CH697611B1 - Verfahren zur Konditionierung von Bergwässern in primären Entwässerungssystemen von Tunnelbauwerken. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verhinderung von Ablagerungen in Tunnelbauten, dadurch gekennzeichnet, dass dem Bergwasser im sekundären Teil des Entwässerungssystems ein oder mehrere Wasserkonditionierungsmittel beigemischt werden und danach dieses Bergwasser dem primären Entwässerungssystem zugeführt wird. Zu diesem Zweck wird das Bergwasser des sekundären Entwässerungssystems mit einer Dosieranlage (11) konditioniert. Das konditionierte Bergwasser (20) wird danach in den Schächten (7) der Drainage (5) gestaut und mit Hilfe von zeitgesteuerten Pumpen (12), insbesondere Tauchpumpen, über Schlauchleitungen (14), die mit Öffnungen (15) versehen sind, in das primäre Entwässerungssystem geleitet. Dort vermischt sich das konditionierte Bergwasser (20) mit dem unbehandelten Bergwasser (1) aus dem Fels (2) und schützt so das primäre Entwässerungssystem vor der Bildung von harten Ablagerungen.

Description

  [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verhinderung von Ablagerungen in Tunnelbauten, dadurch gekennzeichnet, dass dem unbehandelten (1) Bergwasser im sekundären Teil des Entwässerungssystems ein oder mehrere Wasserkonditionierungsmittel beigemischt werden und danach dieses konditionierte Bergwasser (20) dem primären Entwässerungssystem zugeführt wird.

[0002] Bei der Entwässerung von Tunnelbauwerken unterscheidet man das primäre und das sekundäre Entwässerungssystem.

   Das primäre Entwässerungssystem (EWS) umfasst die Elemente des Entwässerungssystems, die nach Fertigstellung des Bauwerks nicht mehr frei zugänglich sind, wie z.B. die anstehende Felsoberfläche (2) mit ihren Klüften, Noppenbahnen bzw. -streifen, Drainagematten (17), Vliese, Drainagebohrungen, Sickerpackungen (4), Schlauchleitungen (14) um die Drainagerohre (5) herum, Sickerschichten, Öffnungen (21) der Drainagerohre (5) von aussen und dgl. Das sekundäre Entwässerungssystem eines Bauwerks beinhaltet die nach der Fertigstellung des Bauwerks frei zugänglichen Elemente des Entwässerungssystems (EWS) wie z.B.

   Drainagerohre innen (22), Schächte (7), Schlammsammler, Ableitungen (8), Hauptentwässerungsleitungen (9) und dgl.

[0003] Bei der Entwässerung von Tunnelbauwerken fallen Grund- und Bergwässer (Sickerwässer) an, die einen unterschiedlich hohen Gehalt an gelösten, überwiegend anorganischen Wasserinhaltsstoffen aufweisen, die häufig harte Ablagerungen verursachen. Diese Ablagerungen bestehen üblicherweise aus Calciumcarbonat, Magnesiumcarbonat und Eisenoxiden, alle gegebenenfalls in ihrer hydratisierten Form. Die Bildung dieser Ablagerungen aus überwiegend Carbonaten in Drainage- und Entwässerungssystemen wird auch als Versinterung bezeichnet. Diese Ablagerungen entstehen durch die Veränderungen der physikalischen und meist auch chemischen Bedingungen beim Zuströmen der Grund- und Bergwässer auf das Bauwerk und beim Eintritt in das Entwässerungssystem.

   Die Ablagerungen bilden sich auf der gesamten Fliessstrecke des Grund- und Bergwassers. Die Ablagerungen bilden sich sowohl in den nahegelegenen Felsklüften wie auch in den Drainagematten (17), den Sickerpackungen (4) um die Drainagerohre (5), den Öffnungen der Drainagerohre (21) (aussen), in das Innere (22) der Drainagerohre oder in den Hauptentwässerungsleitungen (9). Die Problematik dieser Ablagerungen wird in dem Buch: Wegmüller M. C.: Einflüsse des Bergwassers auf Tiefbau/Tunnelbau, Schweiz Stäubli Verlag Zürich, Juli 2001, ISBN 3 7266 0052 3, auf den Seiten 107-130, eingehend beschrieben.

[0004] Diese festhaftenden, harten Ablagerungen verkleinern die Abflussquerschnitte der Entwässerungssysteme oder schliessen sie in Extremfällen sogar ganz.

   Als Folge davon können die anfallenden Wassermengen nicht mehr frei abfliessen, und es entstehen Rückstaus, die grosse Schäden verursachen können. Die Schäden reichen von unerwünschten Wasserinfiltrationen ins Bauwerksinnere über hohe Wasserdrucke auf die Bauwerksschale bis hin zu Eisbildungen auf Fahrbahnen und Vernässungen in Gewölben, verbunden mit der Gefahr von elektrischen Kurzschlüssen bei Bahntunneln und dergleichen. Zudem setzt der direkte Wasserkontakt die Dauerhaftigkeit (Lebensdauer) der Bauwerke herab. Insbesondere bei solchen Bauwerken, deren Stabilität von der einwandfreien Funktionstüchtigkeit des Entwässerungssystems abhängig ist, kann die Bildung von Ablagerungen in dem Entwässerungssystem fatale Folgen haben.

   Diese Ablagerungen vermindern nämlich die Funktionsfähigkeit aller Teile eines Tunnelentwässerungssystems, da die einzelnen Teile in Serie geschaltet sind und sich so gegenseitig beeinflussen und aufeinander angewiesen sind.

