Kommen wir dem Universalschild näher?

Einteilung der geschlossenen Bauweise
Im vorliegenden Anwendungsfall werden im Zusammenhang mit der geschlossenen Bauweise zwei Hauptverfahrensgruppen unterschieden [1]:

• Grabenloser Leitungsbau durch Vortrieb von Leitungen
• Tunnel- und Stollenvortriebsverfahren
  

Bei Tunnel- und Stollenvortriebsverfahren erfolgen Sicherung und/oder Ausbau des aufgefahrenen Hohlraumes in Abhängigkeit z.B. von der Verfahrenstechnik, der Standfestigkeit des Gebirges und des Verwendungszweckes mit Ortbeton, Spritzbeton oder vorgefertigten Segmenten (Tübbingen). Auf diese Verfahrensgruppe, die maßgeblich beim Bau von Verkehrstunneln eingesetzt wird, wird nachfolgend nicht näher eingegangen.

Unter dem Begriff "Grabenloser Leitungsbau durch Vortrieb von Leitungen" - nachfolgend auch nur grabenloser Leitungsbau genannt - wird "der unterirdische Einbau von Leitungen durch Einziehen, Einschieben, Einpressen oder Einrammen in einen durch Bohren im Boden geschaffenen Hohlraum (Bohrloch)" [1] verstanden. Er beinhaltet damit die unterirdische Verlegung von begehbaren und nichtbegehbaren Ver- und Entsorgungsleitungen (englisch: "Utilities") in Form der Einzelverlegung von Kabeln für Elektrizität, Kommunikation etc. und Rohrleitungen für Erdgas, Wasser, Abwasser, Fernwärme, Öl etc. sowie Leitungskanälen und Leitungsgängen [2] mit beliebigen Durchmessern bzw. Abmessungen für die Mehrfachverlegung.

Im begehbaren Nennweitenbereich kommt überwiegend der Rohrvortrieb (engl.: pipe jacking) zur Anwendung (Bild 1). Bei diesem Verfahren werden von einem Startschacht aus mit Hilfe einer Pressstation bzw. einer Hauptpressstation unter Zuhilfenahme von Zwischenpressstationen Vortriebsrohre durch den Baugrund bis in einen Zielschacht vorgetrieben. Der Vortrieb in gerader oder gekrümmter Linienführung wird dabei durch eine steuerbare Schildmaschine ermöglicht, die dem ersten Rohr vorgeschaltet ist und Gegenstand der nachfolgenden Ausführungen ist [1].

Zurzeit kommen beim Rohrvortrieb fast ausnahmslos Vortriebsrohre mit Kreisquerschnitt zur Anwendung. Nach oben wird die Grenze der zum Einsatz gelangenden Rohrdurchmesser durch die wirtschaftlichen Aspekte der Rohrfertigung und der Vortriebstechnik, die gesetzlichen Einschränkungen für den Transport der Rohre sowie das Rohrgewicht bestimmt. Die Transportgrenzen für Rohre allgemein dürften unter Berücksichtigung von §70 "Ausnahmen" der StVZO (Straßenverkehrs-Zulassungs-Ordnung) [3] sowie §29 "Übermäßige Straßenbenutzung" Abs. 3 der STVO (Straßenverkehrs-Ordnung) [4] bei etwa 5,4 m Außendurchmesser und 50 t Gewicht liegen [5].

Einteilung der Schildmaschinen
Die Schildmaschine hat beim Rohrvortrieb die Aufgaben

• die Mannschaft zu schützen,
• den nötigen Hohlraum zu schaffen, damit der nachfolgende Rohrstrang mit einem Mindestmaß an Bodenverformungen bei geringst möglicher Mantelreibung eingepresst werden kann,
• den Hohlraum solange zu sichern, bis die Vortriebsrohre endgültig alle Lasten und Kräfte aufnehmen,
• die Ortsbrust gegen hereinbrechendes Locker-/Festgestein sowie Grundwasser zu sichern und
• den Vortrieb bei Einhaltung der zugelassenen Abweichungen auf der geplanten Trasse und Gradiente zu steuern [1].

