Mit dem Einsatz des innovativen Kabel- und Rohrschlittens (KaRoSch) können Kabel bzw. Schutzrohre simultan mit dem Bettungsmaterial in offenen geböschten Baugruben verlegt werden. Durch weniger Aushubvolumen, geringere Grabenöffnungszeiten und keine bis wenig Wasserhaltungsmaßnahmen sowie exakt dosierbare Bettungsmaterialmengen ergeben sich auch ökologische Vorteile. Zudem wird die Arbeitssicherheit erhöht, da sich die Schutzrohre präzise führen lassen und die manuellen Arbeiten in der Baugrube minimiert werden. In Kombination mit einem entsprechenden Bagger, der die Baugrube vorbereitet und den KaRoSch durch diese zieht, sowie mit einer durchdachten Beschickung mit Bettungsmaterial lassen sich Streckenabschnitte von mehreren hundert Metern am Tag realisieren.
Wo gerade noch ein 2,05 m tiefer Graben war, erfolgt bereits wenige Minuten später die Rückverfüllung mit dem ursprünglichen Bodenmaterial. Der Einsatz des Kabel- und Rohrschlittens überzeugt auch aus ökologisch nachhaltiger Sicht mit kurzen Bodenbeanspruchungszeiten und verringertem Aushubvolumen. Der Kabel und Rohrschlitten gräbt sich in seinem ersten Einsatz bei trockenen und warmen Verhältnissen durch einen Teilabschnitt des Bauabschnittes C im Wahle-Mecklar Bauprojekt. Dieses durch den Netzbetreiber TenneT in Auftrag gegebene Projekt umfasst die Verlegung von 380-kV-Drehstromleitungen im Schutzrohrsystem als Verbindung zwischen dem Umspannwerk Lamspringe in Niedersachsen und dem Umspannwerk Mecklar in Hessen. Die Gesamtlänge von ca. 230 km wurde in vier Abschnitte (A-D) aufgeteilt, wobei der Auftrag für den Abschnitt C an die ARGE der Bohlen & Doyen Bau GmbH, Matthäi Bauunternehmen GmbH & Co. KG und Beermann Bohrtechnik GmbH vergeben wurde. Die Erteilung dieses Auftrages Mitte Dezember 2021 bildet gleichermaßen den Ausgangspunkt des Entwicklungs- und Konstruktionsprozess für den KaRoSch.
Enger Zeitrahmen, klare Anforderungen
Mit Baubeginn Ende März 2022 war dem Entwicklungs- und Konstruktionsprojekt von Beginn an ein straffer Zeitrahmen vorgegeben. So mussten bis Ende des Jahres 2021 sämtliche Anforderungen erhoben, alle Konzepte zur konstruktiven Umsetzung entwickelt und vollständige Ausführungsplanungen und -zeichnungen erstellt werden, damit die Konstruktion mit Beginn des Jahres 2022 starten und die Fertigung Ende Januar beginnen konnte.
Hilfreich waren die Erkenntnisse über ein solches System für ein 150-kV-System mit drei Kabeln, welches durch die dänische Per Aarsleff A/S bereits entwickelt und eingesetzt worden war. Mit dieser Idee als Grundlage wurden durch das Technische Büro der Bohlen & Doyen Bau GmbH weitere Schwerpunkte hinsichtlich eines effizienten Rüst- und Umsetzprozesses, Anpassungsmöglichkeiten festgesetzt – u. a. für die Einführrichtung der Stromkabel oder Schutzrohre sowie der Einsetzbarkeit unter erschwerten Witterungsbedingungen.
