Zwei Erddruck-Schilde für die Erweiterung der Linie A der Metro Prag

Seit Mitte 2011 sind 2 Erddruck-Schilde in Prag für die Erweiterung der Metrolinie A im Einsatz. Die erzielten Vortriebsgeschwindigkeiten belegen die Leistungsfähigkeit der eingesetzten Technologie unter den anspruchsvollen Bedingungen eines setzungskontrollierten Vortriebs im innerstädtischen Bereich.

1 Einleitung

Prag ist die Hauptstadt und gleichzeitig die größte Stadt der Tschechischen Republik. Ein wesentlicher Bestandteil des öffentlichen Nahverkehrssystems ist die Metro Prag, die derzeit aus 3 Linien besteht mit einem Schienennetz von 60 km, die vorwiegend unterirdisch verlaufen, und insgesamt 57 Stationen. Die bestehenden Linien sind die Linie A, von Ost nach West von Depo Hostivař bis Dejvická verlaufend; Linie B, von Ost nach West von Černý most bis Zličín verlaufend; und Linie C, von Nord nach Süd von Letňany bis Háje verlaufend. Die U-Bahn ist das schnellste Transportmittel der Stadt und befördert bis zu 1,5 Mio. Passagiere pro Tag, womit die Metro in Prag eines der meistgenutzten U-Bahn-Systeme Europas ist.

Das Prager Metrosystem ist als Dreieck ausgelegt, das in der Stadtmitte die 3 bestehenden Metrolinien über 3 Umsteigebahnhöfe miteinander verbindet. Zu Beginn des U-Bahnbaus in Prag in den 1960er Jahren wurden Offene Vortriebsschilde aus russischer Produktion und Gusseisen-Segmentausbau eingesetzt. Im späteren Verlauf ersetzte der Ausbau mit Stahlbetontübbingen den Gusseisen-Segmentausbau vollständig. In den 70er Jahren des vergangenen Jahrhunderts bohrten 2 TBM mit Extrudierbeton-Ausbau einen Teil der U-Bahn-Linie A unter dem Fluss Vltava.

Der vorliegende Artikel befasst sich mit dem derzeitigen Ausbau der Linie A von der Station Dejvická über Červený vrch, Veleslavín und Petřiny bis nach Motol. Die Stadtverwaltung hatte definiert, dass der Ausbau der Linie A mit hoher Priorität im Rahmen des Ausbaus des Gesamtnetzes durchzuführen ist und dass dieses Projekt exklusiven Zugang zu europäischen Fördermitteln erhält. Der Ausbau der Linie A wird einen Beitrag zur Entlastung der Situation am Vítězne-Platz leisten, indem sich hier die Anzahl der Busse um die Hälfte reduzieren und somit auch die Umweltbelastung sinken wird. Sowohl die Verkehrssituation im Nordwesten Prags als auch im Südwesten wird sich insgesamt verbessern. Im nächsten Schritt ist geplant, die Linie A im Nordwesten weiter in Richtung des Flughafens Ruzyně zu verlängern.

2 Erweiterung der U-Bahn-Linie A von Dejvická nach Motol

Die Baufirmen Metrostav und Hochtief CZ wurden beauftragt, die Linie A um 5,7 km von Dejvická nach Motol Station zu verlängern sowie die 3 neuen Stationen Cerveny Vrch, Veleslavin und Petriny zu erstellen. Die neue Linie wird das große Wohngebiet Prag 6 anbinden und ein neues, hochwertiges Transportmittel für die größte Klinik-Anlage Prags bieten (Bild 1).

Die Morphologie des Geländes und der hohe Grad der Urbanisierung bestimmten die Wahl der Vortriebsmethode für den geplanten Trassenverlauf. Für fast den gesamten Projektverlauf wird maschineller Tunnelvortrieb zum Einsatz kommen. 5,7 km Tunnel werden mit 2 EPB-Schilden gebohrt und gesichert. Die Tunnelvortriebsmaschinen (S-609 und S-610) von Herrenknecht haben einen Durchmesser von 6,1 m und stellen die 2 eingleisigen Metrotunnel zwischen Vítězné Square und Motol her. Drei Stationen (Cerveny Vrch, Veleslavin und Petriny) werden bergmännisch ausgebrochen, während die Station Motol in offener Bauweise entsteht.

