Durchmesseranpassung – Planmäßiger Umbau der größten Hartgestein-TBM der USA im Tunnel

Große Dinge standen der Robbins Main Beam TBM mit Bohrdurchmesser 11,60 m bevor – der größten Hartgesteins-TBM, die bislang in den USA zum Einsatz gekommen ist. Die einzigartige Maschine war für eine planmäßige untertägige Änderung ihres Durchmessers nach halber Vortriebsstrecke für den Mill-Creek-Entwässerungstunnel konstruiert worden. Der Durchmesser nach der Anpassung – kompaktere 9,90 m.

Das Projekt für den Entwässerungstunnel im texanischen Dallas, USA ist sehr wichtig, soll es den östlichen und südöstlichen Bereichen der Stadt 100 Jahre lang Überflutungsschutz bieten. Diese Stadtteile waren in den letzten Jahren wiederholt schweren Stürmen ausgesetzt. Der Tunnel wird Schutz für 2200 Gewerbe- und Wohngebäude bieten, unter anderem auch für das Baylor Medical Center. Die vorhandene Entwässerungsanlage der betroffenen Bereiche wurde vor 50 bis 70 Jahren errichtet und bietet nur für zwei bis fünf Jahre Schutz vor Überflutung.

Dem technischen Konzept der Robbins TBM mit zwei Bohrdurchmessern liegt ein neuartiges Umbauverfahren zugrunde. Die Umrüstung erfolgt unter Tage nach 2,8 km Vortrieb, unter den räumlich begrenzten Gegebenheiten im Tunnel. „Das Schwierige hierbei ist in erster Linie, dass wir mit fast jedem Schritt einen neuen Weg beschreiten. Vieles ist bislang noch nicht gemacht worden – zumindest nicht in dieser Weise. Jeder Schritt will also wohlüberlegt sein, sowohl unter Sicherheits- als auch konstruktionstechnischen und logistischen Aspekten. Die Handhabung großer Teile erfolgt mit Einschränkungen von Raum und Ausrüstung. Unser klares Ziel ist es, den Prozess so sicher und effizient wie möglich zu gestalten“, so Nick Jencopale, Projektmanager für Southland Contracting, das Teil des Projekt-Joint-Ventures SMJV (Southland/Mole) ist.

Die zwei Maschinendurchmesser sind erforderlich, da der stromaufwärts führende Tunnelabschnitt mit einem kreisrunden Querschnitt und einer Spitzendurchflussrate von 424 m3/s entworfen wurde, während der vorhandene, 2,8 km lange, stromabwärts führende Abschnitt eine höhere Spitzendurchflussrate von 565 m3/s aufweisen wird und ursprünglich mit einem hufeisenförmigen Querschnitt entworfen worden war. Einsatz einer TBM für den gesamten Tunnel erwies sich in Bezug auf Dauer und Kosten als die effizientere Baumethode.

Inbetriebnahme der TBM im April 2020

Die Robbins-Spezial-TBM wurde mit Erlaubnis der State Fair of Texas auf den Namen „Big Tex“ getauft. Für den Umbau auf einen kleineren Durchmesser wurde sie mit einem anpassbaren Bohrkopf mit demontierbaren Abstandhaltern und einstellbaren Lippenblechen an den Bohrgutschaufeln konstruiert. Gleichermaßen wurden der Bohrkopfträger und die Gripperschuhe mit demontierbaren Schalen für die spätere Durchmesseranpassung versehen

Im Dezember 2019 wurden die Maschine und die Bandanlage über Tage eingeweiht, bevor sie unter Tage montiert wurden. „Zum Zeitpunkt der Feier hatten wir den Aushub von Schacht und Startertunnel beendet. Der Schacht hat einen Durchmesser von 14 m und eine Tiefe von 37 m. Als die Montage an der Oberfläche startete, begannen wir den Vortrieb des hufeisenförmigen Startertunnels mit 12 m Durchmesser. Die TBM ist 70 m lang, der Startertunnel 76 m. Nach Abschluss der Montage und der Testläufe über Tage haben wir die Maschine teilweise demontiert und, um eine komplette Demontage zu vermeiden, mittels eines 590-Tonnen-Krans den Schacht hinuntergelassen. Wir haben den Bohrkopfträger, die vorderen und hinteren Hauptträgerabschnitte und den Bohrkopf durch den Schacht hinuntergelassen und wiedermontiert. Mit Verwendung einer in der Betonsohle eingebetteten Vorschubanlage konnte das Team die gesamte TBM vorwärts bewegen. Danach fuhren wir mit der Montage der verbliebenen Nachläufer fort, bis die Maschine den Startertunnel erreicht hatte“, so Jencopale. Die TBM nahm ihren Vortrieb am 24. April 2020 auf.

