Förderbandsysteme

Förderbänder beim „Lower Northwest Interceptor“ Projekt

Während Förderbandsysteme bereits seit langem für den Bohrgutaustrag bei langen TBM-Vortrieben im Hartgestein eingesetzt werden, haben sie bei weichem Gestein erst kürzlich Akzeptanz gewonnen. Mehrere erfolgreiche Projekte in Sacramento, Kalifornien/USA, haben gezeigt, dass diese Förderband-systeme geeignete und kostengünstige Alternativen zu gleisgebundenen Schutterwagen sind, da sie aufgrund hoher Systemverfügbarkeit sehr gute Leistungen ermöglichen.

Der Bohrgutaustrag ohne Schutterwagen lässt einen reibungslosen, kontinuierlichen Betrieb hinter den Tunnelbohrmaschinen zu, dies belegen neueste wöchentliche EPB-Vortriebsleistungen von bis zu 210 m. „Das von Robbins gelieferte Tunnel-Förderbandsystem erbrachte während des kompletten Vortriebs eine bemerkenswerte Leistung. Die Ver-fügbarkeit der TBM und der zugehörigen Komponenten war bei unserem Schichtmodell mit 24-stündigem Tunnelvortrieb pro Tag, 5 Tage pro Woche, sehr hoch“, sagte Jeremy Theys, Projektleiter der Arge Traylor/Shea (Bauherr für das Sacra-mento-UNWI-Sewer-Projekt).

Bei der Konstruktion und Auslegung solcher Systeme müssen Materialunterschiede zwischen weichem und hartem Gestein sowie Bandreinigungs-funktionen, Betriebsüberwachungssysteme und andere Elemente berücksichtigt werden.

Unter dem Fluss: Förderbänder beim Lower Northwest Interceptor Projekt

Die zu erstellenden Tunnel waren die ersten Tunnel im weichen Gestein, bei denen Robbins-Förderbandsysteme eingesetzt wurden. Das Projekt, das im Jahr 2005 von dem Bauunternehmen Affhol-der, Inc. fertiggestellt wurde, war Teil des Sacramento County Regional Sanitation District’s (SRCSD) Abwassersammel-Erweiterungsprojektes. Das Bauvorhaben umfasst mehrere Abwassersammeltunnel und wird das vorhandene Abwassersystem letztendlich um ca. 320 km erweitern.

Zwei 610 m lange Fluss-Unterquerungen wurden mithilfe einer EPB, Durchmesser 4,59 m, hergestellt. Die Herausforderung hierbei war die Geologie bestehend aus Lehm, Schlick und Sand sowie das 6-prozentige Gefälle und die anschließende 6-prozentige Steigung. „Wir wollten Schutterwagen einsetzen, haben dann jedoch schnell beschlossen, dass dies aufgrund des Gefälles und der Steigung sowie der daraus resultierenden „V-Geometrie“ ohne Radius im Tunnel keine gute Lösung ist. In diesem Projekt war der Sicherheitsvorteil von Förderbändern im Gegensatz zu der Gleisschutterung offensichtlich, da durch die Tunnelgeometrie nicht sicher gestellt werden konnte, dass die Schutterwagen außer Kontrolle geraten würden,” sagte Steve Norris, Oberingenieur für SRCSD.

Aufgrund des Gefälles und der Steigung wurde das horizontale Förderband im obersten Teil des Tunnels befestigt. Durch den Förderbandaufbau in der Anfahrkaverne musste ein Loch durch die Spundwand geschnitten werden, sodass das Ausbruchmaterial zu einem Lagerplatz gefördert und von dort auf Lkw von der Baustelle transportiert werden konnte.

