TBM-Technologie

Maschinentechnische Neuerungen bei Mixschild- und EPB-Technik für 2 Großprojekte in Skandinavien

Im Fokus des Beitrags, der anlässlich der STUVA-Tagung 2009 in Hamburg präsentiert wurde, stehen maschinentechnische Neuerungen im Bereich der Mixschild- und
EPB-Technik. Vorgestellt werden die Neuerungen am Beispiel zweier Großprojekte in Skandinavien, die auf den jeweiligen Projektanforderungen und Vortriebserfahrungen basieren und nun als Stand der Technik einzustufen sind.

In der Entwicklung der maschinellen Tunnelvortriebstechnik haben sich in den vergangenen Jahren 2 Tendenzen herausgebildet: Zum einen sind die Anforderungen an die Ma-schinentechnik signifikant gestiegen. Zum anderen sind in den Projekten immer komplexere baugrundtechnische und logistische Herausforderungen zu bewältigen.
Die Baugrundverhältnisse sowie vor allem lange Tunneltrassen bei großen Tunnelquerschnitten und zunehmend auch höhere Grundwasserdrücke definieren grundsätzlich die Realisierbarkeit maschineller Tunnelvortriebe. Erfordernisse über Tage (dichte innerstädtische Bebauung, beengte Platz-verhältnisse an Start- und Zielschacht) bestimmen bei immer mehr Projekten die Auslegung von Vortriebsanlagen und stellen Herausforderungen an die Baustellenlogistik.
Die zukunftsweisenden Infrastrukturprojekte verlangen nach einer ausgereiften und stets an die wachsenden Erfordernisse angepassten Maschinentechnik. So finden z.B. die Mixschilde sowohl in ihrer klassischen Betriebsart als Schild mit flüssigkeitsgestützter Ortsbrust, als auch als Schild mit wechselnder Betriebsart, ein breiter werdendes Anwendungsgebiet. Dieser Maschinentyp erweist sich aufgrund seines Maschinenkonzepts als Generalist für Projekte mit hohen Anforderungen. Hierzu parallel haben auch die Erdruckschilde durch den Einsatz der Schaumkonditionierung eine Erweiterung ihres Einsatzbereichs erfahren und damit nach Projekterfolgen in Fernost auch in Europa eine erhebliche Verbreitung gefunden. Gegenwärtig werden Erddruckschilde auch bei heterogenen Baugrundverhältnissen (Locker- und Festgestein) eingesetzt.

Infrastrukturprojekte in Skandinavien
In Skandinavien sind derzeit 2 der größten Infrastrukturprojekte im Bau. Es handelt sich hierbei um den Citytunnel Malmö und den Eisenbahntunnel Hallandsas in Schweden.
Der Citytunnel Malmö ist ein Eisenbahninfrastrukturprojekt, mit dem neben der verbesserten Anbindung des schwedischen Eisenbahnnetzes an das gesamteuropäische Hochgeschwindigkeitsnetz auch eine bessere Anbindung von Malmö an die Öresundbrücke und damit an die Metropolregion Kopenhagen geschaffen wird. Das Citytunnel-Projekt umfasst eine 17 km lange Eisenbahnstrecke, wovon zwei 4,6 km lange eingleisige Tunnelröhren im Rahmen des größten Bauloses E201 dieses Projektes mit maschineller Tunnelvortriebstechnik aufgefahren wurden.
Für den Eisenbahntunnel Hallandsas an der Westküste Schwedens werden 2 parallele Röhren von 8,6 km aufgefahren. Der Tunnel ist Teil der Verbindungsstrecke Malmö– Göteborg, die zur Hochgeschwindigkeitsstrecke ausgebaut werden soll. Im Einsatz hierfür ist ein Mixschild, das vom offenen Hartgesteinsmodus ohne Druck auf einen geschlossenen flüssigkeitsgestützten Modus umgestellt werden kann.
Die für diese beiden Großprojekte zum Einsatz kommende Maschinentechnik muss komplexen baugrundtechnischen und logistischen Herausforderungen gerecht werden. Entsprechend wurden bzw. werden die Tunnelvortriebsanlagen einem ständigen Optimierungsprozess unterzogen, um auch zukünftige Bauvorhaben mit projektspezifisch angepasster Maschinentechnik sicher und effizient bewältigen zu können.

