Technische Neuerungen und Grenzen zweier bewährter Lockergesteins-Vortriebsmethoden

Der folgende Beitrag gibt einen Überblick über die Unterschiede von Tunnelvortriebsmaschinen mit Erdruck- und Flüssigkeitsstützung. Gleichzeitig werden Neuerungen und Grenzen dieser unterschiedlichen Philosophien des Tunnelvortriebs aufgezeigt.

Tunnelvortriebsmaschinen (TVM) sowohl mit erddruckgestützten als auch flüssigkeitsgestützten Schilden, deren Prototypen erstmals in den 1960er Jahren in Japan konzipiert und die in den folgenden Jahrzehnten kontinuierlich weiterentwickelt wurden, basieren auf 2 sehr unterschiedlichen Konstruktionsansätzen. So bauen Schildmaschinen mit Erddruckstützung (Earth-Pressure-Balance- oder EPB-Schildmaschinen) auf dem Prinzip auf, den anstehenden Erddruck auszugleichen. Hierbei kommen ein Schneckenförderer und eine Druckwand zum Einsatz, mit denen das Gestein gelöst und der Umgebungsdruck auf Atmosphärendruck ausgeglichen werden kann, wobei der Druckausgleich über den Maschinenvortrieb und die Geschwindigkeit des Schneckenförderers gesteuert werden kann. Dagegen werden TVM mit Flüssigkeitsstützung als in sich geschlossene Systeme konzipiert, die den Druck durch die Bildung einer Schlamm- und Dickstoffmasse aufrechterhalten, wobei das Betonit- und Dickstoffgemisch über ein Rohrsystem abgetragen und abgeleitet wird.

Dennoch fällt die Entscheidung, welche TVM am besten einzusetzen ist, nicht immer leicht. „Wenn man bei einem Bauprojekt in Weichgestein davon ausgehen könnte, dass alles reibungslos ablaufen wird, dann wäre eine TVM mit Flüssigkeitsstützung schon die richtige Wahl, da sie weiter reichende Steuerungsmöglichkeiten bietet. Sobald es aber zu einer Betriebsstörung kommt oder wenn die Ortsbrust auf einen Hohlraum stößt oder sich ein sonstiges Problem ergibt, bei dem es zum Verlust der Schlamm- oder Dickstoffmasse kommt, dann kann Außenmaterial in die Maschine eindringen“, so Shinichi Konda, Robbins‘ leitender EPB-Ingenieur. Auf ihrer Internetseite Herrenknecht.com vergleicht das Unternehmen diese beiden Methoden und schreibt, dass „EPB […] in weichen Geologien in ihrem Element [sind]. Bindige und rollige Böden mit hohem Ton- oder Schluffanteil und geringer Wasserdurchlässigkeit, d.h. Böden von breiig-weicher Konsistenz, bieten ideale Voraussetzungen für den EPB-Vortrieb.“ Wohingegen TVM mit Flüssigkeitsstützung „in rolligen Bodenverhältnissen – von feinen Sandformationen bis zu grobkörnigen Kiesen – zum Einsatz“ kommen.“

Auch wenn all diese Aussagen zutreffen mögen, so ist dennoch festzuhalten, dass in den vergangenen Jahren zahlreiche Veränderungen an der Konstruktion dieser beiden TVM-Typen vorgenommen wurden, mit denen es möglich ist, Bohrungen unter immer mehr ineinander übergehenden und unterschiedlichen Bodenverhältnissen durchzuführen. Auch wenn diese beiden Methoden sich immer mehr aneinander angeglichen haben und somit heute unter einer Vielzahl von Bodenbedingungen eingesetzt werden können, so gibt es dennoch weiterhin wichtige Unterscheidungsmerkmale zwischen diesen beiden TVM-Konzepten.

Die Bodenbeschaffenheit – das Hauptkriterium

Die Entscheidung über den Einsatz einer TVM mit erddruck- oder flüssigkeitsgestützten Schilden hängt in den meisten Fällen von den herrschenden Bodenbedingungen ab. „Bei körnigen Bodenverhältnissen ist die Wahl einer TVM mit Flüssigkeitsstützung die beste Wahl. Sie ermöglicht eine schnellere Reaktion, da die Ortsbruststützung über den Pumpendruck gesteuert werden kann. Beim Einsatz einer TVM mit Erddruckstützung in wechselgelagertem Gestein kann sich der Vorschub vermindern, wenn härteres Material abgetragen werden muss. Dies kann jedoch durch die Verlängerung und Erhöhung der Anzahl der integrierten Schneckenförderer ausgeglichen werden. In bindigen Böden wiederum sind EPBs besser, da Flüssigkeitsschild-TVM verstopfungsanfällig sind. In nicht bindigem Boden (z.B. Sand oder Kies) sind flüssigkeitsgestützte TVM die bessere Wahl. Dagegen können Flüssigkeitsschild-TVM in lehmigen Böden problematisch sein“, so Paul Zick, Leiter Tief- und Tunnelbau beim Bauunternehmen Obayashi USA.

