mini|Tunnelvortriebsmaschine beim Bau des Eurotunnels Tunnelvortriebsmaschinen (kurz TVM) kommen beim Bau von Tunneln bzw. Stollen zum Einsatz, insbesondere dem Bau von Straßen- und Bahntunneln. Der Tunnelvortrieb oder kurz Vortrieb bezeichnet hierbei das Erweitern des Tunnels ausgehend von seinem vorderen Ende (sogenannte Ortsbrust).
Verschiedene Arbeiten im Tunnelbau können mit einer TVM automatisiert werden. Insbesondere verfügt eine derartige Maschine über Vorrichtungen zum Abbau des im Wege befindlichen Materials (Gestein oder Erdreich). Eine weitere Herausforderung im Tunnelbau besteht oftmals darin, den neu geschaffenen Hohlraum unmittelbar gegen ein Eindringen des umgebenden Materials zu sichern. Als temporäre Abstützung verfügen viele TVM daher über einen Schild, auch Schildmantel genannt (siehe Schildvortrieb). Weiterhin kann auch der dauerhafte Ausbau des Tunnels mithilfe der TVM erfolgen.
Die Anforderungen an eine TVM können hierbei je nach Bauprojekt sehr verschieden sein. Insbesondere bestimmt die Art des umgebenden Materials, welche Abbauwerkzeuge geeignet sind und welche Abstützungs- und Ausbaumaßnahmen erforderlich werden. Dementsprechend wird eine TVM in der Regel für einen spezifischen Tunnel individuell angefertigt und vor Ort zusammengesetzt. Ein Transport am Stück ist aufgrund der Größe häufig nicht möglich.
Für das unterirdische Verlegen von Leitungen aller Art existieren weitere Arten von Vortriebsmaschinen und -techniken mit kleineren Querschnitten. Diese werden unter dem Begriff Rohrvortrieb zusammengefasst, siehe dort.
Arten von Tunnelvortriebsmaschinen Entsprechend der unterschiedlichen Aufgaben und Anforderungen werden verschiedene Bauformen definiert. Hierbei werden im Wesentlichen die Tunnelbohrmaschine (TBM) und die Schildmaschine (SM) unterschiedenEmpfehlung zur Auswahl von Tunnelvortriebsmaschinen, Deutscher Ausschuss für unterirdisches Bauen (DAUB), 2010 (Abgerufen am 23. Januar 2024).
Tunnelbohrmaschinen verfügen über einen Bohrkopf am vorderen Ende. Sie werden in der Regel, aber nicht ausschließlich, im Festgestein eingesetzt. Durch die hohe Standfestigkeit des Gebirges bei festem Gestein kann hierbei oftmals auf einen Schild verzichtet werden (offene TBM), dennoch gibt es auch TBM mit Schild. Schildmaschinen finden überwiegend im Lockergestein Anwendung und verfügen über einen Schild zur Stützung des umgebenden Materials. Beim Abbau unterscheidet man vollflächig (SM-V), mittels eines rotierenden Schneidrads, und teilflächig (SM-T), mittels Bagger oder Fräse, siehe den Unterabschnitt Abbau.
Die Schildmaschinen werden außerdem dahingehend unterschieden, ob und mit welchem Verfahren zusätzlich zur späteren Außenwand auch die Ortsbrust des Tunnels gestützt wird. Dies erfolgt beispielsweise mechanisch oder mittels Flüssigkeits- oder Druckluftstützung.
Aufbau und Komponenten Der Aufbau einer TVM basiert auf der zeitlichen und räumlichen Abfolge der einzelnen Arbeitsschritte im Tunnelbau. An der Spitze einer TVM (unmittelbar vor der Ortsbrust) befindet sich die Vorrichtung, mit welcher zunächst das im Wege befindliche Material abgebaut wird. Dahinter befindet sich, wenn vorhanden, der Schildmantel, welcher das umgebende Material temporär abstützt, sowie die Vorschubeinrichtung. Abschließend folgt der dauerhafte Ausbau mit den dafür vorgesehenen Vorrichtungen. Der Abtransport des abgebauten Materials erfolgt parallel durch den vorderen Teil hindurch. Im hinteren Bereich (Nachläufer) der Maschine befinden sich Hilfs- und Versorgungseinrichtungen sowie Anlagen für Anlieferung und Abtransport. Im Folgenden werden die einzelnen Komponenten nach ihren Aufgaben unterteilt und erläutert.
Abbau mini|Schneidrad mit Rollenmeißeln und Schälmessern Am vorderen Ende einer TVM, unmittelbar an der Ortsbrust, wird das im Wege befindliche Material abgetragen und den Vorrichtungen zum Abtransport zugeführt. Je nach Beschaffenheit des Gebirges bzw. Baugrunds sind unterschiedliche Abbauverfahren und Werkzeuge geeignet. Man unterscheidet zwischen vollflächigem und teilflächigem Abbau.