Citytunnel Malmö
Der zweiröhrige Citytunnel Malmö hat eine Gesamtlänge von rd. 6  km und verbindet die Eisenbahntrasse aus Dänemark über die Öresundbrücke kommend mit dem Hauptbahnhof der Stadt Malmö und dem skandinavischen Eisenbahnnetz. Das Gesamtprojekt besteht aus 4 Einzellosen E 101, E 201, E 301 und E 302. Im Rahmen des größten Bauloses E 201 des Projektes Citytunnel Malmö wurden 2 parallele eingleisige Tunnelröhren von 4,6  km Länge mit 2 Tunnelbohrmaschinen aufgefahren.
Der Auftrag für die Planung und Ausführung des Bauloses E 201 wurde im Jahr 2004 an die Arbeitsgemeinschaft „Malmö Citytunnel Group“ (MCG) unter der Federführung des deutschen Unternehmens Bilfinger Berger AG, Mannheim und 2 dänischen Firmen, Per Aarsleff A/S und E. Phil & Son A.S. erteilt.
Die beiden 4,6  km langen Tunnelröhren im Schildvortrieb mit Tübbingausbau haben einen Innendurchmesser von 7,90  m. Der Abstand zwischen den Röhren variiert zwischen 10 und 30  m. Des Weiteren beinhaltet der Auftrag für das Teil-Los E 201 eine 390  m lange Rampe, einen 360  m langen Cut-and-Cover-Tunnel, den Bahnhof „Triangeln“ (280  m), 4 Druckausgleichschächte und 2 Notausstiegschächte sowie 13 Querschläge.
Im Besonderen wird auf den Bau der mit maschineller Tunnelvortriebstechnik erstellten parallelen Tunnelröhren eingegangen.
Die Röhren wurden in einer Tiefe von etwa 20 bis 25  m aufgefahren. Die anstehenden For-mationen umfassen eine 6 bis 12  m dicke quartäre Deckschicht auf einem ca. 60  m mächtigen Schichtpaket aus tertiären Kalken. Diese weisen stark unterschiedliche Festigkeiten auf. Der Grenzbereich zwischen Deckschicht und dem Fels wurde als angewittert und somit stark Wasser führend charakterisiert.
Eingesetzt wurden 2 auf die Geologie abgestimmte baugleiche, je 120  m lange Erddruck-schilde mit einem Durchmesser von 8,89  m. Die Maschinen waren auf die in Malmö anstehenden Grundwasserdrücke von bis zu 2,0  bar ausgelegt. Ende November 2006 startete der erste Schild von der Station „Holma“ bei km 5+320 zum Ziel „Malmö C“ bei km 0+448; der zweite Erddruckschild nahm den Vortrieb im Januar 2007 auf.
Das Schneidrad wurde an die zu erwartenden geologischen Bedingungen angepasst und mit einem elektrischen Antrieb ausgestattet. Es war mit 124 Schälmessern, 46 Einfach-disken (17˝), 4 Doppeldisken (17˝) und 16 Räumern bestückt. Alle Werkzeuge sind von der Rückseite des Schneidrades aus sicher und effizient wechselbar.
Nach einem Vortrieb von 2,7  km bis zur Station Triangeln erreichte die erste Maschine nach 9 Monaten ihr erstes Etappenziel. In der Station „Triangeln“ wurde die Maschine durch die 280  m lange Station gezogen und dort überholt, um die restlichen 1,9  km in Richtung Zielschacht „Malmö C“ (Malmö Central, Hauptbahnhof) aufzufahren. Im März bzw. April 2008 erreichten beide Maschinen ihr Ziel „Malmö C“ mit Vortriebsleistungen von bis zu 239 m pro Woche (Bild 1).
Der Tunnel mit einem Innendurchmesser von 7,90  m wurde mit wasserdichten Stahlbetontübbingen ausgekleidet. Zur Ausführung kam ein Uni-Ring mit glatter Ringfuge und Führungsstangen in den Längsfugen. Zwischenlagen in den ebenen Ringfugen und Tübbingverschraubung in den Längsfugen wurden außer am Schlussstein nicht vorgesehen. Pro Tübbingring von 1,8  m Länge wurden 7+1 Elemente zu einem Ring zusammengesetzt. Die Tübbinge haben ein Gewicht von 5 bis 6  t, der Schlussstein wiegt 1 t.
Die Tübbingfabrikationsanla-ge wurde in Holma, gegenüber des Tunnelportals, eingerichtet.
Die für die in Summe 4,6  km langen doppelröhrigen Tunnel erforderlichen insgesamt 13 Querschläge wurden bei laufendem TBM-Vortrieb realisiert. Im hinteren Bereich des Nachläufers werden Sohlsegmente eingebaut, die einen zweigleisigen Betrieb im Tunnel ermöglichen. Während des Vor-triebs besteht somit die Mög-lichkeit, die Querschläge zur Verbindung der beiden Tunnel-röhren zu erstellen. Die Abmessungen der Elemente ermöglichten dem mittig fixierten Streckengleis auch die Aufnah-me eines örtlich benötigten Aus-weichgleises. Dies konnte höhengleich verschwenkt werden.
Die Andienung der Maschine mit Tübbingen und Vortriebsmaterial sowie der Personentransport wurden über das Gleis organisiert.

