Tunnelbohrmaschine

Modell einer Tunnelbohrmaschine für den Wienerwaldtunnel

12-Meter-Bohrkopf

Kopf der S-210, die die östliche Röhre des Gotthardbasistunnels zwischen Bodio und Faido gebohrt hat (Schneidrollen bereits entfernt)

Bohrmaschine für den Rettungsstollen des Weinbergtunnels in Zürich vor dem Einsatz im August 2008

Eine Tunnelbohrmaschine (TBM), auch Tunnelvortriebsmaschine (TVM), ist eine Maschine, welche zum Bau von Tunneln eingesetzt wird. Sie eignet sich besonders für hartes Gestein. Auch beim Tunnelbau im lockeren Fels, der für Vortrieb mittels Sprengtechnik ungeeignet ist, werden solche Großmaschinen eingesetzt.

Aufbau und Typen

Der Bohrkopf hat einen Durchmesser von bis zu 20 Metern. Die Einrichtung im hinteren Teil des Bohrkopfes hat bei großen Durchmessern eine Länge von bis 200 Metern.

Tunnelbohrmaschinen sind Vollschnittmaschinen, das heißt sie baut den gesamten Tunnelquerschnitt in einem Arbeitsschritt ab. Das Gegenteil stellt eine Teilschnittmaschine dar.

Bauteile einer Tunnelbohrmaschine

• Abbauschild mit Vorschub- und Verspanneinrichtungen
• Einrichtungen für den Einbau von Stütz- und Ausbaumaßnahmen
• Einrichtungen zum Materialabtransport (Schutteranlagen)
• Versorgungseinheit (Strom, Druckluft, Bewetterung, Wasser)
• Transporteinrichtungen für Ausbruchsmaterial, Stützmittel und Ausbaumaterialien

Einteilung von Tunnelbohrmaschinen

Man unterteilt in Offene Tunnelbohrmaschinen (offene Grippermaschinen und offene Doppelgrippermaschinen) und Schildmaschinen (Einfachschildmaschinen und Doppelschildmaschinen, auch Teleskopschildmaschinen)

Offene Tunnelbohrmaschinen sind für den Vortrieb in standfestem Fels geeignet und kommen vielfältig für die Auffahrung von Verkehrswegetunneln (Bahnen und Straßen), Leitungsstollen (Elektrizität,Wasser, Gas), Druckwasserstollen (Wasserkraftwerke), sowie für Tunneln für geologische Untersuchungen oder Standseilbahnen im Hochgebirge zum Einsatz. Die Hauptbauelemente der offenen Tunnelbohrmaschine sind der Bohrkopf mit dem zugehörigen Antrieb, Verspanneinrichtung (Verspannung) und die Vorschubeinrichtung (Kelly).

Schildmaschinen werden für Vortriebe in standfesten bis nicht standfesten Felsformationen eingesetzt und werden regelmäßig für die Auffahrung von Verkehrswegetunneln (Bahnen und Straßen), Leitungsstollen (Elektrizität,Wasser, Gas) verwendet. Die maßgeblichen Bauelemente der geschilderten Tunnelbohrmaschine sind der dieser Maschine namensgebende Schild. Es handelt sich um stahlröhrenartige Konstruktionen, in die alle weiteren Bauteile der Maschine eingebettet sind. Bei diesen Teilen handelt es sich um den Bohrkopf mit Antrieb, die Vortriebsmechanik und das roboterähnliche Gerät zum Einbau der Tunnelauskleidung, der sogenannte Erektor. Die Tunnelauskleidung - zumeist bestehend aus Betonfertigteilen - wird mit dem Erektor im Schutze des hinteren Schildmantels, dem sogenannten Schildschwanz, eingebaut.^[1]

Arbeitsschritte beim Tunnelvortrieb

Das Bohren erfolgt in mehreren Schritten:

• dem eigentlichen Vortrieb, bei dem mit Druck ein rotierendes Schneidrad die Ortsbrust abbaut,
• dem Ringbau, bei dem nach erfolgtem Vortrieb die Tübbings mit einem Erektor die Ausbruchslaibung auskleiden und abdichten. Danach presst sich die Bohrmaschine zwischen den Ringen zur Verankerung fest und drückt sich wieder weiter vor.
• Bei der Neuen Österreichischen Tunnelbaumethode (NÖT) entfällt die Verwendung von Tübbings; Haupttragelement ist das umgebende Gebirge selbst. Als zusätzliche Sicherungsmittel werden bewehrter Spritzbeton, Gebirgsanker und Gitterträger verwendet.