Abrasiver Baugrund

In abrasiven Böden können beide Maschinentypen ihre Leistungsfähigkeit in puncto Abbau unter Beweis stellen. Durch die Nutzung neuartiger Schutzverkleidungen für die Bohrköpfe kann die betriebliche Lebensdauer heutiger Verschleißplatten um mehr als das Fünffache verlängert werden. Die Bestückung des Bohrkopfrandes mit geeigneten Peripheriewerkzeugen ermöglicht den Einsatz beider Maschinentypen für den Abbau von abrasivem Baugrund. Daneben kann durch den Einbau von Verschleißanzeigern in beiden Maschinentypen der Abnutzungsgrad der Bohrwerkzeuge jederzeit ermittelt werden, wodurch verschlissene Werkzeuge rechtzeitig ersetzt werden können.

Wechselgelagerte Böden

Sowohl erddruck- als auch flüssigkeitsgestützte TVM können für einen Einsatz in wechselgelagerten Böden mit einer Kombination aus Rollenmeißeln und Bohrwerkzeugen aus Hartmetall ausgestattet werden. EPB-Schildmaschinen können mit Förderschnecken ohne Schaft ausgerüstet werden, wodurch Findlinge und größere Geröllsteine über die Schnecke abgetragen werden können. Flüssigkeitsgestützte TVM verwenden in der Regel Brecher, die abgetragenes Hartgestein zerkleinern, das dann über das Rohrsystem abtransportiert wird.

Festgestein

Shinichi Konda weist darauf hin, dass sowohl erddruck- wie auch flüssigkeitsgestützte TVM an ihre Grenzen stoßen, wenn sie in reinem Festgestein eingesetzt werden, wo mit wasserbedingten Druckverhältnissen gerechnet werden muss: „Der Einsatz einer EPB-Schildmaschine in felsigen Böden kann zu hohem Verschleiß und hoher Abnutzung führen. Das liegt daran, dass eine EPB-Schildmaschine in Festgestein ohne Druckbeaufschlagung eingesetzt wird, sodass der Abbaubetrieb ohne Unter- bzw. Überdruck erfolgt und der Dickstoff aus dem Schneckenförderer anderweitig entzogen werden muss, es sei denn, ein Förderband kommt zum Einsatz“. In Bezug auf die Grenzen von TVM mit Flüssigkeitsstützung führt er weiter aus, dass die Verwendung von Bentonitschlamm an der Ortsbrust zwar zu einem geringeren abrasionsbedingten Verschleiß des Bohrkopfes führt, andere Teile der Maschine dafür jedoch einer extrem hohen Abnutzung ausgesetzt sind. Dazu zählen das Erdbreifördersystem, über das das zerkleinerte Gestein abgetragen wird, wie auch der Steinbrecher.

Hohe Wasserdruckverhältnisse

Der Einsatz von flüssigkeitsgestützten TVM wird generell bei Projekten empfohlen, bei denen mit Wasserdruckverhältnissen von mehr als 2 bar zu rechnen ist. In den vergangenen Jahren konnte jedoch diese Wasserdruckgrenze bei EPB-Schildmaschinen kontinuierlich ausgeweitet werden. Als bemerkenswerte Ausnahme von dieser 2-bar-Grenze seien die 3 EPB-Schildmaschinen von Robbins genannt, die mit ihrem Bohrdurchmesser von jeweils 8,93 m im Rahmen des Projekts Emisor Oriente Wastewater Tunnel in Mexiko-City zum Einsatz kamen. Die Maschinen wurden für einen Wasserdruck von bis zu 6 bar ausgelegt und verfügen über Doppelschneckenförderer und patentierte Rollenmeißel mit Druckausgleich.

Bei der Konstruktion des druckkompensierten Rollenmeißels wurde – bedingt durch die Abdichtung – von einem Innen- und Außendruckgefälle von 3 bar zwischen dem Bohrkopf und dessen unmittelbarer Umgebung ausgegangen. Ein Gerät überträgt den Außendruck in den Innenraum des Bohrkopfes, der mit Öl gefüllt ist, wodurch das Druckgefälle entlang der Abdichtung auf null gesenkt werden kann. Mit dieser Konzeption können EPB-Schildmaschinen unter hohen Druckverhältnissen von 7 bar und mehr für Bohrarbeiten eingesetzt werden. Gleichzeitig verhindert diese Konstruktionsweise den Ausfall der Bohrkopflager unter diesen Betriebsbedingungen.

