Fortschritte im Tunnel- und Tiefbau durch Bohren und Sprengen

Mehrfachboom-Jumbo

Hier in den Vereinigten Staaten bezeichneten wir den Tunnelbau mittels Bohr- und Sprengtechnik früher als „konventionellen“ Tunnelbau, was wohl dazu führt, dass der Tunnelbau mit TBM oder anderen mechanisierten Mitteln als „unkonventionell“ bezeichnet wird. Mit der Weiterentwicklung der TBM-Technologie wird der Tunnelbau jedoch immer seltener durch Bohren und Sprengen durchgeführt. Aus diesem Grund sollten wir darüber nachdenken, den Ausdruck umzudrehen und den Tunnelbau durch Bohren und Sprengen als „unkonventionell“ zu bezeichnen „Tunnelbau.

Der Tunnelbau durch Bohren und Sprengen ist immer noch die am weitesten verbreitete Methode im Untertagebergbau, während der Tunnelbau für Infrastrukturprojekte immer mehr zum maschinellen Tunnelbau mit TBM oder anderen Methoden wird. Bei kurzen Tunneln, bei großen Querschnitten, beim Kavernenbau, bei Übergängen, Querschlägen, Schächten, Druckrohren usw. ist Bohren und Sprengen jedoch oft die einzig mögliche Methode. Durch Bohren und Sprengen haben wir außerdem die Möglichkeit, uns flexibler an unterschiedliche Profile anzupassen als bei einem TBM-Tunnel, der immer einen kreisförmigen Querschnitt ergibt, insbesondere bei Autobahntunneln, was zu viel Überaushub im Verhältnis zum tatsächlich benötigten Querschnitt führt.

In den nordischen Ländern, wo die geologische Formation von Untertagebauwerken häufig aus festem, hartem Granit und Gneis besteht, eignet sich der Bohr- und Sprengabbau sehr effizient und wirtschaftlich. Beispielsweise besteht das Stockholmer U-Bahn-System in der Regel aus einer freigelegten Felsoberfläche, die im Bohr- und Sprengverfahren erstellt und mit Spritzbeton als endgültiger Auskleidung ohne Ortbetonauskleidung aufgespritzt wird.

Derzeit befindet sich AECOMs Projekt, die Stockholmer Umgehungsstraße, im Bau, die aus einer 21 km (13 Meilen) langen Autobahn besteht, von der 18 km (11 Meilen) unterirdisch unter den westlichen Schären von Stockholm verlaufen, siehe Abb. 1. Diese Tunnel haben variable Querschnitte, Um drei Fahrspuren in jede Richtung zu ermöglichen und Auf- und Abfahrtsrampen mit der Oberfläche zu verbinden, werden sie im Bohr- und Sprengverfahren gebaut. Diese Art von Projekten ist aufgrund der guten Geologie und der Notwendigkeit variabler Querschnitte zur Anpassung an den Platzbedarf immer noch als Bohr- und Sprengprojekte konkurrenzfähig. Für dieses Projekt wurden mehrere Zufahrtsrampen entwickelt, um die langen Haupttunnel in mehrere Abschnitte aufzuteilen und so die Gesamtaushubzeit des Tunnels zu verkürzen. Die anfängliche Stützung des Tunnels besteht aus Felsankern und 4-Zoll-Spritzbeton, und die endgültige Auskleidung besteht aus einer wasserdichten Membran und 4-Zoll-Spritzbeton, die an Bolzen im Abstand von etwa 4 mal 4 Fuß aufgehängt ist und 1 Fuß von der mit Spritzbeton ausgekleideten Felsoberfläche entfernt angebracht ist und als Wasser- und Frostschutz fungiert Isolierung.