Während des Vortriebs wurde hinter der TBM und dem Nachläufer das Förderbandsystem kontinuierlich erweitert. Das Ausbruchmaterial wurde von einem Schneckenförderer über einen Einfülltrichter am Schildschwanz auf ein Förder-band, welches durch die Kalotte des Tunnels führt, übergeben. Das Fördersystem wurde von einem 250 PS starken Haupt-motor angetrieben. Das Aus-bruchmaterial wird mithilfe dieses Förderbandsystems durch den gebohrten Tunnel und durch einen Teilbereich (offene Bauweise) zu einem Schutter-platz transportiert. Das Förderband wurde für 2 verschiedene Längen konstruiert. (655 m und 665 m, 750 t/h, 180 m/Minute).

Die Ausrüstung des Förderbandsystems wurde bei der ersten Unterquerung eingesetzt, demontiert und für den zweiten Tunnel wieder aufgebaut. Es dauerte ca. 3 Tage die Förderbandanlage abzubauen, raus aus dem ersten Tunnel und hoch zur nächsten Anfahrkaverne zu transportieren. Das System wurde auf Lkw transportiert, da die beiden Baustellen weniger als 15 Meilen voneinander entfernt waren.

Beide Tunnel wurden innerhalb von 1 Jahr gebohrt. Die TBM nutzte die Hilfsmittel Wasser und Schaum für die Behandlung des Ausbruchmaterials, welche eine Zahnpasta-ähnliche Konsistenz gebildet haben – so konnte es einfacher mit dem Förderband transportiert werden. Die Ausfallzeit für die Dauer des Projektes war minimal.

Rekordfortschritte: Förderung beim „Upper Northwest Interceptor“ Projekt

Ein aktuelles Beispiel ist das Sacramento Upper Northwest Interceptor Sewer (UNWI) Projekt, das im Dezember 2009 fertiggestellt wurde. Dieses Bauvorhaben ist in vielerlei Hinsicht besonders. Der 5,8 km lange Tunnel, der von einer EPB-Maschine mit einem Durchmesser von 4,25 m gebohrt wurde, ist ziemlich lang für Projekte in weichem Gestein. Die Tunnelauskleidung besteht aus Betontübbingen mit eingebetteter PVC-Schicht. Diese wurden noch nie zuvor in Nordamerika eingesetzt. Der Bauherr, die Arge Traylor/Shea, setzte aufgrund der Tunnellänge und der Steigerung der Arbeitsleistung ein Förderbandsystem an Stelle von Schutterwagen ein.

Das 5,8 km lange Fördersystem wurde speziell für unterschiedliche Gesteinsbedingungen und Wassereintrittsvorkommnisse konstruiert. Konstruktive Maßnahmen beinhalteten abgedichtete Überga-bepunkte und Aufgabetrichter. Urethan-Gummi wurde genutzt um diese Punkte abzudichten und um das Verschütten zu minimieren. Hilfsmittel wie Schaum und Bentonit, die mit dem nassen Baugrund vermischt wurden, sicherten eine geschmeidige Konsistenz auf dem Förderband, trotz unbeständiger Bedingungen. Das Bohrkopfdesign unterstützte die Injektion von Hilfsmitteln, mit 4 unabhängigen Schaum-Injektionspunkten, um das Risiko einer Verstopfung der Anlage zu minimieren.

Während des Tunnelvor-triebs wurde das Förderband hinter der TBM und über dem Nachläufer in der Kalotte des Tunnels kontinuierlich erweitert. Das Ausbruchmaterial wurde vom Schneckenförderband auf das Förderband am Anfang des Nachläufersystems transportiert. Von dort wurde das Fördersystem über den Nachläufer in die Kalotte des Tunnels geführt. Das Förderband führte durch einen Tunnelbereich mit einem Radius von 400 m. In diesem Radius wurden die von Robbins patentierten, selbstregelnden Kur-venrollen eingesetzt. Diese verlagerten die Last gleichmäßig und ermöglichten so dem Sys-tem durch diese Kurven zu fahren. Eine Umlenkeinrichtung in der offenen Bauweise leitete das Förderband in einer Steigung von 12° weiter, anschließend wurde das Ausbruchmaterial auf ein Stapelförderband übergeben. Das Förderbandsystem wurde angetrieben von einem 200 PS starken Hauptantrieb sowie von 2 zusätzlichen 200 PS Antrieben, die dem System erst später hinzugefügt wurden.

