Schildvortrieb für U-Bahn Berlin Shield Drive for the

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Shield Drive for the Berlin Underground
Tunnel 6/2008
Schildvortrieb für
U-Bahn Berlin
Shield Drive for the
Berlin Underground
A. Arslan
A. Arslan
Um Berlin für seine neue Rolle als Hauptstadt
und als europäischen Verkehrsknotenpunkt
entsprechend auszustatten, wurde von
öffentlichen und privaten Bauherren in den
Jahren 1993 bis 2007 eine Summe von mehr als
20 Mrd. 7 investiert. Der folgende Beitrag gibt
einen kurzen Überblick über die wichtigsten
U-Bahnbauten in dieser Zeit.
A sum of more than 20 bill. 7 was invested
between 1993 and 2007 by public and private
investors in order to correspondingly equip
Berlin for its new role as capital and as a
European traffic hub. The following article
provides a short overview of the most important
Underground facilities built during this time.
Der Berliner Senat, die
Deutsche Bahn AG, Sony, AT/T
und die Berliner Verkehrsbetriebe (BVG) waren in den
Jahren 1993 bis 2007 die
wichtigsten Investoren. Für die
neuen Bauvorhaben und besonders für die Verkehrsanlagen
von ca. 8 km Länge waren ca.
2
100 Baugruben (170 000 m )
erforderlich. Als Beispiel dafür
werden der Lehrter Bahnhof
(100 000 m²), der Potsdamer
Platz und Debis (60 000 m²)
genannt. Diese Baugruben
wurden als Wand-Sohle-(Trog-)
Bauweise durchgeführt. Das
Grundwasser in Berlin stand
bereits 2–3 m unter dem Gelände. Eine Absenkung war
aus ökologischen und hydraulischen Gründen nicht erlaubt.
Deshalb waren wegen des
Grundwasserstandes für alle
Vorhaben besondere Gründungsmaßnahmen und Vorkehrungen notwendig.
Bei diesen Maßnahmen war
zu beachten:
왎 umweltrelevante Anforderungen zum Schutz des Grundwassers
The Berlin Senate, the
Deutsche Bahn AG, Sony, AT/T
and the Berliner VerkehrsBetriebe (BVG) were the most
significant investors between
1993 and 2007. Around 100 excavation pits (170,000 m2) were
required for the new construction projects especially for the
transport facilities some 8 km in
length. The Lehrter Bahnhof
(100,000 m2), the Potsdamer
Platz and Debis (60,000 m2) are
cited as examples. These excavations were executed by the
wall-floor (trough) construction
method. The groundwater in
Berlin was some 2–3 m underneath the ground surface.
Lowering was not possible for
ecological and hydraulic reasons. As a result special foundation measures and precautions
were essential for all projects on
account of the groundwater table.
The following aspects had to
be observed in conjunction
with these measures:
왎 environmentally relevant requirements to protect the
groundwater
왎 engineering solutions for
construction methods given
approx. 20 m groundwater
depths
Dipl.-Ing. Ali Arslan, Berlin/D
herstellungstechnische Lösungen für die Bauweisen bei
ca. 20 m Grundwassertiefen
왎 Sicherheitstechnische Betrachtungen und Risiken bei
großen Baugruben von ca.
2
20 000 m .
Das Bauverfahren Senkkasten ist in Berlin bei Brückenpfeilergründungen bekannt, hat sich seit langem
bewährt und ist umweltschonend. Technische Fragen bzw.
die Bauweise werden in [1]
ausführlich behandelt.
Der Schildvortrieb als bergmännische Bauweise ist ein
grundsätzlich umweltschonendes Verfahren. Gebäudefundamente, Baumbestand
und Grundwasser werden geschont. Der Tunnel bahnt sich
viele Meter unter Tage unbemerkt seinen Weg, ist grundwasserneutral, lärm- und erschütterungsfrei. Dies wird
auf den kommenden Seiten
kurz behandelt (Bilder 1, 2,
3).
왎
Geologie
Berlin liegt in der Norddeutsch-Polnischen
Senke,
deren obere Ablagerungen
und Morphologie durch die
safety technical considerations and risks given major
construction pits of roughly
20,000 m2.
The caisson construction
method is known in Berlin for
bridge pillar foundations and
has proved itself over the years
quite apart from being environmentally friendly. Technical issues as well as the construction
method itself are dealt with at
length in [1].
Shield driving as a mining
method is essentially an environmentally kind method.
Building foundations, trees and
groundwater are left undamaged. The tunnel passes unobserved many metres under the
surface, does not affect the
groundwater and is vibrationfree. This is briefly dealt with in
the pages that follow (Figs. 1, 2
and 3).
왎
Geology
Berlin is located in the North
German-Polish Depression, whose
upper deposits and morphology were determined by quater-
Dipl. -Ing. Ali Arslan, Berlin/D
28
Deutschland
Germany
Tunnel 6/2008
1 Lageplan des Schildvortriebes Potsdamer Platz
1 General plan of the Potsdamer Platz shield drive
Inlandsvereisungen des Quartärs bestimmt wurden. Ältere,
tertiäre Schichten stehen in
Berlin in größerer Tiefe, d. h.
zwischen 50 m und 200 m unter Gelände an (LGR, 1995).
