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Rowa Kundentag

Gotthard Basistunnel Sedrun, Los 360 Vortrag: Theo Eggenberg

07. September 2004

Innovative Entwicklungen für neuartige Bauverfahren

Präsentiert am Beispiel Schachtschild Paierdorf

Rowa Tunnelling Logistics AG

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Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis...........................................................................................2

1 Das Bauwerk .........................................................................................3

1.1 Der Koralmtunnel ........................................................................................................31.2 Der Schacht Paierdorf..................................................................................................3

2 Ausschreibungsprojekt ........................................................................3

3 Neuartiges Bauverfahren.....................................................................3

3.1 Idee für Sondervorschlag von der Fa. Jäger Bau GmbH............................................33.2 Gemeinsam wurde Neuland bestritten ......................................................................3

4 Analyse der Randbedingungen ...........................................................3

5 Erstellen des Pflichtenheftes ...............................................................3

6 Entwicklung des Abteufschildes .........................................................3

7 Herstellung............................................................................................3

8 Montage ................................................................................................3

9 Betrieb ...................................................................................................3

10 Resümee der Firma Jäger aus dem Betrieb ........................................3

11 Schlusswort ...........................................................................................3



1 Das Bauwerk

1.1 Der Koralmtunnel

Der Koralmtunnel stellt mit einer Länge von rund 32,8 km das Kernstück der neuen Eisen-bahn-Hochleistungsstrecke zwischen Graz und Klagenfurth dar.

1.2 Der Schacht Paierdorf

Für den Erkundungsschacht Paierdorf, der mit rund 120 m Tiefe und 9 m Innendurchmesses in wasserführenden Lockersedimenten ein anspruchsvollen Ingenieurbauwerk darstellt, werden die Abteufarbeiten in diesen Tagen bereits erfolgreich abgeschlossen. Als alternati-ves Ausführungskonzept ist dabei ein Schildvortrieb mit Tübbingauskleidung zur Anwen-dung gelangt.

Schema für die weiterführende Erkundung Koralmtunnel



2 Ausschreibungsprojekt

Der Schacht kann im Wesentlichen in zwei Bereiche unterteilt werden.

Im Bereich des Schachtes existieren zwei voneinander getrennte Grund- bzw. Bergwasser-leiter, ein quartärer und ein tertiärer Aquifer.

Auf Grund der hydrogeologischen Randbedingungen bzw. der vorliegenden Nutzungssitu-ation soll der quartäre Grundwasserkörper durch die Baumassnahmen nicht beeinflusst werden. Aus diesem Grunde sieht die Planung eine wasserdichte Schachtwandung in Form einer Schlitzwand vor, die ca. 4 m in die tertiären Schichten reicht.

Das Tertiär im Umfeld des Schachtes ist durch gering feste Boden- und Gesteinsschichten sowie einen weitgehend zusammenhängenden Grundwasserkörper mit hohem Druckni-veau gekennzeichnet. Die anstehenden Materialien neigen unter diesen Verhältnissen beim Öffnen von Hohlräumen zum Ausfliessen.

Um aufwändige Sondermassnahmen beim Schachtvortrieb zu vermeiden, ist für die vorge-sehene Spritzbetonbauweise eine Druckentspannung bzw. eine Entwässerung der Boden-schichten erforderlich.

Dies wird durch eine dem Vortrieb voreilende Grundwasserabsenkung mittels gravitativer Brunnen ausserhalb des Schachtes realisiert.

Der Ausbau wird mit zweilagigem bewehrtem Spritzbeton und einer Systemankerung von 6 m langen 25t-Ankern ausgeführt.

