Tunnellösungen für Mexico City
In Mexico City, mit mehr als 20 Mio. Einwohnern eine der größten Metropolen der Welt, werden zurzeit 2 Megaprojekte realisiert: der Tunnel Emisor Oriente und die Metro Line 12. Der folgende Beitrag möchte ein Gefühl dafür geben, woher die Probleme dieser Megacity kommen, welche Menschen daran arbeiten, wie die Aufgaben gelöst werden können und dass Tunnel einen maßgeblichen Anteil daran haben.
Es ist um das Jahr 1325. Am Fuße mächtiger Berge und Vulkane wie etwa des bis über 5.000 m reichenden Popocatépetl im Hochtal Anáhuc in Mittelamerika. Ein Adler schwingt durch die Lüfte auf der Suche nach Beute. Findet sie, eine große grüne Schlange, die seinen tödlichen Fängen rein gar nichts entgegen zu setzen hat, fängt sie geschickt ohne merklich seinen majestätischen Flug zu unterbrechen und landet auf einem großen Kaktus, um gierig sein Opfer Stück für Stück zu verschlingen.
„Die Weissagung der Götter.“ Die kleine Gruppe Azteken oder auch Mexica, wie sie sich selbst nennen, hat es geschafft. „Hier“, auf einer kleinen Insel im Sumpfgebiet des Texcoco-Sees, „ist der Platz, an dem wir unsere Stadt bauen werden, genau so, wie es die Götter vorher gesagt haben.“ Tenochtitlán – Ort des Kaktus auf dem Stein – war gegründet und noch heute schmückt das Bild des Adlers, der auf einem Kaktus sitzend eine Schlange frisst, das Staatswappen Mexicos.
Die Nomaden haben ihre sichere Rückzugsmöglichkeit gefunden und werden sesshaft (Bild 1). Der See mit vielen kleinen Inseln bietet reichlich Fisch, um alle zu ernähren, und auf den schwimmenden Gärten – große mit fruchtbarer Erde beladene Flöße – gedeihen Obst, Gemüse und Blumen. Dämme zwischen dem Festland und den Inseln sichern die Stadt, indem sie geflutet werden können. Das Netz aus Inseln, Brücken und Kanälen wächst innerhalb von nur 100 Jahren mit rd. 13 km2 Fläche und mehreren 100.000 Azteken zu einer der größten Städte ihrer Epoche (Bild 2). In kurzer Zeit ist aus nur umherziehenden Gruppen das alles beherrschende Aztekenreich entstanden.
Treten wir ein in den Tunnel der Zeit und verlassen ihn im Jahre 1519 des Herrn, als der Spanier Cortés mit nur wenigen 100 Männern an der heutigen Ostküste Mexicos landet und schließlich 1521 die inzwischen 300.000 Azteken zählende prächtige Stadt im Texcoco-See dem Erdboden gleich macht. Systematisch zerstören sie alles, was an die Azteken erinnert und bauen auf den Ruinen der ehemaligen Metropole Kirchen, Paläste und Häuser im spanischen Stil (Bild 3). Das Zentrum der Spanier zur weiteren Eroberung des Südens unseres heutigen Nordamerikas und große Teile Mittelamerikas war entstanden. Im Laufe der Zeit wurde der gesamte See trocken gelegt.
Beschreiten wir wieder unseren Tunnel zum Zeitsprung und betrachten den Flughafen von Mexico City im Jahre des Herrn 2011, als Ihr tunnel Chefredakteur die gangway verlässt, um eine Reportage über diese faszinierende Stadt zu schreiben. Er sucht keinen Streit, will nichts zerstören und keine neue Kultur gründen. Was er sucht, ist eine Antwort: Welche Probleme hat die inzwischen mit über 20 Mio. Menschen zehntgrößte Metropolregion der Welt und wie können sie gelöst werden?