Hierbei ist besonders der
Rupelton, auch Septarienton
genannt, von Bedeutung, der
in Berlin Mächtigkeiten bis ca.
150 m besitzt und dessen
Oberfläche sich zwischen
100 m und 400 m unter Gelände befindet. Der Rupelton
bildet den Hauptgrundwasserstauer zwischen dem darüber
gespeicherten
wasserwirtschaftlich nutzbaren Süßwasservorkommen und dem darunter vorhandenen Salzwasser.
Direkt über dem Septarienton
sind kalkfreie, sehr feinkörnige
Quarz-, Glimmer- und Kohlensande sowie Braunkohlentone
und -schluffe und auch Braunkohle des Tertiärs anzutreffen
[2].
Über
diesen
tertiären
Schichten stehen die pleistozänen oder diluvialen Ablagerungen der Elster-, Saale- und
Weichsel-Kaltzeiten an, die bereichsweise von warmzeitlichen Ablagerungen der Holstein- und Eem-Interglaziale
durchzogen werden. Der Eisvorstoß des Weichselglazials
drang im so genannten Brandenburger Stadium bis ca.
40 km südlich von Berlin vor,
im Frankfurter Stadium nur
noch bis in Gebiete nordöstlich
von Berlin (Assmann, 1957).
Beim Abschmelzen der Eismassen bildeten die Schmelzwässer in und um Berlin das von
Südosten nach Nordwesten
verlaufende Baruther Urstromtal (Brandenburger Stadium)
und das ebenfalls von Südosten
nach Nordwesten verlaufende
Warschau-Berliner Urstromtal
(Frankfurter Stadium). Während des Eisvorstoßes wurden
Vorschüttsande
abgelagert
und die Grundmoräne aus so
genanntem Geschiebemergel
unter dem Gletscher gebildet.
Beim Rückzug des Eisens wurden darüber die Schmelzwassersande und -kiese abgelagert. Der Geschiebemergel ist
stark kalkhaltig.
Die Oberflächenstruktur im
Berliner Stadtgebiet wurde vor
allem durch das Brandenburger
Stadium der Weichsel-Eiszeit
geprägt. Im Nordosten (Barnim) und Südwesten (Teltow)
finden sich auch Hochflächen,
auf denen der Geschiebemergel der Grundmoräne großflächig erhalten ist.
Startgrube für
Schildvortrieb –
Senkkasten 1
Den Senkkasten 1 hat man
als ersten der 6 Senkkästen
abgesenkt (10. Februar bis
22. Mai 1997), weil er als
nary freezing. Older tertiary layers are located at greater depth
in Berlin, i.e. between 50 and
200 m below the ground surface (LGR, 1995). In this conjunction rupelton clay also known as
Septarian clay is of importance,
which in Berlin possesses thicknesses
of
up
to
150 m and whose surface is located between 100 and 400 m
below ground. The rupelton
clay forms the main groundwater barrier between the hydraulically viable fresh water reserves
stored above it and the salt water to be found underneath.
Directly above the Septarian
clay extremely fine-grained
quartz, mica and coal sands as
well as brown coal clays and
schluffs together with brown
coals from the tertiary period
are to be found [2].
Above these tertiary layers
there are Pleistocene or diluvian
deposits from the Elster, Saale
and Weichsel cold stages, which
are partially pervaded by hot
stage deposits of the Holstein
and Eem interglacial period. The
ice of the Weichsel glacial period extended during the socalled Brandenburg stage up to
roughly 40 km to the south of
Berlin; in the Frankfurt stage
only to the regions to the northeast of Berlin (Assmann, 1957).
When the ice masses melted
the melted water in and around
Berlin formed the Baruth glacial
valley running from southeast
to northwest (Brandenburg
stage) and the Warsaw-Berlin
glacial valley (Frankfurt stage),
which also runs from southeast
to northwest. As the ice advanced sands were deposited
and ground moraines constituting boulder clay formed under
the glazier.
During the retreat of the Iron
Period melting water sands and
gravels were deposited on top.
The boulder clay contains a high
percentage of lime.
The surface structure on
Berlin city territory was first and
foremost characterized by the
Brandenburg stage of the
Weichsel ice age. In the northeast (Barnim) and southwest
(Teltow) there are also high areas, on which the ground moraine boulder clay is extensively
found.
Starting Pit for Shield
Drive – Caisson 1
Caisson 1 was the first of 6 to
be sunk (February 10th to
May 22nd, 1997) because it was
intended to serve as the starting
pit for the shield tunnelling machines. They had to be assembled and fitted out for the drive
within the caisson. The caisson
wall through which the 4 tunnel
tubes were to be driven with
the second mix-shield one after
the other, possess so-called
Tunnel 6/2008
Startgrube für die Schildvortriebsmaschinen dienen sollte.
Sie müssen innerhalb des
Senkkastens für den Vortrieb
zusammengebaut und umgesetzt werden. Die Senkkastenwand, durch welche die
4 Tunnelröhren nacheinander
mit dem zweiten Mixschild aufgefahren werden sollen, haben
so genannte Brillenwandöffnungen (Bild 4, 5), die während des Absenkvorgangs innen mit Stahlträgern gesichert
sind [3].
