Im Zuge der Baugrunderkundung für den Neubau der BAB A 49 in Hessen wurde im Bereich des Dreieck Homberg Ohm ein Großschurf angelegt. Großschürfe werden zur Erkundung des Baugrundes heute kaum noch ausgeführt. Sie können aber ein wertvolles Instrument der Baugrunderkundung sein. Mit dem Schurf sollten einerseits nicht auswertbare Ergebnisse der Bohrkampagne untersucht und verifiziert werden. Andererseits sollten die Empfehlungen zur aufwendigen Stabilisierung der geplanten Einschnittsböschungen und eines vermuteten Rutschhangs überprüft und differenziert werden. Darüber hinaus sollte die geplante Baumaßnahme als ÖPP-Projekt ausgeschrieben und vergeben werden. Daher sollte den Bietern neben der Bereitstellung der Baugrundgutachten und eines Teils der Bohrkerne, auch einen Einblick in die eigentliche Baugrundsituation gewährt werden, um das Risiko und den Aufwand für die zu planende Bautätigkeit besser abschätzen zu können.

Der Fachvortrag zur Veranstaltung ist im Volltext verfügbar. Das PDF enthält alle Bilder und Formeln.

1 Einleitung

Mit dem Neubau der Autobahn BAB A 49 zwischen Fritzlar und dem Ohmtal-Dreieck (BAB A 5 / BAB A 49) werden die Wirtschaftsräume Kassel und Gießen sowie die dazwischenliegenden Mittelzentren besser miteinander verknüpft. Die Autobahnen BAB A 7 und der BAB A 5 werden durch die neue BAB A 49 deutlich entlastet; die Stau- und Unfallgefahr reduziert. Daneben wird die Region zwischen Fritzlar und Homberg-Ohm auch besser als bisher erschlossen und dadurch die regionalen Wirtschaftsstrukturen gestärkt.

Während die Strecke zwischen den Anschlussstellen AS Fritzlar und AS Neuental (19,3 km) bereits fertig gestellt ist, befindet sich der Abschnitt zwischen AS Neuental und AS Schwalmstadt (11,8 km) derzeit im Bau. Die beiden Bauabschnitte von AS Schwalmstadt bis AS Stadtallendorf-Nord (13,3 km) und von AS Stadtallendorf-Nord bis Ohmtal-Dreieck (17,5 km) soll ab 2019 als ÖPP-Projekt vergeben werden.

Für die Bauvorbereitung der beiden zuletzt genannten Abschnitte wurden die bereits vorhandenen Planungsunterlagen teilweise ergänzt. Dies traf u. a. auch für die Baugrunderkundung zu. Die Aufschlussdichte wurde vertieft und die Ergebnisse und Empfehlungen der bereits vorhandenen Gutachten überarbeitet.

Neben der Herstellung weiterer Bohraufschlüsse wurden z. B. vorhandene Grundwassermessstellen ertüchtigt, aber auch zusätzliche Grundwassermessstellen errichtet. Eine große Anzahl geotechnischer, mineralogischer und chemischer Analysen wurden an Boden-, Fels- und Wasserproben ausgeführt.

Zur Verifizierung der Aufschlussergebnisse und zur Optimierung der geplanten Böschungssicherungen wurde auch ein Großschurf von ca. 20 m Tiefe und 50 m Breite angelegt. 

2 Baugrundverhältnisse

Im Zuge der Aufschlusserkundung zwischen der Anschlussstelle Stadtallendorf-Nord und dem Ohmtal-Dreieck (BAB A 5/BAB A 49) wurden verschiedenste Böden und Gesteine des Quartär, des Tertiär sowie des Buntsandsteins angetroffen. Auf der ca. 17,5 km langen Strecke wurden insgesamt 37 verschiedene Baugrundschichten angesprochen.

Neben Oberboden und Auffüllung stehen hier die Böden des Quartär häufig als Löß, Lößlehm, Hanglehm oder Fließerde an. Aber auch Aueablagerungen, wie Auelehm und Auesande wurden erkundet.

Der Baugrund im Untersuchungsgebiet weist an tertiären Sedimenten vor allem Sande, Kiese, Tone und Quarzite auf. Daneben finden sich Basalte in unterschiedlichen Verwitterungsgraden, ebenso wie Tuffe, vulkanische Brekzien und Aschen, sowie deren Verwitterungsprodukte.

