Großbrückenbau in Nigeria

Neue Brücke am Niger als Beispiel Großbrückenbau in Nigeria

von Georg Merzenich

Über den 1.200 m breiten Fluss Niger zwischen den Städten Asaba und Onitsha in Nigeria wird eine 2 x dreispurige Autobahnbrücke gebaut. Diese Brücke ist Kernstück der geplanten Südumgehung, um die bestehende Flussquerung und die angrenzenden Stadtstraßen zu entlasten. Zur Brücke gehören in der beauftragten Phase 1 weiterhin etwa 10 km Straßenbau, eine Mautstation und ein Autobahnkreuz. Aufgrund der Randbedingungen, wie unter anderem der Auslandsbau, das Klima und die Flussdynamik, ergeben sich nicht-alltägliche Anforderungen an die Planung und die Bauausführung von Brücke und Straße, die für den Projekterfolg entscheidend sind.

1 Einführung 1.1 Projektvorstellung Der Niger ist mit 4.184 km der drittlängste Fluss Afrikas und bildet insbesondere in seinem nigerianischen Teil von ca. 1.100 km eine natürliche Barriere für das Straßennetz: Lediglich sieben Straßen brücken überspannen derzeit den Fluss. Eine dieser vorhandenen Nigerbrücken verbindet die Städte Asaba, Delta State, und Onitsha, Anambra State, im Süden Nigerias (Bild 1). Sie stammt aus dem Jahr 1965 und ist den heutigen Anforderun gen bei weitem nicht mehr gewachsen. Bevölkerungswachstum und Industrialisierung in Nigeria und der damit verbundene Anstieg des Straßenverkehrsaufkommens erfordern den Ausbau der Infrastruktur vor allem der wichtigen Verkehrsknotenpunkte. Der Großraum Asaba-Onitsha hat heute eine Bevölke rungszahl von etwa zwei Millionen und wächst weiter. Die neue »zweite« Nigerbrücke soll nach Fertigstellung die Region stärken und den Stadtverkehr entlasten.

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Nigeria mit Lage der geplanten Second River Niger Bridge © Julius Berger International GmbH

2 Einteilung der verschiedenen Projektphasen © Julius Berger International GmbH

Die gesamte Infrastrukturmaßnahme hat eine Länge von 47 km und ist in die Phasen 1, 2 a und 2 b unterteilt (Bild 2). Im August 2018 wurde Julius Berger Nigeria PLC (JBN) mit der Ausführung der Phase 1 beauftragt. Hierzu gehören: – die Flussquerung mit einer Länge von 1.590 m, – insgesamt 10,30 km Straßenbau in weichem Gelände inklusive der zugehörigen Bodenverbesserungsmaßnahmen, – eine Mautstation, – ein Autobahnkreuz mit einer Vierfeldbrücke, – zwei kleine Brücken mit jeweils 24 m Spannweite. Die Bauzeit beträgt 42 Monate. Vorausge gangen waren seit 2014 vier »Early-WorksPhasen«, in denen die Grundlagen für die jetzige Umsetzung der Baumaßnahme ermittelt wurden.

Die Gesamtverantwortung, operativ und planerisch, für das Projekt trägt JBN. Julius Berger International GmbH (JBI) als Tochterunternehmen der JBN ist für die Planungsleistungen, die Koordinierung von externen Planungsbüros, für Materialbestellungen bis hin zum Export und für technische Dienstleistungen, wie zum Beispiel Arbeitsvorbereitung und Schalungsplanung, zuständig.

