Maschineller Tunnelbau im Schildvortrieb

Bernhard Maidl, Martin Herrenknecht, Ulrich Maidl, Gerhard Wehrmeyer

• Verlag: Ernst & Sohn
• Jahr: 2013
• ISBN drucken: 9783433029480
• eBook-ISBN: 9783433603017
• Auflage: 2
• Thema: Technik & Maschinenbau
• Thema: Bauingenieurwesen

Das Buch stellt den neuesten Stand der Technik des maschinellen Schildvortriebes und die unterschiedlichen Maschinenarten vor und gibt Berechnungsansätze und Konstruktionshinweise. Weitere Kapitel befassen sich mit den Abbauwerkzeugen, den Fördereinrichtungen, der Tunnelsicherung, der Vermessung und Steuerung sowie der Arbeitssicherheit. Ferner wird ausführlich auf die vertraglichen Aspekte und das Prozess-Controlling eingegangen.

1

Einführung

Der bergmännische Bau von unterirdischen Anlagen hat sich in den letzten Jahren weiter etabliert. Er ermöglicht es, Bauwerke unter Tage mit äußerst geringer Beeinträchtigung oberirdischer Bebauung oder Verkehrsströme zu erstellen. Speziell in Innenstadtbereichen mit sensibler Infrastruktur und hohen Auslastungsgraden besteht ein enormer Bedarf an bergmännisch erstellten Bauwerken.

Die auf diese Weise geschaffenen Hohlräume werden bislang vorwiegend für die Aufnahme unterirdischer Verkehrsanlagen genutzt. Genauso sind aber auch andere Nutzungen gegeben, wie z. B. Anlagen zur Energiegewinnung, Lager- und Sicherheitsräume, Leitungsgänge und nicht zuletzt unterirdische Urbanisationen. Besonders in Japan liegen wegen des dort stark eingeschränkten Raumangebotes weitreichende Konzepte und Erfahrungen vor (Bild 1-1).

Bild 1-1 Japanische Konzeption für die Nutzung des unterirdischen Raums in einem Stadtgebiet [155]

Speziell auf dem Gebiet des Schildvortriebs war in den letzten Jahren die Vorreiterrolle von Japan unverkennbar. Aber auch in Deutschland und Europa ist der Entwicklungsstand dieser Bauverfahren auf einem hohen und international beachteten Niveau. Die Schildbauverfahren ermöglichen die bergmännische Erstellung von langgestreckten unterirdischen Bauwerken auch bei kleinen Überdeckungshöhen, in wenig tragfähigen Bodenarten und im Grundwasser, ohne Störungen an der Oberfläche oder Setzungen von größerem Ausmaß zu verursachen. Anwendungen in stark gebrächem oder stark druckhaftem Gebirge, wie rolligem Lockergestein, sind ebenso möglich wie in weich-plastischen oder schwimmenden Böden. Aber auch in vorübergehend standfesten Gebirgen, in denen der Schild nur als Kopfschutz dient, erfolgten effiziente Einsätze. Schilde haben also ein breites Anwendungsspektrum.

Die Schildbauverfahren können und sollen andere Vortriebsmethoden nicht grundsätzlich ersetzen. Jedoch können sie bei ungünstigen Gebirgsverhältnissen, langen Baulosen, hoher benötigter Auffahrleistung oder strengen Anforderungen an die Oberflächensetzungen eine technisch sinnvolle und auch wirtschaftliche Alternative zu anderen Tunnelbaumethoden darstellen. Im Folgenden werden die wichtigsten Vor- und Nachteile zusammengefasst.

Vorteile:

– Möglichkeit von Mechanisierung und hoher Vortriebsgeschwindigkeit,

– Profilgenauigkeit,

– kleinstmögliche Beeinflussung vorhandener Bebauung,

– große Sicherheit für die Belegschaft,

– umweltfreundliche Bauweise, Erhöhung des Grundwasserspiegels, wenig Lärm,

– Möglichkeit einer qualitativ hochwertigen und wirtschaftlichen Auskleidung.

Nachteile:

– lange Vorlaufzeiten für die Planung, Produktion und Montage des Schildes,

– lange Einarbeitungszeiten,

– aufwendige und kostenintensive Baustelleneinrichtung, gegebenenfalls Separieranlagen, nur bei längeren Tunneln wirtschaftliche Abschreibung,

– Leistungsrisiko bei wechselndem Boden,

– in der Regel festgelegter Kreisquerschnitt mit nur geringen Variationsmöglichkeiten,

– hoher Aufwand bei Änderungen der Querschnittsgeometrie, wie z. B. Aufweitungen,

– in der Regel Erfordernis zusätzlicher Bemessung der Auskleidung für die Vortriebskräfte.

