Erstmals Frischbetonverbundsystem von Sika bei Deckelbauweise in über 40 m Tiefe angewendet

In bester Münchener Innenstadtlage wird am Marienhof seit Januar 2019 an Deutschlands tiefster S-Bahn-Station gebaut. Im Zuge des dringend notwendigen Ausbaus des S-Bahn-Netzes entsteht dort im Rahmen des Projektes 2. S-Bahn-Stammstrecke München eine 41 m tiefe Station, die technisch, logistisch und organisatorisch eine große Herausforderung darstellt. Um die Betonkonstruktion gegen das Grundwasser zu schützen, wird das Bauwerk als wasserundurchlässige weiße Wanne hergestellt und zusätzlich mit dem druckwasserdichten, hinterlaufsicheren und rissüberbrückenden Frischbetonverbundsystem von Sika abgedichtet.

Im Ballungsraum München nutzen Pendler intensiv den gut ausgebauten ÖPNV. Besonders stark frequentiert ist dabei die 1972 in Betrieb genommene, 11,3 km lange 1. S-Bahn-Stammstrecke, die auf 4,3 km die Münchener City im Tunnel durchfährt. Ursprünglich für 250.000 Passagiere pro Tag konzipiert, fahren mittlerweile 850.000 Menschen täglich mit der S-Bahn. Damit ist sie während der Hauptverkehrszeit die am meisten befahrene zweigleisige Eisenbahnstrecke Deutschlands. Eine deutliche Erhöhung der Kapazitäten soll eine neue West-Ost-Expressverbindung zu den Hauptverteilern schaffen: die 2. S-Bahn-Stammstrecke. Die 10 km lange neue Linie verläuft ab der Station Laim im Westen parallel zur bestehenden Stammstrecke, taucht vor der Donnersbergerbrücke in einen 7 km langen Tunnel ab, hält an drei neuen unterirdischen Stationen und kehrt vor der im Osten befindlichen Station Leuchtenbergring wieder zurück an die Oberfläche.

Zugangsbauwerk in Schlitzwand-Deckelbauweise
Die Baustelle von der Größe eines Fußballfelds ist von Nachbargebäuden, Fußgängerzone und engen Straßen sowie den beiden bestehenden U-Bahnröhren der Linien 3 und 6 umschlossen. Das zentrale, etwa 100 m lange und 50 m breite Zugangsbauwerk am Marienhof wird in Schlitzwand-Deckelbauweise im Grundwasser erstellt. In dessen Verlängerung Richtung Westen und Osten erfolgt der bergmännische Druckluftvortrieb für die jeweils 60 m langen Bahnsteigröhren der S-Bahn, die unter den bestehenden U-Bahnlinien verlaufen. Insgesamt wird der S-Bahnsteig 220 m lang werden. Der Übergang zur U-Bahnstation erfolgt südlich in Richtung Rathaus, ebenfalls in bergmännischer Bauweise. Der Druckluftvortrieb läuft unter dem Sperrengeschoss der U-Bahn hindurch und schließt an die beiden Anfang der 2000er erstellten ehemaligen Schächte an, die für die Bahnsteigerweiterung unter dem Rathaus angelegt wurden. „In der Tiefenlage von über 40 m haben wir sehr große Bauteilabmessungen wie etwa die 55 m tiefe und 1,50 m dicke Schlitzwand zur Baugrubensicherung oder die 5 m dicke Bodenplatte, die aus den relativ hohen Erd- und Wasserdruckkräften resultieren. Zusätzlich haben wir während der Bauzeit eine umfangreiche Bauwasserhaltung, die rund um die Uhr betrieben werden muss, um die Lasten aus dem Wasserdruck zu minimieren,“ beschreibt Jan Ferko von der DB InfraGo AG die Situation am Marienhof.

Durch die zahlreichen Gewerke, die meist parallel auf engstem Raum ausgeführt werden, muss der Bauablauf präzise geplant werden. Zuerst werden die Schlitzwände eingebracht und dann, nach dem top-down-Prinzip, nach unten gehend die einzelnen Aussteifungsebenen hergestellt. Bereits bei den ersten Arbeiten müssen etwa Betonier- und Rüttelöffnungen, die Anschlussbewehrung für später herzustellende Innenstützen und -wände sowie vieles mehr vorgesehen werden. Dabei müssen je Ebene Höhen von bis zu 7 m überwunden werden.