Ein besonderes technisches Ziel war der Einbau einer integrierten Verdichtereinheit, welche die losegeschüttete Bettungsschicht unterhalb der Schutzrohre direkt vor der Verlegung vorverdichtet. Das Endergebnis der Entwicklung und Konstruktion war eine Systemdifferenzierung, die alle Teilprozesse und deren Abhängigkeiten sowie die Eingliederung des Systems KaRoSch im Gesamtverlegeprozess darstellt. In dieser wurde definiert, dass die neue Technik prozessual dort ansetzt, wo im herkömmlichen Verfahren die Bildung einer Leitungszone stattfindet und die Rückverfüllung eingeleitet wird. Die Konstruktion und Bauweise dieses Schlitten lässt die simultane Verlegung von bis zu drei Kabeln oder Rohren mit einem Durchmesser von bis zu 275 mm und zusätzlich drei Rohren von bis zu 70 mm zu. Beschrieben werden hier zunächst die Besonderheiten und speziellen Erfahrung für drei DN 250-Rohre und drei DN 50-Rohre aus PE-Material.
Variabilität und schneller Rüst- und Umsetzprozess
Die Rohr- bzw. Kabelführung zeichnet sich durch eine besondere Variabilität aus. Grundsätzlich besteht eine Einteilung in vordere, mittlere und hintere Rohrführung, die aus zwei lösbar gelagerten sowie einem festen Führungspunkt besteht. Erstere lassen sich horizontal auf der Achse quer zum Schlitten so verschieben und lagern, dass eine Schutzrohr- bzw. Kabeleinführung von links und von rechts (beidseitig) möglich ist. Zudem lässt sich die seitliche Rohrführung radial verstellen. Dadurch ergeben sich bereits am vordersten Zwangsführungspunkt entsprechende Einstellmöglichkeiten, um bei witterungsbedingten Temperaturveränderungen auf die Ausdehnungen des Materials reagieren zu können.
Bei der konstruktiven Anordnung der Rohrführungen ist stets der Mindestbiegeradius eingehalten. Die Rohrführungen sind außerdem mit Vorrichtungen versehen, die das Mitführen von kleinen Schutzrohren z. B. für LWL-Leiter gewährleisten. Diese Vorrichtungen können auch in ihrer Lage so verändert werden, dass die Anordnung der kleinen Schutzrohre auf das jeweils angeforderte Verlegeprofil des Auftraggebers angepasst werden kann. Die hintere Rohrführung kann vertikal in der Höhe verändert werden, um den Druck auf die Schutzrohre bzw. Kabel zu variieren. Damit ist stets eine exakte, dem Verlegeprofil entsprechende Lage der zu verlegenden Schutzrohre bzw. Kabel gewährleistet. Die Konstruktion der Rohrführung ermöglicht in ihrem Aufbau, dass Verschleißteile wie Rollen und Lager jederzeit und ohne erheblichen Aufwand ausgetauscht werden können.
Um einen schnellen und vom Geländetyp unabhängigen Umsetz- und Rüstprozess sicherzustellen, wurden verschiedene Maßnahmen konstruktiv umgesetzt. Das stellt schließlich sicher, dass auch in Ausnahmefällen und bei Platzmangel oder fehlenden Hebegeräten schnell reagiert werden kann. Im Schlitten wurden komplett entnehmbare bzw. in Einzelteile zerlegbare Rohrführungen mit einer Flanschverbindung zwischen der vorderen und hinteren Baugruppe mittig vom KaRoSch kombiniert. Diese Anordnung ermöglicht eine Bergung in Ausnahmesituation ohne jegliches Kappen oder Trennen der Kabel bzw. Schutzrohrstränge. Unterstützend dazu lässt sich die hintere Querwand öffnen, sodass das in der Sandkammer lagernde Bettungsmaterial vor dem Bergeprozess entfernt werden kann und das Gesamtgewicht reduziert wird.
Entsprechend vorgesehene Hebeösen ermöglichen das Bergen der einzelnen Baugruppen, das auch durch Geräte mit geringeren Hebekräften umgesetzt werden kann. Der gesamte Vorgang zum Trennen des Schlittens, Separieren von den Rohren und Entfernen aus dem Graben dauert nur wenige Stunden. Somit kann auf unerwartete Hindernisse sehr schnell reagiert werden. Außerdem sind die Arbeitsschritte ohne spezielle Geräte und sogar teilweise von Hand möglich.
