Query: Mit welchen Maschinen werden Tunnel durch Gestein gebohrt?

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Der Bohrkopf ist mit dem Antrieb am vorderen Ende der Vorschubeinrichtung, wie im Fachjargon "Kelly" genannt wird, angeschlagen (die "kelly" war beim Erdölbohren ein an der abgesenkten Bohrwelle oben befestigtes Rohrstück mit polygonalem Querschnitt (wie etwa ein überdimensionierter Innensechskantschlüssel) dessen Führung und Drehbewegung ein Drehtisch mit ebendieser polygonalen Öffnung übernahm, das Rohr konnte mit steigender Bohrtiefe in der Führung des Bohrtisches abgesenkt werden). Die Vorschubeinrichtung besteht aus einem inneren Teil, an dem der Bohrkopf befestigt ist, der Innenkelly, und einem äußeren Teil, der sogenannten Außenkelly. Die Außenkelly der Maschine wird mittels der Verspannung in der gebohrten Tunnelröhre fixiert. Die Innenkelly mit dem am vorderen Ende angeschlagenen Bohrkopf gleitet während des Bohrvorganges parallel zur Bohrrichtung in der Außenkelly in Bohrrichtung nach vorne. Innenkelly und Außenkelly sind über die Vorschubzylinder miteinander verbunden. Die Vorschubzylinder schieben die Innenkelly mitsamt dem Bohrkopf nach vorne. Der Bohrkopf der Maschine ist mit Schneidrollen versehen, die mit Hartmetallringen bestückt sind und Diskenschneidrollen genannt werden. Der Drehantrieb des Bohrkopfes wird entweder mit Hydraulikmotoren oder Elektromotoren ausgestattet, wobei die elektrische Antriebsvariante heutzutage die gebräuchlichere geworden ist. Stufenlose Regelung der Drehzahl des Bohrkopfes ist bei modernen Tunnelbohrmaschinen mittlerweile ein Standard geworden. Um den Bohrkopf der Maschine herum ist ein Stahlschild angeordnet, der Bohrkopfmantel, der einerseits eine Stützfunktion für die gebohrte Tunnelröhre übernimmt und andererseits als Kopfschutz gegenüber eventuell herabfallenden Gesteins dient. Das abgebohrte Gestein wird über Förderbänder abtransportiert und für den Transport aus dem Tunnel entweder in Waggons geladen oder per Förderband aus dem Tunnel transportiert. Die gebohrte Tunnelröhre wird unmittelbar nach dem Bohrvorgang bei Bedarf mit der sogenannten Erstsicherung abgestützt. Diese Erstsicherung kann je nach Erfordernissen aus schweren Felsankern, Stahlstützbögen und/oder Stahlmatten bestehen. Ebenso zum Einsatz kommt Spritzbeton. Der endgültige Ausbau der gebohrten Tunnelröhre wird zu einem späteren Zeitpunkt hinter der Maschine eingebracht und folgt der Tunnelbohrmaschine.

Mit dem Tunnelbau wurde die deutsche Firma Herrenknecht AG beauftragt. Dabei mussten hohe technische Anforderungen bewältigt werden: Ein sehr hoher Anteil an Sanden und anderem Lockergestein erforderte eine speziell angefertigte Tunnelbohrmaschine (TBM) mit einer Mixschild-Technologie, die sowohl hartes Gestein als auch weiche Sande durchbohren konnte, ohne dabei steckenzubleiben. Vor allem aber haben die Tunnelröhren hier auch den bisher in der Technikgeschichte höchsten Wasserdruck von bis zu 11 Bar auszugleichen.

Aufgefahren wurde der Tunnel – erstmals in Deutschland bei Hartgestein – im so genannten Schildvortrieb. Zwei baugleiche, rund 2500 Tonnen schwere und 220 m lange Tunnelbohrmaschinen (TBM) erreichten im 200 bis 250 Millionen Jahre alten Baugrund Vortriebsgeschwindigkeiten von durchschnittlich 15 m pro Tag. Dabei wurde der Ausbruch des Gesamtquerschnittes einer Tunnelröhre in einem Arbeitsgang abgetragen. Dafür verfügten die Maschinen über jeweils 3.200 kW starke Antriebe, die einen Schild von 11,16 m Durchmesser bewegten. Um den schützenden Schild der Maschine nicht verlassen zu müssen, wurden alle Teile der TBM so ausgelegt, dass sie von hinten ausgewechselt werden konnten. Während der Bauphase wurde der Grundwasserspiegel stellenweise abgesenkt. Hergestellt wurde ein Nutzquerschnitt von 62 m² (über Schienenoberkante), bei einem Ausbruchsquerschnitt von 95 m². Der Innenradius (ohne bautechnischen Nutzraum) beträgt 4,70 m. Zur Vermeidung des Tunnelknalls verengt sich der Querschnitt der Röhren Richtung Tunnelmitte leicht. Dadurch sollen die Luftdruckschwankungen bei Zugfahrten zwei Drittel des Niveaus von konventionellen Bahntunneln nicht überschreiten. Außerdem wurden – erstmals in Europa – Portalhauben mit Lüftungsschlitzen eingebaut. Aufgrund dieser nachträglich eingeplanten Maßnahmen konnte der Tunnel erst später als ursprünglich geplant in Betrieb genommen werden.

