält oder daraus besteht und alleine oder in Kombination mit weiteren Komponenten verpumpt bzw. unter Druck verpresst wird. Dabei können die Komponenten mit dem Kieselsäuresol vorgemischt oder getrennt injiziert werden, wobei sie nach einer vorbestimmten Kontaktzeit oder in situ zur Reaktion gelangen und hierdurch die Verfestigung bzw. Abdichtung bewirken.
Zur Herstellung einer gattungsgemäßen Abdichtungssohle ist ein sogenanntes Weichgel-Injektionsverfahren bekannt, bei welchem ein Weichgel auf Wasserglasbasis in einen Bodenbe reich unterhalb der Baugrubensohle injiziert wird. Bei einer so hergestellten Abdichtungssohle härtet das Weichgel nicht aus, sondern bildet zum Erzeugen der wasserundurchlässigen Schicht eine gelartige Struktur. Aufgrund der besseren Fließfähigkeit des Weichgels können diese Abdichtungssohlen im Vergleich zu dem vorgenannten bekannten Verfahren schneller und auch kostengünstiger erstellt werden.
Allerdings werden diese effizient herzustellenden Abdichtungssohlen in vielen Fällen dort nicht zugelassen, wo besonders hohe Anforderungen an den Grundwasserschutz gestellt werden. Es besteht der Verdacht einer Umweltbelastung durch diese Weichgelsohlen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Baugrubenumschließung zu schaffen, welche sowohl wirtschaftlich herstellbar als auch besonders schonend für Grundwasser und Boden ist. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Baugrubenumschließung zu schaffen.
Nach der Erfindung wird die Aufgabe durch eine Baugrubenumschließung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ausgehend von einer Abdichtungssohle zur horizontalen Abdichtung einer Baugrube gegen Grundwasser, bei welcher in einen porösen Bodenbereich unterhalb einer Sohle der Baugrube ein Injektionsmedium eingepresst ist, welches in den Poren des Bodenbereiches aufgenommen ist und hierdurch eine wasserundurchlässige Schicht in dem Bodenbereich bildet, ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass die wasserundurchlässige Schicht mit einem Injektionsmedium gebildet ist, welches einen im Wesentlichen neutralen pH-Wert zwischen 7 und 9 besitzt.
Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass die bisher für Weichgelsohlen verwendeten glasartig erstarrenden Alkalisilikate in wässriger Lösung stark alkalisch reagieren. Das vornehmlich zum Einsatz kommende Natrium- oder Kalium-Wasserglas hat dabei einen pH-Wert von 12 bis 13. Es wurde nach der Erfindung festgestellt, dass die bei dieser alkalisch reagierenden Substanz freiwerdenden Hydroxidionen in dem Grundwasser Ursache für Ausfällungen sein können. Diese Ausfällungen in dem Grundwasser werden als Umweltbelastung erachtet.
Basierend auf dieser Erkenntnis ist es ein Grundgedanke der Erfindung, eine Abdichtungssohle mit einem neutralen pH-Wert zu schaffen. Neben einem vorzugsweise einzustellenden pH-Wert von 7 wurde erkannt, dass auch ein nur schwach basisch oder sauer reagierendes Injektionsmedium noch ausreichend umweltverträglich ist, sofern der pH-Wert in einem pH-Wertbereich zwischen 6 und 9 liegt. Es wurde festgestellt, dass eine Abdichtungssohle mit einem derartigen pH-Wert bei der natürlichen Pufferwirkung des Bodens und des Grundwassers keine oder keine nennenswerten Ausfällungen hervorruft. Eine derartige Abdichtungssohle kann daher auch in den Bereichen hergestellt werden, bei welchen bisher wegen besonders hoher Sensibilität der Reinheit des Grundwassers Weichgelabdichtsohlen nicht zugelassen wurden. Insgesamt schafft die Erfindung eine Baugrubenumschließung welche wirtschaftlich mit hoher Dichtigkeit und großer Umweltverträglichkeit hergestellt werden kann.
Eine besonders hohe Zuverlässigkeit bei einer ausreichenden Stabilität der wasserundurchlässigen Schicht wird nach der Erfindung dadurch erreicht, dass die mit dem Injektionsmedium gebildete wasserundurchlässige Schicht eine Dicke in einer Größenordnung von 0,5 bis 3 m hat.
