Unberechenbarer Baugrund

Über die Grenzen von Wissenschaft und Technik

von Hartmut Lüdeling erschienen in Hagia Chora 32/2009

Die Experten rätseln: Warum ist das Kölner Stadtarchiv eingestürzt? Die Unglücksursache soll mit einer übermäßigen Grundwasserabsenkung zusammenhängen. In solchen Fällen reichen konventionelle Prospektionsmethoden oft nicht aus, meint Hartmut Lüdeling, da die Naturwissenschaften die Existenz von ­unterirdischen Wasserläufen in Lockergestein verneinen. Radiästhetische Untersuchungen könnten hier zusätzlich mehr Sicherheit schaffen.

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Innerhalb von Sekunden wird der Alptraum Realität, als am 3. März gegen 13:45 Uhr das Historische Stadtarchiv in Köln zusammen mit zwei Nachbarhäusern donnernd einstürzt. Wie ein Kartenhaus kippt es auf die Straße und in einen Schacht der benachbarten U-Bahn-Baustelle. Das Unglück kostet zwei Menschen das Leben und führt zu einem Verlust von großen Mengen an historischem Archiv­gut, teilweise mittelalterliche Original-Urkunden. Nur dem mutigen Einsatz der Bauarbeiter ist es zu verdanken, dass der Einsturz mitten in der belebten Stadtumgebung nicht noch mehr Todesopfer fordert. Schnell sind die vermeintlichen Ursachen ausgemacht: Die Bauarbeiten an der in 28 Metern Tiefe verlaufenden U-Bahn sollen den Einsturz ausgelöst haben.
Wer in den Tagen danach die Presseberichte verfolgt hat, bekommt den Eindruck, dass die Verantwortlichen leichtfertig gehandelt haben. Von „Pfusch am Bau“, mangelhaften geologischen Baugrunduntersuchungen, fehlender Kommunikation, Kompetenz-Wirrwarr und dergleichen ist die Rede. Es entsteht ein Zerrbild der rheinischen Bananenrepublik.
Die im Internet zugänglichen Fakten waren für mich allerdings ein Hinweis, dass die offiziellen Medien eher einseitig berichteten. Tatsächlich gilt die Baustelle der Nord-Süd-Stadtbahn in Köln als das derzeit ambitionierteste städtebauliche Verkehrsprojekt in Deutschland. Geplant sind ca. vier Kilometer unterirdischer Trasse von zwei parallelen Tunnelröhren. Diese wurden im sogenannten Schildvortriebsverfahren von insgesamt drei Tunnelvortriebsmaschinen in der Zeit zwischen Juni 2006 und August 2007 hergestellt. Dafür war äußerste Präzision erforderlich: Der Abstand zwischen Tunnelröhre und darüber liegender Bebauung beträgt an der kritischsten Stelle nur einen Meter. An anderer Stelle unterquert der Tunnel eine existierende Stadtbahnlinie sogar nur 80 Zentimeter tiefer. Die Stützpfeiler des Hauptbahnhofs wurden mit nur rund 45 Zentimetern seitlichem Abstand passiert.
Zugleich finden die Arbeiten in einem für Archäologen hochinteressanten Umfeld statt: Unter dem Kurt-Hackenberg-Platz und dem Alten Markt haben die archäologischen Schichten eine Mächtigkeit von bis zu 13 Metern.
Bei aller Präzision ließen sich bisher Schäden an den Gebäuden in der Innenstadt nicht vermeiden. Das bekannteste Beispiel dafür ist die plötzliche Schieflage des Turms der romanischen Johann-Baptist-Kirche in der Nähe der Severinsbrücke. Doch mit Hilfe moderner Hubtechnik gelang es, den Turm wieder in die Senkrechte zurückzuversetzen.
Der Kölner Untergrund gilt bekanntermaßen als besonders problematisch. Die Tunnelbohrungen verlaufen überwiegend in Kies und Sandschichten des Quartärs, in denen starke Grundwasserströme zu erwarten sind. In ungefähr 30 bis 35 Metern Tiefe stehen dann tertiäre Schichtungen an, die als weniger wasserdurchlässig angesehen werden.
