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1 Einleitung

Ebene und sichere Straßenoberflächen zu schaffen und zu erhalten, ist für Straßenbehörden und städtische Verkehrsämter eine große Herausforderung, insbesondere, wenn die Straße die Haupttrasse für Versorgungsunternehmen ist und wenn Bohrungen, die zum Zugang und zur Reparatur der unterirdischen Infrastruktur benötigt werden, anschließend schlecht repariert werden.

Bohrungen in der Straßenoberfläche werden durchgeführt, wenn Gas-, Kommunikations-, Wasser- oder Abwasserinfrastrukturen installiert oder repariert werden müssen. Außerdem werden sie durchgeführt, um mögliche Probleme ausfindig zu machen, wenn horizontale Richtbohrungen ausgeführt werden oder wenn eine unterirdische Infrastruktur in das Design und die Planung neuer Autobahnen eingezeichnet wird. Man nennt es ‘Potholing‘, wenn die unterirdische Versorgung durch Vakuumaushub über ein kleines Loch in der Straßenoberfläche freigelegt wird. Wenn die unterirdische Arbeit abgeschlossen ist und die Straßenoberfläche nicht ordnungsgemäß repariert wird, setzt sich der reparierte Bodenbelag relativ zum ursprünglichen Belag ab oder bekommt Risse, wodurch Grundwasser in den Baugrund eindringt. Dieses Grundwasser ist die Hauptursache für Schäden in der Asphaltdecke und Schlaglöcher (Jarnecke; Pollock, 2017).

Es ist auch wichtig, wie der Schnitt durch die Asphaltdecke durchgeführt wird. Presslufthammer und Grabenbagger zerstören nicht nur den ursprünglichen Bodenbelag, sondern auch die Tragschicht und den Untergrundboden um den Schnitt herum und darunter bis auf einen Meter oder mehr über die Ränder der eigentlichen Aushebung hinaus (Jensen et al, 2005).

Forschungen des National Research Council of Canada und der Region Ottawa-Carleton (Lee; Lauter, 1999) ergaben, dass die unsachgemäße Ausbesserung herkömmlicher Aushube die Lebensdauer des Straßenbelags um bis zu 50 % reduzieren kann und Kostenauswirkungen hat von $ 4,32 pro Quadratmeter für Asphaltdecken, die mehr als zehn Jahre vor dem Aushub erneuert wurden, bis zu $ 23,78 pro Quadratmeter für Asphaltdecken, die weniger als zwei Jahre davor erneuert wurden.

2 Keyhole-Technologie

In Nordamerika, wie auch in den meisten anderen Gerichtsbarkeiten, können Gemeinden den Versorgungsunternehmen nicht willkürlich die Installation oder den Zugang zur unterirdischen Infrastruktur verbieten, auch nicht unter neu gebauten, neu asphaltierten oder ‚geschützten‘ Straßen, da es im öffentlichen Interesse liegt, dass Versorgungsunternehmen das Wegerecht von öffentlichen Straßen in Anspruch nehmen, wenn dadurch nicht der Hauptzweck des Verkehrswegs beeinträchtigt wird.

Obwohl sie den Zugang zwar nicht verbieten können, versuchen Gemeinden, Bedingungen aufzuerlegen, was die Erteilung von Aushub-Genehmigungen angeht, wodurch sie angemessene Verwaltungskosten und Entschädigungen für aktuelle oder zukünftige Schäden wiedererlangen, Bedingungen vorschreiben und Verfahren für die Reparatur und Sanierung festlegen können.

Angespornt von den gravierend ansteigenden Preisen für Asphaltprodukte auf Erdölbasis, die enorm viel Energie verbrauchen und bei der Herstellung und beim Transport große Mengen an Treibhausgasen produzieren und ausstoßen, entwickelt sich eine weltweite Dynamik für nachhaltige Lösungen, die umweltfreundlichere Technologien bei Transport, Infrastruktur, Bau und Wartung fördern. Durch diese Technologien reduziert sich der Verbrauch von neuen Belagmaterialien und die Entsorgung alter Materialien, denn die vorhandenen Materialien können direkt für die Sanierung und Instandhaltung von Straßen wiederverwendet oder wiederaufbereitet werden.

Eine dieser umweltfreundlichen Technologien ist die Keyhole-Technik – auch bekannt als „Coring and Reinstatement“.

Es ist eine Alternative zu herkömmlichen Verfahren, bei denen Sägen, Presslufthammer, Asphaltbrecher und Bagger zum Ausheben von asphaltierten Straßen und Gehwegen benutzt werden. Die Keyhole-Technik ist nach der runden Form benannt, die aussieht wie ein Schlüsselloch, und ahmt das in der laparoskopischen Chirurgie bereits seit Jahren angewandte Verfahren nach, bei dem durch ein kleines Loch operiert wird.

Bei dem Verfahren wird ein kleines, präzises festgelegtes Loch von 450 bis 610 mm Durchmesser in den Straßenbelag geschnitten und der dadurch entstehende runde Asphalt-Bohrkern entnommen. Dadurch erhalten Versorgungsunternehmen mit Hilfe von Saugbaggern Zugang zu ihrer unterirdischen Infrastruktur und können diese sicherer von der Straßen- oder Gehwegoberfläche aus mit langstieligen Werkzeugen reparieren (Bild 1).

Nachdem die unterirdische Arbeit abgeschlossen ist und der Aushub bis zur Unterlage des Asphalts wieder verfüllt ist, wird derselbe Bohrkern, der zuvor aus dem Asphalt entnommen wurde, mit einem speziellen, schnellbindenden, hochfesten Haftmittel wieder als dauerhafte Reparatur in den Straßenbelag vergossen. Es entsteht kein Asphaltaushub und es werden keine neuen Belagmaterialien benötigt, um die Straßenoberfläche zu reparieren. Die Straße kann nun innerhalb von 30 Minuten nach der Reparatur wieder sicher für den Verkehr freigegeben werden, wodurch Verkehrsstaus und Unannehmlichkeiten für die Bevölkerung reduziert werden.