Der Fels des Mittleren Buntsandsteins wurde in unterschiedlich mächtigen Wechsellagerungen als Konglomerate, Sand-, Schluff- und Tonsteine erkundet. Diese Gesteine liegen in allem Verwitterungsstufen, von unverwittertem bis angewittertem Fels bis hin zum vollkommen entfestigten Lockermaterial (Sand, Kies, Schluff und Ton) vor.

Insbesondere die häufigen Wechsel von Locker- und Festgesteinen stellen für viele Tief- und Spezialgründungsarbeiten anspruchsvolle Baugrundverhältnisse dar. Im Untersuchungsgebiet gibt es daneben auch verschiedene Störungen und allem die Gesteine des Buntsandsteins sind tektonisch bewegt und z. T. stark geklüftet. Dies ist neben den sich daraus ableitenden Schwierigkeiten für den Bau der Strecke und der Ingenieurbauwerke auch deshalb bedeutsam, weil sich im Untersuchungsgebiet Altlastenflächen befinden, die saniert bzw. teilsaniert werden müssen. Zusätzlich erschwert wird das Bauvorhaben noch dadurch, dass die Trasse über eine Strecke von mehr als 13 km durch Trinkwasserschutzgebiete (Zonen II und III) verläuft.

Daher ist es immens wichtig, möglichst gute und detaillierte Informationen über die Baugrundverhältnisse zusammenzutragen, um die Risiken durch den Bau und Betrieb zu minimieren und einen möglichst zügigen und ungestörten Bauablauf zu gewährleisten.

Nachfolgend wird in dieser Arbeite nur noch der südliche Teilabschnitt der BAB A 49 am Dreieck Homberg-Ohm betrachtet. In diesem Bereich, in dem der Großschurf angelegt wurde, stehen überwiegend Böden und Gesteine des Quartär und des Tertiär an.

Der Großschurf wurde im Bereich von Aufschlusspunkt BK 329 ausgeführt. Mit der 16 m tiefen Bohrung wurde Oberboden und Löß über tertiären Schichten erkundet (siehe Bild 1). Ab einer Tiefe von 3,5 m unter GOK wurde das Tertiär als Aschen und-Lapilli-Tuff, angewitterter Basalt sowie kompakter, unverwitterter Basalt angesprochen.

In benachbarten Bohrungen wurden zwischen Schichten aus kompaktem Basalt mehrerer Meter dicke Horizonte aus Aschen und Tuffen angetroffen. In diesen Bereichen sollen bis zu 25 m tiefe Einschnitte aufgefahren werden. Insbesondere für die als Aschen und Lapilli-Tuff angesprochenen Schichten bestand die Befürchtung, dass die lockeren Schichten bei Wasserzutritt schnell ausgetragen bzw. ausgewaschen werden könnten. Dies würde zur Instabilität der Böschungen führen.

Beim „Ausfließen“ der Aschen wäre ein Abgleiten von Basaltschollen zum Einschnitt hin zu besorgen gewesen. Es wurde daher eine geotechnische Sicherung der Böschungen empfohlen. Ein deutliches Abflachen der Böschungen wurde aufgrund der deutlich erhöhten Inanspruchnahme von Flächen und aufgrund des schwierigen Grunderwerbs ausgeschlossen.

Bild 1: Kernfotos und Bohrprofil der Bohrung BK 329 im geplanten Einschnittsbereich der BAB A 49 auf die BAB A 5 am Ohmtal-Dreieck (Dr. Spang, 2018)

Von Beginn an war die Ansprache der als Aschen und Tuffe bezeichneten Schichten aber umstritten. Es wurde auch vermutet, dass es sich lediglich um zerbohrten Fels handeln könnte. Dies war anhand der Bohrkeren aber nicht schlüssig zu belegen. Um die Notwendigkeit von aufwendigen und kostenintensiven Böschungssicherungen zu klären, wurde daher im Bereich der geplanten Einschnitte ein Schurf angelegt. Gleichzeitig sollten aber auch weitere Informationen zu dem in diesem Bereich vermuteten Rutschhang gewonnen werden. 

3 Der Großschurf

Das Hauptziel des Großschurfes war es, die Ergebnisse der Bohrerkundung zu überprüfen, die getroffenen Annahmen und Empfehlungen für die Ausführung der Böschungen sowie ggf. zusätzliche Verbauten zur Sicherung der Böschungen und des Rutschhanges zu kontrollieren und bei Bedarf zu ergänzen bzw. zu vervollständigen. Dabei sollte klargestellt werden, ob es sich tatsächlich um Aschen und Tuffe, oder doch nur um zerbohrten Fels handelt.

