Tunnelbohrschild

Ein Tunnelvortriebsschild ist eine Schutzkonstruktion, die beim Vortrieb großer, künstlicher Tunnel eingesetzt wird . Beim Vortrieb durch weichen, flüssigen oder anderweitig instabilen Untergrund besteht die Gefahr von herabfallenden Materialien oder Einstürzen für die Arbeiter und das gesamte Projekt. Ein Tunnelvortriebsschild dient als temporäre Stützkonstruktion. Er wird üblicherweise kurzfristig eingesetzt, vom Beginn des Tunnelvortriebs bis zur Errichtung einer permanenten Stützkonstruktion. Diese kann je nach Epoche aus Ziegeln, Beton, Gusseisen oder Stahl bestehen. Obwohl moderne Schilde meist zylindrisch sind, war der erste „Schild“, entworfen von Marc Isambard Brunel , tatsächlich eine große, rechteckige, gerüstartige Eisenkonstruktion mit drei Ebenen und zwölf Abschnitten pro Ebene sowie einer massiven, tragenden Oberseite. Die Konstruktion schützte die Arbeiter vor Einstürzen, während sie darin den Tunnel vor dem Schild vortrieben.

Der erste erfolgreiche rechteckige Tunnelvortriebsschild wurde von Marc Isambard Brunel entwickelt und im Januar 1818 zusammen mit Lord Cochrane patentiert . Brunel und sein Sohn Isambard Kingdom Brunel nutzten ihn ab 1825 für den Bau des Themsetunnels (der allerdings erst 1843 eröffnet wurde). ^{[ 1 ] [ 2 ]} Brunel soll sich bei seiner Konstruktion vom Panzer des Schiffsbohrwurms inspirieren lassen haben , einem Weichtier, dessen Effizienz beim Durchbohren von unter Wasser liegendem Holz er während seiner Arbeit auf einer Werft beobachtet hatte. ^{[ 1 ]} Der Schild wurde von der Firma Maudslay, Sons & Field aus Lambeth, London, gebaut , die auch die Dampfpumpen zur Wasserhaltung im Tunnel fertigte.

Dieser Schild bestand aus Gusseisen und wurde mithilfe von Spindeln bewegt. Regale stützten die verschiedenen Seiten, bis eine dauerhaftere Ziegelverkleidung angebracht werden konnte. Seine Abmessungen betrugen 6,78 m × 11,43 m. ^{[ 3 ]} Trotz des Erfolgs machten die enormen Kosten und die aufgetretenen Probleme einen weiteren Versuch seiner Methode zu einer gewaltigen Aufgabe, die erst ein Vierteljahrhundert später unternommen wurde. ^{[ 3 ]}

1840 schlug Alfred Ely Beach , Herausgeber der Zeitschrift Scientific American , als Erster vor, dass ein kreisförmiges Design Brunels rechteckigem Design überlegen sei. 1869 baute Beach einen kreisförmigen Schild ^{[ 2 ]} , dessen Abbildung in einem New Yorker Zeitungsartikel über seine Idee eines pneumatischen Tunnelsystems abgedruckt wurde. Die Konstruktion basierte auf Brunels Schildgitter und wurde mithilfe von Spindelhebern vorwärtsbewegt, während die Front manuell vorgeschoben wurde.

1864 meldete Peter W. Barlow ein Designpatent für einen Schild mit kreisförmigem Querschnitt an. Theoretisch sollte dies den Bau des Schildes vereinfachen und seine Stabilität im umliegenden Erdreich verbessern; allerdings nur theoretisch, da nie ein Schild nach diesem Entwurf errichtet wurde. ^{[ 3 ]} Das Barlow-Patent von 1864 wurde weiterentwickelt und 1868 vorläufig patentiert, jedoch nie ratifiziert, da Barlow kurz darauf verstarb.

Brunels ursprünglicher Entwurf wurde von James Henry Greathead wesentlich verbessert , dem drei Patente für verschiedene Schildkonstruktionen erteilt wurden. Darüber hinaus erfand er das Konzept des Spritzbetonverfahrens zur Stabilisierung von Erdarbeiten mit Injektionsbeton, einer Spritzwanne, die hydraulisch Bewehrungsmörtel in die Hohlräume zwischen der errichteten Auskleidung und der kreisförmigen Tunnelwand injizierte. ^{[ 3 ]}

Greathead setzte als Erster einen zylindrischen Tunnelbohrschild beim Bau der Tower Subway unter der Themse im Zentrum Londons im Jahr 1869 ein. ^{[ 3 ]} Der Greathead-Schild hatte einen Durchmesser von 2,21 Metern (7 Fuß 3 Zoll). Auch Alfred Ely Beach eröffnete seinen Tunnel am 1. März 1870 für die Öffentlichkeit.