Nicht nur kann die Straße nach dem Aushub wieder früher freigegeben werden – mindestens ein bis zwei Stunden früher als bei herkömmlichen Sanierungsmethoden – es ist auch nicht notwendig sie später erneut drei bis vier Stunden lang für den Verkehr zu sperren, um den Asphalt dauerhaft zu reparieren, da die ursprüngliche Keyhole-Reparatur bereits dauerhaft ist. Die Dauer einer Straßensperrung und die Verzögerungen im Baustellenbereich können so im Durschnitt um fünf bis sechs Stunden für jeden Aushub reduziert werden, was sich enorm auf den Lokalverkehr und die Umwelt auswirken kann. 

Bild 1: (a) Kernbohranlage bohrt einen Kern mit 457 mm Durchmesser aus; (b) Bohrkern entnommen und beiseite gelegt. Mit Hilfe von einem Saugbagger (nicht abgebildet) wird die unterirdische Infrastruktur freigelegt; (c) Wenn die Arbeit abgeschlossen ist und der Aushub bis zur Unterlage des Asphalts wieder verfüllt ist, wird der Bohrkern wieder eingesetzt und als dauerhafte Reparatur in den Asphalt vergossen; (d) Die dauerhafte Reparatur ist nahezu unsichtbar. (e) Beispiele für langstielige Werkzeuge, die beim Keyhole-Verfahren verwendet werden. 

3 Reduzierter CO2-Fußabdruck

Im Rahmen des Kampfes gegen den Klimawandel kann die Keyhole-Bohrungs und -Verfüllungstechnik den CO2-Fußabdruck von Versorgungsaushuben und Asphaltsanierungen erheblich reduzieren und die atmosphärischen Treibhausgasemissionen minimieren, indem der Wartungs- und Sanierungsvorgang vereinfacht und verkürzt wird, und indem der Bedarf an Millionen von Tonnen von Asphaltbelagmaterialien und die Entsorgung von Millionen von Kubikmetern Asphaltaushubs, der jährlich bei Reparaturen von Versorgungsaushuben entsteht, reduziert wird.

Heute, wo sich immer mehr Befürchtungen um den Klimawandel breitmachen, müssen Versorgungsunternehmen nicht nur das geeignete Bauverfahren auswählen, das die wirtschaftlichste Lösung bietet, sondern auch eines das sich minimal auf die Umwelt auswirkt und den CO2-Fußabdruck von Versorgungsreparaturen und Instandhaltungsarbeiten reduziert.

Die offene Bauweise zur Verlegung und Instandhaltung von unterirdischen Versorgungsleitungen war viele Jahre lang gängige Praxis. Wird diese Arbeit unter asphaltierten Oberflächen ausgeführt, sind zwei separate Vorgänge zur Ausgrabung und zur Reparatur erforderlich. Der erste Vorgang besteht aus der Ausgrabung und der unterirdischen Arbeit. Ist diese abgeschlossen, wird die Straße provisorisch mit Asphalt gepatcht, damit sie wieder für den Verkehr freigegeben werden kann. Der zweite Vorgang findet mehrere Monate später statt, wenn das Straßenbauunternehmen wieder zurückkehrt, den provisorischen Asphaltbelag aushebt und beseitigt und die Straßenoberfläche so repariert, dass sie den umfassenderen Gemeinderichtlinien zur dauerhaften Reparatur des Straßenbelags entspricht. Dieser Vorgang ist im Allgemeinen bei allen Asphaltaushuben erforderlich – selbst bei kleinen Ausgrabungen auf einer Fläche von weniger 0,75 m2.

Für den herkömmlichen Aushub in offener Bauweise und die Reparatur werden normalerweise mehrere verschiedene Arten von Baumaschinen benötigt, die mit Brennstoff angetrieben werden, wie z. B. Presslufthammer, Betonsägen, Bagger, Muldenkipper, Saugbagger, Fahrzeuge zur Lieferung von Asphalt und Zement und Asphaltverdichter. Diese stoßen bei jeder herkömmlichen kleinen Ausgrabung und Reparatur schätzungsweise mehr als 166 kg (365 lb) Treibhausgase und andere Emissionen in die Atmosphäre aus (Ariaratnam, Savage, 2009). Das ist sechsmal so viel, als bei der Keyhole-Bohrung und -Verfüllung (27 kg, bzw. 60 lb) erzeugt wird. Das liegt daran, weil zur Keyhole-Methode nur drei Geräte notwendig sind: eine Bohranlage, ein Saugbagger und ein handgeführter Stampferverdichter.

Bei der Keyhole-Bohrung und -Verfüllung werden nicht nur weniger Geräte benötigt, weil derselbe Asphaltkern zur dauerhaften Reparatur der Straße nach Abschluss der unterirdischen Arbeit wieder benutzt wird, es ist auch kein zweiter Ausgrabungs- und Reparaturvorgang und keine Beseitigung, kein Abtransport und keine Entsorgung des provisorischen Asphalts notwendig. Darüber hinaus werden keine neuen Belagsmaterialien benötigt, wodurch keine zusätzlichen flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) vom neu asphaltierten Straßenbelag in die Atmosphäre ausgestoßen werden.

Zählt man den Energieverbrauch und den CO2-Fußabdruck der Herstellung, Lieferung und Aufbringung des neuen Asphaltbetons, der für herkömmliche Asphaltreparaturen benötigt wird, zu den zehn oder mehr Baumaschinen hinzu, die sowohl für den Aushub und später für die Instandsetzung benötigt werden, ist der CO2-Fußabdruck der herkömmlichen Methoden zwölfmal größer als der der Kernbohr- und Verfüllungsmethode – 383 kg (845 lb) CO2 im Vergleich zu 31 kg (69 lb) CO2.

