1 Einleitung – Drainagerohre im Tunnelbau

Drainagesysteme dienen in druckwasserentlasteten Tunnelbauwerken der permanenten konzentrierten Ableitung des anfallenden Grundwassers. Diese Maßnahme ist notwendig, um bei höheren Überlagerungen durch den Grundwasserspiegel den Tunnel überhaupt errichten zu können bzw. dient dazu, eine technisch und wirtschaftlich zweckmäßige Konstruktion zu ermöglichen. Bis zur zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurden für die Wasserableitung meistens gemauerte Sohlkanäle verwendet. In weiterer Folge werden bis heute Rohre aus verschiedenen Materialien für Drainage und Wasserableitungen verwendet. Seit den 90er Jahren werden ausschließlich Rohre aus thermoplastischen Kunststoffen verwendet. Im österreichischen Straßen- und Bahnnetz existieren derzeit Tunnels auf einer Länge von ca. 650 km, wobei die meisten Tunnels mit Drainagen ausgerüstet sind. Alleine bei den ÖBB ergeben sich somit aktuell ca. 445 km Drainagen. 2027 werden es bedingt durch die aktuelle Bautätigkeit ca. 1081 km sein. Zusammen mit den Tunnelbauwerken der ASFINAG und der Bundesländer sind in Österreich zum aktuellen Zeitpunkt weit über 1000 km Tunneldrainagen verbaut. Entweder aus geogenen Gründen und/oder aufgrund von beim Bau eingesetzten Baumaterialien kommt es in den Drainagen zu mineralischen Ausfällungen, die Versinterungen genannt werden. Zur Sicherstellung der Funktionstüchtigkeit der Bauwerke müssen daher diese Drainagen in regelmäßigen Abständen gewartet und gereinigt werden. Vor allem bei schwer lösbaren Versinterungen kann sich der Aufwand für die Reinigung von Drainagerohren exorbitant erhöhen, wodurch es nicht nur zu höheren Kosten in der Erhaltung, sondern neben einer möglichen Schädigung der Drainagen auch zu einer reduzierten Verfügbarkeit von Tunnelstrecken kommt. Aus diesem Grund wird versucht Methoden zu finden, mit denen es möglich ist Versinterungen zu vermindern, oder im Idealfall komplett zu verhindern.

2 Versinterung von Drainagerohren

2.1 Entstehung & Beschaffenheit von Versinterungen in Drainagerohren

Versinterungen haben ihren Ursprung in komplexen physikochemischen Gesamtsystemen und etwaige Ursachenbehebungen stellen eine vielschichtige Herausforderung dar. Die Bildung von Karbonatversinterungen beruht zum einen auf der Entgasung oder auch Absorption von CO2 aus bzw. in die Drainagewässer, andererseits jedoch auch auf der mineralogischen Zusammensetzung und alkalischen Eigenschaft des Betons im Bauwerk, wobei hier im Wesentlichen die Auflösung des Minerals Portlandit (Ca(OH)2) im Spritzbeton eine wichtige Rolle spielt [1,2,3,4]. Intensiver Kontakt von Wasser mit zementösen Materialien verändert die Eigenschaften und den Chemismus des Wassers wesentlich, wodurch alkalische, zumeist kalziumreiche Wässer generiert werden, welche zu einem erhöhten Versinterungspotential in den Tunneldrainagen führen können [2]. Des Weiteren hat auch die Geologie und die mineralogische Zusammensetzung der Gesteine im Aquifer (Grundwasserleiter) Auswirkungen auf den Grundwasserchemismus und somit auf das mögliche Versinterungspotential im Tunnel [5]. Zusätzlich beeinflusst die Geohydraulik den Weg des Wassers im Untergrund und damit die Kontaktzeit zum Gestein im Aquifer. Je intensiver diese Kontaktzeit (z. B. bei geringer Schüttung), desto größer ist der Einfluss auf den Wasserchemismus. Neben der Geohydraulik spielen in den Drainagen auch die Mischwasserbildungen und Strömungseigenschaften (turbulentes vs. laminares Fließen vs. stagnierende Bedingungen) eine wichtige Rolle [1, 2]. Die Versinterungen selbst können chemisch und petrographisch sehr komplex aufgebaut sein. Kalzit (Kalziumkarbonat CaCO3) ist zumeist die Hauptkomponente und kommt in einer großen Vielfalt an Erscheinungsformen und mit verschiedener Konsistenz vor. Hinzu kommt noch das Vorhandensein weiterer Minerale als Nebenkomponenten, wie beispielsweise Aragonit (CaCO3 Modifikation), Brucit (Mg(OH)2), Eisenoxide/Hydroxide (z. B. Goethit FeO(OH) und Hämatit Fe2O3) oder detritische Minerale (z. B. vielfältige Silikate), wodurch zur chemischen auch noch eine mineralogische Variabilität hinzukommt [1, 2]. Je nach Zusammensetzung und weiteren Randbedingungen der Ablagerung, können dadurch hinsichtlich Materialkonsistenz sehr weiche und schlammartige oder auch sehr harte, plattenartige Versinterungen entstehen (Abb. 1).