Ein sinnvoller Einsatz ist nur dann gegeben, wenn die Vorteile konsequent genutzt und die Nachteile so weit wie möglich in die Planung einbezogen werden. Es hat sich gezeigt, dass ein Schild in kleineren Durchmesserbereichen in der Regel ab Auffahrlängen von etwa 2.000 Metern mit anderen Vortriebsmethoden konkurrieren kann. Darüber sind durchaus wirtschaftliche Lösungen mit dem Schildbauverfahren möglich, die in vielen Fällen sogar kostengünstiger sein können als in offener oder konventioneller Bauweise erstellte Tunnelstrecken.

Für den erfolgreichen Einsatz eines Schildes bedarf es immer einer sorgfältigen Planung des Gerätes, der Auskleidung und der Logistik. Erfahrung und Know-how sind für eine technisch sinnvolle und zugleich wirtschaftliche Konzeption unbedingt erforderlich. Nach [235] begegnet man viel zu häufig von den Schildbauverfahren enttäuschten Bauherren, die einem für ihre Gebirgsverhältnisse falschen Geräte- bzw. Konstruktionskonzept den Vorzug gaben und nachfolgend mit nicht akzeptierbaren Oberflächensetzungen, unerwartet niedriger Auffahrleistung, Abplatzungen und Brüchen in der Auskleidung, mit Wasserzutritt oder anderen Mängeln konfrontiert wurden. Für den Auftraggeber kann nur der in der versprochenen Zeit, in guter Qualität und Wirtschaftlichkeit, unter möglichst geringer Beeinflussung der Umwelt erstellte Tunnel von Interesse sein. Auf diese selbstverständlichen Anliegen müssen die Konstrukteure von Schildausrüstungen Rücksicht nehmen. Es gilt, die maschinenbautechnischen Belange mit denen des Tunnelbauwerks selbst effektiv zu verknüpfen. Ein ständiger Erfahrungsaustausch zwischen Maschinenbau- und Bauingenieuren ist unabdingbar, wobei die jeweiligen Baustellenerfahrungen konsequent auszuwerten sind.

1.1 Grundprinzip und Begriffe

Das Grundprinzip eines Schildes besteht darin, dass eine im Allgemeinen zylindrische Stahlkonstruktion in der Tunnelachse vorgeschoben wird und gleichzeitig der Ausbruch des Gebirges erfolgt. Die Stahlkonstruktion sichert so lange den Ausbruchhohlraum, bis an ihrem Ende die vorläufige oder die endgültige Tunnelsicherung eingebaut ist. Der Schild muss dabei dem Druck des umgebenden Gebirges widerstehen und, soweit vorhanden, anstehendes Grundwasser zurückhalten.

Während der Hohlraum entlang der Tunnellaibung durch den Schildmantel selbst gesichert ist, sind an der Ortsbrust in Abhängigkeit von den anzutreffenden Boden- und Grundwasserverhältnissen zusätzliche Sicherungsmaßnahmen erforderlich. In Bild 1-2 sind fünf unterschiedliche Methoden zur Stabilisierung der Ortsbrust dargestellt, die in Kapitel 2 eingehend erläutert werden. Zu nennen sind:

– natürliche Stützung,

– mechanische Stützung,

– Druckluftstützung,

– Flüssigkeitsstützung,

– Erdstützung.

Diese Möglichkeiten zur Stabilisierung der Ortsbrust stellen einen großen Vorzug der Schildbauverfahren dar. Damit wird es im Gegensatz zu allen anderen Tunnelbauweisen möglich, das Gebirge schon während des Auffahrens an jeder Stelle unmittelbar zu stützen.

Neben der Art der Ortsbruststützung ist die Methode des Gebirgeabbaus ein wichtiges Charakteristikum für Schilde. Der manuelle Abbau in Handschilden stellt dabei das einfachste Verfahren dar und wird heute nur noch in Ausnahmefällen, wie z. B. bei kurzen Strecken und bestimmten geologischen Verhältnissen, praktiziert. Gängiger ist jedoch der Einsatz von Maschinen. Dabei wird zwischen mechanisch teil- und vollflächigem Abbau unterschieden. Beim teilflächigen Abbau wird die Ortsbrust abschnittsweise bearbeitet. Dabei kommen Geräte wie Bagger oder spezielle Meißel- und Schneidkopfeinrichtungen zum Einsatz, die vom Bedienungspersonal oder aber automatisch geführt und gesteuert werden. Ein vollflächiger Abbau ist in Abhängigkeit vom anstehenden Boden mit Speichenrädern, Felgenrädern (gegebenenfalls mit Verschlussklappen) oder geschlossenen Bohrköpfen möglich. Weitere Möglichkeiten sind der hydraulische Abbau mittels druckbeaufschlagter Flüssigkeitsstrahlen und der Extrusionsabbau, bei dem unter der Wirkung der Vortriebspressen ein ausgeprägt plastischer Boden durch verschließbare Öffnungen in der stirnseitigen Abschlusswand des Schildes hineingedrückt werden kann. Auf die Abbauverfahren wird in Kapitel 4 näher eingegangen.