4 Bessere Asphaltreparatur

Das präzise und minimalinvasive Kernbohr- und Verfüllungsverfahren beschädigt auch die Straßenstruktur viel weniger als Presslufthammer, Asphaltbrecher oder Bagger und führt zu einer besseren Reparatur des Straßenbelags mit einer wasserundurchlässigen Fuge, wodurch dieselbe Lastverteilung bzw. Transportkapazität wie vor dem Aushub wiederhergestellt wird. Zudem wird das Risiko, dass Grundwasser eindringt, minimiert, was die Hauptursache für vorzeitigen Asphaltverschleiß und Schlaglöcher ist.

Versuche, bei denen eine Bitumen-Schicht oder Riss-Dichtmittel verwendet werden, um eine wasserundurchlässige Fuge zwischen dem neuen Asphalt und dem ursprünglichen Belag zu schaffen, sind nur beschränkt erfolgreich. Klebematerialien, die speziell für dieses Verfahren entwickelt wurden, wie z. B. Utilibond™, haben eine hohe anhaftende und zusammenhaltende Klebefestigkeit, die eine wasserundurchlässige Fuge zwischen den beiden Oberflächen erzeugt. Im Gegensatz dazu versagen Bitumen-Schichten und andere Riss-Dichtmittel oder sonstige gebräuchliche Fugenmaterialien, da diese so gut wie keine anhaftende und zusammenhaltende Klebefestigkeit besitzen. Wie schon der Name sagt, sind sie entweder „Dichtmittel“ oder „Fugenmischungen“, die lediglich die Lücke zwischen den beiden Oberflächen auffüllen – allerdings nur, solange keine äußeren Einflüsse auf sie einwirken.

Doch Straßenbelag muss flexibel sein und ist so konstruiert, dass die Radlastverteilung eines Fahrzeugs horizontal der Länge nach abgefangen und übertragen wird, anstatt vertikal nach unten in die untere Tragschicht. Dichtmittel, die um eine reparierte Stelle herum aufgetragen werden oder als Füller der von gebräuchlichen Betonsägen verursachten Überschnitte verwendet werden, sind nur dann wasserundurchlässig, wenn sie intakt bleiben – was bei einer aktiven Fahrbahn nicht lange der Fall ist.

Selbst die Geometrie herkömmlicher Reparaturverfahren ist fragwürdig. Die beinahe allgemeingültige Vorschrift, dass Reparaturen von Versorgungsaushuben in rechteckiger Form erfolgen und gerade Ränder haben müssen, die parallel oder im rechten Winkel zum Verkehrsfluss verlaufen, kann die Situation sogar noch verschlimmern.

Bei rechteckigen Formen wird ein erhöhter Druck in den Ecken erzeugt. Mit der Zeit verursacht der Druck Risse in der angrenzenden Asphaltdecke, sodass Grundwasser eindringen kann. Bei einem runden Keyhole gibt es keine Ecken, wo sich unter Druck Risse bilden können. Keine Risse, kein Eindringen von Grundwasser.

Durch die Vorschrift, dass die Ränder einer rechteckigen Reparatur in Richtung des Verkehrsflusses verlaufen müssen, sieht die reparierte Stelle möglicherweise zunächst „ordentlich“ aus, doch kann dies strukturell zu Differenzspannungen oder unterschiedlicher Radlastverteilung auf beiden Seiten des Schnittes führen, wodurch die Dichtmasse herausgedrückt wird und der Schnitt sich öffnet. Demzufolge ist die geradlinige Geometrie von Asphaltreparaturen, die in vielen Gerichtsbarkeiten vorgeschrieben ist, möglicherweise eher das Problem und nicht die Lösung.

Die Größe ist auch entscheidend. Der kleinere und präzisere Aushub und die dauerhafte Reparatur einer Keyhole-Bohrung führt zu einer besseren Leistung, erfordert keine nachträgliche Asphaltierung oder Fräsbearbeitung und Deckschicht und ist ästhetisch viel ansprechender als die größeren, rechteckigen Versorgungsaushube im Asphalt. 

5 Praxiserprobt seit über 25 Jahren

Als Keyhole-Bohrung und -Verfüllung zum ersten Mal in Kanada in den 1990er Jahren vorgestellt wurde, waren viele skeptisch.

Im Rahmen der Tests wurde deshalb im Juni 1992 die Firma Golder Associates, ein international angesehenes Beratungsunternehmen in den Bereichen Wissenschaft und Technik, beauftragt, die Entwicklung sowohl des Asphaltbohrungs- als auch des Verfüllungsverfahrens zu kontrollieren und eine breite Auswahl an potenziellen Verbundprodukten auszuwerten, die ein entscheidendes Element bei diesen Tests darstellten (Golder Associates, 2003).

Zu den von der Gemeinde aufgestellten Beurteilungskriterien für die Auswahl der Verbundmaterialien gehörten:

– die Fähigkeit, schnell angebracht zu werden und schnell zu erstarken, um Verkehrsstörungen auf ein Minimum zu reduzieren,

– die Fähigkeit hohe Verbundfestigkeit zu erreichen, die die Baunormen der American Association of State Highway Transportation Officials (AASHTO) in Bezug auf Sicherheit und langfristige Strapazierfähigkeit übertrifft,

– hohe Fließfähigkeit, damit gewährleistet ist, dass der Kern komplett und lückenlos eingekapselt werden kann,

– praktische Misch- und Nutzungseigenschaften, die eine einheitliche und gleichmäßige Anwendung garantieren,

– geringe Schrumpfung, um die Wasserundurchlässigkeit der Reparatur zu gewährleisten,

– die Fähigkeit in großen Betriebstemperaturbereichen einsetzbar zu sein, um das Verfahrens über einen längeren Zeitraum benutzen zu können und

– keine gefährlichen Auswirkungen für Arbeiter und Bevölkerung.

Zusätzlich zu diesen reglementierten Leistungsmerkmalen musste das Verbundmittel eine effektive Verbindung oder „strukturelle Verklebung“ zwischen dem Kern und dem Bodenbelag darum herum erzielen, sodass die Straße anschließend wieder strukturell fähig sein würde, die Auswirkungen der Verkehrslast von einem Abschnitt zum anderen zu teilen und zu übertragen. Dies war ein wesentliches Kriterium für diejenigen, die für den Erhalt eines reibungslos funktionierenden Straßennetzes verantwortlich sind.