Elektrisch angetriebene Verdichtereinheit
Während des Prozessablaufs des KaRoSch hatte sich ergeben, dass die Herstellung der Leitungszone durch zwei separate Bettungsschichten realisiert wird. So erfolgt unmittelbar vor der Ablage der Schutzrohre die automatisierte Verlegung der unteren Bettungsschicht. Für die Leitungszone gelten hinsichtlich des Verdichtungsgrades sehr hohe und dem Straßenbau ähnliche Anforderungen. Um diese entsprechend zu erfüllen, ist es nicht ausreichend, eine nachgelagerte Verdichtung nach Positionierung der Schutzrohre und der oberen Bettungsschicht durchzuführen, da die bereits eingeführten Rohre einen Störfaktor für die durch einen Schwingungserreger in den Boden einwirkenden Verdichtungskräfte darstellen. Infolgedessen musste eine Verdichtereinheit in den KaRoSch integriert werden, die bereits vor dem Einführen und Ablegen der Schutzrohre die untere Bettungsschicht vorverdichtet. Dabei sind die Bereiche, die später durch die eingeführten Schutzrohre überlagert werden, hinsichtlich der Vorverdichtung von höherer Bedeutung als die Zwickelbereiche zwischen den Rohren, da diese durch die nachfolgende Verdichtung noch erreicht werden können.
Die Gesamtbreite der Sohle betrug 1.800 mm und die gewünschte Mächtigkeit der unteren Bettungsschicht mindestens 325 mm. Somit war bodenmechanisch schnell klar, dass die geforderte Verdichtung ausschließlich über mehrere Erreger zu erreichen ist. Ein einzeln positionierter Erreger mit entsprechend großer Verdichterplatte schied aus, da dessen Kräfte nur schwer über die gesamte Breite gleichmäßig abgeleitet werden konnten. Die Realisierung einer Verdichtereinheit mit mehreren Erregern musste dann allerdings in der Konstruktion so umgesetzt werden, dass diese entkoppelt voneinander arbeiten.
Sowohl eine selbstzerstörende Wirkung auf das Material als auch Überlappungs- und Resonanzerscheinungen mussten ausgeschlossen werden. Die technische Lösung dazu bestand aus drei Erregern, die separat voneinander auf drei mit Halbschalen ausgerüsteten Vibrationsplatten angebracht sind. Die Halbschalen entsprachen dabei in etwa den Radien der Schutzrohre. Dadurch wird mit der Verdichtung zugleich ein konkaves, dem Rohrdurchmesser exakt angepasstes Bettungsprofil geschaffen. In dieses werden die Rohre eingeführt und abgelegt, um diese mit dem nächsten Arbeitsprozess im Schlitten durch die zweite Bettungsschicht zu überdecken.
Eine Besonderheit dabei stellen die für die Lösung genutzten Verdichter selbst dar. Sie verfügen über einen akku-elektrischen Antrieb, wodurch am Ende auch der Einsatz von umweltgefährdenden Schmier- oder Betriebsstoffen ausgeschlossen wird. Dies macht den KaRoSch auch für den Einsatz in besonders geschützten Gebieten (Wasserschutzgebiete etc.) attraktiv. Zudem konnten die Akkus der einzelnen Verdichter über eine Funkquelle miteinander so verbunden werden, dass diese sich gleichzeitig und ohne Verzögerung starten und ausschalten lassen. Im Ergebnis wurde damit sehr schnell und simultan eine entsprechende Erregerfrequenz erreicht.
Obligatorischer Probelauf mit Technikkorrekturen
Bevor der fertige Schlitten auf die Baustelle geliefert wurde, sollte dieser einem Test unterzogen werden. Hierbei konnten noch eventuelle Fehler und Schwachstellen erkannt und beseitigt werden. Der Probelauf wurde weitgehend unter Baustellenbedingungen durchgeführt. Insbesondere Rohrmaterial, Rohrgrabentiefe, Geräte und Maschinen sowie der eigentliche Verfahrensablauf entsprachen der späteren Situation auf der Baustelle. Baugrund und einzubauendes Bettungsmaterial waren sogar deutlich schlechter, sodass das Gerät einem durchaus strengeren Test unterzogen wurde. Der verwendete Sand besaß ein sehr enges Korngrößenband, wodurch die Verdichtung erheblich schlechter zu erwarten war, als unter sonstigen Baustellenbedingungen. Es zeigt sich aber recht schnell, dass sowohl die Verdichtungstechnik als auch die Vorrichtung zur Lagesicherung der Rohre hervorragend funktionieren. Es waren lediglich kleinere Korrekturen an der Rohrführung und an den Sandkammern umzusetzen.
