Stähle für den Tunnelbau

Tunnelbau und die dafür eingesetzten Maschinengiganten sind der Stoff, von dem Jungen träumen. Das Familienunternehmen Herrenknecht hat diese Faszination für das Graben großer Löcher zum globalen Marktführer für maschinelle Tunnelvortriebstechnik gemacht. Ob Verkehrs-, Ver- oder Entsorgungstunnel, Pipelines oder Schächte: Überall auf der Welt sind Tunnelbohrmaschinen (TBM) mit Durchmessern von 0,1 bis 19 Metern in unterschiedlichsten Baugründen im Einsatz.

Mit diesen Maschinen wurden bereits mehr als 3.700 Projekte erfolgreich abgeschlossen – darunter riesige Bohrwürmer mit gigantischer Kraft. 450 Meter Länge bei 9,43 Metern Bohrdurchmesser kennzeichnete die bisher Längste von ihnen. „Sissi“ durchbohrte den Gotthard-Basistunnel mit einem Drehmoment von über 8.000 kNm. Mit 3.000 Tonnen war sie jedoch geringfügig leichter als die 120 Meter lange Maschine für den Eurasia-Tunnel unter dem Bosporus. Diese brachte bei einem Bohrdurchmesser von 13,7 Metern 3.300 Tonnen auf die Waage.

Pro Jahr fertigt Herrenknecht rund 60 große Tunnelbohrmaschinen. Über 604 Kilometer Eisenbahntunnel und mehr als 2.800 Kilometer neue Verkehrstunnel weltweit kennzeichnen die Erfolgsbilanz im Bereich Traffic Tunneling des 1977 gegründeten Unternehmens.

Eine Tunnelbohrmaschine besteht aus etwa 80.000 Einzelteilen, rund 30 Prozent davon entfallen auf komplexe vorgefertigte und vormontierte Einheiten. Und die Anforderungen an die Maschinen sind enorm, ist doch kein Tunnel wie ein anderer. Unterschiedliche Geologie – standfest, locker, brüchig oder auch nachquellend –, grundwasserführende Böden, Tunnelführungen unter Meeresarmen, hohe Erdlasten, enge räumliche Gegebenheiten oder höchst setzungssensitive Bebauung über Tage: Jede TBM leistet Maßarbeit auf höchstem Niveau. Nach kilometerlangem Vortrieb unter widrigsten Bedingungen halten die langen Kolosse die vorgegebenen, horizontalen und vertikalen Sollachsen zentimetergenau ein.

Für weichen Baugrund aus Ton, Lehm oder Böden mit geringer Wasserdurchlässigkeit kommt in der Regel ein Erddruckschild (EPB) zum Einsatz. Mixschilde hingegen sind die TBM der Wahl bei heterogenen Untergründen und Wasserdrücken bis zu 16 bar und Bohrdurchmessern bis 19 Meter. Sie werden in grundwasserführenden Böden eingesetzt, da bei diesem Verfahren eine Flüssigkeit oder Suspension eingesetzt wird, um die Ortsbrust zu stützen.

Wenn’s in Bergmassiven richtig hart wird, bahnen sich Gripper-TBM ihren Weg, indem sie sich seitlich am Fels, also an der zuvor ausgebrochenen Tunnelwand verspannen. Der Vortriebszylinder stützt sich an dieser Verspannung ab und drückt den rotierenden Bohrkopf nach vorne an die Ortsbrust. Doppelschild-TBM kombinieren diese Gripper-Eigenschaft mit dem parallelen Einbau von Betonsegmenten zum Auskleiden der Tunnelwände. Diese sogenannten Tübbinge werden auch durch die Mixschilde und EPB-Schilde verbaut und bilden den Tunnelrohbau. Gemeinsam ist all diesen Tunnelbohrmaschinen, dass sie sogenannte Vollschnittmaschinen sind, also mit einer Umdrehung des Schneidrads den gesamten Durchmesser des Tunnels abtragen.

Maschineller Tunnelvortrieb ist Kopfarbeit – der Konstrukteure und Maschinen. Ausgangspunkt bei der Wahl des Maschinentyps sowie des individuellen Designs einer TBM sind die spezifischen Anforderungen des jeweiligen Projektes: Geologie, Hydrologie, Baustellengegebenheiten und Kundenwünsche. Wichtigster und vorderster Teil jeder TBM ist der Bohrkopf – für Lockergestein Schneidrad genannt – dessen Werkzeuge das Material abbauen und im rückwärtigen Bereich abtransportieren. Projektspezifisch auf die jeweilige Geologie ausgelegt, wird er etwa im Hartgestein mit gigantischer Vortriebskraft gegen die Ortsbrust gepresst.

So sorgen beispielsweise die Doppelschild-Bohrköpfe in der rund 20 Kilometer langen Doppelröhre des norwegischen Follo-Line-Tunnels mit mehreren tausend Tonnen Vortriebskraft für einen effizienten Abtrag. Um diesen enormen Kräften standzuhalten, werden sie nahezu vollständig aus bis zu 280 Millimeter dicken, großformatigen Hochleistungsblechen von Dillinger gefertigt. Auch die vier vollwandig zum Monoblock geschweißten Segmente des 7,9 Meter großen Schneidrads für den Erkundungsstollen Tulfes-Pfons am Brenner-Basistunnel wären ohne die extra dicken und breiten Bleche aus Dillingen nicht machbar. „Das Verhältnis von Breite und Dicke der Bleche von Dillinger ist sehr gut“, betont Stephan Göggel, der als verantwortlicher Leiter für die Fertigung in Schwanau, bei gut einem Drittel der großen Tunnelbohrer involviert war. „Wir brauchen fast ausschließlich die Güte S355 in 200 Millimeter Dicke – und da besonders breite Bleche, um Schweißnähte zu sparen“, ergänzt er.

Außergewöhnliche Breite der Bleche ist auch beim Bau des Schildes gefragt, der annähernd den gleichen Durchmesser wie der Bohrkopf hat. Er schützt den Hauptantrieb und stützt das ausgebohrte Loch, bis es ausgekleidet ist. Aus neun, bis zu 4,2 Meter breiten und zehn Meter langen Blechen wird so ein Schild gebaut.