Hochdruck-Injektionen für mehr Stabilität im Bau

Der Tiefbau als wichtiger Bestandteil im Bauwesen stellt ein eigenes Fachgebiet gegenüber dem Hochbau dar. So sind für Bauten, die an der Erdoberfläche errichtet werden, auch Baumaßnahmen in der Tiefe erforderlich. Das Gleiche gilt für Brücken, Straßen, Stollen und Tunnel. Auch hier kommt der Tiefbau als Teilgebiet des Bauwesens in Abgrenzung zum Hochbau zum Einsatz.

Hochdruck-Injektionen für mehr Stabilität im Bau

Die verwendeten Techniken werden immer moderner und effektiver. So nutzen alle fortschrittlichen und verantwortungsbewussten Bauunternehmen im Spezialtiefbau das Verfahren von Hochdruck-Injektionen (HDI). Oftmals erfolgen sie in Form von Nachverpressungen, um die Tragfähigkeit eines Pfahles oder eines Ankers zu erhöhen. Diese Form der Injektionen gelten als ideale Maßnahme zur Tiefgründung im Spezialtiefbau. Hochdruck-Injektionsverfahren dienen der Herstellung von Trageelementen (Säulen- und Wandelemente) im Erdreich.

Verfahren der Hochdruck-Injektionen zur Tiefgründung

Welche Hochdruckinjektions-Verfahren eingesetzt werden, ist abhängig von den Bodenverhältnissen. Der grundsätzliche Ablauf beim Düsenstrahlverfahren ist jedoch immer gleich. Am unteren Ende des HDI-Gestänges ist eine Düse befestigt. Das Gestänge mit der Düse wird zur Tiefgründung in den Boden verbracht. Anschließend wird eine Flüssigkeit mit hohem Druck in den Boden gepresst.

Durch gezielt eingesetzte Bewegungen, wie Drehen und Ziehen des HDI-Gestänges, wird dieser Vorgang zusätzlich intensiviert. Durch diese Bewegungsabläufe entstehen Säulen von bis zu 180 cm. Der Durchmesser entsteht in Abhängigkeit der Komponenten Druck, Drehzahl, Ziehgeschwindigkeit sowie der Bodenbeschaffenheit. Dieses Verfahren ist für nahezu jede Bodenart geeignet. In der Regel werden zunächst Probesäulen hergestellt. Das Düsenstrahlsystem folgt strengen Normen. Die Ausführung von Hochdruck-Injektionen ist über die DIN EN 12716 geregelt. Ohne die Anwendung dieses Verfahrens wären Gebäude, Tunnel oder Brücken mehr einsturzgefährdet.

HDI zur Verbesserung des Baugrunds

Das HDI-Verfahren oder auch Düsenstrahlverfahren führt zu einer erheblichen Verbesserung des Baugrundes. Bei dieser Form der Baugrundverbesserung wird der vorhandene Baugrund durch Erdbeton ausgewechselt. Dazu wird der Boden mit einem Hochdruckwasser- oder Suspensionsstrahl aufgeschnitten und gelöst. Ferner erfolgt eine Vermörtelung mit Zementsuspension.

Bei dieser Methode der Bodenvergütung oder Bodenverfestigung wird dem Boden eine höhere Tragfähigkeit verliehen, die einen erheblichen Schutz für die Menschen darstellt. Der Boden wird dabei mit dem Injektionsgut vermischt. Sogar während des laufenden Betriebes in fertigen Gebäuden dienen die Injektionen mit Hochdruck der Absicherung. Daher werden diese gerade in älteren Gebäuden gerne auch nachträglich angewendet.

Unterschiedliche Verfahren der Hochdruck-Injektionen

In der Regel kommen drei Phasensysteme zum Einsatz, die von der Beschaffenheit des Bodens abhängen. Beim 1-Phasen-System werden ausschließlich Bindemittel verwendet. Dies reicht bei geringen Tiefen aus. Im 2-Phasen-System wird Wasser verwendet zum Schneiden und zum anderen Bindemittel für die Verfestigung. Manchmal nutzt dieses System zur Lockerung des Bodens Luft statt Wasser. Beim Düsenstrahlverfahren im 3-Phasen-System können Luft und Wasser gleichzeitig zum Schneiden des Bodens eingesetzt werden.

Bohrgeräte im Einsatz

Im Bereich der Hochdruck-Injektionen werden für die Bearbeitung durch den Düsenstrahl spezielle Injektions-Bohrgeräte verwendet, die sämtliche Voraussetzungen zum Verfahren abdecken. Aber auch konventionelle Bohrgeräte, die in der Ankertechnik eingesetzt werden, leisten gute Dienste. Dazu müssen diese durch entsprechende Sonderausstattung unterstützt werden. Teil dieser Sonderausrüstung konventioneller Bohrgeräte im Spezialtiefbau sind Bohrgetriebe mit Durchgang und zusätzlichem Spannkopf, Mastverlängerung und weiteren Komponenten. Eine Hochleistungs-Mischanlage und entsprechende Pumpe sowie eine Messstation sind dabei ebenfalls unerlässlich.