[0005] In Teilen des primären Entwässerungssystems, beispielsweise den Drainagematten (17), Sickerpackungen (4) um die Drainagerohre (5) oder Drainagebohrungen im Fels können Ablagerungen die Leistungsfähigkeit der Entwässerung sehr schnell reduzieren oder ganz zerstören. Im primären Teil eines Entwässerungssystems sind Unterhaltsarbeiten, wegen der fehlenden Zugänglichkeit, nur mit sehr hohem Aufwand möglich, wobei aufwendige Sanierungsarbeiten oft die einzige Möglichkeit darstellen, um die Funktionstüchtigkeit des Entwässerungssystems wiederherzustellen.

   In den Bereichen des sekundären Entwässerungssystems, beispielsweise im Inneren (22) der Drainagerohre, den Schächten (7), Ableitungen (8) und Hauptentwässerungsleitungen (9) sind periodische Unterhaltsarbeiten zum Entfernen entstandener Ablagerungen wegen der besseren Zugänglichkeit zwar möglich, aber auch hier sind die periodischen Unterhaltsarbeiten sehr kostenintensiv und nicht immer erfolgreich.
Die zurzeit gebräuchlichsten Verfahren zum Entfernen von Ablagerungen in Entwässerungssystemen sind die elektromechanische Reinigung mit Spezialwerkzeugen, beispielsweise Kanalfernsehen verbunden mit Robotik sowie Hochdruckspülen oder Hochdruckfräsen mit Wasser. Diese Verfahren sind ausserordentlich kostspielig und arbeitsintensiv und führen häufig zu unerwünschten Betriebsunterbrechungen.

   Sind diese Arbeiten aus bautechnischen Gründen (beispielsweise im primären Entwässerungssystem) nicht möglich oder führen sie nicht zu den gewünschten Ergebnissen, so kann die Funktionstüchtigkeit des Entwässerungssystems meist nur mit aufwendigen Sanierungsarbeiten wiederhergestellt werden.

[0006] Die Aufgabenstellung für die vorliegende Erfindung kann wie folgt beschrieben werden: Gesucht wird eine Möglichkeit zum Schutz des primären Entwässerungssystems vor der Bildung von harten Ablagerungen. Der Schutz muss dauerhaft, d.h. während der gesamten Lebensdauer des Bauwerks, möglich sein. Der Schutz muss partiell einsetzbar sein, d.h. Zonen ohne Ablagerungen müssen vom Schutzumfang ausgenommen werden können.

   Die Schutzmöglichkeit muss entsprechend den hohen Anforderungen bei Tunnelbauwerken kostengünstig, unterhaltsfreundlich, umweltverträglich und sehr robust sein.
Die Einsatzmöglichkeiten für ein solches Verfahren wären universell, gibt es doch auf der ganzen Welt Probleme mit Ablagerungen in Tunnelentwässerungssystemen. Die Kosten für die Sanierung der betroffenen Bauwerke übersteigen fast immer eine Million Euro und können bis zu über 100 Millionen Euro erreichen, wie beispielsweise beim Burnley Tunnel in Melbourne, Australien.

[0007] In den vergangenen Jahren wurde eine Reihe von Verfahren und Produkten entwickelt, um die Bildung von Ablagerungen in Tunnelentwässerungssystemen zu reduzieren oder ganz zu verhindern.

   Alle diese Varianten sind nur im sekundären Teil des Entwässerungssystems anwendbar oder weisen schwerwiegende Nachteile auf.

[0008] Aus WO 94/19 288 ist ein Verfahren zur Verhinderung von Ablagerungen in einem Bauwerksentwässerungssystem bekannt, das dadurch gekennzeichnet ist, dass dem abzuführenden Sicker- oder Grundwasser ein Konditionierungsmittel zugegeben wird, das ein Stabilisierungsmittel für Härtebildner und ein Dispergiermittel enthält. Die Anwendung des Verfahrens beschränkt sich dabei auf das sekundäre Entwässerungssystem, Lösungen für das primäre Entwässerungssystem fehlen gänzlich.

[0009] Konditionierungsmittel für wässrige Systeme werden auf Grund ihrer Wirkungsweise verschieden bezeichnet, z.B. als Dispergiermittel, Härtestabilisatoren und Schutzkolloide.

   Dazu gehören auch Sequestierungsmittel (Komplexierungsmittel) und gegebenenfalls auch weitere grenzflächenaktive Stoffe (Tenside) sowie Biozide.
Für die vorliegende Erfindung sind insbesondere Härtestabilisatoren wichtig, d.h. Verbindungen, die zur Stabilisierung der Härtebildner in Entwässerungssystemen geeignet sind, wobei sie das Kristallwachstum desaktivieren und zumeist Oberflächenladung verändernde Eigenschaften aufweisen, sowie Dispergatoren (Dispergiermittel). Dispergiermittel sind Oberflächenladung verändernde Verbindungen, die ungelöste Feststoffteilchen im Wasser - auch im kolloidalen Bereich - dispergieren, d.h. fein verteilt halten. Wird im Folgenden der Begriff Konditionierungsmittel verwendet, so sind darunter in erster Linie diese beiden Gruppen gemeint.

[0010] Härtestabilisatoren und Dispergatoren überschneiden sich oft in ihrer Wirkung.

