Alpine Tunnelbauerfahrung für hochmechanisierten konventionellen Vortrieb im Himalaja

Der Rohtang Pass Highway Tunnel wird unter schwierigen Bedingungen konventionell mit der Teilausbruch-Methode aufgefahren. Geologische und terminliche Herausforderungen verlangen eine Parallelität von Vortrieben und Sohlausbau, welche durch eine hochmechanisierte Vortriebsinstallation ermöglicht wird. Die Anlage führt zu einer Rationalisierung der Arbeitsabläufe und somit zu einer bemerkenswerten Produktivitätssteigerung. Außerdem profitieren alle Beteiligten von einer Verbesserung der Arbeitsplatzbedingungen sowie einer gleichzeitigen Erhöhung der Arbeitssicherheit.

Rohtang Pass Highway Tunnel

Der Rohtang Pass gehört mit 3.980 m zu den höchsten befahrbaren Bergpässen der Welt und stellt die einzige Straßenverbindung von der nordindischen Provinz Himachal-Pradesh in die Grenzregion Ladak dar. Wegen heftiger Schneefälle und starker Stürme sind die Ortschaften der westlichen Himalaja-Region nördlich des Passes während der Wintersperre jedes Jahr mindestens 4, oftmals sogar 6 Monate vom Rest des Landes abgeschnitten.

Im September 2009 beauftragte die indische Regierung durch die Border Roads Organisation die Strabag AG/Afcons Joint Venture mit dem Bau des 8,8 km langen Rohtang Pass Highway Tunnels auf ca. 3.100 m über dem Meeresspiegel. Damit wird der Manali-Leh-Highway eine ganzjährig befahrbare Straße, welche die Fahrt über die schmale und gefährliche Passstraße um mehrere Stunden verkürzt.

Der hufeisenförmige Tunnel wird Platz für eine zweispurige, 8 m breite Fahrbahnfläche sowie einen jeweils 1 m breiten Gehsteig auf jeder Seite bieten. Unter der Hauptfahrbahn wird ein 2,25 m hoher und 3,6 m breiter Fluchtstollen in den Tunnelquerschnitt integriert. Der Vortrieb erfolgt von beiden Portalen aus. Da das Nordportal in den Wintermonaten jedoch nicht zugänglich ist, erfolgt der Vortrieb schwerpunktmäßig von Süden aus.

Besondere Herausforderungen bei diesem Bauprojekt sind die Höhe, die extremen klimatischen Verhältnisse sowie die geologischen Bedingungen des Himalajas. Die Überdeckung beträgt durchschnittlich 600 m, maximal 1.900 m. Erwartet werden 3 Störzonen und in Einzelstrecken druckhaftes Gebirge. Aus diesem Grund entschieden sich Bauherr und Projektverfasser für einen konventionellen Vortrieb, welcher ein flexibles Anpassen der Vortriebsarbeiten sowie der Stütz- und Sicherungsmethoden in den unterschiedlichen Gesteinszonen ermöglicht [1].

Weitere Herausforderungen für den Vortrieb stellen die Entsorgung von mehr als 800.000 m3 Ausbruchmaterial und größere Wassereinbrüche (bis zu 3 Mio. l/Tag im Juni 2012) dar.

Synchroner Vortrieb in Kalotte und Strosse/Sohle sowie rascher Ringschluss

Bedingt durch den sehr großen Querschnitt von bis zu knapp 135 m2 und die geologischen Bedingungen erfolgt der Vortrieb im Teilausbruch. Zunächst wird die Kalotte mit ca. 83 m2, in einem zweiten Arbeitsschritt die Strosse mit rund 33 m2 mittels Lockerungssprengungen ausgebrochen. Schließlich erfolgt der Ausbruch der Sohle. Bauhilfsmaßnahmen umfassen Felsanker, faserverstärkten Spritzbeton und, je nach Felsklassen, den Einbau von Stahlbögen.

Um einen raschen Ringschluss zu erreichen, müssen Ausbruch und Bauhilfsmaßnahmen im Strossen- und Sohlbereich dicht dem Kalottenvortrieb folgen. Dazu kommt der Einbau der Fertigelemente des Fluchtstollens. Ohne besondere Maßnahmen und Einrichtungen würde die Ver- und Entsorgungslogistik aller Arbeitsebenen eine sehr komplexe Herausforderung und den limitierenden Faktor für die Vortriebsleistung darstellen.