Hallandsas-Eisenbahntunnel
An der schwedischen West-küste wird derzeit die Zugver-bindung von Malmö nach Göteborg zu einer Hochgeschwindigkeitsstrecke ausgebaut. Der Abschluss und die Inbetriebnahme der neuen zweigleisigen Bahnverbindung für Hochgeschwindigkeitszüge wird die Fahrzeit zwischen den beiden Städten um 2 Stunden verkürzen. Darüber hinaus steigt die Gesamtkapazität der Bahnver-bindung von 4 Zügen pro Stunde auf 24 Züge pro Stunde.
Eine Herausforderung entlang dieser Strecke stellt die Querung des Hallandsas-Höhen-zugs südlich von Bastad dar, für die ein umbaubares Mixschild mit einem Durchmesser von 10,6 m im Einsatz ist.
Erste Versuche, den Tunnel bergmännisch aufzufahren, scheiterten Mitte der 1990er Jahre an schwer zu beherrschenden geologischen Bedingungen wie hohen Wasserdrücken bzw. Zuflussmengen und teils stark zerklüftetem Gebirge.
Das Projekt wurde erneut ausgeschrieben mit der Forde-rung nach einem Innendurch-messer des Tunnels von 9,4  m bei einer Tunnellänge von 5,5  km und dem bevorzugten Einsatz maschineller Tunnelvor-triebstechnik. Aufgrund der vorangegangenen gescheiterten Versuche wurden strikte Um-weltauflagen insbesondere bezüglich des Grundwassers gemacht.
Bauherr des Projektes ist das Schwedische Zentralamt für Eisenbahnwesen (Banverket). Der Zuschlag für die Realisierung des Bauvorhabens ging an das schwedisch-französische Konsortium Skanska-Vinci.
Die anstehenden geologischen Formationen entlang der geplanten Tunneltrasse bestehen hauptsächlich aus Gneis mit Einschlüssen von Amphibolit. Die einaxialen Druckfestigkeiten des frisch anstehenden Felses können bis zu 250  MPa erreichen; der Cerchar Abrasivitätsindex (CAI) liegt im Allgemeinen über 4,5, wobei Werte von bis zu 5,9 gemessen wurden. Die Gesteine werden somit als sehr abrasiv klassifiziert.
Der Grundwasserdruck auf Tunnelniveau erreicht 13  bar. Entsprechend ergeben sich die größten Herausforderungen im maschinellen Vortrieb beim Projekt Hallandsas in Bezug auf erwartete hohe Wasserzuflüsse und auf eine gleichzeitig strik-
te gesetzliche Limitierung der zulässigen Entnahmemengen. Ebenso wurde das Antreffen von begrenzten Störzonen mit Lockergestein und ähnlichem Verhalten nicht ausgeschlossen.
Vor diesem Hintergrund wurden erste konzeptionelle Entwicklungen bei Herrenknecht auf Basis der Hauptan-forderungen im Jahre 1999/ 2000 vorgenommen. Das Pro-jekt befand sich zu diesem Zeitpunkt noch in der Vor-Ausschreibungsphase. Die Tech-nik musste auf folgende Anfor-derungen angepasst werden:
– Abbau von harten und abrasiven Felsformationen
– Abbau von weichem Boden oder gemischten Ortsbrustver-hältnissen
– Gefahr des Eindringens gro-ßer Wassermengen entlang der gesamten Tunnellänge
– Mehr als 10  bar statischer Wasserdruck entlang des überwiegenden Anteils der Tunnel-trasse
– Strikte (gesetzliche) Umwelt-auflagen hinsichtlich der Was-serzuflussmenge
– Strikte Umweltauflagen und Genehmigungsverfahren für die verwendeten Materialien und Methoden.
Sehr schnell wurde deutlich, dass im Falle einer mechanisierten Tunnelvortriebslösung nur eine Schildmaschine mit abgedichteter Tunnelauskleidung (Tübbinge) diese Anforderungen vollständig erfüllen könnte. Die TBM sollte in einem offenen und auch geschlossenen Vortriebsmodus betrieben werden können, um die ungünstigsten geologischen und bautechnischen Bedingungen, wie maximale Wasserdrücke und komplexe Gebirgsbedingungen, sicher beherrschen zu können. Der flüssigkeitsgestützte Modus stellte somit die einzig mögliche Option für den geschlossenen Modus dar.
Im Januar 2004 erhielt Herrenknecht den Auftrag, eine Tunnelvortriebsmaschine entsprechend den Anforderungen zu liefern (Tabelle). Unter Be-rücksichtigung der Tatsache, dass der Abbau im geschlossenen Modus unter hohem Druck bei hartem Fels und gemischten Bedingungen an der Ortsbrust den schwierigsten Betriebsmodus darstellt, sollten umfangreiche Möglichkeiten für baugrundstabilisierende Maßnahmen vom Inneren der Maschine aus integriert werden, um den Betrieb im offenen Modus zu unterstützen. Für ein solches Konzept eines Dualmo-dus-Mixschilds für Hartgestein stehen folgende Betriebsmodi zur Verfügung (Bild 2):
– Offener Modus mit trockenem, primärem Materialaustrag (TBM-Förderband)
– Offener Modus mit (zyklischen) baugrundstabilisierenden Maßnahmen (Vorausinjektionen)
– Offener Modus mit (zyk-lischen) baugrundstabilisierenden Maßnahmen unter geschlossenen statischen Bedingungen
– Geschlossener Modus mit hydraulischem (Slurry-)Fördersystem bei reduziertem Druck an der Ortsbrust
– Geschlossener Modus bei vollem Druck an der Ortsbrust und der Möglichkeit der aktiven Ortsbruststützung.
Für die im Projekt Hallandsas eingesetzte Tunnelvortriebsma-schine war als Anforderung festgelegt, dass sie mit einem Stützdruck von 13  bar betrieben werden kann und dass Kammereinstiege unter hohen Druckverhältnissen mit Sätti-gungstauchen möglich sind. Die Maschine ist somit vollwertig ausgerüstet für den Abbau im offenen Hartgesteinsmodus mit einer Einfachschild-TBM sowie für den Abbau im Slurry-Betrieb im geschlossenen Modus mit aktiver Ortsbruststützung bis zu einem maximalen dynami-schen Druck von 13 bar (Bild 3).
Das Hallandsas-Tunnelprojekt mit seiner inzwischen mehr als 15-jährigen Geschichte stellt eines der anspruchsvollsten Tunnelprojekte dar, die sich zurzeit im Bau befinden. Bis Mitte 2009 haben die Teams des Baukonsortiums mehr als 4300  m in schwierigen wasserführenden Felsformationen mit einem umstellbaren Mixschild für Hartgestein abgebaut und einen trockenen, mit Tübbingen ausgekleideten Tunnel produziert. Es traten keine weiteren Umweltprobleme auf und die Akzeptanz in der Öffentlichkeit für das Bauwerk konnte in hohem Maße wiederhergestellt werden. Eine Grundlage für den Erfolg in diesem Projekt stellt eine enge und fokussierte Partnerschaft und Zusammenarbeit aller beteiligten Parteien, des Bauherren, des Auftragneh-mers und des Maschinenlieferanten dar.