Abb. 1
figure 1

Entfernung von Versinterungen in einem Eisenbahntunnel und die unterschiedliche Beschaffenheit (z. B. chemische Zusammensetzung, Färbung, Konsistenz) von Ablagerungen in Tunneldrainagen

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2.2 Reinigung von Drainagerohren

Um die Funktionalität des Tunnelbauwerks aufrechterhalten zu können, müssen die Drainagen regelmäßig gereinigt werden. Da eine Reinigung die Sperre des Gleises, der Richtungsfahrbahn oder gar des Tunnels bedeutet, müssen Reinigungsvorgänge möglichst effizient und schnell vonstattengehen. Gemäß der Systematik in der Richtlinie „Tunnelentwässerung“ der Österreichischen Vereinigung für Beton- und Bautechnik [6] gibt es prinzipiell mehrere Arten der Reinigung von Drainagerohren. Je nach Beschaffenheit der Versinterung können entweder hydraulische (Hochdruckspülung), hydromechanische (z. B. Vibrationsdüse), oder mechanische (Kettenschleuder, Fräser, Schlagbohrfräser) Reinigungsverfahren eingesetzt werden.

Bei sehr intensiven Reinigungsprozessen, v. a. wenn diese eine mechanische Komponente beinhalten, kann es dazu kommen, dass die Oberflächen der verbauten Drainagerohre angegriffen oder sogar zerstört werden (Abb. 2). Diese Art der Schädigung ist vor allem bei Rohren eine Gefahr, die vor einer Regulierung durch die Richtlinie Tunnelentwässerung 2003 [7], bzw. 2010 [6] eingebaut wurden [8].

Abb. 2
figure 2

Kamerabefahrung nach intensiven Reinigungsvorgängen im Tunnel Sieberg – komplette Zerstörung der Rohrwand (a), bzw. lokale Zerstörung der Drainagensohle nach intensiver mechanischer Reinigung (b)

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Im Fall von Drainageleitungen in Tunnelbauwerken ist dies als besonders kritisch zu sehen, da diese aufgrund ihrer Situierung im Bauwerk nicht einfach ersetzt werden können. Um beschädigte Wasserleitungen austauschen zu können, müssten Teile der ganzen Tunnelwand inklusive Abdichtung und Sickerpackung entfernt werden, da es derzeit noch keine grabenlosen Sanierungsmethoden gibt, die nachweislich für die speziellen Anforderungen in Tunnelbauwerken (v. a. im Hinblick auf exzessive Reinigungsvorgänge mittels mechanischer Methoden, kontinuierlichen Wasserzutritt während der Sanierungsarbeiten, Drainageschlitze) geeignet sind. Dadurch ergibt sich abseits der Instandhaltungskosten ein weiterer Punkt, aufgrund dessen eine Verminderung von Versinterungen in Drainagerohren dringend angestrebt wird.