Herausforderungen während des Vortriebs

Die TBM hat derzeit über 2.800 m Tunnellänge im Austin Chalk mit 12 bis 30 MPa Druckfestigkeit bei Tiefen von 31 bis 46 m unterhalb der Stadt gebohrt. „Das Material eignet sich für den Vortrieb mit einer TBM recht gut, auch wenn es einige Störungszonen gibt, die jedoch bislang in ihrer Ausprägung moderat ausgefallen sind. Die Erfahrung zeigt, dass die Formation für den Tunnelvortrieb gut geeignet ist, da sie aus weichem, nicht abrasivem Felsgestein besteht. Unser bestes 24-Stunden-Ergebnis im Vortrieb lag bei 40 bis 43 m, wir erwarten jedoch beim künftigen kleineren Durchmesser noch höhere Werte“, sagt Jencopale. Als erste Gebirgssicherung bauen die Vortriebsmannschaften Matten und Felsanker ein.

Im Verlauf können Gase auftreten, weshalb Probebohrungen während der gesamten Projektdauer verpflichtend sind. Die eingesetzte Gebirgssicherung besteht aus 4,20 m langen Fels­ankern im Abstand von 1,50 m und Matten sowie Bogenstücken, nach Bedarf. Der fertige Tunnel wird mit einer 380 mm dicken Schale aus Ortbeton ausgekleidet sein.

Auch wenn der Vortrieb bislang gut verlaufen ist, treten immer wieder Herausforderungen auf. „Der Schneidrollenverschleiß ist zwar gering, unsere größte Herausforderung ist es jedoch, das Material richtig trocken zu halten, da ein Wassertropfen genügt, um eine enorme Klebrigkeit hervorzurufen. Es ist uns zwar möglich, es trocken zu halten, dabei entsteht jedoch viel Staub. Wir nehmen ständig Anpassungen an unserer Lüftungsanlage vor, da die Staubbildung sehr problematisch ist“, so Evan Brinkerhoff, Field Service Site Manager bei Robbins.

Der Umbau zum kleineren Durchmesser

Der Umbau der TBM auf einen kleineren Durchmesser ist wahrscheinlich die grösste Aufgabe, die es für Jencopale und sein Team sorgfältig vorzubereiten und zu planen galt. Die schrittweise Umsetzung begann im Januar 2021, als die TBM die 2,8 km-Marke erreicht hatte.

„Zunächst galt es, den Zugang zum Bohrkopf zu gewährleisten“, erklärt Jencopale. „Wir wissen zwar, dass Durchmesseranpassungen schon früher durchgeführt wurden, nur wurden diese im Bereich von Schächten oder zuvor gebauten Portalen durchgeführt , wo der Transport solch großer, schwerer TBM-Teile kein Problem darstellte.“

Die Durchmesseranpassung sollte ursprünglich 30 bis 45 m jenseits der Verbindung zum Seitentunnel A durchgeführt werden. Das ist ein kleiner Tunnel entlang der Trasse und einer von insgesamt fünf Fallschächten und Seitentunneln entlang des Tunnels „Wir arbeiteten mit der Stadtverwaltung und dem Planungsingenieur zusammen, um die richtige Stelle für die Durchmesseranpassung zu finden und den gesamten Anpassungsprozess zu vereinfachen, ohne die hydraulische Konstruktion des fertiggestellten Tunnelabschnitts zu beeinflussen. Wir haben den Seitentunnel A mit etwas Mehraushub vorgetrieben, um vor dem Bohrkopf herauszukommen.“ Seitentunnel A hat 6 m Durchmesser, 90 m Länge und einen Hufeisen-Querschnitt. Er wurde mithilfe von Baggern und Hydraulikhämmern gebohrt. Der Seitentunnel ist mit Fallschacht A verbunden, der 52 m tief ist und 6 m Durchmesser aufweist. Diese Anordnung ermöglichte den Zugang für Personal und Ausrüstung und den Start des Anpassungsprozesses durch den Seitentunnel sowie den Abtransport von Teilen an die Oberfläche durch den Schacht.

