Benutzerspezifische Werkzeuge
Sie sind hier: Startseite Wissen Eiskalt untergraben

Eiskalt untergraben

erstellt von holgerkroker zuletzt verändert: 04.04.2014 16:33

Im Tiefbau werden Eiswälle gern eingesetzt, um zu verhindern, dass während des Baus Grundwasser eindringt. Das Verfahren ist beim Schachtbau ebenso erprobt wie beim Tunnelbau und soll jetzt sogar die Wasserprobleme an den havarierten Kernkraftwerken von Fukushima Daiichi lösen. Doch ganz unproblematisch ist das Verfahren nicht. Daher werden in einem Versuchslabor der Münchener Bundeswehruniversität Versuche mit dem Einfrieren von Böden gefahren.

 Franziska Herzog und Conrad Boley bei einem Vereisungs-Versuch in ihrem Labor. (Bild: Holger Kroker)„Das ist ein Versuchsstand, in dem wir gefrorene Böden testeten“, erklärt Franziska Herzog vom Institut für Bodenmechanik und Grundbau an der Bundeswehruniversität in München. Unter einer isolierenden Abdeckung verbirgt sich ein Plexiglaszylinder, in dem eine Bodenprobe steckt. „Hier messen wir die Verformungen, die sich durch das Gefrieren der Probe ergeben, und wir stellen fest, wie stark sich ein Boden durch die Vereisung hebt.“ 

In diesem Labor werden Experimente zur Bodenvereisung durchgeführt. Bodenvereisung ist eine Spezialdisziplin der Bautechnik. Ein Eiswall soll verhindern, dass während der Baus Grundwasser zum Problem wird. Das Verfahren ist beim Schachtbau ebenso erprobt wie beim Tunnelbau: In Wien etwa wurde es beim Vortrieb des U-Bahn-Tunnel unter dem Donaukanal eingesetzt, in Berlin für die U5-Strecke „Unter den Linden“ oder in Leipzig beim Bau des City-Tunnels unter dem Hauptbahnhof. Und im vergangenen Sommer machte das Verfahren Schlagzeilen, weil es die Wasserprobleme an den havarierten Kernkraftwerken von Fukushima Daiichi lösen sollte. 

Die Methode ist nicht neu: 1853 nutzten französische Ingenieure die Winterkälte, um einen Schacht im wasserführenden Lockergestein zu bauen. Neun Jahre später teuften britische Ingenieure in Wales einen Schacht ab, in dem sie die Sohle Stück für Stück einfroren. Und im Dezember 1883 erhielt der Bergingenieur Hermann Poetsch aus Aschersleben bei Leipzig ein Patent für das "Verfahren zur Abteufung von Schächten in schwimmendem Gebirge". Poetsch gefror den Untergrund nicht mehr abschnittsweise, sondern in einem durch - so wie heute. Obwohl Kältemittel und Maschinen inzwischen sehr viel moderner sind, hat sich am Prinzip nichts geändert.

 Die Baustelle des künftigen U-Bahnhofs Unter den Linden der Berliner U-Bahn im November 2012. (Bild: Wikipedia/Andre_DE)Es gibt zwei Verfahren. Bei dem einen kommt -35° C kalte Sole zum Einsatz, bei dem anderen flüssiger Stickstoff, dessen Temperatur bei minus 196 Grad Celsius liegt. „Beide Techniken entziehen dem Boden durch die eingeleitete Kälte Wärme“, erklärt Institutsleiter Conrad Boley. Um eine Gefrierwand zu errichten, werden in dem anvisierten Bauabschnitt im Abstand von ein bis zwei Metern Bohrungen abgeteuft. Durch die wird dann die Sole langsam in einen geschlossenen Kreislauf geführt. Die Stickstoffvereisung hingegen ist ein Ein-Weg-Verfahren, bei dem der flüssige Stickstoff nach dem Einsatz verdampft. Während es mit dem Soleverfahren mehrere Wochen dauert, im Untergrund eine anderthalb Meter dicke Eiswand aufzubauen, dauert es mit Stickstoff nur einige Tage. Beide Methoden können kombiniert werden: Erst wird der Eiskörper mit Hilfe von flüssigem Stickstoff aufgebaut und danach für die Dauer der Bauarbeiten mit der billigeren Solemethode erhalten. 