Eine noch größere Herausforderung als das Graben der Tunnelröhren ist der Bau von Haltestellen und sonstigen bahntechnischen Einrichtungen. Diese Bauwerke müssen in teilweise beengter innerstädtischer Bebauung und unter starker Verkehrsbelastung entweder in offener Bauweise oder zum überwiegendenden Teil im unterirdischen Vortrieb hergestellt werden. An der Einsturzstelle am Waidmarkt soll ein sogenanntes Gleiswechselbauwerk entstehen. Hier erreicht die Nord-Süd-Bahn mit 28,5 Metern ihre größte Tiefenlage. Zur Sicherung der Baugrube wurde ein tiefreichender Rahmen von Beton-Schlitzwänden errichtet. Er reicht angeblich in eine Tiefe von 45 Metern hinab, wo wasserundurchlässiges Ton-Mergelgestein anstehen soll. Die Baugrube sollte ein ringsum wasserdicht abgesicherter Kasten (Caisson) werden, aus dem das anstehende Erdreich gefahrlos abgetragen werden könnte. Das Hauptrisiko sah man darin, dass dieser Kas­ten bei fehlender innerer Erdlast wie ein leeres Schiff aufschwimmen könnte. Um diese Katastrophe zu vermeiden, sollten große Mengen schwerer Beton in die Bauwerkssohle eingebracht und mit seitlichen Stützbohrungen das Bauwerk im Erdreich verankert werden.
Die direkte Ursache des Einsturzes des Archivgebäudes ist auf den Luftbildern klar zu erkennen. Dort, wo das mehr­stöckige Zentralgebäude stand, klafft ein halbkreisförmiger Krater von gut 60 Metern Durchmesser, der seinen Tiefpunkt hinter der südöstlichen Schlitzwand der ­U-Bahn-Baugrube hat. In dieses Loch kippte der Baukörper des Archivs hinein und schlug an der massiven Baugrubenwand auf. Die Trümmer des Gebäudes fielen in die Baugrube, in den Krater und auf die benachbarte Straßenfläche. Zwei nebenstehende Wohnhäuser wurden ebenfalls mitgerissen.

Vermutliche Ursachen des Unglücks
Unklar ist derzeit, wie es zu der plötzlichen Ausbildung des Kraters kommen konnte. Solange die Untersuchungsarbeiten noch nicht abgeschlossen sind, werden drei Möglichkeiten diskutiert:
a) Hohlraumbildung durch übermäßiges Abpumpen des Grundwassers (Die zahlreichen Pumpen außerhalb der Baugrube pumpen nicht nur Wasser, sondern aufgrund mangelhafter Ausbildung auch Feinsandanteile der tieferen Bodenschichten ab. Dadurch entstehen Hohlräume, die schlagartig einstürzen können.),
b) Undichtigkeiten und letztendliches Versagen der Schlitzwände (Durch mangelhafte Herstellung der Wände oder während der Bohrarbeiten der Verankerungen kommt es zu einem größeren Wassereinbruch, durch den der seitliche Boden in die Baugrube geschwemmt wird.),
c) Versagen der Abdichtung der Sohle durch einen hydraulischen Grundbruch (Der Boden bricht durch den Überdruck des Grundwassers auf und spült Kies und Erdreich in die Baugrube. Zum Zeitpunkt des Unglücks war die Baugrube gerade fertig ausgeschachtet, die Sohle aber noch nicht betoniert.).
Alle Varianten gehen davon aus, dass die Ursache in Zusammenhang mit dem Absenken des Grundwassers steht. Erste Ermittlungen haben ergeben, dass – anstelle der wasserrechtlich erlaubten Entnahme von 450 m3/h – tatsächlich bis zu 750 m3/h abgepumpt wurden. Es wurden auch nicht nur die vier genehmigten Brunnen gebohrt, sondern insgesamt sollen 23 Entnahmestellen in Betrieb gewesen sein. Solche Tiefenbrunnen haben die Aufgabe, den Grundwasserdruck innerhalb der tertiären Schichten zu verringern. Die Bodenerkundungen im Rahmen des Baufortschritts hatten nämlich gezeigt, dass diese Schichten nicht so wasserundurchlässig sind, wie im voraus ermittelt. Somit wäre die unter c) genannte Ursache wahrscheinlich, vielleicht sogar in Kombination mit der Ausspülung von Feinsand wie in a) beschrieben.