Schildvortrieb für U-Bahn Berlin
bruch. Der außen vor dem
Senkkasten angeordnete, mittels Hochdruckinjektionsverfahren hergestellte, ca. 5 m dicke Dichtblock, der als wasserdichte Konstruktion den Senkkasten vor Erd- und Wasserdruck schützen sollte, erfüllte
seine Aufgabe nicht.
Die Havarie führte zur
Umstellung des Baubetriebs
und zog erhöhte Sicherheitsvorkehrungen nach sich. Die
Sanierung des Schadens konn-
breakthrough wall openings
(Figs. 4 and 5), which are secured by steel girders during
the lowering process [3].
Incident at Triangular
Junction [4]
The access or exit for the tunnel boring machine comprises
the controlled removal of a projected obstacle in the construction pit, the so-called breakthrough wall, which is prepared
Havarie am
Gleisdreieck [4]
Das Ein- oder Ausfahren
der Tunnelbohrmaschine besteht aus der kontrollierten
Beseitigung eines geplanten
Hindernisses in der Baugrube,
der so genannten Brillenwand,
die für die Öffnung vorbereitet
ist und durch besondere Bodenverbesserungs- und Dichtungsmaßnahmen vor Wasserund Bodeneinbruch geschützt
ist. Beim Vortrieb in schwierigen Böden und im Grundwasser wird eine Verbesserung
des Baugrundes durch die
Herstellung eines Dichtblocks
(mittels Hochdruck-InjektionsVerfahren – HDI) vorgenommen, der nach dem Anbringen
der Anfahrdichtung von der
Schildmaschine durchfahren
wird. Die Ein- und Ausfahröffnungen der Berliner Baugruben waren sowohl mit Brillenwand als auch HDI-Dichtblock
versehen.
Im Juni 1997 gab es eine
Havarie in der nördlichen Wand
des Senkkastens 1, dem Startsenkkasten für die Tunnelbohrmaschine im Süden der
Tunnelstrecke. Beim Öffnen
der so genannten Brillenwand,
die die vorbereiteten Öffnungen für den Schildvortrieb enthält und während des Absenkvorgangs mit Stahlträgern
gesichert war, kam es zu einem
Schildwasser- und Bodenein-
2 Lageplan der Senkkästen am Potsdamer Platz
2 General plan of the caisson at the Potsdamer Platz
29
for opening up and is protected
by means of special soil improvement and sealing measures against ingressing water
and soil. When excavating in
tricky soils and in groundwater
the subsoil is improved through
producing a sealing block (by
means of jet grouting), which is
penetrated by the shield machine once the start-up seal is
set up in front of the shield machine. The access and exit openings of the Berlin construction
30
te in mehreren Schritten vorgenommen werden und wurde
durch die Entwicklung und
Anwendung innovativer Technik und Technologien ermöglicht. Der Senkkasten musste
in einem aufwändigen Verfahren, das fast 2 Jahre in Anspruch nahm, instand gesetzt
werden.
Da nicht auszuschließen
war, dass der Dichtblock sich
aufgrund des Wasser- und
Bodeneinbruchs in seiner Lage
verändert hatte bzw. dass der
Dichtblock kein ausreichendes
Auflager mehr hatte, wurde
der Block mithilfe des Düsenstrahlverfahrens
unterdüst.
Ein zusätzlicher Block von ca.
3,25 m Höhe und Breite wurde unter dem vorhandenen
Block erstellt.
Die aufgelockerten Bodenzonen neben dem Dichtblock
auf der Westseite wurden mittels Tiefenverdichtung (Feststoffeinpressung – FEP) verfestigt. Die Methode der
Feststoffeinpressung wurde
hier gewählt, da sich der zu
verfestigende Bereich in unmittelbarer Nähe einer Spundwand der Baulogistiktrasse sowie einiger Leitungen befand.
Der Übergangsbereich zwischen dem bestehenden Dichtblock und der Tiefenverdichtung konnte mittels einer im
Grundriss U-förmigen Düsenstrahlinjektion (Schürze) saniert werden. Die Fehlstellen in
dem HDI-Dichtblock wurden
mithilfe einer Baugrundvereisung abgedichtet, sodass im
Schutze des Frostkörpers der
Senkkasten gelenzt werden
konnte.
Vereisung
Die Senkkastenwand, durch
die die 4 Tunnelröhren nacheinander aufgefahren werden
sollen, hat so genannte Brillenwandöffnungen, die während
des Absenkvorgangs innen mit
Stahlträgern (Bild 5) gesichert
Deutschland
Germany
Tunnel 6/2008
3 Schnitt durch die Mixschild-Vortriebsmaschine
3 Section through the mix-shield tunnelling machine
sind. Beim Herrichten der
Öffnungen für den Schildvortrieb kam es trotz vorher außen durchgeführter Abdichtungsinjektionen zu einem
Grundwassereinbruch
und
Übertage zu einem 250 m²
großen und 3,50 m tiefen
Krater. Deshalb flutete man am
9. Juli 1997 diesen Tunnelabschnitt.
Aufgrund des zur Klärung
der Ursache und Erarbeitung
einer Sanierungslösung vom
Institut für Geotechnik der
TU Darmstadt angeforderten
Gutachtens wurde inzwischen
der Dichtungsblock vor der
Brillenwand vergrößert und
das Erdreich bis in 32 m Tiefe
verdichtet. Um einen erneuten
Wassereinbruch ganz sicher zu
verhindern, wird das Gefrierverfahren angewandt.
