Mikrotunnelbau mit hydraulischer Förderung

(z.B. Verfahren AVN [FI-Herreb], mts 1000 [FI-Lovatb], RVS 100 AS und 250 AS [FI-Wirtha], MTB-S [FI-Hazem])

Bild 7.4.3.3-1:

Mikrotunnelbauverfahren mit hydraulischer Förderung beim einphasigen Vortrieb [Quelle: visaplan GmbH]

Arbeitsweise und -ablauf

Mikrotunnelbauverfahren mit hydraulischer Förderung sind charakterisiert durch den Vortrieb von Rohren bei gleichzeitigem vollflächigen Abbau der mechanisch- und flüssigkeitsgestützten Ortsbrust durch einen Bohrkopf und kontinuierlicher hydraulischer Abförderung des Bohrkleins mit Hilfe einer Stütz- und Förderflüssigkeit (Spülmittel) von einer unmittelbar hinter dem Bohr- und Steuerkopf angeordneten Abbau- und Brecherkammer nach über Tage. Die Antriebsaggregate für den Bohrkopf sowie für die Steuerzylinder sind unmittelbar in der Vortriebsmaschine angeordnet (Bild 7.4.3.3-2) (Bild 7.4.3.3-3) (Bild 7.4.3.3-4) (Bild 7.4.3.3-5).

Das Spülmittel zirkuliert mit Hilfe von Pumpen durch ein im Rohrstrang mitgeführtes, geschlossenes Förderleitungssystem, das jeweils sukzessive mit dem Einbau eines neuen Vortriebsrohres verlängert wird. Der erforderliche Druck des Spülmittels wird über deren Zu- und Abfluss gesteuert.

Das geförderte Feststoff-Flüssigkeitsgemisch muss in der Regel separiert werden, um zum einen das Spülmittel erneut dem Förderkreislauf zur Verfügung zu stellen, und zum anderen den gewonnenen Feststoff deponierfähig zu machen.

Bei Verwendung von Wasser als Spülmittel genügen in der Regel Absetzbecken (Bild 7.4.3.3-6), bei Bentonitsuspensionen sind Separationsanlagen erforderlich (Bild 7.4.3.3-7).

Tabelle 7.4.3.3-1:

Anwendungsbereich Mikrotunnelbau mit hydraulischer Förderung

Anwendungsbereich Mikrotunnelbau mit hydraulischer Förderung
Rohrnennweite DN
250 (≤ DN⁄ID ≤ 1200 (max. DN⁄OD 1540)
Rohrwerkstoff
s. (Tabelle 7.4.3.3-1)
Vortriebslänge [m]
Abhängig von Rohrnennweite und Baugrundverhältnissen: DN⁄ID 250 bis 400: < 120 DN⁄ID 500: < 160 DN⁄ID 600: < 200 DN⁄ID 800: < 250 DN⁄ID 1000: < 400 DN⁄ID 1200: < 500
Mindestüberdeckung [m]
≥ 2 bis 3 DN⁄OD, mind. 2,0 (in Böden mit hoher Durchlässigkeit (k−Wert) sind ggf. größere Werte zu wählen)
Vortriebsleistung (Nettobohrzeit) [m⁄h]
Nennweitenabhängig (Tabelle 3.2.2) ; abhängig vom Baugrund (Tabelle 3.2.2).
Zu− bzw. Abrüstzeit [d = 8 h]
Je 3 bis 4 in Abhängigkeit des Separationsaufwandes (z.B. Absetzbecken bzw. Separationsanlage)
Startschacht min. Innendurchmesser [m]
Für Rohre 250 ≤ DN⁄ID ≤ 400: Ø 3,0 (2,0 m Baulänge); Für Rohre 500 ≤ DN⁄ID ≤ 800: Ø 3,2 (2,0 m Baulänge); Für Rohre DN⁄ID 1000: Ø 3,6 (2,0 m Baulänge), L x B = 4,5 x 3,0 (3,0 m Baulänge); Für Rohre DN⁄ID 1200: Ø 5,0 (3,0 m Baulänge), L x B = 5,0 x 4,0 (3,0 m Baulänge)
Zielschacht min. Innendurchmesser [m]
Ø 2,0 (2,50)
Personalbedarf
1 Maschinenführer und 3 bis 5 Hilfskräfte (je nach Größe der Anlage)
Einsatzbereich bzw. Bodenklassen nach DIN 18319
In Abhängigkeit von Rohrnennweite und Bohrkopfausbildung bindiges und nichtbindiges Lockergestein (Tabelle 3.2.2) sowie Festgestein 1). Bei Grundwasserständen bis max. 30 m über Rohrsohle einsetzbar.
¹⁾ Hier nicht behandelt, s. [Stein03]

