Modernisierung und Hafenvertiefung des Elizabeth Marine Terminals mit Spundwänden von ArcelorMittal

Beschreibung

Containerterminal Elizabeth: Ein Hafen aus den 70ern auf dem Weg in die Moderne

Der Elizabeth-Marine-Terminal liegt nahe dem internationalen Flughafen von Newark, auch New York City ist nicht weit entfernt. Die Port Authority of New York & New Jersey beschloss um die Jahrtausendwende, den bestehenden Kai zu modernisieren, damit auch moderne Containerschiffe anlegen können. Ein Fünf-Jahres-Plan wurde geschaffen, um die alte Konstruktion zwischen Liegeplätzen 82 und 98 aufzuwerten, indem sowohl Kran- und Festmachkräfte erhöht als auch das Hafenbecken vertieft wurden. Ein weiterer Schlüsselfaktor war es, den Kai mit Kränen auszustatten, die bis zu 18 Container umfassen können, damit auch die neueste Generation Super Post-Panamax-Schiffe abgefertigt werden können. Parallel zu diesem Modernisierungsprojekt plante der Army Corps of Engineers massive Baggerarbeiten, um das Hafenbette auf 15,2 m zu vertiefen, damit auch die modernsten Containerschiffe anlegen können.

Das $650-Milionen-Umbauprogramm wurde in fünf Abschnitte eingeteilt, um sicherzustellen, dass die Bauarbeiten den laufenden Betrieb des bestehenden Containerterminals nicht beeinträchtigten. Rund 350 m Kai wurden in jeder 9-12 Monate dauernden Phasen modernisiert. Das Projekt wurde 2002 begonnen und konnte 2009 fertiggestellt werden.

Modernisierungsschritte und geotechnische, erdbebenrelevante und statische Anforderungen

Das Projekt umfasste folgende Punkte:

• Einbau des HZ/AZ-Spundwandsystems als Schlitzwand entlang des Kais, damit die Wassertiefe  von bis  -15.2 m ausgehoben werden konnte.
• Entfernen der existierenden Kranträger und Montage neuer Pfähle und Träger, die erhöhten Kranlasten standhalten können.
• Ersetzen des bestehenden Fender-Systems aus Holz mit einer neuen Lösung, die Anlegekräfte von bis zu 150,000-DWT Schiffen standhalten kann.
• Modernisierung des bestehenden elektrischen Systems für erhöhten Energieverbrauch der Kräne.

Die Modernisierung des 1.830 m langen Kais ist ein typisches Beispiel einer kosteneffizienten Hafenvertiefung. Die Konstruktion wurde in den frühen 1970er Jahren errichtet, um allgemeine Cargo-Operationen zu bedienen. Mit der Entwicklung hin zu containerisierter Ladung wurde der Kai mit Kränen ausgestattet. Die Anlegestellen und Kräne konnten Panamax-Schiffe mit einem Tiefgang von bis zu 12,2 m abfertigen. Der Hauptteil von Liegeplätzen 82 bis 98 entspricht dem typischen Querschnitt von Port Elizabeth/Port Newark: eine 15,2 m breite Niedrigplattform bestehend aus einer 30 cm starken Betonplatte auf Holzpfählen. Anker befestigt an einem Totmannsystem stellen die Stabilität der Kaikonstruktion sicher. Die Kranträger werden von Holz -und Stahlpfählen gestützt.

Der erste Schritt bei der Planung der Modernisierungsarbeiten, die Inspektion der bestehenden Kaikonstruktion, ergab, dass sich alle Elemente der bestehenden Konstruktion in gutem Zustand befanden. Das Planungsbüro Han Padron Associates entschied, dass die beste und wirtschaftlichste Lösung darin bestand, die neue Konstruktion mit der bestehenden zu kombinieren.

Durch die Erhaltung der alten Konstruktion statt deren Abbau und komplettem Neubau konnte die Bauzeit erheblich reduziert werden. Das neue Design beinhaltete auch die neuen Tragpfähle für die Kranbahnen. Der Vorteil der gewählten Spundwand-Schlitzwand-Lösung war die Möglichkeit, die bestehende Schlammzone unter der Kaimauer einzugrenzen, während davor die Baggerarbeiten ausgeführt wurden.

Da die zur Zeit des Baus der bestehende Kaimauer gültigen Bauvorschriften noch keine Designanforderung für Erdbebensicherheit beinhalteten, musste eine seismische Analyse der Konstruktion durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass die modernisierte Anlegestelle den aktuellen Normen entsprach. Nach der Evaluierung der Stabilität unter Trag- und Erdbebenlasten entschied sich das Planungsteam für eine HZ/AZ- Spundwandsystem entlang der bestehenden Kaimauer als kosteneffizienteste Lösung. Einige der im Rahmen der Ertüchtigungsmaßnahmen installierten Elemente wurden speziell im Hinblick auf Erdbebensicherheit ausgewählt, darunter die Dimensionen der HZ-Tragpfähle und der Ankerbolzen.

