Schleuse Lüneburg - Geotechnische Herausforderungen beim Neubau einer Schleuse in unmittelbarer Nähe des Schiffshebewerks Lüneburg

Freiberg, 06. Juli 2016

Schleuse Lüneburg

Dipl.-Ing. Ulf Matthiesen (BAW-DH)

Geotechnisches Seminar

Geotechnische Herausforderungen beim Neubau einer Schleuse in unmittelbarerNähe des Schiffshebewerks Lüneburg

Institut für Geotechnik, Technische Universität Bergakademie Freiberg

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1. Bundesanstalt für Wasserbau (BAW)§ Allgemein§ Fachbereiche, Aufgabenschwerpunkte§ Referat Geotechnik Nord (K1)

2. Neubau Schleuse Lüneburg§ Einleitung, Motivation zum Schleusenneubau§ Schleusengestaltung§ Baugrund§ 2-D FEM Studie (BAW)

3. Baugrubenplanung§ Allgemein§ 2-D FEM Modellierung§ 3-D FEM Modellierung

Schleuse Lüneburg | Ulf Matthiesen06.07.2016 Seite 2

Inhalt

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BAW - Allgemein

Die BAW begutachtet, berät und forscht in den Bereichen:Bautechnik, Geotechnik und Wasserbau

Schleuse Lüneburg | Ulf Matthiesen

Die Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) ist eine zentrale technisch-wissenschaftliche Bundesoberbehörde zur Unterstützung desBundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI).

Zentrale Aufgabe:Beratung und Unterstützung desMinisteriums (BMVI)und der Wasserstraßen- undSchifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV)

Seite 306.07.2016

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BAW - Allgemein

Deutschlandverfügt überdas größte

WasserstraßennetzWesteuropas

227 Mio. TonnenGüter transportiert

(2013)

23.000 km²Seewasserstraßen

7.300 kmBinnenwasserstraßen

53.000 km Fernstraßen

34.000 km Schiene

9% Wasserstraße

72% Straße

16% Schiene

4% Pipeline

Gesamttransportaufkommen


Bundeswasserstraßen

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BAW - Allgemein

Und die meisten Großstädte undwichtigsten Industriezentrenliegen an diesen Wasserstraßen

Über 2.300 BauwerkeSchleusenSchiffshebewerkeWehranlagenKanalbrückenDämmeUfersicherungenStrombauwerkeBrücken über Wasserstraßen


Bundeswasserstraßen

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BAW - Fachbereiche

Die BAW begutachtet, berät und forscht in den Bereichen:

Bautechnik Geotechnik Wasserbau


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BAW - Fachbereiche

KonstruktiveGestaltung

Erhaltungs-management Baustoffe

Stahlbau &Korrosionsschutz Massivbau


Bautechnik

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BAW - Fachbereiche

Baugrund-erkundung

Erdbau &Uferschutz

GrundwasserGrundbauBaugrunddynamik


Geotechnik

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BAW - Fachbereiche

Wasserstraße &Umwelt Flussbau

Schiff /Wasserstraße

Spezial-Schiffbau

Natur-messungen

Küsten-wasserbauwerke

NumerischeVerfahren

Wasser-bauwerke

OffshoreGründung


Wasserbau Binnen / Küste

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BAW - Aufgabenschwerpunkte

Forschung undEntwicklungBeispiele:

§ Besonders dauerhafteBaustoffe

§ Fischaufstiegsanlagenfür große Flüsse

§ NaturnaheUfersicherungen

NormensetzungVertreten in über250 Ausschüssen

Beratung undBegutachtungWasserstraßen undihre Anlagen

Wissenstransfer§ Kolloquien und

Aussprachetage

§ Schulungen

§ Vorträge undVeröffentlichungen


Unsere Aufgabenschwerpunkte

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Referat Geotechnik Nord

§ Norddeutsche Tiefebene (geologisch „jung“)

§ Binnen- und küstenspezifischegeotechnische Aufgaben (Küstenbauwerke)

§ Entfernungen in Deutschland

BAW – Referat Geotechnik Nord


BAW Hamburg

BAW Karlsruhe

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Einsatzschwerpunkte

06.07.2016 Seite 12

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§ Baugrunduntersuchungen und –beurteilungen

§ Gründungsempfehlungen und Entwurfsberatungen

§ Beratung bei Ingenieur-Vergaben

§ Beurteilung von Standsicherheiten und Gebrauchstauglichkeiten / GeotechnischeBerechnungen