Ende März konnte das Gerät dann zum Einsatzort des Bauprojekts transportiert werden. Im Zuge des Landkabelabschnitts für die 380-kV-Übertragungsnetzverbindung Wahle-Mecklar des Netzbetreibers TenneT waren drei PE Rohre vom Durchmesser DN 250 und drei PE-Rohre mit DN 50 je System zu verlegen. Insgesamt gab es vier solcher Erdkabelsysteme, die in jeweils separate Kabelgräben zu verlegen waren. Sowohl der Abstand der Leerrohre zueinander als auch ihre Tiefenlage waren exakt einzuhalten. Der KaRoSch ist so konzipiert, dass er unter Berücksichtigung der vorgegebenen Mindestbiegeradien der Schutzrohre deren Abstände zueinander und die Tiefenlage genau einhält und keine Abweichungen davon zulässt. Dafür sorgt ein ausgeklügeltes Rollensystem, welches auch die drei kleineren PE-Rohre in ihre geforderte Position bringt.
So wird u. a. ein DN 50-Rohr exakt in der 12-Uhr-Position über dem mittleren Kabelschutzrohr eingebaut. Die Geometrie des Schlittens sorgt im Anschluss an den präzisen, GNSS-überwachten Grabenaushub für die exakte Einhaltung der Tiefenlage der Rohre. Mit der Position der Rohre im Graben ist außerdem die Stärke des verdichteten Rohrbetts zu gewährleisten. Sowohl unterhalb als auch oberhalb der Rohre soll eine Bettungsschicht von 325 mm hergestellt werden. Der Schlitten verfügt dazu über höhenverstellbare Profilabzugsbleche.
Nach wenigen Metern auf der Baustelle war der Verdichtungseffekt und damit die Volumenminderung des auf der Baustelle gemischten Bettungsmaterials ermittelt. Die Profilbleche konnten so direkt im Anschluss in ihrer Höhenlage im Schlitten justiert werden, damit die geforderte Schichtstärke der Bettung nach der Verdichtung erreicht wurde. Die Werte des verdichteten Rohrbetts wurden während des Projektfortschritts permanent gemessen. Dies erfolgte sowohl zwischen den Rohren sowie oberhalb als auch im Zwickelbereich. Hier zeigte sich, wie erfolgreich die Einbringung der Verdichtungsenergie über eine Stahlrohrhalbschale anstelle einer flachen Vibrationsplatte ist. Denn auch im sonst schwer zugänglichen Zwickelbereich ergeben sich Werte von bis zu 1,92 g/cm³ Trockendichte und insbesondere einem Verdichtungsgrad von bis zu 95 % Proctordichte (Abb. 5).
Mehr als nur präzise und schnelle Rohrverlegung
Die eigentliche Anforderung an einen solchen Schlitten war ursprünglich die Aussicht auf eine höhere Verlegegeschwindigkeit. Allerdings muss hier objektiv festgehalten werden, dass die reine Betrachtung der Geschwindigkeit solcher Schlittensysteme das Bild über die Bauabläufe und den Baufortschritt etwas verfälscht. Denn für einen kontinuierlichen, möglichst zügigen Rohrverlegeprozess mit dem Schlitten müssen alle vorbereitenden und begleitenden Arbeiten auf der Baustelle reibungslos und ohne Verzögerung getaktet und ausgeführt werden. Dazu gehört unter anderem die Baustraßenerrichtung, die Entfernung des Oberbodens, die Rohrstrangerstellung und vor allem die Produktion sowie die permanente störungsfreie Anlieferung des Bettungsmaterials. Erst wenn all diese Arbeiten mit hoher Geschwindigkeit und ohne Verzögerungen geleistet werden können, erreicht der Schlitten entsprechend hohe Werte.
