Tunnelbau: Wie Ingenieure in Silvertown die größte TBM Großbritanniens drehten

Oct 14, 2023

Das Silvertown-Tunnelprojekt im Osten Londons beinhaltet innovative Lösungen für eine Reihe technischer und logistischer Herausforderungen. Dazu gehört das Rotieren einer 1.800 Tonnen schweren Tunnelbohrmaschine auf Stickstofffahrwerken.

Der Silvertown Tunnel von Transport for London (TfL) wird die erste Straßenkreuzung sein, die seit mehr als 30 Jahren unter der Themse östlich der Tower Bridge gebaut wird.

Der 1,4 km lange zweiröhrige Straßentunnel wird Silvertown in Newham mit der Greenwich-Halbinsel verbinden. Wenn der Tunnel im Frühjahr 2025 eröffnet wird, soll er den öffentlichen Nahverkehr über den Fluss verbessern und den chronisch überlasteten Blackwall-Tunnel weiter westlich entlasten.

TfL vergab 2019 an das Riverlinx-Konsortium, bestehend aus der Ferrovial-Tochtergesellschaft Cintra, Abrdn, Invesis, Macquarie Capital und SK Ecoplant, den Auftrag für die Planung, den Bau, die Finanzierung, den Betrieb und die Wartung des Silvertown-Tunnels.

Riverlinx Construction Joint Venture, eine Partnerschaft zwischen Bam Nuttall, Ferrovial Construction und SK Ecoplant, ist für die Planung und den Bau des Tunnels verantwortlich.

Das Riverlinx-Team nutzt die Tunnelbohrmaschine (TBM) mit dem größten Durchmesser, die jemals in Großbritannien eingesetzt wurde. Die TBM Jill wiegt 1.800 Tonnen, ist 82 Meter lang und hat einen Durchmesser von 11,9 Metern. Ein kleiner Abschnitt rund um die Tunneleingänge wird in offener Bauweise errichtet.

Jill hat die erste Bohrung von Newham nach Greenwich bereits abgeschlossen.

Da das Team für den Bau beider Bohrlöcher nur eine TBM einsetzt, bestand eine große Herausforderung darin, diese riesige Maschine für die Rückreise nach Newham umzudrehen.

Um die Komplexität noch weiter zu erhöhen, führten verschiedene Landrechtsbeschränkungen in Greenwich dazu, dass diese Rotation auf engstem Raum innerhalb eines Zugangsschachts durchgeführt werden musste.

Riverlinx hat dieses Problem mit Einfallsreichtum gelöst und eine Kammer in Greenwich entworfen und gebaut, in der die TBM mithilfe von „Stickstoff-Skates“ und einem komplexen hydraulischen Hebesystem in einer unterirdischen Kammer gedreht wurde.

Die TBM in der Rotationskammer in Greenwich

Jill startete Anfang September 2022 von der Nordseite des Flusses aus. Als die TBM von Newham aus unter dem Fluss hindurchfuhr, begann der Bau der Greenwich-Kammer. Hier brach die TBM durch und wurde dann für ihre 1,1 km lange Reise zurück zum Standort Silvertown erneut gestartet.

Bei den meisten Tunneln mit zwei Röhren werden entweder zwei TBMs verwendet oder eine einzelne TBM wird abgebaut und für den zweiten Vortrieb an den ursprünglichen Startpunkt zurückgebracht.

Borja Trashorras, Betriebsleiter von Riverlinx, erklärt jedoch, dass der Einsatz von zwei Tunnelbohrmaschinen zu teuer gewesen wäre, während der Ausbau und Wiederaufbau einer einzelnen TBM bis zu fünf oder sechs Monate dauern könnte. Darüber hinaus machten vorhandene Anlagen in der Umgebung, wie Straßen und Versorgungsleitungen, den Bau einer größeren Kammer am Standort auf der Greenwich-Halbinsel unmöglich.