Die ursprüngliche Analyse von Golder fand von 1992 bis 1996 statt und umfasste eine Reihe von Praxistests mit Hunderten von Bohrkernen und umfangreiche Labortests von mehr als 20 potenziellen Verbundmaterialien. Man entschied sich für eine gebrauchsfertige, zement-basierte Verbundmischung, die speziell für dieses Verfahren entwickelt worden war – Utilibond™.

Um auch die langanhaltenden Effektivität des Verfahrens zu bestätigen, überwachte Golder weiterhin, insgesamt zehn Jahre lang, die Funktionsfähigkeit des Verfahrens und berichtete im April 2003, dass:

„Die Laborversuche und vorausgehenden Demonstrationen des kreisförmigen Schnittverfahrens bewiesen haben, dass der Bohrkern so mit dem umliegenden Asphalt verklebt wurde, dass die Verkehrslast tatsächlich auf den verbleibenden intakten Asphalt übertragen wird. Außerdem deutet die Untersuchung früherer Tests über mehrere Jahre hinweg darauf hin, dass mit dem Instandsetzungsverfahren weiterhin gute Ergebnisse erzielt werden. Aufgrund dieser erfolgreichen Leistung hat die Stadt Toronto das Asphaltsanierungsverfahren von Utilicor™ als dauerhafte Verfüllung genehmigt.

In Anlehnung an Tests die in unserem Testlabor in Whitby durchgeführt wurden und an unsere Beobachtungen im Einsatz vor Ort sind wir überzeugt davon, dass die Geräte, Verfahren und Materialien [einschließlich Utilibond™], die von Enbridge Gas Distribution entwickelt und in den letzten zehn Jahren eingesetzt wurden, eine zufriedenstellende langfristige Leistung der Straßenbelags-Wiederherstellung gewährleisten.“ (Golder Associates, 2003 p. 17). 

6 Nachweis des Verfahrens

Zwischen 2000 und 2003 wurden diese beeindruckenden Ergebnisse unabhängig im Rahmen des Restoration of Utility Cuts Project bestätigt, das vom National Research Council of Canada und dem United States Army Corps of Engineers im Auftrag eines Konsortiums von sieben kanadischen Gemeinden, 13 amerikanischen Gemeinden und Verkehrsministerien (DOTs), sieben Erdgas-, Strom- und Kommunikationsversorgern, der American Gas Association (AGA) und dem Gas Technology Institute (GTI) durchgeführt wurde (Zeghal und Mohamed, 1999).

Ziel war es, einen Leitfaden für die besten Praktiken beim Schneiden und Sanieren von Fahrbahnen zu entwickeln, der auf fundierten technischen Prinzipien basiert, die durch die Durchführung aktueller Feldversuche ermittelt werden können, in denen sowohl bauliche Variablen, wie Größe, Form und Geometrie des Schnitts, als auch die Methoden der Durchführung und der Sanierung genau bestimmt werden.

Während der dreijährigen Studie wurden Verfahren und Materialien, die derzeit bei Aushuben und Instandsetzungen benutzt wurden, getestet und auf einer Reihe von Testgeländen in Nordamerika, wo die verschiedenen Aushub- und Sanierungstechniken ausgewertet wurden, miteinander verglichen. All diese verschiedenen Testabschnitte wurden mit Instrumenten ausgestattet, die Belastung, Feuchtigkeit und andere Daten in den ausgegrabenen und instandgesetzten Konstruktionen sammelten und dann analysiert und ausgewertet wurden, um die Funktionsfähigkeit der unterschiedlichen Methoden in Bezug auf die Erfüllung der Maßnahmen zur Qualitätskontrolle, die in den verschiedenen Regionen getroffen wurden, zu ermitteln.

Einer dieser Tests war das Toronto Field Experiment (NRCC und USACE, 2004), das in Toronto, Kanada, durchgeführt wurde. Es wurde im September 2001 begonnen und umfasste zwei geschnittene Abschnitte – einen herkömmlichen 2,5 m x 5,7 m (8 Fuß x 12 Fuß) großen querlaufenden Graben und ein Keyhole mit einem Durchmesser von 450 mm (18 Zoll) – die jeweils durch den Asphaltbeton einer Hauptverkehrsstraße geschnitten wurden.

Der herkömmliche Aushub wurde im Oktober 2001 provisorisch saniert und acht Monate später Ende Mai 2002 dauerhaft repariert. Das Keyhole wurde am selben Tag, als es geschnitten wurde, im September 2001, dauerhaft repariert.

Nach Abschluss der Instandsetzungen des herkömmlichen Aushubs und des Keyhole, wurden die Sanierungen in regelmäßigen Abständen während der Dauer der Studie, die zwei kanadische Frost-Tau-Winter zwischen September 2001 und April 2003 umfasste, kontrolliert.

Zusätzlich zur normalen Verkehrsbelastung wurden die instandgesetzten Stellen einer Vielzahl von Lasten und Tests ausgesetzt, einschließlich mehrmaligen Überfahrens mit einem voll beladenen Wassertanklastzug mit Achslasten von 13.790 kg (vorn) und 10.400 kg (hinten). Die Auswirkungen wurden von Sensoren, die in verschiedenen Tiefen vergraben waren, und durch eine Reihe von Untersuchungen mit Falling Weight Deflectometern (FWD) aufgezeichnet, die durchgeführt wurden, um die strukturelle Unversehrtheit der Straße vor der Ausgrabung und nach der Instandsetzung zu bewerten.

Bei dem Experiment in Toronto wurden beachtliche Defekte bei der Reparatur des herkömmlichen Aushubs festgestellt. Die Fuge zwischen Straße und Flickstelle hatte sich geöffnet, es gab sichtbare Absenkungen in der Rollspur, das Material, das für die Versiegelung der Fuge benutzt worden war, war aufgrund des hohen Verkehrsaufkommens verschwunden und die Feuchtigkeitswerte waren höher als normal (verglichen mit dem Keyhole).

