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Hintergrund

Ein Tunnel ist ein unterirdischer oder Unterwasserdurchgang, der hauptsächlich horizontal verläuft. Tunnel mit relativ kleinem Durchmesser führen Versorgungsleitungen oder dienen als Pipelines. Tunnel, in denen Personen mit der Bahn oder mit dem Auto transportiert werden, bestehen oft aus zwei oder drei großen, parallelen Durchgängen für den Gegenverkehr, für Servicefahrzeuge und für Notausgänge.

Der längste Tunnel der Welt führt Wasser vom Delaware River über 170 km nach New York City. Der längste Personentransporttunnel ist der Seikan Railroad Tunnel. Er ist eine 33 Meilen (53 km) lange Eisenbahnverbindung mit einem Durchmesser von 9,7 m (32 Fuß) zwischen den beiden größten Inseln Japans, Honshu und Hokkaido.

Einer der am meisten erwarteten Tunnel war der Kanaltunnel. Dieser 1994 fertiggestellte Tunnel verbindet Großbritannien mit Europa durch drei 31 Meilen (50 km) lange Tunnel (zwei Einbahntunnel und ein Servicetunnel). Dreiundzwanzig Meilen (37 km) dieses Tunnels sind unter Wasser.

Geschichte

Tunnel wurden von mehreren alten Zivilisationen im indischen und mediterranen Raum von Hand gegraben. Neben Grabungswerkzeugen und kupfernen Steinsägen wurde manchmal auch Feuer verwendet, um ein Felshindernis zu erhitzen, bevor es mit Wasser begossen wurde, um es aufzubrechen. Die Cut-and-Cover-Methode – das Ausheben eines tiefen Grabens, der Bau eines Daches in angemessener Höhe innerhalb des Grabens und das Abdecken des Grabens über dem Dach (eine Tunnelbautechnik, die auch heute noch angewandt wird) – wurde vor 4.000 Jahren in Babylon angewandt.

Der erste Fortschritt, der über das Graben von Hand hinausging, war die Verwendung von Schießpulver, um 1681 in Frankreich einen 160 m langen Kanaltunnel zu sprengen. Die nächsten beiden großen Fortschritte kamen um 1850. Nitroglyzerin (stabilisiert in Form von Dynamit) ersetzte das weniger leistungsfähige Schwarzpulver bei Tunnelsprengungen. Mit Hilfe von Dampf und Druckluft wurden Bohrer angetrieben, um die Löcher für die Sprengladungen zu schaffen. Diese Mechanisierung ersetzte schließlich den manuellen Prozess, der durch John Henry, den „Stahltreiber“, berühmt wurde, der 12 Stunden am Tag mit jeder Hand einen 4,4 kg schweren Vorschlaghammer schwang und Stahlmeißel bis zu 4,2 m tief in den Fels hämmerte.

Zwischen 1820 und 1865 entwickelten die britischen Ingenieure Marc Brunel und James Greathead mehrere Modelle eines Tunnelschilds, mit denen sie zwei Tunnel unter der Themse bauen konnten. Ein rechteckiges oder kreisförmiges Gehäuse (der Schild) war horizontal und vertikal in mehrere Kammern unterteilt. Ein Mann, der in jedem Abteil arbeitete, konnte jeweils eine Planke von der Schildwand entfernen, einige Zentimeter weitergraben und die Planke wieder einsetzen. Wenn die gesamte vordere Fläche ausgegraben war, wurde der Schild nach vorne geschoben und der Aushubvorgang wiederholt. Die Arbeiter auf der Rückseite des Schildes kleideten den Tunnel mit Ziegeln oder gusseisernen Ringen aus.

Im Jahr 1873 verhinderte der amerikanische Tunnelbauer Clinton Haskins das Eindringen von Wasser in einen im Bau befindlichen Eisenbahntunnel unter dem Hudson River, indem er ihn mit Druckluft füllte. Diese Technik wird auch heute noch angewandt, obwohl sie einige Gefahren birgt. Die Arbeiter müssen am Ende ihrer Schicht einige Zeit in Dekompressionskammern verbringen – eine Anforderung, die Notausgänge aus dem Tunnel einschränkt. Der Druck innerhalb des Tunnels muss sorgfältig mit dem umgebenden Erd- und Wasserdruck ausgeglichen werden; ein Ungleichgewicht führt dazu, dass der Tunnel entweder zusammenbricht oder platzt (was dann eine Überflutung ermöglicht).