3 Gliederung in verschiedene Bauweisen © Julius Berger International GmbH

1.2 Hauptbrücke Im Bereich der Flussquerung besitzt der Niger eine Engstelle von 1,20 km. Die Gesamtlänge der Brücke beträgt 1.590,25 m mit 23 Feldern (Achsen 100–330), die drei Fahrspuren je Fahrtrichtung werden auf getrennten Überbauten angeordnet. Die Breite der jeweiligen Überbauten misst 14,15 m, die freizuhaltende Schifffahrts öffnung hat eine Breite von 120 m und eine Höhe von 15 m (bei Hochwasser). Dies führt zu drei Brückenabschnitten (Bild 3):

Main Bridge (MB), Hauptbrücke im Freivorbauverfahren: – Brückenlänge = 630 m, fünf Felder mit 150 m Hauptspannweite und 90 m Spannweite der Randfelder zu den Trennpfeilern; – Herstellung der beiden Spannbetonhohlkästen im Freivorbau mit variablen Konstruktionshöhen zwischen 4,30 m und 7,80 m. West Approach Bridge (WAB), westliche Vorlandbrücke im Taktschiebeverfahren: – Brückenlänge 755 m, 13 Felder mit 55 m Spannweite und 40 m im Endfeld; – Herstellung der beiden Spannbetonhohlkästen im Taktschiebeverfahren mit konstanter Konstruktionshöhe von 4,00 m. East Approach Bridge (EAB), östliche Vorlandbrücke im Taktschiebeverfahren: – Brückenlänge 205 m, drei Felder mit 55 m Spannweite und 40 m im Endfeld; Ursprünglich war die Herstellung der beiden Spannbetonhohlkästen in Ortbeton auf Lehrgerüst geplant, aus baubetrieblichen Gründen erfolgt die Umplanung auf das Taktschiebeverfahren.

2 Bauausführung 2.1 Baustelleneinrichtung Aufgrund der besonderen Lage und Situation der Baustelle, Abgelegenheit und Sicherheit sowie Versorgung und Linienbaustelle, wurde ein Camp mit Main Yard und zwei »Bridge + Road«- Yards eingerichtet. Im Main Yard befindet sich das Mitarbei tercamp, der Biegebetrieb und die Fertigteilfabrik. Weiterhin gibt es in direkter Nähe des Main Yard einen Schiffsanleger. Die beiden Bridge+Road-Yards sind jeweils am Ost- und Westufer des Nigers. Alle Standorte verfügen über eigene Strom- und Wasserversorgung, Baustellenbüros und eigene Betonmischanlagen.

2.2 Vorarbeiten 2.2.1 Allgemeines Wie bei den großen nigerianischen Infrastrukturprojekten üblich gehören verschiedene Voruntersuchungen zum Leistungsumfang des Auftragnehmers.

2.2.2 Baugrund In den vorlaufenden »Early-Works-Phasen« wurden Bohrungen bis in Tiefen von 80 m, schwere Rammsondierungen und CPTs ausgeführt und bewertet. Zusammen mit den vorgenommenen Laborversuchen wurde ein aussagekräftiges Baugrundmodell erstellt, das als Basis für ein optimales Gründungskonzept diente. Ein Ausschnitt des Baugrundes im Bereich der Schifffahrtsöffnung ist in Bild 5 dargestellt.

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Baugrundmodell im Teilbereich der Schifffahrtsöffnung © Julius Berger International GmbH

2.2.3 Hydrologie und Morphodynamik Eine besondere Bedeutung für die Planung und Bauausführung der Nigerbrücke kommt der Strömung und dem Wasserpegel zu. Im Hinblick auf Kolkbildung wurde eine detaillierte morphodynamische Studie erstellt, die im Ergebnis auf beträchtliche Kolktiefen bis zu 31 m im Bereich der Schifffahrtsöffnung hinwies. Als Maßnahme wurde ein Kolkschutzkonzept aus mehrlagigen »Sandsäcken« (geotextilen Sandcontainern) erstellt, das mit einem Monitoringprogramm ergänzt wird. Pegelmessungen im Bereich der Brücke zeigten extreme jahreszeitliche Wasser standschwankungen des Nigers bis zu 10 m (Bild 6) aufgrund tropischer Bedingungen und der ausgeprägten Regenund Trockenzeiten der Region.