Gleichzeitig wurde potenziellen Teilnehmern am ÖPP-Verfahren mit dem Schurf auch die Gelegenheit geboten, sich einen besseren Einblick über die lokale Baugrundsituation zu verschaffen. Neben der Einsicht in die Gutachten wurde den Bietern im Übrigen auch die Möglichkeit geboten, die vorhandenen Bohrkerne zu begutachten.

Heutzutage werden Großschürfe im Rahmen der Baugrunderkundung selten angelegt. Früher war dies dagegen häufige Praxis. Bereits 1937 wurde von der Deutschen Gesellschaft für Bauwesen auf die Vorteile einer genauen Baugrunduntersuchung verwiesen: „Der Ausführung von Bohrungen und Schürfen kommt unter allen Arten von Bodenuntersuchungen die größte Bedeutung zu. Sparsamkeit ist deshalb hier am allerwenigsten am Platze. Nicht Zahl und Umfang von Bohrungen und Schürfungen entscheidet aber allein über ihren Wert, sondern vor allem auch das Ansetzen an richtiger Stelle und in richtiger Tiefe und Lage, sowie gewissenhafte, sachverständige Ausführung und sorgfältige wissenschaftliche Auswertung.“ (Deutschen Gesellschaft für Bauwesen 1937).

Der Großschurf im Bereich des Ohmtal-Dreiecks wies eine etwa dreieckige Form auf. In der weitesten Ausdehnung war der Schurf ca. 50 m breit. Er erreichte eine Tiefe von ca. 20 m. Die Bilder 2 und 3 verdeutlichen die Dimensionen des Schurfes sehr anschaulich.

Bild 2: Großschurf im Bereich BAB A 49 / BAB A 5 Ohmtal-Dreieck mit Blick nach Nord-Westen im September 2018. Der Schurf hat eine Breite von ca. 50 m. Die besonders leicht durch Regen auszuwaschende Lößschicht wird mit Planen gegen Erosion geschützt

Bild 3: Die Person in der Mitte des Bildes verdeutlicht die Dimensionen des Aufschlusses

Der Schurf wurde mit Erdbaugeräten (Bagger) hergestellt. Es war nicht nötig den Fels zu sprengen, was vor allem auf die Klüftigkeit des Felses zurückzuführen ist.

Dabei wurde das Gestein zum Liegenden hin zunehmend härter und wesentlich schwerer zu lösen und zu transportieren, da auch die Größe der Blöcke nach unten hin deutlich zunahm. Die einzelnen Boden- und Felsschichten wurden voneinander getrennt gelöst und zwischengelagert. Am Ende wurde schichtenweise rückverfüllt und die ehemalige GOK wiederhergestellt. 

4 Untersuchungsergebnisse

Der vorhandene Oberboden wurde zu Beginn der Erdarbeiten in einer Mächtigkeit von ca. 0,3 m abgezogen. Daran schloss sich ein 2,5 bis 3 m mächtige Lößschicht an.

Unterhalb vom Löß folgte eine Schicht aus grauem, angewittertem bis verwittertem Basalt. Nahe der Oberfläche war der Verwitterungsgrad erwartungsgemäß am größten und der Gesteinsverbund deutlich gestört. Der Fels war bereits zu kleinen Blöcken, Steinen und Grus zerfallen (Bild 4). Bemerkenswert waren gerundete und schalig verwitterte Blöcke und Steine. Zur Tiefe hin nahm der Verwitterungsgrad des Basaltes deutlich ab.

Bild 4: Detailansicht des oberflächennahen, stark verwitterten Basaltes mit deutlich aufgelockertem Gesteinsverband und schalige bis rundlich verwitternden Blöcken und Steinen

Auffällig an dem Basalt waren die hell- und dunkelgrauen, schlecht gegeneinander abgegrenzten Flecken an frischen Bruchstellen (Bild 5). Dies ist ein deutlicher Hinweis darauf, dass es sich um einen sogenannten „Sonnenbrenner“-Basalt handelt. Wird dieser Basalt aus dem Gesteinsgefüge herausgelöst und an der Atmosphäre exponiert, setzen mineralische Umwandlungsprozesse ein, die das interne Gesteinsgefüge zerstören. Werden „Sonnenbrenner“-Basalte zum Beispiel als Schotter eingesetzt, können sie innerhalb weniger Jahre zu Grus zerfallen.