Weicher Boden ist einsturzgefährdet und kann die Grabungsgeräte verstopfen. Eine Möglichkeit, den Boden zu stabilisieren, besteht darin, ihn einzufrieren, indem man Kühlmittel durch Rohre zirkulieren lässt, die in regelmäßigen Abständen in dem Gebiet verlegt sind. Diese Technik wird in den Vereinigten Staaten seit den frühen 1900er Jahren angewandt. Eine andere Stabilisierungs- und Abdichtungsmethode, die seit den 1970er Jahren weit verbreitet ist, besteht darin, Injektionsmörtel (flüssiges Bindemittel) in den Boden oder das zerklüftete Gestein rund um die Tunneltrasse zu injizieren.

Spritzbeton ist ein flüssiger Beton, der auf Oberflächen gespritzt wird. Er wurde 1907 erfunden und wird seit den 1920er Jahren sowohl als Vor- als auch als Endauskleidung von Tunneln verwendet.

1931 wurden die ersten Bohrjumbos entwickelt, um Tunnel zu graben, die den Colorado River um die Baustelle des Hoover-Damms herum umleiten sollten. Diese Jumbos bestanden aus 24-30 pneumatischen Bohrern, die auf einem an die Ladefläche eines Lastwagens geschweißten Rahmen montiert waren. Moderne Jumbos ermöglichen es einem einzigen Bediener, mehrere Bohrer zu steuern, die an hydraulisch gesteuerten Armen montiert sind. 1954 erfand James Robbins beim Bau von Umleitungstunneln für den Bau eines Staudamms in South Dakota die Tunnelbohrmaschine (TBM), ein zylindrisches Gerät mit Grab- oder Schneidköpfen, die an einer rotierenden Stirnfläche angebracht sind und Gestein und Boden abtragen, während sich die Maschine vorwärtsbewegt. Moderne TBMs werden für jedes Projekt maßgeschneidert, indem die Typen und die Anordnung der Schneidköpfe auf die Geologie der Baustelle abgestimmt werden; außerdem muss der Durchmesser der TBM dem Durchmesser des geplanten Tunnels (einschließlich seiner Auskleidung) entsprechen.

Rohstoffe

Die in Tunneln verwendeten Materialien hängen von der Planung und den für jedes Projekt gewählten Bauverfahren ab. Mörtel, der zur Stabilisierung des Bodens oder zum Füllen von Hohlräumen hinter der Tunnelauskleidung verwendet wird, kann verschiedene Materialien enthalten, darunter Natriumsilikat, Kalk, Silikastaub, Zement und Bentonit (ein stark absorbierender vulkanischer Ton). Bentonit-Wasser-Schlamm wird auch als Suspensions- und Transportmedium für Schlamm (aus dem Tunnel ausgegrabener Schutt) und als Schmiermittel für Gegenstände verwendet, die durch den Tunnel geschoben werden (z. B. TBMs, Schilde). Wasser wird zur Staubbekämpfung während des Bohrens und nach der Sprengung verwendet, die häufig mit einem niedrig gefrierenden Gelatinesprengstoff durchgeführt wird. Wasser-Salz-Sole oder flüssiger Stickstoff sind gängige Kühlmittel, um weichen Boden durch Gefrieren zu stabilisieren. Das gebräuchlichste moderne Auskleidungsmaterial, stahl- oder faserverstärkter Beton, kann aufgespritzt, eingegossen oder in Platten vorgefertigt werden.

Wahl der Methode

Die Baumethode eines Tunnels wird durch mehrere Faktoren bestimmt, darunter die Geologie, die Kosten und die mögliche Beeinträchtigung anderer Aktivitäten. Bei einzelnen Tunneln, die Teil desselben größeren Projekts sind, können unterschiedliche Methoden angewandt werden; so werden beispielsweise bei Teilen des Projekts Central Artery/Tunnel in Boston vier verschiedene Methoden angewandt.