Die letzte Phase der aufwändigen Sanierung des 1997
eingetretenen Wasserschadens
beim Bau des Berliner Fernund Regionalbahntunnels am
Gleisdreieck hatte begonnen.
Seit dem 15. Februar 1999 arbeiteten die Gefrieraggregate
für die Vereisung des leckgeschlagenen Dichtblocks südlich des Landwehrkanals.
Durch die Baugrundvereisung
wurden die Fehlstellen im
Dichtungsblock
vor
dem
Senkkasten 1 abgedichtet. In
dem 25 x 5 x 60 m großen
Dichtungsblock wurden insge-
pits were provided with both a
breakthrough wall as well as a
jet grouting sealing block.
In June 1997 there was an incident in the northern wall of
caisson 1, the start-up caisson
for the tunnel boring machine
in the south of the tunnel route.
When opening the breakthrough wall, which contains
the prepared apertures for the
shield drive and which was secured by steel girders during
the lowering process, a shield
water and soil cave-in occurred.
The roughly 5 m thick sealing
block, which was set up outside
in front of the caisson and produced by the jet grouting method, intended to protect the caisson as a watertight structure
against earth and water pressure, failed to fulfil its task.
This situation led to construction operations being
modified resulting in increased
safety precautions. The damage
was remedied in several steps
and facilitated through the development and application of
innovative techniques and
technologies. The caisson had
to be repaired by means of a
complicated method, which
took almost 2 years to complete.
As it could not be precluded
that the sealing block had altered its position on account of
the ingressing water and soil or
that it no longer possessed an
adequate abutment, the jet
grouting method was applied
underneath the block. An additional block some 3.25 m in
height and width was created
below the existing one.
The loosened zones of soil
next to the sealing block on the
west side were consolidated by
deep compaction injections.
The compaction injection
method was selected here as
the zone to be consolidated
was located close to a piling
wall belonging to the construction logistics road as well as several lines. The transition area between the existing sealing block
and the deep compaction area
was redeveloped by means of
U-shaped jet grouting in the
form of an apron. The faulty
patches in the jet grouting block
were sealed using subsoil freezing so that the caisson could be
pumped out protected by the
frozen zone.
Freezing
The caisson wall through
which the 4 tunnel tubes were
to be driven one after the other,
possessed so-called breakthrough wall openings, which
are secured with steel girders
during the lowering process
(Fig. 5). When preparing the
openings for the shield drive a
groundwater inburst and a
250 m2 large and 3.50 m deep
Tunnel 6/2008
samt 219 Bohrungen eingebracht:
왎 184 für die Gefrierrohre
(100 mm Durchmesser) und
왎 35 für Temperaturmesseinrichtungen mit jeweils 8 bis
10 Messfühlern.
Die Gefrierrohre reichen
durchschnittlich 25 m tief, sind
in 3 Reihen im Abstand von
1,20 m angeordnet und haben
0,90 m und 1,20 m gegenseitigen Abstand. Damit der Dichtungsblock gleichmäßig vereist wird, wurden die Bohrungen im Richtbohrverfahren
mit höchster Genauigkeit ausgeführt. Außerdem ist die
Temperatur
abschnittweise
steuerbar. Als Kühlmittel wird
eine Kalziumchlorid-Sole verwendet, die in der Gefrierstation auf –35 °C abgekühlt und
anschließend über ein 170 m
langes Rohrsystem in die
Gefrierrohre gepumpt wird.
Die Temperaturen werden
elektronisch erfasst und mit
Computer zeitgleich ausgewertet.
Der Dichtungsblock wird
bis zu –20 °C gekühlt. Danach
könnte der Senkkasten gelenzt
werden. Erst dann kann man
mit den Vorbereitungen für die
Schildvortriebe beginnen und
die Schildvortriebsmaschine
montieren.
Aufgrund des geschlossenen Kreislaufs des Systems
wird das Grundwasser nicht
beeinträchtigt. Zur Verringerung der Lärmbelästigung hat
man die Gefrierstation im
Tunnelabschnitt eines anderen
Senkkastens untergebracht.
Die Sanierungsarbeiten begannen im Januar 1998 mit
dem „Unterdüsen“ des Dichtungsblocks. Mit dem Hochdruckinjektionsverfahren (HDIVerfahren) wurde Beton unter
den Dichtungsblock gebracht,
um eine zusätzliche Auflagefläche für den Block zu schaffen. Danach wurde der Dichtungsblock im HDI-Verfahren
mit einer Schürze umschlos-
31
Shield Drive for the Berlin Underground
4 Ansicht des Senkkastens 1
4 View of caisson 1
sen. Anschließend wurde das
umgebende Erdreich bis auf
etwa 30 m Tiefe verdichtet.
Seit Oktober 1998 liefen die
Vorbereitungen für die Vereisung.