§ Bewertung von Alternativ- und Sondervorschlägen

§ Geotechnische Bauwerksmessungen

§ Beratung bei Bauausführungen

§ Grundsatzuntersuchungen (F+E-Vorhaben)



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Neubau Schleuse Lüneburg - Einleitung


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Quelle: WSA Uelzen


SHW Lüneburg(38 m Hubhöhe)

+65,0 m NHN

+4,0 m NHN

Schleusen Uelzen I & II(23 m Hubhöhe)

06.07.2016 Seite 15

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Schiffshebewerk Lüneburg

§ 1969 – 1975 Bauzeit

§ 1976 Freigabe ESK

Weitere Infos:

§ www.wsa-uelzen.wsv.de

§ www.baw.de

à Historisches Bildarchiv



Quelle: BAW, Historisches Bildarchiv

06.07.2016 Seite 16

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Quelle: BAW, Historisches Bildarchiv Quelle: WSA Uelzen

Quelle: WSA Uelzen

06.07.2016 Seite 17

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Schiffhebewerk Lüneburg

§ Doppelschiffshebewerk

§ 4 Führungstürme je Trog

§ Nutzbare Troglänge 100 m

§ Nutzbare Trogbreite 12 m

§ Wassertiefe 3,4 m

§ Kanalbrücken, Länge 42,5 m

< 185 m Uelzen



Quelle: WSA Uelzen

Ansicht Nord-Ost

Ansicht Süd-Ost

Quelle: www.schiffshebewerk-scharnebeck.de

06.07.2016 Seite 18

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Geplante Schleuse Lüneburg

§ Kammerlänge 225 m

§ Kammerbreite 12,5 m

§ Massivbauweise,geschlossener Rahmen

§ Sparbecken etagenförmig inKammerwänden



Quelle: INGE „Baugrube Schleuse Lüneburg“

Que

lle:N

BAH

anno

ver

geplante Schleuse

Abstand?

06.07.2016 Seite 19

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Gibt es vergleichbare Schleusen?

§ Schleuse Tucurui (Brasilien), Fallhöhe 36,5 m

§ Schleuse Ust-Kamenogorsk (Kasachstan), Fallhöhe 42,0 m

§ Snake River (USA) mehrere Schleusen mit Fallhöhen zwischen 30 und 32 m

§ Jangtsekiang, obere Schleuse der Schleusentreppe am Dreischluchtendamm (China)

Neubau Schleuse Lüneburg - Schleusengestaltung

Schleuse Lüneburg | Ulf MatthiesenSeite 2006.07.2016

Quelle: https://commons.wikimedia.org

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Neubau Schleuse Lüneburg - Schleusengestaltung


Terrassenförmig angeordnete Sparbecken:

§ Große Fallhöheà hohe Sparbeckenanzahlà großeAchschüttungenà großer Flächenbedarf

§ Hohe Lastwechsel in der Sohle

Alternativ: Sparbecken in Kammerwände integriert

§ Gleichmäßigere Sohlpressung

§ Kammerquerschnitt als geschlossener Rahmen

§ Geringerer Flächenbedarf

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Längsschnitt (Süd-Nord)

Neubau Schleuse Lüneburg - Baugrund


Schmelzwassersandeund -kiese

Beckensand

Beckenschluff

Geschiebemergel

Lage der geplanten Schleuse

06.07.2016 Seite 22

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Neubau Schleuse Lüneburg - Baugrund


Lage dergeplantenSchleuse

SW-Sand

SW-Sand und -Kies

Beckenschluff

Beckensand

-5,5 m NHN

-12,0 m NHN

Querschnitt(West-Ost)

06.07.2016 Seite 23

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Voruntersuchung 2D-FEM (Plaxis 2D)

§ Verformungsverhalten SHW

§ Erste Abschätzung zur Lage der Schleuse

à Boden-Bauwerks-Interaktion unterBerücksichtigung Abstand Schleuse-SHW

Neubau Schleuse Lüneburg - 2D FEM-Studie (BAW)


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Aushub derBaugrube

Hebung ausEntlastung

06.07.2016 Seite 25

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Belastung durch Bau undBetrieb der Schleuse

