Eine Tunnelbohrmaschine ist eine Maschine , die es ermöglicht, raben den Tunneln im Boden und in verschiedenen Gesteinen im Bereich von Sand zu Granit . Der Durchmesser der gebohrten Rundtunnel liegt derzeit zwischen einem und 17,6 Metern. Bei Löchern mit einem Durchmesser von weniger als 1,5 oder 2 Metern werden diese Maschinen als Microtunneler bezeichnet.
Die TBM wird alternativ zum Vortrieb durch manuelles, maschinelles oder explosives Schneiden eingesetzt . Es hat den Vorteil, Störungen im umgebenden Gestein zu begrenzen und eine glatte Tunnelwand zu erzeugen. Diese Faktoren machen es besonders für stark urbanisierte Gebiete geeignet und reduzieren die Kosten für Wandverkleidungen erheblich. Der Hauptnachteil der Tunnelbohrmaschine sind die hohen Anschaffungs- und Transportkosten. Es wird jedoch für lange Tunnel (über 1,5 km ) konkurrenzfähig, da es schneller gräbt als herkömmlicher Holzeinschlag.
Die TBM in erschien XIX - ten Jahrhundert mit der industriellen Revolution . Der erste Tunnelschild wurde 1818 patentiert und 1825 von Marc Isambart Brunel für den Bau des Tunnels unter der Themse verwendet . Es handelte sich jedoch nicht um eine Tunnelbohrmaschine im heutigen Sinne, denn der Steinschlag blieb manuell.
Die erste gebaute Tunnelvortriebsmaschine war die Mountain Slicer , die 1845 vom König von Sardinien beauftragt wurde, den Eisenbahntunnel von Fréjus zwischen Frankreich und Italien zu durchbohren . Im folgenden Jahr zusammengebaut, bestand die Kreation des belgischen Ingenieurs Henri Maus aus hundert pneumatischen Perforatoren, die vor einer Lokomotive montiert waren. Zwei Jahre lang wurde die Maschine erfolgreich getestet, aber die Revolutionen von 1848 beeinflussten die Finanzierung und der Tunnel wurde erst zehn Jahre später und mit weniger kostspieligen Techniken fertiggestellt.
Im Jahr 1853 wurde in den Vereinigten Staaten die erste Hartgestein-Tunnelbohrmaschine mit dem Namen Wilson's Patented Stone-Cutting Machine, benannt nach ihrem Erfinder Charles Wilson, während des Baus des Hoosac-Tunnels getestet . Wilsons Maschine war ein Vorbote moderner Tunnelbohrmaschinen, da sie Schneidräder verwendet, die an einem rotierenden Kopf befestigt sind. Diese Dampfmaschine erwies sich jedoch bereits nach 3 Metern im Granit als zu schwach, um ihre Aufgabe fortzusetzen . Nach diesem Misserfolg wird es ein Jahrhundert dauern, bis die Tunnelbohrmaschinen wieder hartes Gestein in Angriff nehmen.
Die erste wirklich einsatzfähige Tunnelbohrmaschine wurde 1875 von Frederick Beaumont erfunden und 1880 von Thomas English verbessert. ZwischenJuni 1882 und März 1883bohrten zwei "Beaumont-English-Maschinen" beiderseits des Ärmelkanals Pilottunnel von je 1,8 Kilometern Länge in die Kreide, bevor das Tunnelprojekt zwischen Frankreich und England aus militärischen Gründen aufgegeben wurde. Die Tunnelbohrmaschine wird wiederverwendet, um einen 2 km langen Belüftungstunnel zwischen Birkenhead und Liverpool zu graben . Aufgrund dieser Erfolge wurde die Technologie in den folgenden Jahren weiterentwickelt, doch als sich Tunnelbohrmaschinen als teuer erwiesen und kein hartes Gestein abgebaut werden konnten, ließ das Interesse nach. Es ist in den Kohlengruben und Kali , oder das Gestein ist weicher, wird diese Technologie bis zur Mitte des überleben XX - ten Jahrhundert .
