________________ Ein großformatiger Straßentunnel tief unter einer Meeresenge, ein Eisenbahntunnel durch enorm komplexes Bergmassiv, ein Wasserstollen unter gewaltigen Umgebungsdrücken: Der maschinelle Tunnelbau dringt im Untergrund in neues Terrain vor. Echte Partnerschaft mit Auftraggebern und Projekteignern führt zu wegweisenden Fortschritten in der Maschinentechnik. Auch innovative Ableitungen aus dem professionellen Offshore-Tauchen bringen den Tunnelbau vorwärts.

„Das ist nicht zu schaffen!“ – Dieser Satz ist immer nur so lange wahr, bis das Gegenteil bewiesen wird. Gerade für Ingenieursleistungen gilt: Grenzen sind Ansporn und nie Limit. Größer, schneller, tiefer, weiter – und gleichzeitig immer sicherer. So lautet das Motto im maschinellen Tunnelvortrieb. 

________________ Die echten ingenieurtechnischen Herausforderungen warten vor allem in der Tiefe. In Geologien, die unter extremen Drücken stehen und wo Grund-, Meer- oder Flusswasser, welches durch Klüfte und sonstige Anomalien eindringt, den Vortrieb beeinflusst. Wie das geotechnologisch anspruchsvolle Auffahren solcher Tunnel gelingen kann, zeigt das Beispiel eines Wasserentnahmestollens unter dem Lake Mead. 

Wie ein blauer Diamant liegt der größte Stausee der Vereinigten Staaten rund 50 Kilometer südöstlich von Las Vegas, mitten in der Wüste zwischen Nevada und Arizona. Der 1935 fertig gestellte Hoover-Damm staut hier den Colorado-River auf: auf einer Länge von 170 Kilometern und mit einer Tiefe von bis zu 150 Meter. Das maximale Stauvolumen liegt bei schier unvorstellbaren 35 Milliarden Kubikmetern Wasser – damit könnten Deutschlands Privathaushalte etwa zehn Jahre lang versorgt werden. 

Doch der Lake Mead ist längst nicht mehr randvoll. Seit 1998 sinkt sein Pegel stetig – in Folge einer bis heute beispiellosen Dürrephase. Mittlerweile ist sein Wasserstand historisch niedrig: lediglich 332 Meter über dem Meeresspiegel. Damit steht das Wasser nur noch wenige Meter oberhalb der beiden bereits existierenden Entnahmestellen – und gefährdet die Wasserversorgung.

________________ Ein neuer, dritter Auslass muss gebaut werden. Der geplante „Intake No. 3“ liegt rund 70 Meter unterhalb der Seeoberfläche und etwa 3 Kilometer vom Ufer entfernt. Das vom Seeboden 15 Meter senkrecht nach oben ragende Entnahmerohr wurde von einer schwimmenden Plattform aus in eine zuvor ausgehobene Grube abgesenkt. Anschließend wurde das Fundament mit Unterwasserbeton ausgegossen und dadurch die Konstruktion fixiert.

________________ Aufgrund der Arbeitstiefe – unter Wasser steigt der Druck alle zehn Meter um ein Bar – lastete auf großen Teilen der Vortriebsstrecke ein enormer Wasserdruck von bis zu 15 Bar auf der Maschine: ein absolutes Novum im maschinellen Tunnelvortrieb. Bis dahin lag die Rekordmarke punktuell bei 11 Bar, aufgestellt von einer Herrenknecht-TBM, mit der man den im Jahr 2013 fertig gestellten Hallandsås-Eisenbahntunnel zwischen Göteborg und Malmö aufgefahren hatte.

Die anspruchsvollen geologischen und hydrologischen Bedingungen unter dem Lake Mead stellten das bauausführende Team von Salini-Impregilo vor echte Herausforderungen. Mehrfach musste der Vortrieb gestoppt und Teile ausgetauscht werden. Das abrasive Gestein hatte die Schneidrollen und Teile des Schneidrads weggeschliffen. Auch die Lagerdichtung wurde vom hohen Druck erheblich in Mitleidenschaft gezogen und musste erneuert werden. 