Mit Hilfe einer Schaumanlage, die mit Tensiden und Wasser unter Druck Schaum erzeugt, kann im weichen Untergrund die Ortsbrust derart verfestigt werden, dass Sandböden wie tonige Böden abgebohrt werden können. In schlammigem Boden wird die Umgebung mit flüssigem Stickstoff vereist (Bodenvereisung).

Herstellerfirmen und Geschichtliches

1844 trug sich der schottische Bauingenieur und Erfinder William Brunton (* 26. Mai 1777 in Dalkeith; † 5. Oktober 1851 in Neath) mit der Idee zum Bau eines Tunnel zwischen England und Frankreich, einen Hammer durch Druckluft zum Stoßen und Bohren anzutreiben, die erforderlichen Kompressoren waren zu diesem Zeitpunkt noch nicht entwickelt. Seine Maschine glich einem riesigen Bohrer von dem Durchmesser des Tunnels, welcher das Gestein zermalmen und die Bruchstücke in den entstandenen Bohrschacht zum Abtransport abwerfen sollte. ^[2]

Mit dem stoßenden Bohren nach dem Patent von Fowler aus Jahre 1849 fing das maschinelle Bohren 1857 an, die Einführung der mit Druckluft betriebenen Stoßbohrmaschinen verkürzte die Bauzeit für den Mont-Cenis-Tunnel von 25 auf 12 Jahre.

Bei Stoßbohrmaschinen sind Kolben und Bohrstange durch ein Keilschloss verbunden. Bei einer Schlagzahl von 250 bis 300 Stößen pro Minute arbeiten sie mit Hüben von 50 bis 250 mm und können bei Gesamtgewichten bis 280 kg nur auf Spannschlitten mit Handkurbel-Schraubenspindelvorschub an einer Spannsäule oder auf dem Dreibock arbeiten.

Um 1870 gab es erste Versuche, eine Tunnelbohrmaschine zum schnelleren Vortrieb beim Bau des Hoosac-Tunnels an der Ostküste (Boston) der USA einzusetzen und gleichzeitig das Verletzungsrisiko der Arbeiter – durch Arbeit mit Hammer und Meißel sowie Sprengungen mit Schwarzpulver (erst später kamen Vorläufer des Presslufthammers und Nitroglyzerin erstmalig hier zum Einsatz) – zu verringern. Bei der Pressevorführung vor Ort war nach rund 15 Zentimetern Schluss: Sie blieb stecken. Die Schneidmeißel aus Gusseisen erwiesen sich als zu weich und die Dampfmaschine zum Antrieb als zu schwach.

1897 entwickelte J. G. Leyner aus Denver die Hammerbohrmaschine. Sie arbeitete nach dem schlagenden Prinzip mit Luftspülung, wobei der Kolben mit nur 1/10 des Gewichtes mit 1500 Schlägen pro Minute auf das Bohrereinsteckende schlägt und eine Drallspindel mit Sperrklinken beim Rückgang des Kolbens über die Bohrerhülse den Bohrer um 12 bis 45 Grad je Schlag umsetzt. Auch diese Geräte wurden zunächst wie die Stoßbohrmaschinen an Spannsäulen oder Dreiböcken mit Spannschlitten und Handvorschub eingesetzt. Sie erreichten nach 1918 allerdings bei höherem Luftverbrauch bereits die 10- bis 13- fache Leistung der Stoßbohrmaschinen.

Die Weiterentwicklung dieser Hammerbohrmaschinen führte mit dem Ersatz des Drallgetriebeumsetzens 1955 zum Druck- und schließlich zum Hydraulikmotorantrieb mit einem konstanten hohen Drehmoment.