Doch zuerst noch ein paar Fakten über Mexico City. Die Stadt raubt einem nicht nur wenn man joggen möchte förmlich den Atem. Einerseits wegen des geringeren Sauerstoffanteils in der Höhe und andererseits vor allem wegen des stets präsenten Smogs. Der Verkehr macht keine Pause und Staumeldungen haben in Mexico City nicht wirklich eine Chance. Mexico City liegt im ca. 100 km breiten und 60 km langen Tal von Mexico in rd. 2.300 m Höhe, umgeben auf 3 Seiten von Bergen. Smog ist somit eine – mehr oder weniger – logische Konsequenz. Bei dem Verkehr …
Die Landschaft in und um Mexico City war in der Frühzeit geprägt von Seen und Sümpfen. Aus den umliegenden Bergen strömte das Wasser in Bächen und Flüssen zu Tal. Im Norden und Süden gab es kleinere Süßwasserseen, während in der im Zentrum tief liegende Texcoco-See wegen des salpeterhaltigen Untergrundes bei fehlendem Abfluss und hoher Verdunstungsrate sehr salzhaltig war. Während die Azteken viel Wert auf Be- und Entwässerung des Sees legten, vernachlässigten die Spanier dies anfangs sträflich und es kam zu heftigen Überschwemmungen mit Schlamm- und Erdmassen. So lag der Texcoco-See damals rd. 14 m tiefer. Ein Ende des 18. Jahrhunderts gebauter Kanal zur Entwässerung des Tals hinter die Randgebirge, das Versiegen der Trinkwasserbrunnen durch diese Entwässerung und die Ableitung des ungeklärten Abwassers aus dem Tal heraus sorgten für eine kontinuierliche Absenkung des Grundwasserspiegels. Der ehemalige See und die darunterliegenden Bodenschichten trockneten und trocknen heute noch stark aus. Dies hat mehr oder weniger starke Absenkungen zur Folge. Diese Absenkungen betragen derzeit rd. 30 cm im Jahr. So sinken viele Gebäude in Mexico City ein. Ausnahme ist da nur die tief gegründete Statue „El Angel“, deren Treppen in regelmäßigen Abständen erweitert werden müssen (Bild 4). Die heutige Kanalisation ist infolge dessen teilweise defekt, zerstört und das Gefälle kehrt sich inzwischen sogar um. Das Eindringen von Abwasser in die ebenfalls undichten Trinkwasserleitungen ist kein Sonderfall mehr.
Die umliegenden Vulkane bedeuten auch, dass sich Mexico City in einer durch Erdbeben gefährdeten Region befindet und immer wieder unter Erdstößen zu leiden hat.
In Summe hat Mexico City zahlreiche Probleme, die es in der Zukunft zu bewältigen gilt: hohe Luftverschmutzung durch extreme Verkehrsverhältnisse, zunehmend unsichere Trinkwasserversorgung, veraltete und undichte Abwassersysteme, ungenügende Abfallbeseitigungskonzepte.
Um wenigstens einen Teil dieser Probleme in den Griff zu bekommen, wurden 2 große Projekte in Angriff genommen, die wir nachfolgend vorstellen möchten. Dies sind einerseits der Abwasserkanal Emisor Oriente und andererseits der Ausbau der Metrolinien mit der Metro Line 12.
Metro Line 12
Über das Projekt Metro Line 12 sprachen wir mit Dr. Ismail Benamar, Leiter Konstruktion von Ingenieros Civiles Asociados S.A. de C.V. (ICA) in Mexico City. Der Auftrag zum Bau der Metro Line 12 umfasst design and build unter Beteiligung von 3 Unternehmen. Zwei mexikanische Unternehmen, ICA und CARSO, sind verantwortlich für den Ingenieurbau und das französische Unternehmen ALSTOM ist für die Elektrotechnik zuständig. Der Auftrag umfasst nicht die Lieferung der Metrozüge. Enthalten sind alle Arbeiten an der Oberfläche und vor allem der Tunnelbau in offener wie geschlossener Bauweise über die gesamte Länge von nahezu 9 km. Geplant ist das Ende der Tunnelbauarbeiten für 2012.
Zum Metrosystem in Mexico City gehören zurzeit 11 voll funktionierende Linien und es ist nach Angaben Benamars von der Ausdehnung her mit rd. 200 km Länge und 175 Stationen weltweit das viertgrößte System (Bild 5). Von der Linienführung her ist vor allem die Verbindung der dichtbevölkerten Bezirke im Südosten mit dem Westen der Stadt von großer Bedeutung, da sich hier der Finanzbezirk der Stadt befindet (Bild 6).
Mit der geplanten Inbetriebnahme der Metro Line 12 in 2012 wird erwartet, dass rd. 475.000 Menschen pro Tag nur allein diese neue Linie nutzen werden. Insgesamt nutzen rd. 4 bis 5 Mio. Menschen täglich die Metro in Mexico City. In 2010 nutzten mehr als 1,4 Mrd. Menschen die Metro. Dabei leben 9 bis 10 Mio. Menschen im Zentrum der Metropole. Die Metro Line 12 wird mit einem neuen elektrischen Betriebssystem ausgestattet, mit insgesamt 25,4 km die Längste im gesamten System. Geplant sind insgesamt 20 Stationen innerhalb der Metro Line 12 (Bild 7, 8). Jede Minute wird 1 Zug fahren.