   Daher werden Konditionierungsmittel, bevorzugt in Kombinationen von Härtestabilisatoren und Dispergatoren eingesetzt, wobei sich in der Regel ein höherer Wirkungsgrad gegenüber dem getrennten Einsatz ergibt. Konditionierungsmittel können auch noch weitere geeignete Zusätze enthalten, wobei aber immer für die Behandlung des abzuführenden Sicker- oder Grundwassers entscheidend sein muss, dass durch den Einsatz eines spezifischen Konditionierungsmittels bzw. Konditionierungsmittelgemisches eine umweltgerechte Verhinderung von Versinterungen erreicht wird. So enthält die nachfolgende Aufzählung von Konditionierungsmitteln auch phosphathaltige Produkte, die technisch einwandfrei funktionieren, aber aus Umweltschutzgründen nicht in allen Ländern eingesetzt werden können.

   Deshalb sind die jeweiligen Ländervorschriften zu beachten.

[0011] Als Konditionierungsmittel eignen sich Polysuccinimid, gegenebenfalls im Gemisch mit Fettsäuren, anorganische kondensierte Phosphate, wie Alkali-di-, tri- und -polyphosphate, organische Phosphorverbindungen oder Organophosphonsäuren, wie beispielsweise 2-Methylpropanphosphonsäure, Hydroxyethylidendiphosphonsäure, Aminomethylenphosphonsäuren, N-haltige Phosphonate, Aminophosphonate, Aminoalkylenphosphonsäuren wie Aminotri(methylenphosphonsäure) oder Diethylentriaminopenta(methylenphosphonsäure), Poly(aminomethylenphosphonate), oder Hydroxyethylethylen-(di(aminomethylen)-phosphonsäure), ferner Phosphonocarbonsäuren, z.B.

   Phosphonobutan- tricarbonsäure, Phosphatester, Polyphosphorsäureester, Aminophosphate, Bernsteinsäureamid, Kohlehydrate, Polysaccharide, Glukonate, Polyglycoside, Polyglucoside und deren Derivate, Polyoxycarbonsäuren sowie deren Copolymere, oxidierte Kohlehydrate, wie oxidierte Zellulose, Stärke oder Dextrin. Proteine und andere Eiweissprodukte, wasserlösliche Polyaminosäuren, beispielsweise Polyasparaginsäure, Silikate, wie Alkalisilikate, Wasserglas oder Zeolithe. Wasserlösliche Salze entsprechender Säuren sind ebenfalls geeignet.

[0012] Als Dispergatoren eignen sich Tanninderivate, wie sulfitierte Tannine, Ligninsulfonate, sulfonierte Kondensationsprodukte des Naphthalins mit Formaldehyd, anionische Polyelektrolyte, z.B. Polymerisate auf Acrylatbasis, wie Polyacrylate, Polymethacrylate, Polyacrylamide und Copolymere von Acrylsäure bzw.

   Methacrylsäure und Acrylamid, ferner P-haltige polymere Verbindungen, wie N-Phosphomethyl-makrocyclische Polyether oder phosphonomethylierte Oxyalkylenamine sowie Phosphinsäure-haltige Homo- und Copolymere von Acrylsäure und Acrylamid und oligomere Phosphinico-Bernsteinsäure-Verbindungen (wie sie in der US-A 4 088 678 beschrieben werden). Weiter sind geeignet Polymere mit N-substituierten Amidfunktionen, z.B. sulfomethylierte oder sulfoethylierte Polyacrylamide und Polymethacrylamide und Copolymere bzw. Terpolymere mit Acrylsäure und Maleinsäureester, N-Butylacrylamid und dessen Copolymere und Acrylamidopropionsulfonsäure als Salz und deren Copolymere, ferner phosphinoalkylierte Acrylamidpolymere und Copolymere mit Acrylsäure, Copolymere von Alkenen mit ungesättigten Dicarbonsäuren, und Polymere und Copolymere auf der Basis von Maleinsäure.

   Solche und ähnliche Verbindungen sind z.B. beschrieben in EP-A 225 596, EP-A 238 852, EP-A 238 853, EP-A 238 729, EP-A 265 846, EP-A 310 099, EP-A 314 083, EP-A 330 876 oder EP-A 517 470. Wasserlösliche Salze entsprechender Säuren sind ebenfalls geeignet.

[0013] In den Schriften EP 0 638 049 B1, CH 689 452 A5 sowie aus WO 02/16 731 A2 werden sogenannte Depotsteine (Steine) beschrieben, die dazu geeignet sind, Ablagerungen auch im primären Entwässerungssystem eines Tunnels zu verhindern. Diese Steine enthalten ein oder mehrere Konditionierungsmittel in fester Form und werden durch geeignete Verfahren zu Tabletten, Blöcken oder Stangen geformt und danach in das Entwässerungssystem gelegt.

   Bei Kontakt des Grund- oder Bergwasser lösen sich die Steine langsam auf, geben den Wirkstoff frei und schützen dadurch alle nachfolgenden Teile des Entwässerungssystems vor der Bildung von harten Ablagerungen. Diese Depotsteine können zwar zum Schutz des primären Entwässerungssystems verwendet werden, weisen aber, wenn sie allein verwendet werden, mehrere gravierende Nachteile auf:
 Nach dem Einbau der Steine in das primäre Entwässerungssystem können sie nicht mehr ersetzt werden, und da sie sich ständig verkleinern, verlieren sie kontinuierlich an Wirkung, bis sich wiederum neue harte Ablagerungen bilden.

