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Abdichtungsinjektionen an Erdwärmesonden in Staufen im Breisgau

Die Stadt Staufen i. Br. beabsichtigte, das denkmalgeschützte, renovierte Rathaus mit Erdwärmetechnologie zu heizen und zu kühlen. Hierzu wurden im September 2007 in der Rathausgasse sieben bis zu 140 m tiefe Erdwärmesonden eingerichtet. Seit Ende 2007 wurden zunehmend Schäden an Gebäuden im historischen Altstadtbereich beobachtet. Diese Schäden werden auf Hebungen des Untergrunds zurückgeführt. Die Hebung verläuft weitgehend linear. Die maximale vertikale Hebungsrate im Hebungszentrum beträgt bis zu 11 mm/Monat.

Nach der geologischen Aufnahme wird der Untergrund im Bereich des Erdwärmesondenfeldes unter einer geringmächtigen Quartärüberdeckung von der Schichtenfolge des mittleren Keupers und des Unterkeupers aufgebaut. Der Gipskeuper enthält Gips und Anhydrit sowie quellfähige Tonminerale. Temperaturmessungen in den Erdwärmesonden zeigten erhöhte Temperaturen im gips- und anhydritführenden Gebirgsabschnitt. Sie sind auf Wärmeentwicklung bei der Umwandlung von Anhydrit in Gips zurückzuführen. Diese Umwandlung wird durch Wasserzutritte in einen ehemals trockenen Gebirgsabschnitt verursacht und ist mit einer erheblichen Volumenzunahme verbunden. Die Temperaturverteilungen in den Erdwärmesonden weisen auf einen Grundwasseraufstieg im Ringraum der Erdwärmesondenbohrung hin.

Das Regierungspräsidium Freiburg, Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau, stellte im Herbst 2008 auf der Grundlage der bis dahin vorliegenden Erkenntnisse die Arbeitshypothese auf, dass die Gebäudeschäden durch Hebungen verursacht werden, die mit hoher Wahrscheinlichkeit auf Quellungsvorgänge im Gipskeuper (sogenanntes "Gipskeuperquellen") zurückzuführen sind. Zur Überprüfung der Arbeitshypothese wurde am südlichen Rand des Erdwärmesondenfelds eine Erkundungsbohrung bis in 163 m Tiefe abgeteuft. Die Erkundungsbohrung hat die für das Erdwärmesondenfeld typische Schichtabfolge erbohrt. Der Gebirgsbereich, der die Quellhebung verursacht, liegt in einer Tiefe von 61,5–99,5 m unter der Geländeoberfläche.

Es wurden vier z. T. artesisch gespannte Grundwasserstockwerke nachgewiesen. Der Druckspiegel der artesisch gespannten Grundwässer liegt ca. 2 m über Gelände. Der in über 60 m Tiefe liegende Quellungskörper führt zu einem deutlich größeren Hebungsbereich an der Erdoberfläche. Mit einer Messsonde wurde festgestellt, dass die Erdwärmesondenbohrungen vor allem in Tiefen unterhalb von 70 m stark von der Vertikalen abweichen. Die Abweichungen betragen horizontal bis zu 20 m. Somit musste ein Überbohren der Erdwärmesonden mit anschließendem Verpressen als Sanierungsvariante ausgeschlossen werden. Um die Quellungsvorgänge zu stoppen, war es erforderlich, den Zufluss von Grundwasser in die quellfähigen Gesteine zu unterbinden. Dieses Ziel wurde mit zwei Abwehrmaßnahmen verfolgt. Zum Einen wurde eine nachträgliche technische Abdichtung (Nachverpressung) der Erdwärmesonden EWS1 bis EWS7 durchgeführt.

Die Fa. Keller Grundbau, Renchen, hat dazu speziell ein neuartiges Verfahren entwickelt. Die Injektionen mit Spezialzement erfolgten über die gezielt mit einem Höchstdruckwasserstrahl abschnittsweise aufgeschnittenen Schläuche der Erdwärmesonden.
Bei der Durchführung der Abdichtungsinjektionen 2009/2010 mussten folgende Schwierigkeiten bzw. Randbedingungen berücksichtigt werden:

  • das Aufschneiden eines einzelnen Sondenrohres aus den jeweiligen Vierrohr-Bündeln der 7 EWS musste so durchgeführt werden, dass keines der benachbarten Rohre aus dem Bündel verletzt oder ebenfalls aufgeschnitten wurde
  • die großen Einsatztiefen (bis ca. 140 m) bei gleichzeitig geringen Befahrungsdurchmessern der Sondenrohre
  • die beträchtliche Neigung der Bohrlöcher bis 250 m aus der Vertikalachse
  • die Verwindung der Sondenbündel, hervorgerufen durch die Lagerung und den Transport der Sondenbündel in aufgewickeltem Zustand
  • das Artesische Grundwasservorkommen und
  • das aufquellende Anhydritgestein, das die Erdwärmesonden eindrückte und damit eine Erschwernis der Sondenzugänglichkeit verursachte.

Bei den Nachverpressungen der Ringräume nahm die EWS7 ungewöhnlich große Mengen an Injektionszement auf. Weitere Belege für die unzureichende Abdichtung des Ringraums sind die parallel zur Injektionsmaßnahme durchgeführten Temperaturmessungen. Es wird davon ausgegangen, dass mit der Injektion die wichtigste Wasserwegsamkeit in den Quellhebungsbereich verschlossen werden konnte. Als zweite Abwehrmaßnahme wird durch Dauerpumpbetrieb (hydraulischer Abwehrbetrieb) in der zum Brunnen ausgebauten Erkundungsbohrung der Grundwasserspiegel im Erdwärmesondenfeld abgesenkt. Nach den Hebungsmessungen lassen die beiden Abwehrmaßnahmen Erfolge erkennen.

Quelle: Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau, Regierungspräsidium Freiburg

Dipl.-Ing. Norbert Schuhmacher, Keller Grundbau GmbH, Renchen

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    30.04.2012
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    10.03.2016