Die Strabag AG/Afcons Joint Venture setzte somit auf eine hohe Mechanisierung des Sprengvortriebs und beauftragte die Rowa Tunnelling Logistics AG mit der Entwicklung, Herstellung, Lieferung, Montageleitung und Inbetriebnahme einer maßgeschneiderten Vortriebsinstallation.

Konzept der Vortriebseinrichtungen

Bei der Auslegung der Vortriebsinstallation in enger Zusammenarbeit mit dem Kunden konnte Rowa ihre bei der Vortriebsmechanisierung anderer Untertagbauwerke gewonnenen Erkenntnisse einbringen. So flossen in die Vortriebsinstallation für den Rohtang Pass Highway Tunnel insbesondere die Erfahrungen mit den aufgehängten Arbeits- und Vortriebsbühnen vom Baulos Mitholz des Lötschberg-Basistunnels, vom Baulos Sedrun des Gotthard-Basistunnels [2] sowie von den Hauptvortrieben des Ceneri-Basistunnels ein [3].

Die Materialflüsse innerhalb der Linienbaustelle werden durch eine hochmechanisierte, 370 m lange Vortriebseinrichtung unterstützt. Diese besteht im Wesentlichen aus 2 Backenbrechern, 1 an Schienensträngen hängenden Vortriebsbühne mit dazugehörenden Einrichtungen und Infrastruktur sowie 3 Schleppbändern und 1 Streckenband (Bild 1).

Kalottenvortrieb, Strossen- und Sohlausbruch bzw. der Einbau des Fluchtstollens sind größtenteils eigenständige Baustellen; ihre Leistung kann vom Regelvortrieb abweichen. Um die Abhängigkeiten zu minimieren, lässt die gewählte Bühnenlänge eine relative Abweichung von 60 m zwischen den Arbeitsstellen problemlos zu.

Gleichzeitiges Nachziehen der gesamten Infrastruktur und viel Platz für die Baugeräte

Auf der Vortriebsbühne finden alle Infrastruktur-Aufbauten Platz. Es sind dies insbesondere Entstauber, Ventilatoren für die Frischluftversorgung, Spülventilation und Sprenggasabsaugung, Druckluftkompressoren, Trafos für die Umwandlung der eingezogenen Mittelspannung, ein Notstromaggregat, eine Betonpumpe, eine Hochspannungskabeltrommel sowie eine Frischwasserschlauch-trommel. Zusätzlich befinden sich auf der Bühne ein Container für die Vortriebsleitung, ein Mannschaftscontainer, ein Werkstattcontainer und ein Lagercontainer, Treibstofftanks, Zusatzmitteltanks sowie ein Luttenspeicher.

Die Vortriebsbühne verfährt in Hängeschienensträngen, welche mittels Ketten und Spezialadapter an Reibrohrankern am Gewölbe aufgehängt sind. Die gesamte Vortriebsinstallation kann per Knopfdruck und dem Vortriebsfortschritt entsprechend nach vorne gezogen werden. Vier Bühnenabschnitte mit je 1 Paar Schreitwerken und entsprechenden Dilatationsbereichen lassen sich nach dem Sliding-Floors-Prinzip steuern.

Unter der Vortriebsbühne steht den Tunnelbauern eine zweite Arbeitsfläche und ein abstützungsfreier Arbeits-, Manövrier- und Parkraum zur Verfügung (Bild 2). Mit den übersichtlichen Platzverhältnissen, durch die Rationalisierung der Arbeitsabläufe und dank der großzügigen Beleuchtung konnte die Arbeitssicherheit maßgebend erhöht werden.

Rascher Zugang zur Ortsbrust und humanere Arbeitsbedingungen dank blasender und saugender Bewetterung

Optimale Lüftung und Kühlung sind wichtige Maßnahmen zur Gewährleistung des Gesundheitsschutzes und der Arbeitssicherheit im Tunnelvortrieb.

Die Frischluft wird am Portal angesaugt und über Lutten mit 2.800 mm Durchmesser bis zum Heck der Vortriebsbühne geblasen. Ein Ventilator übernimmt hier einen Teil der Luft und befördert diese in einer Lutte mit 2.000 mm Durchmesser bis zum vorderen Bereich der Vortriebsbühne.