Membranlösung [5]
Am 17. Juni 1999 wurde in
Berlin eine neue Technologie
für die Vorbereitung des
Schildvortriebs zwischen Landwehrkanal und Gleisdreieck
vorgestellt: die Membranlösung. Sie ist maßgeschneidert auf die Verhältnisse nach
der Sanierung des Wasserschadens am Dichtungsblock
für den Senkkasten 1 im Bereich des Landwehrkanals, die
mit der Vereisung abgeschlossen wurde. Bei der weiteren
Vorbereitung des Schildvortriebs wird die Membran
(Bild 6) als Dichtungsschott
eingesetzt.
Diese Lösung wurde von
der Herrenknecht AG und der
DB Projekt GmbH Knoten
Berlin entwickelt. Nach intensiven Versuchen in Zusammenarbeit mit der Universität
Karlsruhe und der Arbeitsgemeinschaft Fernbahntunnel –
bestehend aus den Firmen
Hochtief AG, Philipp Holzmann
AG, Bilfinger + Berger Bau AG
und Dyckerhoff & Widmann
AG – ist das Verfahren vom
Eisenbahn-Bundesamt
und
den Gutachtern zugelassen
worden und kann erstmalig
crater occurred on the surface
in spite of sealing injections
being executed from the outside. As a result, this tunnel section was flooded on July 9th,
1997.
Based on an expertize called
for from the Institute for
Geotechnics at the Technical
University of Darmstadt to clarify the causes and work out a redevelopment solution in the interim the sealing block in front
of the breakthrough wall was
enlarged and the earth compacted down to a depth of
32 m. In order to be certain of
avoiding a water inburst the
freezing method was applied.
The final phase of the complex redevelopment of the water damage that occurred in
1997 during the construction of
the Berlin mainline and regional
rail tunnel at the Triangular
Junction had begun. From
February 15th, 1999, the aggregates for freezing the leaking
sealing block operated to the
south of the Landwehrkanal.
Thanks to subsoil freezing the
faulty patches in the sealing
block in front of caisson 1 were
sealed. In the 25 x 5 x 60 m large
sealing block no less than
219 holes were drilled:
왎 184 for the freezing pipe
(100 mm diameter) and
왎 35 temperature measurement devices each with 8 to
10 sensors.
The freezing pipes extended
25 m deep on average, are ar-
ranged in 3 rows at 1.20 m gaps
and are set 0.90 m and 1.20 m
apart. In order to ensure that the
sealing block was uniformly frozen, the drill holes were executed by the directional drilling
method with the greatest accuracy. Furthermore the temperature can be controlled sectionby-section. As cooling agent a
calcium chloride brine was applied, which was cooled down
to –35° C in the freezing station
and then pumped to the icing
tubes via a 170 m long pipeline
system. The temperatures were
electronically recorded and simultaneously evaluated by
computer.
The sealing block is cooled
down to –20° C. Subsequently
the caisson could be pumped
out. Only then is it possible to
start with the preparations for
the shield drives and assemble
the shield tunnelling machine.
On account of the system’s
closed circuit the groundwater
is not affected. In order to reduce the amount of noise the
freezing station was set up in
another caisson along the tunnel route.
The redevelopment operations began in January 1998
with jet grouting underneath
the sealing block. Concrete was
placed below the sealing block
using the jet grouting method
in order to create an additional
abutment area for the block.
Subsequently the surrounding
earth was compacted down to
a depth of roughly 30 m. The
preparations for freezing began
in October 1998.
Membrane Solution [5]
On June 17th, 1999 a new
technology for preparing the
shield drive between the
Landwehrkanal
and
the
Triangular Junction was presented: the membrane solution.
It is tailor-made for the conditions following the redevelop-
32
beim Tunnelbau in Berlin eingesetzt werden.
Die Membranlösung ist Teil
des neuen, erweiterten Sicherheitskonzepts für den gesamten Tunnelbau. Die Notwendigkeit, das Sicherheitsniveau
beim Bau der Nord-SüdVerbindung für den Fern- und
Regionalverkehr zu erhöhen,
ergab sich unter anderem aus
dem Schadensfall am Dichtungsblock vor dem Senkkasten 1 im Juli 1997. In Absprache mit den Gutachtern,
dem Eisenbahn-Bundesamt,
der Deutschen Bahn AG und
den ausführenden Firmen wurden die Schritte zur Sanierung
des Senkkastens festgelegt
und die Sicherheitsvorkehrungen für den Tunnelbau neu
definiert.
Eine 3 mm dicke Membran
(Bild 7) schützt bis zum Beginn
des Schildvortriebs den Fernund Regionalbahn-Tunnel vor
dem Grundwasser. Sie hat
9,8 m Durchmesser und überspannt die vorbereiteten kreisrunden Ausfahrten in der so
genannten Brillenwand. Im
Schutz der Membran wird die
Schildvortriebsmaschine montiert.
Zuerst wird in die Brillenwand ein Membranträgerring
eingebaut, der aus 4 Segmenten besteht. Er nimmt die
Kräfte aus der Membran auf
und überträgt sie auf die
Senkkastenwand.