________________ Die richtige Frage hatten sich alle Beteiligten schon lange vor Projektbeginn gestellt: Wie muss eine TBM konstruiert sein, damit sie derart hohen, bisher unbeherrschbaren Drücken dauerhaft standhalten kann? Zum einen, indem mehr Stahl verbaut und die Wände dicker gemacht werden. Schließlich lasten bei 15 Bar Wasserdruck auf jedem Quadratzentimeter des Schildes 15 Kilogramm – bei seiner Gesamtlänge von 16 Metern und einem Durchmesser von mehr als sieben Metern summiert sich das zu einer gewaltigen Last. Zum anderen durch den Einsatz von Dichtungen, etwa an Hauptlager und Schildschwanz, die entsprechend robust ausgelegt sind. Darüber hinaus muss sichergestellt werden, dass auch unter den extremen Druckverhältnissen sowohl Routinearbeiten wie Werkzeugwechsel als auch außerplanmäßige Wartungsarbeiten durchgeführt werden können. 

Auf Basis der gesammelten Informationen entschied sich Salini-Impregilo, eine Multi-Mode-TBM von Herrenknecht einzusetzen. In guten, standfesten Formationen arbeitete sie im sogenannten offenen Modus. Dabei wird der von den Rollenmeißeln des Schneidrads zu handtellergroßen Chips gebrochene Fels mechanisch aus dem Arbeitsbereich abtransportiert. Das geht schnell und ist effizient. Und die S-502 machte „Strecke“: vier bis fünf Zentimeter pro Minute. Zeitweise fraß sie sich in sehr rauer Umgebung in der Woche mehr als 100 Meter weit voran.

________________ Mit Tempo konnte aber nur auf rund 40 Prozent der Stecke im offenen Modus gefahren werden – statt auf den vorgesehenen 70 Prozent: Unvorhergesehene geologische Störzonen und starker Wasserzufluss an der Ortsbrust machten es erforderlich, dass das Gros der Wegstrecke im zeit- und verschleißintensiveren geschlossenen Slurry-Modus absolviert wurde. Hierbei wird mit Hilfe einer unter Druck stehenden Flüssigkeit – meist eine Bentonitsuspension – der Boden an der Ortsbrust stabilisiert. Der abgebaute Boden wird über einen Spülkreislauf zusammen mit der Suspension aus der Arbeitskammer abgepumpt. Auch schwankende Druckverhältnisse können so sehr exakt geregelt werden.  

Der Wechsel vom offenen in den geschlossen Modus muss schnell gehen. Denn strömt Wasser, dann kommt viel und das unter hohem Druck. Innerhalb von 120 Sekunden muss, so die Vorgabe für die Lake-Mead-TBM, die Maschine abgedichtet werden können. Dazu wird die Hauptkammer verriegelt, indem man am hinteren Ende der Förderschnecke den Abwurfschieber schließt.

________________ Geschlossen, sicher, easy going? Von wegen. Denn auch wenn Tunnelbohrmaschinen im abgesicherten Slurry-Modus graben, verlangen Schneidrad und Abbauwerkzeuge nach regelmäßiger Inspektion und Wartung. Verschiedene Monitoring-Systeme erfassen über Sensoren in Echtzeit alle wichtigen Vortriebsparameter und zeichnen sie auf. Auf Grundlage dieser Daten entscheidet der Maschinenführer, wann Kammereinstiege notwendig sind. Die Datenanalyse ist nur der erste Schritt: Das tatsächliche Auswechseln der Schneidrollen, Schälmesser und Räumer ist kräftezehrende, aufwändige Handarbeit.