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Die Tunnel mussten in höchst anspruchsvollem kristallisiertem Kalkstein gebohrt werden. Die Härte und Brüchigkeit des Gesteins änderte sich alle paar Meter, was die Bauarbeiten erheblich erschwerte. Dazu kamen noch Wassereinbrüche, die Höhenlage (um 1500 m ü. M.) und harsches Winterwetter. Dadurch wurden die ohnehin schon harten Arbeitsbedingungen noch weiter verschärft.

Zum "Ausbruch" werden eingesetzt:Mit dem anschließenden "Sichern" als wesentlichem Kennzeichen der NÖT soll ein hohlraumloses, kraftschlüssiges Anschließen der Sicherung an das Gebirge erreicht werden. Kernstück ist die "Aufbringung von Spritzbeton", womit die Gebirgsoberfläche vergütet und eine passende Verbundkonstruktion zwischen Gebirge und Betonschale des Endausbaus erreicht wird. Der Spritzbeton kann in zwei unterschiedlichen Verfahren aufgebracht werden:Je nach Gebirgseigenschaft werden ergänzend Sicherungssysteme in das Gebirge oder die Schale eingebaut. Sie werden zur Verbesserung der Tragfähigkeit bei Lockergestein oder zerklüftetem Gestein vorauseilend vor dem eigentlichen Ausbruch des Gebirges eingebaut: "Pfändbleche, Spieße, Rohrschirme, Düsenstrahl- und Injektionsschirme". Ihnen ist gemeinsam, dass sie eine Verbundwirkung im Gestein herstellen oder sichern sollen, um so den Gebirgstragring um den Tunnelhohlraum zu bilden und standfest zu halten.

Der Tunnel wurde am 31. Mai 2010 gesprengt. Grund waren nach Angaben der DB Netz AG der schlechte Zustand des Gesteins und die hohen Kosten für die Absicherung. Im Zuge der Sprengung wurden 11.000 Tonnen Gestein gelöst. Die für die Maßnahme eingerichtete Sicherheitszone umfasste einen Umkreis von 800 Metern. Die Vorbereitungen für die Explosion, in deren Rahmen rund 240 Bohrlöcher in eine Tiefe von bis zu 36 Meter gebohrt wurden, hatten Anfang Mai 2010 begonnen. Zum Einsatz kamen etwa 1,7 Tonnen Sprengstoff. Aufgrund der schlechten Straßenanbindung wurde ein Großteil der Felstrümmer nicht abtransportiert, sondern am Fuß des Hangs liegengelassen bzw. zu einem Wall aufgestapelt.

Bei der "Schildvortriebsweise", die im Lockergestein ihre Anwendung findet, wird ein als Deckschild bezeichneter Stahlzylinder im Querschnitt des späteren Tunnelprofils mit hydraulischen Pressen vorangetrieben, die sich ihrerseits gegen das fertige Gewölbe abstützen. In seinem Schutz kann durch eine rotierende Bodenfräse im Vortriebsverfahren die Tunnelröhre ausgeräumt und durch Felsanker und Spritzbeton befestigt werden. Im nächsten Arbeitsgang wird das Gewölbe nach Einziehen der Pressen mit Beton- oder Stahltübbings ausgekleidet. Bei wasserführenden Gesteinsschichten kann der Arbeitsraum durch eine Rückwand abgeschlossen und so unter Überdruck gesetzt werden, dass kein Wasser einbricht. Beim "Gefrierverfahren" werden in einem Ring um den künftigen Tunnel Bohrungen gestoßen, in denen ein Kälteträger zirkuliert und das umliegende Gestein gefriert. Danach kann der Tunnel vorgetrieben werden, ohne dass das umliegende Gebirge hereinbricht. Zur Unterfahrung schwerer Bauwerke werden Rohrschirmdecken eingesetzt, wobei dicke Stahlrohre unter die Fundamente vorgetrieben und mit Stahlbeton ausgegossen werden. Vereinzelt wird wassergesättigter, schwimmender Beton vor dem Ausbruch vereist oder versteinert.

Der Ausbruch beim zyklischen Vortrieb erfolgt durch Schießen (Sprengvortrieb), durch Baggern (Baggervortrieb) oder als Hybridvortrieb (Mischverfahren aus Bagger- und Sprengvortrieb); das gelöste Gestein wird anschließend mit Lademaschinen auf Fördermittel geladen und abtransportiert. Die allgemeinen Ausbrucharbeiten umfassen Bohr- und Sprengarbeiten, das Gesteinaufladen, den Abtransport des Abraums, die Durchführung von Sicherungsmaßnahmen (Stollen- oder Tunnelzimmerung) und die Auskleidung.

Der Vortrieb durchörterte den dortigen Buntsandstein der Bernburg-Formation und wurde in Spritzbetonbauweise gemäß NÖT im Bagger- und Sprengvortrieb ausgeführt. Der Ausbau erfolgte mit einer Innenschale aus Ortbeton mit Schalenstärken von 50 bis 60 cm. Aufgrund der Lage unterhalb des Grundwasserspiegels erhielt jede Röhre eine umlaufende Abdichtung aus einer Kunststoffdichtungsbahn (KDB).

Werden Tunnel nur von einer Seite in Angriff genommen, also in einer Richtung gebohrt, liegt die Maschine bei Tunneldurchbruch wieder an oder nahe der Oberfläche und könnte, sofern die Größe Transporte zulässt zum nächsten Einsatzort verbracht werden. Wird die Maschine – mehr oder weniger in Teile zerlegt – umgedreht und ein Stück versetzt, kann sie zum Bau einer zweiten, parallelen Röhre dienen.