City-Tunnel Leipzig - Bodenvereisung

Auch die Bodenvereisung findet Anwendung beim City-Tunnel Leipzig. Beim Projekt wird die Vereisung am Los B (Lückenschluss Station Markt) sowie am Bergestollen (Rückbau Bohrpfahlwand unter dem Marriott Hotel) und beim LOS C Unterfahrung Hauptbahnhof angewendet.
Dabei finden zwei Vereisungsvarianten statt, die auf dieser Webseite erläutert werden:

Grundsystem: Bei einer Vereisung wird das Grundwasser im Boden durch ein Kühlmittel unter dem Gefrierpunkt gebracht und gefriert. Daduch wird ein standfester, wasserdichter Boden erzeugt. Der Grundwasserspiegel sowie das Grundwasser wird dadurch meist nicht beeinflusst und das Verfahren ist somit sehr Umweltfreundlich.

Solevereisung - Allgemeines

Die Solevereisung wird beim City-Tunnel bei der Unterfahrung des Hauptbahnhofs angewendet. Dafür werden zwei Vereisungsstollen mit einem Außendurchmesser von 3,0m neben den zukünftigen Tunnel aufgefahren. Die Länge des Weststollens beträgt 146,0m und des Oststollens 110,0m.
Die arbeiten werden von der ARGE Vereisung Hauptbahnhof ausgeführt, die aus den Firmen, Züblin Spezialtiefbau GmbH, RODIO GmbH Spezialtiefbau sowie INSOND Spezailtiefbau GmbH besteht.

Solevereisung - Einbau der Bohrungen

Von diesen Stollen werden in einem Rundumwinkel von 180 ° insgesamt 1.230 Bohrungen in den Boden eingebracht. Die kürzeste ist dabei 0,5m und die längsten bis zu 18,0m. Die Gesamtlänge der Bohrungen beträgt 9.535m also 9,535 km. Für die Bohrungen werden mehrere Spezialgeräte eingesetzt. Als Bohrtechnik kommt eine Verdrängungsbohrung zum Einsatz. Das Bohrgestänge wird dabei immer um 55cm verlängert. Der Bohrkopf sowie das Bohrgestänge verbleiben im Boden.

Solevereisung - Vereisung starten

Nachdem die Bohrungen eingebracht, die Gefrier-Innenleitungen verlegt und alle Zu- und Ablaufleitungen angeschlossen sind, wird die Vereisung gestartet. Dabei wird als Kälteträger eine gesättigte Kalziumchlorid-Lösung in einem Kreislauf geführt. Der Gesamtkreislauf hat bei der Hauptbahnhofsunterfahrung eine Länge von etwa 21,7km.
Dabei entfallen je Stollen auf die Vereisungsgruppen 4.750m Gefrierrohre (darin noch einmal etwa 4.600m Gefrier-Innenleitungen), die Zu- und Ableitungen der Gruppen je Stollen etwa 1.000 m und die Hauptsoleleitungen 1.000m.
Insgesamt werden 138 Rohrschirme (Vereisungsgruppen) eingebaut. Jeder einzelne Schirm kann bei einem Notfall oder zu Prüfzwecken abgeschaltet werden. Die Standfestigkeit des Frostkörpers wird auf einen kurzen Zeitraum bezogen dadurch nicht beeinträchtigt.
Die Überwachung erfolgt in jedem Stollen durch elf Temperaturquerschnitte, in denen jeweils 5 Temperaturlanzen eingebracht sind. Jede Lanze ist mit 5 bis 9 Messfühlern ausgestattet, die über die Länge der Temperaturlanze gleichmäßig verteilt sind. Die Auswertung erfolgt über einen Zentralrechner der online eingesehen werden kann.

Solevereisung - Funktionsweise Sole-Kreislauf

In die Bohrrohre mit einem Innendurchmesser von 79mm wird ein aus Polyethylen bestehendes Fall/Steigrohr mit einem Durchmesser von 50mm eingebaut. Anschließend wird ein Gefrierkopf auf den Beginn der Rohrleitung aufgeschraubt. Nun werden die Zu- und Ablaufleitungen zu den Gefrierköpfen im betreffenden Rohrschirm angeschlossen. Dabei hängen bis zu neun Gefrierrohre an einem Gruppen-Anschluss.
Nachdem alle Gruppen angeschlossen sind und eine abschließende Druckprüfung erfolgt ist, kann das Aufgefrieren des Bodens beginnen. Dabei wird von der Gefrieranlage die Sole über die Hauptsoleleitung bereitgestellt. Die Sole strömt durch das PE-Innenrohr tritt an dessen Ende im Bohrrohr aus und strömt zwischen Innen und Außenrohr zurück zum Beginn der Rohrleitung, wo es durch den Gefrierkopf in das nächste Gefrierrohr strömt. Während des Durchströmens  entzieht die -35°C kalte Sole dem Boden Wärme und sorgt so dafür, dass das Grundwasser gefriert. Nachdem die Sole einen Rohrschirm durchströmt hat, fließt sie mit einer Temperatur von im Mittel -30°C zurück zur Gefrieranlage.