Radiästhetische Prospektionen
Zweifellos handelt es sich bei den genannten Überlegungen um ein unglückliches Zusammenspiel von Extremsitua­tionen. Doch gerade die Beherrschung von Grundwasserabsenkungen wird nach meiner Ansicht häufig fehlerhaft eingeschätzt. Eine Ursache dafür liegt sicherlich darin, dass die Naturwissenschaften die Existenz von unterirdischen Wasserläufen über Jahrzehnte vehement negiert haben. Wasseradern im allgemeinen und die damit verbundene Prospektion durch Wünschelrutengänger im besonderen werden von vielen Geologen und Hydrologen in die Sphäre der Esoterik eingeordnet. Wissenschaftler, die den Mut haben, sich vorurteilsfrei mit diesen Phänomenen auseinanderzusetzen, stoßen häufig auf Unverständnis oder sogar auf den Spott ihrer Fachkollegen.
Mittlerweile beginnt die Hydrologie sich jedoch mit dem Thema „Prospektion kleinräumig begrenzter Wasservorkommen“ näher zu befassen. Zunächst sind dabei natürlich Kluft- und Spaltenwässer in Festgesteinen im Blick. Doch wer sich damit intensiver beschäftigt, wird über kurz oder lang auch dahin kommen, sich mit der Prospektion von begrenzbaren Wasserläufen in Lockergesteinen zu befassen.
Da in den Ebenen Mitteleuropas meist ein großes Wasserangebot vorherrscht, sind genaue Kenntnisse von unterirdischen Wasserläufen hierzulande nur von geringem Interesse. „Man muss nur tief genug bohren, dann bekommt man schon genug Wasser“, ist eine häufig vorgetragene Phrase. Nur – das Beispiel Köln zeigt es deutlich – manchmal kommt es genau darauf an, wo, wie und in welchen Schichten man wieviel Wasser entnehmen darf. Hier ist es zwingend im Dienst der Sicherheit geboten, sich intensiver mit dem unterirdischen Fließverhalten zu befassen.
Leider zielen die bisher angewandten konventionellen Beobachtungstechniken, nämlich die Beobachtung des Absenkverhaltens an Peilbrunnen, nicht darauf ab, unterirdische Erosionen bzw. Fließbewegungen von Wasser festzustellen.
Um für diese Problematik bewährte Lösungen aufzuzeigen, sei im Folgenden die Methode zur radiästhetischen Erkundung von Wasserströmungen mit Hilfe der Spektroidenbestimmung nach dem Physiker Reinhard Schneider dargestellt. Prospektionen nach dieser Methode beantworten in der Regel die wichtigsten Fragen bei der Wassersuche mit hinreichender Genauigkeit.

Der optimale Bohrpunkt
Für die Beurteilung des Fließverhaltens von Wasserströmungen ist die präzise Lagebestimmung der sogenannten Strahlungsspektroide unerlässlich (siehe Abbildung oben). Gerade in bebauter Umgebung werden Wasseraderstrahlungen von Radiästheten häufig mit Sekundäreffekten (Reflexionen) verwechselt, die sich zwar genauso „anfühlen“, jedoch nicht direkt auf unterirdische Strömungen hinweisen. Zum Standard der Analyse gehören daher gute Kenntnisse der Intensitäts- und Polarisa­tionsbestimmung sowie die Fähigkeit, die auftretenden Schrägstrahlungen winkelgenau zu bestimmen. Je gewissenhafter hier gearbeitet wird, desto verlässlicher sind die Ergebnisse. Die Kenntnis der Fließrichtung der Strömung hätte vorbeugend zur Verhinderung der Kölner Katastrophe beitragen können.