Der Herstellungsprozess

Vorbereitung

• 1 Die Geologie des Standorts wird durch die Untersuchung von Oberflächenmerkmalen und unterirdischen Kernproben bewertet. Entlang der gesamten Strecke kann ein Pilottunnel mit einem Durchmesser von etwa einem Drittel des geplanten Haupttunnels gebaut werden, um die Geologie weiter zu bewerten und die gewählte Baumethode zu testen. Der Pilotstollen kann entlang der Trasse des Haupttunnels verlaufen und in bestimmten Abständen mit diesem verbunden werden, um die Belüftung, den Zugang für Wartungsarbeiten und einen Fluchtweg zu ermöglichen. Oder der Pilotstollen wird erweitert, um den Haupttunnel herzustellen.
• 2 Wenn eine Bodenstabilisierung erforderlich ist, kann diese durch Injektion von Mörtel durch kleine, in Abständen im Boden verlegte Rohre erfolgen. Alternativ kann auch ein Kältemittel durch im Boden verlegte Rohre zirkulieren, um den Boden zu gefrieren.

Bergbau

• 3 Es gibt sieben verschiedene Methoden zur Entfernung von Material aus der Tunneltrasse. Die erste ist die Unterwasserröhrenmethode. Die Arbeiter bereiten eine Unterwasser-Tunnelbaustelle vor, indem sie einen Graben auf dem Grund der Wasserstraße ausheben. Die Stahl- oder Stahlbetonabschnitte der Tunnelschale werden an Land gebaut. Jeder Abschnitt kann mehrere hundert Fuß (100 m oder mehr) lang sein. Die Enden des Abschnitts werden versiegelt, und der Abschnitt wird zur Tunnelbaustelle geschwommen. Das Teilstück wird an Ankern in der Nähe des Grabens befestigt, und die in das Teilstück eingebauten Ballasttanks werden geflutet. Während das Teilstück sinkt, wird es in den Graben geführt. Das Teilstück wird mit dem benachbarten, zuvor verlegten Teilstück verbunden, und die Platten, die das Ende jedes Teilstücks abdichten, werden entfernt. Eine Gummidichtung zwischen den beiden Abschnitten sorgt für eine wasserdichte Verbindung.

  Bei der Deckelbauweise heben die Arbeiter einen Graben aus, der groß genug ist, um den Tunnel und seine Hülle aufzunehmen. Es entsteht eine kastenförmige Röhre, die häufig aus Stahlbeton an Ort und Stelle gegossen wird. Bei bestimmten Bodenarten oder in unmittelbarer Nähe zu anderen Bauwerken können vor Beginn der Aushubarbeiten Tunnelwände errichtet werden, um zu verhindern, dass der Graben während des Aushubs zusammenbricht. Dazu können Stahlbleche in den Boden getrieben oder eine Schlitzwand errichtet werden (ein tiefer Graben, der mit wässrigem Lehm gefüllt wird, während die Erde abgetragen wird). Wenn die gewünschte Größe eines Wandabschnitts erreicht ist, wird ein Käfig mit Bewehrungsstäben hineingesenkt und Beton hineingepumpt, um den nassen Tonschlamm zu verdrängen. Wenn die Aushubarbeiten so weit fortgeschritten sind, dass sich die Aushubmaschinen unterhalb des Bodens befinden, können provisorische Oberflächenplatten über dem Graben verlegt werden, damit der Verkehr darüber laufen kann. Wenn die Tunnelschale fertiggestellt ist, wird sie mit neuem Aushubmaterial abgedeckt.