Entscheidung für eine zusätzliche Abdichtungsebene
„Die ursprüngliche Planung sah als Hauptabdichtungsebene eine wasserundurchlässige Konstruktion in Form einer Weißen Wanne bestehend aus Innenschale und Bodenplatte vor. Bei der DB findet die WU-Richtlinie Anwendung, die den Umgang mit wasserführenden Rissen über verschiedene Entwurfsgrundsätze regelt. Während bei uns ursprünglich die Anwendung des Entwurfsgrundsatz b gemäß des Prinzips der Selbstheilung vorgesehen war, wurde im Jahr 2017 die zugrunde gelegte WU-Richtlinie geändert. Daraufhin wurde die Entscheidung getroffen, eine wasserundurchlässige Konstruktion als Hauptabdichtungsebene einzubauen, mögliche Risse planmäßig nach Entwurfsgrundsatz c zu verpressen und zusätzlich ein vor die Innenschale gesetztes Frischbetonverbundsystem (FBVS) zu verwenden, um nachträgliche Verpressarbeiten auf ein Minimum zu reduzieren,“ beschreibt Ferko den Planungsprozess.

„Wir haben direkt mit der Angebotsabgabe das System von Sika vorgeschlagen, da wir die Frischbetonverbundbahnen durchdringungsfrei, das heißt ohne Löcher bohren oder die Folie perforieren zu müssen, befestigen und gleichzeitig den Hinterlaufschutz gewährleisten können. Sika besitzt die erforderlichen Prüfzeugnisse und Nachweise und es liegen für die unterschiedlichsten Details, Anbindungen und Probleme Lösungsansätze bereits vor. Zudem sind die Bahnen aus FPO (Flexibles Polyolefin) im Übergang von der Station zum Bahnsteigtunnel mit der Tunnelabdichtung kompatibel,“ erläutert Ingo Lehmberg, Bereichsleiter Bauwerkserhaltung der August Reiners Bauunternehmung GmbH, einige wichtige Kriterien für die Auftragserteilung.

Umfangreiche Gutachten und Untersuchungen
Das Frischbetonverbundsystem von Sika ist mit einem allgemeinen bauaufsichtlichen Prüfzeugnis (abP) bis zu einem Wasserdruck von 20 m Wassersäule, also 2 bar, zugelassen. Das System wird dabei mit bis zu 5 bar Wasserdruck geprüft und erhielt, mit dem Sicherheitsfaktor 2,5 versehen, die Zulassung bis 2 bar. „Am Marienhof steht ein mehr als doppelt so hoher Wasserdruck an und damit ist, rein formal, bereits ab der halben Tiefe der Station diese Zulassungsgrenze von 2 bar überschritten. Somit war eine Prüfung durch das Eisenbahnbundesamt (EBA) mit einem langwierigen Prozess notwendig, um auf der sicheren Seite zu sein,“ erläutert Ferko die rund 1,5 Jahre dauernden zusätzlichen Untersuchungen und Tests. Dabei wurden von verschiedenen Gutachtern und Universitäten Ergänzungsversuche durchgeführt, um die FBV-Bahn, alle Stöße, Durchdringungen, Anschlüsse usw. zu prüfen. „Für alle Beteiligten war das ein sehr aufwändiger Prozess, der sich aber gelohnt hat. Das Ingenieurbüro Schiessl Gehlen Sodeikat GmbH, München, hat für den Bauherrn die Zustimmung im Einzelfall vorbereitet und in Zusammenarbeit mit der TH Nürnberg, Prof. Thomas Freimann, die zusätzlichen Prüfungen durchgeführt. Dabei wurden sowohl die bereits mit unserem System gelösten Details betrachtet als auch jene, die im Bauvorhaben unter dem erhöhten Wasserdruck noch offen waren. So wurden etwa eine Rohrdurchführung und eine Rückverankerung mit einem Bewehrungsstab, die wir auf 5 bar geprüft hatten, erfolgreich mit 7 bar getestet. Schließlich konnten wir den gesamten Anforderungskatalog mit auf 7 bar geprüften Details vorweisen. Das war die definierte Grenze, die die Planer für die Zustimmung im Einzelfall gesetzt hatten und somit ist die Verwendung freigegeben,“ beschreibt Marco Bloch, Produktingenieur Bauwerksabdichtung bei Sika, den Zulassungsprozess.