Auf dem Markt gibt es eine Vielzahl von Schildmaschinen, die sich voneinander insbesondere durch die Stützung des anstehenden Erd- und Wasserdruckes und durch die Art des Gesteinsabbaus an der Ortsbrust unterscheiden. In diesem Zusammenhang wird übergeordnet zwischen zwei Schildgrundtypen differenziert [1]:

• Offene Schildmaschinen besitzen keinen druckdichten Abschluss zwischen Ortsbrust und nachfolgendem Rohrstrang. Sie zeichnen sich durch eine relativ gute Zugänglichkeit zur Ortsbrust und einfach zu handhabende Maschinentechnik aus.
• Geschlossene Schildmaschinen sind mit einer Druckwand (Trennschott) zwischen Ortsbrust und Schildschwanz zum Aufbau eines künstlichen Druckes ausgerüstet. Sie werden in Abhängigkeit des verwendeten Stützmittels als Druckluft-, Flüssigkeits- oder Erddruckschilde ausgeführt.

In Abhängigkeit der Abbaumethode an der Ortbrust werden die Schildmaschinen weiterhin unterteilt in [6,7]

• Schildmaschinen mit teilflächigem Abbau (Teilschnittabbau)
• Schildmaschinen mit vollflächigem Abbau (Vollschnittabbau)
   

Ihre Kombinationsmöglichkeiten mit den unterschiedlichen Verfahren zur Stützung der Ortsbrust und die zugehörigen Beizeichnungen zeigt Bild 2. Diese Systematik basiert auf einer im Jahr 1997 erstmals in dieser Form als gemeinsame Empfehlung des Deutschen Ausschusses für unterirdisches Bauen e.V., der Österreichischen Gesellschaft für Geomechanik, der Forschungsgesellschaft für das Verkehrs- und Straßenwesen und der Fachgruppe für Untertagebau des Schweizerischen Ingenieur- und Architektenvereins veröffentlichten Beitrags in [6] und [8]. Dieser wurde im Jahre 2003 von Stein, D. [1] auf den Rohrvortrieb übertragen und um eine ausführliche Schildsystematik in Tabellenform (s. Tabelle 9-2 auf S. 391 in [1]) [9] sowie verschiedene, auch international gebräuchliche Sonderformen erweitert. Neu aufgenommen wurde hier der Schildtyp SM-T5 "Schildmaschinen mit teilflächigem Abbau und Ortsbrust mit Erddruckstützung" (Bild 2), der unter der Bezeichnung hilco-Varioschild seit vielen Jahren erfolgreich im Rohrvortrieb eingesetzt wird und Gegenstand der nachfolgenden Betrachtungen ist.

Planmäßige Verfahrenswechsel durch Umstellung
Trotz zahlreicher Bemühungen der Maschinenhersteller ist es bisher noch nicht gelungen, eine universelle Schildmaschine zu entwickeln, die in der Lage ist, unter allen möglichen geologischen und hydrogeologischen Verhältnissen, vortriebsspezifischen Randbedingungen (z.B. Vortriebslänge, Rohrnennweite, Überdeckung etc.) sowie unter Berücksichtigung wirtschaftlicher, ökologischer, logistischer und sicherheitstechnischer Aspekte einen Vortrieb durchzuführen.

Jeder im Bild 2 dargestellte Schildtyp besitzt verfahrensspezifische Einsatzgrenzen. Diese lassen sich jedoch verschieben bzw. erweitern dank der Weiterentwicklungen der Abbauwerkzeuge und Fördertechniken sowie der Anwendung von chemischen Zusätzen zur Konditionierung des Bodens beziehungsweise der Stützsuspension und insbesondere der Möglichkeit, bei Bedarf in situ diesbezügliche maschinentechnische Veränderungen vorzunehmen. Als diesbezügliche Variationsmöglichkeiten stehen prinzipiell zur Verfügung [1]:

• Variation von Abbaumaschine bzw. –werkzeug und/oder
• Variation des Prinzips zur Stützung der Ortsbrust (Verfahrenswechsel)
  

Man unterscheidet zwischen unplanmäßigen und planmäßigen Verfahrenswechseln durch Umbau oder Umstellung. In allen Fällen ist zur Realisierung der dafür notwendigen maschinentechnischen Veränderungen eine entsprechende Zugangsmöglichkeit erforderlich [10]. Der Umbau wird in der Regel in einem Schacht, die Umstellung unter Tage in der Vortriebstrasse erfolgen.