Beim vollflächigen Abbau kommt eine rotierende Scheibe zum Einsatz, welche die Querschnittsfläche des Tunnels voll ausfüllt. Dieser sogenannte Werkzeug- oder Meißelträger ist mit den Abbauwerkzeugen bestückt, in der Regel Rollenmeißel (auch Schneidrollen oder Disken genannt) oder Schälmesser. Zusätzlich kommen sogenannte Räumer in Form abgeschrägter Bleche sowie weitere Trichterförmige Vorrichtungen zum Einsatz, um das Ausbruchsmaterial abzuführen. Dieser Aufbau wird im Festgestein insgesamt als Bohrkopf, im Lockergestein als Schneidrad bezeichnet. Zum Tunnelvortrieb wird er mittels Elektromotoren in Rotation versetzt und mit hohem Druck gegen die Ortsbrust gepresst. Bei diesem Verfahren können nur runde Tunnelquerschnitte realisiert werden.
Beim teilflächigen Abbau kommen andere im Erd- und Bergbau zu diesem Zweck verwendete Geräte zum Einsatz. Dies sind insbesondere Teilschnittmaschinen oder Bagger, letztere beispielsweise mit einem Aufreißzahn als Anbaugerät.
Sicherung des Hohlraums Eine wesentliche Aufgabe im Tunnelbau besteht darin, den Tunnelhohlraum offen zu halten und einen Einsturz oder das Eindringen von Grundwasser zu verhindern. Dies betrifft die Ortsbrust und die seitliche Außenfläche des Tunnelhohlraums, die sogenannte Ausbruchslaibung. Ein wichtiger zu berücksichtigender Parameter ist hierbei die Standfestigkeit bzw. Standzeit des umgebenden Materials. Sie beschreibt dessen Fähigkeit, einen bestimmten Zeitraum um einen nicht unterstützten Hohlraum ohne Zerstörung stehen zu bleiben.
Im fertigen Zustand des Tunnels wird die Ausbruchslaibung durch den Ausbau dauerhaft gesichert bzw. abgestützt. Während des Baus des Tunnels ergibt sich jedoch im Bereich der Ortsbrust und unmittelbar dahinter ein Bereich ohne eine derartige Stützung. Bei Tunneln im Festgestein kann die Standfestigkeit ausreichend sein, um diesen Bereich ungestützt zu lassen. Dies ist der Einsatzbereich von Tunnelbohrmaschinen ohne Schild. Reicht die Standfestigkeit jedoch nicht aus oder tritt zu viel Grundwasser zu, so werden zusätzliche Abstützungsmaßnahmen erforderlich.
Schildmantel mini|Schildmantel Zur Stützung der Ausbruchslaibung kommt ein Schildmantel oder kurz Schild zum Einsatz. Es handelt sich dabei um eine röhrenartige Stahlkonstruktion, welche die Maschine nach außen hin abschließt. Im Schutze des Schildes findet dann der Ausbau statt, sodass am hinteren Ende des Schildes kein ungestützter Bereich mehr verbleibt. Der Radius des Bohrkopfes bzw. Schneidrads kann hierbei größer sein als der des Schildes (Überschnitt). Dies dient einer Verbesserung der Kurvenfahrt sowie einer Entspannung des umgebenden Materials, was auch zu einer geringeren Mantelreibung am Schild führt. Als weiterentwickelte Bauform gibt es sogenannte Doppelschild- oder Teleskopschildmaschinen, bei denen zwei Schilde zum Einsatz kommen. Die Vorrichtungen für Vorschub und Ausbau liegen hierbei im inneren, hinteren Schildmantel, auf dem teleskopartig axial beweglich ein äußerer, vorderer, die Bohreinheit umschließender Schildmantel fahrbar ist. Dadurch kann eine hohe Vortriebsgeschwindigkeit erreicht werdenDoppelschild-TBM – Kontinuierlicher Vortrieb mit Höchstgeschwindigkeit. Webpräsenz der Herrenknecht AG, abgerufen am 14. September 2018.
Ortsbruststützung mini|Kombinationsschildmaschine (Multi-Mode-TBM der Firma Herrenknecht) Für eine zusätzliche Stützung der Ortsbrust gibt es verschiedene Möglichkeiten:
Flüssigkeitsstützung, beispielsweise mit Bentonit-Suspension Erddruckstützung, hierbei wird ein Brei aus abgebautem Boden als Stützmedium verwendet, siehe Flüssigboden Druckluftstützung Mechanische Stützung mittels Brustplatten (insbesondere beim teilflächigen Abbau) Bei sogenannten Kombinationsschildmaschinen (KSM) kann das Verfahren der Ortsbruststützung gewechselt werden, um sich an unterschiedliche Baugrundverhältnisse entlang der Trasse anszupassen.