Anschließend wird die Membran eingehängt. Über die Membran wird
ein lastabtragendes Netz aus
Stahlbandagen (Bild 7) eingebaut, das nach allen Seiten hin
flexibel ist. Zwischen Brillenwand und Membran ist nun ein
Hohlraum entstanden, die
Membrankammer. Sie wird mit
Bentonitsuspension
gefüllt.
Damit die Membran nicht am
vereisten Dichtungsblock anfriert, wird die Suspension
ständig ausgetauscht. Jetzt
kann die Vereisung abgeschaltet werden, und der Dichtungs-
Deutschland
block taut wieder auf. Die
Membran verhindert das
Eindringen des Grundwassers
in den Senkkasten (Bild 7).
Im Schutz der Membran beginnen die Vorbereitungen für
die Montage der Schildvortriebsmaschine (Bild 7). Zuerst
werden die Anfahrdichtung
und die Schildwiege installiert
und danach das Schild unmittelbar vor der Membran montiert. Der Druck der Bentonitsuspension wird über den
Luftdruck der Schildvortriebsmaschine geregelt. Allmählich
wird die Suspension abgelassen und durch Druckluft ersetzt. Der Senkkasten ist nun
durch die Schildvortriebsmaschine vor dem Grundwasser geschützt (Bild 7). Unter
einem Luftdruck von bis zu
2 bar werden Membran und
Stahlbandagen ausgebaut. Danach kann der Schildvortrieb
aus dem Senkkasten 1 heraus
beginnen. Diese Vorgehensweise gilt für alle 4 Tunnelausfahrten am Landwehrkanal.
Germany
ment of the water damage affecting the sealing block for
caisson 1 at the Landwehrkanal,
which was concluded by means
of freezing. The membrane
(Fig. 6) is applied for sealing purposes in conjunction with the
further preparation of the shield
drive.
This solution was devised by
the Herrenknecht AG and the
DB Projekt GmbH Knoten Berlin.
After intensive tests in collaboration with the University of
Karlsruhe and the JV Fernbahntunnel – consisting of the
companies Hochtief AG, Philipp
Holzmann AG, Bilfinger + Berger
Bau AG and Dyckerhoff &
Widmann AG – the method was
approved by the Federal Railway
Office and permitted to be used
so that it could be applied for
the first time for tunnelling in
Berlin.
The membrane solution is
part of the new, extended safety
concept for tunnelling as such.
The necessity to increase the
safety level for constructing the
5 Abschluss der Brillenwandöffnungen im Senkkasteninnern für den
Absenkvorgang
5 End of the breakthrough wall openings within the caisson for the
lowering procedure
Tunnel 6/2008
north-south link for mainline
and regional traffic resulted
among other things owing to
the case of damage that occurred to the sealing block in
front of caisson 1 in July 1997. In
agreement with the consultants, the Federal Railway Office,
the Deutsche Bahn AG and the
responsible contractors the
steps to redevelop the caisson
were established and the safety
precautions for tunnelling defined afresh.
A 3 mm thick membrane
(Fig. 7) protects the mainline
and regional tunnel against
groundwater before the shield
drive starts up. It has 9.8 m diameter and spans the prepared
circular exits in the breakthrough wall. The shield machine is assembled protected
by the membrane.
First of all a membrane bearing ring is installed in the breakthrough wall, which consists of
4 segments. It accepts the forces from the membrane and
transfers them to the caisson
wall. Afterwards the membrane
is hung in position. A load-diverting network made of steel
bands (Fig. 7) is installed over
the membrane, which is flexible
all-round. A cavity was then created between the breakthrough
wall and the membrane, the
membrane chamber. It is filled
with the bentonite suspension.
In order to ensure that the membrane does not freeze against
the frozen sealing block, the
suspension is constantly exchanged. Now the freezing
process can be switched off and
the sealing block melts once
more. The membrane prevents
groundwater from penetrating
the caisson (Fig. 7).
The preparations for assembling the shield tunnelling machine start protected by the
membrane (Fig. 7). First of all the
start-up seal and the shield cradle are installed and then the
shield assembled immediately
in front of the membrane. The
Tunnel 6/2008
Schildschwanz mit
Stahlbürstendichtung
(Bild 8)
Der sich tatsächlich einstellende Ringspalt weicht ab, da
der Schild und damit auch die
Auskleidung nicht vollkommen
zentrisch im Ausbruchquerschnitt zu liegen kommen.
Außerdem
führen
auch
Verformungen des Gebirges
und der Auskleidung zu unterschiedlichen Spaltweiten.
Bei einem einschaligen
Tübbingausbau wird der
Ringspalt meist durch in den
Schildschwanz
integrierte
Verpressleitungen, sogenannte Lisenen, mit Mörtel verfüllt.
Um ein Eindringen des Mörtels
in den Tunnel zu verhindern,
wird zwischen Schildmantel
und Tübbingausbau eine
Schildschwanzdichtung angeordnet. Diese muss gegen
Gebirgs- und Wasserdruck
bzw. dem daraus resultierenden Einpressdruck des
Mörtels bemessen sein.
Heute werden i. d. R. Strahlbürstendichtungen mit 2 bis
5 hintereinander angeordneten Bürstenringen eingesetzt. Die Kammern zwischen
den Bürsten werden über eine
Fettzuführung mit Fett gefüllt.