Grundsätzlich kann das verwendete Injektionsmedium mit dem neutralen pH-Wert, welcher vorzugsweise zwischen 7 und 9 beträgt, eine nicht aushärtbare flüssige oder auch zähflüssige Struktur besitzen. Bevorzugt ist es jedoch nach der Erfindung, dass das Injektionsmedium zum Bilden der wasserundurchlässigen Schicht eine gelartige Struktur aufweist.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es vorteilhaft, dass zwischen der Sohle der Baugrube und der gebildeten wasserundurchlässigen Schicht eine Bodenschicht verbleibt, deren Gewicht die Auftriebskräfte nach einer Grundwasserabsenkung im Inneren der Baugrube kompensiert. Es handelt sich hierbei um die einfachste und kosteneffizienteste Möglichkeit der Auftriebssicherung. Es sind jedoch weitere Verfahren möglich, bei welchen eine dünnere verbliebene Bodenschicht zusätzlich durch Zugelemente zur Auftriebssicherung in Bodenbereichen unterhalb der wasserundurchlässigen Schicht verankert werden kann. Weiterhin könnten zusätzliche Gewichte zur Kompensation der Auftriebskräfte auf die Sohle der Baugrube aufgelegt werden. Hinsichtlich der Stabilität der wasserundurchlässigen Schicht ist es jedoch in aller Regel erforderlich, dass eine gewisse Bodenschicht zwischen der Sohle der Baugrube und der gebildeten wasserundurchlässigen Schicht verbleibt.
Hinsichtlich einer Baugrubenumschließung mit einer im Wesentlichen horizontal verlaufenden Abdichtungssohle und einer im Wesentlichen vertikal verlaufenden Umschließungs wand ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die vorausgehend beschriebene Abdichtungssohle für die Baugrubenumschließung vorgesehen ist. Die Abdichtungssohle wird dabei an ihrem Außenumfangsrand dicht mit der vertikal verlaufenden Umschließungswand verbunden, so dass insgesamt eine dichte Baugrubenumschließung erreicht wird. Als Umschließungswände können sowohl Bohrpfahlwände, Schlitzwände oder rückverankerte und abgedichtete Stützwandelemente eingesetzt werden.
Ausgehend von einem Injektionsmedium zum Herstellen einer Abdichtungssohle einer Baugrube, welches in einen porösen Bodenbereich unterhalb einer Sohle der Baugrube einpressbar und zum Bilden einer stabilen wasserundurchlässigen Schicht in Poren des Bodenbereiches aufnehmbar ist, ist vorgesehen, dass das Injektionsmedium einen im Wesentlichen neutralen pH-Wert zwischen 6 und 9 besitzt. Mit diesem Injektionsmedium können grundwasserschonende Abdichtungssohlen mit hoher Wirtschaftlichkeit erstellt werden.
Eine besonders einfache Handhabung wird nach der Erfindung dadurch erreicht, dass das Injektionsmedium eine Mischung ist, welche als Komponenten zumindest einen Abdichtungsgrundstoff und einen Härter aufweist.
Vorzugsweise weist dabei der Abdichtungsgrundstoff einen pH-Wert zwischen 8 und 10 auf und der Härter ist eine Lösung mit Metallsalzen mit monovalenten und/oder polyvalenten Kationen. Ausgehend von einem schwach basischen Abdichtungsgrundstoff kann durch die Zugabe des Härters, welcher in aller Regel ein Geliermedium ist, der pH-Wert des Injektionsmediums auf einen gewünschten Wert eingestellt werden. Es kann so eine nahezu optimale Anpassung an die Gegebenheiten des Bodens oder des Grundwassers erfolgen.
Eine besonders hohe Dichtigkeit und eine wirtschaftliche Herstellung wird nach der Erfindung weiter dadurch erreicht, dass der Abdichtungsgrundstoff eine kolloidale Lösung auf Wasserbasis ist. Die Herstellung des Injektionsmediums auf der Basis von Wasser ist sowohl hinsichtlich der Kosten besonders günstig und unter Umweltgesichtspunkten grundwasserneutral. Die leimartige Lösung kann insbesondere auf Grundlage von Silikaten erstellt werden. Durch entsprechende Behandlung mit Ionenaustauschern kann ein gewünschter pH-Wert eingestellt werden.
Besonders bevorzugt ist es nach der Erfindung, dass der Abdichtungsgrundstoff ein Kieselsol ist. Unter Kieselsol wird allgemein eine wässrige Lösung kolloidaler Silikate mit der Bezeichnung (SiO₂)_x × nH₂O verstanden.
Es wurde festgestellt, dass Kieselsol insbesondere bei Zugabe eines Härters aus Metallsalzen im Boden eingebracht eine Abdichtungssohle mit hervorragenden Abdichtungseigenschaften bei einem neutralen pH-Wert ergibt.
Dabei ist es bevorzugt, dass die Teilchengröße der SiO₂-Partikel in dem Kieselsol zwischen 5 bis 150 nm beträgt. Die Teilchengröße kann bei der Herstellung des Kieselsols eingestellt und auf die Porosität des Bodens, in welchen das Kieselsol zur Bildung der wasserundurchlässigen Sicht eingebracht Wird, abgestimmt werden.