Eine eigene Erfahrung mit einem ähnlich gelagerten, wenn auch viel kleineren Fall bestärkt meine These: Bei einem Bauvorhaben in sandigem Untergrund hatten alle üblichen technischen Maßnahmen zur Grundwasserabsenkung der Reihe nach versagt. Für ein Bauwerk war eine Baugrube fünf bis sechs Meter tief auszuschachten. Da mit anstehendem Grundwasser ab ca. 1,50 Metern Tiefe gerechnet wurde, war zunächst eine Absenkung im sogenannten Vakuumverfahren vorgenommen worden. Dabei werden eine Reihe von Filterstangen in den Untergrund eingespült, die dann mit Rohren an einen Saugkompressor angeschlossen werden. Durch den Unterdruck in den Rohren wird das Grundwasser abgesaugt und der Boden langsam ausgetrocknet. Soweit die Theorie, nur in diesem Fall reichte die Leis­tung der Anlage bei weitem nicht aus, um den Grundwasserspiegel mit Erfolg abzusenken. Deshalb wurde ergänzend ein Tiefbrunnen gebohrt, in dem eine starke Unterwasserpumpe mit einer Leistung von 30 m3/h das Wasser ununterbrochen zutage förderte. Obwohl das Wassers eindeutig von Norden auf die Baugrube anströmte, wurde der Brunnen auf deren Südseite abgeteuft. Somit blieb auch nach einer Woche Beobachtung und großer Fördermenge der Wasserstand in der Baugrube nur mäßig beeinflusst.
Da die Maßnahme in Verzug zu geraten drohte, musste die Erstellung eines weiteren Tiefbrunnens angeordnet werden. Diesmal führte ich eine radiästhetische Prospektion durch und pflockte vor Ort einen genau bestimmten Bohrpunkt ab. Leider blieb die Setzung des weiteren Tiefbrunnens ohne nennenswerten Erfolg. Der Grund dafür offenbarte sich in einem anberaumten Ortstermin: Die Brunnenbaufirma hatte nicht an der vereinbarten Stelle gebohrt, sondern gut zwei Meter in östlicher Richtung daneben. Der Wasserspiegel in der Baugrube ließ sich nach wie vor nur um wenige Dezimeter absenken. Insgesamt wurden jetzt rund um die Uhr 70–80 m3/h Wasser gefördert – für eine im Gegensatz zu der Baugrube am Waidmarkt sehr kleine Maßnahme bereits eine Riesenmenge. Um den neuerlichen Zeitverzug zu verhindern, erwog man die Anordnung eines dritten Brunnens, doch da platzte die Meldung her­ein, dass die Baugrube quasi über Nacht trocken gefallen war und die Ausschachtungen weitergeführt werden können. Unverzüglich untersuchten wir daraufhin radiästhetisch die Situation. Mit Erstaunen mussten wir feststellen, dass die Wasserader offenbar ihr altes Bett verlassen hatte und jetzt in scharfem Bogen direkt auf den zweiten Tiefenbrunnen ­zulief. Offenbar hatte der sich nach und nach ausbreitende Absenktrichter des Brunnens die Wasserader erreicht, angesaugt und damit angezogen.
Dies bestärkte unseren Eindruck, dass offenbar nur ein einziger, richtig platzierter Brunnen genügt hätte, um eine ausreichende Absenkung zu erreichen.

Unterirdische Wasserströmungen
Ein weiterer Aspekt ist, das Fließverhalten so zu erkunden, dass auch sich anbahnende kleinräumige Veränderungen erkannt werden. Hier liefern die herkömmlichen Messungen von Wasserständen an Beobachtungsbrunnen nur wenig verlässliche Hinweise. Sogenannte Tracer­testungen (Impfen des Grundwassers mit Substanzen, die auch in schwächster Verdünnung noch nachweisbar sind) oder Färbeversuche scheiden aufgrund von den zu erwartenden hohen Strömungsgeschwindigkeiten und der Kleinräumigkeit weitgehend aus. Allerdings kann mit Hilfe der Radiästhesie durch eine genaue Analyse der Strahlungsspektroiden sowohl die Tiefenlage als auch die jeweilige Fließmenge der Wasserströmungen relativ gut bestimmt werden. Es sind sogar tendenzielle Aussagen über bestimmte Wasserqualitäten wie Solegehalte, Mineralstoffgehalte, Temperaturen oder Druckverhältnisse möglich.
