Funktionsweise auf einen Blick:
Die Variable-Density-TBM in der Anwendung
Klassische Tunnelbohrmaschinen weisen in der Regel ein spezifisches Vortriebsverfahren auf. Bei besonders wechselhafter Geologie entlang der Tunneltrasse können diese Vortriebsschilde an ihre technischen aber auch wirtschaftlichen Grenzen stoßen. Innerhalb einer aufzufahrenden Tunneltrasse kann der Boden beispielsweise von weichem, wasserführendem Lockergestein zu standfestem Baugrund und umgekehrt wechseln. Derartige Streckenverläufe gehören zu den anspruchsvollsten Anforderungen im Tunnelbau. Für eine größtmögliche Sicherheit und Flexibilität während des gesamten Vortriebs hat die Herrenknecht AG für solche Fälle die Variable-Density-TBM entwickelt. Dieser flexible Maschinentyp ist hinsichtlich seines Stütz- und Abbauverfahrens auf wechselnde Baugrundbedingungen ausgelegt und kann nach Bedarf von flüssigkeitsgestützter Betriebsart zu erddruckgestützter Betriebsart wechseln. Die speziell entwickelte High-Density-Suspension erweitert den Einsatzbereich für die Flüssigkeitsstützung in gröbere Bodenstrukturen.
Fließender Wechsel der Betriebsart ohne Modifikationen
Ein Wechsel von flüssigkeitsgestützter zu erddruckgestützter Betriebsart ist bei den Standardmaschinen Mixschild zu EPB mit umfangreichen Umbaumaßnahmen verbunden und erweist sich in der Praxis als aufwendig und herausfordernd. Aus diesem Grund konzipierte die Herrenknecht AG einen neuen Maschinentyp, welcher die Vorteile beider Systeme vereint und dessen Vortriebsmodus ohne mechanische Modifikationen oder Umbauarbeiten angepasst werden kann. Dieser hoch flexible Maschinentyp liegt mit der von der Herrenknecht AG entwickelten Variable-Density-Maschine vor. Bei dieser kann der Wechsel zwischen den Betriebsarten fließend erfolgen, ohne Abbaukammer und Maschine verändern zu müssen. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit und um größere Umbauzeiten zu vermeiden, kommen bei kleinen Durchmessern nicht alle Betriebsmodi zum Einsatz.
Funktionsprinzip
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Vier Vortriebsmodi in einer Maschine
Eine Variable-Density-TBM kann in vier Betriebsmodi gefahren werden:
- im flüssigkeitsgestützten Modus mit normaler Bentonitsuspension (Low Density Support Medium – LDSM)
- im geschlossenen erddruckgestützten Modus mit zusätzlicher Bentonitsstützung
- im klassischen, geschlossenen erddruckgestützten Modus (EPB)
- im flüssigkeitsgestützten Modus mit High Density Support Medium (HDSM)
In den Flüssigkeitsmodi reguliert ein automatisch geregeltes Druckluftpolster den Stützdruck. In den EPB-Modi erfolgt die Stützdrucksteuerung per Austragsvolumenkontrolle – die Schneckendrehzahl und Vorschubgeschwindigkeit regeln den Stützdruck. Der Übergang von der einen in die andere Betriebsart erfolgt fließend, das heißt unter voller Beibehaltung des Stützdrucks. So kann auf Veränderungen der Ortsbrustverhältnisse jederzeit schnell und flexibel reagiert werden. Ein Kammereinstieg ist somit nicht erforderlich. Kommunizierende Röhren ersetzen die fehlende Tauchwandöffnung. Sie verbinden den vorderen Teil der Abbaukammer, die Druckkammer, mit dem hinteren Teil, der Arbeitskammer. Der Austrag aus der Abbaukammer erfolgt immer mit einem Schneckenförderer. Es sind keine weiteren Einbauten im Sohlbereich erforderlich.
Schneidrollen und Schälmesser lösen den Boden.
Flüssigkeitsstützung unter Verwendung von Bentonit- oder HDSM-Suspension mit rückwärtigem Druckluftpolster zur Stützdrucksteuerung, Erddruckbetrieb mit Füllung der Abbaukammer mit Bodenkonditionierung (Basisversion).
Schneckenförderer; wahlweise Flüssigförderung (Basisversion) oder Trockenförderung für den vollständigen Erddruckbetrieb.
Vortriebszylinder im Schild schieben die Maschine vorwärts.
Tübbingausbau
Brecher jederzeit atmosphärisch zugänglich
Hinter der Förderschnecke wird bei Flüssigförderung eine Mischkammer, die „Slurryfier-Box“ mit einem Zangen- oder Walzenbrecher installiert. Der Brecher ist jederzeit atmosphärisch zugänglich und Druckluftarbeiten zur Wartung sind nicht erforderlich.