Die EPB-Schilde wurden entsprechend den prognostizierten geologischen Bedingungen entlang der geplanten Tunnelstrecke ausgelegt. Die Baugrundverhältnisse sind charakterisiert durch Schieferton-Gestein und dessen Verwitterungsprodukten. Neben dem Schieferton wurden auch größere Anteile an Sandsteinen, Schluffsteinen sowie Tonsteinen prognostiziert, die auch im Vortriebsverlauf bis Ende 2011 angetroffen wurden. Entlang der geplanten Tunneltrasse wurden sowohl stabile, instabile als auch gemischte Ortsbrustverhältnisse vorhergesagt.

3 Hauptdaten der Maschinen

Die EPB-Schilde für den Erweiterungsabschnitt der Metro Prag sind mit einem hydraulischen Hauptantrieb und einer Leistung von 1.200 kW ausgestattet. Im Vortrieb üben 32 Vortriebszylinder eine Vorschubkraft von 39.000 kN aus. Das Schneidrad ist für beide Drehrichtungen ausgerüstet und weist ein Öffnungsverhältnis von 30 % auf. Der Werkzeugbesatz besteht aus insgesamt 38 17-Zoll-Schneidrollen mit einem Spacing von 100 mm, 64 Schälmessern sowie 8 Räumern. Für das Anfahren war das Schneidrad mit Sticheln bestückt. Zwei Werkzeuge, ein Schälmesser und ein Räumer, wurden mit einem hydraulischen Verschleißerkennungssystem ausgestattet (Bild 2).

Die beiden Maschinen, die an Metrostav a.s. für den Ausbau der U-Bahn-Linie A in Prag geliefert wurden, haben eine Länge von insgesamt 96 m. Der 87 m lange Nachläufer besteht aus 7 Segmenten und einer Brücke. Er nimmt sämtliche logistischen Komponenten auf, die für den Betrieb der Maschine benötigt werden.

Während des Schildvortriebs in instabilem Baugrund wird ein Stützdruck erzeugt, um einer Instabilität der Ortsbrust entgegenzuwirken. Bei einem EPB-Schild wird die Ortsbrust durch das vom Schneidrad abgebaute Material gestützt. Während des Vortriebs ist die Abbaukammer vollständig mit Material gefüllt, um Setzungen an der Oberfläche zu verhindern. Der Stützdruck wird über die Vortriebszylinder durch das gelöste, konditionierte Erdreich in die Druckwand eingeleitet, um die notwendige Balance herzustellen. Die inneren Statoren und Rotoren schneiden durch den Erdbrei, wobei durch Düsen zusätzlich Schaum zugeführt werden kann, um die benötigte Konsistenz des Erdbreis zu erreichen. Insgesamt sind 4 Düsen im Schneidrad installiert, 4 Statoren in der Abbaukammer sowie 2 x 3 Schauminjektionspunkte an der Förderschnecke. Der so konditionierte Erdbrei wird durch die Förderschnecke aus der Sohle der Abbaukammer abgefördert und an das Förderband übergeben. Die Menge des abgeförderten Materials wird durch die Drehgeschwindigkeit der Förderschnecke reguliert und an die Vortriebsgeschwindigkeit angepasst. Das Ziel ist ein ausgeglichenes Verhältnis zwischen einerseits dem Volumen des abgebauten Materials, das durch die Schnecke abgefördert wird, und andererseits dem Volumen des Materials, das durch das Schneidrad abgebaut wird. Hierdurch wird eine optimale Stützung der Ortsbrust gewährleistet.

Die Schlüsselinformationen mit allen vortriebsrelevanten Parametern werden an den Steuerstand übermittelt, wo sie auf den Bildschirmen des Maschinenfahrers dargestellt werden. Der Maschinenfahrer überwacht den weitgehend automatisierten Prozess und greift bei Bedarf korrigierend ein. Dies ist vor allem beim Vortrieb unter der städtischen Bebauung Prags von Bedeutung, die einen setzungskontrollierten Vortrieb erforderlich macht.