Große Schwierigkeiten bereitete die Gesteinsqualität an der Umbaustelle. Die Kalksteinformation in diesem Bereich war sehr blockig und verwittert. SMJV musste eine schnelle Anpassung an die ungünstigen Gesteinsverhältnisse vornehmen, um den Umbauprozess nicht zu gefährden. Nachdem die TBM die vorgesehene Umbaustelle erreicht hatte, wurde der Vortrieb angehalten und der Umbau in Angriff genommen. „Aufgrund der Bodenbedingungen musste zuerst das große Dachschild an der Firste angebracht werden. Das war ursprünglich aufgrund der bis dato vorherrschenden Bodenbedingungen nicht vorgesehen. Mit Ingenieuren erarbeiteten wir eine Änderung der ursprünglichen Gebirgsstützung. Der verankerter Dachschildschild diente jetzt zur Gebirgsstützung und zum angemessenen Schutz für das Personal beim Zurücksetzen der TBM. Um die volle Sicherheit des Personals zu gewährleisten, setzten die Mannschaften den Einbau der ursprünglich geplanten Gebirgssicherung in jenen Bereichen fort, in denen der Dachschild keinen ausreichenden Schutz bieten konnte. Nachdem alles vollständig abgestützt war, konnten wir die TBM zurücksetzen“, führt Jencopale aus.

„Wir zogen den Bohrkopf um 1,5 bis 1,8 m zurück, brachen von dem zuvor ausgehobenen Seitentunnel aus durch und erhielten so vollen Zugang zum Bohrkopf.“

Die Mannschaft arbeite dann mit der speziellen Konstruktion der Maschine – Schalen am ganzen Umfang verteilt zur Umsetzung der Durchmesseränderung. Die Schalen des Bohrkopfträgers und der Gripperschuhe waren 75 cm dick. In den oberen 120 Grad des Tunnels war ein Dachschildschild mit größerem Durchmesser eingebaut worden, der Bohrkopf hingegen war mit Abstandhaltersegmenten versehen, um den Durchmesserunterschied auszugleichen. „Mit jedem zu entfernendem Teil mussten wir entscheiden, wie wir es handhaben und transportieren wollten.“

Danach folgte die Demontage der Bohrkopfteile. Der Bohrkopf besteht aus dem vierkantigen Hauptstück, vier Abstandhaltersegmenten und vier Viertelteilen. Diese viertelteiligen Bohrkopfsegmente wurden einzeln demontiert und auf einer Gleitplatte abgelegt, auf der sie durch den Seitentunnel zum Fallschacht befördert werden konnten. Danach wurden die Segmente zu einer Werkstatt transportiert. Dort wurden die Teile unter Zuhilfenahme einer Schablone für den kleineren Durchmesser zusammengebaut und kleinere, von Robbins entworfene Bohrgutschaufellippen montiert. „Um sicherzustellen, dass alles mit den Zeichnungen übereinstimmte, führten die Mitarbeiter von Robbins und SMJV regelmäßig Prüfungen der Bohrkopfteile durch. Nach Abschluss der Anpassung des Bohrkopfsegments in der Werkstatt wurden die Teile zurück zur Baustelle transportiert befördert und neue Schneidrollen montiert. Die großen Bohrkopfsegmente wurden auf Schienen zur TBM transportiert, und wir haben sie mithilfe einer hydraulischen Hubvorrichtung ausgerichtet und verschraubt“, so Jencopale.

Nach dem Entfernen der Abstandhaltersegmente und Füllstücke vom Bohrkopf konnte mit dem Entfernen der Schalen fortgefahren werden. Aufgrund der schwierigen Platzverhältnisse mussten die Schalen in ausreichend kleine Stücke geschnitten werden, deren Handhabung bis zum Abtransport aus dem Tunnel den Mitarbeitern keine Schwierigkeiten bereiten würde.