Bild 7.4.3.3-2: Vortriebsmaschine mit hydraulischer Förderung - Längsschnitt (Verfahren AVN) [FI-Herreb] FI-Herreb Firmeninformation Herrenknecht AG, Schwanau.	Bild 7.4.3.3-3: Standardbohrkopf (Schneidrad) für Lockergestein ausgestattet mit Schälmesser und Stichelköpfen im Zentrum [FI-Herreb] FI-Herreb Firmeninformation Herrenknecht AG, Schwanau.	Bild 7.4.3.3-4: Vortriebsmaschine mit hydraulischer Förderung - Standardbohrkopf in Form von Schneidrädern [FI-Wirtha] FI-Wirtha Firmeninformation Wirth Maschinen- und Bohrgeräte-Fabrik GmbH, Erkelenz.
Bild 7.4.3.3-5: Vortriebsmaschine mit hydraulischer Förderung - Felsbohrkopf mit Diskenmeißeln [FI-Herreb] FI-Herreb Firmeninformation Herrenknecht AG, Schwanau.	Bild 7.4.3.3-6: Separation des Bohrkleins durch hintereinander geschaltete Absetzbecken [Quelle: STEIN Ingenieure GmbH] Quelle: STEIN Ingenieure GmbH Bildmaterial und Visualisierungen: STEIN Ingenieure GmbH, Bochum.	Bild 7.4.3.3-7: Separation des Bohrkleins durch Separationsanlage (Kompaktanlage MAB 300 mit einer Kapazität von 75 t Feststoffmenge/h) [FI-Schau] FI-Schau Firmeninformation Schauenburg Maschinen- und Anlagen-Bau (MAB) GmbH, Mülheim-Ruhr.

Tabelle 7.4.3.3-2:

Mikrotunnelbau mit hydraulischer Förderung: Vortriebsleistung (Nettobohrzeit) im Lockergestein in Abhängigkeit von der Bodenart und der Rohrnennweite nach Herstellerangaben [FI-Wirtha]

Bodenart	N−Wert	Rohrnennweite DN⁄ID	Nettobohrzeit [m⁄10 h]
Locker gelagerter, bindiger und nichtbindiger Boden ohne Steine	5 bis 15	250 bis 400	20
		400 bis 800	20
		800 bis 1200	20
Locker gelagerter, bindiger und nichtbindiger Boden mit Steinen	5 bis 15	250 bis 400	15
		400 bis 800	18
		800 bis 1200	20
Mitteldicht gelagerter, bindiger und nichtbindiger Boden ohne Steine	15 bis 30	250 bis 400	18
		400 bis 800	18
		800 bis 1200	20
Mitteldicht gelagerter, bindiger und nichtbindiger Boden mit Steinen	15 bis 30	250 bis 400	15
		400 bis 800	15
		800 bis 1200	18
Dicht gelagerter, bindiger und nichtbindiger Boden ohne Steine	> 30	250 bis 400	8 bis 12
		400 bis 800	15
		800 bis 1200	15
Dicht gelagerter, bindiger und nichtbindiger Boden mit Steinen	> 30	250 bis 400	8 bis 10
		400 bis 800	12 bis 15
		800 bis 1200	15

Tabelle 7.4.3.3-3:

Nennweitenabhängige Mittelwerte von Vortriebsleistungen auf Basis ausgeführter Mikrotunnelbauvortriebe mit hydraulischer Förderung in Berlin [Möhri]

Rohrnennweite DN⁄ID	Nettobohrzeit [m⁄8 h]	Nettobohrzeit + Rüstzeit [m⁄8 h]
250	10,83	6,19
300	9,82	5,41
400	11,22	6,52
500	11,91	6,69
600	10,82	6,30
800	11,01	6,00
1000	11,65	6,71
1200	11,99	7,23

Tabelle 7.4.3.3-4:

Einsatzbereiche des Mikrotunnelbaus mit hydraulischer Förderung im Lockergestein [Stein03]