Die Auswertung der Modernisierungsmaßnamen hing von den geotechnischen Bedingungen ab. Die allgemeine geologische Beschaffenheit der Baustelle besteht aus hydraulischer Füllung über weichem und losem Schlick und Lehm, darunter dichter Sand und Kies auf einem Fundament aus Sandstein und Schiefer.

Die Hauptsorge in Bezug auf die allgemeine Stabilität nach den geplanten Baggerarbeiten war die Gefahr eines Gleitkreisversagens. Untersuchungen der Hangstabilität des Schüttsteinhanges ergaben, dass die Unterkanten der HZ – Pfähle bis in die dichten Sand- und Kiesschichten gerammt werden mussten, um ausreichende Stabilität zu erreichen. Durch den Einbau der Pfähle durch diese dichten Bodenschichten hindurch konnte ein optimaler Wandentwurf mit maximalem Passivdruck erreicht werden.

HZ-AZ-Spundwandlösung und Rammarbeiten

Um die bestehende Anlegestelle aus den 1970er Jahren in einen hochmodernen Containerhafen für 6.600-TEU Schiffe zu verwandeln, wurde entlang ihrer Vorderseite eine Schlitzwand aus einer kombinierten Spundwandkonstruktion errichtet, aus HZ 575 Tragpfählen und AZ 18 Spundwänden.

Die Spundwandkonstruktion ermöglichte es, das Hafenbett bis zu einer Tiefe von 15,2 m auszuheben, während die Stabilität des Hanges unter der Entlastungsplattform beibehalten werden konnte. Der Boden und statische Analysen zeigten, dass es notwendig war, die Oberkanten der Spundbohlen an den King-Pfählen zu befestigen. Die HZ-Pfähle wurden an der Beton-Schildwand verankert, um Biegemoment, Verformungs- und Einbettungstiefe der Pfähle im Vergleich mit einer Überhang-Lösung zu reduzieren.

Die Rammarbeiten konnten wesentlich vereinfacht werden, da Köpfe der Tragbohlen aus dem Wasser ragen. Ein Führungsgestelle ausgestattet mit Stützkonsolen wurde auf dem bestehenden Kai aufgestellt. Ein Kran hob die Spundwände vom Schiff zum Rammführer. Das Rammgerüst war mit Neoprenschutz versehen, um die Beschichtung der Spundbohlen nicht zu beschädigen. Ein Vibrationshammer rammte zuerst die HZ-Pfähle bis zum Anschlag ein, mit einem Schlaghammer wurden sie dann in die geplante Tiefe gebracht. Da der Entwurf vorsah, die Tragbohlen an der bestehenden Kaimauer zu befestigen, blieben die Oberkanten der Pfähle 2 m über der Wasseroberfläche. Unterwasser-Rammung war daher nicht notwendig, um die HZ-Pfähle einzubauen. Außerdem wurden die Tragbohlen für das kombinierte Fender- und Paneel-System eingesetzt, das den notwendigen Abstand zwischen Schiff und Wandsohle sicherstellt.  

Die Tragbohlen agierten auch als Rammgerüst für die Installation der Zwischenbohlen. Der Bauunternehmer wollte den Vibrationshammer nicht unter Wasser einsetzen und entschied sich daher für einen Spezialträger, der die Vibrationen der Rammausrüstung auf die AZ-Bohlen übertrug und sie so in ihre geplante Tiefe brachte. Die Unterwasser-AZ-Bohlen verhindern Bodenerosion verursacht durch die Turbulenzen, die durch die Schiffschrauben entstehen.

Ähnliche Projekte wie diese Hafenvertiefung hier wurden in verschiedenen Häfen auf der ganzen Welt durchgeführt. Viele heute operativen Containerhäfen wurden eigentlich für Panamax-große Schiffe gebaut (mit einem Tiefgang bis zu 12m). Um ihre Wettbewerbsfähigkeit zu verbessern, müssen Häfen sich nun an die Post-Panamax Schiffe anpassen. Anlegestellen aus den 1970er Jahren müssen daher modernisiert werden, damit Schiffe dieser Größe anlegen können. Eine rasch ausgeführte und kosteneffiziente Lösung ist dabei die Errichtung einer stabilisierenden Spundwand vor der bestehenden Konstruktion, die die Vertiefungsarbeiten ermöglicht.