Erneuerung von Rohrleitungen im Berstverfahren. Verfahrensbewertung, Regelwerk, Rohrstatik

23.10.2006

Angesichts des immer größer werdenden Straßenverkehrsaufkommens im innerstädtischen Bereich gewinnen Verfahrenstechniken zum unterirdischen, d. h. grabenlosen Instandhalten unserer Leitungsnetze aus ökonomischen und insbesondere aus ökologischen Gesichtspunkten eine immer größer werdende Bedeutung. Sie ermöglichen es, Verkehrsstaus und -umleitungen auf ein unumgängliches Maß zu beschränken, Lärmemissionen und Erschütterungen zu verringern sowie Folgeschäden an Bebauung und Bewuchs, verursacht durch Grundwasserabsenkungen, zu verhindern. Hierzu gehören die Berstverfahren zur Erneuerung von Rohrleitungen. Im vorliegenden Beitrag erfolgt eine Bewertung des Verfahrens, eine Übersicht über das einschlägige Normen- und Regelwerk sowie eine Darstellung der statischen Berechnung der mit dieser Verfahrenstechnik neu verlegten Rohre.

Bewertung des Berstverfahrens
Beim Berstverfahren werden Alt-Rohrleitungen grabenlos erneuert und radial in den umgebenden Boden verdrängt. In den freien Querschnitt werden umweltschonend gleichzeitig neue Schutz- oder Produktrohre gleichen oder größeren Durchmessers eingezogen. Kennzeichnend für das Verfahren ist der Einbau von neuen, industriell gefertigten und geprüften Rohren gleicher oder größerer Dimension in die Trasse des Altrohres. Es können nahezu alle Arten von Druck- bzw. drucklosen Rohrleitungen sowie Schutzrohre erneuert werden. Die neue Rohrleitung kann aus einem Rohrstrang oder Kurzrohren bestehen.
Das Berstverfahren hat sich international als technisch ausgereiftes Verfahren zur Erneuerung von Rohrleitungen im nichtbegehbaren Nennweitenbereich durch zahlreiche Praxiseinsätze bewiesen und kann schon lange als allgemein anerkannte Regel der Technik bezeichnet werden.
Vorbehalte gegenüber dieser Verfahrenstechnik, seine Anwendung würde gegen das Abfallrecht verstoßen, weil die Scherben der erneuerten Rohre im Baugrund verbleiben, konnten durch anerkannte Gutachten ausgeräumt werden.
Voraussetzung für den Einsatz des Berstverfahrens sind berstfähige Rohrwerkstoffe, was aber praktisch für alle klassischen Rohrwerkstoffe wie Guss, Faserzement, Beton und Steinzeug zutrifft, und eine verdichtbare Bodenmatrix in der Rohrtrasse. Als Neurohre eignen sich besonders Rohre aus den Werkstoffen Polyethylen (PE) und duktilem Gusseisen (GGG) ( Tabelle 1 ). Aber auch Neurohre aus PVC, Stahl, Polypropylen (PP), glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK), Steinzeug, Beton und Polymerbeton sind unter gewissen Voraussetzungen verwendbar ( Tabelle 2 ). Der Einsatzbereich umfasst das gesamte Nennweitenspektrum von DN 100 bis DN 600, in Sonderfällen auch darüber hinaus.
Normen und Regelwerk
DVGW und DWA (früher ATV bzw. ATV-DVWK) sowie RSV haben sich seit einiger Zeit in ihren Regelwerken bzw. Mitteilungen auch der wichtigsten Sanierungsverfahren für Rohrleitungen angenommen. Dazu gehört auch das Berstverfahren. Es handelt sich dabei insbesondere um folgende Regelwerke/Mitteilungen:
  • DVGW-Merkblatt GW 323 "Grabenlose Erneuerung von Gas- und Wasserversorgungsleitungen im Berstliningverfahren; Anforderungen, Gütesicherung und Prüfung"
  • DVGW-Arbeitsblatt GW 325 "Grabenlose Bauweisen für Gas- und Wasser-Anschlussleitungen; Anforderungen, Gütesicherung und Prüfung"
  • DWA-Merkblatt M 143-15 "Erneuerung von Abwasserleitungen und -kanälen durch Berstverfahren"
  • DWA-Arbeitsblatt A 125 (in Überarbeitung) "Rohrvortrieb"
  • DWA-Arbeitsblatt A 161 (in Überarbeitung) "Statische Berechnung von Vortriebsrohren"
  • RSV 8 "Erneuerung von Abwasserleitungen und -kanälen mit dem Berstlining-Verfahren; Anforderungen, Gütesicherung und Prüfung".
Rohrbezeichnung Rohrverbindung Bemerkung
PE-Langrohr mit Außenschutz Heizelementstumpfschweißung Zugfeste Verbindung. Im Falle abgemantelter Bereiche von Rohren mit Schutzmantel. Wiederherstellung des Außenschutzes vor Rohreinzug erforderlich
PE-Langrohr mit Außenschutz Steckverbindung Keine zugfeste Verbindung
Duktiles Gussrohr mit Faserzementummantelung Muffenverbindung mit Auszugssicherung Zugfeste Verbindung
Table 1:Üblicherweise für das Berstverfahren eingesetzte Neurohre. Quelle: Falk
Damit stellen die Verbände den Netzbetreibern, Planern und ausführenden Fachunternehmen praxisorientierte Grundlagen für die Durchführung des Verfahrens sowie zum Erreichen der jeweiligen Schutzziele und Qualitätsstandards zur Verfügung.
DWA-Merkblatt M 143-15
An dieser Stelle soll das DWA-Merkblatt M 143-15 "Erneuerung von Abwasserleitungen und -kanälen durch Berstverfahren" vorgestellt werden.
Anwendungsbereich
Im Berstverfahren können generell Rohre aus allen gängigen Werkstoffen mit den nachfolgend aufgelisteten Schäden unabhängig von Schadensanzahl und -ausmaß erneuert werden (sofern sich das Berstgestänge bzw. das Windenseil in das Altrohr einbringen lassen):
  • Rohrbruch
  • Korrosion
  • Abflusshindernisse
  • Nicht fachgerecht ausgeführte Kanalsanierungsmaßnahmen
  • Lageabweichungen
  • Verformung
  • Risse
  • Undichtigkeiten
  • Mechanischer Verschleiß.
Größere Lageabweichungen in Form von Unter-, Über- und seitlichen Bögen können im Allgemeinen nur teilweise ausgeglichen werden.

