Mega-Maulwürfe: Die Technik der Tunnelbohrmaschinen

Eine Tunnelbohrmaschine (TBM) ist weit mehr als nur ein riesiger Bohrer. Sie ist eine hochkomplexe, mobile Fabrik im Untergrund, die sich systematisch durch Erde und Fels frisst und dabei gleichzeitig den fertigen Tunnel hinterlässt.

Im Gegensatz zum klassischen Bohr- und Sprengvortrieb, der in langsamen Zyklen abläuft, arbeitet eine TBM weitgehend kontinuierlich. Während vorne an der Ortsbrust das Gestein abgebaut wird, finden im mittleren und hinteren Teil der Maschine bereits der Abtransport des Materials und der Einbau der Tunnelwände statt.

Für Ingenieure liegt die wahre Meisterschaft darin, die Maschine exakt auf die spezifische Geologie abzustimmen. Ein Tunnel durch massiven alpinen Granit erfordert völlig andere Abbauwerkzeuge und Sicherungssysteme als ein Vortrieb durch weichen, wasserführenden Sand unterhalb einer Millionenmetropole.

Die TBM muss permanent zwei gigantische Herausforderungen meistern: Den immensen Kraftaufwand für den Vortrieb aufbringen und gleichzeitig den Gebirgsdruck abfangen, der den frisch gegrabenen Hohlraum sofort wieder verschließen will.

Der sichtbarste und imposanteste Teil einer TBM ist der rotierende Bohrkopf, das sogenannte Schneidrad. Es füllt den gesamten Tunnelquerschnitt aus und ist mit hochspezialisierten Abbauwerkzeugen bestückt, die genau auf das zu erwartende Gestein abgestimmt sind.

Im extrem harten Festgestein kommen Rollmeißel (Disken) zum Einsatz. Diese massiven Stahlscheiben werden mit bis zu 30 Tonnen Anpressdruck pro Stück gegen den Fels gedrückt. Sie fräsen nicht, sondern rollen über das Gestein und sprengen durch die extrem hohe punktuelle Spannung Gesteins-Chips (sogenannte Muck-Chips) aus der Wand.

Besteht der Boden hingegen aus weichem Lockergestein (Ton, Lehm, Sand), wäre das Quetschen mit Disken ineffektiv. Hier werden Schälmesser oder Zahnzinken montiert. Sie wirken wie gigantische Hobel, die das weiche Material schichtweise von der Ortsbrust abschaben.

Das Schneidrad verfügt zudem über Öffnungen, durch die das abgelöste Material nach hinten in die sogenannte Abbaukammer der Maschine fallen kann, um abtransportiert zu werden.

Wenn das Schneidrad der Teil ist, der die Arbeit verrichtet, dann ist das Hauptlager das unverzichtbare Herzstück der Maschine. Es fungiert als mechanische Schnittstelle zwischen dem rotierenden Bohrkopf und dem stationären Maschinenschild.

Das Hauptlager ist im Grunde ein gigantisches Wälzlager, das gleich in mehrfacher Hinsicht Extreme aushalten muss. Es überträgt das gewaltige Drehmoment der leistungsstarken Elektromotoren auf das Schneidrad. Gleichzeitig muss es die enormen axialen Schubkräfte der Vortriebspressen aufnehmen und an den Bohrkopf weiterleiten.

Ingenieure betrachten das Hauptlager oft als die Achillesferse der TBM. Fällt dieses Bauteil tief im Berg aus, ist eine Reparatur extrem aufwendig bis unmöglich, da ein Austausch von außen nicht machbar ist.

Um dies zu verhindern, ist es mit hochentwickelten mehrstufigen Dichtungssystemen ausgestattet. Diese penibel überwachten Dichtungen verhindern absolut zuverlässig, dass abrasiver Gesteinsstaub oder unter Hochdruck stehender Schlamm in die Wälzkörper eindringen kann.

Wie bewegt sich eine oft tausende Tonnen schwere Maschine durch den Untergrund vorwärts? Die mechanische Antwort darauf liefern die gewaltigen hydraulischen Vortriebspressen.