Im Jahr 1952 wurde der Ingenieur James Robbins beauftragt, die von der Bergbauindustrie verwendeten Methoden anzupassen, um einen Umleitungstunnel für den Oahe-Staudamm in South Dakota zu bauen . Zu diesem Zweck konstruierte er die erste moderne Tunnelbohrmaschine, eine 125-Tonnen-Maschine, die mit einem großen Schneidrad (7,8 Meter) mit Rollen und Zähnen ausgestattet ist, das 48 Meter Schiefer pro Tag abtragen kann . Drei Jahre später gründete er das nach ihm benannte Unternehmen und baute die erste Hartgestein-Tunnelbohrmaschine nur mit Rändelrädern, um in Toronto einen Abwassertunnel zu graben . Die Robbins Company erfand dann die erste Tunnelbohrmaschine mit einer druckbeaufschlagten Front (durch Druckluft), die 1964 das Bohren der Linie A des Pariser RER ermöglichte . Im selben Jahr patentierte der englische Ingenieur John Bartlett die erste Tunnelbohrmaschine mit a Front mit Schlammdruck beaufschlagt, die 1971 erfolgreich getestet wurde. 1972 wurde in Zusammenarbeit mit Robbins Jr. die erste doppelwandige Tunnelbohrmaschine entwickelt und zum Bau eines Tunnels im Werk Orichella in Italien aus gebrochenem Granit verwendet. Diese Art von Tunnelbohrmaschine wird ihre ganze Leistungsfähigkeit beim Bau des Ärmelkanaltunnels Ende der 1980er Jahre unter Beweis stellen .
Seit den 1990er Jahren hat der technische Fortschritt drei große Innovationen ermöglicht:
Eine Tunnelbohrmaschine erfüllt mehrere Funktionen:
Um diese unterschiedlichen Funktionen zu erfüllen, ist die Tunnelbohrmaschine mit einer speziellen Ausrüstung ausgestattet:
Hardrock.
Soft Rock.
Gemischter Rock.
Der Harvesterkopf ist das vordere Ende der Tunnelbohrmaschine. Meist handelt es sich um ein rotierendes Schneidrad, das, gegen die Ortsbrust gepresst, mit daran befestigten Werkzeugen für den Abtrag des Gesteins sorgt. Für hartes Gestein sind diese Werkzeuge Rändelungen, die durch Drehen Furchen graben, die das Gestein schwächen, bis es bricht. Bei weichem Gestein sind es Zähne und Messer, die das Gesicht der Größe abkratzen.
Kleinere Tunnelbohrmaschinen können einen Baggerarm verwenden, der weniger teuer ist als ein Schneidrad. Auch die Tunnelbohrmaschinen, mit denen die Stützen bestehender Tunnel rückgebaut werden, sind mit einem gelenkigen Abbrucharm ausgestattet.
Wenn das Gestein, in das der Tunnel gegraben wird, undurchlässig und widerstandsfähig ist ( Basalt , Granit , Gneis ), dient es allein den Wänden als Stütze. Der Kopf der Tunnelbohrmaschine braucht keinen Schutz. Manchmal ist sein oberer Teil noch durch eine Kappe vor Erdrutschen geschützt und eine primäre Stütze für die Wand wird angebracht (Schrauben, Biegen oder Spritzbeton ).
Wenn eine Tunnelbohrmaschine gräbt undurchlässiges , aber weich oder gebrochenes Gestein, Segmentringe sollten die Wände des Tunnels zu unterstützen , gelegt werden. Auch zwischen dem Schneidrad und dem Aufstellsystem dieser Tübbinge muss der Korpus der Tunnelbohrmaschine den Erhalt des Gesteins gewährleisten. In einem solchen Fall wird dieser Teil der Maschine als "Schild" bezeichnet. Der Schild besteht aus dem Frontschild, das das Schneidrad isoliert, und der Schürze, die Ausrüstung und Arbeiter schützt.
Druckbeaufschlagte vordere TunnelbohrmaschineUm in festes Gestein zu graben, ist es nicht erforderlich, die Ortsbrust zu stabilisieren, aber um in instabilem Boden oder unter Wasserspiegeln zu graben , ist es notwendig, den auf das Schneidrad der Maschine ausgeübten Druck auszugleichen, um das Eindringen von Wasser und das Absinken von Land auf der Oberfläche ( Siedlungen ). Mehrere Rückhaltetechniken ermöglichen es dann, den Raum zwischen Ortsbrust und Schild einer Tunnelbohrmaschine unter Druck zu setzen:
Bediener, die das Schneidrad warten müssen, sind hohen Drücken ausgesetzt und müssen eine Druckentlastungskammer passieren, um Zugang zu erhalten.