   Die maximale Wirkungsdauer der Steine beträgt ein paar Monate bis 2-3 Jahre.
 Die Steine sind sehr teuer und kosten oft mehr als das Zehnfache, bezogen auf den effektiven Wirkstoffgehalt, gegenüber dem Verfahren zur flüssigen Konditionierung (WO 94/19 288).
 Bereits während dem Bau des Tunnels muss entschieden werden, wo die Steine eingebaut werden. Dies führt dazu, dass die Steine, in der Regel, flächendeckend eingebaut werden wie beispielsweise im Autobahntunnel Baregg, dem Strassentunnel Klosters oder dem Bahntunnel Dettenberg (alle Objekte in der Schweiz). Während dem Bau kann in der Regel keine exakte Aussage über die zu erwartenden Ablagerungen innerhalb einer Halterung (23) (eine Halterung bezeichnet die Strecke zwischen zwei Drainagerohrschächten) gemacht werden. Sehr oft weisen Tunnelbauwerke trockene Zonen auf, die nie Ablagerungen verursachen.

   Aus diesen Gründen werden die Steine oft in Zonen eingebaut, in denen sie unnötig sind oder die eingebaute Menge nicht den effektiven Anforderungen entspricht.
 Da die Steine im primären Entwässerungssystem nicht nachgelegt werden können, ist man bestrebt, die Mengen und damit verbunden die Verweilzeiten der Steine im primären Entwässerungssystem zu erhöhen beziehungsweise zu verlängern. Dabei vergrössert sich die Gefahr von Biofouling, weshalb weitere Zusätze wie Konservierungsmittel zugemischt werden müssen. Wiederum sinken die Funktionstüchtigkeit, die Wirtschaftlichkeit und die Umweltverträglichkeit dieser Methode.
 Durch die grossen Einsatzmengen an Depotsteinen erhöhen sich gleichzeitig die gemessenen Einsatzkonzentrationen an Konditionierungsmitteln im Bergwasser.

   Diese sind deshalb kurz nach dem Einbau der Steine oft unnötig hoch, sodass eine Überdosierung stattfindet. Dies wirkt sich wiederum negativ auf die Funktionstüchtigkeit und die Wirtschaftlichkeit dieser Methode aus.

[0014] Nun wurde überraschend eine neue Lösung zur Konditionierung von Bergwässern im primären Entwässerungssystem von Tunnelbauwerken gefunden.

   Die Lösung der Aufgabe besteht darin, dass man ein Verfahren zur Verhinderung von Ablagerungen in Tunnelbauwerken gefunden hat, dadurch gekennzeichnet, dass dem Bergwasser im sekundären Teil des Entwässerungssystems ein oder mehrere Wasserkonditionierungsmittel beigemischt werden und danach dieses Bergwasser dem primären Entwässerungssystem zugeführt wird.
Durch die Rückführung des im sekundären Entwässerungssystems anfallenden Bergwassers in das primäre Entwässerungssystem kann ein Schutz des primären Entwässerungssystems vor der Bildung von harten Ablagerungen erreicht werden.

   Voraussetzung für die Funktionstüchtigkeit des Verfahrens ist, die vorausgehende Konditionierung des Bergwassers mit einem oder mehreren Konditionierungsmitteln in einer Gesamtmenge von 0,1 g/m<3> bis 10 000g/m<3>, das im sekundären Entwässerungssystem, über die gesamte Tunnellänge oder in Teilabschnitten, anfällt. Die Konditionierung des Bergwassers im sekundären Entwässerungssystem kann mit einer Dosieranlage (10) und zugehöriger Dosierleitung (11), die das Mittel an geeigneter Stelle im Entwässerungssystem zudosiert, erfolgen oder aber auch mittels Depotsteinen, die an geeigneter Stelle im Entwässerungssystem platziert werden.

   Damit nicht alle Halterungen (23) mit einer seperaten Dosieranlage konditioniert werden müssen, ist es von grossem Vorteil, zur Konditionierung des Bergwassers im sekundären Entwässerungssystem, d.h. in diesem Fall in den Drainagerohren (5) selbst, die Drainagerohre (5) in den Schächten kurzzuschliessen, d.h. miteinander zu verbinden. Dies geschieht mit Halbschalen, die man zwischen die Drainagerohrenden legt, oder mit Pfropfen, Absperrblasen(13) und dgl., mit denen man den Abfluss in den Ableitungen versperrt. Bei grösseren Wassermengen (0,5-5 l/s) ist die Lösung mit einer Dosieranlage vorzuziehen, da die Kosten für das Auslegen der Depotsteine der Steine selbst viel zu gross werden.

   Das konditionierte Bergwasser des sekundären Entwässerungssystems wird nun mittels Pumpen (12), besonders geeignet sind dafür Tauchpumpen, die in den Schächten (7) des Entwässerungssystems eingesetzt werden, über Schlauchleitungen (14) in das primäre Entwässerungssystem zurückgeführt und dort dem zuströmenden Grund- und Bergwasser zugemischt. Durch den hohen Gehalt an Konditionierungsmitteln im zurückgeführten, konditionierten Bergwasser (20) kann auch das frisch anfallende, unbehandelte Bergwasser (1) des primären Entwässerungssystems vor harten Ablagerungen geschützt werden. Bei der technischen Umsetzung der beschriebenen Lösung gibt es viele Parameter zu beachten, die die Ausführung der Lösung bestimmen.