Damit kein Wasser oder gelöstes Felsmaterial in den Dichtungsbereich eindringen kann
und um einen Gegendruck zum
Verpressmörtel zu gewährleisten, wird das Fett in den einzelnen Kammern mit Druck beaufschlagt.
Stahlbetontübbinge
Die 8 Tunnelröhren werden
einschalig mit Stahlbetontübbingen ausgebaut. Die einzelnen Tunnelringe bestehen aus
7 Block-Tübbingen und einem keilförmigen Schlussstein
(7 + 1), haben 7,85 m Innendurchmesser und wegen
der Tunnelbögen 1465 bis
1528 mm Breite; die Tübbin-
33
Schildvortrieb für U-Bahn Berlin
Tail Skin with Steel
Brush device (Fig. 8)
The actual annular gap fluctuates as the shield and in turn
the lining does not lie completely centric in the excavated
cross-section. In addition rock
and lining deformations lead to
varying gap widths.
In the case of a monocoque
segmental lining the annular
gap is filled with mortar mainly
by the grouting lines integrated
in the tail skin. In order to prevent mortar penetrating the
tunnel a tail skin seal is set up
between the shield skin and the
segmental lining. This has to be
dimensioned to cope with rock
and water pressure as well as
the resultant mortar pressure.
Nowadays generally speaking steel brush seals with 2 to
5 brush rings arranged one behind the other are applied. The
chambers between the brushes
are filled with grease via a grease
feeding line. In order to make
sure that no water or loosened
rock material can penetrate the
sealing area and to ensure counter-pressure for the grouting
mortar the grease is subjected
to pressure in the individual
chambers.
6 Ansicht der Membran
6 View of the membrane
ge sind im Mittel 1,5 m breit,
3,8 m in Umfangrichtung lang,
40 cm dick und wiegen mehr
als 5 t. Jeder Tunnelring wiegt
fast 40 t und ein Schlussstein
450 kg. Die Ringe werden
nach dem Einbau miteinander
verschraubt, ebenso die Tübbinge und der Schlussstein
eines Tunnelrings untereinander.
Tübbingfertigung
Mit der Fertigung und Lieferung der rd. 27 300 Stahlbetonfertigteile für insgesamt
3412 Tunnelringe wurde die
Reinforced Concrete
Segments
pressure produced by the bentonite suspension is regulated
via the shield tunnelling machine’s air pressure. The suspension is gradually discharged and
replaced by compressed air. The
caisson is now protected from
groundwater by the shield tunnelling machine (Fig. 7). The
membrane and steel bands are
removed given air pressure of
up to 2 bar. Afterwards the
shield drive can start up from
caisson 1. This approach applies
for all 4 tunnel exits at the
Landwehrkanal.
The 8 tunnel tubes are provided with a single shell of reinforced concrete segments. The
individual segment rings consist of 7 block segments and a
wedge-shaped keystone (7 + 1),
possess an inner diameter of
7.85 m and are 1,465 to
1,528 mm wide on account of
the tunnel arch; the segments
are on average 1.5 m wide,
3.8 m long in a peripheral direction, 40 cm thick and weight
more than 5 t. Each tunnel ring
weighs almost 40 t and a keystone 450 kg. After installation
the rings are bolted to each other and the segments and key-
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imbau Berlin GmbH beauftragt. Im Werk Berlin-Köpenick
(50 000 m² Hallenfläche und
100 000 m² Freigelände mit
Brückenkränen) wurde im
September 1996 mit der
Tübbingfertigung begonnen.
Täglich wurden Teile für
7 Tunnelringe gefertigt, und
zwar 3 für linke und 4 für rechte Tunnelbögen. Es wurden
insgesamt 132 000 t Beton
und 6300 t Betonstahl verarbeitet.
Betontechnologie und
Bewehrung
Die Fertigteile sind aus wasserundurchlässigem Beton der
Festigkeitsklasse B 45 (wu)
hergestellt. Entlang der Tunneltrasse hat das Grundwasser
einen erhöhten Sulfatgehalt.
Deshalb ist für die Tübbingfertigung ein hochsulfatbeständiger Zement (CEM I 42,4
R-HS) verwendet worden und
so die Dauerhaftigkeit des
Tunnelbauwerks gewährleistet.
Der Bewehrungsstahlanteil
des Betons beträgt 120 kg/
m³. Die Bewehrungskörbe aus
verschweißten Betonstahlstäben sind mit entsprechenden
Abstandhaltern versehen und
in Stahlschalungen eingebaut.
Gefordert ist eine Betondeckung von 45 mm zur Tunnelaußen- und 35 mm zur
Tunnelinnenseite, um die Bewehrung dauerhaft vor Korrosion zu schützen.
Deutschland
und 7 Schlusssteinschalungen.
Nach dem Einbau des Bewehrungskorbes und der Einbauteile, wie zum Beispiel
Schwellendübel für die Verschraubung in den Ring- und
Längsfugen, werden die stählernen Schalungen zum Nachweis der Einhaltung der geforderten geometrischen Bedingungen vermessen. Erst danach wird der Beton in die
Schalungen eingebracht und
mit Schalungsrüttlern verdichtet. Eine Wärmebehandlung
fand nicht statt.