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Gemessene Pegelstände des Nigers von 2013 bis heute (19.12.2019) © Julius Berger International GmbH

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Anordnung der Großbohrpfähle in den Achsen 260 und 270 © Julius Berger International GmbH

2.3 Gründung Im Bereich der Freivorbaubrücke in den Achsen 250–270 leiten jeweils 25 Großbohrpfähle mit d = 2.000 mm und Längen zwischen 45 m und 54 m die Brückenlasten in den Baugrund ein. Die Herstellung erfolgt »schwimmend« von Julius Bergers eigener Hubplattform und Versorgungspontons aus. Für alle weiteren Achsen konnte die Gründung von Land hergestellt werden. Zur Ausführung kam ein Standard-Julius Berger-Rammpfahlsystem: – Geschlossene Stahlrohre (d=914 mm) werden auf Tiefe geschlagen und – anschließend bewehrt und ausbetoniert. Die Herstellung der Rammpfähle des WAB erfolgte auf Basis eines Sondervorschlags von einem temporären Sanddamm aus während der Niedrigwasserphase und war deshalb besonders kritisch, da das Hochwasser diesen Damm wegspült: vergleiche Bild 9.

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Anordnung der Rammpfähle in den Achsen 160–180 © Julius Berger International GmbH

Herstellung der Pfähle und Unterbauten: offshore und onshore © Julius Berger International GmbH

10 Pfahlkopfplatte in Achse 270: Großbohrpfähle, Konsolen und Fertigteilbodenplatten © Julius Berger International GmbH

2.4 Pfahlkopfplatten Die Pfahlkopfplatten über den Bohrpfählen haben Abmessungen von (b x l x h) 40 m x 19 m x 3,50 m. Die Rammpfähle sind in eine Pfahlkopfplatte mit den Abmessungen 26 m x 10 m x 2,70 m eingebunden (Bild 7, 8). Die Herstellung erfolgt mit Hilfe von Betonfertigteilelementen, die auf einer Stahlunterkonstruktion lagern und als »verlorene« Schalung fungieren (Bild 10). Die Betonage der Pfahlkopfplatte geschieht in zwei Abschnitten: Zunächst werden die ersten 60 cm der Platte betoniert. Nach deren Erhärtung schließen sich die Installation der vertikalen Fertigteilschürzen und danach die Betonage des zweiten Abschnittes an. Die Herstellung ist nur bei Niedrigwasser möglich.

2.5 Brückenpfeiler Die Stützenköpfe der Freivorbaubrücke werden jeweils mit zwei Pfeilerscheiben monolithisch verbunden, deren Abmessungen 1,75 m x 7,85 m betragen. Sie werden mittels Kletterschalung in fünf Segmenten bis zu einer Höhe von 21 m massiv hergestellt. Die Wahl dieser aufgelösten Unterkonstruktion ermöglicht den Freivorbau des Überbaus ohne weitere temporäre Unterstützungskonstruktion (Bild 11). Die Stützen für die Taktschiebebrücken haben Abmessungen von jeweils 2,00 m x 5,40 m. Die maximale Höhe an der Achse 240 beträgt 22,30 m, sämtliche Stützen für die Taktschiebebrücken wurden im Dezember 2019 fertiggestellt.

11 Pfeilerkopf in Achse 280 mit Aufbau der Freivorbaugeräte und -schalung © Julius Berger International GmbH

2.6 MB-Überbau Der Hauptteil der Second River Niger Bridge im Bereich der Schifffahrtsöffnung mit Spannweiten von 90 m, 150 m, 150 m, 150 m und 90 m wird im klassischen Freivorbauverfahren hergestellt. Je Kragarm werden 15 Segmente wechselseitig errichtet, die 90-m-Seitenöffnung ist mit 19 Segmenten geplant. Bild 12 zeigt einen Überblick über die Segmenttaktung zusammen mit der Anordnung der Spannglieder für ein 150-mFeld. Nach Herstellung der Pfeilertische in den Achsen 260 und 280 (Bild 11) werden die ersten Kragsegmente im Februar 2020 realisiert.