30,5 m Quartär-

89,5 m Tertiär-Bereich



Quartär-Bereich - Grundwasserspiegel auf ca. 15 m Tiefe 0 – 30,5 m - vorgängige Erstellung einer wasserdichten Schlitzwand mit einer Stärke von 1 m - Der quartäre Grundwasserkörper darf nicht beeinflusst werden - Aushub im Schutz der Schlitzwand

Tertiär-Bereich - gering feste Boden- und Gesteinsschichten 30,5 - 120 m - weitgehend zusammenhängender Grundwasserkörper mit hohem Druckniveau - Materialien neigen unter Wasserdruck beim Öffnen von Hohlräu- men zum Ausfliessen - Entwässerung der Bodenschichten durch vorauseilende Grundwas- serabsenkung mittels Brunnen ausserhalb des Schachtes erforderlich - Schachtabteufung in Spritzbetonbauweise - zweilagiger bewehrter Spritzbeton 30-50 cm - Systemankerung 25 t mit einer Länge von 6 m

3 Neuartiges Bauverfahren

3.1 Idee für Sondervorschlag von der Fa. Jäger Bau GmbH

Die Idee der Fa. Jäger bestand darin, einen horizontalen Schildvortrieb mit Fertigteilaus-kleidung in einen vertikalen Schachtvortrieb umzuwandeln.

Grundlage des Sondervorschlages war das Ersetzten der projektierten dichten Schlitzwand im Quartär und der Spritzbetonauskleidung im Tertiär mit einer Fertigteilauskleidung.

Durch die Tatsache, dass der gesamte Schacht im Lockermaterial liegt und dass das Lösen mit einem Hydraulikbagger möglich ist, waren die Voraussetzungen für einen Schildvor-trieb gegeben.

Das Abfördern des Materials kann wie beim herkömmlichen Schachtvortrieb mit Schutter-kübel und Kranförderung bewerkstelligt werden.

Tübbingauskleidung kraft- und formschlüssig vermörtelt

Schachtschild mit Vortriebshydraulik



Im Gegensatz zum beschriebenen Ausschreibungsprojekt besteht die Schachtauskleidung aus einem wie im Horizontalvortrieb bekannten Tübbing.

Dieser dient sowohl als Schachtauskleidung wie auch als Widerlager für das Vortreiben des Schildes.

3.2 Gemeinsam wurde Neuland bestritten

Die Jäger Bau GmbH beauftrage Rowa mit der Entwicklung und Herstellung des Schildes. Dabei wurde gemeinsam Neuland beschritten.

Die Anwendung eines Schildes mit Tübbingeinbau für das Abteufen eines Vertikalschachtes ist neuartig.

Das Prinzip des Vertikalschildes ist ähnlich demjenigen eines klassischen Schildes für den Horizontal-Vortrieb.

Bedingt durch die Vortriebsrichtung in der Linie der Schwerkraft stellen sich jedoch ganz andere Anforderungen an den Betrieb und Aufbau des Schildes.

4 Analyse der Randbedingungen

Zu Beginn stellte sich eine grundsätzliche Frage:

Was passiert eigentlich mit einem Schild im vertikalen Einsatz? Oder anders gesagt: Welches sind die Randbedingungen bei diesem Einsatz eines Schildes?

Zu den wichtigsten Randbedingungen gehörten folgende Einflussgrössen für die Bemes-sung des Schildes: • Erddrücke aktiv • hydrostatischer Wasserdruck • Injektionsdruck Ringspaltverpressung • Mantelreibung aus aktiven Erddrücken • passive Erddrücke infolge der Steuerbewegungen des Schildes • homogene und einseitige Lasten auf die Schildschneide infolge der Vortriebskräfte

Die wichtigsten Randbedingungen für die Funktion und geometrische Gestaltung des Schil-des sind folgende Punkte, welche im Detail analysiert wurden.

Die Optimierung der Ringspaltgrösse zwischen ausreichendem Freiraum für Steuerbewe-gungen und minimalem Ringspalthinterfüllvolumen Die Bauablauf-Studie mit folgenden Arbeitsoperationen - Aushub - Schuttern (Schachttransport) - Schildfahrt - Ringbau - Ringspaltverpressung



Die Schachtlogistik - Die Versorgung mit: Tübbingen Hinterfüllmörtel Frischluft Brauchwasser Elektrische Energie - Die Entsorgung des: Aushubs und die Wasserhaltung Sohle

5 Erstellen des Pflichtenheftes

Nachdem wir uns einen Überblick über die Randbedingungen verschafft haben, galt es zu definieren, wie dieser Schild nun gebaut werden soll.