Am Beispiel einer Brunnenbohrung in quartären Sanden lassen sich die praktischen Einsatzmöglichkeiten weiter verdeutlichen. Aufgabenstellung war die Einrichtung einer Brauchwasseranlage für eine öffentliche Einrichtung. Nach Festlegung eines Bohrpunkts wurde die Strahlungsspektroide rechtwinklig zur Fließrichtung bestimmt und eingemessen. Es ergaben sich von der Mittelachse aus die in der obigen Abbildung eingetragenen Werte.
Aus der Differenz zwischen den gemittelten Lagen der Schwerpunktzone und der Hauptzone lassen sich bei Kenntnis der Bodenkoeffizienten die Tiefen ausrechnen. In unserem Beispiel handelt es sich um Fein- und Mittelsande, zum Teil feucht und nass. Hier kann ein Faktor von 11 eingesetzt werden, so dass man in der Multiplikation mit der Differenz auf der linken Seite einen Prognosewert von 9,85 und auf der rechten von 10,07 Metern erhält.
Die Differenz zwischen den jeweiligen „Innen-“ und „Außen“-Werten wird als Kantenbreite bezeichnet. Aus dieser kann die jeweilige Fließmenge abgeleitet werden. Es ergeben sich Kantenbreiten sowohl von Haupt- als auch von Schwerpunktzonen von im Mittel 0,29 Metern. Aus Vergleichsuntersuchungen an ähnlichen Wasseradertypen in gleicher Tiefe kann abgeschätzt werden, dass pro 0,10 Meter ca. 1 l/s Schüttung (entspechend 3,6 m3/h) angesetzt werden kann.
Da im benachbarten Umfeld mit Feinsanden zu rechnen war, sollte im Hinblick auf die Bestandserhaltung des künftigen Brunnenfilters nicht die volle Wassermenge entnommen werden, sondern höchstens 1/3 davon. Es ergibt sich also eine Gesamtschüttung von 2,9 l/s und damit eine maximale Entnahmemenge von ca. 1 l/s. Die Bohrung des Brunnens ergab ein erhöhtes Wasservorkommen in Mittelsanden ab ungefähr 10 Metern Tiefe sowie eine Schicht aus Tonmergelgestein ab 12 Metern.
Nach Ausbau und einigen Monaten Betriebslaufzeit der Brunnenanlage wurde festgestellt, dass die Pumpenbemessung sich zwar innerhalb der Gesamtschüttmenge bewegte, aber doch deutlich die empfohlene maximale Entnahmemenge überschreitet. In Ruhelage (also bei abgeschaltetem Brunnen) ließen sich bei der Nachuntersuchung oberhalb und unterhalb des Brunnens ähnliche Spektroidenmaße erkennen. Wurde er angeschaltet und einige Minuten mit voller Leistung betrieben, verbreiterten sich die Kantenbreiten oberhalb um das 1,5-fache, während sich die gleichen Zonen unterhalb auf deutlich weniger als 1/4 verschmälerten. Aus der Differenz der Werte, multipliziert mit den oben genannten Faktoren, müsste sich die Wasserentnahme errechnen lassen. Diese blieb jedoch deutlich über dem Rechenwert. Des Rätsels Lösung war schließlich gefunden, indem wir nach einer Begehung rund um den Brunnen noch zwei weitere Wasseradern entdeckten. Diese hatten sich innerhalb des Grundwasserleiters zwischenzeitlich offenbar neu gebildet, weil die Pumpe über die Schüttung der bestehenden Ader hinaus noch weitere Mengen aus der Umgebung ansaugte. Addierte man jetzt die Kantenbreiten der beiden zusätzlichen Adern zu den Werten der Hauptader hinzu, ergibt sich eine ungefähre Deckung mit der Entnahmemenge.

Kartenmutungen
Vor dem Hintergrund solcher Erfahrungen hielten wir es für sinnvoll, die hydrologische Situation der Unglücksstelle am Waidmarkt näher zu betrachten, um her­auszufinden, ob und wie sich bestimmte geo­logische Anomalien auf das Unglück ausgewirkt haben könnten.