Schlussfolgerung
Die beiden Großprojekte in Schweden heben deutlich die Ansprüche der Tunnelprojekte von heute hervor. Dies bezieht sich insbesondere auf die Herausforderungen bezüglich der eingesetzten Tunnelvor-triebstechnik – abgestimmt auf die komplexen geologischen Baugrundbedingungen – sowie die Projektausführung.
Die beschriebenen Maschinentypen verfügen über Inno-vationspotenzial, was ihre geologische und hydrologische Anwendungsbandbreite betrifft. Die Bewältigung höchst anspruchsvoller Bedingungen für Lockergesteinsvortriebe und im Hartgestein mit blockigen Ortsbrustverhältnissen, Gestein hoher Druckfestigkeit und Verschleißintensität sowie hohen Grundwasserzuflüssen und hohen Wasserdrücken erfordern ein gezielt auf die Baugrundverhältnisse abgestimmtes Maschinendesign.
Die in den genannten Pro-jekten eingesetzten Maschinen werden den an den maschinellen Vortrieb gestellten An-forderungen gerecht und sind Ausdruck des heute erreichten hohen Innovationsstandards. Mit den dargestellten Vortriebserfahrungen werden für zukünftig folgende maschinelle Tunnelvortriebe wertvolle Im-pulse gegeben und umfangreiche Detailoptimierungen beschrieben, die für die Konstruktion, die weitere Entwicklung, den Bau und für die noch ausstehenden Tunnelvortriebe richtungsweisend sind.

Literatur
[1] Burger, Werner; Dudouit Francois, The Hallandsas Dual Mode TBM, RETC 2009 (Rapid Excavation and Tunnelling Conference), Las Vegas, June 2009.

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