Die weitere Entwicklung nach den Ideen von Brunton im Tunnel-und Stollenbau, die vor allem im U-Bahn-Bau bei geeigneten Bodenverhältnissen eine zunehmende Anwendung findet, ist durch den Einsatz von Tunnel- oder Stollenvortriebsmaschinen für Durchmesser bis zu 10,5 Metern gekennzeichnet. Der Gedanke wurde in den 1960er Jahren wieder aufgegriffen und zunächst nur im Bergbau und dann bei unterirdischen Verlagerungen eingesetzt. Stollen- und Tunnel- Vortriebsmaschinen stellen den unterirdischen Hohlraum ohne den absatzweisen Arbeitszyklus Bohren, Sprengen, Laden. und Fördern kontinuierlich her, indem sie durch Werkzeuge, die für das anstehende Gebirge geeignet sind, zerspanend bis 11,7 kN/cm² mit Warzenmeißeln oder Schneidrollen bis 21,6 kN/cm² die Brust angreifen und das abgebaute Material hinter sich kontinuierlich abgeben. Sie werden in den USA seit 1950 in den verschiedensten Formen gebaut. Die Vorteile liegen in einer Vermeidung der Auflockerung durch den Wegfall der Sprengung, einer Verringerung des Überprofils und einem geringeren Personalbedarf. Nachteile sind die hohen Investitionskosten und die laufenden Kosten des Werkzeugverschleißes. Bekannt geworden sind die Alkirk-Lawrence-Pilotankermaschinen und die Oil-Shaleminer, die einen Pilotanker vorweg treiben, an dem sich der Bohrkopf gegen die Brust zieht. Seit Anfang der 1960er Jahre werden Maschinen von Robbies eingesetzt, bei denen das durch die Schneiden des Fräskopfes abgesplitterte Bohrklein von Bechern oder Baggereimern hochgenommen und am Scheitel auf das Austragsband geschüttet wird . Englische und japanische Entwicklungen von Schildvortriebsmaschinen arbeiten innerhalb eines sich auf den Ausbau abstützenden Vortriebsschildes, mit einem großen, die ganze Brust erfassenden Fräskopf bzw. bei Mitsubishi Heavy Industries mit vier gegenläufigen Fräsköpfen. In Deutschland waren es die Maschinen von den Firmen Demag, Wirth und Atlas Copco und die Schildvortriebsmaschinen von Bade-Holzmann, die in den 1960er Jahren die neuen Wege im Tunnel- und Stollenbau gebahnt haben. Es sind inzwischen in der Bundesrepublik Deutschland auch für den Bau von Schrägstollen, zum Bau von senkrechten Schächten und zur stufenweisen Erweiterung der Querschnitte bis auf 11 m geeignete vollmechanische Vortriebsmaschinen entwickelt worden. Bei Gesteinsfestigkeiten von 20 kN/cm² werden Warzen-, Zahn- und Disken-Cuttern eingesetzt.

Seit 1966 werden Vollschnittmaschinen für Profile von 2 bis 6,4 m Durchmesser bei Gewichten von 48 bis 90 t und Längen von 11,5 bis 21 Metern eingesetzt. Ihre Antriebsleistungen liegen -abhängig von Material und Durchmesser- bei 240 bis 950 kW, ihre Bohrkopf-Drehzahlen bei 12,7 bis 5 Umdrehungen pro Minute und der Anpressdruck bis zu 8000 kN. Der Aufbau der Vortriebsmaschinen lässt folgende Bauteile erkennen:

• den mit 8 bis 10, 18 bis 23 und 18 bis 33 Rollenmeißeln bestückten Bohrkopf,
• den Staubschild mit Gummidichtung hinter dem Bohrkopf,
• Räumer und Schaufeln, die das Bohrgut, über eine Rutsche dem unter der Maschine eingebauten Einkettenkratzförderer oder einem Mulden-Gummiband zuleiten, der es am Ende einem ansteigenden Ladebund übergibt,
• zwei bis vier Elektromotoren mit einer Gesamtleistung von 240 bis 950 kW, die über Gelenkwellen, Getriebe und Kupplungen den Antrieb vermitteln,
• ein Hydrauliksystem zum Verspannen, Vordrücken, und Abstützen.