Einen Ansatz zur universellen Lösung im Vollschnittabbau stellt der sogenannte "Mixschild" [11] dar. Mit diesem Konzept soll die Zielstellung verfolgt werden, möglichst alle Kombinationen zwischen Flüssigkeits-, Erddruck-, Druckluft- und offenem Schild (s. Bild 2) durch einen planmäßigen Verfahrenswechsel (Umstellung) realisieren zu können [12]. Bis heute erlaubt der Mixschild jedoch nur jeweils eine der im Bild 2 angeführten Variationsmöglichkeiten zu kombinieren [13].

Schildmaschinen mit teilflächigem Abbau (Teilschnittbau)
Einen Ansatz zur Realisierung des Universalschildes mit Teilschnittabbau stellt der "hilco-Varioschild" (Bild 3) dar [14].

Beim hilco-Varioschild (s. Bilder 3 und 4) handelt es sich um einen geschlossenen Haubenschild mit teilflächigem Abbau (Teilschnittabbau), der im Regelfall in der Betriebsart SM-T5 (Ortsbrust mit Erddruckstützung) betrieben wird (vgl. Abschnitt 3.1.1).

Der teilflächige Abbau ist im vorliegenden Fall charakterisiert durch das partielle Lösen des an der Ortsbrust anstehenden Locker-/Festgesteins durch eine hydraulisch verfahrbare Bohr-/Förderschnecke und/oder einer in der Firste des Schneidenschusses angeordnete Schrämklappe (Bild 3). Der Bohrkopf der sehr robust ausgelegten Schnecke ist mit Hartmetallauflagen ausgerüstet und längs der Wendeln mit Rundschaftmeißeln bestückt. Die Schnecke kann beim Abbau der Ortsbrust entsprechend den geologischen und hydrogeologischen Randbedingungen zur Regulierung des Stützdruckes vor- und ggf. bis in das durch die Schottwand geführte, druckhaltende Schneckenführungsrohr zurückgezogen werden. Ihr Durchmesser beträgt z.B. 2.000 mm bei einem Schildaußendurchmesser von 3.120 mm [14].

Sie ist in der Lage, in die Abbaukammer gelangte Steine oder Blöcke zwischen Bodeneintrittsöffnung und Wendel auf förderbare Größe zu brechen. Steine bzw. Blöcke und Bruchstücke bis max. 600 mm Kantenlänge können mit der Bohr- und Förderschnecke durch das Schneckenführungsrohr und die druckhaltende Übergabeschleuse ohne Behinderungen abgefördert werden. Die in der Schildmaschine integrierte Vorschubeinheit kann eine max. Vortriebskraft von 12.000 kN bei einem Zylinderhub von 1,50 m erzeugen. Optional kann unter Nutzung dieser Vorschubeinheit auch ein Tübbingausbau erfolgen [14].

Der hilco-Varioschild wird im Verfahrensmodus SM-T5 als modifizierter Blindschild, der einfachsten Form der Erdruckschilde [1], betrieben. Er wird mit der Schildschneide in den anstehenden Baugrund geschoben, wobei dieser ggf. in geringem Maße verdrängt und/oder in die nach vorne offene Abbaukammer vor der Schottwand gedrückt und verdichtet wird. Die druckhaltende, für den Abbau der Ortsbrust in Vortriebsrichtung verfahrbare Schnecke fördert den Boden dem Vortriebsfortschritt entsprechend aus der Abbaukammer. Am Ende des Schneckenführungsrohres befinden sich eine kolbenbetriebene Übergabeschleuse und ein Abwurfrohr, durch die das deponierfähige Bohrgut einer gleislosen, selbstfahrenden Förderlore für den Transport zum Startschacht (Bild 4) durch den vorgetriebenen Vortriebsrohrstrang übergeben wird. Die Ermittlung der abgeförderten Bohrgut- bzw. Bohrkleinmenge für die Massenbilanz erfolgt über eine Kranwaage beim Entleeren der Lore [14].

Die hydraulisch verfahrbare Schrämklappe (Bild 3) dient auch als Stützklappe zur mechanischen Regulierung des Erddrucks in der Abbaukammer. Dies wird realisiert durch die Beeinflussung der Bodenabförderung im Abzugsbereich der Förderschnecke mit Hilfe der Veränderung des Einstellwinkels der Klappe. Die Messung des Erddruckes in der Abbaukammer erfolgt über die Rückstellkraft des Hydraulikzylinders der Schrämklappe. Um die Stützwirkung des abgebauten Bodens in der Abbaukammer und dessen Abförderung durch die Schnecke zu verbessern, können bei Bedarf Konditionierungsmittel (z.B. Bentonitsuspension, Schaum) eingesetzt werden [14].