  Die dritte Methode ist die Top-Down-Methode. Entlang der Tunneltrasse wird ein paralleles Paar Wände in den Boden eingelassen, indem Stahlspundwände gerammt oder Schlitzwände errichtet werden. Zwischen den Wänden wird ein Graben ausgehoben, dessen Tiefe dem geplanten Abstand von der Oberfläche bis zur Innenseite der Tunneldecke entspricht. Die Tunneldecke wird zwischen den Wänden durch Einschalen und Gießen von Stahlbeton auf der Sohle des flachen Grabens gebildet. Nachdem die Tunneldecke ausgehärtet ist, wird sie mit einer Abdichtungsmembran abgedeckt und der Bodenaushub darüber ersetzt. Für den Aushub des Bodens zwischen den Schlitzwänden und unter der Tunneldecke werden herkömmliche Bagger, wie z. B. ein Frontlader, eingesetzt. Wenn eine ausreichende Tiefe erreicht ist, wird eine Stahlbetonsohle gegossen, um die Tunnelschale fertigzustellen.

  Bei der Bohr-Spreng-Methode wird ein Bohrwagen verwendet, um ein vorher festgelegtes Muster von Löchern in den Fels entlang des Tunnels zu bohren. In die gebohrten Löcher werden sorgfältig geplante Dynamitladungen eingesetzt. Die Sprengladungen werden in einer Reihenfolge gezündet, die darauf abzielt, Material aus dem Tunnelbauwerk herauszubrechen, ohne das umgebende Gestein übermäßig zu beschädigen. Der Sprengbereich wird mit Luft durchströmt, um Explosionsgase und Staub zu entfernen. Der durch die Sprengung gelöste Schutt wird abtransportiert. Pneumatische Bohrer und Handwerkzeuge werden eingesetzt, um die Oberfläche des gesprengten Abschnitts zu glätten und lose Gesteinsbrocken zu entfernen.

  

  Der Eurotunnel.

  Der Bau des Ärmelkanaltunnels zwischen England und Frankreich, ein jahrhundertelanger Traum, der von Napoleon erdacht und gefördert wurde, wurde 1987 begonnen. Der ursprünglich als Chunnel bezeichnete und heute als Eurotunnel bekannte Tunnel wurde 1994 mit einem Kostenaufwand von 13 Milliarden Dollar fertiggestellt. Die beiden Eisenbahntunnel (einer für den Nord- und einer für den Südverkehr) und ein Servicetunnel sind jeweils 50 km lang und liegen durchschnittlich 46 m tief unter dem Meeresboden. Sie ist die erste physische Verbindung zwischen Großbritannien und dem europäischen Festland. Es gibt einen Personenverkehr auf der Schiene sowie eine Fährverbindung für Autos und Lastwagen. Die Reisezeit von London nach Paris hat sich durch den Eurotunnel von mehr als fünf Stunden (über den Seeweg) auf drei Stunden verkürzt.

  Der Seikan-Tunnel in Japan wurde 1988 in Betrieb genommen. Der 33 Meilen (53 km) lange Tunnel verbindet die Nordspitze der japanischen Hauptinsel Honshu mit der Insel Hokkaido und unterquert die Tsugaru-Straße. Der Seikan-Tunnel ist der längste Unterwassertunnel der Welt. Er wird 100 m unter dem Meeresboden durch eine Meerenge gegraben, in der das Meer bis zu 140 m tief ist.

  In der Regel ist es erforderlich, die Oberfläche des frisch gesprengten Abschnitts durch eine Vorverkleidung zu stabilisieren und zu verstärken. Eine Technik besteht darin, eine Reihe von Stahlrippen einzubringen, die durch Holz- oder Stahlstreben verbunden sind. Bei einer anderen Technik, der Neuen Österreichischen Tunnelbaumethode (NATM), wird die Oberfläche mit einigen Zentimetern Beton besprüht. Bei geeigneten geologischen Bedingungen

  

  Schildvortrieb.

  Diese „Spritzbeton“-Auskleidung kann ergänzt werden, indem lange Stahlstangen (Felsbolzen) in das Gestein eingeführt und Muttern gegen Stahlplatten, die den Kopf jedes Bolzens umgeben, angezogen werden.