Erste Versuche, insbesondere bei Verwendung von Kieselsol als Abdichtungsgrundstoff, haben besonders gute Eigenschaften hinsichtlich der Neutralität ergeben, wenn ein Härter mit mindestens einer der folgenden Komponenten verwendet wird:

– Al₂(SO₄)₃ sowie dessen Hydrate,
– AlCl₃ sowie dessen Hydrate,
– FeSO₄ sowie dessen Hydrate,
– FeCl₃ sowie dessen Hydrate,
– FeCl₂ sowie dessen Hydrate,
– MgCl₂,
– MgSO₄ sowie dessen Hydrate,
– NaHCO₃,
– NaHSO₄,
– NaCl,
– Na₂SO₄ sowie dessen Hydrate,
– KHPO₄,
– KHCO₃,
– KHSO₄,
– KCl,
– K₂SO₄,
– CaCl₂ sowie dessen Hydrate.

Eine besonders wirtschaftlich herzustellende Abdichtsohle wird nach der Erfindung mit einem Injektionsmedium erreicht, welches aus 60 bis 80 Gew.% Wasser, 10 bis 30 Gew.% Kieselsol und 2 bis 10 Gew.% Härter besteht. Durch den Anteil des Härters kann die sogenannte Gelierzeit des Kieselsols eingestellt werden. Je höher der Prozentanteil des Härters an dem Injektionsmedium, desto schneller nimmt das Injektionsmedium eine stabile gelartige Struktur an. Durch den Anteil des Kieselsols in dem Injektionsmedium kann sowohl die Stabilität als auch die Dichtigkeit der zu erzeugenden Abdichtungsohle beeinflusst werden.
Ein besonders wirtschaftliches Erstellen der Abdichtsohle wird nach der Erfindung dadurch erreicht, dass das Injektionsmedium beim Einpressen in den porösen Bodenbereich im Wesentlichen flüssig ist und dass das Injektionsmedium zum Bilden der wasserundurchlässigen Schicht eine gelartige Struktur annimmt. Dabei kann die sogenannte Gelierzeit, wie zuvor ausgeführt, durch den Anteil des Härters, insbesondere bei Verwendung eines Metallsalzes, eingestellt werden.
Eine weitere Verbesserung der Herstellung der Abdichtungssohle ist nach der Erfindung dadurch möglich, dass das Injektionsmedium thixotrop ist. Das heißt, unter mechanischer Einwirkung etwa bei Einpressen des Injektionsmediums in den Hoden ist dieses flüssig, während das Injektionsmedium ohne einwirkende mechanische Verschiebekraft einen festen gelartigen Zustand einnimmt.
Die Erfindung umfasst weiter ein Verfahren zum Erstellen einer Abdichtungssohle zur horizontalen Abdichtung einer Baugrube gegen Grundwasser, wobei in einen porösen Bodenbereich unterhalb einer Sohle der Baugrube ein Injektionsmedium eingepresst wird, welches in den Poren des Bodenbereiches aufgenommen und hierdurch eine wasserundurchlässige Schicht in dem Bodenbereich gebildet wird. Bei diesem Verfahren ist es vorgesehen, dass die wasserundurchlässige Schicht mit einem Injektionsmedium gebildet wird, welches einen im Wesentlichen neutralen pH-Wert zwischen 6 und 10 besitzt. Das Verfahren dient insbesondere zur Erstellung einer Abdichtsohle gemäß der vorliegenden Beschreibung bzw. verwendet ein Injektionsmedium gemäß der vorherigen Beschreibung.
Bei diesem Verfahren wird das Injektionsmedium vor einem Injizieren in den Boden aus zumindest einem Abdichtungsgrundstoff und einem Härter gemischt. Zum Einstellen eines gewünschten pH-Wertes des Injektionsmediums wird der Abdichtungsgrundstoff mit einem schwach alkalischen pH-Wert, insbesondere zwischen 9 und 10, ausgewählt, während als Härter eine Lösung mit Metallsalzen mit monovalenten und/oder polyvalenten Kationen zugemischt wird.
Durch die Auswahl der Art und Menge des Härters wird weiter eine definierte Gelierzeit, insbesondere zwischen wenigen Minuten und einigen Stunden, eingestellt.
Mit der Erfindung ist so insgesamt eine Baugrubenumschließung besonders wirtschaftlich herstellbar, welche zudem hohen Anforderungen an einen Umweltschutz und insbesondere einen Grundwasserschutz Rechnung trägt.