Boden-/ Steinklasse nach DIN 18319	Vortriebsrohrnennweite DN/ID								Vortriebsrohrnennweite DN/ID
Boden-/ Steinklasse nach DIN 18319	250	300	400	500	600	800	1000	1200	300	400	500	600	800	1000	1200
LNE 1	X	X	X	X	X	X	X	X	X²⁾	X²⁾	X²⁾	X²⁾	X²⁾	X²⁾	X²⁾
LNE 2	X	X	X	X	X	X	X	X	X²⁾	X²⁾	X²⁾	X²⁾	X²⁾	X²⁾	X²⁾
LNE 3	X	X	X	X	X	X	X	X	X²⁾	X²⁾	X²⁾	X²⁾	X²⁾	X²⁾	X²⁾
LNW 1	X	X	X	X	X	X	X	X	X²⁾	X²⁾	X²⁾	X²⁾	X²⁾	X²⁾	X²⁾
LNW 2	X	X	X	X	X	X	X	X	X²⁾	X²⁾	X²⁾	X²⁾	X²⁾	X²⁾	X²⁾
LNW 3	X	Standardbohrkopf mit Steinbrechereinrichtung					X	X	X²⁾	X²⁾	X²⁾	X²⁾	X²⁾	X²⁾	X²⁾
LBM 1	X	Standardbohrkopf mit Steinbrechereinrichtung					X		X²⁾	X²⁾	X²⁾	X²⁾	X²⁾	X²⁾	X²⁾
LBM 2	X	X	X	X	X	X	X	X	X²⁾	X²⁾	X²⁾	X²⁾	X²⁾	X²⁾	X²⁾
LBM 3	X	X	X	X	X	X	X	X	X²⁾	X²⁾	X²⁾	X²⁾	X²⁾	X²⁾	X²⁾
LBO 1	X	X	X	X	X	X	X		X²⁾	X²⁾	X²⁾	X²⁾	X²⁾	X²⁾	X²⁾
LBO 2	X	X	X	X	X	X	X	X	X²⁾	X²⁾	X²⁾	X²⁾	X²⁾	X²⁾	X²⁾
LBO 3	X	X	X	X	X	X	X	X	X²⁾	X²⁾	X²⁾	X²⁾	X²⁾	X²⁾	X²⁾
LNE 1 - S1					X	X	X	X				X	X	X	X
LNE 2 - S1					X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X
LNE 3 - S1					X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X
LNW 1 - S1					X	X	X	X				X	X	X	X
LNW 2 - S1					X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X
LNW 3 - S1					X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X
LBM 1 - S1					X	X	X					Felsbohrkopf mit Steinbrechereinrichtung
LBM 2 - S1			X	X	X	X	X	X	X	X	X
LBM 3 - S1			X	X	X	X	X	X	X	X	X
LBO 1 - S1				X	X	X	X
LBO 2 - S1			X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X
LBO 3 - S1			X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X
LNE 1 - S2						X	X	X				X	X	X	X
LNE 2 - S2						X	X	X				X	X	X	X
LNE 3 - S2						X	X	X				X	X	X	X
LNW 1 - S2						X	X	X				X	X	X	X
LNW 2 - S2						X	X	X				X	X	X	X
LNW 3 - S2						X	X	X				X	X	X	X
LBM 1 - S2						X	X	X				X	X	X	X
LBM 2 - S2					X	X	X	X				X	X	X	X
LBM 3 - S2					X	X	X	X				X	X	X	X
LBO 1 - S2						X	X	X				X	X	X	X
LBO 2 - S2					X	X	X	X				X	X	X	X
LBO 3 - S2					X	X	X	X				X	X	X	X
LNE 1 - S3						X¹⁾	X¹⁾	X¹⁾
LNE 2 - S3						X¹⁾	X¹⁾	X¹⁾					X	X	X
LNE 3 - S3						X¹⁾	X¹⁾	X¹⁾					X	X	X
LNW 1 - S3						X¹⁾	X¹⁾	X¹⁾
LNW 2 - S3						X¹⁾	X¹⁾	X¹⁾					X	X	X
LNW 3 - S3						X¹⁾	X¹⁾	X¹⁾					X	X	X
LBM 1 - S3						X¹⁾	X¹⁾	X¹⁾
LBM 2 - S3						X¹⁾	X	X					X	X	X
LBM 3 - S3						X¹⁾	X	X					X	X	X
LBO 1 - S3						X¹⁾	X¹⁾	X¹⁾
LBO 2 - S3						X¹⁾	X	X					X	X	X
LBO 3 - S3						X¹⁾	X	X					X	X	X
LNE 1 - S4
LNE 2 - S4														X	X
LNE 3 - S4														X	X
LNW 1 - S4
LNW 2 - S4														X	X
LNW 3 - S4														X	X
LBM 1 - S4
LBM 2 - S4														X	X
LBM 3 - S4														X	X
LBO 1 - S4
LBO 2 - S4														X	X
LBO 3 - S4														X	X
¹⁾ Nur mit Standardbohrkopf mit aufgeschweißtem Hartmetallgranulat ("Pixwerkzeug") ²⁾ Hier ist eine Reduzierung der Vortriebsleistung von bis zu 40 % einzukalkulieren

Anordnung eines Brechers im Bereich des Bohrkopfes

Um die Einsatzgrenzen auch auf Lockergesteine der Zusatzklassen S nach DIN 18319 [DIN18319] und auf Fels mit hohem Trennflächenanteil auszudehnen, werden die meisten Vortriebsmaschinen mit einem Steinbrecher z.B. in Form eines Kreisel- oder Konusbrechers ausgestattet (Bild 7.4.3.3-2) (Bild 7.4.3.3-3) (Bild 7.4.3.3-4) (Bild 7.4.3.3-5) (Bild 7.4.3.3-8). Diese nach dem Kaffeemühlenprinzip arbeitenden Brecher sind so ausgelegt, dass Steine, Blöcke und Felsbrocken bis zu einer maximalen Größe von etwa d_max = 1/3 des Bohrkopfaußendurchmessers auf die jeweils noch förderbare Korngröße gebrochen werden können.