Langzeitbeständigkeit des Frischbetonverbundsystems nachgewiesen
Die Funktionsweise und Dauerhaftigkeit des Frischbetonverbundsystems in einer Tiefe von über 40 m wurde ebenfalls betrachtet und nachgewiesen, wie Marco Bloch erläutert: „Ursprünglich haben wir über Autoklaventests eine künstliche Alterung herbeigeführt und hochgerechnet, von welcher Lebensdauer man ausgehen kann. Über diese zusätzlichen Erkenntnisse der Materialeigenschaften konnten wir eine Herstellererklärung abgegeben und bestätigen, dass wir von einer Lebensdauer von mindestens 50 Jahren ausgehen können. Zwischenzeitlich sind weitere umfangreiche Untersuchungen abgeschlossen.“ In Summe wurden drei Jahre lang Prüfungen mit künstlicher Alterung am FBV-System durchgeführt und danach eine gutachterliche Bewertung ausgesprochen. Dabei wurde das Hybridverbundsystem, also ohne Vlieskaschierung, mit thermisch gefügten Nähten in eingebautem Zustand unter verschiedenen Randbedingungen bei unterschiedlichen Temperaturen gelagert und die Veränderungen an den Materialien beobachtet. Über Extrapolationen berechnete man die Materialkennwerte und so konnte ein externer Gutachter für Geotextilien bestätigen, dass das System bei fachgerechtem Einbau eine Lebensdauer von mindestens 120 Jahren erreichen kann. Somit ist die Dauerhaftigkeit und Funktionsweise des Materials nachgewiesen.

Zudem wurden am Marienhof massive Probebauteile, bei denen die Innenschale mit einem Teilstück und auch der endgültigen Höhe von 7 m simuliert wurde, hergestellt. Dabei testete man verschiedene Situationen wie etwa die Betonierbarkeit von oben, d.h. wie groß der Spalt ist, der beim Absetzen des Betons entsteht. Unter anderem wurde eine zweihäuptige Schalung gestellt, auf einer Seite die FBV-Bahn eingelegt und das Bauteil betoniert. Nach Entfernen der Schalung konnte man sehen, wie sich die Hybridverbundbahn mit dem Beton verbunden hat. „Das sind natürlich optimale Bedingungen, die wir so wahrscheinlich am Einbauort unten in der Station nicht haben werden. Trotzdem konnte man sehr anschaulich erkennen, wie fest der Verbund zwischen FBV-Bahn und Beton erfolgt ist. Das war für uns alle noch einmal die Bestätigung, dass die Wirkungsweise des Frischbetonverbundsystems von Sika mit dem Hybridverbund am Ende auch tatsächlich so funktioniert, eine fachgerechte Ausführung vorausgesetzt,“ beschreibt Ferko einige Tests auf der Baustelle.

Einbau über einen langen Zeitraum
Seit 2022 wird das Frischbetonverbundsystem am Marienhof ab Ebene E-1 im Bereich der temporären und dauerhaften Aussteifungsdecken eingebaut und erst nach Fertigstellung des äußeren Baukörpers inklusive Decken und Bodenplatte werden die Innenflächen mit dem Frischbetonverbundsystem hergestellt. Da ein Teil des FBV-Systems bereits lange vor den letzten Flächen eingebaut wird, muss insbesondere die Offenliegezeit berücksichtigt werden. Darunter versteht man die Zeit, die das Material der Sonne bzw. UV-Strahlen ausgesetzt ist. Das ist zwar am Marienhof wegen der Deckelbauweise weniger kritisch, aber trotzdem wird das Material in besonderer Weise verwahrt. Im Sommer 2024 wurde die Ebene E-4 im letzten Abschnitt fertiggestellt und die Herstellung der Ebene E-5 vorbereitet.