Claims

Baugrubenumschließung zur Abdichtung einer Baugrube gegen Grundwasser, mit einer im Wesentlichen vertikal verlaufenden Umschließungswand und einer im Wesentlichen horizontal verlaufenden Abdichtungssohle, welche durch Einpressen eines Injektionsmediums in einen porösen Bodenbereich unterhalb der Sohle der Baugrube hergestellt ist, wobei das Injektionsmedium in Poren des Bodenbereiches aufgenommen und hierdurch eine wasserundurchlässige Schicht in dem Bodenbereich gebildet ist, wobei zum Bilden der wasserundurchlässigen Schicht das Injektionsmedium eine Mischung ist, welche als Komponenten zumindest einen Abdichtungsgrundstoff und einen Härter aufweist, welcher eine Lösung mit Metallsalzen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das gemischte Injektionsmedium einen an das Grundwasser angepassten, grundwasserneutralen pH-Wert besitzt, und dass zum Bilden des Injektionsmediums mit dem gewünschten grundwasserneutralen pH-Wert der Abdichtungsgrundstoff mit Ionenaustauschern auf einen hierzu notwendigen definierten pH-Wert zwischen 8 und 10 eingestellt ist.
Baugrubenumschließung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Injektionsmedium gebildete wasserundurchlässige Schicht eine Dicke in einer Größenordnung von 0,5 bis 3 m hat.
Baugrubenumschließung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Injektionsmedium zum Bilden der wasserundurchlässigen Schicht eine gelartige Struktur aufweist.
Baugrubenumschließung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Sohle der Baugrube und der gebildeten wasserundurchlässigen Schicht eine Bodenschicht verbleibt, deren Gewicht die Auftriebskräfte nach einer Grundwasserabsenkung im Inneren der Baugrube kompensiert.
Baugrubenumschließung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abdichtungsgrundstoff eine kolloidale Lösung auf Wasserbasis ist.
Baugrubenumschließung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abdichtungsgrundstoff ein Kieselsol ist.
Baugrubenumschließung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchengröße der SiO₂-Partikel in dem Kieselsol zwischen 5 bis 150 nm beträgt.
Baugrubenumschließung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Härter mindestens eine der folgenden Komponenten aufweist: – Al₂(SO₄)₃ sowie dessen Hydrate, – AlCl₃ sowie dessen Hydrate, – FeSO₄ sowie dessen Hydrate, – FeCl₃ sowie dessen Hydrate, – FeCl₂ sowie dessen Hydrate, – MgCl₂, – MgSO₄ sowie dessen Hydrate, – NaHCO₃, – NaHSO₄, – NaCl, – Na₂SO₄ sowie dessen Hydrate, – KHPO₄, – KHCO₃, – KHSO₄, – KCl, – K₂SO₄, – CaCl₂ sowie dessen Hydrate.
Baugrubenumschließung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Injektionsmedium aus 60 bis 80 Gew.% Wasser, 10 bis 30 Gew.% Kieselsol und 2 bis 10 Gew.% Härter besteht.
Baugrubenumschließung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Injektionsmedium beim Einpressen in den porösen Bodenbereich im Wesentlichen flüssig ist und dass das Injektionsmedium zum Bilden der wasserundurchlässigen Schicht eine gelartige Struktur annimmt.
Baugrubenumschließung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Injektionsmedium thixotrop ist.
Verfahren zum Erstellen einer Baugrubenumschließung zur Abdichtung einer Baugrube gegen Grundwasser, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei eine im Wesentlichen vertikal verlaufende Umschließungswand und eine im Wesentlichen horizontal verlaufende Abdichtungssohle erstellt werden, welche durch Einpressen eines Injektionsmediums in einen porösen Bodenbereich unterhalb der Sohle der Baugrube hergestellt wird, wobei das Injektionsmedium in Poren des Bodenbereiches aufgenommen und hierdurch eine wasserundurchlässige Schicht in dem Bodenbereich gebildet wird, wobei zum Bilden der wasserundurchlässigen Schicht das Injektionsmedium eine Mischung ist, welche als Komponenten zumindest einen Abdichtungsgrundstoff und einen Härter aufweist, welcher eine Lösung mit Metallsalzen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das gemischte Injektionsmedium einen an das Grundwasser angepassten, grundwasserneutralen pH-Wert besitzt, und dass zum Bilden des Injektionsmediums mit dem gewünschten grundwasserneutralen pH-Wert der Abdichtungsgrundstoff mit Ionenaustauschern behandelt und auf einen hierzu notwendigen definierten pH-Wert zwischen 8 und 10 eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bilden der wasserundurchlässigen Schicht das Injektionsmedium eine Mischung ist, welche als Komponenten zumindest einen Abdichtungsgrundstoff mit einem pH-Wert zwischen 8 und 10 und einen Härter aufweist, welcher eine Lösung mit Metallsalzen mit monovalenten und/oder polyvalenten Kationen ist.