Verfestigung In manchen Fällen werden bereits vor dem Abbau am Gestein oder Erdreich Maßnahmen durchgeführt, welche der Verfestigung dienen. Dadurch kann der notwendige Aufwand zur Abstützung während des Abbaus verringert werden. 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 kann die Umgebung mit Flüssigstickstoff vereist werden (Bodenvereisung). Im Festgestein wird bei sogenannten Erweiterungstunnelbohrmaschinen im Vorfeld zunächst ein Pilotstollen erstellt. Von diesem aus können Störzonen im Gestein ertüchtigt und so die Risiken bei der anschließenden Bohrung des Haupttunnels minimiert werden.
Tunnelausbau mini|Tübbingeinbau Der Ausbau des Tunnels erfolgt meist in Form einer Tunnelauskleidung mit vorgefertigten Segmenten, den Tübbinge. Der Einbau der Tübbinge kann mit einem Erektor genannten roboterähnlichen Gerät automatisch erfolgen. Dies geschieht im Schutze des hinteren Schildmantels, dem sogenannten Schildschwanz In: Aker Wirth GmbH, aufgerufen am 5. Mai 2015.. Die Maschine verfügt dann außerdem über weitere Transportvorrichtungen zur Zulieferung der Tübbinge zum Erektor.
Bei Tunnelbohrmaschinen ohne Schild werden auch andere Verfahren des Tunnelausbaus eingesetzt, insbesondere die Spritzbetonbauweise.
Vorschub mini|Hydraulikzylinder für den Vorschub Beim Vorschub wird die TVM in Richtung der Ortsbrust verschoben, sodass sie sich im Rahmen des Tunnelvortriebs immer unmittelbar vor dieser befindet. Die Vorschubeinrichtung drückt den Bohrkopf oder das Schneidrad gegen die Ortsbrust und bewegt die Maschine nach vorne. Dies geschieht mit Hydraulikzylindern. Als Widerlager für diese dient meist die Vorderkante des zuletzt eingebauten Tübbing-Rings. Alternativ können Maschinen ohne Schild auch direkt am Fels der seitlichen Tunnelwand abgestützt werden. Mittels sogenannter Gripper wird hierbei die Vorschubeinrichtung im Fels verankert, die entsprechende Bauform wird auch als Gripper-TBM bezeichnet.
Beim Auffahren des Tunnels ergeben sich also üblicherweise die folgenden beiden Arbeitsschritte:
Der Vortrieb, bei dem die Maschine nach vorne fährt und die Ortsbrust mit Druck abbaut. Der Ringbau, bei dem ein neuer Ring aus Tübbings eingebaut wird. Hierfür werden die jeweiligen Hydraulikzylinder eingefahren. Anschließend presst die Maschine den neuen Ring gegen den vorherigen fest und beginnt erneut mit dem Vortrieb.
Abtransport Der Abtransport des abgebauten Materials wird auch als Schutterung bezeichnet. Die hierfür geeigneten Vorrichtungen hängen ganz von der Art und Konsistenz des abgebauten Materials ab. Grundsätzlich werden die Förderarten Trockenförderung und Pump- oder Flüssigförderung unterschieden. Letztere erfolgt über Förderleitungen und kommt insbesondere bei Flüssigkeits- oder Erddruckgestützer Ortsbrust zum Einsatz. Bei der Trockenförderung werden Förderbänder, Erdtransporter oder gleisgebundene Systeme (Schutterzüge) eingesetzt. Weiterhin kann innerhalb der TVM ein Brecher eingesetzt werden, um zu große Gesteinsbrocken, beispielsweise Findlinge im Lockergestein, auf ein transportierbares Maß zu zerkleinern.
Hilfs- und Versorgungseinrichtungen Zusätzlich zu den genannten Hauptkomponenten verfügt eine TVM über weitere unterstützende Anlagen. Dies sind beispielsweise: Versorgungseinheiten für Strom und Druckluft für den laufenden Betrieb, Wasser zum Kühlen der Meißel und zur Bindung von Staub, sowie Bewetterung Kräne und Transporteinrichtungen für die Anlieferung, insbesondere betreffend die Tübbings oder andere zum Ausbau verwendete Materialien Bewegungsräume und Wartungswege für Material und Personal, beispielsweise zum Austausch der Werkzeuge am Bohrkopf oder Schneidrad
Einmalverwendung oder Wiederverwendung