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Die Doppelschild-TBM in der Anwendung
Doppelschild-TBM zählen zu den technisch anspruchsvollsten Tunnelvortriebsmaschinen. Sie vereinen die Funktionsprinzipien von Gripper- und Einfachschild-TBM in einer Maschine. Die Verfahrenskombination ermöglicht in standfesten Geologien parallel zum Vortrieb den Einbau von Betonsegmenten und somit sehr hohe Vortriebsleistungen. Die leistungsstarke Technologie ist damit prädestiniert für das Auffahren langer Tunnel im Hartgestein.
250 Meter pro Woche gebohrter und mit Tübbingen ausgebauter Tunnel im Projekt Palomino, Dominikanische Republik.
Kraftvoll nach vorn
Beim Vortrieb mit einer Doppelschild-TBM wird ein mit Schneidrollen ausgestatteter rotierender Bohrkopf gegen die Ortsbrust gepresst. Um im Hartgestein mit punktuellen Gesteinsfestigkeiten von über 250 Megapascal effizient arbeiten zu können, sind hohe Anpresskräfte notwendig. Unter diesem Druck überwinden die Schneidrollen die Druck- und Zugfestigkeiten des anstehenden Gebirges und lösen dabei sogenannte Chips aus der Ortsbrust. Wasserdüsen reduzieren die Staubentwicklung und können die Bohrwerkzeuge kühlen. Am Bohrkopf angebrachte Räumer nehmen das Bohrklein auf. Durch die Bohrkopfrotation rutscht es dank der Schwerkraft über integrierte Kanäle zum Zentrum der Maschine und fällt durch den trichterförmigen Muckring auf das Maschinenband. Am Ende des Maschinenbands werden die Felschips an Förderbänder oder Transportfahrzeuge übergeben und aus dem Tunnel befördert.
Die Schneidrollen sind so im Bohrkopf montiert, dass sie im Schutz des Bohrkopfstahlbaus rückwärtig gewechselt werden können, ohne dass Wartungspersonal sich in den ungeschützten Bereich vor dem Bohrkopf begeben muss.
Funktionsprinzip
Exemplarische Darstellung einer typischen Maschine mit Tübbingausbau (Durchmesser 5,4 m)
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Hohes Tempo dank kontinuierlichem Vortriebsmodus
Doppelschild-TBM bestehen aus zwei Hauptkomponenten: einem Frontschild, inklusive dem Außenteleskopschild, mit Bohrkopf, Hauptlager und Antrieb sowie einem Gripperschild inklusive dem Innenteleskopschild mit Verspanneinheit, Hilfsvortriebszylinder und Schildschwanz. Die Hauptvortriebszylinder verbinden beide Schildteile miteinander. Sie sitzen im Schutz des Teleskopschilds, bei dem sich die Schildmäntel von Außen- und Innenteleskopschild überlappen. Doppelschild-TBM werden daher auch Teleskopschilde genannt. In standfestem Gebirge verspannt sich die Maschine mit den Gripperschuhen radial im Tunnel. Dadurch kann der Frontschild mithilfe der Hauptvortriebszylinder unabhängig vom Gripperschild vorgeschoben werden.
Die Reaktionskräfte beim Bohrvorgang werden durch die ausgefahrenen Gripperschuhe in das Gebirge abgeleitet. Gleichzeitig zum Vortrieb erfolgt der Einbau der Tübbinge im Schildschwanzbereich. Die Hilfsvortriebszylinder dienen dabei lediglich zur Lagesicherung der gesetzten Betonsegmente. Nach Abschluss eines Vorschubtaktes werden die Gripperschuhe gelöst und der Gripperschild dem Frontschild durch die Hilfsvortriebszylinder nachgeschoben. Diese Umsetzphase dauert nur wenige Minuten. So ist ein nahezu kontinuierlicher Vortrieb möglich. In idealen Gebirgsformationen können Doppelschild-TBM auch ohne Tübbingsicherung arbeiten.
Funktionsweise auf einen Blick:
Schneidrollen brechen durch hohen Anpressdruck Chips aus der Ortsbrust.
Räumer, Kanäle und Muckring sorgen für einen effizienten Abtransport des Bohrkleins auf ein Zentrumsförderband.
Hauptvortriebszylinder oder Hilfsvortriebszylinder pressen die Maschine voran.