Wenn das Gestein hart genug ist, wird es durch am Umfang des Schneidrades angebrachte Eimer evakuiert, die es anheben und auf ein Förderband kippen .
Ist die Tunnelbohrmaschine mit einem Schild ausgestattet, wird der Raum zwischen diesem und dem Schneidrad als „Fällkammer“ bezeichnet. Öffnungen im Schneidrad konzentrieren das gefällte Material in diesem Raum. Je nach Beschaffenheit des Bohrkleins werden diese nach Vermischung mit Bentonitschlamm (Schlammdruck-Tunnelbohrmaschine) durch eine archimedische Schnecke oder durch Pumpen aus der Fällkammer evakuiert .
Der Vortrieb einer Tunnelbohrmaschine erfolgt über Hydraulikheber, die sich entweder an der Tunnelwand über Bolzen (Radialstütze) abstützen, wenn das Gestein hart genug ist, oder auf der Abstützung des bereits vorhandenen Tunnels (Längsstütze) .
Der Vortrieb einer Tunnelbohrmaschine erfolgt in zwei Stufen. Zunächst drücken die Schubzylinder das Schneidrad gegen die Ortsbrust, damit es sich in den Fels gräbt. In einem zweiten Schritt stoppt das Graben und die Heber fahren zurück, um das Vorschieben der Steigeisen oder das Einsetzen neuer Segmente zu ermöglichen.
Einige Tunnelbohrmaschinen sind mit Doppelschürzen ausgestattet, wodurch sie schneller sind. Eine Schürze ist in Bezug auf die andere teleskopierbar, was die Installation von Segmenten während der Grabungsphase ermöglicht.
Anfang des folgenden Zuges ist das Ende der archimedischen Schraube sichtbar.
Nahrung (Wasser, Strom), Lüftung und Förderband.
Eine Tunnelbohrmaschine ist eine Anlage von mehreren zehn Metern Länge.
Wenn eine Tunnelbohrmaschine mit dem Ausheben ihres Tunnels fertig ist, kann sie einen kurzen divergenten Tunnel graben, in dem sie aufgegeben wird, aber in den meisten Fällen wird sie geborgen (Demontage im Tunnel).
Einige der längsten Tunnel der Welt wurden mit Tunnelbohrmaschinen gebohrt. Die Realisierung des Ärmelkanaltunnels (50 km ) erforderte den Einsatz von 11 verschiedenen Tunnelbohrmaschinen, die von 1987 bis 1991 zusammen 148 km Stollen bohrten . Die 152 km Stollen des Saint-Gothard-Basistunnels (57 km ) wurden größtenteils ausgebrochen durch vier Hartgesteinstunnelbohrmaschinen zwischen 2003 und 2011.
Gerade beim Bau von U-Bahn- Linien hat sich die Tunnelbohrmaschine zum Werkzeug der Wahl entwickelt, weil sie schnell ist, Gräben vermeidet und Setzungen und Vibrationen begrenzt. Der Tunnel der ersten Crossrail- Linie , die London durchquert , wurde so in zwei Jahren von acht Tunnelbohrmaschinen gebaut, die bis zu 72 Meter pro Tag gruben. Beim Bau der drei Linien der U-Bahn von Doha wurden 21 Tunnelbohrmaschinen gleichzeitig eingesetzt. Die Linie 15 der Pariser Metro wiederum benötigt nicht weniger als zehn TBM, um ihren 33 km langen südlichen Abschnitt auszuheben .
Die spektakulärsten Tunnelbohrmaschinen werden bei großen Tiefbauprojekten, vor allem im Verkehrsbereich, oft in den Medien behandelt. Ihr Durchmesser von mehr als 14 Metern ermöglicht die Überlagerung der Fahrspuren in einem einzigen Tunnel.