Um die Herausforderungen beim Vortrieb unter mit Auflagen versehenen Gebieten zu bewältigen, wurden die EPB-Schilde wie folgt ausgerüstet:

hydraulisches Verschleißerkennungssystem für einen effizienten Abbauprozess und um Schäden an den Werkzeugen und dem Stahlbau des Schneidrades zu vermeiden

umfassendes Datenerfassungssystem, das fortlaufend Informationen über den Zustand der Ortsbrust sowie weiterer wichtiger Parameter liefert und einen kontrollierten Abbauprozess ermöglicht.

Um baugrundstabilisierende Maßnahmen in der Firste und im Bereich der Ortsbrust bei auftretenden instabilen Ortsbrustverhältnissen realisieren zu können, sind die Maschinen mit Injektionsbohrgeräten ausgestattet. Über 8 geneigte Injektionsleitungen mit einem nominellen Durchmesser von 100 mm können Firstinjektionen in einem Winkel von 14° durchgeführt werden. Zwei horizontal geführte Bohrgeräte ermöglichen Injektionen im Ortsbrustbereich. Die installierten Bohrgeräte können ebenfalls für Erkundungsbohrungen im Bereich um Červený vrch genutzt werden, in dem der Tunnel unter einem ehemaligen Minengebiet verläuft (Eisenerz, der Abbau hatte 1860 begonnen).

4 Control Boring Process System (CBP)

Der geforderte setzungskontrollierte Vortrieb stand bei der Konzeption der Maschinen im Vordergrund, weshalb ein Kontrollsystem installiert wurde, das setzungsrelevante Daten wie beispielsweise den Stützdruck und die Ringspaltverfüllung aufzeichnet und analysiert. Die vom System aufgezeichneten Werte werden mit Referenz- und Toleranzwerten verglichen, die von den Behörden definiert wurden. Mit diesem Sicherheitssystem, dem sogenannten Controlled Boring Process (CBP), können sich häufig ändernde geologische und hydrologische Bedingungen mit niedrigen Überdeckungen beherrscht werden. Das Überwachungssystem CBP wird eingesetzt, um Informationen über mögliche Setzungen oder Hebungen, die an der Oberfläche gemessen werden, mit Betriebsdaten der TBM zu kombinieren. Bei Bedarf können so rechtzeitig entsprechende Maßnahmen zur Risikominimierung eingeleitet und der Vortrieb optimiert werden. Beim CBP werden für die setzungsrelevanten Betriebsparameter Sollwerte und Toleranzen festgelegt, die dem Schildfahrer zusammen mit den tatsächlichen Werten im Steuerstand angezeigt werden. Falls während der Schildfahrt eine Über- oder Unterschreitung der Grenzwerte auftritt, so wird dies angezeigt und gespeichert.

Darüber hinaus werden alle spezifischen Daten während des gesamten Vortriebs aufgezeichnet, um eine eingehende Analyse der Vortriebsleistungen in Bezug auf Setzungen zu ermöglichen.

Zum Ende des Jahres 2011 hatten beide Maschinen, die zuerst gestartete S-609 (getauft auf den Namen Tonda von den Kindern aus dem Motol-Krankenhaus) und die S-610 (getauft auf den Namen Adela) erfolgreich den Vortrieb unter einem Wohnkomplex gemeistert. Die hier strikten Setzungsvorgaben von maximal 6 mm konnten durch die durchgängige Überwachung der Gebäude sowie durch den Einsatz des CBP störungsfrei eingehalten werden.

