Innovative Baugrunderkundung vermeidet Störungen des Bauablaufs

Einleitung

Weltweit sieht man sich heute mit einer umfassenden Expansion der Städte konfrontiert: Nicht nur die Bevölkerungszahlen – und damit der Bedarf an Wohn-, Lebens- und Arbeitsraum – steigen rapide an, auch der Platzbedarf für industrielle Produktionsstätten steigt weiterhin, weil diese bevorzugt auf der "Grünen Wiese" angesiedelt werden. Deutschland "verbraucht" auf diese Weise nach einer Untersuchung des Bundesministeriums für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen aus dem Jahr 2003 täglich 117 ha Land.

Der große Flächenverbrauch motiviert zu Überlegungen, brachliegende Industrieareale als urbane Lebens- und Arbeitsräume umzunutzen. Denn vormals außerstädtische Industriequartiere der industriellen Frühzeit sind infolge des Städtewachstums heutzutage von Wohn- und Geschäftsvierteln umgeben. Eine solche städtische Einbindung hat dazu geführt, dass Industriebrachen zu attraktiven Ressourcen für vielfältige Immobilien geworden sind.

Einer Umnutzung steht häufig die ungeklärte Frage nach vorhandenen Altlasten im Wege. Nicht die tatsächliche Altlastsituation, sondern das fehlende Wissen über Art und Umfang einer möglichen Verunreinigung und damit verbundene Kosten zur Sicherung oder Sanierung verhindert die Umnutzung. Und dieses Risiko beschränkt sich nicht allein auf die ökologische Problematik einer möglichen Kontamination. Auch unterirdische, nicht dokumentierte Installationen wie Bunker,Lager oder Tanks können einen Bauablauf ggf. empfindlich stören und im Zuge ihrer Beseitigung für erheblichen Mehraufwand sorgen.

Eine Untergrunderkundung sollte Art, Umfang und Lage vorgenannter Störeinflüsse verlässlich erfassen. Eine nicht verlässliche Erkundung, ebenso wie keine Erkundung, macht einen unbekannten Untergrund zu einer unbestimmbaren Investition und motiviert zum Ausweichen aufdie "Grüne Wiese".

Konventionelle Erkundung

Üblicherweise wird der oberflächennahe Untergrund – also etwa die ersten 20 m unterhalb der Geländeoberkante – nach folgendem, vereinfacht dargestelltem Schema erkundet:

Bevor mit den Arbeiten auf der Baustelle begonnen wird, erfolgt eine Recherche und Auswertung jeglicher historischer und aktueller, dokumentierter Informationen, die über ein Areal erhältlich sind. Dies sind beispielsweise Karten, Luftbilder, Schriftstücke und Gutachten aus öffentlichen, betrieblichen oder privaten Archiven. Nach Möglichkeit werden Zeitzeugen befragt.

Basierend auf Daten dieser so genannten historischen Erkundung wird ein Messraster für Mess- und Probenahmepunkte erstellt. Sind aus der Historie keine besonders untersuchungswürdigen Bereiche ermittelbar, wird ein systematisches Raster angelegt. Bohrungen werden gesetzt und je nach Bedarf Boden-, Gas- und Wasserproben entnommen und zur Analyse in ein zertifiziertes Labor gebracht.

Die Bohrlochdaten werden ausgewertet und dokumentiert. Zwischen den punktuellen Informationen, die aus den Bohrungen gewonnen werden, werden die Untergrundverhältnisse weitgehend linear interpoliert. Decken geologische Strukturen oder chemische Analysen weiteren Erkundungsbedarf auf, wird dieser durch weitere Bohrkampagnen und Probenahmen gedeckt. Auf diese Weise werden mehrere eindimensionale Profile zu quasi zwei- und quasi dreidimensionalen Schnittbildern zusammengesetzt. Es entsteht ein stark vereinfachtes Abbild des Untergrundes, anhand dessen die Schadstoffverteilung abgeschätzt wird.