Bis zum Durchbruch war das Förderband für die Dauer des Vortriebs mit einer Verfügbarkeit von über 90 % in Betrieb. Vermutlich sind die wöchentlichen Vortriebe von 210 m, sowie die täglichen Vortriebe von bis zu 50,3 m, die mehrmals erreicht wurden, Rekorde für Weichgesteinsmaschinen im Durchmesserbereich von 4 bis 5 m. Der Einsatz des Förderban-des half dem Bauherren einen sehr effizienten Tunnelvortrieb zu  betreiben. Es kam zu keinen Verzögerungen, die durch den Bohrgutaustrag mit Schutterwagen entstanden wären.

Überlegungen zum Design der Förder-bänder für weiches Gestein

Förderbandsysteme wurden zuerst im Bergbau eingesetzt, dann wurden sie als eine der ersten Möglichkeiten genutzt um Ausbruchmaterial bei Hartgesteinstunnelprojekten abzutragen. In den letzten Jahren ist das Design der Förderbandanlagen deutlich fortgeschritten, von computergesteuerten Überwachungssystemen über selbstregulierende Kurvenrollen, bis zu 20 km langen Förderbandgurten mit Stahlseilen. Förderbandsysteme für TBM-Projekte in weichem Gestein sind mittlerweile ziemlich modern in der Tunnelbranche und haben beachtliche Vorteile gegenüber den Schutterwagen.

„Die Leistungen von Förderbändersystemen für weiches Gestein sind sehr ähnlich im Vergleich zu den Leistungen, die im harten Gestein erzielt werden”, sagte Dean Workman, Vize-Präsident Förderbandsysteme von Robbins. „Die TBM fährt mit einer gesteigerten Effizienz, da sie nicht anhalten und auf die Schutterwagen warten müssen. Die notwendige Ventilation kann ebenfalls reduziert werden, da keine Lokomotiven im Tunnel eingesetzt werden.”

Minimierung der Aufbauzeit und Maximierung der Effizienz

Das Layout der Fördersysteme ist darauf ausgelegt einen schnellen Aufbau zu erzielen. Anders als viele Hartgesteinsprojekte sind EPB-Tunnel relativ flach und beginnen in offener Bauweise. Mit dem Einsatz eines Förderbandsystems, das an der Tagesoberfläche aufgebaut wird, kann das System bei der Inbetriebnahme der EPB sofort gestartet werden, ohne eine lange Anfahrkaverne erstellen zu müssen.

Der Aufbau des kompletten Förderbandsystems inklusive aller Komponenten, die an der Tagesoberfläche montiert werden, dauert meist einen Tag oder weniger. Das Personal zieht den Gurt auf das System, um mit dem Vortrieb zu beginnen. Im Vergleich benötigt man zur Installation eines Gleisschutterwagen-Systems viel länger. Sobald der Vortrieb beginnt ist die Zuverlässigkeit und Systemverfügbarkeit von einem Förderbandsystem üblicherweise höher. Sogar in Tunnel, in denen bis zu 5 Schutterwagen und mehrere California-Weichen eingesetzt werden, kann die Zeit, die benötigt wird um das Ausbruchmaterial abzutragen, nicht verglichen werden mit der Abtragung per Förderbandsystem. Außerdem benötigen Schutterwagen viel mehr routinemäßige Wartungen.