  Eine fünfte Methode, um Material aus dem Tunnel zu entfernen, ist der Schildvortrieb oder Tunnelvortrieb. Einige Tunnel werden immer noch mit einem Schild im Stil des Greathead-Verfahrens gegraben. Der obere Teil des Schildes ragt über die Seiten und den Boden hinaus und bildet ein schützendes Dach für die Arbeiter, die vor dem Schild graben. Die Vorderkante des Schildes ist scharf, so dass sie das Erdreich durchschneiden kann. Der Aushub kann von Hand oder mit Elektrowerkzeugen erfolgen. Das überschüssige Material wird auf einem Förderband durch den Schild zurückgeführt, in Karren verladen und aus dem Tunnel transportiert. Wenn die Arbeiter das Material vor dem Schild bis zum oberen Ende ausgegraben haben, werden die Hebeböcke auf der Rückseite des Schildes gegen den zuletzt eingebauten Abschnitt der Tunnelauskleidung gepresst. Durch die Aktivierung der Hebeböcke wird der Schild nach vorne geschoben, so dass die Arbeiter mit dem Aushub eines weiteren Abschnitts beginnen können. Nachdem sich der Schild vorwärts bewegt hat, werden die Hebeböcke zurückgezogen und Ringsegmente aus Stahl oder Stahlbeton an Ort und Stelle verschraubt, um einen Abschnitt der permanenten Auskleidung des Tunnels zu bilden.

  Der Tunnelvortrieb ist eine ähnliche Technik, aber der Schild, der durch den Boden getrieben wird, ist eigentlich ein vorgefertigter Abschnitt der Tunnelauskleidung.

  Bei der Parallelvortriebsmethode wird eine Reihe paralleler, horizontaler Löcher (Stollen) mit Hilfe von Mikrotunnelbohrmaschinen (Mikrotunnel sind zu klein, als dass menschliche Bergleute darin arbeiten könnten) wie Schnecken oder kleinen Versionen von TMBs gebohrt. Diese Stollen werden verfüllt, z. B. durch das Eintreiben von Stahlrohren, die anschließend mit Mörtel verpresst werden. Die verfüllten Stollen bilden ein schützendes Gewölbe um die Tunneltrasse. Das Erdreich innerhalb des Gewölbes wird mit Baggern abgetragen.

  Die letzte Methode ist die der Tunnelbohrmaschine. Die Art und Anordnung der Schneidevorrichtungen an der Ortsbrust der TBM richtet sich nach der Geologie der Tunnelbaustelle. Die Ortsbrust dreht sich langsam und schleift das Gestein und den Boden vor ihr ab (die beim Bau des Ärmelkanaltunnels eingesetzten TBMs konnten sich z. B. in optimalem Boden mit bis zu 12 Umdrehungen pro Minute drehen). Die TBM wird ständig vorwärts geschoben, um die Ortsbrust in Kontakt mit dem Ziel zu halten. Der Vorwärtsdruck kann von Hebern am Heck der TBM ausgeübt werden, die gegen den zuletzt eingebauten Abschnitt der Tunnelauskleidung drücken. Alternativ können Greifarme von den Seiten der TBM nach außen ragen und gegen felsige Tunnelwände drücken, um die Maschine in Position zu halten, während die Ortsbrust vorwärts gedrückt wird. Der Aushub wird durch Löcher in der Ortsbrust geführt und über ein Förderband zum hinteren Teil der TBM transportiert, wo er in Wagen fällt, die ihn aus dem Tunnel befördern. Es kann Bentonit durch die TBM-Strecke gepumpt werden, um die Bodenoberfläche bearbeitbar zu machen und den Schlamm abzutransportieren. Einige TBMs sind am Heck mit Roboterarmen ausgestattet, die Segmente der Tunnelauskleidung positionieren und anbringen, sobald sich die Maschine vorwärts bewegt hat

  

  Dachbolzen aus Stahl werden am Felsen befestigt, um den oberen Teil des Tunnels zu stützen.

  eine ausreichende Strecke. In anderen Fällen wird die NATM eingesetzt, um während des Vortriebs der TBM eine Vorschale zu erstellen.