Beim Keyhole-Aushub wurden keine Defekte festgestellt. Der Keyhole-Abschnitt, der im Oktober 2001 errichtet wurde, schnitt während der ganzen Dauer des Experiments gut ab. Die Oberfläche des sanierten Keyhole blieb mit dem Querschnitt der Straße auf einer Ebene. Die Fugenmischung [Utilibond], die den Bohrkern aus Asphalt, Beton und Zement umgibt, blieb völlig intakt, ohne Risse oder Abspaltung.

Diese Untersuchungen bestätigen zusammen mit den Daten der Oberfläche und des Untergrunds, dass das sanierte Keyhole gute Resultate erzielte und keine Straßenschäden verursachte, und bewiesen, dass mit dem Einsatz von Keyholes in vielen Versorgungsfällen große offene Aushube in der Straße nicht notwendig sind.

Diese vier spezifischen Ergebnisse untermauern die Schlussfolgerung, dass das Keyhole-Verfahren herkömmlichen Methoden des Asphaltaushubs und der Instandsetzung überlegen ist (NRCC und USACE, 2004):

– Im Hinblick auf die Reifenabdrucksfläche eines Lastkraftwagen in Kontakt mit der Straßenoberfläche, führt die kleinere Keyhole-Öffnung dazu, dass die auf die darunter liegenden Abschnitte eines wiederhergestellten Keyhole übertragenen Belastungsspannungen niedriger sind.

– Da ein kreisförmiger Aushub im Asphaltbeton, basierend auf den Grundregeln der Mechanik, keine Ecken hat, wo sich die Verkehrslast verstärkt, entstehen auch keine Risse durch den Druck an den Ecken, die sich dann in den angrenzenden Straßenbelag ausbreiten.

– Die Bohr- und Sauggeräte, die zum Schneiden und Ausheben des Keyhole benutzt werden, sind minimalinvasiv und verursachen gar keinen oder nur geringen Schaden an der unterirdischen Infrastruktur, an der Straßenoberfläche oder am Untergrund neben dem Aushub.

– Die Verbundmischung von Utitlibond, die beim Wiedereinsetzen des Bohrkerns in die Straße und zum Abdichten der Fuge benutzt wurde, hat während des gesamten 19 Monate langen Experiments (September 2001 bis April 2003) effektiv ihre Aufgabe erfüllt, ohne Anzeichen von Materialverlust oder Abspaltung in der Fuge zu zeigen.

Der Bericht schließt mit folgender Erklärung ab: „Die Keyhole-Aushub und -Verfüllungstechnik, die bei dem Praxistest in Toronto bewertet wurde, zeigt, dass das Verfahren praktisch und wirkungsvoll ist bei der Reduzierung möglicher Straßenschäden ... [und] es wird empfohlen, den Einsatz des Keyhole-Verfahrens zu fördern, wann immer es sich als machbar erweist.“ (NRCC und USACE, 2004) 

7 Kostenvergleich und Effizienz

Es ist wenig sinnvoll über neue Arbeitsmethoden zu sprechen, ohne den wirtschaftlichen Nutzen der Innovation auszuwerten.

Um wirkungsvoll zu sein, muss eine neue Technik nicht nur eine bessere Leistung erzielen als herkömmliche Asphaltaushub- und Wiederherstellungsmethoden, sondern sie muss auch in wirtschaftlicher Hinsicht Sinn für den Benutzer machen und einen entsprechenden Vorteil für die Gemeinde mit sich bringen, der diese Straßen und Gehwege gehören und die sie instand hält, und letztendlich muss sie auch für die Bevölkerung, die sie benutzt, zweckmäßig sein.

Der Kostenvergleich zwischen herkömmlichem Asphaltaushub und Sanierung und Keyhole-Bohrung und -Verfüllung wird durch die damit einhergehenden Regulierungs- und Leistungsvariablen erschwert. Manche Städte und Gemeinden schaffen Anreize und andere Abschreckungen, die sich direkt auf das Ausmaß und die Kosten der Sanierungsarbeiten auswirken.

Zum Beispiel verlangen einige Städte, frustriert durch langjährige schlechte Erfahrung mit schlecht reparierten Versorgungsaushuben, vom Versorger, dass er die Straße von Bordsteinkante zu Bordsteinkante neu asphaltiert, jedes Mal wenn dazwischen ein Versorgungsaushub vorgenommen wird. Manche fordern, dass der komplette Reparaturbereich von der Bordsteinkante bis zur Mittellinie als Teil der Instandsetzung gefräst und neu bedeckt wird. Andere verlangen eine Art Bitumenschlammbehandlung und wieder andere fordern, dass die Gesamttiefe der Straße bis zur nächsten Kreuzung saniert wird.

Unabhängig von dieser Art städtischen Maßnahmen gibt es ein paar objektive Faktoren, die bei dem Vergleich nutzbringend verwendet werden können. Dazu gehören:

– die physische Auswirkung des Aushubs und der Sanierung auf die Straßenoberfläche und den Unterbau,

– die Arbeitskosten und die Kosten für die Maschinen, die bei dem Verfahren eingesetzt werden,

– die Anzahl, das Ausmaß und die Dauer der Straßensperrungen, die zur Durchführung des Verfahrens notwendig sind,

– die Belastung der Nachbarn durch Lärm, Staub und andere negative Umweltauswirkungen,

– die Notwendigkeit von Transport und Entsorgung von Straßenaushub und Schutt,

– der Verbrauch von natürlichen Ressourcen und anderen Betriebsmitteln zur Asphaltierung; und

– die Größe des Baustellenbereichs und die dadurch entstehenden Auswirkungen auf den Verkehr.

Die wichtigsten Faktoren sind unter Umständen die Auswirkung des Aushubs und der Reparatur auf die Straßenstruktur selbst, und wie schnell und preisgünstig der Versorgungsaushub repariert und dadurch die Straße wieder für den Verkehr freigegeben werden kann.