Im Inneren der TBM sind ringförmig angeordnet Dutzende dieser riesigen Hydraulikzylinder verbaut. Sie drücken mit einer unvorstellbaren addierten Kraft – oft mehrere Tausend Tonnen – das Schneidrad mit seinen Werkzeugen in die Ortsbrust (das abzubauende Gestein).

Doch jede Kraft benötigt ein festes Gegenlager nach dem physikalischen Prinzip 'Actio gleich Reactio'. Bei Maschinen im weichen Gestein stützen sich die Pressen an der Stirnseite des zuletzt eingebauten Betonrings (Tübbingring) ab. Sie schieben die TBM praktisch vom fertigen Tunnel weg nach vorne.

Ist der Hub der Zylinder nach etwa 1,5 bis 2 Metern komplett ausgefahren, stoppt der Vortrieb. Die Zylinder werden wieder eingefahren und schaffen so den nötigen Platz im Schildschwanz, um den nächsten Tübbingring einzubauen. Es ist eine kontinuierliche Raupenbewegung: Schieben, Ring bauen, erneut Schieben.

Beim Tunnelbau im standsicheren Fels (wie Granit) kann die TBM oft 'offen' gefahren werden. Im weichen, instabilen Lockergestein würde das ungesicherte Bohrloch jedoch sofort einstürzen. Hier wird eine Schildmaschine eingesetzt.

Der Namensgeber dieser Maschinengattung ist der Schildmantel. Das ist ein gigantisches, zylindrisches Stahlrohr, das den vorderen Bereich der Maschine sowie die Arbeiter wie ein massiver Panzer umschließt.

Der Schildmantel nimmt den äußeren Gebirgs- und Wasserdruck auf und sichert den neu geschaffenen Hohlraum ab dem Bohrkopf bis zum hinteren Ende der Maschine. Die Stärke des Stahls wird dabei exakt auf die zu erwartenden Druckverhältnisse im Boden berechnet.

Erst im hintersten Teil dieses Stahlmantels, dem sogenannten Schildschwanz, findet unter sicherem Schutz der Einbau der permanenten Tunnelwände (Tübbinge) statt. Die Arbeiter verlassen während des gesamten Baus niemals diesen schützenden Bereich.

Beim Tunnelbau in feuchtem, bindigem Lockergestein (wie Ton oder Lehm) droht die Ortsbrust – also die gewachsene Wand direkt vor dem Bohrkopf – unter dem immensen Erddruck einzustürzen. Die brillante Lösung der Ingenieure: Der EPB-Schild (Earth Pressure Balance).

Anstatt eine teure externe Stützflüssigkeit zu verwenden, nutzt die EPB-Maschine das abgebaute Erdreich selbst, um den Druck auszugleichen. Der Bohrkopf schabt das Material ab, und dieses wird in der geschlossenen Abbaukammer unter Druck gestaut.

Um den perfekten Stützdruck aufzubauen, muss der Boden konditioniert werden. Über spezielle Düsen am Schneidrad wird Wasser und Tensid-Schaum injiziert. So verwandelt sich der bröckelige oder zähe Boden in eine breiige, fließfähige Paste, die die Ortsbrust aktiv stützt.

Die Kunst des Maschinisten besteht darin, über einen nachgeschalteten Schneckenförderer exakt nur so viel Material abzuführen, wie vorne neu abgebaut wird. So bleibt die Balance im Berg erhalten, und katastrophale Setzungen an der Oberfläche (z.B. unter Häusern) werden vermieden.

Wenn die Geologie extrem grobkörnig, durchlässig und von hohem Grundwasserdruck geprägt ist – etwa bei Flussunterquerungen – stößt das EPB-System an seine physikalischen Grenzen. Hier schlägt die Stunde des Flüssigkeitsschilds (Mixschild).

Anstatt Erdreich zu stauen, wird die Abbaukammer hierbei unter Druck mit einer Bentonitsuspension gefüllt. Bentonit ist ein spezielles Tonmineral, das in Wasser stark aufquillt. Diese Suspension dringt einige Zentimeter in den anstehenden durchlässigen Boden ein und bildet dort eine nahezu undurchlässige Membran – den Filterkuchen.