5 Zwei-Komponenten-Verpressung

Eine effektive Ringspaltverpressung ist eine der Voraussetzung um Setzungen kontrollieren zu können. Die EPB-Schilde für die Metro Prag sind mit einem Zwei-Komponenten-System für die Ringspaltverfüllung mit 4 Verpressleitungen ausgestattet. Der Zwei-Komponenten-Ringspaltmörtel besteht aus der Komponente A (Wasser, Bentonit, Zement, Stabilisator) und der Komponente B (Sodiumsilikat). Für das Zwei-Komponenten-Ringspaltverpressmaterial ist eine frühe Festigkeitsentwicklung charakteristisch, die eine schnelle Stabilisierung zwischen umgebendem Erdreich und der Tunnelauskleidung ermöglicht. So können Versätze zwischen den Ringen verhindert werden, wenn dieser beispielsweise durch das Gewicht des Nachläufers belastet wird. Bei der Verwendung eines Zwei-Komponenten-Mörtels ergibt sich eine größere Flexibilität beim Mischungsverhältnis der Komponenten A und B. Wenn die Komponenten gemischt werden, reagieren sie innerhalb kurzer Zeit (innerhalb von Minuten) zu einem Gel, das sich anschließend verfestigt. Die Abbindezeit und damit das Ausmaß, wie die Mischung in das Erdreich eindringt, kann nach Bedarf variiert werden.

6 Segmentausbau

Der Tunnel wird mit Stahlbetonsegmenten ausgekleidet. Ein Ring besteht aus 5+1 Segmenten und hat eine Länge von 1,5 m. Das geometrische Design der Segmente, die in hochpräzisen Schalungen von Herrenknecht Formwork produziert werden, berücksichtigt alle Belastungen wie Wasserdruck, Bodeneigenschaften sowie alle Prozesse bei Herstellung, Transport und Installation im Tunnel. Entsprechend den Erfahrungen der Konstrukteure mit diesem Durchmesserbereich und diesen Bodeneigenschaften wurde ein Universalring (beidseitig angeschrägt) gewählt. Die Segmente sind mit EPDM-Dichtungen (M385 69 Portland, PDT) ausgestattet und werden beim Einbau sowohl im Umfang als auch in Längsrichtung miteinander verschraubt (Bild 3).

Die radialen Verbindungen sind mit Hartfaserplatten versehen. Um die korrekten Abmessungen der einzelnen Segmente und damit des gesamten Rings zu belegen, wurde im Werk des Herstellers ein Versuchsring gegossen, aufgebaut und vermessen (Bild 4).

Die Segmente für die Metro Prag werden in Senec durch die Firma Doprastav hergestellt. Ausgehend von den Vorgaben des Produzenten wurde eine stationäre Produktion bevorzugt. Die 6 Schalungssätze (54 Schalungen) wurden im Jahr 2011 einmal pro Tag gegossen. Um gute Verarbeitungseigenschaften und eine hohe Beständigkeit des Betons für die Segmente zu erreichen, wurden beim Hersteller Labortests sowie Versuchsbefüllungen durchgeführt (Bild 5).

Diese Stahlbeton-Fertigteile werden auf Wägen in den Tunnel transportiert. Am vorderen Ende eines Wagens werden die Segmente von einem speziellen Übergabekran aufgenommen und auf den Tübbingzuführer gesetzt, der die Tübbinge zum vorderen Ende des Tunnels transportiert. Hier werden die Tübbinge von den Vakuumsaugplatten des Erektors – ein hydraulischer Kranarm – aufgenommen und an die vorgesehene Position gesetzt.

7 Baufortschritt

Die Maschinen wurden im Herrenknecht-Werk in Deutschland montiert, wo die Hauptkomponenten getestet und anschließend nach Prag transportiert wurden. Der Vortrieb wurde Mitte April 2011 (S-609) und Mitte Juli 2011 (S-610) gestartet. Die Baustellenmannschaften haben mit den beiden Maschinen Vortriebswerte von insgesamt 1.500 m (S-609) und 1.150 m (S-610) erreicht mit Wochenbestleistungen von bis zu 162 m (S-609) (Bild 6). Nach dem Abschluss des Vortriebs der beiden eingleisigen Tunnel zum Ende des Jahres 2012 werden die beiden Maschinen rückwärts aus dem Tunnel geborgen.

8 Schlussfolgerungen

Der Fortschritt der beiden Maschinen bis Ende 2011 belegt das große Potenzial der Maschinentechnik für den weiteren Ausbau der Metro Prag. Für die neue Linie D, die in Planung ist, werden die Erfahrungen beim Ausbau der U-Bahn-Linie A von großer Bedeutung sein und werden Einsparungen im Finanz- und Zeitplan ermöglichen.


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