Das Pflichtenheft für den Schachtschild musste alle relevanten Anforderungen enthalten.

Die Herausforderung war das Erkennen aller Anforderung aufgrund der möglichen Bauzu-stände und deren Auswirkungen auf den Schild.

Dabei ergab sich eine optimale Zusammenarbeit zwischen dem Geotechniker, Tunnelbauer, Spezialtiefbauer, einem erfahrenen Schildspezialisten und dem Anlagenbauer.

Die Rowa durfte diese Zusammenarbeit der verschiedenen Fachrichtungen koordinieren und hat dabei ihr Knowhow im Bereich des

Anlagenbaus Tunnelbaus und Spezialtiefbaus

eingebracht

Nach dem Ausloten aller möglichen Bauzustände mit deren max. Belastungen ging es um die Sicherstellung des Verständnisses bei allen Beteiligten über die möglichen Vorgänge.

Nachdem diese möglichen Bauzustände analysiert und festgehalten wurden, haben wir gemeinsam mit Jäger Bau GmbH und Viglconsult ZT besondere Lastannahmen getroffen, welche eine wirtschaftliche Ausführung des Schachtschildes ermöglichten.

Dabei wurden Einschränkungen und Massnahmen für den Betrieb des Schildes definiert, mit welchen ein sicherer Betrieb des Schildes ermöglicht wurde.

Folgende Lastannahmen wurden getroffen: Das Vorliegen eines homogenen Erddruckes auf den Schild mit Schildmantelreibung beim Vortrieb Einen Beuldruck im Ringspalt infolge limitiertem hydrostatischem Wasserdruck oder aus der Ringspaltverpressung Die Vortriebskräfte wurden auf 24‘000 kN (12 x 2‘000 kN pro Zylinder) aufgrund der zu erwartenden Schildmantelreibung festgelegt. Das entspricht einer Vortriebskraft von 2‘400 t bei ca. 120 t Eigenlasten aus dem Eigengewicht ( Vortriebskraft entspricht dem 20fachen Eigengewicht) Die max. Schildverkippung infolge einseitiger Schneidenauflage wurde auf 100mm un-terschiedliche Schneidenhöhe limitiert.



Basierend auf diesen Lastannahmen haben wir den Schild dimensioniert und durch Finite Elemente Berechnungen nachgewiesen.

Der Schild wurde mit folgenden Hauptausrüstungen bestückt:

Die Schildhydraulik ist mit einer Sektorensteuerung , ähnlich einem Horizontalschild mit 4 x 3 Zylinder kommunizierend ausgerüstet. Die Steuerung erfolgt druckgesteuert mit optischer Überwachung der Vertikalität Eine Drehbühne für den Baggeraufbau und der Infrastruktur dient zusätzlich als Ar-beitsplattforn für den Tübbingeinbau, die Ringspaltverpressung, die Wasserhaltung und die Leitungsführung.



6 Entwicklung des Abteufschildes

Am Anfang stand eine Lösungsidee der Fa. Jäger Bau GmbH als Bestandteil des Sondervor-schlages für das neuartige Schachtbauverfahren.

Erste geometrische und statische Überlegungen führten zu einer Lösungsidee-Skizze mit einem Doppelmantelschild.



Das fertige Konzept beinhaltet folgende Komponenten: • Schildschneide• Doppelmantelschildteil • Schildschwanz• Vortriebshydraulik • Baggerbühne (360° drehbar) • Arbeitsplattform • Arbeitspodest

Ringspaltverpressung

Detail Schildquerschnitt mit Tübbingeinbau • Die Längenentwicklung des Schildes beträgt ca. 4,3 m • Der Schildmantel mit einem ø von ca. 10 m wurde nach hinten verjüngt ausgeführt • Die Vortriebszylinder sind im Doppelmantelteil untergebracht und haben einen Ar-

beitshub von einer Tübbinglänge, von einem Meter • Die Baggerbühne ist drehbar und dient zusätzlich als Arbeitspodest für den Ringbau

und die Vermörtelung des Ringspaltes



Sicht von oben auf den Schild Auf dieser Draufsicht ist die räumliche Trennung der verschiedenen Arbeitsplätze deutlich zu erkennen. • Tübbingeinbau• Bagger in der Mitte • Fenster für den Schutterkübel • Arbeitspodest für Ringspaltverpressung • Abbaufenster

auf dem Plan auf der Baustelle

7 Herstellung

Die folgenden Bilder zeigen einige Eindrücke aus der Herstellung anlässlich der Werkmon-tage und Baustellenmontage.