Die historische Erkundung als alleinige Grundlage für die gesamte Erkundungsmaßnahme ist ein unsicheres, da schwer zu bewertendes Fundament. Weder ist die Vollständigkeit der benötigten Informationen abzuschätzen noch die Richtigkeit der gemachten Angaben (v. a. von Zeitzeugen). Oftmals fehlen Dokumentationen über unterirdische oder verdeckte Baumaßnahmen (Keller, Fundamente, Bunker, Füllmaterial) oder Ablagerungen (Fässer, Tanks, Gefahrgut-Umschlagplätze).

Geologische Verhältnisse im Untergrund sind selten so homogen, dass sie durch lineare Interpolation zwischen Bohrlöchern beschrieben werden könnten. Vielmehr zeichnen sich Standorte durch variable, standortspezifische, inhomogene Untergrundverhältnisse (Geologie, Hydrogeologie, geogener Hintergrund von Spurenelementen) aus. Dies gilt umso mehr, je weiter das Bohrraster gesteckt wird.

Die Repräsentativität der Probenahmestellen ist äußerst fragwürdig. Es besteht keine Gewissheit, dass alle relevanten Störeinflüsse und Kontaminationsbereiche im Untergrund erfasst werden. Im Gegenzug besteht die Möglichkeit, dass kontaminationsfreie Bereiche unnötig intensiv erkundet werden.

Doch eine unverlässliche und nicht aussagekräftige Erkundung ist nicht mehr wert als keine Erkundung. Wenn die Unsicherheit des Standortes durch eine Erkundungsmaßnahme nicht aufgeklärt werden kann, bleibt der Standort ein schwer kalkulierbares Investitionsrisiko.

Problemfelder

Einem unbekanntem Untergrund entspringen mehr Problemfelder als "nur" eine mögliche Kontamination. Nachfolgend sind ein paar Beispiele gegeben für Probleme, die den Bauablauf empfindlich stören können:

• Falsch vorhergesagte Bodenklassen können zu einem erheblichen Aushubmehraufwand führen.
• Eine zu gering eingeschätzte Tragfähigkeit des Bodens kann eine Änderung von Gründungsart, -umfang und -tiefe nach sich ziehen. Auch die Sicherung von Nachbargebäuden kann dann unzureichendsein.
• Andere als die erwarteten geo-hydrologischen Verhältnisse können dazu führen, dass etwa die Baugrubensicherung und die Wasserhaltung unzureichend dimensioniert sind.
• Verdeckte Ablagerungen und Kontaminationsfahnen, z. B. Deponien oder Behältnisse und daraus austretende Stoffe, oder auch unterirdische Bauwerke und Installationen wie z. B. Bunker, Fundamente und Tanks können einen erheblichen zeitlichen und finanziellen Mehraufwand für Untersuchung, Entnahme und Sicherung bzw. Sanierungverursachen.

Aus den Risiken, die im Zusammenhang mit einem unbekannten Baugrund entstehen, lassen sich Leitsätze für eine verbesserte, eine neu entwickelte Erkundungstechnologie formulieren.

Anforderungen an eine neue Erkundungstechnologie

Eine verbesserte Erkundung sollte sich auszeichnen durch:

• eine flexible Einsetzbarkeit, um auf möglichst vielen Standorten verwendet werden zu können
• eine schnelle Messung und Datendarstellung, um auf Probleme vor Ort schnell reagieren zu können
• eine flächige bzw. räumliche Erfassung der Untergrundverhältnisse, um ein realistisches Abbild des Untergrundes schaffen zu können, und
• eine schnelle und genaue Schadstoffanalytik, mit der die Belastungssituation zutreffend beschrieben werden kann.

Lösungsansatz

Als Resultat aus diesen Überlegungen entstand der Lösungsansatz der NTEA-Sonde (NTEA – Neue Technologie zur Erkundung von Altlasten): die Kombination verschiedener bereits vorhandener Methoden aus diversen Geo-Disziplinen.

Aus dem Bereich der Geochemie wird eine neuartige Bodenluftanalytik mithilfe eines Mikrochipsensors in situ durchgeführt, d. h., gleich an Ort und Stelle im Bohrloch in der Tiefe des Interesses kann eine schnelle und genaue Schadstoffanalytik durchgeführt werden.