Einbau des FBV-Systems im Deckenanschluss
Die Herausforderung beim Einbau des Frischbetonverbundsystems ist der Anschluss der Aussteifungsdecken an die Schlitzwand, der lange vor der flächigen Erstellung der Abdichtung an den Wänden und dem Stationsboden erfolgen muss. Auf Höhe der Aussteifungsdecken wird eine verzahnte Auflagertasche in die Schlitzwand gefräst, über welche ein Teil der Vertikallasten der Decken abgetragen werden kann. In diesem Bereich ist das FBV-System unterbrochen. Die Abdichtung der Arbeitsfuge wird hier über horizontal laufende Injektionsschläuche sichergestellt.
Die Untergrundvorbereitung für das FBV-System auf der Schlitzwand erfolgt mit dem PCC-Mörtel Sika Monotop 612 F, um eine ebene Fläche für die Befestigung der Abdichtung herzustellen. Oberhalb und unterhalb der Deckenaussparung wird Sikaplan WT Tape 200 in Streifen mit dem Sikadur-Combiflex CF Kleber aufgeklebt, um die Bahnen durchdringungsfrei anzubringen. „Im Vorfeld haben wir dafür auf unserem Firmengelände ein Modell mit einer Schablone gebaut, um die Situation vor Ort nachzustellen. Zum einen muss im oberen Deckenrandbereich eine später noch herzustellende 45-Grad-Schräge vorgesehen werden. Zum anderen ist die Bahn so sicher zu verwahren, dass später sowohl der Anschluss an die Wände ober- und unterhalb der Decke gewährleistet als auch eine Beschädigung an dem Material auszuschließen ist,“ beschreibt Ingo Lehmberg die nicht ganz alltägliche Ausführung. Die Schräge ist für den Anschluss der 1,5 m dicken Innenschale oberhalb der Decke notwendig und wird später betoniert. Die FBV-Bahn in diesem Bereich muss lang genug sein, um den Anschluss zur späteren FBV-Fläche an der Wand herstellen zu können.

Die Tasche zur Einbindung der Decke in die Schlitzwand ist bis zu 70 cm hoch und ca. 10 cm tief, während die Deckenplatten bis zu 2,20 m hoch sind. In dieser Tasche befinden sich je vier horizontal laufende Injektionsschläuche. Die Oberfläche der Tasche muss verzahnt ausgebildet werden, um den Verbund zwischen der Schlitzwand und der Decke herzustellen. Oberhalb und unterhalb dieser Tasche wird das FBV-System eingebaut, um diese Bereiche der Deckenplatte abzudichten. Der untere Teil der FBV-Bahn wird um eine Holzlatte geschlagen und verwahrt. Sie müssen lang genug sein, um später den Anschluss der Bahnen aus dem Deckenbereich mit der Wand herstellen zu können. Außerdem werden sie durch Abdeckung mit einer weiteren Schutzfolie gegen Verschmutzung, Beschädigung und UV-Einstrahlung geschützt.

Die 45-Grad-Schräge mit dem Holzklotz muss mit der Bahn im ersten Schritt schon berücksichtigt werden. Deshalb muss die FBV-Bahn so lang sein, dass man sie 80 cm rausziehen und entsprechend verwahren kann, um diese Schräge auszubilden. „Im unteren Bereich der Decke, also dem Anschluss von der Decke zur Wand, haben wir vorgeschlagen, die FBV-Bahn um ein Brett zu wickeln, damit sie geschützt ist. Hinzu kam noch, dass wir vor der Betonage der Decke in Bereichen einen Kurzzeitschutz aufbringen müssen, damit das FBV-System nur dort mit dem Frischbeton in Kontakt gerät und reagiert, wo die Verbindung in dieser Phase bereits notwendig ist,“ erklärt Lehmberg den detaillierten Ablauf des Einbaus. Das FBV-System ist von unten, wenn unterhalb der Decke der Boden abgetragen wird, durch die Holzlatte geschützt. Trägt der Bagger das Erdreich ab, fällt die Holzlatte zuerst mit dem Erdreich herunter und somit kann eine Beschädigung durch die Baggerschaufel vermieden werden. Dann wird die Bahn mit einer weiteren Holzlatte verwahrt und mit einer zusätzlichen Schutzfolie gegen UV-Strahlung geschützt. Jetzt kann die Ausgleichsschicht der Wand im unteren Bereich betoniert werden, auf die SikaProof A+12 verlegt wird. „Ein weiterer Vorteil des verbesserten Frischbetonverbundsystems von Sika ist, dass wir nur einen Überlappungsstoß von 5 cm benötigen. Um die Holzlatten haben wir jetzt rund 20 cm herumgeschlagen, sodass wir für das thermische Fügen wenigstens die benötigten 5 cm zur Verfügung haben. Das ist eine deutliche Arbeitserleichterung und zudem sparen wir Material,“ beschreibt Lehmberg die Vorteile des neuen SikaProof A+ Systems.