Bild 5: Frisch angeschlagener Basalt mit typischen Anzeichen für „Sonnenbrenner“-Basalt

Im Vergleich mit dem Bohrkern BK 329 (Bild 1) wird deutlich, dass die oberen, verwitterten Bereiche dieses Basaltes durch das Bohrverfahren stark beansprucht und zerbohrt wurden. Das grusige Material aus dem Bohrkern wurde dann irrtümlich als Asche und Lapilli-Tuff angesprochen.

Unter dem oberen Basalt folgt eine weitere, zweite Basaltschicht. Sie unterscheidet sich von der überlagernden Schicht deutlich. Der dunklere, blauschwarze Basalt ist kompakter. Der Verwitterungsgrad nimmt von oben nach unten ab. Die mittleren und unteren Bereiche sind überwiegend unverwittert. Im oberen Bereich ist dieser Basalt deutlich reicher an Blasen und Hohlräumen (Bild 6). Die unteren Bereiche sind dagegen blasenfrei. Anzeichen von „Sonnenbrenner“-Eigenschaften zeigt der untere, zweite Basalt nicht.

Die Übergangszone zwischen dem oberen, grauen Basalt und dem unteren, dunklen Basalt tritt farblich deutlich hervor. Diese Bereiche wurden in den Kernbohrungen als Zersatzlehm und Schlackenbrekzie angesprochen (siehe Bild 1). Optisch scheinen auf den ersten Blick tatsächlich zwei weitere Schichten vorhanden zu sein. Detailuntersuchungen am Fels belegen jedoch, dass diese Partien auch zur unteren Basaltschicht zu rechnen sind (Bild 7).

Wie im Bild 7 klar zu erkennen ist, grenzt sich das Liegende des angewitterten bis unverwitterten, oberen, grauen Basaltes deutlich von der unterlagernden Schicht ab. Der unterlagernde Basalt ist stark verwittert. Er zeigt eine deutliche thermische Beanspruchung. Neben reliktischen Basaltklasten finden sich viele neugebildete, weiße Tonminerale. Zum Liegenden hin stellt sich ein Farbwechsel ins rotbraun ein.

Diese Grenze ist unscharf. In diesem Bereich ist der angewitterte bis stark verwitterte Basalt ebenfalls thermisch stark überprägt. Die im Gesteinsverband befindlichen Blöcke sind aber noch gut erkennbar. Ins Innere dieser Blöcke hin nimmt der Verwitterungsgrad deutlich ab und der Basalt ist dort überraschend hart. Der Basalt ist sehr reiche an Blasen und Hohlräumen. Die Blasen sind zum Teil mit Neubildung von Tonmineralen gefüllt. Zwischen den Blöcken befindet sich (auf Klüften?) Lehm, der ebenfalls neu gebildete Tonminerale enthält. Die rotbraune Färbung wechselt nach unten hin ohne scharfe Grenze zum Dunkelblau des unverwitterten Basaltes.

Bild 6: Übergang vom schlackeartigen, blasenreichen zum kompakten, hohlraumarmen Basalt

Bild 7: Farblich abgesetzte Übergangsschichten zwischen unterem und oberem Basalt

Die drei Baugrundschichten sind im Bild 8 dargestellt. Die thermische Veränderung des oberen Bereiches des dunklen, kompakten Basaltes (Basaltstrom 1) wurde durch das Überfließen des oberen, grauen Basaltes (Basaltstrom 2) verursacht.

Bei der Untersuchung des Großschurfes wurden keine Anzeichen für einen aktiven oder fossilen Rutschhang, wie z.B. Gleitflächen gefunden.

Bild 8: Die roten Linien zeichnen die Grenzen der Baugrundschichten nach (Löß, Basaltstrom 1 und 2) 

5 Fehleinschätzungen der Baugrundverhältnisse durch Fehler bei Aufschlussbohrungen

Die wirklichkeitsgetreue Erfassung des Aufbaues des Untergrundes ist für alle Bauaufgaben von großer Bedeutung. Eine der häufigsten Arten von direkten Aufschlüssen sind Bohrungen. Wie bereits in den vorherigen Kapiteln ausgeführt, bestand die Vermutung, dass es sich bei den erkundeten Aschen und Tuffen im Untersuchungsgebiet auch um zerbohrten Fels handeln könnte.