Aus dem Bereich der Geophysik wird eine hochauflösende Geoelektrik und ein hochauflösendes Georadar verwendet. Mithilfe dieser Methoden ist es möglich, flächige bzw. räumliche Untergrundverhältnisse detailliert zu erfassen.

Das Verbindungsglied stellt eine neuartige geotechnische Sonde dar, die in einem modifizierten Bohrlochausbau zum Einsatz kommt. Von der Sonde aus können sowohl die geochemische In-situ-Analytik als auch die Geoelektrik und das Georadar eingesetzt werden.

Die verwendeten Methoden zeichnen sich durch einen schnellen Messfortschritt und eine schnelle Datendarstellung aus und gewährleisten so höchste Flexibilität.

NTEA-Sonde

Abbildung 1 stellt die Installation der NTEA-Sonde dar. Dafür wird auf konventionelle Weise eine Bohrung abgeteuft (1). Mit dem Bohrfortschritt wird zur Stabilisierung ein Schutzrohr aus Stahl in das Bohrloch eingelassen. Sollte der anstehende Boden ausreichend standfest sein, kann auf die Stabilisierung verzichtet werden. Nach Erreichen der Endteufe wird das Bohrwerkzeug aus dem stahlverrohrten Bohrloch entfernt. Dort hinein wird nun ein Perforationsrohr – ein PVC-Rohr mit perforierbaren Zwischenschichten – abgesenkt (2), bevor das Stahlrohr wieder gezogen wird. Auf diese Weise kann das Perforationsrohr in den Untergrund eingebaut und austariert werden, ohne es mechanisch zu beanspruchen. Nach erfolgreicher Installation des Perforationsrohres steht das Bohrloch dem Einsatz der NTEA-Sonde zur Verfügung. Dazu wird die Sonde im Perforationsrohr abgelassen (3). Positionsdetektoren helfen beim Auffinden von speziellen Stellen im Rohr, die von Sensoren aus dem Inneren des Rohres, durch die Rohrwand hindurch, durchdrungen werden. Die Sensoren sind als Spieße ausgebildet und durchdringen pneumatisch angetrieben das Perforationsrohr an den vorgesehenen Stellen (4). Auf diese Weise wird ein direkter Kontakt mit dem Untergrund hergestellt. Zahlreiche Messungen können so in einem einzigen Bohrloch durchgeführt oder regelmäßig wiederholt werden, um beispielsweisezeitliche Veränderungen zu erfassen.

Fallstudie

Einen ersten Einsatz erfuhr die NTEA-Sonde auf dem Areal des Zentrums Zürich Nord (ZZN). Mit einer Fläche von über 60 ha und einem Investitionsvolumen von über 700 Mio.€ ist das ZZN gegenwärtig das größte Reurbanisierungsprojekt der Schweiz. Auf diesem Gelände waren zwischen 1855 und 1988 neben mehreren kleineren und mittleren Betrieben Industriebetriebe wie die Maschinenfabrik Oerlikon Bührle und die Maschinenfabrik Oerlikon (MFO) angesiedelt, aus der sich in den 1960er-Jahren die BBC und schließlich die ABB entwickelte. Hier entstand eine der weltgrößten Produktionsstätten für Eisenbahnen und Elektromotoren – und deren Neben- und Abfallprodukte. Weite Bereiche gelten daher als altlastverdächtig.

Im Jahr 1998 wurde bereits eine Erkundung von einem geotechnischen Büro durchgeführt, welche zu folgendem Ergebnis kam: Der Boden ist nahezu oberflächenparallel geschichtet. Gebohrt wurde bis in 7 m Tiefe. In der Tiefe befindet sich eine schluffig-tonige Schicht (Aquitarde), darüber eine Kiesschicht (Aquifer) und darüber teilweise Sandschichten und Auffüllungen aus u.a. Gießereisanden.

Bereits mithilfe der Geoelektrik könnte auf einem Teilstück von der Oberfläche aus eine Struktur in 4 bis 6 m Tiefe mit einem auffallend hohen spezifischen Widerstand lokalisiert werden (links in Abbildung 3).