Zur effizienten Spülung der Sprengschwaden wird mittels einem dedizierten Ventilator und einer am linken Schienenstrang hängenden Lutte mit 900 mm Durchmesser zusätzliche Luft zur Ortsbrust geblasen. Die Sprengschwade wird auf der rechten Seite, auf Höhe des Sprengschutzes, von einem Ventilator sowie durch den Entstauber abgesaugt und durch 2 Lutten mit 900 mm Durchmesser bis zum Heck der Vortriebsbühne geführt.

Die Tunnelbauer beim Kalotten- und Strossen-/Sohlvortrieb sowie die Arbeiter der rückwärtigen Sohl- und Fluchtstollenbaustelle sind somit der gesundheitsschädigenden Sprengschwade kaum noch ausgesetzt; die Ortsbrust ist möglichst schnell wieder frei und für die Schutterungs- und Sicherungsarbeiten zugänglich.

Backenbrecher, Schleppbänder und 1 Streckenband für die Entsorgungslogistik der 3 Vortriebe

Rowa Tunnelling Logistics AG und ihr Auftraggeber Strabag AG/Afcons Joint Venture haben ein Logistiksystem umgesetzt, mittels welchem der Materialtransport per Knopfdruck von der Brust bis zum Abwurfturm der Zwischendeponie gesteuert werden kann (Bild 3).

Das ausgebrochene Material wird nach jedem Abschlag von der Ortsbrust des Kalottenvortriebs mit einem Radlader mit Seitenkippschaufel über eine Distanz von 50 bis 70 m zum raupenmobilen Brecher transportiert (Bild 4).

Das vom Backenbrecher zerkleinerte Ausbruchmaterial mit einer maximalen Korngröße von 200 mm wird auf den Steigbereich eines 217 m langen Schleppbandes aufgegeben, welches auf der Hängebühne aufliegt. Ebenfalls per Radlader wird ein zweiter, baugleicher Backenbrecher mit dem Material aus dem Strossenvortrieb bzw. aus dem Ausbruch der Sohle beschickt (Bild 5). Das Material wird auf ein zweites, 110 m langes verfahrbares Schleppband aufgegeben, welches unter der Hängebühne hängt. Dessen Verfahrweg beträgt 60 m.

Beide Schleppbänder werfen das Ausbruchmaterial auf ein drittes, von den Fertigelementen des Fluchtstollens hängendes, 245 m langes Schleppband ab. Dieses übergibt schließlich das Material dem im Fluchtstollen aufgeständerten Streckenband, welches in Abschnitten von 200 m verlängert wird (Bild 6). Somit ist die gesamte Fahrbahn frei von Gerätschaften und der weitere Ausbau kann ungehindert erfolgen.

Schwerlastkran, Materialumschlagkrane und mehrere Leitungssysteme sichern direkte Versorgung der Vortriebe

Ein selbstfahrender Schwerlastkran mit einer Nutzlast von 12 t stellt die Versorgung des Kalotten- bzw. des Strossenvortriebs mit Sicherungsmaterialien, Betriebs- und Verschleißmaterialien sowie Sprengstoff über die Sohlbaustelle hinweg sicher. Die Materialien werden per Lkw auf dem fertig erstellten Fluchtstollen in den dafür vorgesehenen Behältnissen angeliefert. Beliebige Zwischenstationen bis hinter den Backenbrecher des Strossenvortriebs können bedient werden.

Die Versorgung des Kalottenvortriebs erfolgt ab hier mit einem Flächenkran mit 2 x 1,6 t Nutzlast. Hinter dem Steigbereich der Schleppbänder steht je ein quer verfahrbarer Elektrokettenzug (Nutzlast 1,6 t) für den Materialumschlag zur Verfügung. Der Materialumschlag ab Transportfahrzeug auf die Hängebühne respektive in den Magazin-/Werkstattcontainer erfolgt mit einem längs verfahrbaren Elektrokettenzug.

Der Spritzbeton für die Felssicherung wird am Heck der Vortriebsbühne per Lkw angeliefert und mittels 2 Spritzbetonpumpen bis zur Sohlbaustelle bzw. hinter den Backenbrecher des Kalottenvortriebs befördert. Eine Weiche in den Betonleitungen ermöglicht das effiziente Umschalten zwischen den beiden Verbrauchern. Zusatzmittel für den Spritzbeton werden ebenfalls per Lkw angeliefert und über Leitungen in die beiden Zusatzmitteltanks auf der Vortriebsbühne umgepumpt. Auch Treibstoff für die Baugeräte kann umgepumpt und in 2 Treibstofftanks auf der Vortriebsbühne zwischengelagert werden.