Betonerhärtung und
Ausschalen
Nach 16 bis 18 h war die
verlangte Mindestdruckfestigkeit von 20 N/mm² erreicht
und die Tübbinge konnten ausgeschalt werden. Diese kurze
Erhärtungszeit bedeutet eine
Germany
stone connected with one another.
The imbau Berlin GmbH was
commissioned to produce and
supply the around 27,300 reinforced concrete pre-cast parts
for a total of 3,412 segment
rings. Manufacture of the segments began in September
1996 at the Berlin-Köpenick factory (50,000 m2 hall area and
100,000 m2 outside area). Parts
for 7 segments were produced
daily – namely 3 for left-hand
and 4 for right-hand tunnel
arches. Altogether 132,000 t of
concrete and 63,000 t of reinforcing steel were processed.
strength class B 45. The groundwater along the tunnel route
possesses an increased sulphate
content. As a result a high sulphate resistant cement (CEM I
42.4 R-HS) was used to manufacture the segments in order to
boost the service life of the tunnel.
The reinforcement steel content of the concrete amounts to
120 kg/m3. The reinforcement
cages made of welded reinforced concrete rods are provided with appropriate spacers
and installed in steel formwork
units. A concrete cover of
45 mm for the outside of the
tunnel and 35 mm for the inside
is required in order to protect
the reinforcement permanently
from corrosion.
Concrete Technology
and Reinforcement
Formwork and
Concreting
The pre-cast parts are made
of watertight concrete with
The steel formwork units for
segment production were pro-
Segment Production
Schalung und
Betonage
Die stählernen Formschalungen für die Tübbingfertigung wurden von CBE, Tours/
F, hergestellt, die auch die
Schalungen zur Tübbingfertigung für den Eurotunnel geliefert hatte. Für die Fertigung
von täglich 7 Tunnelringen
wurden 7 Schalungssätze eingesetzt, das sind 49 Tübbing-
Tunnel 6/2008
7 Bauplan für die Anfahrt im Senkkasten 1
7 Construction plan for starting-up in caisson 1
Tunnel 6/2008
verhältnismäßig schnelle Erwärmung des Betons. Zur
Vermeidung von Rissen an der
Betonoberfläche wurden die
Tübbinge bis zu 46 h nach dem
Ausschalen in der temperierten
Fertigungshalle zwischengelagert. Dadurch wurde ein zu
schnelles Abkühlen des Betons
vermieden. Erst nach Temperaturanpassung des jungen
Betons an die Außentemperatur begann man mit der
Auslagerung der Stahlbetonfertigteile ins Freigelände. Je
nach Witterungsbedingungen
waren weitere Schutzmaßnahmen erforderlich, wie zum
Beispiel Abdeckung der Tübbingstapel im Freigelände.
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Shield Drive for the Berlin Underground
Literatur
[1] Grundbau-Taschenbuch, Teil 3
von 2001, Verlag Ernst und Sohn,
Berlin.
[2] K. Meyer: Geologische Verhältnisse in Berlin; Vorträge der Baugrundtagung 1978, Berlin, S. 487–
502, DGGT/Essen.
[3] Tunnelbautaschenbuch
2000,
Verfasser Brux, Verlag VGE/Essen.
[4] STUVA-Tagung Nr. 40, Verfasser
Azer, 2000, Alba-Verlag/Düsseldorf.
[5] Eisenbahningenieur-ETR
von
1999, Nr. 11, Verfasser Brux, Verlag
Hamburg.
[6] Firma Wayss und Freytag – Prospekte.
[7] Wittke, W.: Statik und Konstruktion von Tunnelvortrieben, WBI-Print
Nr. 6, 2003, Verlag VGE/Essen.
[8] Firma Herrenknecht – Prospekte.
[9] Braunschweiger
Bauseminar
1996, H. Dahl, Heft 126, TU-Braunschweig, Institut – IBMB – Prof.
Falkner.
[10] Beton-Kalender 2005, Teil 1:
Tunnelbau Dorgarten, Balthaus,
Billig.
8 Schildschwanz mit Stahlbürstendichtung
8 Tail skin with steel brush seal
vided by CBE, Tours/F, which
also provided the formwork for
producing the segments for the
Channel Tunnel. Seven sets of
formwork were employed to
manufacture 7 segment rings
per day – accounting for 49 segment and 7 keystone formwork
units.
After installing the reinforcement cage and the built-in parts
as for example sleeper plugs for
bolting the ring and longitudinal joints the steel formwork
units are surveyed to obtain evidence that the required geometrical conditions are adhered
to. Only then is the concrete
placed in the formwork and
compacted with vibrators. No
heat treatment was applied.
Concrete Hardening
and Stripping
The demanded minimum
compressive strength of 20 N/
mm2 was attained after 16 to
18 h and the segments could
be stripped. This short hardening period implies relatively rapid heating up of the concrete.
The segments were temporarily
stored up to 46 h after stripping
at the right temperature in a
production hall to avoid cracks
in the surface of the concrete. In
this way it was avoided that the
concrete cooled down to quickly. The reinforced concrete precast parts were first stored outside once the young concrete
had adjusted to the outside
temperature. Depending on the
weather conditions further protective measures were required such as for instance covering the segment stacks in the
open.