   In der Folge soll anhand eines Beispiels die Ausarbeitung der Lösung beschrieben werden.
Figur 1
Fig.1 zeigt eine schematische Darstellung eines Tunnelentwässerungssystems. Die linke Hälfte der Figur zeigt einen Tunnelabschnitt, der mit dem erfindungsgemässen Verfahren behandelt wird. Die rechte Seite der Figur zeigt einen herkömmlichen Tunnelabschnitt ohne Besonderheiten.
Figur 2
Die Fig. 2 zeigt den vereinfachten schematischen Querschnitt durch einen Tunnel. Die Fig. 2 soll das Beispiel Mutten und den restlichen Teil des Textes verständlich machen. Gegenüber der Fig. 1 enthält die Fig. 2 zusätzlich den Tunnelinnenring (16).
Figur 3
Die Fig. 3 zeigt den vereinfachten schematischen Schnitt durch eine Gewölbedrainage in einem Tunnel. Die Fig. 3 soll das Beispiel Mutten und den restlichen Teil des Textes verständlich machen.

   Gegenüber der Fig. 1 enthält die Fig. 3 zusätzlich den Riss (18) in der Spritzbetonschale (3), durch den das Bergwasser eindringen kann, sowie die Vermischung des unbehandelten Bergwassers (1) mit dem konditionierte Bergwasser (20).

[0015] Das Bergwasser (1) tritt aus dem Fels (2), dringt durch die Spritzbetonschale (3), wird in der Sickerpackung (4) und den Drainagematten (17) gesammelt und über die Öffnungen (21) der Drainagerohre (5) von aussen ins Innere (22) der Drainagerohre geleitet. Von dort fliesst es, dem Längsgefälle folgend in den nächsten Schacht (7) der Drainageleitung und fliesst auf, im mittleren Teil der rechten Hälfte der Fig. 1, danach über eine Ableitung (8) in die Hauptentwässerungsleitung (9).
Auf der linken Seite der Fig. 1 fliesst das Bergwasser in den nächsten Schacht (7) der Drainageleitung, wo es aufgestaut wird.

   Die Ableitungen (8) sind verstopft, sodass das Bergwasser in den Drainagerohren (5) nicht in die Hauptentwässerung (9) abgeleitet wird.

[0016] Das Bergwasser wird in den Schächten (7) der Drainagerohre gesammelt und mit Pumpen (12) über Schlauchleitungen (14) und deren Öffnungen (15) in die Sickerpackungen (4) der Drainagerohre (5) zugeführt.
Die Darstellung zeigt zudem die Bauwerksabdichtung (6), eine Dosieranlage (10) mit zugehöriger Dosierleitung (11), Absperrblasen (13), den Abstand zwischen zwei Schächten einer sog. Halterung (23) sowie eine Zeitschaltuhr (24).

   Die Fig. 1 soll sowohl das Beispiel Mutten, wie auch den restlichen Teil des Textes, verständlich machen.

Beispiel 1: Strassentunnel Mutten, im Kanton Graubünden Schweiz (vgl. dazu die linke Hälfte der Fig. 1)

[0017] Das Bergwasser, das im Strassentunnel anfällt, beträgt beidseitig, am Ende beim Ostportal, ca. 5 l/s. Die saisonalen Schwankungen betragen ca. 30%. Das Bergwasser tritt aus dem Fels (2), wird über Drainagematten (17) oder Vliese in die Sickerpackungen (4) der Drainagerohre (5) geführt, wo es über die Öffnungen (21) der Drainagerohre (5) ins Innere (22) der Drainagerohre selbst gelangt und in regelmässigen Abständen von ca. 100 Metern in den Schächten (7) der Drainagerohre über Ableitungen (8) in die Hauptentwässerungsleitung (9) abgeführt wird.

   Ein Schutz der Hauptentwässerungsleitung (9) mittels einer Dosieranlage, die ein Konditionierungsmittel zum Bergwasser der Hauptentwässerungsleitung zudosiert, ist problemlos durchführbar, eine Anleitung dazu bietet die WO 94/19 288. Ein Schutz der Drainageleitungen mit Dosieranlagen war bislang schwierig, da das anfallende Bergwasser, in regelmässigen Abständen, den sogenannten Halterungen (23), in die Hauptentwässerungsleitung (9) abgeführt wird und dadurch eine Vielzahl von Dosieranlagen notwendig wird. Ein Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist es, durch bauliche Massnahmen die einzelnen Abschnitte der Drainageleitungen (5) kurzzuschliessen, d.h. miteinander zu verbinden, und so die erforderliche Anzahl an Dosieranlagen so weit als möglich zu minimieren.

   Zur Verbindung der Leitungen eignen sich wie bereits erwähnt Halbschalen, Absperrblasen (13), Syphons, Abschlussdeckel, Pfropfen und dgl. Erst jetzt kann das primäre Entwässerungssystem auf einfache Art vor der Bildung von harten Ablagerungen geschützt werden. Zu diesem Zweck werden Pumpen (12), beispielsweise Tauchpumpen, in den Schächten (7) der Gewölbedrainagen platziert, die das vorkonditionierte Bergwasser (20), über Schlauchleitungen (14), in das primäre Entwässerungsystem zurückführen. Dort wird es über Öffnungen (15) in den Schlauchleitungen (14) in die Sickerpackungen (4) geleitet. Das zurückgeführte Bergwasser (20) muss dabei genügend Konditionierungsmittel aufweisen, damit das frisch anfallende Bergwasser (1) im primären Entwässerungssystem geschützt wird.