Die Maschine wird in der Tunnelröhre mittels Pratzen durch eine vordere und hintere Verspannung mit mindestens 130 N/cm² gehalten. Der Anpressdruck des Bohrkopfes beträgt 1600 kN bei 2 m bis 6400 kN bei 6 m Durchmesser. Die Tunnelvortriebsmaschinen werden von einem Steuerstand im Schlepptender gesteuert; sie sind kurvenfahrbar mit 80 m Radius bei 2,4 in und 150 m in Radius bei 6 m Durchmesser; ein Laser dient der Steuerkontrolle. Das erste Gerät wurde 1966 zum Auffahren eines 2800 m langen Abwasserstollens in Grünsandstein von 2,1 m Durchmesser in Dortmund eingesetzt; das 6-Meter-Gerät kam 1973 am Niederrhein zum Einsatz. ^[3]

Die vierte Röhre des Hamburger Elbtunnels wurde in den Jahren von 1997 bis 2000 mit der 2000 Tonnen schweren Schildvortriebsmaschine TRUDE mit einem Außendurchmesser von 14,20 m gebaut. Die zu diesem Zeitpunkt größte Tunnelbohrmaschine der Welt erweiterte mit 111 Schälmessern für weiches Gestein und 31 Rollenmeißeln für Hartgestein den Tunnel durchschnittlich 6 m/Tag. Das Schneidrad war von der Firma Herrenknecht aus Schwanau war mit der „Mixschildtechnik“ entwickelt worden. Kennzeichnend waren die fünf, erstmals zum Auswechseln der Schneidwerkzeuge von innen, begehbaren Speichen und einem unabhängig steuerbaren Zentrumsschneider. ^[4]

Der Gotthard-Basistunnel wurde in den Jahren von 2002 bis 2010 mit den 400 m langen und 2700 t schweren Gripper-Tunnelbohrmaschinen Heidi (S-211) und Sissi (S-210) der Firma Herrenknecht geschaffen. Die Bohrköpfe der Maschinen hatten einen Durchmesser von 9580 mm und waren mit 62 Rollenmeisseln versehen. Sie wurden von zehn Motoren mit jeweils 350 kW angetrieben wird. Der Bohrkopf ist mit dem Antrieb am vorderen Ende der Vorschubeinrichtung, im Fachjargon Kelly, angeschlagen. Die Vorschubeinrichtung besteht aus einem inneren Teil, an dem der Bohrkopf befestigt ist, der Innenkelly, und einem äußeren Teil, der sogenannten Außenkelly. Die Außenkelly der Maschine wird mittels der Verspannung in der gebohrten Tunnelröhre fixiert. Die Innenkelly mit dem am vorderen Ende angeschlagenen Bohrkopf gleitet während des Bohrvorganges parallel zur Bohrrichtung in der Außenkelly in Bohrrichtung nach vorne. Innenkelly und Außenkelly sind über die Vorschubzylinder miteinander verbunden. Die Vorschubzylinder schieben die Innenkelly mitsamt dem Bohrkopf nach vorne. Der Bohrkopf der Maschine ist mit Schneidrollen bestückt, die mit Hartmetallringen bestückt sind und Diskenschneidrollen genannt werden. Der Drehantrieb des Bohrkopfes wird entweder mit Hydraulikmotoren oder Elektromotoren ausgestattet, wobei die elektrische Antriebsvariante heutzutage die gebräuchlichere geworden ist. Stufenlose Regelung der Drehzahl des Bohrkopfes ist bei modernen Tunnelbohrmaschinen mittlerweile ein Standard geworden. Um den Bohrkopf der Maschine herum ist ein Stahlschild angeordnet, der Bohrkopfmantel, der einerseits eine Stützfunktion für die gebohrte Tunnelröhre übernimmt und anderseits als Kopfschutz gegenüber eventuell herabfallenden Gesteins dient. Das abgebohrte Gestein wird über Förderbänder abtransportiert und für den Transport aus dem Tunnel entweder in Waggons geladen oder per Förderband aus dem Tunnel transportiert. Die gebohrte Tunnelröhre wird unmittelbar nach dem Bohrvorgang bei Bedarf mit der sogenannten Erstsicherung abgestützt. Diese Erstsicherung kann je nach Erfordernissen aus schweren Felsankern, Stahlstützbögen und/oder Stahlmatten bestehen. Ebenso zum Einsatz kommt Spritzbeton. Der endgültige Ausbau der gebohrten Tunnelröhre wird zu einem späteren Zeitpunkt hinter der Maschine eingebracht und folgt der Tunnelbohrmaschine.^[5]