Die Tunnellänge beträgt insgesamt ca. 8,8 km, davon werden 7,7 km mit einer EPB-Maschine von Robbins aufgefahren. Rund 1,1 km ab der letzten Station inklusive der Parking Area für die Züge werden im konventionellen Vortrieb aufgefahren. In diesem letzten Abschnitt ist der Vortrieb durch die Beschaffenheit des Baugrundes deutlich leichter zu bewältigen (kein Grundwasser bei stabilen Bodenverhältnissen).
Der Maschinenvortrieb begann am Startschacht in Mexical-
tzingo mit der Montage der TBM und nach der Durchfahrt von 7 Metrostationen wird die TBM im Zielschacht in Mixcoac wieder demontiert. Der Außendurchmesser des Ausbruchs beträgt 10,2 m und der endgültige Innendurchmesser beträgt 9,11 m. Ausgebaut wird mit 40 cm dicken Stahlbetontübbingen mit 7+1 Elementen pro Ring (Bild 9). Jeder Tübbingring hat eine Länge von 1,5 m. Die Verbindungen erfolgen in Nut und Feder mit Bolzen. Die Tübbinge werden von ICA auf einem eigenen Gelände in einer etwa 30 km entfernten Tübbigfabrik mit Schalungen von Herrenknecht Formwork Technology produziert. Die Produktion erfolgt ohne Unterbrechung 24 h bei erschwerter Logistik, da an den einzelnen Schächten nur Tübbinge für 1,5 Tage auf einem sehr beengten Lagerplatz vorgehalten werden können.
Der Tunnel wird mit sehr geringer Überdeckung von maximal 8 bis 12 m aufgefahren. Die meiste Zeit beträgt die Überdeckung maximal das 1,5fache des Tunneldurchmessers in sehr schwierigem Baugrund. Gleichzeitig werden entlang der Linienführung sehr schwierige Bereiche passiert: einige große Kläranlagen werden unterfahren, die Fundamente einer Autobahnbrücke sind zu durchfahren, eine andere Metrolinie muss mit nur 6 m Überdeckung passiert werden und zahllose Versorgungsleitungen kreuzen die Linienführung (Bild 10). Es wurde eine Autobahnunterführung gekreuzt, die eine andere Metrolinie unterfährt. Zu Beginn der Metro Line 12 musste eine Kirche aus dem 16. Jahrhundert mit nur 12 m Abstand passiert werden. Insgesamt mussten 5 verschiedene Bereiche durchfahren werden, die jede eine andere Tunnelkonstruktion erforderte.
Die 7 Stationen sind unterschiedlich groß: einige Stationen sind ganz normale Metrostationen, andere dagegen Umsteigebahnhöfe. Sie sind zwischen 150 und 190 m lang. Sie wurden zuerst gebaut und dann von der TBM durchfahren.
Tunnelbau der Metro Line 12
Beim Bau der Metro Line 12 werden zuerst die Stationen hergestellt und dann die Tunnel in einer Richtung von Station zu Station aufgefahren. Der längste Streckenvortrieb beträgt 1.800 und der kürzeste 345 m. Im Startschacht wurde die TBM in 3 Abschnitten montiert und startete in Richtung 1. Station. Der Aushub der Station erfolgt im Schutze einer Schlitzwand. Wenn die TBM vor der Station ankommt, wird ein Fenster in der Wand angeordnet, das die TBM sicher durchfahren kann (Bild 11, 12). Am Boden der Station ist eine Schiene aus runden Stahlbeton-Segmenten angeordnet, auf der die TBM die Station bis zum anderen Ende durchfährt (Bild 13). Dort durchbricht sie wieder die vorbereitete Schlitzwand und folgt der geplanten Linienführung zur nächsten Station.
Der Abraum wird mit einem Förderband an die Oberfläche transportiert. In etwa der ersten Hälfte des Vortriebs war der Abraum so feucht, dass er nur abgepumpt werden konnte. Später konnte dann, wie geplant, das Förderband eingesetzt werden. Zudem wurden Felsblöcke in den letzten Abschnitten des Vortriebs erwartet mit Größen bis zu 800 mm.
Während der Tunnelbauarbeiten lagen die Setzungen zwischen 2 und 5 cm. Langfristig werden Setzungen von rd. 6 cm im Jahr erwartet.
In Mexico City hatte tunnel die Gelegenheit, mit Enrique Horcasitas Manjarréz (Bild 14), Direktor des Metro-Projekts, zu sprechen (siehe Kasten S. 26).
