Höhlen im Untergrund: Erfolgreicher TBM- Vortrieb im Karst für den Tunnel Galerie des Janots

Im April 2019 wurden eine offene Main-Beam-TBM, Bohrdurchmesser 3,5 m, und ihre Mannschaft beim Vortrieb für den Tunnel Galerie des Janots im französischen La Ciotat durchschlägig. Der 2,8 km lange Tunnel wurde durch Kalkstein, bekannt für Vorkommen an Grundwasser, Karstelementen und Hohlräumen, gebohrt. Seine Fertigstellung nahm aufgrund verschiedener Herausforderungen zwei Jahre in Anspruch – darunter zwei bis dato unbekannte Höhlen, von denen die größere eindrucksvolle 8000 m3 Volumen aufwies (Bild 1).

Modernisierung der Wasserversorgung

Der Tunnel Galerie des Janots ist eines von insgesamt 14 Vorhaben der Metropole Aix-Marseille-Provence, der Wasseragentur Rhône Méditerranée Corse und der französischen Staatsregierung, mit denen das Ziel verfolgt wird, Wasser einzusparen und natürliche Ressourcen zu schützen. Die Galerie des Janots wird in den Gemeinden östlich der Metropole Aix-Marseille-Provence (Cassis, Roquefort-la-Bédoule, La Ciotat und Ceyreste) zur Verbesserung der Wasserversorgung beitragen. Die künftige Pipeline wird die derzeit vorhandenen Pipelines ersetzen, die durch einen Eisenbahntunnel verlaufen und deutliche Defizite in Bezug auf Sicherheit und Schadenanfälligkeit aufweisen, was zu geschätzten Wasserverlusten in Höhe von 500 000 m3 pro Jahr führt. Die derzeit vorhandenen Rohre sind in ihrer Kapazität auf 330 Liter pro Sekunde begrenzt, was in den Sommermonaten bei Weitem nicht ausreichend ist. Ziel des Vorhabens ist eine Steigerung der Kapazität auf 440 Liter pro Sekunde. Laut Danielle Milon, der Bürgermeisterin von Cassis, handelt es sich um „eine Investition über 55 Millionen Euro mit 11 Millionen an Finanzhilfen von der Wasseragentur. Dieses Projekt erforderte 10 Jahre an gründlicher Überlegung und Arbeit, damit die Wasserversorgung verbessert werden konnte. Und Wasser ist für die Entwicklung unserer Gemeinden und das Wohlbefinden der Bürger von äußerster Wichtigkeit.“

Der Tunnel verläuft zwischen 15 und 180 m unterhalb des Nationalparks Calanques. Geotechnische Studien der Gegend zeigten Vorkommen von Kalkstein mit leeren und gefüllten Karsthöhlen.

 

Start auf begrenztem Raum

Die Robbins-TBM mit 3,5 m Durchmesser wurde auf den Namen „Augustine“ getauft und am 3. März 2017 in Betrieb genommen. Sie wurde während ihrer Grundüberholung für das Projekt Galerie des Janots im französischen La Ciotat umfassend modernisiert und mit neuen Funktionen ausgestattet. Mit einem Gewicht von 250 t und einer Länge von 135 m passten die TBM und das Backup-System jedoch nicht auf das Baufeld neben den angrenzenden Wohn- und anderen Gebäude (Bild 2). Andy Birch, Field Service Supervisor bei Robbins, der dem Unternehmen Eiffage während des TBM-Aufbaus assistierte, erklärt hierzu: „Im Startbereich wurde nur wenig Fläche für Arbeiten und Lagerung ausgewiesen, es standen uns nur die 25 m vor dem Portal für den Aufbau zur Verfügung, exakt die Länge, die die TBM vom Kopf bis zu ihrer hinteren Abstützung misst. Entscheidend war daher, die in mehreren Schüben gelieferten Maschinenteile rechtzeitig vor der jeweils nächsten Lieferung zu montieren. Wir machten das in zwei Schritten. Zuerst bauten wir die TBM und fünf Decks des Backup-Systems auf, danach die verbleibenden Decks.“ Nachdem der Aufbau beendet war, erfolgte der Maschinenstart. Ab dann arbeitete die Mannschaft im 24 Stunden-pro-Tag Rhythmus im Tunnelvortrieb und der Wartung.