Abstandsvariation

Mitnahmesetzung

06.07.2016 Seite 26

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Randbedingungen

§ Lediglich Baugrundaufschlüsse imBereich des SHW (1967 - 1970)vorhanden

§ Keine konkreten Planungen zurBaugrube

Modellannahmen Schleusenbaugrube

§ Steifer, verformungsarmerBaugrubenverbau

§ Rückverankerte UW-Betonsohle

Modellvariationen

§ Abstandsvariation 30 m, 40 m, 50 m,60 m lichter Abstand



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Small-Strain-Stiffness

à Berücksichtigung erhöhterMaterialsteifigkeiten bei geringemDehnungsniveau

(initialer Schubmodul G0)

Stoffliche Modellierung

§ Hardening Soil unter Berücksichtigung der Small-Strain-Stiffness (HSSmall)

à elasto-plastisches Stoffmodell (Double Hardening)

à Abbildung irreversibler Schubverzerrungen &Volumendehnungen

à spannungsabhängige Steifigkeit

à Abbildung von Erst- und WiederbelastungQue

lle:P

laxi

s2D

2015

,Mat

eria

lMod

els

Que

lle:P

laxi

s2D

2015

,Mat

eria

lMod

els

Sch

ubm

odul

G/G

0[-]

Scherdehnung gs [-]

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SHW - westliche Trogwanne

Setz

unge

n[m

m]

06.07.2016 Seite 29

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Parameterstudie

§ Variation Bauwerksabstand

§ Variation Grundwasserstand

§ Variation Stoffparameter (Steifemodul Boden)

§ Variation Stoffgesetz (mit / ohne „Small-Strain-Stiffness“)

à Empfehlung: Verifizierung der Modellparameter!



Gur G0

06.07.2016 Seite 30

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§ Flächenhafte Erkundung derSchichtenverläufe im Bereich derSchleuse

§ Verifizierung der Materialparameter durchFeld- und Laborversuche

§ Geophysikalische Messungen (Crosshole-und Downhole-Verfahren) zur Ermittlungelastischer Bodeneigenschaften (Small-Strain-Stiffness)

Neubau Schleuse Lüneburg - Baugrunderkundung


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Baugrubenplanung - Allgemein


Que

lle:I

NG

E“B

augr

ube

Schl

euse

Lüne

burg

“

Präzisierung der Baugrube

§ Bauablauf

§ Verbau

§ Aussteifung / Rückverankerung

INGE „Baugrube Schleuse Lüneburg“

§ grbv (Objektplanung)

§ Grontmij (Tragwerksplanung)

§ GuD (Numerische Berechnungen)

Numerische Berechnungen

§ Festlegung Stoffparameter anhand von BAW Baugrundgutachten

§ 2D FEM: Ermittlung Bauwerksabstand, Variantenuntersuchung Baugrubenverbau

§ 3D FEM: Detaillierte Untersuchung räumlicher Einflüsse

06.07.2016 Seite 32

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Stoffkennwerte für HS-Small-Modell

Baugrubenplanung – 2D FEM Modellierung


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Stoffkennwerte für HS-Small-Modell

Becken-schluff

Schmelz-wasser-

sand

Schmelz-wasser-sand/-

kies

Becken-sand

ϕ' [°] 38 37,5 37,5 39

c' [kN/m²] 10 0 0 0

ѱ' [°] 8 7,5 7,5 9

p ref [kN/m²] 400 200 400 500

E50ref [MN/m²] 45 80 110 140

EOedref [MN/m²] 30 80 110 140

Eurref [MN/m²] 180 220 300 350

G0ref [MN/m²] 150 130 190 280

γ0,7[-] 3E-04 2E-04 2E-04 2E-04

Triaxialversuch, Drucksondierung

Korrelation zum Reibungswinkel

Oedometerversuch, Triaxialversuch(Korrelation zu DS)

Crosshole-Seismic-Versuch

Erfahrungswert

Mittlerer in-situ Spannungszustand

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Ziel der Voruntersuchung

§ Auswirkung des Schleusenbaus auf das verformungsempfindliche Schiffshebewerkbestimmen

§ Bestimmung des Mindestabstandes zwischen der neuen Schleuse und dembestehenden Schiffshebewerk bei Einhaltung der Grenzverformung

§ Festlegung des Baugrubenkonzeptes und des Bauverlaufs




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Ergebnis der Voruntersuchung