Beim Verfahren mit Hochdruck-Injektionen spielen zudem die notwendigen Druckfestigkeiten eine entscheidende Rolle. Erzielbare Druckfestigkeiten variieren zwischen 20N/mm² (bei Kies) und 3 N/mm² (bei organischen Bodenqualitäten). Bei der Planung sind eventuelle Biegebeanspruchungen zu berücksichtigen.

Vorteile der Hochdruck-Injektion (HDI)

Das Düsenstrahlverfahren erfordert lediglich einen geringen Platzbedarf. Damit lassen sich Verfestigungskörper in jeder beliebigen Form, Tiefe und Größe herstellen. Der Arbeitsprozess verläuft erschütterungsarm, wodurch mögliche Schäden ausgeschlossen sind. Die Verfestigungskörper verfügen über eine hohe Tragfähigkeit. Darüber hinaus ist die Anwendung des Düsenstrahls im Spezialtiefbau durch die Kombination zur geringen Arbeitshöhe ideal geeignet für Bauprojekte, die in Wohngebieten stattfinden.

Zwecke für Injektionen mit Hochdruck bei der Tiefgründung

Allgemein lässt sich sagen, dass das Düsenstrahlverfahren immer dann zum Einsatz kommt, wenn eine Stabilisierung des Grundes erfolgen soll. Dabei lassen sich nahezu sämtliche geotechnischen Bereiche abdecken. Die sechs wesentlichen Anwendungen zum Verfahren im Detail vorgestellt:

  • Bodenvergütung im Baugrubenbereich
  • Tunnelsicherung
  • Unterfangungen von Gebäuden
  • Dichtwände
  • Erstellen von Dichtsohlen
  • Pfahlgründung

Neben der Stabilisierung des Bodengrundes ist das Düsenstrahlverfahren mit Hochdruck-Injektionen zur Tunnelsicherung eine unverzichtbare Maßnahme. In Beton und Zement des Tunnels können sich schnell Risse bilden, Wasser kann eindringen. Ferner kann ein Tunnel, insbesondere im Gebirge, ohne Anwendung von Hochdruck-Maßnahmen seine Stabilität verlieren. Daher kommt die Ausführung mit dem Düsenstrahl im Spezialtiefbau bei Tunneln als Vor-Injektion zum Einsatz. Dazu werden Bohrlöcher mit gewünschtem Durchmesser ins Gebirge in gewünschter Richtung gebohrt und diese sofort durch Hochdruck-Injektionen gefestigt.

Auch Aufträge wie Unterfangungen von Dichtsohlen werden durch das Düsenstrahlverfahren gelöst. Zur Verankerung in tiefen Baugruben, aber auch zur nachträglichen Pfahlgründung im Keller, im Gebirge oder unter Wasser findet die Bearbeitung mit dem Düsenstrahl ortsunabhängig Anwendung. Dies kann sowohl der Hamburger Hafen sein als auch Nordirland. Die Art der verwendeten Pfähle ergibt sich aus der entsprechenden Gegend. Dies können Ortbetonrammpfähle sein oder verpresste Mikropfähle zur Ergänzung.

Anwendungsgrenzen des Düsenstrahlverfahrens

Durch das Düsenstrahlverfahren wurden die Anwendungsgrenzen der herkömmlichen Injektionen wegen der Umstellung von der Füllung der Poren zur Vermörtelung des Bodens und teilweise zum Bodenersatz deutlich erweitert. Dem Lösevorgang des Baugrundes steht seine Festigkeit gegenüber. Diese ist als die eigentliche Grenze zu definieren. Die Festigkeit des Baugrundes wird dabei durch seine unterschiedlichen Eigenschaften bestimmt.

Risiken und mögliche Fehler

So modern und effektiv das Verfahren der Hochdruck-Injektionen auch ist, so birgt es wie alle anderen Baumaßnahmen auch Risiken. Fehler können auch bei größter Sorgfalt vorkommen. Diese können sein zu kleiner oder zu großer Säulendurchmesser. Die Säulen selbst können zu kurz ausfallen. Säulenachsen weichen von der geplanten Neigung ab. Die Festigkeit der Düsenstrahlkörper ist zu gering. Auch eine zu hohe Festigkeit der Düsenstrahlkörper kann diese Baumaßnahme beeinträchtigen. Gebäudeschäden durch die Herstellung der Düsenstrahlkörper können nicht ganz ausgeschlossen werden.

Bauaufsichtliche Maßnahmen

Die Ausführung sowie die Bemessung von Trageelementen durch das Düsenstrahlverfahren oder Hochdruck-Injektionsverfahren unterliegt keiner technischen Regelung. Das Deutsche Institut für Bautechnik (DIBt) erteilt die dazu erforderlichen allgemein gültigen Bauartgenehmigungen. Das ausführende Bauunternehmen unterzeichnet dazu eine Übereinstimmungserklärung, dass die von ihr erstellten Säulen- oder Wandelemente entsprechend den Bestimmungen der Bauartgenehmigung ausgeführt werden. Der Einsatz derartiger Verfahren zur Baugrundverbesserung unterliegt der bauaufsichtlichen Zulässigkeit und bedarf damit keiner gesonderten Bauartgenehmigung.