________________ Bei Vortrieben unter hohem Druck hat sich das Konzept der begehbaren Schneidradarme bewährt. Die konstruktive Besonderheit wurde erstmals 1998 beim Bau der vierten Röhre des Hamburger Elbtunnels mit einem Mixschild erfolgreich bei 4,5 Bar genutzt. Bei Tunnelbohrmaschinen mit einem Durchmesser ≥ zehn Metern können die Schneidradarme als begehbare Hohlkästen ausgebildet werden. Unter Atmosphärendruck gesetzt sind sie dann zugänglich, verschlissene oder defekte Werkzeuge lassen sich vergleichsweise einfach über den rückwärtigen Bereich des Schneidrads austauschen. Dieses Prinzip hat Herrenknecht in den vergangenen zwei Jahrzehnten kontinuierlich weiterentwickelt und für deutlich höhere Drücke angepasst.

________________ TBM-Durchmesser von unter zehn Metern lassen aufgrund der beengten Platzverhältnisse begehbare Schneidarme konstruktiv nicht zu – wie beispielsweise am Lake Mead. Drucklose Kammereinstiege sind nicht möglich. In diesem Fall können Werkzeugwechsel oder Wartungsarbeiten nur in „Wartungsbahnhöfen“ (safe haven) ausgeführt werden. Sie erlauben einen sicheren Zugang zur Abbaukammer. Allerdings ist es ein glücklicher Zufall, eine solche natürliche, stabile Zone im Verlauf einer Tunneltrasse anzutreffen. Die Regel ist es nicht. 

Hier ist Erfahrung und Fingerspitzengefühl von allen Projektpartnern gefragt: Geht man das Risiko ein und fährt noch eine gewisse Strecke weiter, in der Hoffnung bald eine sichere Zone zu erreichen? Oder sind die Werkzeuge so verschlissen, dass sofort gehandelt werden muss? Safe haven können auch künstlich hergestellt werden, beispielsweise durch vorauseilende Baugrundverbesserung mit Bohrgeräten der TBM oder von über Tage. Das ist allerdings mit einem sehr hohen Aufwand verbunden und nicht überall möglich.

________________ Im ungünstigsten Fall greift die Fallback-Lösung: Man schickt Taucher in den Druckbereich der TBM. Erste Erfahrungen mit dieser Methode hat man ebenfalls beim Bau der vierten Elbröhre in Hamburg sammeln können. Dort mussten die Räumerhalterungen neu verschweißt und die Räumer selbst gewechselt werden. Sechs Wochen dauerte der Einsatz – bei Drücken von bis zu 4,5 Bar und damit in Druckbereichen, in die Taucher nur ausnahmsweise noch mit „normaler“ Druckluft einsteigen können.

Bei Tiefen wie unter dem Lake Mead und einem Druck von bis zu 15 Bar funktioniert das nicht mehr. Hier muss man auf Erfahrungen aus dem „Offshore-Sektor“ zurückgreifen. Sättigungstauchen heißt das Zauberwort. Dabei macht man sich zunutze, dass die Gasaufnahme des menschlichen Organismus unter hohem Druck irgendwann begrenzt (gesättigt) ist – und damit die Dekompressionszeiten eine natürliche, überschaubare Grenze finden.

________________ Baustelle und Maschine waren beim Projekt Lake Mead für Sättigungstauchen bis 15 Bar ideal vorbereitet. Dazu wurde ein lückenloser Überdruck-Transportweg konzipiert und realisiert. Dieser führt von der (Druck-)Wohnkammer im Bereich des Startschachts, in der die Taucher teilweise wochenlang leben, bis zur Druckschleuse der TBM im vorderen Schildbereich.

Beim Einsatz muss der Transfer-Shuttle durch den gesamten Nachläuferbereich der Maschine transportiert werden. Hierzu sind spezielle konstruktive Überlegungen notwendig, damit im Zentrum genügend Raum für den Shuttle frei bleibt. Nur so kann den professionellen Sättigungstauchern ein schneller und vor allem absolut sicherer Einstieg in die Abbaukammer ermöglicht werden. Im Normalbetrieb dürfen diese Einrichtungen den Vortrieb dagegen nur minimal beeinträchtigen.