§ 60 m Abstand zwischen Schleuse und SHW

§ vierfach gestützte Schlitzwand mit Wanddicke von 1,5 m mit einer kombinierten Stützungaus einer oberen Steifenlage und 3 darunter liegenden Ankerlagen




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Bauablauf im numerischen Modell:

§ Historischer Bau des Schiffshebewerks

§ Großflächiger Voraushub

§ Bau der Schlitzwände und Aufbringen derVerkehrslast

§ Baugrubenaushub und Einbau obererSteifenlage

§ Unterwasseraushub bis Baugrubensohle

§ Einbau von Sohlverankerung undUnterwasserbetonsohle

§ Stufenweises Lenzen der Baugrube und Einbauder jeweils folgenden Ankerlage bis dieBaugrube vollständig gelenzt ist

§ Schrittweiser Bau der Schleuse


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400 m

550 m

170 m

SHW Unterer Vorhafen

Damm für SHW Oberer Vorhafen

Schiffshebewerk (SHW)

Baugrube der neuen Schleuse

Ziel der räumlichen Modellierung ist die Ermittlung der Verformungen untermöglichst realitätsnahen Randbedingungen

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§ Längsschnitt durch Baugrund

§ Über die Vorgabe von 16 ausgewählten Bohrprofilen wird ein realistisches räumlichesBaugrundprofil berücksichtigt



Schleuse

Schiffshebewerk


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Abbildung Schiffshebewerk



Damm unteroberem Vorhafen alsFlächenlast

Linienlast aus demoberen Vorhafen,eingeleitet durch Stützender Kanalbrücke

Flächenlast für Türmeinkl. Kammer,Gewichten, Treppenhausund Fahrstuhlschächten

Sohlplatte und Trogwanne mitlinear-elastischem Materialverhalten


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Abbildung Baugrube der neuen Schleuse



Node-to-Node Anchor

Embedded Pile

Fixed-End Anchor

Schiffshebewerkzugewandte

Seite

Schiffshebewerkabgewandte

SeiteQuelle: INGE „Baugrube Schleuse Lüneburg“

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Abbildung Schleuse mit Unterwasserbetonsohle und Rückverankerung



Unterwasserbetonsohle

Auftriebsanker mitEmbedded Pile Schleuse


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Akkumulierte Verformung des Schiffshebewerks



Schleusenbau

Lenzen biszur Endtiefe

[mm]16

14

12

10

8

4

-4

-6

-2

0

2

6


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Entwicklung der vertikalen Verformungen



-10

-5

0

5

10

15

20

25

3035 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63 65 67 69 71 73 75 77 79 81 83 85 87 89 91 93 95 97 99 101

103

105

107

109

111

113

115

117

119

121

123

125

127

129

131

133

135

137

139

141

143

145

147

149

Vert

ikal

eVe

rfor

mun

g[m

m]

Steps []

Westlicher Punkt Turm Östlicher Punkt Turm

Westlicher Punkt Nordtor Östlicher Punkt Nordtor

Voraushub

Endaushub

Lenzen bis+5,0 m NHN

Lenzen bis +0,0 m NHN

Lenzen bis -5,0m NHN

Lenzen bis -12,0m NHN

Neubaulast

N

Lage der maßgebenden Punkte am Schiffshebewerk


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§ Von besonderer Interesse sind die Auslenkungen der Turmköpfe aufgrund der in denTürmen befindlichen Anlagen.

§ Maximale zulässige Auslenkung von 20 mm wird eingehalten




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Erddruckvergleich mit Ansätzen aus Empfehlungen



EAB EAU

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Erddruckvergleich mit Ansätzen aus Empfehlungen



FEM EAU-Ansatz (90% Erdruhedruckanteil) EAB-Ansatz (90% Erdruhedruckanteil)

1-fache Stützung 2-fache Stützung 4-fache Stützung(Endzustand)

Aushub innerhalb BGauf -13,50 mNHN

Lenzen auf 0,0 mNHN,Einbau 2. Ankerlage Vollständig gelenzte

Baugrube


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§ Ableitung der Erddruckfiguren für die Tragwerksplanung



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Parallel 3-D Modell TU Freiberg (Flac3D)



311 Steifen, 2198 Anker, 3750 Auftriebpfähle

Derzeit 56000 Zonen, 62000 Knotenpunkte

Quelle: TU Bergakademie Freiberg, Institut für Geotechnik

Bundesanstalt für Wasserbau22559 Hamburg

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Quelle: WSA Uelzen

Science

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