Flexible Abraumförderung mit Doppelschnecke
Das Doppelschneckenkonzept ermöglicht im Durchmesserbereich ab etwa 6 m sowohl die Integration eines hydraulischen Förderkreislaufs im flüssigkeitsgestützten Modus als auch den Abwurf vom Schneckenförderer auf ein Förderband im erddruckgestützten Betrieb. Am Ende der ersten Förderschnecke ist hierzu ein Abwurfschieber integriert, welcher den Abraum auf ein Förderband übergibt. Im flüssigkeitsgestützten Betrieb ist der Schieber geschlossen und das ausgetragene Material gelangt am Ende der zweiten Förderschnecke in den geschlossenen Spülkasten. Dort wird der Abraum an den nachfolgenden Förderkreislauf übergeben. Stützflüssigkeit und Abraum werden dort über Rohrleitungen zu einer Separationsanlage an der Oberfläche gepumpt.
Kompakte Kurzschnecke für neue Maschinenkonzepte
Die Variable Density TBM ist auch in der Kombination mit Zugang für ein begehbares Schneidrad und einem Shuttle-Einsatz möglich. Hierdurch lassen sich Maschinenkonzepte für Vortriebe unter hohen Drücken einfacher realisieren. Für diese Fälle hat die Herrenknecht AG für die Variable Density TBM eine spezielle kompakte Kurzschneckeneinheit entwickelt.
Für den Betrieb der TBM ist eine hydraulische Materialförderung mit den beiden Betriebsmodi LDSM und HDSM vorgesehen. Die kompakte Förderschneckeneinheit ist hier im Schild integriert. Ein Einsatz im klassischen EPB-Modus mit Konditionierung ist in diesem Fall nicht vorgesehen. Die kompakte Förderschnecke weist eine verkürzte Länge von Wendel und Schneckenrohr auf, was bei abrasiven Baugrundverhältnissen vorteilhaft ist. Darüber hinaus ist die Brechereinheit im Schild direkt an die kompakte Fördereinheit gekoppelt. Die verkürzte Schnecke erfordert im Nachläuferbereich kein Auflager und engt den Erektor- und Ringbauraum somit nicht ein.
High-Density-Suspension für schwierige Mischböden
Der Betrieb einer Variable-Density-TBM mit einer High-Density-Suspension (HD) erweitert den Einsatzbereich von maschinellen Tunnelvortrieben im Lockergestein. Bei gröberen Bodenstrukturen, wie mittlere bis gröbere Kiese mit geringen Feinanteilen sowie stark geklüftetem oder verkarstetem Baugrund besteht beim Einsatz von Standardsuspensionen im Mixschildbetrieb die Gefahr von unkontrollierten Suspensionsverlusten oder Bentonitausbläsern. Um dies zu verhindern, kann die Dichte des Stützmediums bei einer Variable-Density-TBM durch Zugabe von zusätzlichen Füllstoffen erhöht werden. Durch die erhöhte Dichte der HD-Suspension wird die vertikale Steighöhe der Suspension im Boden reduziert und zusätzlich die Stützwirkung verbessert. Die Wahl zwischen der dünnflüssigen Bentonitsuspension (Low-Density Supportmedium) und dem dichteren HD-Supportmedium erweitert den Einsatzbereich der Variable-Density-TBM in gröbere Geologien maßgeblich und stellt einen entscheidenden Innovationsschritt im maschinellen Tunnelbau dar. Die HD-Suspension kann entweder durch Zugabe von außen oder unter Umständen aus dem Boden selbst gewonnen werden.
Verbesserte Materialförderung bei Böden mit erhöhtem Verklebungspotential
Die Aushubmaterialförderung aus dem Sohlbereich der Abbaukammer erfolgt bei der Variable-Density-TBM über eine Förderschnecke. Das Bodenmaterial wird dabei mechanisch - hydraulisch aus der Kammer gefördert. Verklebungen sind daher in diesem Bereich sehr unwahrscheinlich. Am Schneckenaustrag ist je nach Geologie entweder ein Zerkleinerer (Walzenbrecher) oder ein Steinbrecher nachgeschaltet, der die großen Erdklumpen für die weitere hydraulische Förderung in der Rohrleitung zerkleinert. Die beiden neuralgischen Punkte für Verklebungen beim Mixschild, die Bereiche Tauchwandöffnung und Sohle bzw. Rechen, sind bei der Variable-Density-TBM durch eine andere Gestaltung bzw. das Entfallen der Bauteile eliminiert. Hierdurch gibt es einen deutlich verbesserten Materialfluss in und aus der Kammer und weniger verfestigte Verklebungen hinter dem Schneidrad. Dieser positive Aspekt konnte bei verschiedenen Projekten in Geologien mit erhöhtem Verklebungspotential durch höhere Vortriebsleistungen demonstriert werden.
Innovative Maschinentechnik erschließt neue Anwendungsfelder
Die neuartige Variable-Density-TBM ist die ideale Vortriebsmaschine für Tunneltrassen in anspruchsvollen, stark wechselhaften Baugrundbedingungen. Vier fließend anpassbare Betriebsmodi ermöglichen maximale Flexibilität, Sicherheit und Wirtschaftlichkeit. Der speziell entwickelte HDSM-Modus erweitert den Einsatzbereich für die Flüssigkeitsstützung in gröbere Bodenstrukturen. Die Variable-Density-TBM, eine Kombination aus den klassischen Vortriebsmethoden EPB und Mix, ist die optimale, universelle Vortriebsmaschine für Lockergestein.
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.