Dieser Filterkuchen versiegelt die Ortsbrust hermetisch. Die Flüssigkeit in der Kammer kann nun exakt mit Druckluft beaufschlagt werden, um dem enormen Grundwasser- und Erddruck im Berg millimetergenau entgegenzuwirken.

Das abgelöste Gestein fällt direkt in diese Flüssigkeit. Über riesige Rohrleitungen (den Slurry-Kreislauf) wird das Gemisch nach draußen gepumpt. In einer Separationsanlage über Tage wird das Gestein abgetrennt und das wertvolle Bentonit wieder in den Tunnel gepumpt.

Jeder Zentimeter Tunnelvortrieb produziert riesige Mengen an Gestein und Schutt (den sogenannten Ausbruch). Dieser muss effizient aus der Maschine an die Oberfläche transportiert werden, ohne den Druckausgleich an der Ortsbrust zu stören.

Bei einer Hartgestein-TBM ist dies relativ simpel: Das trockene Gestein fällt durch das Schneidrad auf ein System von Förderbändern. Diese Bänder laufen an der Tunneldecke oft über Kilometer hinweg bis zum Tunnelportal.

Beim EPB-Schild ist die Abförderung gleichzeitig das Werkzeug zur Druckkontrolle. Hier wird ein massiver Schneckenförderer (ähnlich einem überdimensionalen Fleischwolf) eingesetzt. Durch die Drehgeschwindigkeit der Schnecke steuert der TBM-Fahrer exakt, wie schnell die zähe Erdpaste aus der unter Druck stehenden Abbaukammer auf das atmosphärische Förderband entweicht.

Beim Mixschild hingegen wird das Material gar nicht trocken gefördert, sondern im Slurry-Kreislauf zusammen mit der Bentonitflüssigkeit rein hydraulisch durch massive Rohrleitungen an die Erdoberfläche gepumpt.

Während sich die TBM langsam durch den Berg bohrt, muss der rohe, ausgebrochene Hohlraum sofort gesichert werden. Bei Schildmaschinen geschieht dies im hinteren Maschinenbereich durch den mechanisierten Tübbingausbau.

Tübbinge sind extrem präzise gefertigte, oft mehrere Tonnen schwere Stahlbetonsegmente. Sie werden im geschützten Bereich des hinteren Schildmantels (dem Schildschwanz) von einem mechanischen Roboterarm, dem Erektor, per Vakuum angesaugt und millimetergenau an die Tunnelwand gesetzt.

Ein vollständiger Tunnelring besteht typischerweise aus 5 bis 8 Standardsegmenten und einem kleineren, keilförmigen Schlussstein. Dieser Schlussstein wird als letztes Element axial eingeschoben, wodurch sich der gesamte Betonring spreizt und in sich selbst verriegelt.

Jeder einzelne Tübbing ist an den Rändern mit speziellen, hochbelastbaren Elastomer-Dichtungen versehen. Sobald die Segmente verschraubt und zusammengepresst sind, entsteht Schritt für Schritt eine hochbelastbare, absolut wasserdichte Tunnelröhre.

Die Tunnelbohrmaschine gräbt technisch bedingt immer ein Loch, das durch den sogenannten Überschnitt minimal größer ist als der Außendurchmesser der fertigen Betonröhre. Dieser verbleibende Hohlraum zwischen dem Gebirge und den Tübbingen wird als Ringspalt bezeichnet.

Würde man diesen Spalt ignorieren, könnte sich das umgebende Erdreich absenken, was an der Oberfläche zu katastrophalen Bauschäden führen würde. Daher wird der Ringspalt noch während des Vorrückens der Maschine unter hohem Druck permanent mit einem speziellen Zementmörtel verpresst.

Dies birgt jedoch ein Risiko am Übergang zwischen dem fahrenden Stahlschild der TBM und dem stationären Betonring. Hier greift die Schildschwanzdichtung.

Mehrere Reihen von massiven Drahtbürsten, die kontinuierlich mit speziellem Fett vollgepumpt werden, dichten diesen Übergang gleitend ab. Sie verhindern, dass Grundwasser oder der frisch injizierte Ringspaltmörtel von hinten in das Innere der TBM strömen – die absolute Lebensversicherung für die Mineure.