Stockholmer Umgehungsstraße

Norwegen geht beim Tunnelbau mit Bohr- und Sprengtechnik noch extremer vor und hat im Laufe der Jahre die Methoden für Bohr- und Sprengarbeiten bis zur Perfektion verfeinert. Aufgrund der sehr gebirgigen Topographie in Norwegen und der sehr langen Fjorde, die sich in das Land schneiden, ist der Bedarf an Tunneln unter den Fjorden sowohl für die Autobahn als auch für die Schiene von großer Bedeutung und kann die Reisezeit erheblich verkürzen. Norwegen verfügt über mehr als 1000 Straßentunnel, das sind die meisten auf der Welt. Darüber hinaus gibt es in Norwegen auch unzählige Wasserkraftwerke mit Druckrohrstollen und Schächten, die im Bohr- und Sprengverfahren errichtet werden. Im Zeitraum 2015 bis 2018 wurden allein in Norwegen etwa 5,5 Millionen CY an unterirdischen Gesteinsaushubarbeiten durch Bohr- und Sprengarbeiten durchgeführt. Die nordischen Länder perfektionierten die Technik des Bohrens und Sprengens und erkundeten ihre Technologien und den neuesten Stand der Technik auf der ganzen Welt. Auch in Mitteleuropa, insbesondere in den Alpenländern, ist Bohren und Sprengen trotz der großen Länge der Tunnel immer noch eine wettbewerbsfähige Methode im Tunnelbau. Der Hauptunterschied zu den nordischen Tunneln besteht darin, dass die meisten Alpentunnel über eine vor Ort gegossene Endbetonauskleidung verfügen.

Im Nordosten der USA und in den Rocky-Mountains-Regionen herrschen ähnliche Bedingungen wie in den nordischen Ländern mit hartem, stabilem Gestein, das den wirtschaftlichen Einsatz von Bohr- und Sprengarbeiten ermöglicht. Einige Beispiele sind die New Yorker U-Bahn, der Eisenhower-Tunnel in Colorado und der Mt. McDonald-Tunnel in den kanadischen Rocky Mountains

Bei jüngsten Transportprojekten in New York, wie der kürzlich fertiggestellten Second Avenue Subway oder dem East Side Access-Projekt, wurden von Drill and Blast eine Kombination aus mit TBM abgebauten Lauftunneln mit Station Caverns und anderen Hilfsräumen durchgeführt.

Der Einsatz von Bohr-Jumbos hat sich im Laufe der Jahre von den primitiven handgehaltenen Bohrmaschinen oder Ein-Ausleger-Jumbos zu computergesteuerten, selbstbohrenden Mehrfach-Ausleger-Jumbos entwickelt, bei denen Bohrmuster in den Bordcomputer eingegeben werden, was ein schnelles und hochpräzises Bohren nach einem Vorbild ermöglicht - Legen Sie ein genau berechnetes Bohrmuster fest. (siehe Abb. 2)

Die fortschrittlichen Bohr-Jumbos sind vollautomatisch oder halbautomatisch erhältlich; Im ersten Fall fährt der Bohrer nach Fertigstellung des Lochs automatisch zur nächsten Lochposition zurück und beginnt mit dem Bohren, ohne dass der Bediener eine Positionierung vornehmen muss. Bei den halbautomatischen Auslegern bewegt der Bediener den Bohrer von Loch zu Loch. Dadurch kann ein Bediener mithilfe des Bordcomputers Bohrmaschinen mit bis zu drei Auslegern effektiv handhaben. (siehe Abb. 3)

Vollautomatischer Bohr-Jumbo

Mit der Entwicklung von Gesteinsbohrern mit 18, 22, 30 und bis zu 40 kW Schlagleistung und Hochfrequenzbohrern mit Zuführungen für bis zu 20 Fuß lange Bohrstangen und dem Einsatz des automatisierten Rod Adding Systems (RAS) konnten Vortrieb und Geschwindigkeit verbessert werden Die Bohrgeschwindigkeit hat sich erheblich verbessert, mit tatsächlichen Vortriebsgeschwindigkeiten von bis zu 18 Fuß pro Runde und Bohrgeschwindigkeiten zwischen 8 und 12 Fuß/Minute, abhängig von der Art des Gesteins und dem verwendeten Bohrer. Ein automatisierter 3-Ausleger-Bohr-Jumbo kann mit 20-Fuß-Drifterstangen 800 bis 1200 Fuß pro Stunde bohren. Die Verwendung von 20 Fuß langen Vortriebsstangen erfordert eine bestimmte Mindestgröße des Tunnels (ca. 25 Fuß), damit mit derselben Ausrüstung Felsanker senkrecht zur Tunnelachse gebohrt werden können.