„Die Rotation der Maschine war daher aus Kosten- und Programmsicht die beste Lösung“, erklärt Trashorras. „Und dabei haben wir es auf die innovativste Art und Weise gemacht, die wir konnten, auf eine Art und Weise, die es in Großbritannien noch nie zuvor gegeben hat.“

Infolgedessen entwarf das spanische Unternehmen Ayesa eine ovale Kammer, die die vorhandenen Versorgungsleitungen in der Gegend umgeht und gleichzeitig genügend Platz bietet, damit die TBM in Teilen um 180° gedreht werden kann. Die Tiefe beträgt von der Bodenplatte bis zur Oberfläche 18 m, die Länge von der Kopfwand bis zur Rückwand 40 m und die Breite 39 m. Die Kammer wird letztendlich über zwei Öffnungen verfügen – eine für die TBM-Tunnel im Norden und eine für den Zugang zum offenen Tunnelabschnitt im Süden.

Beim Bau der Schlitzwände der Kammer wurden 23 Paneele mit insgesamt 6.580 m3 Beton und 800 t Stahlbewehrung und glasfaserverstärktem Kunststoff eingebaut. Es wurde im Juli letzten Jahres von Bachy Soletanche fertiggestellt.

Trashorras fährt fort: „Da sich der Schacht in durchlässigem Boden befand, mussten wir Oberflächenentwässerungsmaßnahmen installieren, um die oberen und mittleren Grundwasserleiter entwässern zu können, erstens, um einen trockenen Aushub zu erreichen, und zweitens, um den Wasserspiegel senken zu können.“ Konstruieren Sie die Grundplatte am Boden der Rotationskammer.

„Nachdem wir die Schlitzwand fertiggestellt hatten, installierten wir die Entwässerungsbrunnen von der Oberfläche aus. Dann begannen wir mit der aktiven Entwässerung und danach begannen wir mit den Aushubarbeiten.“

Die mit Zweischalenbaggern durchgeführten Aushubarbeiten dauerten rund vier Wochen und brachten rund 30.000 Kubikmeter Abraum ab.

Zwischen September und Januar stellte das Team die Bodenplatte und die Betonkopfwand – das Stahlbetonauge, das die TBM durchbricht – fertig.

Die Tunnelbohrmaschine wird von der Halterung gehalten, die auf den Stickstoffkufen ruht

Als TBM Jill im Februar in die Rotationskammer von Greenwich einbrach, stand das Team vor der gewaltigen Aufgabe, die Maschine umzudrehen.

Riverlinx-Projektmanager für die Tunnel, Ivor Thomas, erklärt, dass die Maschine dazu in vier Abschnitte unterteilt werden musste, beginnend mit dem 1.400-Tonnen-Schild und dann den drei Ersatzportalen.

Um die Vorderseite der Maschine beim Eintauchen in den Schacht zu kontrollieren, nutzte das Team ein plattformartiges Rückhaltesystem, das an der Unterseite des TBM-Schotts hinter dem Bohrkopf befestigt wurde. Während sich die Maschine vorwärts schob, verhinderte das Rückhaltesystem, dass sie zu schnell vorankam.

„Wir haben dahinter eine Maschine mit einem Durchmesser von 12 m und bauen Ringe, sodass wir nach dem Durchbruch vorne keine Haltelast mehr haben“, erklärt Thomas. „Sogar diese 1.400 Tonnen schwere Maschine hat die Tendenz, sich von selbst vorwärts zu bewegen, wenn sie auf die Ringe dahinter drückt.“

Als der Schild frei aus dem Tunnel kam, wurde er von seinem angrenzenden Portal entfernt.

Da die TBM jedoch von der flachen Basis des Tunnels unter dem Fluss mit einer Steigung von 4 % nach oben steigt, befand sie sich nach dem Austritt aus dem Tunnel immer noch in einem Winkel, sodass das Team sie so horizontal wie möglich ausrichten musste.

Dazu wurde zunächst ein großes Metallband verwendet, das den Schild auffing, als er aus dem Tunnel herauskam. Hydraulikzylinder wurden direkt unter diesem Band platziert und dienten dazu, die Rückseite des Schildes anzuheben, sodass es horizontal war.

Als der Schild vollständig horizontal war, wurde darunter ein Stahlgestell auf „Stickstoffkufen“ platziert – einem innovativen System hydraulischer Füße mit Gummischürze. Stickstoff wurde in die Basis jedes Skates gepumpt, durch die Gummischürze abgedichtet und auf 250 bar gehalten.