 

Vortrieb in schwierigem Baugrund

Zum Zeitpunkt des Maschinenstarts war die Mannschaft optimistisch mit Blick auf die Hindernisse, die der Karstkalkstein bereiten würde. „Kalkstein lässt sich leicht bohren, aber man muss darauf gefasst sein, Karst anzutreffen“, so Loïc Thévenot, Direktor für Tiefbau bei Eiffage, bei Vortriebsaufnahme. „Aus diesem Grund ist die Tunnelbohrmaschine mit einem Vorbohrgerät ausgestattet. Kleine Karsthohlräume verfüllen wir mit Beton, bei großen planen wir den Vortrieb eines kleinen Seitenstollens.

Um die vor der TBM liegenden Hohlräume noch näher bestimmen zu können, installierte die Mannschaft ein geotechnisches BEAM-System (Bore-Tunneling Electrical Ahead Monitoring). BEAM ist ein Vorauserkundungssystem für den Untertagebau, das per fokussierter elektrisch induzierter Polarisation vor der TBM liegende Anomalien erkennt.

Allen Vorbereitungen zum Trotz war der Untergrund auf den ersten 1000 m des Vortriebs besonders schwierig. Die Mannschaft stieß auf Kalkstein mit Lockergesteinen, der in Verbindung mit Grundwasser zum Hindernis wurde. Dazu Andy Birch: „In einigen Bereichen stießen wir auf wasserhaltiges Gestein, das aus dem Material einen klebrigen Lehm machte. Dadurch blockierte der Bohrkopf, wenn auch zum Glück nicht über eine längere Strecke. Wir konnten die Blockade des Bohrkopfs mithilfe eines Lehmspatens und einer Schaufel manuell beheben.“ Die Mannschaft konnte das Auftreten von blockigem Gebirge an den Drehmomentspitzen im Bohrkopfantrieb und am reduzierten Bohrgutaustrag auf dem Förderband ablesen. „Um der Bildung klebrigen Lehms entgegenzuwirken verringerten wir die Menge des durch den Bohrkopf versprühten Wassers“, so Birch weiter.

Der Robbins Field Service stand auf der Baustelle mit Ratschlägen und Unterstützung bei technischen Problemen wie auch zu den Funktionen der TBM sowie zur Wartung und zur Vorgehensweise für effizienten Vortrieb zur Seite. Lehm und weiches Gestein erforderten Gebirgssicherung, u. a. mit Injektionsankern und Ausbaubögen in sehr schlechtem Gebirge, ergänzt um Ausbaumatten und einer 10–15 cm dicken Spritzbetonlage (Bild 3). Man stieß auf einige kleinere Karsthohlräume – sowohl leere als auch gefüllte – die, soweit notwendig, entleert und mit Mörtel oder Schaum verfüllt wurden (Bild 4).

 

Entdeckung der ersten Höhle

Nach 1035 m stieß die Mannschaft auf eine Höhle links der TBM. Der Schild hatte die Höhle gestreift und dadurch offengelegt. Sie besaß ein Volumen von 8000 m3 und enthielt zahlreiche Stalaktiten und Stalagmiten (siehe Bild 1). Die Mannschaft taufte die Höhle nach der auf der Baustelle tätigen Geologin „Grotte Marie Lesimple“.

„Wir waren an ihren Rand gestoßen. Um sie zu queren, mussten wir eine 4 m hohe Mauer aus Beton errichten, damit die TBM einen Gegenhalt bekam“, erklärt Marc Dhiersat, Eiffage-Bauleiter beim Bau der Galerie des Janots (Bild 5). Durch eine kleine Zugangstür gelangt man in das Innere des Hohlraums, der sich 60 m unter der Oberfläche auf natürliche Weise ausgebildet hatte. Die TBM wurde wieder angefahren und konnte mit acht Vortriebshüben und ohne signifikante Verzögerungen erfolgreich aus dem Hohlraum herausnavigiert werden. Der Vorgang nahm insgesamt etwa zwei Wochen in Anspruch.