Aufgrund der Dringlichkeit der gegenständlichen Thematik wird seit einigen Jahren intensiv nach Möglichkeiten zur Verringerung von Versinterungen in Tunnelbauwerken gesucht [9,10,11,12,13]. Als Unterstützung zur Reinigung kommen bei verschiedenen Tunnels derzeit „Härtestabilisatoren“ zum Einsatz. Darunter werden gering dosierte Zugaben verschiedener chemischer Wirkstoffe in fester und flüssiger Form zum Drainagewasser verstanden [12,13,14,15,16], welche entweder vorhandene Versinterungen reduzieren, die Ausfällung von Versinterungen verlangsamen, hemmen oder verhindern sollen. Diese bestehen meist aus verschiedenen Anteilen und molekularen Formen von Polyasparaginsäure oder anderen sogenannten „Grünen Inhibitoren“ (ökologisch unbedenkliche, biologisch gut abbaubare Karbonsäuren) oder auch anorganischen Säuren (konventionelle Inhibitoren; meist Phosphor-haltig). Abhängig vom verwendeten Wirkstoff und dessen Dosierung und zahlreichen – meist schwierig nachvollziehbaren natürlichen und technischen Randbedingungen – zeigen sich unterschiedliche Resultate, die von hoher bis zu praktisch nicht nachweisbarer Wirksamkeit reichen. Im Lainzer Tunnel konnten mittels verdünnter Salzsäure zum Beispiel gute Erfolge erzielt werden [16]. Ein Nachteil dieser Methode ist jedoch, dass die geltenden Umweltbestimmungen einen hohen Aufwand hinsichtlich Kontrolle und Dokumentation der Veränderung des Wasserchemismus bedingen. Zusätzlich wirken flüssige Härtestabilisatoren derzeit nur in der Rohrsohle und nicht im Bereich der Drainageschlitze.

3 Projekt PolyDrain

Ausgehend von den beschriebenen Erfahrungen, wurde im Jahr 2017 ein von der ÖBB Infrastruktur AG, ASFINAG und BMVIT gemeinsam getragenes Forschungsprojekt gestartet, um sich mit dem Material der Drainagerohre selbst zu beschäftigen. Das primäre Ziel des ins Leben gerufenen Projekts „PolyDrain“ ist die Weiterentwicklung der Kunststoffe, die für die Produktion von Drainagerohren verwendet werden, um eine verringerte Versinterungsneigung zu erzielen. Zur Bearbeitung dieser komplexen und interdisziplinären Fragestellung wurden Experten aus den Fachrichtungen Tunnelbau, Geologie und Hydrogeologie, Hydrochemie und Mineralogie, Materialwissenschaften und Polymerchemie zusammengezogen.

3.1 Entwicklung, Methodik & Material

3.1.1 Ursachenforschung und Erhebung

Bevor Kunststoffmaterialien gezielt in Richtung Versinterungsneigung modifiziert werden können, ist es wichtig, die vorherrschenden Mechanismen der Sinterbildung selbst zu verstehen. Da diese, wie bereits beschrieben, von sehr vielen Faktoren beeinflusst werden können, wurde in einem ersten Schritt eine Erhebung bestehender Tunnelbauwerke in Österreich inklusive Bewertung des vorherrschenden Versinterungspotentials durchgeführt. (Abb. 3) Basierend auf dieser Datenmenge sollen kritische Faktoren, die die Versinterungsneigung in realen Bauwerken maßgeblich beeinflussen, ausfindig gemacht werden. Um diese für die Ursachenforschung notwendigen Daten verwertbar zu machen, wurden sie in einer übersichtlichen Datenbank zusammengefasst, mit der es möglich ist, je nach Bedarf die Randbedingungen in verschiedenen Bauwerken zu erheben.

Abb. 3
figure 3

Übersichtskarte erhobener Tunnel bezogen auf die großgeologischen Einheiten Österreichs nach [17] (T1-Plabutsch Tunnel, T2-Siebergtunnel, T3-Galgenbergtunnel, T4-Semmering Tunnel und Tunnel Steinhaus, T5-Tunnel Himmelreich, T6-Grenztunnel Füssen, T7-Zentrum am Berg, T8-Grünburg Tunnel)