Frischwasser und Strom werden per Tunnelleitung angeliefert und über Schlauch-trommel, bzw. Hochspannungskabeltrommel, Wasserleitungen und Elektroinstallation auf alle Verbraucher auf und unter der Vortriebsbühne ohne Unterbrechung verteilt.

Ausbau des Sohlbereichs mit verfahrbarem Spritzbetonmanipulator, Schwerlastkran und Flächenkran

Unter der Vortriebsbühne aufgehängt arbeitet ein verfahrbarer Spritzbetonmanipulator zur Konsolidierung der Ulme und der Sohle (Bild 7). Das Gerät besteht aus einem Chassis mit integriertem Längsfahrantrieb und einem schwenk- und teleskopierbaren Spritzarm. Der Spritzbetonmanipulator kann in einem 60 m langen Bühnenabschnitt eingesetzt werden; sein Arbeitsbereich beträgt 12 m und 210°. Die dazugehörende Spritzbetonpumpe mit Zusatzmitteltank befindet sich oberhalb auf der Vortriebsbühne. Mit der gleichen Einrichtung kann in einem späteren Arbeitsschritt auch der Sohlbeton für den Fluchtstollen eingebracht werden. Für diese sehr exponierte Baustelle waren eine robuste Konstruktion und eine einfache Bedienung wichtige Faktoren, die es bei Erstellung des Konzepts zu berücksichtigen galt [4].

Die per Lkw angelieferten Fertigelemente für den Fluchtstollen werden mit dem bereits erwähnten Schwerlastkran umgeschlagen und eingebaut (Bild 8). Dazu kann der Kran 1 m quer verfahren.

Nachdem der Sohlbereich seitlich am Fluchtstollen mit Beton aufgeschüttet und schichtweise verdichtet wurde, können die Gewölbeanschlüsse in Ortbeton ausgeführt werden. Mit einem an der Vortriebsbühne aufgehängten, längs und quer verfahrbaren Flächenkran können Einbaumaterial umgeschlagen bzw. die Betonierschalung umgesetzt werden. Mit dem gleichen Kran (Nutzlast von 2 x 2,8 t) können später vorgefertigte Leitungselemente verlegt werden (Bild 9).

Erste Erfahrungen

Bis Juni 2012 waren ca. 3,5 km Tunnel ausgebrochen. Nach Vollendung soll der Rohtang Pass Highway Tunnel mit seinen 8,8 km der weltweit längste auf über 3.000 m über dem Meeresspiegel liegende Tunnel sein. In den vergangenen Monaten konnten alle Funktionen der von der Rowa Tunnelling Logistics AG gelieferten Vortriebsinstallation erfolgreich in Betrieb genommen werden. Obschon die Lernphase noch nicht abgeschlossen ist, konnte sich das Gesamtsystem auch unter solch schwierigen Bedingungen bewähren. Die gewählte Konstruktion ermöglicht die Gleichzeitigkeit von Vortrieb und Sohlausbau und macht überhaupt möglich – soweit die Geologie den erwarteten Bedingungen entsprechen wird - den Endtermin einzuhalten.

Mit der beschriebenen Anlage verfolgt die Rowa Tunnelling Logistics AG die stetige Weiterentwicklung der Mechanisierung im Tunnelbau. Diese führt zu einer Rationalisierung der Arbeitsabläufe und somit zu einer bemerkenswerten Produktivitätssteigerung. Des Weiteren profitieren alle Beteiligten von einer Humanisierung der Arbeitsplätze sowie einer gleichzeitigen Erhöhung der Arbeitssicherheit.

Literatur/References
[1] Reynolds, P.: Drilling Rohtang. Tunnels & Tunnelling Asia (Oktober 2010), S. 10-12
[2] Alptransit Gotthard AG (Hrsg.): Das Jahrhundertbauwerk entsteht. Gotthard-Basistunnel – der längste Tunnel der Welt. 1. Auflage. Bern: Stämpfli Verlag AG (2010)
[3] Belloli A.; Jenni, H.: Hohe Mechanisierung für die konventionellen Hauptvortriebe des Ceneri-Basistunnels. Tunnel 4 (Mai 2011), S. 48-54
[4] Jenni, H.; Belloli A.: Herausforderungen an Spritzbetonmanipulatoren im maschinellen und konventionellen Vortrieb. Spritzbeton-Tagung 2012, Alpbach, Januar 2012. Prof. Wolfgang Kusterle (Hrsg.)
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