Bei zu erneuernden Leitungen, die unterhalb des Grundwasserspiegels liegen, sind ggf. besondere Maßnahmen erforderlich.

Feststellung und Beurteilung des Ist- Zustandes
Bei der Feststellung und Beurteilung des Ist- Zustandes sind die Angaben des DWA-Merkblattes M 143-1, Abschnitt 7 zu beachten bzw. umzusetzen.
Planung
Die Planung erfolgt gemäß bzw. unter Beachtung von ATV-DVWK-Merkblatt M 143-1, Abschnitte 8 und 9 auf der Grundlage der Feststellung und Beurteilung des Ist-Zustandes.

Einfluss auf die Umgebung
Bei der Planung und Bauausführung müssen Einflüsse auf die Umgebung berücksichtigt werden. Bei der Wahl des Aufweitmaßes ist in Abhängigkeit der Bodenverhältnisse abzuwägen, welcher Energieeinsatz im Hinblick auf Erschütterungen, Bodenverschiebungen (mit Rücksicht auf benachbarte Leitungen) und hieraus resultierenden Hebungen an der Oberfläche noch vertretbar ist.

Zur Vermeidung von Hebungen oder Setzungen der Oberfläche hat sich eine Mindestüberdeckung des Altrohres von 10 x Aufweitungsmaß bewährt. Dieses Maß ist in Abhängigkeit der Bodenverhältnisse im Einzelfall zu prüfen.

Die Mindestabstände zu benachbarten Leitungen sind abhängig von
  • der Bodenbeschaffenheit,
  • der Art der benachbarten Leitungen und
    Bauwerke.
Bei bindigen Böden hat sich in der Praxis bei parallel verlaufenden Leitungen die Einhaltung eines lichten Abstandes bewährt, der mindestens das 3-fache des Aufweitmaßes, mindestens jedoch 40 cm betragen sollte.

Bei nichtbindigen und/oder steinigen Böden müssen die Mindestabstände zu anderen Ver- und Entsorgungsleitungen besonders betrachtet werden.

Bei spröden und bruchgefährdeten Rohrwerkstoffen (z. B. Steinzeug, Grauguss) der vorhandenen Fremdleitungen hat sich ein Mindestabstand, der mindestens das 5-fache des Aufweitmaßes beträgt, bewährt.