Solche Strukturen, wie sie etwa von Bunkeranlagen erzeugt werden, hätten erhebliche Auswirkungen auf darauf zu errichtende Bauvorhaben. Auf Grund von Erkenntnissen, wie sie aus Messungen der Gleichstromgeoelektrik von der Oberfläche aus gewonnen werden können, ist es möglich,das Problem einer Bunkeranlage durch einen geringen Umplanungsaufwand zu lösen. So könnte beispielsweise ein geplantes Gebäude so versetzt werden, dass der Bereich des Bunkers nicht mehr ausgehoben werden müsste. Eine konventionelle Erkundung, wie in Abbildung 2 dargestellt, könnte eine Bunkeranlage nur finden, wenn in diese hineingebohrt wird. Würde die Anlage erst mit dem Baugrubenaushub entdeckt, müsste sie wohl zurückgebaut und entsorgt werden.

Um sicherzugehen, dass unter dem restlichen Teil des Geländes keine weiteren Störkörper verborgen sind, empfiehlt sich für diesen Bereich eine besonders detaillierte Untersuchung. Abbildung 4 zeigt das Ergebnis einer solchen Untersuchung. Auch diesem Bild liegt eine Gleichstromgeoelektrik zu Grunde, die ausschließlich von der Oberfläche aus durchgeführt wurde. Hier wurden im Abstand von 1 m zehn Profile zu je 25 m Länge gemessen. Aus den zahlreichen Datensätzen lässt sich nun ein dreidimensionales Bild der Leitfähigkeitsverhältnisse berechnen. Kritisch zu sehen ist vor allem der Bereich unterhalb 5 m unter der Geländeoberkante. Die hier gelb/orange dargestellte Schicht weist einen relativ hohen Widerstand auf, weshalb sie für die darunter liegenden Schichten als Isolator wirkt. Aus diesem Grund wirkt das Bild, ebenso wie in Abbildung 3, so homogen.

Die zuvor dargestellten Daten konnten ohne die NTEA-Sonde generiert und ausgewertet werden. Abbildung 5 zeigt das Ergebnis eines Messeinsatzes, der ohne eine NTEA-Sonde nicht möglich gewesen wäre. Der Einsatz von Bohrloch-Radar und Bohrloch-Geoelektrik in ein und demselben Bohrloch ist somit vollkommen neuartig.

Das Resultat in Abbildung 5 weist eine ungewöhnlich hohe Auflösung im Dezimeterbereich und eine hohe Übereinstimmung mit den Bohrlochdaten auf. Im Gegensatz zum Tomogramm aus den Oberflächenmessungen (Abbildungen 3 und 4) ist auch in 7–8 m Tiefe ein Sandband auszumachen. Dieses könnte sich im Kontaminationsfalle als präferenzieller Fließweg darstellen, der für eine größere Verbreitung von Schadstoffen sorgen würde, als es zu erwarten gewesen wäre. Gesättigter und ungesättigter Grundwasserleiter lassen sich gut als Bereich hohen bzw. geringen Widerstandes voneinander unterscheiden. Dies liegt daran, dass ein nasser Kies einen geringeren Widerstandaufweist als ein trockener Kies.

Erkundungskosten

In Anbetracht eines derart hochaufgelösten Ergebnisses wäre sicher zu rechtfertigen gewesen, in die Erkundung mehr zu investieren als in eine konventionelle Erkundung. Doch wie nachfolgend dargestellt wird, ist die Erkundungsmaßnahme nicht nur detaillierter, sondern insgesamt auch preiswerter gewesen.

Gegenüber einem Bohrunternehmen, das etwa 57.000 € für die Leistung kalkuliert hatte, konnte die Erkundung mit der NTEA-Sonde für rund 20.000 € günstiger angeboten werden. Dies entspricht einer Kostenersparnis von etwa 36%.

Hohe Einsparmöglichkeiten bieten sich vor allem bei den Positionen, die in der konventionellen Erkundung gravierend zu Buche schlagen: die Bohrungen und die Laboranalytik.