Zur Gewinnung von aussagekräftigen Bohrkernen müssen die Parameter des Bohrgeräts und das Bohrverfahren eng auf die jeweilige Boden- und Felsart abgestimmt werden, andernfalls besteht das Risiko, dass Felshorizonte durch den Bohrvorgang gestört und falsch angesprochen werden (Gahm & Glück, 2011). Dabei kann es vor allem zu Fehleinschätzungen des Gründungsniveaus eines Bauwerkes, zu falschen Angaben der Bohrbarkeit bei Tiefgründungs- und Spezialtiefbauarbeiten oder zur Unterschätzung der Lös- und Verarbeitbarkeit von auszuhebendem Fels kommen. Aber auch Fehleinschätzung für die Planung von Böschungsneigungen, Planumsarbeiten oder die Herstellung von Leitungsgräben gehen oft auf Missinterpretationen von Bohraufschlüssen zurück (Gahm & Glück, 2011).

Zahlreiche Felsarten neigen zur Entfestigung und zum Zerfall, wenn sie aus dem Gebirgsverband herausgelöst werden. Insbesondere das Zerbohren von Fels kann zu erheblichen Fehleinschätzungen der Beschaffenheit des anstehenden Baugrundes führen. So werden bei der Wahl einer ungeeigneten Bohrkrone Bereiche im Fels mit engständigen Trennflächen oder schwach gebundenen Gesteinsarten, wie z. B. schwach gebundener Sandstein, sehr leicht zerbohrt und als Lockerboden gefördert.

Auch das Umstellen der Bohrverfahren von schlagenden Verfahren (z. B. Ramm-kernbohrverfahren) auf Rotationskernbohrverfahren (z. B. Seilkernbohrverfahren) muss immer auf die vorhandenen Verwitterungsstufen bzw. die Fels-/Gesteinsart abgestimmt werden, andernfalls werden diese Felsbereiche leicht durch den Bohrvorgang zerbohrt und in der Folge als Boden angesprochen (Gahm & Glück 2011).

Ebenso kann der Einsatz von Spülwasser massiven Einfluss auf die Qualität der Bohrkerne haben. Gesteine mit geringer Kornbindung (z. B. schwach gebundene Sandsteine) nehmen Spülwasser schnell auf und zeigen dann Lockerbodencharakter an. Im ungünstigsten Fall werden schwach gebundene Gesteine mit dem Spülwasser komplett ausgetragen (Kernverlust). Veränderlich feste, wasserempfindliche Felsarten neigen dagegen dazu, durch Aufnahme von Spülwasser in kurzer Zeit von außen nach innen aufzuweichen. Dadurch wird dann eine geringere, als die im anstehenden Gebirge vorherrschende Festigkeit vorgetäuscht.

Aber auch Gesteinsarten mit wechselnden Druckfestigkeiten im Gebirgsverband stellen eine besondere Herausforderung für das „Feingefühl“ des Bohrmeisters dar. Wechsellagerungen von Felsarten mit stark unterschiedlichen Druckfestigkeiten treten in zahlreichen geologischen Formationen auf. So besteht zum Beispiel im Buntsandstein bei einem Wechsel von hartem Sandstein mit weichem Ton/Tonsteinlage die Gefahr, dass die Lagen geringerer Druckfestigkeit aufweichen bzw. weggespült werden (Gahm & Glück, 2011). 

6 Zusammenfassung

Mit dem ausgeführten Großschurf im Bereich der Neubaustrecke BAB A 49 am Ohmtal-Dreieck wurden die Ergebnisse der Baugrundbohrungen überprüft. Die vermuteten Achsen und Lapilli-Tuffe wurden nicht nachgewiesen. Auch die Vermutung, dass es im Bereich der geplanten Einschnitte fossile oder aktive Rutschungen gibt, konnte nicht bestätigt werden.

Literaturverzeichnis

Deutsche Gesellschaft für Bauwesen (1937): Richtlinien für die bautechnische Bodenuntersuchungen für Entwurfsbearbeiter, Bauausführende und Bauherren, 2. Auflage, Beuth-Verlag, Berlin

Gahm, T.; Glück, S. (2011): Bohreigenschaften von Fels bei der Baugrunderkundung. In: Baugrundaufschlüsse: Planung, Ausschreibung, Durchführung, Überwachung und Interpretation, 62. Deutsche Brunnenbauertage und BAW-Baugrundkolloquium, 13. bis 15. April 2011 im Bau-ABC Rostrup/Bad Zwischenahn, VI-1 – VI-5

Dr. Spang (2018): A 49 Kassel – Dreieck Ohmtal, VKE 40 Los 3: AS A 49/A 5 Dreieck Ohmtal, Streckengutachten, Bau-km 73+900 bis Bau-km 74+450, Dr. Spang Ingenieurgesellschaft für Bauwesen, Geologie und Umwelttechnik mbH, Frankfurt, 3. Juli 2018