Da sich keine Möglichkeit bot, die Verhältnisse direkt vor Ort zu sondieren, griffen wir auf die – natürlich als weniger verlässlich zu bezeichnende – Technik der Kartenmutung zurück. Wer solche Mutungen durchführt, muss sich des Risikos der hohen Fehleranfälligkeit bewusst sein. Gleichwohl erscheinen die ermittelten Ergebnisse in diesem Fall so interessant, dass sie trotzdem veröffentlicht werden sollen.
Für Köln und Umgebung stehen unter Google Maps maßstabsgetreue und entzerrte Luftaufnahmen in sehr guter Auflösung zur Verfügung. Diese liefern eine Reihe von zusätzlichen durch Mutung zu erfassende Informationen, die eine normale Grund- oder Katasterkarte nicht enthält. Mit Hilfe der H3-Antenne, den vorgegebenen Einstellwerten und eingesteckter Peilspitze wurde ein Kartenausschnitt mit der Unglücksstelle flächenhaft abgetastet. Dabei ergab sich ein starkes Grundwasseraufkommen: drei Wasseradern innerhalb eines gemeinsamen Grundwasserstroms in einer Tiefenlage von 20–25 Metern im Bereich des Historischen ­Archivs östlich der Baugrube sowie ein Verlauf in etwas tieferer Lage auf der westlichen Seite. Die Wasserführung des östlichen Stroms wurde von uns mit 25–30 l/s pro jeweiliger Ader angesetzt, die auf der westlichen Seite mit ca. 8 l/s. Da Ton-, Schluff- oder auch Braunkohleschichten im Untergrund die oben beschriebenen Tiefenkoeffizienten erheblich beeinflussen (für Ton gilt z. B. anstelle von 11 ein Faktor von ca. 100), können die Angaben ebenfalls stark differieren. Trotzdem ist davon auszugehen, dass sich der Wasserstrom auf der östlichen Seite noch innerhalb der Kiese und Sande des Quartärs befindet, hingegen der Strom auf der westlichen Seite in den Schichten des darunterliegenden Tertiärs.
Diese Angaben sind allerdings mit großen Unsicherheiten behaftet, da wir bisher noch wenig Erfahrung mit den speziell in Köln anstehenden Bodenschichten sammeln konnten. Sie sollten deshalb nur als erste vorsichtige Hinweise verstanden werden. Darüber hinaus ließ sich diagonal durch die Baugrube eine weitere geo­logische Anomalie muten, die möglichst vor Ort näher bestimmt werden sollte.
Ob und wie sich diese auf das Unglück ausgewirkt haben könnte, kann ohne nähere Angaben nicht beurteilt werden. Möglicherweise hat sich aufgrund dieser Störung ein Austausch der Wassermengen von oben in den sensiblen Bereich der Baugrube hinein ereignet, der schließlich zu dem vermuteten Grundbruch geführt haben könnte.

Fazit
Die ersten Ergebnisse einer radiästhetischen Voruntersuchung liefern Hinweise auf hydrologische Unregelmäßigkeiten im Untergrund. Ob und inwieweit sich dar­aus konkrete Handlungsempfehlungen ergeben, diese Art von Propektionstechniken künftig ergänzend zu den allgemein anerkannten wissenschaftlichen Betrachtungen einzusetzen, muss weiteren Forschungen vorbehalten bleiben. Bevor jedoch hier endgültige Ergebnisse vorliegen, können wir zum jetzigen Zeitpunkt nur raten, sich mit dieser kostengünstigen Art der Untersuchung näher zu beschäftigen. Uns sind mehrere Fälle aus der Baupraxis bekannt, bei denen die Radiästhesie zuverlässig weiterhelfen konnte. Wie das Beispiel der Spürhunde im Katastropheneinsatz zeigt, können Sinnempfindungen in einigen Fällen den Messtechniken überlegen sein, wenngleich sie auch nicht immer und in jedem Fall zuverlässig sind.
Wenn Sinneserfahrung und Physis in Einklang gebracht werden, lassen sich viele Dinge verlässlicher betrachten. Zur Erhöhung der Sicherheit sollten wir diese Verbindungen nutzen. +