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3.1.2 Materialentwicklung

Zur Optimierung der Eigenschaften verwendeter Kunststoffe in Drainagerohren stehen zwei Wege zur Verfügung. Entweder werden aktive Füllstoffe in den Kunststoff eingearbeitet, oder es werden die Oberflächen der Rohre selbst modifiziert. Beide Arten der Modifizierung haben nachweislich Vor- und Nachteile. Durch die Verwendung von Füllstoffen wird der aktive Bestandteil der Mischung in der gesamten Rohrwand verteilt. Für eine Verringerung der Versinterungsneigung wird dieser jedoch primär an der Rohrinnenwand benötigt. Daher muss bei diesem Verfahren mehr Wirkstoff eingebracht werden, um die gleiche Effizienz wie bei einem Verfahren zur gezielten Modifizierung der Oberfläche zu erreichen. Sollte es jedoch trotz der Verminderung von Versinterungen notwendig sein, die Drainagen später zu spülen, könnte es sein, dass die modifizierte Oberfläche beschädigt oder gar komplett abgetragen wird (Abb. 4), wodurch keine Wirksamkeit gegen das Aufwachsen von Versinterungen mehr gegeben ist.

Abb. 4
figure 4

Möglichkeiten zur Modifizierung von Drainagerohrmaterialien mit (a) aktiven Füllstoffen, oder (b) Oberflächenbeschichtung

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Aufgrund der mechanischen Reinigungsmethoden, welche derzeit für Tunneldrainagen verwendet werden und nachweislich Oberflächen angreifen können, ist daher der Weg des Einmischens von Füllstoffen in puncto Sicherheit als vorteilhaft anzusehen. Zusätzlich ist zu beachten, dass die Drainageschlitze in Drainagerohren erst nach der Herstellung des Rohres selbst eingebracht werden. Dies würde bei rein Oberflächen-modifizierten Drainagerohren dazu führen, dass im Bereich der Drainageschlitze keine aktiven Wirkstoffe vorhanden sind. Um die Wirksamkeit der Füllstoffe in einer Kunststoffmatrix zu prüfen, wurden diese in ein kommerziell erhältliches Material (Polyethylen) eingemischt und zu Platten geformt. Aus diesen Platten wurden zylindrische Probekörper mit einem Durchmesser von 10 mm für weitere Untersuchungen entnommen.

Zur Bestimmung der Wirksamkeit der verwendeten Füllstoffe ist ein geeignetes Prüfverfahren inklusive Beurteilungsschema notwendig. Daher wurde ein Prüfstand entwickelt, mit dem es möglich ist, die Abscheidung von Kalziumkarbonat-Mineralen aus einer an diesen Mineralen übersättigten Lösung im Labormaßstab nachzustellen. Der Fokus der Untersuchungen liegt auf der vielfältigen Kristallisation von Kalziumkarbonat-Mineralen an der Oberfläche der Probekörper. Die verschiedenen zu testenden Kunststoffproben werden jeweils am Anfang und am Ende von zwei parallel aufgebauten Fließstrecken in speziell hierfür angefertigten Halterungen (Abb. 5) in die Lösung eingebracht. Letztere erlauben eine Differenzierung der mineralischen Ablagerung zwischen Mineral-Aufwachsen auf dem Kunststoffsubstrat und der Sedimentation von Karbonatkristallen in Suspension (heterogene versus homogene Kristallnukleation). Während die Abscheidungen an der Oberseite der individuellen Kunststoffe in der Lösung gänzlich oder teilweise durch Mineral-Sedimentation durch zuvor in Suspension befindliche Kristalle entstanden sein könnten, sind die gebildeten Präzipitate auf der Unterseite der individuellen Kunststoffe ausschließlich an den einzelnen Kunststoffen aufgewachsen. Die Beurteilung des variablen Abscheidungsverhaltens von Mineralen und besonders von Karbonaten und deren Bildungsrate erfolgt weiters über hydrochemische Computer-Modellierungen. Die auf den individuellen Kunststoffen gebildeten Abscheidungen werden mineralogisch und chemisch charakterisiert und mittels bildgebenden Verfahren, wie räumlich hochauflösende elektronenoptische Analytik (z. B. Rasterelektronenmikroskop), untersucht.