Bild 1-2 Möglichkeiten zur Gebirgsstützung und Wasserhaltung an der Ortsbrust [266]

Zur Schutterung des abgebauten Materials sind spezielle Fördersysteme notwendig, mit denen der Abraum von der Ortsbrust durch den Schild hindurch nach Übertage geschafft wird. Geeignete Systeme sind im direkten Zusammenhang mit der Art des anstehenden Gebirges und der daraus resultierenden Art von Ortsbruststützung und Abbaumethode zu sehen, da diese die Parameter Konsistenz und Transportmöglichkeit des zu schutternden Materials beeinflussen. Bild 1-3 gibt einen ersten Überblick über mögliche Fördersysteme im Schildbereich, die in Kapitel 5 ausführlich erläutert werden. Heutzutage steht eine Vielzahl von Fördermöglichkeiten zur Wahl, die sich prinzipiell in die Gruppen

– Trockenförderung,

– Flüssigförderung und

– Dickstoffförderung

gliedern.

Der Streckentransport erfolgt über Förderleitungen, Förderbänder, Erdtransporter oder gleisgebundene Systeme (Schutterzüge). Der Übergabebereich zu den Streckentransportsystemen wird im Nachläuferbereich integriert.

Der Schild wird mit fortschreitendem Abbau in Richtung der Tunnelachse vorgeschoben, um den geschaffenen Hohlraum zu sichern. Die dafür notwendigen Vorschubkräfte werden mit Hydraulikpressen erzeugt. Die bereits erstellte Auskleidung dient in der Regel als Widerlager. Daher müssen Tunnelauskleidung und Vortriebstechnik fein aufeinander abgestimmt werden. Sowohl die einwandfreie Funktion des Schildes als auch die Qualität der Tunnelröhre hängen von deren Verträglichkeit ab. In Kapitel 6 werden diese Zusammenhänge behandelt.

Bild 1-3 Mögliche Fördersysteme im Schildbereich

Bild 1-4 Mögliche Auskleidungsarten beim Schildvortrieb

Der geschaffene Hohlraum wird meistens mit Fertigteilen, sogenannten Tübbingen, gesichert. Hier gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher Formen, Materialien, Anordnungsmöglichkeiten, Dichtungssystemen und Einbauverfahren, die einer ausführlichen Betrachtung bedürfen (Kapitel 6). Zusätzlich sind andere Auskleidungssysteme möglich und werden auch heute bereits praktiziert (Bild 1-4). So ist das Pumpen von Beton unter Druck in eine Schalung (das sogenannte Extrudierverfahren) eine interessante Möglichkeit, wurde jedoch nicht weiterentwickelt. Selbst Spr...

Inhaltsverzeichnis

• Decken
• Zuordnung der Autoren
• Titelseite
• Autor
• Urheberrecht
• Weihung
• Vorwort
• 1 Einführung
• 2 Hohlraumstützung und Setzungen
• 3 Konstruktion und Berechnungsansätze
• 4 Abbauwerkzeuge und Abbauverfahren
• 5 Fördereinrichtungen
• 6 Tunnelauskleidung
• 7 Schildschwanzdichtung, Verpress- und Injektionsverfahren
• 8 Offene Schilde
• 9 Druckluftschilde
• 10 Flüssigkeitsschilde
• 11 Erddruckschilde
• 12 Kombinierte Schilde
• 13 Sonderschilde und Sonderverfahren
• 14 Steuerbare Verfahren für den Mikrotunnelbau
• 15 Vermessung und Steuerung
• 16 Arbeitssicherheit
• 17 Partnerschaftliche Vertragsmodelle und Bauabwicklung
• 18 Prozess-Controlling und Datenmanagement
• 19 DAUB-Empfehlungen zur Auswahl von Tunnelvortriebsmaschinen
• Literaturverzeichnis
• Stichwortverzeichnis