Erdbohrungen im Bauwesen: Bohrung, Brunnenbohrung und Erdwärmesonde

1. Bohrungen

Bohrungen im Erdreich können Informationen über die Beschaffenheit des Untergrunds vermitteln (z. B. vor schwierigen Bauvorhaben) oder einem konkreten Nutzen dienen (z. B. für Erdwärmesonden, Grundwasserbrunnen oder das für Verpressen von Substanzen wie z.B. Beton für einen Bohrpfahl). Meist werden Bohrungen senkrecht in den Untergrund vorgetrieben. Zum Verlegen von Rohrleitungen können aber auch Horizontalbohrungen durchgeführt werden. Horizontalbohrungen können mehrere hundert Meter lang sein und erfordern einen wesentlich geringeren Arbeitsaufwand als die Aushebung eines Grabens. Daher werden sie zur Unterquerung von fließenden Gewässern, Gleisanlagen oder Straßen angewandt.

2. Brunnenbohrung

Brunnen können zu verschiedenen Zwecken errichtet werden: zur Trinkwassergewinnung, zur Nutzung einer Wasser-Wasser-Wärmepumpenanlage (Entnahme- und Schluckbrunnen), als Garten- oder Bewässerungsbrunnen usw. Grundsätzlich wird bei Brunnenbohrungen zwischen verrohrtem und unverrohrtem Brunnenbohrverfahren unterschieden. Das verrohrte Verfahren ist in der Regel einfacher umzusetzen, weshalb es auch kostengünstiger ist. Das verrohrte Bohrverfahren kann entweder als Trockenbohrung oder als Seilkernbohrung ausgeführt werden. Trockenbohrung wird nur bei bindigem, also lehm- oder tonhaltigem Untergrund angewandt. Bei diesem Verfahren wird mithilfe eines Bohrgeräts ein Stahlrohr in den Baugrund eingeführt. Das Rohr wird durch Drehbewegungen oder Vibration in Position gebracht, damit das so gelöste Material (Bohrgut), entnommen werden kann. Bei einer Seilkernbohrung wird das Bohrgut unbeschadet entnommen, weshalb beim Bohren lediglich die notwendige Werkzeugabkühlung, aber keine Spülung vorgenommen wird. Dieses Verfahren wird vor allem in Steinbrüchen verwendet, um den Beschaffenheit des Gesteins festzustellen. Beim unverrohrten Bohrverfahren wird statt eines Rohres eine Stützflüssigkeit verwendet.

3. Erdwärmebohrungen

Mit Ausnahme von Wasserschutzgebieten kann Erdwärme so gut wie überall genutzt werden. Geothermie ist eine der Heiztechnologien mit Zukunft, da sie einerseits unbeschränkt und kostenlos genutzt werden kann und andererseits Erdwärmeheizungen ohne Verbrennungsprozesse auskommen. Wärme aus der Erde kann auf zweierlei Weise gewonnen werden: entweder aus dem Grundwasser (Wasser-Wasser-Wärmepumpenanlagen), oder durch Erdwärmesonden (auch Erdsonden bzw. Geosonden genannt).

3.1 Wärmeentnahme aus dem Grundwasser

Für die Wärmeentnahme aus dem Grundwasser sind zwei Brunnen notwendig. Aus dem ersten Brunnen (Entnahmebrunnen) wird das Wasser herauspumpt und anschließend zur Wärmepumpe geleitet. Im zweiten Brunnen (Schluckbrunnen) wird das abgekühlte, von der Wärmepumpe kommende Wasser wieder in den Wasserleiter eingeleitet. Um einen hydraulischen Kurzschluss zu vermeiden, muss der Schluckbrunnen im Abstrom des Grundwasserleiters errichtet werden. Diese Lösung bietet eine sehr gute Wärmeentzugsleistung, jedoch setzt sie eine ganzjährliche Verfügbarkeit von ausreichend Grundwasser in geeigneter Qualität voraus.

3.2 Erdwärmesonde

Die zweite Möglichkeit der Wärmeentnahme aus dem Erdboden besteht in der Anwendung von Erdwärmesonden. Dazu wird eine Tiefenbohrung angelegt, die Erdwärmesonde eingesetzt, und schließlich der Ringraum zwischen Erdsonde und Bohrlochwand mit hochwärmeleitfähigem und zusätzlich dotiertem Zement verpresst. Erdwärmesonden entziehen die Wärmeenergie aus dem Nahbereich um sie herum und sind nicht unbedingt auf ein Grundwasservorkommen angewiesen. Deswegen können Erdwärmesonden auch in wasserarmen Gebieten ausgeführt werden. Eine Erdwärmesonde bildet einen geschlossenen Kreislauf, bei dem die Wärmeübertragung auf eine zirkulierende Flüssigkeit über die Mantelfläche der Sonde über den Zement in das umgebende Gestein erfolgt. Bei diesem Prozess kommt es zu keinerlei Verschleiß der Sonde und sie muss auch nicht gewartet werden. Während der Heizperiode kühlt sich das Erdreich etwas ab, weshalb auch die Temperatur der Soleflüssigkeit etwas schwankt. Die Zeit zwischen zwei Heizperioden dient der Regeneration der Erdwärmesonden. Falls die Erdwärmesonden im Sommer zur Kühlung genutzt werden, wird zusätzlich Wärme in die Sonden geführt, wodurch ihre Regeneration beschleunigt wird. Jede Erdwärmebohrung ist eine individuelle Konstruktion, bei der sich Faktoren wie die Bohrtiefe, die Anzahl der Bohrungen und der Durchmesser nach den geologischen Gegebenheiten richten. Wenn die Bohrtiefen richtig ausgelegt sind, kann das Erdwärmesondensystem dauerhaft und ohne zeitliche Begrenzung zum Heizen und Kühlen des Gebäudes genutzt werden.

4. Pfahlgründung

Die Pfahlgründung ist eine Variante der Tiefgründung, bei der die Lasten von Tragwerken in tiefere, tragfähige Bodenschichten abgetragen werden. Die Pfähle (auch Piloten genannt) werden in den Baugrund gerammt, bis eine Boden- oder Gesteinsschicht mit ausreichender Tragfähigkeit erreicht wird. Auf diese Weise lassen sich nicht oder schlecht tragfähige Bodenschichten überbrücken, damit stabile Fundamente errichtet werden können.