Bei Fremdleitungen aus spröden und bruchgefährdeten Rohrwerkstoffen ab einem Nenndurchmesser von 200 mm hat die Praxis gezeigt, dass ein Mindestabstand von 1,0 m nicht unterschritten werden sollte.
Rohrbezeichnung Rohrverbindung Bemerkung
PE-Kurzrohr ohne Außenschutz Steckverbindung mit oder ohne Schweißverbindung Keine zugfeste Verbindung
GFK-Kurzrohr Steckverbindung mit Verriegelungsstab Zugfeste Verbindung
GFK-Vortriebsrohr Kupplung mit Dichtprofil Keine zugfeste Verbindung
PVC-Kurzrohr Steckverbindung Mit und ohne zugfeste Verbindung
PP-Kurzrohr Steckverbindung Mit und ohne zugfeste Verbindung
PE-Langrohr ohne Außenschutz Heizelementstumpfschweißung Zugfeste Verbindung
PP-Langrohr ohne Außenschutz Heizelementstumpfschweißung Zugfeste Verbindung
Steinzeug-Vortriebsrohr Kupplung mit Dichtprofil Keine zugfeste Verbindung
Polymerbeton-Vortriebsrohr Kupplung mit Dichtprofil Keine zugfeste Verbindung
Stahlbeton-Vortriebsrohr Kupplung mit Dichtprofil Keine zugfeste Verbindung
Table 2:Weitere für das Berstverfahren geeignete Neurohre. Quelle: Falk
Berstvorgang
Das Produktrohr ist unter Berücksichtigung der zulässigen Zugkräfte und Biegeradien beschädigungsfrei einzubringen.

Beim Einziehen werksseitig ummantelter Rohre ist bei der Anbindung des Rohres an den Aufweitungskörper sicherzustellen, dass sich der Schutzmantel nicht lösen bzw. aufschieben kann. Beschädigungen des Schutzmantels bei ummantelten Rohren stellen keinen Mangel dar.
Während des Berstvorganges muss zwischen dem Außendurchmesser des Aufweitungskörpers und dem des neuen Rohres ein Überschnitt vorhanden sein, der sich während und/oder nach Abschluss der Erneuerungsmaßnahme zurückbilden kann.
Die direkt auf den Rohrstrang wirkenden Zugkräfte sind zu messen und zu protokollieren, sofern nicht die Einhaltung der zulässigen Zugkräfte durch einen entsprechend dimensionierten Überlastungsschutz sichergestellt wird.
Anforderungen an die neuen Rohre
Der statische Nachweis bzw. die Bemessung der neuen Rohrleitung erfolgt nach DWAArbeitsblatt A 161 (s. u.).

Die auf das Neurohr wirkenden Kräfte, resultierend aus der Mantelreibung und anderen verfahrensspezifischen Belangen (z. B. Biegeradien), müssen sowohl vom Neurohr als auch von den Rohrverbindungen schadlos aufgenommen werden.

Um Beanspruchungen, die sich durch Reibungskräfte, den Baugrund und Altrohrscherben ergeben, aufzunehmen, sollten Neurohre mit einem geeigneten Außenschutz versehen werden (vgl. Tabelle 1). Der Außenschutz muss in diesem Fall auch im Bereich der Rohrverbindungen gewährleistet sein.
Beim Einbringen der Rohre sind die zulässigen Biegeradien bzw. Abwinklungen in den Rohrverbindungen einzuhalten.
Es besteht die Möglichkeit zum Einbau von Rohren mit zugkraftschlüssigen Rohrverbindungen und mit nicht-zugkraftschlüssigen Rohrverbindungen. Im zweiten Fall ist sicherzustellen, dass Rohrstrang und Rohrverbindungen während des Einbauvorganges keine Zugbeanspruchungen in Längsrichtung erfahren. Dies kann durch ein Verspannen von Rohrstrang bzw. Einzelrohren gewährleistet werden. Bei der Verspannung sind
  • die aufnehmbaren Druckkräfte der Rohre und Rohrverbindungen sowie
  • die aufnehmbaren Kräfte der Verspannvorrichtung,
zu berücksichtigen und einzuhalten.

Des Weiteren ist sicherzustellen, dass sich Rohrverbindungen und die Verbindung des Rohrstrangs mit dem Aufweitungskörper nicht lösen.