Tübbingausbau
Ein verschiebbarer Teleskopschild ermöglicht bei Doppelschild-TBM den Zugang zur Tunnelwand für Reinigungsarbeiten.
Sicher in geologischen Störzonen
In Störzonen oder Bereichen mit geringer Gebirgsfestigkeit ist eine radiale Verspannung über die Gripperschuhe nicht immer möglich. In diesen Abschnitten kann der Teleskopschild optional komplett zusammengefahren werden, Front- und Gripperschild bilden dann eine Einheit. Die erforderlichen Vorschubkräfte werden über die Hilfsvortriebszylinder aufgebracht. Wie bei Einfachschild-TBM dient der zuletzt gebaute Tübbingring als Widerlager zur Abstützung. Vorschub und Ringbau können nicht mehr gleichzeitig ausgeführt werden. Dafür bietet dieser diskontinuierliche Modus in schwierigen Streckenabschnitten eine höhere Vortriebssicherheit.
Anwendungsbezogene Speziallösungen für schwierige Fälle
Doppelschild-TBM besitzen einen vergleichsweise langen Schildmantel. Im Falle von Gebirgskonvergenzen besteht dadurch eine erhöhte Gefahr des Einklemmens der Maschine. Herrenknecht-Ingenieure wirken dem konstruktiv durch verschiedene Lösungen entgegen. Dazu zählen beispielsweise abgestufte Schilddurchmesser, die Möglichkeit zur Vergrößerung des Bohrdurchmessers und eine optionale Hochdruck-Hydraulik zur Erhöhung der Vorschubskraft. Nachbrüche und Bohrklein können die Teleskopfuge und den Ringspalt blockieren. Das behindert das Nachschieben des Gripperschilds. Mithilfe zusätzlicher Verschiebezylinder, die zwischen dem Gripperschild und dem Innenteleskop angeordnet sind, kann im Bedarfsfall für Reinigungs- oder Sicherungsmaßnahmen ein Zugang zur Tunnelwand geöffnet werden. Zusätzliche Bohrgeräte und Bohrkanäle im hinteren Schildbereich ermöglichen über der TBM die Sicherung des offenen Teleskopbereichs mit einem Rohrschirm.
Torque-Box-Antriebe ermöglichen einen lokalen Überschnitt und präzise horizontale und vertikale Steuerungsmöglichkeiten.
Für jeden Durchmesserbereich der passende Antrieb
Im Durchmesserbereich von 3,8 bis 8,2 Meter werden bei Doppelschild-TBM fest eingebaute Antriebe mit gerade angeordneten Hauptvortriebszylindern oder v-förmig angeordneten Lattice-Zylindern verwendet. Die Steuerung im Vortrieb erfolgt direkt über die Vortriebszylinder. Bei Durchmessern von über 8,2 Metern kommen dagegen meist verschiebbare Antriebe mit zusätzlichen Längsverschiebezylindern zum Einsatz. Über die Zylinder kann die Anpresskraft des Antriebs direkt gemessen und somit die vorhandene Leistung optimal genutzt werden. Die sogenannten Torque-Box-Zylinder erlauben eine horizontale und vertikale Verschiebung des Antriebes. Somit kann ein lokaler Überschnitt erzeugt werden, der die Lenkung der TBM unterstützen kann. Zusätzlich ermöglicht dieses System, durch Shiften der Kaliberrollen und optionalem Einbau zusätzlicher Überschneidgehäuse den Bohrdurchmesser zu vergrößern. Bei allen Antriebstypen kann der Bohrkopf für einen direkten Zugang zur Ortsbrust zurückgezogen werden.
Tunnelmeter am laufenden Band
Doppelschild-TBM werden hauptsächlich bei Tunnelprojekten mit wechselnden Gebirgsformationen eingesetzt. In standfestem Fels erzielen sie durch den kontinuierlichen Vortriebsmodus sehr hohe Vortriebswerte. Die Verfahrenskombination aus Gripper- und Einfachschild-TBM stellt daher für lange Hartgesteinsvortriebe oftmals die schnellste und wirtschaftlichste Lösung dar.
Noch Fragen?
Wir stehen bereit!
Steffen Dubé
President and General Manager Herrenknecht Tunnelling Systems USA Inc.
Gerhard Goisser
Commercial Manager Herrenknecht Tunnelling Systems USA, Inc.