13 WAB-Verschub: Takt 1 der nördlichen Brücke © Julius Berger International GmbH

2.7 WAB- und EAB-Überbau Die beiden Vorlandbrücken West und East Approach werden im Taktschiebeverfahren hergestellt: – 28 (WAB) bzw. 8 Segmente (EAB) mit Standardlängen von 27,50 m; – Überbauhöhe konstant 4,00 m; – Verschub über zwei synchronisierte Schubanlagen (WAB), für EAB nur über eine; – temporäre Gleitlager auf dem Pfeilerkopf, die nach Einschub in die Endlage durch permanente Lager ersetzt werden. Das erste Segment wurde am 4. Dezem ber 2019 erfolgreich vorgeschoben (Bild 13).

3 Besondere Herausforderungen 3.1 Bauausführung 3.1.1 Lokale Randbedingungen Die durch Regen- und Trockenzeit bedingte große Amplitude des Wasserstandes des Niger Rivers ist der für die Bauarbeiten maßgebliche lokale Einflussfaktor. Insbesondere der unberechenbare Pegelverlauf – siehe auch die »breite Spitze« von 2019 in Bild 6 – stellt das Baustellenteam speziell bei der Logistik vor große Herausforderungen. Die kritische Bauphase im Frühjahr 2019 mit Realisierung der Pfahlgründungen und Pfahlkopfplatten konnte erfolgreich abgeschlossen werden: – Erreichen der kritischen Hochwassermarke von 16,35 m am 10. Juni 2019; – WAB: Fertigstellung der letzten Pfahlkopfplatte am 07. Juni 2019; – MB: Fertigstellung des letzten Bohrpfahls am 10. Juni 2019. Aufgrund der »Just-in-Time«-Fertigstel lung kann auf eine zweite Mobilisierung des Marinegeräts verzichtet werden.

3.1.2 Logistik Der umfangreiche Einsatz von Materialien mit langen Vorlaufzeiten erfordert weit vorausschauende Beschaffungsprozesse und sorgfältige Kontrollen auf der Baustelle. 3.1.3 Offshore-, Onshore-Baustelle Während WAB und EAB im Taktschiebeverfahren »onshore« hergestellt werden, wird die Hauptbrücke »offshore« errichtet, mit Ausnahme von Achse 280. Abgesehen von der Tatsache, dass für die Vorlandbrücken zwei Taktkeller einzurichten und zu betreiben sind, bedeutet die Offshore-Baustelle der MB logistisch deutlich größere Aufgaben für das Baustellenteam.

Material und Gerät Lieferzeit (ca.-Werte)

Vertikaldränage (Straßenbau) 2 Monate

Geotextilummantelte Sandsäulen (Straßenbau) 4 Monate

Geotextilbahnen (Straßenbau) 5 Monate

Stahlrohre zur Pfahlherstellung 6 Monate

Freivorbaugerät 6 Monate

Taktschiebeanlage 9 Monate

Spannstahl 6 Monate

14 Lieferzeiten ausgewählter Materialien und Geräte © Julius Berger International GmbH

15 Zwei Transport- und zwei Pumpenpontons zur Offshore-Betonage einer Pfahlkopfplatte © Julius Berger International GmbH

16 Turmdrehkran und Materialponton in Achse 260 © Julius Berger International GmbH

Die Andienung der Flusspfeiler während der Betonage erfordert in der Regel den gleichzeitigen Einsatz zweier Transportund zweier Pumpenpontons (Bild 15). Mit Baufortschritt wird die Materialandienung der Offshore-Baustellen immer komplexer: Bewehrung, Schalung, Einbauteile etc.. Das Material muss dann nicht nur horizontal, sondern auch vertikal in Richtung Überbau verbracht werden. Dazu wird in jeder der vier Achsen der Hauptbrücke ein Turmdrehkran montiert. An der Pfahlkopfplatte werden Material- und Magazinpontons fixiert (Bild 16).

3.1.4 Terminplan Die Herstellung der Nigerbrücke liegt auf der kritischen Terminschiene. Aus diesem Grund werden die drei Brücken parallel gebaut: – WAB mit Taktanlage 1 von Dezember 2019 bis August 2021 – EAB mit Taktanlage 2 von Februar 2020 bis September 2020 – MB mit vier Paar Freivorbauwagen von Februar 2020 bis November 2021 Diese Gleichzeitigkeit der Bauaufgaben erfordert ein Höchstmaß an Vorplanung und Koordination im Bereich des Personals sowie des Geräteeinsatzes. Positiv hervorzuheben ist, dass die Herstellung der Überbauten unabhängig von den Hochwasserphasen des Nigers bleibt.