Im Falle des Einbaus von Rohren mit zugkraftschlüssigen Rohrverbindungen aus duktilem Gusseisen sind längskraftschlüssige Muffenverbindungen (TIS-K, TKF, VRS) einzusetzen.

Üblicherweise werden für das Berstverfahren die in Tabelle 1 aufgeführten Rohre bzw. Rohrwerkstoffe eingesetzt; in Tabelle 2 werden weitere, für das Berstverfahren geeignete Neurohre genannt.
Statische Berechnung der neu verlegten Rohre
Lange Zeit unklar war die statische Berechnung der mittels des Berstverfahrens verlegten Rohre. Durch verschiedene Forschungsvorhaben (vgl. [1] bis [4]) seit Begin der 90er Jahre konnte Aufschluss über die durch das Verfahren verursachte Rohr-Boden-Interaktion und die sich daraus ergebende Rohrbelastung sowie die Wirkung der Altrohrscherben gewonnen werden.

Auf der Basis theoretischer und experimenteller Untersuchungen wurde ein Modell des Berstverfahrens entwickelt [4]. Dieses ermöglicht sowohl die Bestimmung des Einflusses des Verfahrens auf die Umgebung in Form einer plastischen Bodenzone, die durch radiale Bodenverschiebungen und erhöhte Spannungen im Vergleich zum Primärspannungszustand gekennzeichnet ist, als auch eine Dimensionierung der Rohre gegenüber äußeren Erddruckbelastungen.

Nach den Ergebnissen der FEM-Modellrechungen ergeben sich durch die Verfahrenstechnik des Berstverfahrens und die hiermit verbundene Rohr-Baugrund- bzw. Berstkörper- Baugrund-Interaktion im Vergleich zu den Angaben nach dem ATV-Arbeitsblatt A 161 geringere Rohrbelastungen aus Erddruck quer zur Rohrachse.

In Anbetracht der Größe der Abweichungen können Berechnungen der Erddruckbeanspruchung nach ATV-Arbeitsblatt A 161 (bzw. nach dessen Veröffentlichung nach DWA-Arbeitsblatt A 161) quer zur Rohrachse und eine entsprechende Dimensionierung der Rohre als auf der sicheren Seite liegend bezeichnet werden.

Diese Ergebnisse haben Eingang gefunden in die einschlägigen, oben genannten Normen und Mitteilungen, so dass heute die statische Berechnung und Dimensionierung als geklärt betrachtet werden können.

Es wird empfohlen, gemäß DWA-Merkblatt M 143-15 Rohre mit Außenschutz zu verwenden (Tabelle 1). Beim Einbringen der Rohre sind die zulässigen Biegeradien bzw. Abwinklungen in den Muffenverbindungen sowie zulässigen Zugkräfte einzuhalten.
Fazit
Das Berstverfahren ist mit seinen unterschiedlichen Varianten und jahrzehntelangen Einsatzerfahrungen eine ausgereifte Option für die grabenlose Erneuerung eines großen Teils der schadhaften Ver- und Entsorgungsleitungen. Auch die gelegentlich gegen dieses Verfahren vorgebrachten Vorbehalte erweisen sich bei näherem Hinsehen als wenig gehaltvoll. Insgesamt kann man das Berstverfahren und seine Verbreitung ohne Zweifel als Erfolgsstory bezeichnen: Weit mehr als 50.000 km Rohrleitungen der Ver- und Entsorgung wurden mit ihm durch neue Rohre ersetzt.
Literatur
[1] Stein, D.: Grabenloser Leitungsbau, Ernst & Sohn, Berlin, 2003
[2] Stein, D.: Instandhaltung von Kanalisationen, 3. Auflage, Ernst & Sohn, Berlin, 1998
[3] Falk, C.: Modellierung des Berstverfahrens zur Erneuerung erdverlegter Leitungen, Dissertation, Ruhr-Universität Bochum, 1995
[4] Falk, C.; Strozyk, J.: Statische Berechnung von mittels des Berstverfahrens verlegter Rohre, Vortrag und Proceedings NO-DIG 2004, Hamburg
[5] Rameil, M., Späth, T., Kotzur, R., Hessel, J.: Rohre aus Polyethylen für grabenlose Verlegetechniken, 3R International 43 (204) Nr. 4-5
Der Autor:
Dr.-Ing. Christian Falk
Abteilungsleiter im Tiefbauamt Dortmund
Tel.: +49 (0) 231 5022663
E-mail: dfalk@stadtdo.de

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