Basierend auf dem oben erläuterten Grundtyp des hilco-Varioschildes können nach Herstellerangaben [14] ohne aufwändige konstruktive Umbauten an der Maschine innerhalb kürzester Zeit folgende Verfahrenswechsel durch Umstellung realisiert werden (vgl. Bild 2):
 

• SM-T1 (Ortsbrust mit natürlicher Stützung) ↔ SM-T2 (Ortsbrust mit Teilstützung)

• SM-T1 (Ortsbrust mit natürlicher Stützung) ↔ SM-T3 (Ortsbrust mit Druckluftstützung)

• SM-T1 (Ortsbrust mit natürlicher Stützung) ↔ SM-T5 (Ortsbrust mit Erdruckstützung)

• SM-T2 (Ortsbrust mit Teilstützung) ↔ SM-T3 (Ortsbrust mit Druckluftstützung)

• SM-T2 (Ortsbrust mit Teilstützung) ↔ SM-T5 (Ortsbrust mit Erdruckstützung)

• SM-T3 (Ortsbrust mit Druckluftstützung) ↔ SM-T5 (Ortsbrust mit Erdruckstützung)

      

Für den Druckluftbetrieb (SM-T3) in Grundwasser führendem Baugrund wird nur die Abbaukammer einschließlich des Schneckenführungsrohres bis zur Übergabe­schleuse mit Druckluft beaufschlagt, so dass das Bedienpersonal im Rohrstrang unter atmosphärischen Bedingungen arbeiten kann. Ein Einsehen der Ortsbrust erfolgt entweder über ein in der Schottwand eingebautes Panzer­glasfenster durch den Maschinenführer unter Tage oder im ferngesteuerten Betrieb vom Steuercontainer von der Geländeoberfläche aus über eine Videokamera.

Die eventuell erforderliche Beseitigung von Hindernissen an der Ortsbrust kann im Grundwasser unter Druckluft erfolgen. Dabei wird eine kombinierte Schleuse für Personen- und Material zwischen Druckring und letztem Vortriebsrohr eingebaut. Nach Druckluftbeaufschlagung gemäß Druckluftverordnung [15] des betroffenen Bereiches können dann die Durchstiegsluke in der Schottwand geöffnet, die Schrämklappe hydraulisch hochgefahren und das Hindernis manuell beseitigt werden.

Der hilco-Varioschild wird zur unterirdischen Verlegung von Abwasserkanälen im Rohrnennweitenbereich 1600 ≤ DN/ID ≤ 3000 eingesetzt. Unter Berücksichtigung der Möglichkeiten der o.g. Verfahrenswechsel werden vom Hersteller [14] folgende Einsatzbereiche im Baugrund mit und ohne Grundwasser angegeben:

• Lockergestein: Alle Klassen L nach DIN 18319 [ ] mit den Zusatzklassen S 1 bis S 4 (Steine und Blöcke mit einem Massenanteil über 30% und einer max. Größe bis 600 mm)
• Festgestein: Fels mit einaxialen Druckfestigkeiten bis max. 5 N/mm² bzw. 5 MPa (Klasse FZ 1/FD 1 nach DIN 18319 [16])

Vortriebslängen bis 1.000 m sind mit Rohrnennweiten bis DN/ID 3000 realisiert worden [14].

Zusammenfassung
Für die Errichtung unterirdischer Leitungsnetze in unseren Städten ist die geschlossene Bauweise auf Grund politisch-ökologischer Zwänge zum unverzichtbaren Bestandteil geworden.

In diesem Zusammenhang existieren permanente Bestrebungen, Universal­schildmaschinen sowohl für den Voll- als auch für den Teilschnittabbau zu entwickeln, die in der Lage sind, unabhängig von den geologischen und hydrogeologischen Randbedingungen den jeweiligen unterirdischen Hohlraum auffahren zu können.

Ein Lösungsschritt in Richtung Universalschild für den Teilschnittabbau ist der hilco-Varioschild. Er wird im Rohrvortrieb eingesetzt und kann ohne aufwändige konstruktive Umbauten an der Maschine innerhalb kürzester Zeit auf alle bekannten Schildtypen mit Ausnahme des Typs SM-T4 umgestellt werden. Damit kann die bekannte Schildsystematik von DAUB, ÖGG und FGU um den Typ "Schildmaschinen mit teilflächigem Abbau und Ortsbrust mit Erddruckstützung (SM-T5)" ergänzt werden (Bild 2).

