Tunnelbau: Welche Bohrverfahren gibt es?

Fertigung Tunnelbohrkopf

Zum Neubau eines unterirdischen Tunnels werden heute in fast allen Fällen spezielle Tunnelbohrmaschinen verwendet. Je nach individueller Anforderung können dabei verschiedene Bohrverfahren eingesetzt werden.

Wissenswertes zur Tunnelbohrmschine

Eine Tunnelbohrmaschine (TBM) – auch „Maulwurf“ genannt – ist eine komplexe Maschine, die zum Anlegen von Tunneln mit üblicherweise kreisförmigem Querschnitt (auch andere Querschnitte sind möglich) durch verschiedene Boden- und Gesteinsschichten eingesetzt wird. Sie kann auch für das sogenannte Microtunneling eingesetzt werden.

Tunnelbohrmaschinen lassen sich so konstruieren, dass sie in jedem Material – von hartem Fels bis zu lockeren Sand – eingesetzt werden können. Die erreichbaren Tunneldurchmesser können von einem Meter (durchgeführt mit Mikro-TBM) bis hin zu knapp 20 Metern reichen. Tunnel mit einem Durchmesser von weniger als einem Meter werden in der Regel nicht mit einer Tunnelbohrmaschine, sondern mit grabenlosen Bauverfahren bzw. horizontalen Richtbohrungen erstellt. Tunnelbohrmaschinen können, wie erwähnt, auch für den Vortrieb von Tunneln mit nicht kreisförmigem Querschnitt ausgelegt werden, z. B. u-förmiger oder hufeisenförmiger sowie quadratischer oder rechteckiger Tunnel.

Tunnelbohrmaschinen können als Alternative zu Bohr- und Sprengverfahren im Fels sowie zum konventionellen Handabbau eingesetzt werden. Sie haben den Vorteil, die Belastung des umgebenden Bodens zu begrenzen und eine glatte, direkt auskleidbare Tunnelwand zu erzeugen. Dies reduziert die Kosten für die Auskleidung des Tunnels erheblich und macht sie für den Einsatz in stark bebauten Gebieten geeignet.

Der größte Nachteil sind die vergleichsweise hohen Vorlaufkosten. Tunnelbohrmaschinen sind sehr teuer in der Herstellung und erfordern hohe Transportkosten. Generell gilt: Je länger der Tunnel ausfällt, desto geringer werden die Kosten für den Einsatz einer Tunnelbohrmaschine im Vergleich zu konventionellen Bohr- und Sprengverfahren. Der Grund: Tunnelbau mit speziellen Bohrmaschinen ist viel effizienter und bringt kürzere Fertigstellungszeiten mit sich. Lediglich bei stark gebrochenen, gescherten Gesteinsschichten sollte die konventionelle Bohr- und Sprengmethode bevorzugt werden.

Die moderne Tunnelbohrmaschine

Moderne Tunnelbohrmaschinen bestehen typischerweise aus einem rotierenden Schneidrad, dem sogenannten Schneidkopf, gefolgt von einem Hauptlager, einem Vorschubsystem und den nachlaufenden Stützmechanismen. Welcher Maschinentyp eingesetzt wird, hängt von der jeweiligen Geologie des Projekts, der Menge des vorhandenen Grundwassers und diversen anderen Faktoren ab.

Die wichtigsten Bohrverfahren und Bauformen von Tunnelbohrmaschinen sind:

Hartgestein-Tunnelbohrmaschinen

Im Hartgestein können entweder abgeschirmte oder offene Tunnelbohrmaschinen eingesetzt werden. Hartgestein-Tunnelbohrmaschinen graben das Gestein mit im Schneidkopf montierten Scheibenfräsern ab. Die Scheibenfräser erzeugen Druckspannungsbrüche im Gestein, wodurch dieses abbricht. Das abgetragene Gestein (Schutt) wird durch Öffnungen im Schneidkopf auf ein Förderband geleitet, wo es durch die Maschine zu einem System von Förderbändern oder Schuttwagen zum Abtransport aus dem Tunnel läuft.

Offene Tunnelbohrmaschinen haben keinen Schild, so dass der Bereich hinter dem Bohrkopf für den Felsausbau offen bleibt. Zum Vortrieb verwendet die Maschine ein Greifersystem, das gegen die Tunnelwände drückt. Nicht alle Maschinen können kontinuierlich gelenkt werden, während sich die Greiferschuhe gegen die Wände drücken.

Bei der offenen Tunnelbohrmaschine werden nicht wie bei anderen Maschinen Betonsegmente hintereinander eingebaut. Stattdessen wird das Gestein mit Bodenstützungsmethoden wie Ringbalken, Felsbolzen, Spritzbeton, Stahlbändern, Ringstahl und Drahtgeflecht gestützt.