Eine neuere Entwicklung ist der Einsatz von Multifunktions-Jumbos, die an der Tunnelkrone aufgehängt sind und die gleichzeitige Ausführung mehrerer Funktionen wie Bohren und Ausmisten ermöglichen. Der Jumbo kann auch zum Einbau von Gitterträgern und Spritzbeton verwendet werden. Dieser Ansatz überlappt sequenzielle Vorgänge beim Tunnelbau, was zu einer Zeitersparnis im Zeitplan führt. Siehe Abb. 4.

An der Tunnelkrone hängende Multifunktions-Jumbos

Die Verwendung von Massenemulsion zum Füllen der Löcher von einem separaten Ladewagen aus, wenn der Bohrwagen für mehrere Bohrstrecken verwendet wird, oder als integrierte Funktion des Bohrwagens, wenn ein einzelner Bohrstrang ausgehoben wird, wird immer häufiger verwendet, sofern nicht Für diese Anwendung gelten lokale Einschränkungen. Diese Methode wird häufig in verschiedenen Regionen der Welt verwendet, wobei zwei oder drei Löcher gleichzeitig aufgeladen werden können; Die Konzentration der Emulsion kann je nachdem, welche Löcher geladen werden, angepasst werden. Die Schnittlöcher und Bodenlöcher werden normalerweise mit einer Konzentration von 100 % gefüllt, während Konturlöcher mit einer viel geringeren Konzentration von etwa 25 % gefüllt werden. (siehe Abb. 5)

Lochladung

Die Verwendung von Massenemulsion erfordert einen Verstärker in Form eines Stabs aus verpacktem Sprengstoff (Zündkapsel), der zusammen mit dem Zünder in den Boden der Löcher eingeführt wird und zum Zünden der Massenemulsion benötigt wird, die in das Loch gepumpt wird. Durch die Verwendung von Massenemulsion verkürzt sich die Gesamtladezeit im Vergleich zu herkömmlichen Kartuschen, bei denen 80 bis 100 Löcher pro Stunde mit einem Ladewagen gefüllt werden können, der mit zwei Ladepumpen und Ein- oder Zwei-Personen-Körben ausgestattet ist, um den vollen Querschnitt zu erreichen. Siehe Abb.6

Emulsions-Ladewagen

Bei Tunneln mit Stollenzugang zur Oberfläche ist der Einsatz von Radladern und LKWs nach wie vor die gebräuchlichste Methode zum Ausmisten in Kombination mit Bohr- und Sprengarbeiten. Beim Zugang über Schächte wird der Abraum größtenteils per Radlader zum Schacht transportiert, wo er an die Oberfläche gehoben und zum Endlagerplatz weitertransportiert wird.

Eine weitere Innovation, die in Mitteleuropa häufig für lange Tunnel durch die Alpen entwickelt wurde, ist der Einsatz eines Brechers an der Tunnelwand, um die größeren Gesteinsstücke zu zerkleinern, um sie mit einem Förderband an die Oberfläche transportieren zu können. Diese Methode verkürzt die Zeit für das Misten erheblich, insbesondere bei langen Tunneln, und macht die LKWs im Tunnel überflüssig, was wiederum die Arbeitsumgebung verbessert und die erforderliche Belüftungskapazität verringert. Außerdem wird die Tunnelsohle für Betonarbeiten frei. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass das Gestein eine solche Qualität aufweist, dass es für die Zuschlagstoffproduktion verwendet werden kann. In diesem Fall kann das zerkleinerte Gestein minimal für andere nützliche Verwendungszwecke wie Betonzuschlagstoffe, Schienenschotter oder Straßenbelag verarbeitet werden. Um die Zeit vom Sprengen bis zum Aufbringen des Spritzbetons zu verkürzen, kann in Fällen, in denen die Standzeit ein Problem sein kann, die erste Spritzbetonschicht auf das Dach aufgetragen werden, bevor mit dem Ausmisten begonnen wird.