Literatur

[1] Stein, D.: Grabenloser Leitungsbau. ISBN 3-433-01778-6, Verlag Ernst & Sohn, Berlin 2003.

[2] Stein, D.: Der begehbare Leitungsgang. ISBN 3-433-01263-6, Verlag Ernst & Sohn, Berlin 2002.

[3] Straßenverkehrs-Zulassungs-Ordnung (StVZO) vom 28. September 1988 (BGBI. I S. 1793), zuletzt geändert durch Verordnung vom 03. August 2000 (BGBI. I S. 1273). [4] Straßenverkehrs-Ordnung (StVO) in der Fassung des Inkrafttretens vom 16.05.2006. Letzte Änderung durch: 16. Verordnung zur Änderung der Straßenverkehrs-Ordnung vom 11. Mai 2006 (Bundesgesetzblatt Jahrgang 2006 Teil I Nr. 23 S. 1160, ausgegeben zu Bonn am 15. Mai 2006).

[5] Hähnlen, V.: Einsatz, Fertigung und Verlegung großformatiger Stahlbetonrohre. 3R international 31 (1992), H. 3, S. 128–137.

[6] Deutscher Ausschuss für unterirdisches Bauen e.V. (DAUB), Österreichische Gesellschaft für Geomechanik, Forschungsgesellschaft für das Verkehrs- und Straßenwesen, FGU Fachgruppe für Untertagbau Schweizerischer Ingenieur- und Architekten-Verein: Empfehlungen zur Auswahl und Bewertung von Tunnelvortriebsmaschinen. Taschenbuch für den Tunnelbau 1998 (22. Auflage), S. 257–321. Verlag Glückauf GmbH, Essen 1997.

[7] Maidl, B., Herrenknecht, M., Anheuser, L.: Maschineller Tunnelbau im Schildvortrieb. Verlag Ernst & Sohn, Berlin 1994.

[8] Deutscher Ausschuss für unterirdisches Bauen (DAUB), Österreichische Gesellschaft für Geomechanik (ÖGG) und Arbeitsgruppe Tunnelbau der Forschungsgesellschaft für das Verkehrs- und Straßenwesen, FGU Fachgruppe für Untertagbau Schweizerischer Ingenieur- und Architekten-Verein: Empfehlungen zur Auswahl und Bewertung von Tunnelvortriebsmaschinen. Tunnel (1997), H. 5, S. 20.

[9] Stein, D.: Hindernisortung und ‑beseitigung beim hydraulischen Rohrvortrieb. Taschenbuch für den Tunnelbau 1985, S. 330–356. Verlag Glückauf GmbH, Essen 1984.

[10] Deutscher Ausschuss für unterirdisches Bauen (DAUB), Österreichische Gesellschaft für Geomechanik (ÖGG) und Arbeitsgruppe Tunnelbau der Österreichischen Forschungsgemeinschaft Straße und Verkehr, Fachgruppe für Untertagebau (FGU), Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein (SIA): Empfehlung für Konstruktion und Betrieb von Schildmaschinen. Taschenbuch für den Tunnelbau 2001, S. 256–288. Verlag Glückauf GmbH, Essen 2000.

[11] Firmeninformation Herrenknecht AG, Schwanau.

[12] Herrenknecht, M.: Die Entwicklung der Mixschilde. Tiefbau (1994), H. 11, S. 674–685.

[13] Herrenknecht, M., Bäppler, K.: Einsatz von Mixschilden – Asien, Australien, Europa. Taschenbuch für den Tunnelbau 1999 (23 Jahrgang), S. 307–336. Verlag Glückauf GmbH, Essen 1998.

[14] Firmeninformation hilco Tunnelvortriebstechnik GmbH, Bitburg-Masholder.

[15] Verordnung über Arbeiten in Druckluft (Druckluftverordnung). Vom 4. Oktober 1972 BGBl I S.1909, geändert am 19.06.1997 BGBl I S.1384, zuletzt geändert am 21. Juni 2005, BGBl I S. 1666.

[16] DIN 18319: VOB Verdingungsordnung für Bauleistungen – Teil C: Allgemeine Technische Vertragsbedingungen für Bauleistungen (ATV); Rohrvortriebsarbeiten (12.2000).