Tunnelbohrmaschinen mit Schildvortrieb

In zerklüftetem Gestein können abgeschirmte Hartgestein-Tunnelbohrmaschinen eingesetzt werden, die Betonsegmente errichten, um instabile Tunnelwände hinter der Maschine abzustützen. Doppelschild-Tunnelbohrmaschinen haben zwei Betriebsarten. In stabilem Boden greifen sie gegen die Tunnelwände, um den Vortrieb zu gewährleisten, in instabilem Boden wird der Schub auf Schubzylinder verlagert, die sich gegen die Tunnelsegmente hinter der Maschine stemmen. Dadurch kann verhindert werden, dass die Schubkräfte auf die instabilen Tunnelwände einwirken. Einzelschild-Bohrmaschinen arbeiten auf die gleiche Weise, werden aber nur in instabilem Boden eingesetzt.

Weichboden-Tunnelbohrmaschinen

In weichen Böden gibt es drei Haupttypen von Tunnelbohrmaschinen: Erddruckausgleichsmaschinen, Slurry Shield Maschinen und offene Maschinen. Beide Typen von geschlossenen Maschinen arbeiten wie Einschild-Tunnelbohrmaschinen und verwenden Schubzylinder, um sich durch Abstoßen gegen Betonsegmente vorwärts zu bewegen. Erddruckausgleichsmaschinen werden in weichem Boden mit weniger als 7 bar Druck eingesetzt. Der Messerkopf verwendet nicht nur Scheibenfräser, sondern eine Kombination aus Hartmetallmeißeln, Hartmetallscheibenfräsern, Schleppmeißeln und/oder Hartgesteinscheibenfräsern.

Die Erddruckausgleichsmaschine hat ihren Namen, weil sie das Ausbruchmaterial zum Druckausgleich nutzt. Der Druck wird im Schneidkopf aufrechterhalten, indem die Geschwindigkeit der Abraumförderung durch die Archimedische Schraube und die Vorschubgeschwindigkeit gesteuert werden. Zusatzstoffe wie Bentonit, Polymere und Schaum können injiziert werden, um die Stabilität des Bodens zu erhöhen. Zusatzstoffe können auch in den Schneidkopf/die Förderschnecke eingebracht werden, um sicherzustellen, dass das Aushubmaterial ausreichend kohäsiv bleibt, um einen Pfropfen in der Archimedes-Schnecke zu bilden, den Druck im Schneidkopf aufrechtzuerhalten und den Wasserdurchfluss zu begrenzen.

In weichen Böden mit sehr hohem Wasserdruck oder bei körnigen Bodenverhältnissen (Sande und Kiese), wenn ein Pfropfen in der Archimedes-Schnecke nicht gebildet werden kann, werden Slurry Shield Tunnelbohrmaschinen benötigt. Der Schneidkopf ist mit einer unter Druck stehenden Suspension gefüllt, die hydrostatischen Druck ausübt. Die Suspension dient auch als Transportmedium, indem sie sich mit dem Ausbruchmaterial vermischt, bevor sie aus dem Bohrkopf zurück zu einer Suspensions-Trennanlage gepumpt wird, die sich normalerweise außerhalb des Tunnels befindet.

Schlammseparationsanlagen sind mehrstufige Filtersysteme, die den Schlamm von Abraumpartikeln befreien, so dass er im Bauprozess wiederverwendet werden kann. Die Grenze, bis zu der Schlamm gereinigt werden kann, hängt von der Partikelgröße des Ausbruchsmaterials ab. Aus diesem Grund sind Slurry-Tunnelbohrmaschinen nicht für Schluffe und Tone geeignet, da die Partikelgrößen des Aushubs kleiner als notwendig sind.

Offene Tunnelbohrmaschinen sind in weichem Boden darauf angewiesen, dass sich die Ortsbrust – also die Stelle, an der der Vorschub stattfindet – für kurze Zeit ohne Abstützung aufrichtet. Dadurch eignen sie sich für den Einsatz in Gesteinsarten mit einer Festigkeit von bis zu ca. 10MPa und mit geringen Wasserzuflüssen.

Während beim Einsatz herkömmlicher Tunnelbohrmaschinen kein Bedarf an einer großen Anzahl von Arbeitern besteht, die bei hohem Druck an der Ortsbrust tätig sind, kommt bei Slurry-Schild-TBMs oft ein Caisson-System am Schneidkopf zum Einsatz. gebildet. Arbeiter, die diesen Raum für Inspektion, Wartung und Reparatur betreten, müssen medizinisch als „tauchfähig“ eingestuft sein und in der Bedienung der Schleusen geschult werden.