Unter für konventionelle Verlegeverfahren im Landkabelbau üblichen Bedingungen wurden in diesem Projekt in den ersten Monaten Tagesleistungen von bis zu 200 m erreicht (Abb. 6). Selbstverständlich sind Bauleistungen immer von den örtlichen Bedingungen wie Baugrund, Grundwasser oder kreuzenden Bestandsleitungen abhängig. Das gilt in besonderem Maße für solche speziellen Geräte und Maschinen, die auf die technischen Bauanforderungen zugeschnitten sind. Insofern sind Leistungsangaben immer mit entsprechender Wertung unter diesen Aspekten zu betrachten. Die hier angegebene Verlegegeschwindigkeit bezieht sich auf die komplette Rohranordnung in einem hochwertig verdichteten Rohrbett.
Neben den Informationen zum Einbauzustand und zu den Eigenschaften der Bettung wird auch die Lage der Rohre exakt aufgezeichnet. Ein auf dem Schlitten installierter hochgenauer GNSS-Empfänger mit integrierter Neigungserfassung zeichnet nicht nur die horizontale und vertikale Position der Rohre auf. Es werden darüber hinaus auch mögliche Differenzen in der Tiefenlage zwischen dem äußeren und dem mittleren HVKabelschutzrohr erfasst. Sollte der Schlitten im Verlauf des Rohrgrabens in eine Abweichung zur exakten horizontalen Lage geraten, so wird diese registriert und eine Korrektur ist sofort möglich. Auf diese Art wird sichergestellt, dass alle Rohre dieselbe Tiefenlage haben.
Fortschritt für Umweltverträglichkeit und Ressourcenersparnis
Der erste Einsatz des KaRoSch im Projekt 380-kV Wahle-Mecklar zeigte neben dem Vorteil einer ggf. höheren Geschwindigkeit noch weitere Vorzüge. So können mit der im Schlitten verbauten Technik und der geometrischen Anordnung des Schlittenkörpers erhebliche Mengen an Bettungsmaterial (bis zu 20 %) eingespart werden. Die Grabengeometrie war vorab so zu optimieren, dass eine zusätzliche Ersparnis durch Sohlbreite und Böschungswinkel erreicht werden konnte. Darüber hinaus sorgen die Technik der Profilabzugsbleche sowie die Anordnung der Verdichtungseinheit dafür, dass kein überschüssiges Bettungsmaterial eingebracht wird. Die für die optimale Wärmeableitung erforderliche Schichtstärke der verdichteten Bettung wurde dabei aber in keinem Fall unterschritten.
Kabeltrassen des Übertragungsnetzes verlaufen über äußerst lange Strecken und benötigen sehr viel derartige Baustoffe für die Rohrbettung. Es ergeben sich daher schon bei wenigen Zentimetern in der Optimierung auf der Gesamtstrecke erhebliche Ressourceneinsparungen, nicht nur im Hinblick auf das Material selbst. Auch der Geräte- und Energieeinsatz bei der Herstellung sowie Lieferung des Baustoffs (und dessen Verteilung) auf der Baustelle wird minimiert und damit so umweltschonend wie möglich geplant.
Der umwelt- und ressourcenschonende Aspekt beim Einsatz des KaRoSch erstreckt sich außerdem auf den Einsatz des Antriebs der Verdichtereinheit. Dieser wird mit modernster Technik durch wiederaufladbare Akkus generiert, die unter normalen Bedingungen etwa einen Arbeitstag lang die Energieversorgung übernehmen. Dadurch werden beim Einsatz des Schlittens selbst keinerlei Abgase in die Umgebungsluft abgegeben, was die Arbeitsbedingungen bezüglich Schadstoffen und Lärm am Einsatzort ebenfalls verbessert (Abb. 7).