Innenansicht Schild mit Baggerdrehbühne



Blick von der Sohle auf die Baggerdrehbühne

Sicht von oben auf den Schild im Werk



Werkabnahme

8 Montage

Baugrube mit Schildauflager



Montage des ersten Elementes

Montage des Doppelmantelschild-Teils



Vormontierter Schild mit Schildschwanz und Aufbauten

9 Betrieb

Schachtschild in Startröhre aus Ortsbeton



Die ersten Tübbingringe dienen als Widerlager für Schildvortriebskräfte

Übersicht auf Schachtkopf



Versetzen eines Tübbings

Versetzen des Schlusssteins



Ringschluss vor der nächsten Schildfahrt

Arbeitsbühne für die Vermörtelung des Ringspaltes



Ausgefahrener Schild bereit zum nächsten Ringbau

Rollige Kiese mit Wasseranfall



Toniger „Schluff“ mit plastischen Eigenschaften

Gering zementierte Sandsteinbänke



Einrichtung für Wasserhaltung im Schild

Zentrisch angeordneter Bagger als Aushub- und Abbaugerät mit Hammer



Gezielte Raumaufteilung für alle anfallenden Arbeitsschritte

Tübbingauskleidung mit Drainagefunktion



Qualitativ hochwertiges Bauwerk mit Tübbingauskleidung unter Einhaltung von engen Bautoleranzen

10 Resümee der Firma Jäger aus dem Betrieb

Nachdem in den nächsten Tagen der Schacht mit einer Tiefe von 120 m fertig abgeteuft sein wird, liegt bereits ein Resümee des Betreibers vor. Dieses Zitat möchte ich Ihnen gerne vorstellen:

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass mittels des vertikalen Schildvortriebs mit Fer-tigteilausbau eine äusserst sichere und komfortable Bauweise geschaffen wurde.

Vor allem in der ca. 15 m starken, leicht wasserführenden Kiesschicht von Teufe 35,0 m – 50,0 m konnte dies festgestellt werden. Im Vergleich zu einer konventionellen Lösung (Si-cherung mittels Spritzbeton), in der ein Abteufen wohl nur in Teilflächen mit Zusatzmass-nahmen möglich gewesen wäre, konnte diese Schicht praktisch ohne Problem durchörtert werden.

Einen weiteren grossen Vorteil stellen die geschaffenen Arbeitsbedingungen durch das Stahlschild und den Fertigteilausbau dar. Durch die vorhandene Drehbühne können prak-tisch sämtliche Arbeiten von dieser aus getätigt werden. V.a. im Quartär, wo das Material äusserst durchnässt war und dementsprechend weich, bedeutete dies eine wesentliche Er-leichterung. Durch den Fertigteilausbau wurde praktisch ein staubfreies Arbeiten für die Mitarbeiter geschaffen.

Zitat: Hr. DI Christian Schönlechner, Baustellenleiter EKS Paierdorf Firma Jäger Bau GmbH, Schruns



11 Schlusswort

Am Schluss meines Kurzvortrags möchte ich, im Namen der Rowa, allen Beteiligten – vor al-lem der Firma Jäger Bau GmbH – ganz herzlich zum erfolgreichen Einsatz dieses neuartigen Schachtbauverfahrens gratulieren.

Wir bedanken uns speziell für das uns entgegengebrachte Vertrauen und für die äusserst konstruktive Zusammenarbeit.

Natürlich hoffen wir, dass die Vorstellung dieses Bauwerkes für uns alle ein Ansporn zur Entwicklung von neuen eigenen Ideen bedeutet und dass der Mut zur Anwendung von In-novationen im hart umkämpften Tunnelbaumarkt nicht verloren geht.

Wangen, September 2004

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