Hier kann die NTEA-Erkundung durch Verwendung preiswerter und Zeit sparender Technologien nicht zielführende Untersuchungen vermeiden helfen und Kosten sparen. Die Einsparungen sind deutlich größer als die Mehrkosten, die sich aus dem erhöhten Auswertungsaufwand ergeben. Einer Studie der US EPA aus dem Jahre 2002 zufolge, die den Einsatz von Insitu-Analytik und Direct-Push-Technologien untersucht hat, beläuft sich das Einsparpotenzialsogar auf knapp 50%.

Tabelle 1: Vergleich der Kosten einer konventionellen Erkundung mit der NTEA-Erkundung

Weitere Kostenersparnis

Die Kostenersparnis aus der Wahl der preiswerteren Erkundungsmethode ist indes nicht der einzige und nicht der gewichtigste Vorteil der NTEA-Erkundung gegenüber einer konventionellen Erkundung.

Wie zuvor im Fallbeispiel erwähnt, wäre das Auffinden eines nicht dokumentierten und daher nicht vorherzusehen gewesenen unterirdischen Bunkers im Rahmen einer konventionellen Erkundung höchstwahrscheinlich nicht – oder nur zufällig – möglich gewesen. Dagegen wäre es mithilfe der NTEA-Erkundung höchstwahrscheinlich gelungen.

Der Nutzen der NTEA-Erkundung hätte in diesem Falle vor allem daraus bestanden, dass der Bunker nicht hätte zurückgebaut und entsorgt werden müssen und dass der Bauablauf nicht gestört worden wäre.

In erster Näherung lassen sich die ersparten "Bunker"-Kosten wie folgt beziffern: Rückbau Stahlbeton ca. 100 €/m³ und Entsorgung Stahlbeton ca. 150 €/m³.

Bei einem Bunker, dessen Wand-, Decken- und Bodenstärken überschläglich sicher 1 m betragen hätten, kann die zu erwartende Menge an Stahlbeton auf mindestes 400 m³ geschätzt werden. Damit entstünde ein Aufwand von mindestens 100.000 €.

Der Zeitaufwand hätte auf Grund der ungünstigen Randbedingungen ca. 8,3 Wochen gedauert. Dies bedeutet eine Bauzeitverzögerung allein aus dem Rückbau des Stahlbetons. Das Kontaminationsrisiko ist indes noch nicht berücksichtigt worden.

Zum einen erhöhen sich die Kosten für Abbrucharbeiten/Rückbau von belastetem Stahlbeton auf ca. 105 €/m³ und die Entsorgung von belastetem Stahlbeton auf ca. 260 €/m³ (zusätzlich wäre auch die Entsorgung belasteten Bodens zu berücksichtigen). Bei den angenommenen 400 m³ Stahlbeton ergäbe sich damit ein Aufwand von mindestens 146.000 €.

Der zusätzliche Zeitaufwand, den der Aushub/Ausbau, die Lagerung/Sicherung und der Transport kontaminierten Materials bedeutet hätte, wird ebenfalls nicht betrachtet, da die Werte sehr stark variieren und die Modellrechnung spekulativ anmuten ließen.

Doch auch bei nicht kontaminiertem Material hätte der Rückbau bzw. Abbruch der Bunkeranlage den Bauablauf erheblich gestört und hätte wie folgt dargestellt Mehrkosten verursacht.

Auf dem beschriebenen Areal sollte innerhalb von 65 Wochen mit einem Bauvolumen von 7,8 Mio. € ein Bürogebäude errichtet werden. Das Vorhalten der Baustelleneinrichtung hätte laut Kalkulation 16.000 €/Monat, also etwa 4.000 €/Woche gekostet. Aus der Kalkulation geht weiterhin hervor, dass für die Baustelle eine Umlage für die zeitabhängigen allgemeinen Geschäftskosten in Höhe von 738.000 € kalkuliert wurde. Vereinfacht linear über die Bauzeit verteilt hätte das etwa 11.000 €/Woche bedeutet.

Schließlich wurden in der Kalkulation auch zeitabhängige Baustellengemeinkosten in Höhe von 922.000 € umgelegt. Ebenfalls linear über die Bauzeit verteilt, wären dafür etwa 14.000 €/Woche angefallen.

Aus Sicht des Auftraggebers käme auch noch Verlust aus entgangenen Mieteinnahmen hinzu, die mit 53.000 €/Monat, also etwa 13.000 €/Woche, veranschlagt worden waren.