Vortriebsgeschwindigkeit

Beide Maschinentypen weisen eine hohe Vortriebsgeschwindigkeit auf, dennoch sind ihrer Abbaugeschwindigkeit Grenzen gesetzt. Bei der Konzeption einer EPB-Schildmaschine mit hoher Vortriebsgeschwindigkeit müssen entsprechende Vorkehrungen für eine hohe Leistung wie auch ein hohes Drehmoment getroffen werden. Zwei erddruckgestützte TVM von Robbins, die beim Ausbau der U-Bahn-Linie 2 im chinesischen Chengdu eingesetzt wurden, wurden auf dieser Basis konzipiert. Hochleistungsfähige, modulare Bohrkopfantriebssysteme wurden mit speziell konstruierten Schneckenförderern zu einer Einheit zusammengesetzt, die bei einem Drehmoment von 230 kNm ihre Arbeit verrichtet. Daneben wurden die Maschinen so ausgelegt, dass sie einen schnelleren Dickstoffabtransport sowie einen verbesserten Abnutzungsschutz gewährleisten.

Bei der Konstruktion einer flüssigkeitsgestützten TVM mit hoher Vortriebsgeschwindigkeit muss die Dickstofftrennanlage im Verhältnis größer ausgelegt werden, um den erhöhten Durchsatz bewältigen zu können, der auf den höheren Abraum an der Ortsbrust zurückzuführen ist.

Ergebnisse einer Umfrage

Angesichts der Vielzahl von Kriterien, die es bei der Wahl einer TVM für Lockergestein zu beachten gilt, beschloss Robbins, eine Umfrage zu erheben, um Meinungen direkt aus der Tunnelbranche zusammenzutragen. Die Umfrage wurde im Juni 2011 durchgeführt, wobei die Antworten von 88 Befragten aus den Bereichen Konstruktion, Beratung, Planung, Auftragsakquisition sowie Projektmanagement ausgewertet wurden. Den Teilnehmern wurde die folgende Frage gestellt:

Glauben Sie, dass in der Branche bei Tunnelbauprojekten in Lockergestein EPB- und flüssigkeitsgestützte TVM bevorzugt werden?

a) EPB-Schildmaschinen werden bevorzugt

b) Flüssigkeitsgestützte TVM werden bevorzugt

c) Das hängt von bestimmten Bedingungen ab (die anzuführen waren)

Wie aus dem Diagramm ersichtlich ist, haben über 58 % „Das hängt von bestimmten Bedingungen ab“ (Antwort c) angegeben. Von den Befragten, die sich für einen bestimmten Maschinentyp ausgesprochen haben, sprachen sich 33 für EPB-Schildmaschinen und 4 für flüssigkeitsgestützte TVM aus. Als Begründung für die Auswahl von Antwort c wurde eine Vielzahl von Kriterien angeführt, wobei dennoch einige Argumente mehrmals vorgebracht wurden, darunter Wasserdruck, Korngröße sowie Risikobewertung durch die Beratungsfirma und das ausführende Bauunternehmen.

Mehrere der Befragten führten die Bodenverhältnisse als das entscheidende Kriterium auf: „Neben den Bodenverhältnissen, die immer ausschlaggebend für die Auswahl der geeigneten TVM sind, müssen noch die Kostenfaktoren berücksichtigt werden“, so ein Befragter. Ein anderer ging auch auf das Material ein, das beim Abbau mit einer flüssigkeitsgestützten TVM entsteht: „Es liegt auf der Hand, dass die Bodenverhältnisse die Auswahl eines TVM-Typs vorgeben. Im Vergleich zu einer TVM mit Flüssigkeitsstützung ist die Behandlung des Abraums einer EPB-Schildmaschine aber immer wesentlich einfacher“.

Die Risikobewertung stellte ein weiteres interessantes Kriterium dar, das vorgebracht wurde. Einer der Befragten schrieb: „TVM mit Flüssigkeitsstützung werden manchmal einfach als Patentlösung betrachtet, auch wenn deren Einsatz eigentlich nicht wirklich notwendig ist. Manchmal wird einfach aus dem Bauch heraus entschieden und nicht allein die technischen Aspekte betrachtet. Mit TVM mit Flüssigkeitsstützung werden im Vergleich zu EPB einfach weniger Risiken verbunden – insbesondere in unmittelbarer Nähe von Wohngebieten“. Ein anderer Befragter argumentierte in ähnlicher Weise: „Beratungsfirmen empfehlen bestimmte Systeme, auch dort, wo sie vielleicht nicht notwendig sind. Sie tun das, weil diese Systeme gerade gefragt sind, und man mit ihnen ein geringeres Risikopotenzial verbindet“.