Greathead setzte einen solchen Schild auch beim Bau der City and South London Railway (heute Teil der Northern Line der Londoner U-Bahn ) im Jahr 1884 ein, deren Tunnel einen Durchmesser von 3,1 Metern (10 Fuß 2 Zoll) hatten. Sein Schild wurde auch beim Vortrieb des 3,7 Meter (12 Fuß 1 Zoll) breiten Tunnels verwendet.+ Die Tunnelröhren der Waterloo & City Railway, die 1898 eröffnet wurde, hatten einen Durchmesser von 3/4 Zoll (3,7 m) . Die Stationstunnel der City Station (heute Bank Station) besaßen damals den größten Tunnelvortriebsschild der Welt mit einem Durchmesser von 23 Fuß (7,0 m).

Ein originaler Greathead-Schild, der beim Aushub der tiefen Londoner U-Bahn-Linien verwendet wurde, befindet sich noch immer in stillgelegten Tunneln unterhalb der Station Moorgate . ^{[ 4 ]}

Die meisten Tunnelbohrschilde basieren immer noch lose auf Greatheads Konstruktion. ^{[ 5 ]}

Beim frühen Schildvortrieb diente der Schild dem Schutz der Arbeiter, die den Vortrieb durchführten und ihn nach und nach durch vorgefertigte Tunnelwandelemente ersetzten. Die ersten tiefen Tunnel der Londoner U-Bahn wurden auf diese Weise gebaut. Der Schild teilte die Ortsbrust in sich überlappende Abschnitte, die jeder Arbeiter bearbeiten konnte.

Eine Tunnelbohrmaschine (TBM) besteht aus einem Schild (einem großen Metallzylinder) und nachlaufenden Stützmechanismen.

Am vorderen Ende des Schildes befindet sich ein rotierendes Schneidrad. Dahinter liegt eine Kammer, in der der Aushub je nach TBM-Typ entweder mit Suspension vermischt (sogenannte Suspensions-TBM) oder unverändert verbleibt (Erddruckausgleichs- oder EPB-Schild). Die Wahl des TBM-Typs hängt von den Bodenverhältnissen ab. Systeme zum Abtransport des Aushubs (bzw. des mit Suspension vermischten Aushubs) sind ebenfalls vorhanden.

Hinter der Kammer befindet sich ein Satz hydraulischer Pressen, die vom fertigen Tunnelabschnitt getragen werden und die Tunnelbohrmaschine (TBM) vorwärts schieben. Sobald eine bestimmte Strecke (etwa 1,5–2 Meter) vorgegraben ist, wird mithilfe des Montagesystems ein neuer Tunnelring errichtet. Das Montagesystem ist ein Drehsystem, das vorgefertigte Betonsegmente aufnimmt und an der gewünschten Stelle platziert.

Hinter dem Schild, im Inneren des fertigen Tunnelabschnitts, befinden sich verschiedene Unterstützungsmechanismen, die Teil der Tunnelbohrmaschine sind: Erdaushub, gegebenenfalls Schlammleitungen, Kontrollräume, Schienen für den Transport der Fertigteilsegmente usw.

Die Tunnelauskleidung bildet die Tunnelwand. Sie besteht üblicherweise aus vorgefertigten Betonsegmenten, die Ringe bilden. In den Tunneln der Londoner U-Bahn wurden traditionell Gusseisenauskleidungen verwendet , während andernorts mitunter Stahlauskleidungen zum Einsatz kamen. Das Konzept der Verwendung vorgefertigter, profilierter Auskleidungselemente ist nicht neu und wurde erstmals 1874 von James Henry Greathead patentiert .

In Japan gibt es mehrere innovative Verfahren für den Schildvortrieb, z. B. den Double-O-Tube oder DOT-Tunnel. Dieser Tunnel ähnelt zwei sich überlappenden Kreisen. Es gibt auch Schilde mit computergesteuerten Armen, mit denen Tunnel in nahezu jeder Form gegraben werden können. ^{[ 6 ]}

• Strebbau , eine Kohleabbaumethode, bei der eine Reihe von hydraulischen Schilden zum Einsatz kommt

• Ein Bild vom manuellen Tunnelvortrieb mit einem Greathead-Schild