City-Tunnel Leipzig - Bodenvereisung

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

Von diesen Stollen werden in einem Rundumwinkel von 180 ° insgesamt 1.230 Bohrungen in den Boden eingebracht. Die Kürzeste ist dabei 0,50 m und die Längsten bis zu 18,0 m. Die Gesamtlänge der Bohrungen beträgt 9.535 m, also 9,535 km. Für die Bohrungen werden mehrere Spezialgeräte eingesetzt. Als Bohrtechnik kommt eine Verdrängungsbohrung zum Einsatz. Das Bohrgestänge wird dabei immer um 55 cm verlängert. Der Bohrkopf sowie das Bohrgestänge verbleiben im Boden.

Nach dem 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 21,7 km.
Dabei entfallen je Stollen auf die Vereisungsgruppen 4.750 m Gefrierrohre (darin noch einmal etwa 4.600 m Gefrier-Innenleitungen), die Zu- und Ableitungen der Gruppen je Stollen etwa 1.000 m und die Hauptsoleleitungen 1.000 m.
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.

In die Bohrrohre mit einem Innendurchmesser von 79 mm 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.
Nach dem 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. Nach dem 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 9.000 m³ wird ca. 3 Monate dauern.

Als Gefrieraggregate werden drei NH3-Kompression skälteanlagen 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 Aggregatzustand übergeführt. Die bei der Aggregatzustandsänderung freigegebene Wärmeenergie wird von Kühlwasser aufgenommen, das außerhalb des Tunnels in einem Kühlturm wieder heruntergekühlt wird. Der entstandene flüssige Ammoniak wird unter starker Temperaturaufnahme verdampft. Die vom Ammoniak zur Verdampfung benötigte Wärmeenergie wird dem 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.

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

Um einen Frostkörper erzeugen zu können, werden Bohrungen erforderlich, in denen die Kühlflüssigkeit 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.

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 existiert im Gegensatz zur Solevereisung kein geschlossener Kreislauf, so dass der Stickstoff ständig in speziell isolierten Tankwagen nachgeliefert werden muss.