Insgesamt hätte sich somit ein Mehraufwand von etwa 42.000 €/Woche und somit bei ca. 8 Wochen Bauzeitverschiebung rund 336.000 € Mehraufwand bedeutet.

Risikovergleich

Eine allgemein gültige Risikoanalyse durchzuführen, nach deren Ergebnis eine Bewertung der verschiedenen Methoden erfolgt, ist in konkreten Zahlen kaum möglich. Die Bandbreite der Randbedingungen, die vor Ort vorgefunden werden können, ist so umfangreich und vielfältig, dass nicht seriös vertreten werden könnte, das verbleibende Untergrundrisiko in Form einer Kennzahl mit einer Erkundungstechnologie zu verknüpfen. Derzeit gibt es keine Technologie, die an allen erdenkbaren Standorten mit derselben Performance ein gleich gutes Ergebnis erzielen könnte.

Der Vergleich des verbleibenden Risikos der NTEA-Erkundung mit jenem der konventionellen Erkundung kann nur relativ erfolgen (Abbildung 6).

Als Vergleichsgröße wird hier das "Investitionsrisiko" definiert. Das Investitionsrisiko bemesse sich dabei nach den Kosten der Untergrunderkundung, die für eine bestimmte Aussagesicherheit über die Untergrundverhältnisse aufgewendet werden. Das Produkt aus Kosten K und Unsicherheit U wird also als Investitionsrisiko IR der Methode verstanden werden:

IR = K · U

Dabei ist IR für den Einsatz einer Methode an einem Standort konstant. Im vorliegenden Fall (Abbildung 6) ist:

IR_NTEA < IR_konv

Das heißt, ein bestimmtes Maß an Unsicherheit U über den Untergrund nicht zu überschreiten, kostet mit einer konventionellen Erkundung mehr als mit einer NTEA-Erkundung (vgl.auch weiter oben in diesem Artikel).

Aus der Abbildung 6 geht hervor, dass bei beiden Methoden auch bei maximalem finanziellem Erkundungsaufwand eine Restunsicherheit U_min über die Untergrundverhältnisse bleibt. Eine 100 %ige Sicherheit kann es nicht geben. Doch ist die Restunsicherheit im Falle der NTEA-Erkundung kleiner als die der konventionellen Erkundung. Ebenso wird dargestellt, dass in jedem Fall ein Mindesterkundungsaufwand K_min notwendig ist, um die Unsicherheit über die Untergrundverhältnisse zu reduzieren. Die Kosten für eine Untergrunderkundung lassen sich nicht beliebig senken. Doch ist der Mindestaufwand im Falle der NTEA-Erkundung kleiner als der der konventionellen Erkundung.

Fazit

Die Ausführungen haben gezeigt, dass das Risiko, unerwartet auf Hindernisse im Untergrund zu treffen, die eine erhebliche Störung des Bauablaufs bedingen können, mithilfe der NTEA-Erkundung deutlich gesenkt werden kann. Die NTEA-Erkundung kann somit maßgeblich dazu beitragen, untergrundbedingte Mehrkosten zu vermeiden oder zu minimieren.

Unter der Annahme, das Investitionsrisiko einer Untergrunderkundung könne als Produkt aus Kosten und Unsicherheit definiert werden, kann es als Vergleichsgröße für die Erkundungsmethoden betrachtet werden.

Der Vergleich zeigt, dass die NTEA-Erkundung das Investitionsrisiko gegenüber einer konventionellen Erkundung deutlich vermindern kann.

Das verminderte Risiko kann Anreiz zur Investition sein, weil bestmögliche Informationen über den Untergrund vorliegen und somit primäre Folgen (z. B. Bodensanierung) kalkuliert werden können. Zudem können sekundäre Folgen (z. B. Bauablaufstörungen) vermieden werden, da sie unter Berücksichtigung der Erkenntnisse zum Baugrund entsprechend abgestellt und Kosten frühzeitig kalkuliert werden können.

Veröffentlichung mit freundlicher Genehmigung der tis Tiefbau Ingenieurbau Straßenbau.
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