Unterschiedliches Gestein und die Funktion der Hilfsmittel

Das Vorkommen von unterschiedlichen Gesteinsarten gehört meistens zu Vortrieben im weichen Gestein. Ein Projekt kann sich vom verwitterten Gestein, über Sand, bis zum Lehm mit sich verändernder Durchlässigkeit und Grundwasser, erstrecken. Die Injektion von Hilfsmitteln durch den Bohrkopf, wie Bentonit, Schaum oder Polymer, können durch die Verschmelzung des Ausbruchmaterials helfen und viele der Probleme, die mit dem Fördern von fließendem Ausbruchmaterial auftreten können, beseitigen. Das System muss sorgfältig gewartet und eingestellt werden, damit es zu einem reibungslosen Verlauf durch den Bohrkopf und Schneckenförderer auf das Förderbandsystem kommt. Dies minimiert das Risiko, dass das Band stoppt und das Material verschüttet wird. Hilfsmittel werden ebenfalls eingesetzt, damit das Ge-stein nicht zu nass ist – sie helfen das lose, wässrige Material zu einer transportfähigen Masse zu formen.

Wasser führendes Gestein und daraus resultierende Design-Änderungen

Wenn eine große Menge an wasserführender Masse erwartet wird, können Förderbandanlagen so konstruiert werden, dass die damit verbundenen Risiken minimiert werden. Das Gefälle wird für EPB-Förderbänder sehr niedrig gehalten, maximal ca. 10°, verglichen zu ca. 18° bei Hartgesteinstunneln. Außerdem sind die Übergabe-punkte vollkommen geschlossen, damit das Material nicht verschüttet wird. Die geschlossenen Punkte sind ausgestattet mit zusätzlichen Bandeinfas-sungen aus Urethan – sie dichten die Ecken ab.

Bandreinigung

Weitere Design-Modifizierungen minimieren den Verschleiß des Förderbandes und verhindern das Stoppen durch klebendes Material. Die ersten und zweiten Abstreifer beseitigen sehr hartes Material, während eine Bandwaschbox in der Nähe des Hauptantriebes effektiv das feine Material vom Förderband entfernt, bevor es zurück in die Bandspeicherkassette läuft. Die Waschbox besteht aus einem Wasserspraysystem in Kombination mit sogenannten Luftmessern. Dies sind Druckluftdüsen, die Mate-rial vom Band ohne direkten Kontakt mit dem Band entfernen. Der Gebrauch von Luftmessern verringert das Einsetzen von Hilfsmaterialien, die in direkten Kontakt mit dem Band kommen und somit das Band nach einer Weile ersetzt werden muss.

Fortschritt

Obwohl viele Lieferanten und Bauherren den Unterschied in der Systemverfügbarkeit zwischen Förderbandsystemen und Gleisschutteranlagen erst nach einer Tunnellänge von ca. 1800 m erkennen können, sind die Vorteile auch bei kürzeren Tunneln ersichtlich. Trotz unbeständiger Geologie und Grundwasser kann der Gebrauch von Hilfsmitteln effektiv das Ausbruchmaterial verdichten und das Verschütten auf den För-derbändern verhindern. Weitere Modifizierungen, inklusive wasserdichter Übergabepunkte, haben das Risiko das Ausbruchmaterial zu verlieren minimiert. Obwohl die Geologie bei vielen Projekten sehr variiert, haben die Bodenverhältnisse Auswirkungen auf den Förderbandbetrieb. Bandabstreifer können mit nassem, klebrigem Material genauso gut umgehen wie mit hartem Gestein.

Aktuelle EPB-Projekte mit dem Einsatz von Förderbandsystemen als Bohrgutaustrag sind bereits geplant oder zurzeit in Betrieb. Drei fast 10 km lange Systeme werden für EPB-Maschinen mit einem Durchmesser von 8,93 m in Mexico City’s Emisor-Oriente-Projekt eingesetzt. Ein anderes Förderbandsystem wird hinter einer EPB mit einem Durchmesser von 9,6 m laufen: ein Projekt für die Erweiterung der Metro in der Dominikanischen Repub-lik, Santo Domingo.

Erhöhte Sicherheit, kombiniert mit Zuverlässigkeit und kurzen Aufbauzeiten, machen Förderbandsysteme für weiches Gestein zu einer wettbewerbsfähigen Option, welche die Gleisschuttersysteme in den nächsten Jahren vielleicht sogar komplett ersetzen könnten.

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