In der Gefrieranlage wird mittels eines Ammoniak-Kühlers die Sole wieder auf eine Temperatur von -35° gebracht und wird wieder in den Kreislauf eingespeist. Das Aufgefrieren des Vereisungskörpers mit einem Umfang von insgesamt etwa 9.000m³ wird ca. 3 Monate dauern.

Solevereisung - Funktionsweise Sole-Kühlung

Als Gefrieraggregate werden drei NH3-Kompressionskälteanlagen der Firma „ARCTOS Industriekälte AG“ verwendet, die in der Bahnhofshalle über dem Startschacht West aufgestellt sind. Bei einer Solevorlauftemperatur von -35 °C beträgt die Kälteleistung der Anlage ca. 1.104 kW.

In der Kälteanlage wird die Solelösung mit Hilfe von Ammoniak (NH3) auf die gewünschte Vorlauftemperatur heruntergekühlt. Die Anlage besteht aus den folgenden drei Wärmekreisläufen:

Dabei wird das bei niedriger Temperatur siedende gasförmige Ammoniak in einem Kompressor stark verdichtet. Das unter hohem Druck stehende Gas wird anschließend in einem Kondensator vom gasförmigen in den flüssigen Aggregatszustand übergeführt. Die bei der Aggregatszustandsänderung freigegebene Wärmeenergie wird von Kühlwasser aufgenommen, das außerhalb des Tunnel in einem Kühlturm wieder heruntergekühlt wird. Der entstandene flüssige Ammoniak wird unter starker Temperaturaufnahme verdampft. Die vom Ammoniak zur Verdampfung benötigte Wärmeenergie wird der Kohlendioxid entzogen, die sich dabei auf ca. –35 °C abkühlt. Die abgekühlte Solelösung wird über die Gefrierrohre in das Erdreich geleitet, wo sie Wärmeenergie aus dem Baugrund aufnimmt und diesen somit vereist. Die rücklaufende Solelösung hat eine Temperatur von durchschnittlich –30 °C.

Stickstoff Vereisung - Allgemeines

Die Stickstoffvereisung wird beim City-Tunnel am Lückenschluss Markt Südseite sowie beim Auffahren des Bergestollens unter dem Marriott Hotel verwendet. Eine Solevereisung kann Aufgrund der kurzen Bauzeit nicht eingesetzt werden, so dass eine Stickstoffvereisung notwenig ist.
Das Grundsystem der Vereisung ist gleich, nur dass anstatt einer Sole Lösung flüssiger Stickstoff verwendet wird.

Beispiel Vereisung Bergestollen:

Baustelleneinrichtung	Stickstoffsilos	Schacht und Vereisungsanlage	Rücklaufrohre

Stickstoff Vereisung - Einbau der Bohrungen

Um einen Frostkörper erzeugen zu können, werden Bohrungen erforderlich, in denen die Kühlflussigkeit fließen und somit dem Boden Wärme entziehen kann. Diese Bohrungen werden beim Lückenschluss Markt Senkrecht in den Boden in mehreren Ebenen eingebracht. Beim Bergestollen wird der Stollen rundum mit einem Rohrfächer versehen und aufgeeist.

Stickstoff Vereisung - Funktionsweise

Der Stickstoff wird in einem hochisolierten Tank im flüssigem Zustand bereitgestellt. Die Temperatur beträgt dabei -196° C. Der flüssige Stickstoff wird über Kupferrohre in das Bohrloch geleitet und tritt am Ende des Bohrloches aus und verdampft im Ringraum zwischen Gefrierrohr und Fallrohr. Dabei wird dem Boden wärme Entzogen. Aufgrund der Änderung des Aggregatzustandes vergrößert sich das Volumen um das 40 fache. Das Gas strömt zwischen Außenrohr und Innenrohr das Bohrloch entlang und entzieht dem Boden Wärme, so dass das Grundwasser gefriert. Anschließend wird das Gas über eine Rücklaufleitung an die Luft abgegeben. Es exsistiert im Gegensatz zur Solevereisung kein geschlossener Kreislauf, so dass der Stickstoff ständig in speziell isolierten Tankwagen nachgeliefert werden muss.