„Es ist durchaus ungewöhnlich, auf einen Hohlraum dieser Größe und Bedeutung zu stoßen. Dies hängt gewissermaßen mit der Geologie zusammen, mit den karstigen und vulkanischen Formationen, bei denen Hohlräume im Untergrund am wahrscheinlichsten sind“, so Detlef Jordan, Sales Manager Europe bei Robbins. Karsthohlräume waren zwar ein bekanntes Risiko während des Vortriebs, dieser Hohlraum tauchte jedoch in den Berichten zu den vertikalen Bohrlöchern oder bei der geophysikalischen Untersuchung, die von der Oberfläche aus entlang der Trasse durchgeführt worden war, nicht auf.

 

Eine zweite Höhle unterhalb der Vortriebsstrecke

Nach Passieren der Höhle stabilisierte sich der Untergrund. Die Maschine erreichte eine durchschnittliche Vortriebsrate von 20 m bis 22 m pro Tag bei zwei Arbeitsschichten, wobei die Nachtschicht für Wartungsaufgaben genutzt wurde. Die Mannschaften machten an fünf Tagen in der Woche Vortrieb und kamen dabei auf über 400 m pro Monat. Diese Leistung konnte bis zur Marke von 2157 m gehalten werden, als die Maschine die Spitze einer weiteren unbekannten Höhle touchierte, die sich unterhalb des Tunnelpfades erstreckte. Sie war 22 m lang, 15 m breit und 14 m tief – ein Volumen von 4500 m3 (Bild 6).

Die Mannschaften führten zuerst Sondierungsbohrungen vor dem Bohrkopf durch und gingen danach dazu über, den Hohlraum mit Schaum und Beton zu stabilisieren und zu sichern. Parallel wurde der Vortrieb eines Umgehungsstollens in Angriff genommen. „Nach dem Verfüllen eines großen Teils der Höhle – etwa 1500 m3 – war der fehlende Halt der Maschine unser größtes Problem: Wir benötigten sechs Umgehungsstollen und vier Monate Arbeit, um diese Herausforderung zu meistern“, sagt Dhiersat. Auf den letzten 600 m Vortrieb „hatten wir endlich besseres Gestein erreicht“, wie Dhiersat betont. Mit zwei täglichen Vortriebsschichten wurden Vortriebsraten von durchschnittlich 18 m sowie maximal 25 m pro Tag erreicht.

„Die Zusammenarbeit mit Marc und seinem Team vor Ort war sehr gut und stets von deren Professionalität und vollstem Einsatz für das Projekt und die Aufgabe gekennzeichnet. Das war ohne Zweifel von höchster Bedeutung für unseren gemeinsamen Erfolg“, sagt Jordan. „Für uns war es sehr befriedigend und motivierend, zu sehen, dass die Zusammenarbeit und die gemeinsame Anstrengung aller Projektpartner in der Tat zu den besten und erfolgreichsten Ergebnissen führen. Dieses Bekenntnis ist seit Jahrzehnten Grundlage für den Erfolg in der Tunnelbaubranche, wurde aber bei anderen Projekten in jüngster Zeit nicht immer gepflegt.“

Und obwohl der Bau der Galerie des Janots voller Hindernisse steckte, waren die dabei gemachten Erfahrungen von unschätzbarem Wert. Die Mannschaft konnte Probleme während des Vortriebs mit der TBM rechtzeitig erkennen, ohne Gefahr lösen und die Methoden zur Navigation einer TBM durch Hohlräume und Karste erfolgreich in der Praxis umsetzen, sodass die Arbeit weitergehen konnte. „Wir sind stolz darauf, ein motiviertes und gewissenhaftes Team bis zum Ende des Tunnels geführt zu haben, das trotz zahlreicher technischer Schwierigkeiten gute und unfallfreie Arbeit geleistet hat“, so Dhiersat.

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