3.2 Planung 3.2.1 Design-and-Build-Konzept Aufgrund der Größe und der Komplexität der Planungsaufgaben ergibt sich ein Geflecht von internen und externen Leistungspaketen (Bild 17). Zur Gewährleistung der Planungstermine und -ergebnisse wurde von JBI ein Design Management Team zusammengestellt, das neben der Schnittstellenbetreuung der verschiedenen internen und externen Fachplaner auch die Rückmeldung der Baustelle hinsichtlich Bauabläufen und Bauverfahren zu verantworten hat. Ein Beispiel hierfür ist die kurzfristige Umstellung bei EAB von der Errichtung auf ortsfester Rüstung zum Taktschiebeverfahren.

Disziplin Aufgabe interne / externe Leistung

Geotechnik Gründung Brücke und Straßendamm Extern

Brückenplanung Nigerbrücke Extern Kleine Nebenbrücken Intern JBI

Infrastruktur Straße und Entwässerung Intern JBI

Architektur Gebäude der Mautstation Intern JBI

TGA Gebäude der Mautstation Intern JBI

Arbeitsvorbereitung Baubehelfe / Terminpläne Intern JBI

Schalung und Rüstung Taktschiebeanlage Intern JBI Freivorbaugerät Extern

17 »Pakete« der Planungsleistung © Julius Berger International GmbH

3.2.2 Nationale Besonderheiten Wie in allen Fällen des Bauens im Ausland sind in Nigeria ebenfalls einige »Randbe- dingungen« in der Planung zu beachten: – Normen: Es wird prinzipiell der Eurocode mit britischen Anhängen verwendet. – Betongüten: Aufgrund der im Land verfügbaren Zemente wird nur bis zu einer Festigkeitsklasse C35/C45 geplant. Zemente für sulfatbeständige Betone sowie Betone mit geringer Wärmeentwicklung für massige Bauteile sind ebenfalls verfügbar. – Dauerhaftigkeit: Die Robustheit der Konstruktion steht im Vordergrund, um den Wartungsaufwand der Bauwerke möglichst gering zu halten. – JBN-Standards: JBN besitzt in Nigeria einen umfangreichen Baugerätepool und hat zusätzlich für viele Bereiche über die Jahre eigene Ausführungs - standards entwickelt, die in der Planung entsprechend zu berücksichtigen sind, wie zum Beispiel – Taktschiebebrücken bis 55 m Spannweite (JBN-Taktanlage), – schwimmendes JBN-Gerät für die Bauausführung im Wasser wie zum Beispiel Pontons, Hubplattform und weiteres marines Gerät, – JBN-Bohr- und -Rammgeräte für verschiedene Gründungsoptionen.

4 Zusammenfassung Die Baumaßnahme der Phase 1 wird bis Anfang 2022 abgeschlossen sein. Bild 18 zeigt eine Visualisierung der künftigen Nigerquerung. Ohne die Fertigstellung der weiteren Phasen 2 a und 2 b kann die Brücke jedoch nicht genutzt werden. Somit ist die Beauftragung der Phase 2 a im Oktober 2019 an JBN ein weiterer Schritt zur Entlastung dieser wichtigen Ost-West-Verkehrsverbindung in Nigeria.

Autor: Dr.-Ing. Georg Merzenich Julius Berger International GmbH, Wiesbaden

Bauherr Federal Ministry of Public Works, Lagos, Nigeria

Planung »Gesamtprojekt« Julius Berger International GmbH, Wiesbaden

Brückenentwurf und Tragwerksplanung Leonhardt, Andrä und Partner, Beratende Ingenieure VBI AG, Stuttgart

Geotechnik Kempfert + Raithel Geotechnik GmbH, Würzburg

Bauwerksprüfung WSP Group PLC, Johannisburg, Südafrika