  Vor allem in Fällen, in denen sich zwei TBMs von gegenüberliegenden Enden eines Tunnels aus aufeinander zu graben, kann es zu schwierig oder zu teuer sein, sie nach Abschluss der Grabungsarbeiten zu entfernen. Wenn sich die TBM dem Ende ihres Einsatzes nähert, kann sie von der Tunneltrasse weggelenkt werden, um einen kurzen Sporn zu graben, in dem sie dauerhaft versiegelt ist.

Endausbau

• 4 In einigen Fällen wird der Endausbau während des Ausbruchs vorgenommen. Zwei Beispiele dafür sind TBMs, die Auskleidungssegmente einbauen, und vorgefertigte Tunnel, die im Vortrieb erstellt werden. In anderen Fällen muss die endgültige Auskleidung nach dem Ausbruch des gesamten Tunnels hergestellt werden. Eine Möglichkeit besteht darin, eine Stahlbetonauskleidung an Ort und Stelle zu gießen. Die Gleitschalung ist eine effiziente Technik, bei der ein Abschnitt der Schalung langsam vorwärts bewegt wird, während der Beton zwischen ihm und der Tunnelwand gegossen wird; der Beton härtet schnell genug aus, um sich selbst zu tragen, wenn die Schalung weitergeht.

  Eine zweite Möglichkeit ist der Einbau von vorgefertigten Beton- oder Stahlauskleidungssegmenten, ähnlich wie bei einigen TBMs. Die Auskleidungssegmente sind so konstruiert, dass mehrere von ihnen zu einem kompletten Ring von ein paar Metern Breite zusammengefügt werden können. Nachdem ein Ring verschraubt wurde, wird zwischen ihm und der Tunnelwand Mörtel injiziert.

  Eine dritte Möglichkeit besteht darin, eine mehrere Zentimeter (70 mm oder mehr) dicke Schicht Spritzbeton auf die Tunnelwände zu spritzen. Zur Verstärkung des Spritzbetons können zunächst ein oder zwei Lagen Drahtgeflecht eingebracht oder der Betonmischung zur Erhöhung der Festigkeit Verstärkungsfasern beigefügt werden.

Nebenprodukte/Abfall

Manchmal wird die aus einem Tunnel entfernte Erde einfach auf einer Deponie entsorgt. In anderen Fällen wird sie jedoch zu Rohmaterial für andere Projekte. So kann es zum Beispiel als Tragschicht für eine Zufahrtsstraße oder zur Schaffung von Fahrbahnböschungen für breitere Seitenstreifen oder zum Erosionsschutz verwendet werden.

Qualitätskontrolle

Neben der Aufrechterhaltung der Bodenstabilität um den Tunnel herum und der Gewährleistung der strukturellen Integrität der Tunnelauskleidung muss auch die korrekte Ausrichtung der Ausbruchstrecke gewährleistet sein. Zwei wertvolle Hilfsmittel sind GPS-Sensoren (Global Positioning System), die über Satellitensignale präzise Positionsdaten empfangen, und Leitsysteme, die einen Laserstrahl in den Tunnel projizieren und erkennen.

Die Zukunft

Explorationsmethoden, Materialien und Maschinen sind mögliche Bereiche für Verbesserungen. Mit Hilfe von Schallwellen, die durch die Erde übertragen werden, kann jetzt ein virtueller CAT-Scan des Tunnelverlaufs erstellt werden, wodurch sich die Notwendigkeit von Kernbohrungen und Pilotstollen verringert. Einige Beispiele aus der Materialforschung sind Schneidwerkzeuge, die effektiver und haltbarer sind, Beton mit genauer gesteuerten Aushärtungsraten und bessere Verfahren zur Veränderung des Bodens, um ihn leichter schneiden, graben oder abtragen zu können. Zu den jüngsten Entwicklungen in der Maschinentechnologie gehören Mehrkopf-TBMs, die zwei oder drei parallele Tunnel gleichzeitig bohren können, und eine TBM, die während des Schneidens eine Ecke um bis zu 90° drehen kann. Bessere Fernsteuerungsmöglichkeiten für Grabungsmaschinen würden die Sicherheit erhöhen, da sich die Menschen während des Grabungsvorgangs weniger lange unter Tage aufhalten müssten.