Beim Ausheben großer Querschnitte in Kombination mit schlechten Gesteinsverhältnissen bietet uns die Bohr- und Sprengmethode die Möglichkeit, die Ortsbrust in mehrere Abschnitte zu unterteilen und für den Aushub die SEM-Methode (Sequential Excavation Method) anzuwenden. Beim SEM-Vortrieb im Tunnelbau wird häufig ein mittlerer Pilotvortrieb gefolgt von versetzten Seitenstollen verwendet, wie in Abb. 7 für den Obervortriebsaushub der 86th Street Station beim Second Avenue Subway-Projekt in New York zu sehen ist. Der obere Abschnitt wurde in drei Stollen ausgehoben, gefolgt von zwei Bankaushubarbeiten, um den 60 Fuß breiten und 50 Fuß hohen Kavernenquerschnitt fertigzustellen.

Second Avenue Subway – 86th St. Station Ausgrabung mit mehreren Überschriften

Um das Eindringen von Wasser in den Tunnel während des Aushubs zu minimieren, wird häufig vor dem Aushub ein Injektionsmörtel eingesetzt. In Skandinavien ist das Vergießen des Gesteins vor dem Aushub obligatorisch, um den Umweltanforderungen hinsichtlich des Wasseraustritts in den Tunnel gerecht zu werden und die Auswirkungen des Baus auf den Wasserhaushalt an oder in der Nähe der Oberfläche zu minimieren. Die Injektion vor dem Ausbruch kann für den gesamten Tunnel oder für bestimmte Bereiche erfolgen, in denen der Gesteinszustand und der Grundwasserhaushalt eine Injektion erfordern, um das Eindringen von Wasser auf ein beherrschbares Maß zu reduzieren, z. B. in Verwerfungs- oder Scherzonen. Bei der selektiven Injektion vor dem Aushub werden 4–6 Sondenlöcher gebohrt und abhängig vom gemessenen Wasser aus den Sondenlöchern im Verhältnis zum festgelegten Injektionsauslöser wird die Injektion entweder mit Zement oder chemischen Injektionsmörteln durchgeführt.

Normalerweise besteht ein Injektionsventilator vor dem Aushub aus 15 bis 40 Löchern (70–80 Fuß lang), die vor der Ortsbrust gebohrt und vor dem Aushub injiziert werden. Die Anzahl der Löcher hängt von der Tunnelgröße und der zu erwartenden Wassermenge ab. Der Aushub wird dann durchgeführt, wobei nach der letzten Runde eine Sicherheitszone von 15–20 Fuß verbleibt, wenn die nächste Sondierung und die Vergussarbeiten vor dem Aushub durchgeführt werden. Die Verwendung des oben erwähnten automatischen Rod Adding Systems (RAS) ermöglicht ein einfaches und schnelles Bohren der Sonden- und Vergusslöcher mit einer Kapazität von 300 bis 400 Fuß/h. Das Erfordernis des Vergießens vor dem Aushub ist bei der Bohr- und Sprengmethode praktikabler und zuverlässiger als bei der Verwendung einer TBM

Die Sicherheit beim Bohr- und Sprengtunnelbau war schon immer ein wichtiges Anliegen und erforderte besondere Sicherheitsmaßnahmen. Zusätzlich zu den herkömmlichen Sicherheitsproblemen beim Tunnelbau stellen die Risiken an der Ortsbrust, einschließlich Bohren, Aufladen, Betonieren, Ausmisten usw., zusätzliche Sicherheitsrisiken dar, die angegangen und geplant werden müssen. Durch die Weiterentwicklung der Technologien bei Bohr- und Sprengtechniken und die Anwendung von Risikominderungskonzepten auf Sicherheitsaspekte hat sich die Sicherheit im Tunnelbau in den letzten Jahren erheblich verbessert. Beispielsweise ist es beim Einsatz von automatisiertem Jumbo-Bohren mit dem auf den Bordcomputer hochgeladenen Bohrmuster nicht erforderlich, dass sich jemand vor der Bohr-Jumbo-Kabine aufhält, wodurch die potenzielle Gefährdung der Arbeiter durch potenzielle Gefahren verringert und somit erhöht wird ihre Sicherheit.