Abb. 5
figure 5

Entwicklung des a Versinterungsprüfstands und b die dafür entwickelten Probenträger zur Auslagerung modifizierter Kunststoffproben

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Zur Absicherung der Aussagekraft dieser im Labor durchgeführten Versuche werden gleichzeitig auch Proben in realen Tunnelbauwerken ausgelagert. Dies dient in erster Linie zur Validierung der Ergebnisse aus dem Labor und zur Untersuchung der Auswirkung verschiedener Bergwassermischungen auf die individuelle Wirksamkeit der gewählten Füllstoffe. Dazu werden derzeit Proben sowohl in einem eigens konzipierten Prüfstand am Drainagenausgang des Tunnels Steinhaus (vgl. Abb. 6a), sowie in den Drainagen des Lainzer Tunnels (vgl. Abb. 6b) ausgelagert. Sobald Versinterungen auf den im Drainagewasser eingelagerten Probekörpern mit freiem Auge sichtbar sind, werden diese entnommen und analog zu den Kunststoffsubstraten im Labor (vgl. Abb. 5b) untersucht.

Abb. 6
figure 6

Auslagerung modifizierter Kunststoffe unter realen Bedingungen a am Drainageleitungsausgang des Tunnel Steinhaus und b in der Drainageleitung des Lainzer Tunnels

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3.2 Erste Ergebnisse

Nach der Entnahme der Kunststoff-Probekörper aus dem Prüfstand bzw. den realen Bauwerken werden diese mittels unterschiedlicher Methoden analysiert. Zum einen wird, wie in Abb. 7 dargestellt, untersucht, wie viele Kristalle (Kalzit, Aragonit) auf den jeweiligen Substraten aufgewachsen sind. Dies dient zur quantitativen Beurteilung der Wechselwirkung der gewählten Füllstoffe. Zusätzlich werden die aufgewachsenen karbonatischen Kristalle mittels Rasterelektronenmikroskop im Detail untersucht. Dies dient primär zur qualitativen Beurteilung der Kristallstruktur und Verwachsung der Versinterung. Bisherige Untersuchungen haben gezeigt, dass auch diese Versinterungseigenschaften von dem als Substrat gewählten Kunststoff selbst wesentlich beeinflusst werden können.

Abb. 7
figure 7

Veränderung der Quantität (b) und Morphologie (c) von aufwachsenden Kalzit-Kristallen im Vergleich zu reinem Polyethylen (a)

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Im Projekt PolyDrain werden derzeit sieben verschiedene Materialmischungen hinsichtlich ihrer Wechselwirkungen und Wirksamkeit gegen Versinterung untersucht. Wie in Abbildung Abb. 7 zu sehen, ist es mittels der Zugabe von Füllstoffen möglich, das Versinterungsverhalten des jeweiligen Matrixwerkstoffes (a) signifikant zu beeinflussen. Je nach gewählten Füllstoffen kann eine starke Verringerung (b), Vermehrung oder gar Änderung der Morphologie (c) der aufwachsenden Kristalle erreicht werden. Diese ersten Ergebnisse lassen darauf schließen, dass der gewählte Ansatz der Modifizierung des Matrixwerkstoffes großes Potential für die Entwicklung von versinterungsoptimierten Drainagerohren aus Kunststoff hat. Bevor diese Wirkstoffe jedoch im großtechnischen Maßstab eingesetzt werden können, benötigt es weiterer Validierungs- und Langzeitversuche, sowohl im Labor, als auch in realen Bauwerken.

4 Zusammenfassung und Ausblick

Ausgehend von der Problemstellung aufwändig zu reinigender Tunneldrainagen wurde das interdisziplinäre Forschungsprojekt „PolyDrain“ initiiert. Neben der Erhebung kritischer Tunnelbauwerke wird vor allem an der Entwicklung versinterungsarmer Kunststoffmaterialmischungen geforscht. Erste Ergebnisse im Tunnel und im Labor haben bereits gezeigt, dass es möglich ist, das Versinterungsverhalten von Kunststoffmaterialien signifikant und vorteilhaft zu verändern. Ausgehend von diesen Ergebnissen werden derzeit Validierungsversuche an Kunststoffproben, die in realen Tunnelbauwerken ausgelagert sind, durchgeführt. Zusätzlich sind Langzeituntersuchungen geplant, um die Wechselwirkungen und Wirksamkeit hinsichtlich Versinterung auch auf längere Zeit betrachtet zu untersuchen. Unter der Voraussetzung einer positiven Langzeitevaluierung sollte es möglich sein, die Instandhaltungskosten zukünftiger Bauwerke deutlich zu senken.