Tunnel Emisor Oriente (TEO)
Der rd. 62 km lange Abwassertunnel Ost (Tunel Emisor Oriente - TEO) wird weltweit einer der längsten Tunnel sein und dient zur Entlastung der Hochwassersituation in Spitzenzeiten (Bild 15). Sollte es zu einem stärkeren Hochwasseranfall kommen, droht Mexico City bei überlaufenden Kläranlagen und Abwasserleitungen überflutet zu werden. Das Abwassersystem von Mexico City wurde in den späten 1960er Jahren erbaut. Seitdem hat sich die Bevölkerungszahl der Metropole mehr als verdoppelt. Eine Kombination aus der stark anwachsenden Bevölkerung und dem Absinken Mexico City´s und damit dem Verlust des Gefälles erfordert den Bau eines der größten Infrastruktur-Projekte Mexicos – dem Emisor Oriente. Nach Fertigstellung wird der Tunnel einen Innendurchmesser von 7 m haben. Der Tunnel liefert eine Kapazität von rd. 150 m3/s und entlastet damit das bestehende Abwassersystem stark (Bild 16). Der Tunnel hat 24 Schächte und 1 Ausgangsportal (Bild 17). Mehr als 40.000 Tübbingringe sind einzubauen und um den Emisor Oriente im Zeitplan fertig stellen zu können, sind 6 EPB-Tunnelbohrmaschinen im Einsatz. Die Überdeckungen während des Vortriebs liegen dabei zwischen 20 und 150 m.
Derzeit wird das gesamte Regenwasser und Abwasser der Großregion von Mexico City noch über den 1967 und 1975 gebauten offenen Gran Canal abgeleitet. In Zeiten starker Regenfälle ist dieser jedoch derart überlastet, dass das extrem mit Abwasser kontaminierte Regenwasser über die Ufer tritt. Hinzu kommen Erhaltungsarbeiten und Reparaturen an dem in die Jahre gekommenen Kanalsystem, sodass sich auch die ableitbare Kapazität dramatisch reduziert. Der Bau des Tunnels Emisor Oriente wurde beschlossen, um sich mit einer zusätzlichen Kapazität von 150 m3/s Luft zu verschaffen.
Ein Joint Venture der mexikanischen Bauunternehmen ICA, Carso, Cotrisa, Lombardo und Estrella – COMISSA – wurde mit der Realisierung des Projekts Tunnel Emisor Oriente beauftragt.
Im Gespräch mit Raymundo Rincon (Projektmanager von Comissa), David Juarez (Baustellenleiter, ICA), Roberto Gonzalez (Geschäftsführer Robbins Mexico), Andrei Olivares (Projektleiter Robbins Mexico) und Jeremy Pinkham (Robbins field service manager - The Americas) konnte tunnel noch weitere Details erfahren (Bild 18).
Anfangs war der Plan zum Bau des TEO noch zu optimistisch, es waren umfangreiche Änderungen umzusetzen und einige Projektteile konnten erst später begonnen werden, sodass nun statt des Fertigstellungstermins 2012 das Jahr 2014 anvisiert wird. Hinzu kommt, dass der Baugrund z.B. in Los 4 und 6 deutlich schwieriger als erwartet ist (Bild 19). Es mussten teilweise die Streckenführung geändert und das Schachtkonzept überdacht werden, da die Baugrundbedingungen die Erstellung der Schächte deutlich verlangsam-te. Unter anderem wurde ein unterirdischer Fluß entdeckt. Von Anfang an waren aber 25 Schächte für die 62 km lange Strecke geplant. Die Schächte haben einen Durchmesser von 12 bis 20 m und sind zwischen 28 und 150 m tief.
Der mit 150 m tiefste Schacht wurde auf den ersten 100 m bei 20 m Durchmesser mit einer Dichtwand hergestellt. Die letzten 50 m mit 16 m Durchmesser wurden in Spritzbetonbauweise erstellt.
Der Tunnelvortrieb erfolgt mit EPB-Maschinen von Robbins und Herrenknecht. Im Juli 2011 waren 2 Herrenknechtmaschinen und 1 Robbinsmaschine im Einsatz, während Ende Juli 1 weitere Robbins-TBM und Ende August 1 weitere Herrenknecht-TBM montiert wurden. Im Oktober 2011 wurde eine 3. Robbins-TBM montiert, sodass insgesamt 6 TBM für den Tunnel Emisor Oriente im Einsatz sind.