Das beste Sicherheitsmerkmal ist wahrscheinlich das automatisierte Rod Adding System (RAS). Mit diesem System wird es hauptsächlich zum Bohren von Langlöchern in Verbindung mit dem Vergießen vor dem Aushub und dem Bohren von Sondenlöchern verwendet; Das Verlängerungsbohren kann vollautomatisch von der Fahrerkabine aus durchgeführt werden und eliminiert so das Verletzungsrisiko (insbesondere Handverletzungen); Andernfalls erfolgte das Hinzufügen der Stäbe manuell, wobei die Arbeiter beim manuellen Hinzufügen der Stäbe Verletzungen ausgesetzt waren. Es ist erwähnenswert, dass die Norwegische Tunnelbaugesellschaft (NNF) im Jahr 2018 ihre Veröffentlichung Nr. 27 mit dem Titel „Sicherheit im norwegischen Bohr- und Sprengtunnelbau“ herausgegeben hat. Die Veröffentlichung befasst sich systematisch mit Maßnahmen im Zusammenhang mit dem Gesundheits-, Sicherheits- und Umweltmanagement beim Tunnelbau mit Bohr- und Sprengmethoden und bietet Arbeitgebern, Vorarbeitern und Tunnelbauarbeitern bewährte Verfahren. Die Veröffentlichung spiegelt den neuesten Stand der Sicherheit im Bohr- und Sprengbau wider und kann kostenlos von der Website der Norwegischen Tunnelbaugesellschaft heruntergeladen werden: http://tunnel.no/publikasjoner/engelske-publikasjoner/

Bohren und Sprengen kann mit dem richtigen Konzept auch bei langen Tunneln mit der Möglichkeit, die Länge in mehrere Abschnitte aufzuteilen, immer noch eine praktikable Alternative sein. In jüngster Zeit wurden bei Ausrüstung und Materialien erhebliche Fortschritte erzielt, die zu mehr Sicherheit und höherer Effizienz führten. Obwohl der maschinelle Vortrieb mit TBM bei langen Tunneln mit konstantem Querschnitt oft günstiger ist, kommt es bei einem Ausfall der TBM zu einem längeren Stillstand des gesamten Tunnels, wohingegen beim Bohr- und Sprengbetrieb mit mehreren Vortrieben dies der Fall ist Der Bau kann auch dann noch voranschreiten, wenn bei einer Überschrift technische Probleme auftreten.

Über den Autor:

Lars Jennemyr ist ein erfahrener Tunnelbauingenieur im Büro von AECOM New York. Er verfügt über eine lebenslange Erfahrung in Untertage- und Tunnelbauprojekten auf der ganzen Welt, darunter in Südostasien, Südamerika, Afrika, Kanada und den USA in den Bereichen Transit, Wasser und Wasserkraft. Er verfügt über umfangreiche Erfahrung im konventionellen und maschinellen Tunnelbau. Zu seinen besonderen Fachkenntnissen gehören Felstunnelbau, Baubarkeit und Bauplanung. Zu seinen Projekten gehören: die Second Avenue Subway, 86th St. Station in New York; die Verlängerung der U-Bahn-Linie Nr. 7 in New York; der Regional Connector und die Purple Line Extension in Los Angeles; Citytunnel in Malmö, Schweden; das Wasserkraftprojekt Kukule Ganga, Sri Lanka; Wasserkraftprojekt Uri in Indien; und das Hong Kong Strategic Sewage Scheme.