Bodenvereisung
Bodenvereisung ist ein Bauverfahren im Tiefbau, bei der der Boden durch eine künstliche Vereisung des Bodenwassers verfestigt und wasserundurchlässig gemacht wird.Allgemeines
Es können zwei unterschiedliche Vereisungsverfahren eingesetzt werden:
*Bodengefrieren mit Sole: Solevereisung
*Bodengefrieren mit flüssigem Gas: Stickstoffvereisung
Um den Boden zu gefrieren, werden Gefrierrohre in den Boden eingesetzt. Durch die Gefrierrohre strömt ein Kälteträger, der dem umgebenden Boden die Wärme entzieht. Dadurch entstehen um die Gefrierrohre zylinderförmige Frostkörper, die sich mit den Gefrierkörpern der benachbarten Gefrierrohre zu gefrorenen Kubaturen verbinden. Erforderlich sind genaue Vereisungsbohrungen und leistungsstarke Vereisungsaggregate.
Voraussetzung für die Anwendung dieses Verfahrens ist ein ausreichend hoher Wassergehalt des Bodens und keine zu hohen Grundwassergeschwindigkeiten (bis etwa 4 Meter pro Tag).
Der gefrorene Bodenkörper weist in bindigen Böden (vgl. Baugrund) eine Druckfestigkeit zwischen 0,6 und 0,8 MN/m³, in nicht bindigen Böden zwischen 1,2 und 1,5 MN/m³ auf. Beim Gefriervorgang kann es zu unerwünschten Hebungen kommen, bei Auftauen des Frostkörpers zu Setzungen.
Sole als Kälteträger
Die Kälte wird in einem geschlossenen Kreisprozess erzeugt. Drei Kreisläufe lassen sich dabei unterscheiden:
*Kälteträgerkreislauf: Kälteträger ist eine Sole, meist werden wässrige Salzlösungen wie Calciumchlorid, Natriumchlorid oder Magnesiumchlorid verwendet mit einer Temperatur von etwa -50 °C. Der Kälteträger zirkuliert in den Gefrierrohren im Boden und entzieht dabei dem Bodenkörper die Wärme.
*Kältemittelkreislauf: Um den Kälteträger auf konstant niedrigen Temperaturen zu halten verwendet man als Kältemittel Gase wie Kohlenstoffdioxid, dessen Siedepunkt bei ?78,5 °C liegt, und Ammoniak mit einem Siedepunkt von -33,4 °C. Das flüssige Kältemittel kommt im so genannten Verdampfer mit den aus dem Boden kommenden Gefrierrohren in Berührung, in denen der erwärmte Kälteträger fließt. Dabei verdampft das Kältemittel und entzieht die dafür notwendige Energie dem Kälteträger, der somit wieder auf die gewünschte Temperatur abgekühlt wird und weiterverwendet werden kann. Das nun gasförmige Kältemittel wird im Verdichter verdichtet, bleibt aber noch gasförmig und erwärmt sich daher weiter. Im Verflüssiger wird dem Kältemittel nun seinerseits so viel Wärme entzogen, bis es wieder flüssig wird. Mit dem neumaligen Eintritt in den Verdampfer schließt sich der Kältemittelkreislauf.
*Kühlwasserkreilauf: Durch ein Rückkühlwerk sorgt dieser Kreislauf dafür, dass das Kältemittel im Verflüssiger wieder auf die gewünschte Temperatur abgekühlt und verflüssigt wird.
Da dies ein geschlossenes System ist und daher weder Kälteträger noch Kältemittel verbraucht werden, bietet es sich vor allem für größere und länger andauernde Bauvorhaben an. Zu beachten ist die lange Vorlaufzeit (bis zu sechs Wochen und länger), die benötigt wird, bis der Frostkörper die erforderliche Größe erreicht hat und die dauernd nötige Energiezufuhr. Beim Aufbau des Frostkörpers wird ständig Energie zur Aufrechterhaltung des Kältemittelkreislaufs benötigt, wenn der Gefriervorgang beendet ist funktioniert die Aufrechterhaltung des Frostkörpers über intermittierende Energiezufuhr. Dabei wird über zusätzlich zu den Gefrierrohren eingebrachte Temperaturfühler im Boden die Ausdehnung des Gefrierkörpers kontinuierlich gemessen und bei Bedarf automatisch Energie zugeführt.
Bei frostgefährdeten bindigen Böden besteht bei langsamen Gefriervorgängen die Gefahr der Eislinsenbildung (vgl. Eislinse) und den damit verbundenen unerwünschten Hebungen des Bodens. Bei solchen Böden empfiehlt sich die Anwendung von flüssigem Stickstoff, da hier der Gefriervorgang wesentlich schneller und bei sehr viel tieferen Temperaturen abläuft.
Flüssiger Stickstoff als Kälteträger
Bei diesem offenen Verfahren wird flüssiger Stickstoff mit einer Temperatur von weniger als -196 °C in Gefrierlanzen in den Boden eingebracht. Der flüssige Stickstoff tritt aus der perforierten Lanze aus und in direkten Kontakt mit dem umgebenden Boden. Bei dem Verdampfungsvorgang entzieht er dem Bodenkörper rapide Wärme und bringt das Bodenwasser zum Gefrieren.
Da der Stickstoff dabei verbraucht wird muss er rund um die Uhr in speziell isolierten Tankwägen nachgeliefert und in wiederum hochisolierten Tanks zwischengelagert werden. Daher ist dieses Verfahren aus wirtschaftlichen Gründen nur für kurzfristige und schnelle Vereisungen geeignet. Die Vorlaufzeiten bis zum Erreichen des gewünschten Frostkörperumfangs sind um einiges geringer als bei der Solevereisung (etwa eine Woche) und das Verfahren ist sowohl in frostempfindlichen Böden als auch bei höheren Grundwassergeschwindigkeiten anwendbar.
Anwendungsmöglichkeiten
Die Durchführung einer Bodenvereisung bietet sich an bei:
*Bau von unterirdischen Notausstiegen, z. B. bei U-Bahn oder Autobahntunnel
*Bau von Querschlägen (Verbindung zwischen zwei Tunnelröhren)
*Durchpressen von Eisenbahnunterführungen
*Abdichten von Schlitz- oder Bohrpfahlwänden
*Abdichtung von Fugen zwischen Tübbing und Schlitzwand
*Vertiefen einer Bodenplatte unter dem Grundwasser (Aufzug)
*Entnahme von ungestörten Bodenproben
*Baugrubenverbau
Mitunter werden auch beide Verfahrensarten miteinander kombiniert: erst wird der Frostkörper mittels Stickstoffvereisung in relativ kurzer Zeit aufgebaut, die Aufrechterhaltung des Gefrierkörpers übernimmt anschließend die Solevereisung über intermittierende Energiezufuhr.
weitere Anwendungen
Auch im Bergbau, beim Abteufen von Schächten, wird mit künstlicher Vereisung gearbeitet. Man spricht dann vom Gefrierschachtverfahren
Quellen
*Otto Pregl: Handbuch der Geotechnik, Band 15 - Konstruktive Ausbildung von Stützbauwerken, 2000
*K. Simmer: Grundbau 2
*W. Schnell: Verfahrenstechnik zur Sicherung von Baugruben
*R. H. Rübener: Einführung in Theorie und Praxis der Grundbautechnik
Weblinks
• www.bodenvereisung.de