Als die Wiege zum Bewegen bereit war, wurde das Hydrauliksystem abgeschaltet und die Schlittschuhe wurden auf dem Kissen aus komprimiertem Stickstoff geschwommen. Stahlplatten, die während des Baus der Rotationskammer auf dem Boden angebracht worden waren, wurden geölt, um die Bewegung der Schlittschuhe beim Drehen des Schildes zu erleichtern.

„Wir verwenden Stickstoff, weil er allgemein verfügbar ist. Er ist inert, nicht giftig, leichter als Luft und hoch komprimierbar“, erklärt Thomas.

Er fügt hinzu, dass es beim Nitrogen-Skate-System „ darum geht, die Reibung zwischen den Stahlplatten und der Maschine zu beseitigen; es geht nicht darum, die Maschine anzuheben“.

Während das Drehen einer Maschine auf Stickstoffschlitten bereits zweimal durchgeführt wurde, einmal in Paris und einmal in Stuttgart, ist dies das erste Mal, dass diese Technik bei einer Maschine dieser Größe angewendet wird.

„Maschinen wurden schon früher mit Luft betrieben“, bemerkt Thomas, „aber um eine Maschine dieser Größe mit Druckluft zu betreiben, hätten wir wahrscheinlich alle Kompressoren im Vereinigten Königreich mieten müssen.“

Anschließend nutzte das Team ferngesteuerte 25-Tonnen-Luftkettenzüge, die an der Wand der Rotationskammer verankert waren, um den Schild herauszuziehen und ihn schrittweise zu drehen, bis er in die entgegengesetzte Richtung zeigte. Dieser Vorgang dauerte einen Tag. Dies wurde dann mit den relativ leichten Ersatzportalen wiederholt, die hinter dem TBM-Schild platziert waren.

Der Schild der Tunnelbohrmaschine zeigt nach Norden, nachdem er in der Rotationskammer umgedreht wurde

Um die TBM auf ihren Vortrieb in Richtung Norden vorzubereiten, nutzt das Team eine weitere ungewöhnliche Innovation – ein sogenanntes „Flying Launch“-System.

„Bei einem normalen Start steckt man einen Rahmen auf, baut Ringe auf und schiebt die Maschine hinein“, erklärt Thomas. „Aber das Problem hier ist, dass das System unseren Grubenboden mit Ringen füllen würde.

„Wir verwenden also ein fliegendes Startsystem, bei dem wir den Antriebsrahmen sehr nahe am Tunnelauge bauen.“

Anschließend wird der TBM-Schild mithilfe eines Stahldruckrings, Zugstangen und Hydraulikzylindern nach vorne in Richtung Tunnelauge gezogen.

Durch den Einsatz dieses Systems ist für den Bohrbeginn kein provisorischer Tunnel erforderlich. Da dieses System weniger Platz benötigt, eignet es sich auch ideal für beengte Platzverhältnisse.

„Die Idee ist, dass wir ein Portal starten und zum Bohren vorbereiten, fahren und dann die anderen Portale umdrehen“, erklärt Thomas.

Dies bedeutet, dass das Team nach der erneuten Befestigung des ersten Portals am TBM-Schild mit einem sogenannten „Umbilical Launch“ begann, bei dem die vordere Hälfte der Maschine zunächst 70 m des Vortriebs bohrte. Anschließend wurde die Maschine um das zweite und dritte Portal erweitert. Nachdem alle Teile der Maschine wieder zusammengebaut sind, wird die TBM in den „Vollmodus“ versetzt und voraussichtlich im Juni offiziell in Richtung Norden starten.

Thomas führt den Erfolg des Rotationsbetriebs auf eine „Verbindung wichtiger Lieferkettenpartner“ zurück: Herrenknecht lieferte die TBM und die temporären Arbeiten. Max Wild war an der TBM-Rotation beteiligt, Mammoet lieferte schwere Hebedienste und PHL Hydraulics lieferte die Ausrüstung, die für den fliegenden Start verwendet wurde.

Als Ergebnis dieses kollaborativen Ansatzes hat das Projekt drei Baurekorde gebrochen.