Hochdruckspülsystem

In allen Fällen ist es sinnvoll, zusätzlich ein Hochdruckspülsystem vorzusehen, um unvermeidbare Verschmierungen der Bohrwerkzeuge beim Bohren in bindigen Lockergesteinspartien, aber auch in mit bindigem Lockergestein gefüllten Störzonen im Festgestein zu verhindern, die zu einer erheblichen Reduzierung der Wirksamkeit der Abbauwerkzeuge und damit auch der Vortriebsleistung führen.

Ebenso wie die Bohrwerkzeuge können auch die Brechereinrichtungen in Abhängigkeit der Lockergesteinsarten durch Zusammenballung und hohe Verdichtung des Bohrkleins, aber auch durch Bildung rotierender "Tonmänner" in ihrer Leistungsfähigkeit stark beeinträchtigt werden (Bild 7.4.3.3-8). Diese Zusammenballungen können durch das normale Niederdrucksystem des Spülkreislaufs in der Regel nur ungenügend oder gar nicht gelöst werden [Pheli98] [Godin96] [Rapha93]. Hier bietet sich die Installation eines Hochdruckspülsystems an, bei dem über im Brecherraum oder im Bohrkopf angeordnete Düsen Hochdruckwasserstrahlen mit 300 bar bis 400 bar und einem Volumenstrom von 40 l/min bis zu 50 l/min auf die Bohrwerkzeuge bzw. die Rotorwelle des Brechers einwirken (Bild 7.4.3.3-9) (Bild 7.4.3.3-10) .

Der Einsatz von Hochdruckspülsystemen ermöglicht nach Herstellerangaben [FI-Herre97a] und Praxiserfahrungen [NN95e] eine Steigerung der Vortriebsleistung in bindigen Böden um das zwei- bis dreifache und mehr gegenüber nicht mit diesem System ausgerüsteten Maschinen.

Bild 7.4.3.3-8: Verklebung des Bohrkopfes und des Brecherraumes durch "Tonmänner" [FI-Herreb] FI-Herreb Firmeninformation Herrenknecht AG, Schwanau.	Bild 7.4.3.3-9: Integriertes Hochdruckspülsystem im Brecherraum (AVN-Verfahren) [FI-Herreb] - Anordnung und Funktionsweise FI-Herreb Firmeninformation Herrenknecht AG, Schwanau.
Bild 7.4.3.3-10: Integriertes Hochdruckspülsystem im Brecherraum (AVN-Verfahren) [FI-Herreb] - Funktionstest FI-Herreb Firmeninformation Herrenknecht AG, Schwanau.	Bild 7.4.3.3-11: Ausrüstung, mögliche Anordnung der Komponenten auf der Baustelle und erforderlicher Platzbedarf (ca. L x B = 35 x 4 m) beim Mikrotunnelbau mit hydraulischer Förderung - Draufsicht (am Beispiel des Vortriebes von Rohren DN/ID 600, Baulänge 2,0 m) [Quelle: visaplan GmbH] Quelle: visaplan GmbH Illustration, Animation und Visualisierung: visaplan GmbH, Bochum (www.visaplan.com).

Tabelle 7.4.3.3-5:

Vor- und Nachteile des Mikrotunnelbaus mit hydraulischer Förderung

Vorteile	Nachteile
Einsatz im Locker- und Festgestein mit und ohne Grundwasser Hohe, nennweitenunabhängige Vortriebsleistung Ggf. große Vortriebslängen erzielbar	Spülbohrverfahren mit flüssigem Spülmittel, dadurch kostenintensiv wegen langer Rüstzeiten und in der Regel hohen Separationsaufwandes (Bohrklein in der Regel nicht direkt transportier- und deponierfähig) In der Regel höherer Verschmutzungsgrad der Baustelle Größerer Platzbedarf für die Baustelleneinrichtung

Mikrotunnelbau mit hydraulischer Förderung

Quelle: visaplan GmbH

FI-Herreb

FI-Lovatb

FI-Wirtha

FI-Hazem

Stein03

DIN18319

Pheli98

Godin96

Rapha93

FI-Herre97a

NN95e

FI-Herreb

FI-Herreb

FI-Wirtha

FI-Herreb

Quelle: STEIN Ingenieure GmbH

FI-Schau

FI-Wirtha

Möhri

Stein03

FI-Herreb

FI-Herreb

FI-Herreb

Quelle: visaplan GmbH