Familienname, Nachname | Hersteller | Durchmesser | Jahre
aktiv |
Distanz
gegraben |
Projekt | Bemerkungen |
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Hartgestein Tunnelbohrmaschinen | ||||||
Big Becky | Robbins | 14,4 m | 2006-2011 | 10,4 km | Beck Tunnel | Erzwungenes Fahren . |
Schildtunnelbohrmaschinen | ||||||
Herrenknecht | 17,6 m | 2015- | 4,2 km | Tuen Mun Tunnel - Chek Lap Kok | Autobahn. Erddruck-Tunnelbohrmaschine. | |
Bertha | Hitachi Zosen | 17,4 m | 2013-2017 | 2,8 km | Alaskan Way-Tunnel | Autobahn. Erddruck-Tunnelbohrmaschine. |
Mitsubishi / IHI | 16,1 m² | 2017- | 9 km | Tokio-Gaikan-Schnellstraße | Westteil. 4 identische Tunnelbohrmaschinen. | |
Herrenknecht | 15,8 m | 2016- | 7,5 km | Santa Lucia- Tunnel | Autobahn. Erddruck-Tunnelbohrmaschine. | |
NFM-Technologien | 14,8 m | 2000-2004 | 7,1 km | Groene-Hart- Tunnel | LGV . Schlammdruck-Tunnelbohrmaschine. |
Die erste Tunnelbohrmaschine mit einem Durchmesser von über 15 Metern wurde 2005 beim Bau des Tunnels für die Ringautobahn M-30 in Madrid eingesetzt . 2013 überquerte die Tunnelbohrmaschine „Bertha“ die 17-Meter-Durchmesser-Barriere auf der Tunnelbaustelle Alaskan Way Viaduct Ersatzautobahn in Seattle .
Für den Bau eines Straßentunnels unter der Newa in Sankt Petersburg wurde 2007 eine Tunnelbohrmaschine mit einem Durchmesser von 19 Metern vorgeschlagen , die jedoch 2011 wegen fehlender Finanzierung aufgegeben wurde.
In Europa wurden in Italien die größten Tunnelbohrmaschinen eingesetzt . InDezember 2010, eine Tunnelbohrmaschine mit einem Durchmesser von 15,62 Metern namens „Martina“ wurde für den Bau des Sparvo-Autobahntunnels auf der Autobahn Variante di Valico im Apennin in Betrieb genommen . Seit 2016 wird dieser Rekord von einer neuen Maschine von Herrenknecht nur knapp gebrochen . Diese 15,87 m breite und 4.800 Tonnen schwere Tunnelbohrmaschine gräbt derzeit den Autobahntunnel Santa Lucia.
Eine Tunnelbohrmaschine kann zum Bau eines Wasserversorgungsnetzes , für Abwasserkanäle und zum Vergraben von Hochspannungsleitungen verwendet werden. Diese Realisierungsarten haben kleinere Durchmesser.
Eine vertikale Tunnelbohrmaschine oder vertikale Schachtmaschine (VSM) besteht aus einem Teleskopbaggerarm, der den Boden am Boden eines Brunnens gräbt. Anstatt wie bei einer herkömmlichen Tunnelbohrmaschine hinter dem Schneidkopf, werden die Wände des Schachts oben an diesem montiert und drücken die Baugruppe nach unten. Diese Konfiguration ermöglicht es, die komplexe Maschinerie, die die Wände an der Außenseite montiert, aufrechtzuerhalten. Der Bagger kann unter Wasser betrieben werden, um ein Absinken des Grundwasserspiegels und induzierte Setzungen während des Bohrens zu verhindern.
In St. Petersburg wurden mit einer Erddruck-Tunnelbohrmaschine die 102 Meter tiefen Zufahrtsrampen zur U-Bahn- Station Admiralteiskaïa gebohrt , ohne die umliegenden denkmalgeschützten Gebäude zu beschädigen. Obwohl die gegrabene Strecke kurz war (weniger als 200 Meter), erwies sich der Einsatz der Tunnelbohrmaschine als wirtschaftlich, da diese bis auf das Schneidrad dreimal wiederverwendet wurde. Statt waagerecht am Schachtboden wurde die Tunnelbohrmaschine mit einer Neigung von 30 Grad von der Oberfläche aus gestartet und mit Seilen gehalten.
Der Bau von oberflächennahen Passagen erfordert Tunnel mit rechteckigem Querschnitt. Traditionell in Gräben gebaut, kann dieser Tunneltyp mit einer rechteckigen Tunnelbohrmaschine hergestellt werden, deren Schneidkopf mit mehreren Bohrern ausgestattet ist. Wie bei vertikalen Tunnelbohrmaschinen können die Tübbinge außerhalb des Tunnels montiert werden und die Baugruppe schieben. Diese Technologie wurde 2014 eingesetzt, um vier Straßentunnel in Zhengzhou fertigzustellen und im darauffolgenden Jahr in Singapur und Neu-Delhi Tunnel zu U-Bahn-Stationen zu erschließen .