Dieses Thema wurde in etlichen Studien, einschließlich der oben erwähnten, angegangen und genau wie bei den Schlüssen, die aus der Mikrochirurgie gezogen wurden, sind es die kleineren, präziseren und minimalinvasiven Keyhole-Aushube, die weniger Schaden am Straßenbelag anrichten und eine schnellere, dauerhaftere und effektivere Sanierung des Asphalts gewährleisten. Zugleich sind kleinere Baustellenbereiche, kürzerer und seltenere Straßensperrungen und unmittelbarere und kürzere Instandsetzungsverfahren sicherer und reduzieren Verkehrsverzögerungen und Unannehmlichkeiten für die Bevölkerung auf ein Minimum. 

8 Keyhole in Europa

Der Trend der Keyhole-Bohrung und -Verfüllung ist nicht nur ein nordamerikanisches Phänomen.

In Europa gelten Verkehrsverzögerungen und Staus als wesentliche Unannehmlichkeit für die Bevölkerung, da sie zu Geschäftsbeeinträchtigungen, Schäden am Straßenbelag und an Fahrzeugen und einer zunehmenden Anzahl von Unfällen führen. Da Europa bereits dicht besiedelt ist und man der Verkehrsnachfrage nicht durch zusätzlichen Straßenraum gerecht werden kann, werden Regulierungssysteme und neuere Technologien benötigt, um die Situation zu verbessern.

Im Jahr 1992 versuchte das Vereinigte Königreich, die Situation mit dem The New Roads and Street Works Act 1991 anzugehen, indem für Gemeindestraßen mehrere Steuerungsmaßnahmen eingeführt wurden, die die widerstreitenden Interessen der Verkehrsteilnehmer und derjenigen, die auf den Straßen Bauarbeiten durchführen, in Einklang bringen sollten. Indirekt weckte dies auch ein erneutes Interesse an grabenlosen Technologien und Keyhole-Bohrungs und -Verfüllungstechniken als bessere und effizientere Methode der Straßeninstandsetzung.

Im Jahr 2005 griff das Kernbohr- und Verfüllungsverfahren von Nordamerika auf Europa über, als National Grid UK (jetzt Cadent Gas), Großbritanniens größtes Gasversorgungsunternehmen, eine Kernbohranlage und einen Saugbagger von seiner Niederlassung in New York importierte.

Das Projekt war so erfolgreich, dass sie bereits im nächsten Jahr fünf weitere kleinere Kernbohranlagen und die gleiche Anzahl kleinerer Saugbagger in Amerika bestellten, die speziell für die schmaleren Straßen in Europa konstruiert wurden.

Diese wurden im Juni 2008 geliefert und das Verfahren wurde „Core and Vac“ getauft, was mit „Entkernen und Absaugen“ übersetzt werden kann. Nach Aussage von National Grid reduzierte das Verfahren die Arbeitsdauer bei typischen Projekten von fünf Tagen auf einen halben Tag und die Menge an Aushubmaterial auf etwa 20 % des bei herkömmlichen Aushuben entstehenden Materials (UK DfT 2014, S. 2).

National Grid schätzte, dass zwischen April 2011 und März 2014 als direkte Folge des Verfahrens in London allein der Lkw-Verkehr, der durch die Entsorgung von Aushubmaterial und die Lieferung von Füllmaterial entsteht, um 1.700 Tonnen abgenommen hatte und die Verzögerungen für die Bevölkerung durch Straßenbauarbeiten um 5.670 Tage reduziert worden waren (UK DfT 2014, S. 2).

Zur gleichen Zeit, als die Keyhole-Bohrung im Vereinigten Königreich eingeführt wurde, schloss Gaz de France Suez einen Kooperationsvertrag mit Utilicor und anderen ab, um ein ähnliches Keyhole-Bohrungs und -Verfüllungsprogramm in Frankreich umzusetzen. Kleine Fahrzeuge mit aufmontierten Kernbohr- und Sauganlagen wurden für die Anwendung in Frankreich entworfen, entwickelt und genehmigt. Das Projekt war erfolgreich und wurde in etlichen Gemeinden umfassend präsentiert, wo das Keyhole-Verfahren insofern erweitert wurde, dass man mit einer neuen Art von Mikro-Richtbohrgerät, das zu der Zeit in Deutschland von Tracto-Tecknik GmbH entwickelt wurde, Zugang durch asphaltierte Oberflächen hindurch erhielt.

Im Januar 2009, kurz nach der Einführung des Kernbohr- und Verfüllungsverfahrens im Vereinigten Königreich, veröffentlichte die European Gas Research Group das „Street Works Paper in Support of Underground Technologies“ (GERG, 2009), das die Notwendigkeit beträchtlicher Investitionen in innovative Technologien in Europa bestätigte, um die zunehmenden Probleme im Zusammenhang mit Straßenbau durch Versorgungsunternehmen in Angriff zu nehmen, wie z. B. die Entsorgung von Aushubmaterialien, Verkehrsstörungen und -verzögerungen, Umweltverschmutzung (zusätzliche Treibhausgasemissionen, Lärmbelastung etc.) und eine reduzierte Lebensqualität für die Bevölkerung. Der Bericht folgerte:

„Es ist klar, dass wir in Europa erheblich in innovative Technologien investieren müssen, die es Versorgungsunternehmen und Straßenbehörden ermöglichen, unterirdische Infrastruktur zu identifizieren, lokalisieren, kontrollieren, installieren und erneuern und dabei die Störung im Straßenraum auf ein Minimum zu beschränken. Wir werden nur dann eine Verringerung der Verkehrsstaus und eine allgemeine Verbesserung des Verkehrsflusses erleben, wenn wir die Zeit, die Versorgungsunternehmen für Straßenbauarbeiten brauchen, minimieren oder sogar ganz eliminieren.