Die Schlittentechnik ermöglicht eine sehr kurze, oft wenige Minuten dauernde Phase, in der der Rohrgraben offen ist. Der Bagger hebt mittels Profillöffel direkt vor dem Schlitten den Boden aus und zieht dann direkt im Anschluss den Schlitten in Verlegerichtung. Die Boden- und Grundwasserverhältnisse waren in diesem Projekt so günstig, dass mit der kurzen Phase des offenen Grabens auf eine Wasserhaltung zur korrekten auftriebsfreien Verlegung der Rohre verzichtet werden konnte. Zusammen mit der Verringerung der Aushubmengen durch Minimierung des Grabenquerschnitts und der kurzen Grabenöffnungsdauer erfordert dieses Verfahren einen recht schonenden Eingriff in die Umwelt (Abb. 8).
Vorteile bezüglich Arbeitssicherheit und Personalkosten
Für die konventionelle Verlegetechnik, bei der die Rohre zunächst abgelegt, dann ausgerichtet und schließlich eingebettet werden, sind mehrere Fachkräfte im offenen Graben erforderlich. Neben der Lagekorrektur und der Verdichtung mittels Vibrationsplatten muss schließlich die korrekte Lage der Rohre eingemessen werden. Alle diese Arbeitsschritte werden in einem Arbeitsgang vom KaRoSch ausgeführt. Es sind daher im direkten Umfeld des Verlegevorgangs keine Personen mehr im Graben, um dort Arbeiten auszuführen. Gerade im Hinblick auf das kontinuierliche Senken der potenziellen Gefährdungen auf Baustellen und der ständigen Verbesserung der Arbeitssicherheit stellt diese Bauweise einen enormen Fortschritt dar. Die Bedienung der Vibrationseinheit und die Überwachung des Verlegevorgangs erfolgt außerhalb des Grabens und vermindert das Gefährdungspotenzial für das technische Personal erheblich. Es soll in diesem Zusammenhang nicht unerwähnt bleiben, dass die Schlittentechnik in der angewendeten Form ohnehin erheblich Personal einspart. Damit ergeben sich neben den umwelt- und ressourcenrelevanten auch wirtschaftliche Vorteile.
Fazit
Der Einsatz des neuen Kabel- und Rohrschlittens KaRoSch im Kabeltiefbauprojekt „Wahle-Mecklar-C“ hat gezeigt, wie effizient dieses Verlegesystem sein kann. Die Einschränkungen für eine effektive Anwendung waren vorab zu ermitteln und wurden entsprechend angepasst oder vermieden. So schränken insbesondere Strecken mit umfangreicher Drainage und extrem hohen Grundwasserständen die störungsfreie Arbeit und die Leistungsfähigkeit sehr ein. Im Verlauf des weiteren Baufortschritts sind diesbezüglich die vorbereitenden und begleitenden Arbeiten weiter anzupassen. Insbesondere die Logistik für die Lieferung des Bettungsmaterials spielt dabei eine sehr große Rolle.
Sicher ist die Technik eines Kabel- oder Rohrschlittens nicht die einzige Lösung für alle Anforderungen im Landkabelbau der großen Übertragungsnetze. Denn es gibt in verschiedenen Umgebungen und unter natürlichen Bedingungen gewisse Nachteile gegenüber der konventionellen offenen Grabenbauweise. Dazu gehören vor allem Strecken mit vielen Hindernissen – wie bestehende Infrastruktur, die gekreuzt werden muss oder sensible Abschnitte, die in geschlossener Bauweise zu unterqueren sind.
Die Entwicklung dieses Schlittens durch Bohlen & Doyen mit der simultanen Verlegung von sechs Rohren, der leichten Zerleg- und Umbaubarkeit und vor allem aber der Integration der Verdichtungstechnik stellt eine erhebliche Verbesserung der Kabel- bzw. Rohrverlegetechnik dar. Dies gilt ganz besonders hinsichtlich der sparsamen und nachhaltigen Nutzung von Ressourcen.
Autoren: Dr. Frank Krögel und Aaron Achilles
erschienen im bbr, Ausgabe 09-2022