Um der ursprünglichen Fragestellung weiter nachzugehen, wurde den Umfrageteilnehmern eine weitere Frage gestellt: Wenn Sie vor der Wahl stehen würden, was wären für Sie die wichtigsten Kriterien bei der Entscheidung über den Einsatz einer flüssigkeitsgestützten oder einer EPB-Schildmaschine? (Dabei sollten die beiden Kriterien genannt werden, die hierbei am wichtigsten wären)

a) Die Bodenverhältnisse

b) Die Kosten

c) Der Raum, der auf der Baustelle zur Verfügung steht

d) Meine Erfahrung bei früheren Projekten

e) Sonstige Kriterien (die wiederum auszuführen waren)

Mit 87,5 % führte die überwiegende Mehrheit der Befragten die Bodenverhältnisse als das entscheidende Kriterium für die Auswahl einer flüssigkeits- oder erddruckgestützten TVM an. Als 2 weitere Hauptkriterien wurden die Kosten (46,3 %) und die Erfahrung bei früheren Projekten (39 %) angeführt. Einer der Befragten gab an: „Schon vor über 20 Jahren wurde hier in Japan dieser Frage erschöpfend nachgegangen. Es hängt von allen Kriterien ab, die hier zur Auswahl stehen. Heute können EPB bei praktisch allen Tunnelbauprojekten eingesetzt werden“.

Erkenntnisse aus der Umfrage

Wie die Umfrageergebnisse zeigen, glauben die meisten Befragten, dass in der Branche den EPB-Schildmaschinen der Vorzug vor TVM mit Flüssigkeitsstützung gegeben wird, auch wenn die Auswahlkriterien für deren Einsatz sehr von verschiedenen Faktoren abhängen. Zu diesen Faktoren zählen die geologischen Verhältnisse, Kosten, persönliche Erfahrung sowie die Risikoabschätzung. Mehrere Befragte gaben an, dass der Einsatz von flüssigkeitsgestützten TVM in wechselgelagerten Böden mit geringeren Risiken verbunden ist, da der gesamte Abbauprozess automatisch abläuft. Dennoch legen die gemachten Angaben den Schluss nahe, dass die mit den beiden TVM-Typen verbundenen Risiken in Wirklichkeit vergleichbar sind. Auch wurde angegeben, dass EPB-Schildmaschinen in den vergangenen Jahren erheblich verbessert wurden, sodass sie heute unter den meisten Rahmenbedingungen effektiv eingesetzt werden können. Einer der Befragten schrieb: „Jedes Projekt ist anders, man braucht also maßgeschneiderte Lösungen“.

Die richtige Wahl dürfte von der persönlichen Erfahrung abhängen

Der Einsatz einer flüssigkeits- oder erddruckgestützten TVM hängt von vielen Faktoren ab – bei Druckverhältnissen über 6 bar ist eine TVM mit Flüssigkeitsstützung die beste Option, während in bindigen Böden eine EPB-Schildmaschine die richtige Wahl ist.

In den Fällen, in denen beide Maschinen eingesetzt werden können, dürfte die Wahl von der Erfahrung des Bauunternehmens abhängen.

EPB-Schildmaschinen können besser auf Hohlräume reagieren, die an der Ortsbrust auftreten, da die Mischkammer am Bohrkopf mit unverdichtbarem Material gefüllt ist. Generell werden sie bei einer Vielzahl von Bodenverhältnissen als die anpassungsfähigeren Maschinen angesehen. Daneben sind ihre Anschaffungskosten oft geringer als bei den flüssigkeitsgestützten TVM, was insbesondere für Bauunternehmen von Interesse ist, die nicht über die für die Maschine notwendige Ausrüstung bzw. Ausstattung verfügen, beispielsweise eine Separieranlage.

Shinichi Konda führt aus, dass der Abbau mit flüssigkeitsgestützten TVM zwar automatisch erfolgt, dass aber ihre Leistungsfähigkeit von der Erfahrung des bauausführenden Unternehmens abhängt: „Wenn eine TVM mit Flüssigkeitsstützung eingesetzt wird, muss der Bauunternehmer wissen, wie sowohl die Maschine als auch das Material in der Mischkammer auf die vorherrschenden Bodenverhältnisse reagieren. Der Durchsatz sowie die Dichte des Dickstoffes im System können problemlos gemessen werden, die eigentlichen Parameter des Systems müssen aber schon vorher manuell festgelegt werden. Dazu braucht man Erfahrungswerte“.

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