Im Labor der Bundeswehruniversität geht es nicht um das Prinzip der Vereisung, sondern um die Lösung der Probleme, die sie aufwirft. Eines ist, den Eiskörper so zu steuern, dass sich der Untergrund nicht stark heben darf: „Wenn Böden gefrieren, entsteht im Porenwasser eine Saugspannung, und dieser Gefriersog lässt im Untergrund Eislinsen wachsen“, erklärt Conrad Boley. Schon diese Frosthebung kann für Gebäude gefährlich werden. Später, wenn die Linsen tauen, kommt es noch ärger: „Die Tausetzungen, die entstehen, weil das Schmelzwasser aus den Poren ausgepresst wird, sind noch größer als die Frosthebungen, denn durch das Gefrieren und Vereisen hat sich die Festigkeit der Böden verschlechtert.“

Beim derzeitigen Kenntnisstand lässt sich nicht vorhersagen, wie stark die Frosthebungen und Tausetzungen sein werden: „Die Forschung an diesem Thema läuft schon seit den 1930er Jahren, aber bis heute können wir das Phänomen nicht berechnen“, erklärt Franziska Herzog. Deshalb laufen hier Versuche, wie sich das Gefrieren in den verschiedensten Böden auswirkt, welche Rolle das Tempo der Vereisung spielt, die Auflast, aber auch die Zusammensetzung des Grundwassers.

Die Forscherin öffnet eine isolierende Abdeckung, unter der sich ein Plexiglaszylinder mit einer Bodenprobe verbirgt. Im Deckel der Apparatur lässt eine Kühlplatte die Probe von oben her gefrieren. Sensoren messen, wie sich die Temperatur verändert, der Druck des Porenwassers, das Volumen der Probe. „Vor allem feinkörnige Sedimente sind gefährdet, weil sich darin der Gefriersog besonders intensiv ausbilden kann“, fährt Konrad Boley fort. Die Forschungen seiner Gruppe haben bereits etliche Ergebnisse gebracht. Etwa, wenn es darum geht, das Eislinsenwachstum und damit die für Gebäude gefährlichen Prozesse in Grenzen zu halten. Dabei komme es auf die Steuerung der Gefrieranlage in der Phase an, in der der Eiskörper für den Bau erhalten wird. Werde einfach weiter gekühlt, wachse der Eiswall immer weiter und damit auch die Eislinsen, so Conrad Boley: „Wir konnten nachweisen, dass man die Anlage im Erhaltungsbetrieb nicht mit konstant fahren, sondern die Temperatur gezielt variieren sollte. Diese Erkenntnisse haben wir im übrigen auch in die Praxis umgesetzt. Auch in der Realität hat sich gezeigt, dass das ein Verfahren ist, das tatsächlich geeignet ist, um diese Hebungen zu reduzieren.“ 

Normalerweise laufen Bodenvereisungen über einen Zeitraum von ein bis zwei Jahren und haben eine Länge von mehreren Dutzend Metern. Da geht es bei den Plänen für die strahlenden Atomruinen von Fukushima Daiichi um ganz andere Dimensionen. Dort wird Grundwasser im großen Stil radioaktiv verseucht und gelangt zumindest teilweise ins Meer. Deshalb sollen die vier betroffenen Reaktoren mit einer 1,4 Kilometer langen Eiswand eingeschlossen werden, die dann über Jahrzehnte aufrecht erhalten bleiben soll. Es wäre eine Premiere, was die Größenordnung angeht, sowohl räumlich, als auch zeitlich. Zusätzlich sind die Reaktoren nicht auf lockeren Sedimenten errichtet worden, sondern auf festem Gestein. Das werde eher selten vereist, erklärt Conrad Boley. Der Grund: „Festgestein besitzt keine homogene Struktur, sondern wird von Klüften und Spalten durchzogen, von Trennflächen, über die das Wasser läuft. Eine Vereisungsbohrung, die keinen Kontakt zu diesen Trennflächen hat, nützt nichts, und gleichzeitig ist es schwer bis unmöglich vorauszusagen, wo welche Trennflächen verlaufen.“