   Die Pumpe (12) muss den Anforderungen an eine ausreichende Fördermenge von 0,1 bis 50 l/s und einem ausreichenden Förderdruck von 0,1 bis 5 bar genügen und dabei gleichzeitig geringe Abmessungen aufweisen, sodass eine Installation in einem Schacht (7) der Gewölbedrainage problemlos möglich ist. Fällt in dem Schacht (7) der Gewölbedrainage wenig Bergwasser an, besteht die Gefahr, dass die Pumpe (12) "trockenläuft" und einen Defekt erleidet. Deshalb ist es sinnvoll, in den Schächten (7) der Gewölbedrainage das Bergwasser einzustauen, sodass der Pumpe während den Förderzeiten genügend Bergwasser zur Verfügung steht. Sind die behandelten Bergwassermengen im sekundären Entwässerungssystem begrenzt, was die Regel ist, so muss gewährleistet sein, dass für alle zu behandelnden Abschnitte des primären Entwässerungssystems ausreichend Rückführwasser zur Verfügung steht.

   In diesem Fall empfiehlt es sich, die Pumpe (12) mit einer Zeitschaltuhr (24) zu steuern, sodass nur so viel konditioniertes Bergwasser (20) in das primäre Entwässerungssystem zurückgeführt wird, dass nach der Vermischung mit dem unbehandelten Bergwasser (1) mindestens die minimale Konzentration an Konditionierungsmitteln erreicht wird. Diese minimale Konzentration liegt in der Regel zwischen 0,1 und 10 ppm. Die Steuerung der Tauchpumpe (12) kann sehr kostengünstig ausgeführt werden, wenn man dazu eine digitale Schaltuhr (24) verwendet, deren zeitlicher Zyklus frei gewählt werden kann. Mechanische Zeitschaltuhren eignen sich wegen des hohen Programmieraufwandes und der meist vorgegebenen Zyklen nur bedingt.

   Die Fördermengen der Pumpen (12), beispielsweise der Tauchpumpen, und die zugehörigen Schlauchleitungen (14) sollen so gewählt werden, dass die erforderlichen Betriebszeiten der Pumpen deutlich geringer sind als die zugehörigen Standzeiten, denn dadurch kann auch in Fällen von Bergwassermangel sichergestellt werden, dass die Pumpen nicht so schnell überhitzen und diese Trockenperioden meist unbeschadet überstehen. Eine geeignete Pumpe (12), präzise Tauchpumpe, ist im vorliegenden Beispiel, dem Tunnel Mutten, jene, die auf dem Markt unter dem Namen Grundfos KP 150 A1 erhältlich ist. Die zugehörigen Betriebszeiten betragen beim Tunnel Mutten zwischen 5 und 30 sec, die zugehörigen Standzeiten reichen demnach von 30 bis 55 sec. Für andere Bauwerke ist unter Umständen auch ein Dauerbetrieb ohne Standzeiten denkbar.

   Insbesondere dann, wenn die Konzentrationen an Konditioniermitteln im konditionierten Bergwasser (20) tief sind, z.B. gegen Ende des Tunnels oder der zu behandelnden Strecke, ist eine Erhöhung der Betriebszeiten zwingend, damit nach der Vermischung mit dem unbehandelten Bergwasser (1) die minimalen Konzentrationen an Konditionierungsmitteln erreicht werden. Für das Verfahren eignen sich Schlauchleitungen (14) von 5 bis 50 mm Durchmesser, beim Tunnel Mutten wurde eine Schlauchleitung (14) mit einem Durchmesser von 22 mm gewählt. Die Öffnungen (15) der Schlauchleitungen schwanken von 0,5 bis 10 mm, beim Tunnel Mutten wurden Öffnungen mit 2 mm verwendet. Der Abstand der Öffnungen kann von 0,1 bis 25 Meter variieren, beim Tunnel Mutten wurde ein Abstand von 10 Meter gewählt.

   Die Schlauchlänge richtet sich nach dem Abstand der Schächte der Gewölbedrainage der Halterung (23) und variiert zwischen 10 und 300 Meter, in der Regel aber liegt sie zwischen 60 und 100 Meter. Mit diesen Vorgaben erreicht man, für jede einzelne Öffnung der Schlauchleitung (14), Dosiermengen von 0,1 bis 10 l/min, die aber fallweise anzupassen sind.

[0018] Ein wesentlicher Vorteil der beschriebenen Lösung liegt darin, dass für die Konditionierung des Bergwassers im primären Entwässerungssystem keine zusätzlichen Kosten für das Konditionierungsmittel anfallen. Zudem können, bedingt durch die vorgängige Verdünnung des Konditionierungsmittels mit Bergwasser, sehr geringe Mengen an Konditionierungsmitteln in das primäre Entwässerungssystem gebracht werden.

   Dies wäre in unverdünnter Form nicht möglich, denn die minimalen Dosiermengen für herkömmliche Dosierpumpen betragen rund 100 I/Jahr. Des Weiteren sind Konditionierungsmittel in der Regel sehr zähflüssig, was eine gleichmässige Dosierung in unverdünnter Form, mit einem einzigen Schlauch und mehreren Öffnungen, mehr oder weniger verunmöglicht. Ein weiterer wichtiger Vorteil liegt darin, dass während der Bauphase nur die Schlauchleitungen verlegt werden müssen. Der Entscheid darüber, ob und falls ja, in welchen Abschnitten das Bergwasser des sekundären Entwässerungssystems konditioniert und danach mittels Pumpen (12) in vordefinierte Bereiche des primären Entwässerungssystem zurückbefördert werden muss, kann zu jedem beliebigen späteren Zeitpunkt getroffen werden.