Im 10 km langen Los 1 von Schacht 0 ausgehend startete im November 2009 eine Herrenknecht-TBM in Richtung Schacht 5. Eine Überschwemmung zwang den Vortrieb zu einer über 6-monatigen Pause. Um den straffen Zeitplan einzuhalten, wurde die für Schacht 5 vorgesehene Robbins-TBM von Schacht 5 in Richtung Schacht 0 auf den Weg gebracht. Im Treffpunkt, dem neuen Schacht 3a, werden beide Maschinen demontiert. Los 1 ist der wichtigste Teil des Projektes, da das Los im Zentrum der Stadt liegt und so schnell wie möglich fertig gestellt sein muss. Im Falle von Überschwemmungen kann das Wasser hier abfließen und mithilfe einer Pumpstation in den Gran Canal gepumpt werden.
Im August 2010 ging im ebenfalls 10 km langen Los 2 eine Herrenknecht-TBM von Schacht 5 in Richtung Schacht 10 auf den Weg.
Im 10 km langen Los 3 werden schwierige geologische Bedingungen erwartet. Hier startete ausgehend von Schacht 10 in 2012 eine Robbins-TBM in Richtung Schacht 13.
In Los 4 begann der 10 km lange Vortrieb danach in 2012 mit einer Robbins-TBM im Schacht 17 und geht in Richtung Schacht 13. Erwartet wird hier ein sandiger Boden mit Vulkanasche und Felsblöcken. Der Wasserdruck in diesem Abschnitt wird bei 6 bar liegen.
Nachdem die Robbins-TBM den zusätzlichen Vortrieb in Los 1 beendet hat, wird sie den 10 km langen Vortrieb des Loses 5 von Schacht 20 nach Schacht 17 beginnen.
Im Los 6 vom Portal bis Schacht 20 startete im September 2010 eine Herrenknecht-TBM ihren 10 km langen Vortrieb.
Anfangs wurden Pumpen genutzt, um den Abraum der Vortriebe abzutransportieren. Inzwischen transportieren herkömmliche Förderbänder den Abraum zu vertikalen Förderbändern im Schacht. Die Vertikalförderbänder besitzen einen kleinen Fußbereich mit Anschluss an einen Bandspeicher um Platz zu sparen.
Ing. José Miguel Guevarra Torres, Projektleiter Emisor Oriente von Conagua, gab uns schließlich noch einen persönlichen Einblick in das Projekt (Bild 20). Nach Guevarra muss man das Projekt aus 2 Blickwinkeln betrachten. Einerseits ist da der 62 km lange Tunnel mit 7 m Durchmesser. Andererseits werden eine Vielzahl unterschiedlicher Geologien an jeder Ortsbrust der 6 Vortriebe vorgefunden. Der Vortrieb geht durch 3 verschiedene Stadtbezirke mit einer Unmenge komplizierter Vorbeifahrten und Unterfahrungen mit teilweise geringem Abstand oder minimaler Überdeckung. Das Absinken der Stadt nimmt mit sinkendem Grundwasserspiegel unaufhaltsam zu und ist an vielen Stellen sehr unterschiedlich intensiv, abhängig von den jeweiligen geologischen Rahmenbedingungen. Die Ableitung des Oberflächenwassers begann bereits im Jahr 1635 aus dem Mexico Valley und dem Mezqual Valley. Seitdem trocknet der See aus. Um das Jahr 1900 wurde der offene Gran Canal eröffnet, um das Abwasser der Stadt abzuleiten und musste dazu durch bzw. über die Berge in die Sierra Guadelupe geleitet werden. Dies erfolgte anfangs auch mit einem deutlichen Gefälle aus der Stadt heraus, doch im Laufe der Jahre kehrte sich nun das Gefälle um. Dies zeigt sich besonders bei schwerem Regen, wenn der Kanal in kürzester Zeit überlastet ist. Außer dem Emisor Oriente sind auch weitere Kläranlagen im Bau. Der erste wichtige Teil des Emisor Oriente wird in 2012 fertig gestellt sein und dann kann am Schacht 5 die Pumpstation mit der Kläranlage das Flutwasser in den Gran Canal ableiten. Ein großes Problem, das zukünftig noch gelöst werden muss, ist die Frischwasser-Versorgung Mexico City´s.
Schlussbemerkung
Zahlreiche große Städte in allen Teilen der Welt haben mit ähnlichen Problemen zu kämpfen. Allerdings sind sie nicht immer so massiv und gebündelt, wie wir das z.B. in Mexcio City vorfinden. In allen Fällen aber bieten Lösungen unter Einbeziehung der Tunnelbauweise immer eine akzeptable, innovative und dauerhafte Lösung.