„Es ist das erste Mal, dass eine Maschine dieser Größe im Vereinigten Königreich eingesetzt wird, es ist das erste Mal, dass eine Maschine dieser Größe mithilfe von Stickstoffschlitten gedreht wird, und es ist das erste Mal, dass eine Maschine dieser Größe mithilfe des „Fliegens“ gestartet wird "Startsystem", bemerkt Thomas.

Um diese Liste zu ergänzen, musste ein komplexes System zum Entfernen von Tunnelschutt entwickelt werden, da Schundmaterial nicht aus der Rotationskammer entfernt werden kann. Stattdessen wird es auf einem Förderband durch die erste Bohrung zurückgeführt und zur Nordseite des Flusses transportiert, wo es auf Lastkähne verladen und zu einer Sanierungsstelle im Osten Londons gebracht wird.

Wenn das Team diesen Sommer wieder mit dem Tunnelbau beginnt, wird es vor weiteren Herausforderungen stehen – dieses Mal aufgrund der Bodenverhältnisse. Tatsächlich ist der Boden unter der Themse auf der Tunnelstrecke „so schwierig wie es östlich von Canary Wharf nur geht“, sagt Thomas.

Es sind die gemischten Gebirgsschichten und der hohe Wassergehalt des Bodens, die Tunnelbau und Aushub an dieser Stelle des Flusses besonders schwierig machen – und warum der britische Bauingenieur Ernest William Moir in den 1890er Jahren beim Bau des ursprünglichen Blackwall-Tunnels unter der Themse so große Schwierigkeiten hatte. Thomas kommentiert.

Das Team muss sich auch mit anderen Hindernissen auseinandersetzen, beispielsweise dem Umgehen der Pfähle für die Seilbahn, die über dem Fluss und direkt über der Tunneltrasse verläuft.

Anders als Moirs Blackwall-Tunnelteam verfügen die Silvertown-Ingenieure über moderne Innovationen, um den Tunnelbau einfacher und sicherer zu machen.

Um beispielsweise Entwässerungsprobleme zu lösen, wurden am tiefsten Punkt des Tunnels Auffangwannen installiert.

Thomas sagt: „Der Tiefpunkt im Tunnel führt dazu, dass Wasser nach unten fließt. Aus diesem Grund bauen wir 160 Betonfertigteile in der Sohle des Mittelteils des Tunnels ein, um einen Sumpf zu bilden. Sie werden in die Tunnelauskleidung geschraubt und dann.“ verfugt.“

Die Sumpfeinheiten sammeln abfließendes Wasser, das dann aus dem Tunnel gepumpt wird.

Das Team begann im März mit dem Einbau der Betonfertigteile in der ersten Bohrung, während die Rotation stattfand, um „Zeit im Programm zu stehlen“, sagt Thomas. Anschließend wird der Tunnel verfüllt, um ihn auf Straßenniveau zu bringen. Alle wichtigen Bauarbeiten innerhalb der ersten Röhre werden voraussichtlich abgeschlossen sein, bevor die TBM im Juni mit dem Tunnelbau der zweiten Röhre im Vollbetrieb beginnt.

Darüber hinaus wird das Team bei vier Querschlägen im Tunnel Bodenvereisung einsetzen – was Thomas als den „Rolls-Royce“ unter den Bodenbehandlungsoptionen bezeichnet. Mit dieser Technik werden die wassergesättigten Sedimente der Lambeth-Gruppe eingefroren, damit das Team die Querschläge ausheben kann.

Die Bodenvereisung wird durchgeführt, wenn beide Bohrungen abgeschlossen sind, sodass das Team die Gefrierrohre dazwischen verlegen kann.

Eine weitere Neuheit in Großbritannien, fügt Thomas hinzu, besteht darin, dass das Team die Querschläge nicht abstützt, sondern stattdessen alle provisorischen Stützen in die Auskleidungen der Querschläge einbaut.

An beiden Enden haben außerdem die Tunnelbauarbeiten in offener Bauweise für 600 m Zufahrtsstraßen begonnen.

Die Wände der Schnitt- und Deckabschnitte werden mit überschnittenen Pfählen errichtet. Die Aushubarbeiten für den Bauabschnitt in Greenwich begannen im März und sollen diesen Sommer abgeschlossen werden.

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