Weiterentwickeltes Frischbetonverbundsystem SikaProof A+
Mit der verwahrten und geschützten FBV-Bahn ober- und unterhalb der Decke sind die Anschlussbereiche bereits eingebaut, aber der Anschluss von der Decke zur Wand erfolgt erst in vier bis fünf Jahren. Hier sieht der erfahrene Abdichtungsspezialist Lehmberg keine Probleme: „Auch nach diesem längeren Zeitraum können wir den Übergang der vorhandenen zur neuen FBV-Bahn herstellen. Das SikaProof-Material lässt sich sehr gut thermisch fügen und kann auch nach langer Offenliegezeit verbunden werden. Und wir haben einen weiteren Vorteil: im Bereich oberhalb der Decke müssen wir die neuen Bahnen an den Wänden mit der bestehenden FBV-Bahn nur 5 cm überlappen, sodass wir fast genau an der Oberkante der Decke anschließen können. Der Überlappungsbereich ist deutlich geringer als bei dem bisherigen System.“

Rein optisch hat sich das neue SikaProof System zumindest auf der Außenseite mit der Kunststoffbahn aus flexiblen Polyolefinen (FPO) kaum verändert. Vlies und Dichtstoff der Innenseite wurden jedoch ersetzt durch eine zementmodifizierte Hybridverbundschicht auf TPO-Basis (thermoplastische Olefine). „Die Bahnen werden in einem Produktionsvorgang hergestellt und durch die kunststoffbasierte Oberfläche lassen sie sich leicht mit Schweißautomaten thermisch miteinander verbinden. Das ist ein entscheidender Vorteil, weil man durch diese Ausführung ganz andere Nahtfestigkeiten erreichen kann und die handwerkliche Sicherheit bei der Ausführung viel größer ist. Der Schweißautomat wird morgens eingestellt und die Nahtverbindung der Bahnen kann den ganzen Tag über in stets gleich hoher Qualität hergestellt werden,“ beschreibt Marco Bloch die Vorteile des neuen SikaProof A+ Systems. „Durch die flächige Adhäsion der Kunststoffoberfläche, die mechanische Verkrallung des Zementleims in der rauen Oberfläche der Bahn und die Vernadelung der in der Verbundschicht befindlichen Zementpartikel mit dem angrenzenden Frischbeton wird nach 28 Tagen eine deutlich höhere Festigkeit aus dem Haftverbund erreicht als bisher. Die Sicherheit des Frischbetonverbundsystems beim Hinterlaufschutz und der Rissüberbrückungsfähigkeit ist dabei unverändert hoch.“

Ausblick
Ab Anfang 2025 steht die Verlegung des Frischbetonverbundsystems in der Bodenplatte, die deutlich größer ist, an. Hier wird eine knapp 5.000 m2 große Fläche auf der Sauberkeitsschicht unterhalb der Sohle Teil 1 verlegt. Dieser Abschnitt wird ebenfalls von der August Reiners Bauunternehmung GmbH ausgeführt. Wegen der großen Massen wird die Sohle in zwei Teilabschnitten betoniert. Danach folgt die Herstellung der Innenschalen, die verschiedenen statischen Randbedingungen unterliegen. Deswegen wird ein Teil der Innenschalen etwas früher hergestellt. Für den Vortrieb der bergmännischen Abschnitte müssen die Innenschalen in Nord und Süd in Ebene E-5 hergestellt werden und in West und Ost in der Ebene E-3. Das sind die ersten Innenschalen, die gebaut werden und daher müssen auch die ersten Bahnen vor den Bewehrungsarbeiten dort verlegt werden.