Es gibt weltweit nur wenige Firmen, die diese Maschinen herstellen. In Deutschland sind es die Firmen Herrenknecht AG aus Schwanau und Wirth GmbH aus Erkelenz; Robbins in den USA, Lovat in Kanada und Mitsubishi, IHI, Kawasaki und Hitachi in Japan sind weitere Hersteller.

Bekannte Projekte

• Gotthard-Basistunnel (Eisenbahntransversale in nebeneinander liegenden Tunneln, Schweiz)
• Lötschberg-Basistunnel (Schweiz)
• Vereina-Tunnel (Meterspur-Eisenbahntunnel mit Y-Teilung, Schweiz)
• Eurotunnel (Eisenbahnverbindung England–Frankreich)
• T.R.U.D.E. (Autobahn A7, vierte Elbtunnelröhre, Hamburg)
• V.E.R.A. (Bau der U4, Hamburg)
• Westerscheldetunnel (Niederlande)
• Köln (Nord-Süd-Stadtbahn)
• City-Tunnel Leipzig (Bahnverbindung – S-Bahn und Fernverkehr)
• Hallandsåstunnel (Eisenbahnlinie Göteborg–Lund, Schweden)
• Citytunnel Malmö (Bahnverbindung in Malmö, Schweden)
• Großer Belt-Bahntunnel (Dänemark)
• Hsuehshan Tunnel (Taiwan National Highway No. 5)
• Canal de Navarra (Spanien)
• Wienerwaldtunnel (Eisenbahnverbindung, Österreich)
• Teile der Zulaufstrecke Nord für den Brennerbasistunnel (Österreich)
• Katzenbergtunnel (Eisenbahnverbindung Karlsruhe - Basel) (Deutschland)
• Finnetunnel (Neubaustrecke Erfurt - Halle/Leipzig) (Deutschland)
• Pfändertunnel Weströhre (Österreich)
• Weinbergtunnel (Bahnverbindung Oerlikon-Zürich HB, Schweiz)
• Kaiser-Wilhelm-Tunnel (2.Tunnelröhre zw. Ediger-Eller und Cochem)
• Neuer Schlüchterner Tunnel (2.Tunnelröhre unter dem Distelrasen bei Schlüchtern)
• Niagara Falls Tunnel ("Big Becky" - größte TBM der Welt mit 14,4m Durchmesser - Durchbruch Mai 2011 - Fertigstellung Sommer 2013)^[6]

Einzelnachweise

1. ↑ [1] Website der Firma Wirth Aker, aufgerufen am 2. November 2010
2. ↑ Journal Über Land und Meer, Tunnel zwischen England und Frankreich, Deutsche Verlags-Anstalt, Berlin, 1881
3. ↑ GARBOTZ, Georg, Prof.; Baumaschinen einst und jetzt, in Baumaschine und Bautechnik, Frankfurt am Main, 22. Jahrgang, Heft 5, 1975, S. 153 ff.
4. ↑ [2] Beschreibung TRUDE, aufgerufen am 2. November 2010
5. ↑ [3] Website der Firma Herrenknecht, aufgerufen am 2. November 2010
6. ↑ [4] Website zum Niagara Tunnel Project, aufgerufen am 18. Oktober 2011

Weblinks

 Commons: Tunnelbohrmaschine – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

 Wiktionary: Tunnelbohrmaschine – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Erläuterungen zur TBM am Beispiel City-Tunnel Leipzig
• Einbau Blindtübbingring am Beispiel City-Tunnel Leipzig
• TBM-Animation von alptransit.ch