   Dies bedeutet, dass die Rückführkonditionierung des Bergwassers nur in jenen Abschnitten eingesetzt werden kann, in denen sie wirklich nötig ist (Fig. 1 linke Hälfte), weil sich beispielsweise gerade in diesen Abschnitten, harte Ablagerungen, im Beobachtungszeitraum, gebildet haben. Dies spart demzufolge sehr viele Kosten ein. Eine kostengünstigere Variante für eine wirksame Konditionierung des Bergwassers, im primären Entwässerungssystems, ist nur schwer vorstellbar.

   Die Variante der Bündeldosierung, d.h. mehrere Dosierleitungen befördern das Konditionierungsmittel an vordefinierte Stellen des primären EWS, scheidet aus Kostengründen von vornherein aus, zudem ist die technische Realisation dieser Variante sehr heikel und aufwendig.

[0019] Eine besonders bevorzugte Variante der Konditionierung des Bergwassers im primären Entwässerungssystem ergibt sich aus der Kombination der Lösung mit der Rückführung des bereits konditionierten Bergwassers aus dem sekundären EWS und dem Einsatz von Depotsteinen. Sehr oft ist die Installation der Pumpen (12), zur Rückführung des konditionierten Bergwassers (20) in das primäre EWS, während der Bauzeit nicht möglich oder mit grossem Aufwand verbunden und kann deshalb erst kurz vor oder nach der Inbetriebnahme des Bauwerks erfolgen.

   Je nach Tunnelbauwerk ergeben sich dadurch Wartezeiten von 1 bis 10 Jahren. Gerade in dieser Zeit müssen die Bauverantwortlichen mit starken Ablagerungen, insbesondere durch den Kontakt des Bergwassers mit frischen zementhaltigen Bauteilen rechnen. Zudem ist während der Bauzeit die Erhöhung des pH-Wertes durch die alkalischen Baustoffe am grössten und die Wirkung der herkömmlichen Konditionierungsmittel sinkt bekannterweise bei steigendem pH-Wert, sodass in dieser Zeit eine besonders hohe Konzentration an Konditionierungsmitteln erforderlich ist. Aus diesen Gründen ist die Kombination von Depotsteinen, die bereits während der Bauphase, insbesondere in den stark wasserführenden Zonen im primären EWS ausgelegt werden und der Rückführung des konditionierten Bergwassers mittels Pumpen die optimale Lösung.

   Die erforderliche Menge an Depotsteinen ergibt sich einerseits aus den hydrogeologischen Verhältnissen des Tunnelbauwerks und andererseits aus den Bauprogrammen, die über den frühestmöglichen Einsatzzeitpunkt des Pumpensystems entscheiden. Es ist also von grossem Vorteil, während der Bauphase zum provisorischen Schutz vor harten Ablagerungen Depotsteine in das primäre Entwässerungssystem, vorzugsweise in die Sickerpackungen (4),die Sickerschichten, die Drainagebohrungen, die Vliese oder die Drainagematten einzubauen.

[0020] Eine besonders bevorzugte Form der Konditionierung des Bergwassers des primären Entwässerungssystem ergibt sich durch die Verwendung von Polyasparaginsäure als Konditionierungsmittel in Mengen von 0,1 g/m<3> bis 10 000 g/m<3> für die vorgängige Behandlung des Bergwassers im sekundären Entwässerungssystem.

   Die Polyasparaginsäure hat sich, in den vergangenen 5 Jahren, bezüglich der Wirksamkeit, den Kosten, der Umweltfreundlichkeit (vollständig biologisch abbaubar) und der universellen Anwendbarkeit - insbesondere bei hohen pH-Werten - gegenüber allen anderen Konditionierungsmitteln bei fast allen Tunnelbauwerken in der Schweiz durchgesetzt.

   Gleichzeitig empfiehlt es sich für die zum Einsatz kommenden Depotsteine, solche mit einem wirksamen Gehalt an Polysuccinimid oder dessen Teilhydrolysaten, gegebenenfalls im Gemisch mit Hilfsstoffen aus gesättigten oder ungesättigten, linearen oder verzweigten Aryl- oder Alkyl-Verbindungen mit 5 bis 50 Kohlenstoffatomen, insbesondere Fettsäuren, speziell Laurinsäure zu verwenden, denn aus dieser Substanz bildet sich, in Abhängigkeit vom pH-Wert des Bergwassers, wiederum Polyasparaginsäure, die ja wie bereits beschreiben allen bekannten Konditionierungsmitteln vorzuziehen ist. Ein wirksamer Gehalt an Polysuccinimid oder dessen Teilhydrolysaten liegt zwischen 0,1 g/m<3> und 10 000 g/m<3>. Idealerweise ist eine Kombination des Einsatzes von Flüssigkonditionierung und Depotsteinen zur Behandlung des Bergwassers im primären Entwässerungssystem eines Tunnelbauwerks anzustreben.

Claims (18)

1. Verfahren zur Verhinderung von Ablagerungen in Tunnelbauten, dadurch gekennzeichnet, dass dem unbehandelten Bergwasser (1) im sekundären Teil des Entwässerungssystems ein oder mehrere Wasserkonditionierungsmittel beigemischt werden und danach dieses konditionierte Bergwasser (20) dem primären Entwässerungssystem zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Konditionierung des Bergwassers im sekundären Entwässerungssystem Drainagerohre (5) in Schächten (7) kurzgeschlossen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der primäre Teil des Entwässerungssystems die Elemente umfasst, die nach Fertigstellung des Bauwerks nicht mehr frei zugänglich sind, wie insbesondere die anstehende Felsoberfläche (2) mit ihren Klüften, Noppenbahnen, Drainagematten (17), Vliese, Drainagebohrungen, Aussenflächen von Drainagerohren (5), Sickerpackungen (4) um die Drainagerohre (5) herum, Sickerschichten, Öffnungen (21) der Drainagerohre (5) und dass der sekundäre Teil des Entwässerungssystems die Elemente umfasst, die nach der Fertigstellung des Bauwerks frei zugänglich sind, wie insbesondere das Innere (22) der Drainagerohre (5), Schächte (7), Schlammsammler, Ableitungen (8), Hauptentwässerungsleitungen (9).