Der Vortrieb im größeren Durchmesser geht mittig in den kleineren Durchmesser über, sodass auch hier, am Übergangspunkt, einige besondere Schritte erforderlich waren. Während die Bohrkopfteile sich in der Werkstatt befanden, verwendeten die Mannschaften Hubgerüste zum Anheben der vier Nachläufer und montierten 75 cm hohe Abstandhalter, sodass die Nachläufer in ihrer Höhe mit der neuen Tunnelhöhe übereinstimmten. Nach der Anpassung der Nachläufer montierten die Mannschaften das Dachschild mit dem kleineren Durchmesser. Der neue Dachschildschild bestand aus einer Walzstahlplatte, geliefert von Robbins, die während des Vortriebs im größeren Durchmesser vorübergehend in der TBM gelagert worden war.

„Nach der erneuten Montage des Bohrkopfes, der Anpassung der Nachläufer, der Fertigstellung des kleineren Dachschildes und den sonstigen erforderlichen Änderungen, begannen wir langsam mit dem Vortrieb. Wir konnten den Bohrkopf etwa 1,2–1,5 m weit in den kleineren Tunnel vorschieben, wodurch es möglich wurde, die Bohrkopfträgerschalen abschließend zu entfernen. Die Schalen ließen sich sozusagen „abhäuten“ und, an den Tunnelwänden angebracht, zurücklassen, während wir mit dem Vortrieb voranschritten. Das gleiche Verfahren war bei den Gripperschalen erforderlich. Derzeit befinden sich die Gripper in dem schmaleren Tunnelabschnitt. Wir werden die Schalen in dem größeren Tunnelabschnitt belassen und werden sie gefahrlos von der Tunnelwand entfernen können, nachdem die TBM den Bereich vollständig passiert hat. Bis es so weit ist, bringen wir sie an der Tunnelwand an“, erklärt Jencopale.

Nach weiteren 6 bis 9 m Vortrieb werden die Mannschaften Anpassungen an den hinteren Stützfüßen und dem Querförderer vornehmen. Die Mannschaften müssen bei jedem Nachläufer, der in den kleineren Tunnel wechselt, die Abstandhalter entfernen. Nachdem die TBM sich 90 bis 120 m in den neuen Tunnel vorgearbeitet hat, wird das von Robbins gelieferte Tunnelförderband um eine Antriebsstation erweitert.

Ursprünglich war geplant, das Tunnelband an einen neuen Platz mit einen anderen Zugangsschacht umzusetzen. „Wir haben den Vertikalfördere ausgetauscht, uns jedoch entschieden, das komplette Tunnelband über die Dauer des Vortriebes an seinem Platz zu belassen. Die Entscheidung erfolgte aufgrund der Tatsache, dass wir es beim Vortrieb im grossen Tunneldurchmesser mit signifikanten Aushubmengen zu tun hatten und es dabei niemals Probleme mit der Abförderung gab. Wir konnten während dieses Vortriebes die anfänglichen Probleme mit dem Vertikalförderer lösen. Deshalb sahen wir an dieser Stelle alle keinen Grund, eine gute Aufstellung zu verändern.“

Geplanter Projektabschluss im Jahr 2024

Der gesamte Umbauprozess hat 3–4 Monate in Anspruch genommen, und die bisherigen Verzögerungen haben zu keiner Überschreitung der veranschlagten Projektdauer geführt. Jencopale und das Team von SMJV sehen einem Projektabschluss im Jahr 2024 entgegen. Mit Blick auf den Baugrund wird angenommen, dass dieser über die verbleibenden 5180 Tunnelmeter dem bisherigen ähneln wird „Es war eine tolle Zusammenarbeit mit dem Robbins Field Service“, sagt Jencopale. „Der Robbins-Vertreter vor Ort hat uns mit seinem Fachwissen geholfen, potenzielle Probleme, die wir beim Vortrieb mit der TBM erfahren könnten, zu erkennen und durch entsprechende Änderung unserer Pläne Erleichterung zu schaffen.“

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