Es bestehen keine Zweifel, dass dies ein europäisches, sogar weltweites Problem ist, das sich auf eine nachhaltige Umwelt, die Energieeffizienz im Verkehr, die Gesundheit der Bevölkerung und die Lebensqualität auswirkt, und als solches von einem europäischen Forum angegangen werden muss.“

„Innovative Techniken, wie ein kreisförmiger Schnitt, eine Technik, die insbesondere durch UTILICOR (US) entwickelt wurde, und einen Aushub von etwa 60 cm (24 Zoll) Durchmesser in der Straßenoberfläche zu ermöglicht, stellen eine relevante Antwort dar. Der Vorteil dieser Technik ist, abgesehen von einem merklichen Produktivitätsgewinn, dass man das herausgeschnittene Stück nach der Verfüllung wieder in die Oberfläche einsetzen kann, wodurch man die Verbindung an der Straßenoberfläche so gut wie gar nicht sieht.“ (GERG, 2009, S. 2, S. 17)

Im Oktober 2013 entschied sich National Grid, seine kleineren Sauganlagen durch acht neue Saugbagger zu ersetzen und ließ dem im April 2014 mit der Anschaffung von viel größeren „kombinierten“ Saugbaggerfahrzeugen konkrete Schritte folgen. Diese Geräte waren mit Anlagen ausgestattet, die nacheinander von derselben Plattform aus sowohl die Bohrung als auch das Absaugen durchführen konnten, wodurch nicht zwei verschiedene Fahrzeuge gekauft und betrieben werden mussten. Allerdings kosteten diese wesentlich mehr und man brauchte eine größere, umfangreichere Stellfläche, um ein tragbares Kernbohrmodul auf der verlängerten hinteren Tragfläche des Saugbaggers unterzubringen (Hitachi/TTUK/RSP, 2014).

9 Die kombinierte Kernbohr- und Absauganlage

Doch diese kombinierten Anlagen können unter Umständen nicht für alle Arbeiten verwendet werden – besonders nicht bei den engen europäischen Straßen.

Kritiker des Verfahrens weisen darauf hin, dass durch die Kombination der Kernbohr- und Saug-, bzw. Aushub-Funktionen auf einem sehr großen Fahrzeug die Effizienz des Verfahrens insgesamt leidet und die Annehmlichkeiten für die Bevölkerung eingebüßt werden, da die Stellfläche der kombinierten Anlage um einiges größer und umfangreicher ist als die von den in Nordamerika bevorzugten getrennten Kernbohr- und Sauganlagen und zu längeren Straßensperrungen von mehr als einer Verkehrsspur führen könnten.

Zum Beispiel ist die kombinierte Anlage im Vereinigten Königreich in ihrer kleinsten Konfiguration 8,9 m lang und 2,5 m breit und hat eine stationäre Stellfläche von insgesamt 22,25 m2. Wenn das Kernbohrungsmodul hinzugefügt und zum Bohren abgeladen wird, erhöht sich die Stellfläche auf mehr als 26 m2 (Bild 2(a)).

Bild 2: (a) 2014 Kombiniertes „Core and Vac“ (jetzt „Core and Suc“)-Fahrzeug mit ausgefahrenem Kernbohrungsmodul. (b) 2008 Individuelle Kernbohr- und Saugfahrzeuge von National Grid. 

Im Vergleich dazu war die jeweilige stationäre Stellfläche der vorherigen autarken Bohrungs- und Saugfahrzeuge (Bild 2(b)) 4,3 m lang und 2,4 m breit, wobei die Gesamtstellfläche jeweils lediglich 10,3 m2 betrug.

Bild 3: (Links) Utilicor Minicor 3 angebracht an Miniraupenlader Ditch Witch SK1550 und (Rechts) Utilicor MTC 100 angebracht an Miniraupenlader Ditch Witch SK800

Da die beiden Anlagen jeweils mit einer anderen Geschwindigkeit und unabhängig voneinander arbeiteten, mussten sie außerdem nicht zur gleichen Zeit am selben Ort sein, und nahmen dadurch zu jedem Zeitpunkt im Grunde weniger als zwei Fünftel des Straßenraums einer kombinierten Anlage ein.

Heutzutage, wo immer mehr kompakte Baumaschinen auf den Markt kommen, erhält man sogar eine noch kleinere Stellfläche beim Bohren, die noch mehr Flexibilität bietet, wenn man das Gerät Utilicor Minicor 3 mit dem Miniraupenlader Ditch Witch SK1550 oder einem vergleichbaren Kompaktlader kombiniert (Bild 3). Diese Kombination ist nur 1,2 m breit und 3,65 m lang und nimmt somit nur eine Stellfläche von 4,38 m2 in Anspruch – also ein Achtel der Fläche der kombinierten Anlage und ungefähr halb so viel wie ein Volkswagen-Käfer. Der MTC 100 ist sogar noch kleiner.

Aber die Gesamtgröße der kombinierten Anlage ist nicht ihr einziges Manko. Viel wichtiger ist die Tatsache, dass nur eine ihrer Funktionen – entweder Bohren oder Saugen – gleichzeitig ausgeführt werden kann und die andere währenddessen nicht genutzt wird. Dadurch ist das Keyhole-Verfahren betrieblich viel weniger flexibel und effizient als mit zwei kleineren autarken Fahrzeugen, die jeweils ihre eigenen ganz verschiedenen Leistungsmerkmale aufweisen.

Eine Kernbohranlage braucht normalerweise für das Herausschneiden eines typischen Asphaltkerns weniger als 10 bis 15 Minuten. Aber statt einen anderen Kern herausschneiden zu können, muss man, da die Bohranlage mit dem Saugteil der kombinierten Anlage verbunden ist, warten, bis der Saugvorgang abgeschlossen ist und die kombinierte Anlage das Bohrmodul wieder auf seine Tragfläche gehoben hat, um zur nächsten Bohrung weiterzufahren. Je nach Tiefe und nach Beschaffenheit der Erde, die ausgehoben werden soll, kann das bei jedem Aushub eine zusätzliche halbe Stunde oder mehr in Anspruch nehmen.

Dies führt nicht nur zu mehr Unannehmlichkeiten für die Bevölkerung, sondern verzögert aus betrieblicher Sicht auch die Effizienz des Verfahrens insgesamt, was verglichen mit der höheren Saugkraft der größeren, weniger wendigen und teureren kombinierten Anlage möglicherweise mehr ins Gewicht fallen kann.