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für die Konditionierung des Bergwasser im sekundären Entwässerungssystem ein oder mehrere Konditionierungsmittel in einer Gesamtmenge von 0,1 g/m<3> bis 10 000 g/m<3 >zugegeben werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Konditionierungsmittel Polysuccinimid, Polysuccinimid in Kombination mit Fettsäuren, Bernsteinsäureamid, Kohlenhydrate, Polysaccharide, Glukonate, Polyglycoside, Polyglucoside und deren Derivate, Polyoxycarbonsäuren sowie deren Copolymere, oxidierte Kohlenhydrate, Stärke oder Dextrine, Proteine und andere Eiweissprodukte, wasserlösliche Polyaminosäuren, Polyasparaginsäure, Silikate, Wasserglas oder Zeolithe eingesetzt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Konditionierungsmittel Ligninsulfonate, sulfonierte Kondensationsprodukte des Naphthalins mit Formaldehyd, Polyacrylate, Polymethacrylate, Polyacrylamide und Copolymere von Acrylsäure bzw. Methacrylsäure und Acrylamid, Phosphinsäure-haltige Homo- und Copolymere von Acrylsäure und Acrylamid und oligomere Phosphinico-Bernsteinsäure-Verbindungen, sulfomethylierte oder sulfoethylierte Polyacrylamide und Polymethacrylamide und Copolymere bzw. Terpolymere mit Acrylsäure und Maleinsäureester, N-Butylacrylamid und dessen Copolymere und Acrylamidopropionsulfonsäure und deren Copolymere, ferner phosphinoalkylierte Acrylamidpolymere und Copolymere mit Acrylsäure, Copolymere von Alkenen mit ungesättigten Dicarbonsäuren, und Polymere und Copolymere auf der Basis von Maleinsäure eingesetzt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Konditionierungsmittel Polyasparaginsäure oder Salze davon und/oder ihr Vorläufer Polysuccinimid (PSI) oder ein Teilhydrolysat davon dem zu behandelnden Bergwasser, in einer Gesamtmenge von 0,1 g/m<3> bis 10 000 g/m<3> zugegeben wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass während der Bauphase zum provisorischen Schutz vor harten Ablagerungen Depotsteine in das primäre Entwässerungssystem, vorzugsweise in die Sickerpackungen (4), die Sickerschichten, die Drainagebohrungen, die Vliese oder in die Drainagematten (17) eingebaut werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Depotsteine einen wirksamen Gehalt an Polysuccinimid oder dessen Teilhydrolysate in einer Gesamtmenge von 0,1 g/m<3> bis 10 000 g/m<3> gegebenenfalls im Gemisch mit Hilfsstoffen aus gesättigten oder ungesättigten, linearen oder verzweigten Aryl- oder Alkyl-Verbindungen mit 5 bis 50 Kohlenstoffatomen, insbesondere Fettsäuren, speziell Laurinsäure enthalten.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Zuführung des konditionierten Bergwassers (20) aus dem sekundären Teil des Entwässerungssystems in das primäre Entwässerungssystem Pumpen (12) verwendet werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Pumpen (12) um Tauchpumpen handelt.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpen (12) in den Schächten (7) der Drainageleitung platziert werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpen (12) mit mindestens einer Schlauchleitung (14) verbunden sind, die mit Öffnungen (15) versehen ist und dazu dient, das konditionierte Bergwasser (20) aus dem sekundären Entwässerungssystem im primären Entwässerungssystem zu verteilen.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpen (12) mit jeweils einer Zeitschaltuhr (24) gesteuert sind, damit nur so viel konditioniertes Bergwasser (20) aus dem Drainagerohr (5) entnommen wird, dass die minimalen Konzentrationen an Konditionierungsmitteln nach dem Vermischen mit dem unbehandelten Bergwasser (1) im primären Entwässerungssystem erreicht werden und dadurch ein möglichst langer Tunnelabschnitt behandelt werden kann.

15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpen (12) mit einer digitalen Zeitschaltuhr (24) so gesteuert werden, dass die optimalen Konzentrationen an Konditionierungsmitteln im primären Entwässerungssystem erreicht werden.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpen (12) von den anfallenden Wassermengen in den Schächten (7) und der darin enthaltenen Konzentration an Konditionierungsmitteln gesteuert sind.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das behandelte Bergwasser im Schacht (7) eingestaut wird, damit die Pumpen (12) problemlos fördern können.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlauchleitung (14) zur Rückführung des konditionierten Bergwassers in den primären Teil des Entwässerungssystems eine Länge zwischen 10 und 500 m, vorzugsweise zwischen 50 und 300 m, hat, dass der Schlauchdurchmesser zwischen 5 und 50 mm, vorzugsweise zwischen 10 und 30 mm, variiert, dass die Durchmesser der Öffnungen (15) in der Schlauchleitung im Bereich von 0,1 bis 10 mm, vorzugsweise von 0,5 bis 5 mm, liegen und dass der Abstand dieser Öffnungen (15) 0,1 bis 25 m, vorzugsweise 1 bis 15 m, beträgt.