Wenn in Nordamerika mehrere Zugangslöcher geschnitten werden müssen, z. B. um in einem Wohnviertel Leitungen anzuschließen, setzen Versorgungsunternehmen und deren Auftragnehmer „ein Fließbandverfahren“ ein. Der Vorgang beginnt mit einer selbstständigen Bohranlage, die auf einem Lastwagen oder Anhänger montiert ist oder an einem Miniraupenlader oder Kompaktlader angehängt ist, und die schnell und präzise innerhalb von 10 bis 15 Minuten einen 450 bis 610 mm großen Kern aus einer Vielzahl unterschiedlicher Bodenbeläge bis zu einer Tiefe von 550 mm herausschneiden kann.

Nach dem Schnitt wird der Asphaltbohrkern zur Seite gelegt und ein provisorischer kreisförmiger Stahldeckel mit einem 10 cm tiefen Kragen (Bild 4), der verhindert, dass der Deckel kippt, verkantet, aus dem Loch herausspringt oder sich aus diesem herausdreht, manuell in das Loch eingesetzt, um es abzudecken. Diese Stahldeckel wiegen etwa 20 kg und können ganz leicht von einer Person gehandhabt und installiert werden und sind eine effektive Alternative zu den schweren rechteckigen Stahlplatten, die nur mit Maschinen bewegt werden können.

Durch diese schnell eingesetzten Stahldeckel kann die Straße für den Verkehr viel länger offenbleiben, während die Bohranlage weitere Löcher in die Straße schneidet. Somit können Arbeiten besser geplant werden und es entstehen weniger Unannehmlichkeiten für die Bevölkerung. Generell kann ein einziger Bohrtrupp, ohne Behinderung durch eine mitgeführte Sauganlage, an einem Tag mit diesem Verfahren 20 oder mehr Keyholes aufbohren.

Bild 4: Provisorischer kreisförmiger Stahldeckel gibt es in verschiedenen Größen, die genau in das entkernte Keyhole passen. 

Anschließend kann, je nachdem wie es in den Arbeitsplan passt, eine eigenständige Sauganlage oder sogar ein Saugbagger (kann an den meisten Orten für 1.000,- bis 1.200,- € am Tag gemietet werden) nach Entfernen der Stahldeckel die Löcher ausheben. Je nach Tiefe des Aushubs und der Art des Materials, das ausgehoben werden muss, kann der leistungsstarke Saugbagger, unbeeinträchtigt vom Ab- und Wiederaufladen der Bohranlage, einen Aushub in 10 bis 15 Minuten abschließen. Demzufolge sollte es möglich sein an einem typischen Arbeitstag mindestens 20 oder mehr Keyholes auszuheben.

Dieser Vorgang profitiert auch davon, dass der Saugbagger den Aushub von jedem Loch in einen speziellen großen Sack am Straßenrand neben dem Loch kippen und nach Abschluss der unterirdischen Arbeiten das Loch wieder damit verfüllen kann. Nachdem das Loch ausgehoben wurde, kann der provisorische Stahldeckel wieder aufgesteckt und dieser Teil der Straße wieder gefahrlos für den Verkehr freigegeben werden, während man darauf wartet, dass der Bohrkern wieder eingesetzt wird.

Indem man die einzelnen Schritte des Versorgungsaushubs getrennt ausführt, können beide Aufgaben unabhängig voneinander und so schnell und effektiv wie möglich durchgeführt werden, ohne dass man darauf warten muss, dass die erste abgeschlossen ist. 

10 Fazit

Das Keyhole-Bohrungs und -Verfüllungsverfahren wurde in Nordamerika über 20 Jahre lang in der Praxis erprobt und wird derzeit von mehr als 35 führenden Gas- und anderen Versorgungsunternehmen und Dutzenden ihrer Auftragnehmer dort eingesetzt. Auch im Vereinigten Königreich und in Deutschland wird mit diesem Verfahren gearbeitet. Es spart allen Beteiligten Zeit und Geld, verbraucht viel weniger Energie und Rohstoffe als herkömmliche Aushub- und Sanierungsmethoden, reduziert Schadstoffemissionen in die Atmosphäre, führt zu kürzeren und weniger Straßensperrungen, ist vorteilhafter für die Bevölkerung und schadet dem Straßensystem und der Umwelt weniger als herkömmliche Methoden.

Statt mit Presslufthammern, Geräten zum Aufbrechen von Asphalt und Grabenbaggern, die die angrenzenden Asphaltstrukturen zerrütten oder beschädigen können, wird der Aushub mit der chirurgischen Präzision einer Asphaltsäge durchgeführt. Durch die kreisförmige Geometrie des Keyhole-Schnitts wird die Wahrscheinlichkeit von Rissen, die durch Druck auf die Ecken entstehen, eliminiert, was bei herkömmlichen rechteckigen Asphaltreparaturen passieren kann und was die Hauptursache für das Eindringen von Grundwasser ist und zu frühzeitigen Straßenschäden führen kann.

Bei dem Verfahren werden zur Reparatur genau dieselben Materialien benutzt, die ursprünglich zum Bau der Straße benutzt wurden. Es entsteht kein Asphaltausub, es werden keine zusätzlichen Belagmaterialien oder Ressourcen verbraucht und es dringen keine flüchtigen organischen Verbindungen oder andere Schadstoffemissionen in die Atmosphäre aus.

Am wichtigsten ist jedoch die Tatsache, dass es eine schnelle, kostengünstige und einfache dauerhafte Reparatur ist, bei der die Straße innerhalb von 30 Minuten nach Abschluss der unterirdischen Arbeit wieder gefahrlos für den Verkehr freigegeben werden kann und keine nachfolgenden Straßensperrungen erforderlich sind, um eine dauerhafte Reparatur durchzuführen.

Es ist eine Lösung von der alle profitieren: das Versorgungsunternehmen, die Gemeinde, die Bevölkerung und die Umwelt. 

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