Vortriebsrohr und Rohrstrang: Schlüsselfaktoren für einen erfolgreichen gebogenen Mikrotunnel – TBM: Tunnel Business Magazine

Das gewünschte Ergebnis eines Mikrotunnelbaus ist eine präzise und fehlerfrei installierte Pipeline. Im Idealfall dient das Vorrohr auch als Trägerrohr und vermeidet so den teuren Sliplining eines weiteren Rohres. Der größte Vorteil eines Mikrotunnelbetriebs für den Eigentümer ist die möglichst lange Rohrleitung pro Schacht – sobald das System in Betrieb ist, sinken die Kosten pro linearem Fuß mit jedem weiteren vorgeschobenen Fuß. Geschwungene Ausrichtungen ermöglichen längere Antriebslängen durch Umgehung von Hindernissen und Zwischenschächten. Allerdings müssen beim Vortrieb von Rohren und Rohrsträngen einige wichtige Aspekte beachtet werden, um die einwandfreie Qualität der verlegten Rohre sicherzustellen.

Enge Kurven im Mikrotunnelbau sind heute in den meisten Fällen nur noch mit starren, dickwandigen Vortriebsrohren mit Gelenkverbindungen wie Stahlbeton oder Polymerbeton möglich. Bei einer gekrümmten Trasse konzentriert sich die Durchbiegung aufgrund der Steifigkeit des Materials auf die Rohrverbindungen.

Abbildung 1: JC260-Hydraulikverbindung, installiert an einem Vortriebsrohr mit 2.000 mm Innendurchmesser.

Eine hohe zulässige Vortriebskraft ist für einen effizienten Betrieb unerlässlich und gerade wenn die Dinge nicht ganz nach Plan laufen, sind gewisse Reserven wünschenswert und sollten Teil des Risikomanagements sein. Selbst bei bester geotechnischer Untersuchung birgt jede Form des Tunnelbaus immer Überraschungen.

Die sichere Übertragung der Vortriebskraft von Rohr zu Rohr in einer Gelenkverbindung ist daher ein zentraler Aspekt und notwendig, um die zulässige Vortriebskraft zu verstehen, ohne Schäden an den Rohren zu verursachen.

Die Bestimmung der zulässigen Vortriebskraft in einer Gelenkverbindung hängt direkt vom Materialverhalten des Druckübertragungsrings ab. Daher ist ein vorhersehbares Materialverhalten der Schlüssel zu einer zuverlässigen Berechnung.

Bei herkömmlichen Druckübertragungsringen aus Holz sind Fugenklaffen auf der Außenseite des Gelenkgelenks sowie punktuelle Belastungen und unvorhersehbare Spannungsspitzen auf der Innenseite aufgrund des kaum vorhersehbaren Materialverhaltens die unvermeidbaren Folgen (Abbildung 2).

Abbildung 2: Spannungsverteilung und exzentrische Belastung mit hölzernem Druckübertragungsring.

Konstruierte Druckübertragungsringe wie das Hydraulic Joint (Abbildung 1) oder das EDAR können selbst bei großen Knickwinkeln eine vollflächige Druckübertragung ohne Spannungsspitzen gewährleisten und ermöglichen aufgrund ihrer inhärenten, perfekten Darstellung ein genaues Verständnis der auf das Rohr wirkenden Spannungen vorhersehbares mechanisches Verhalten (Abbildung 3).

Abbildung 3: Spannungsverteilung und exzentrische Belastung mit hydraulischem Gelenk.

Die Übertragung von Lasten über Gelenkverbindungen führt immer zu einer außermittigen Belastung des Rohres. Konstruierte Druckübertragungsringe reduzieren die Exzentrizität maßlich, die globale Auswirkung auf das einzelne Rohr ist jedoch weiterhin zu beobachten und sollte berücksichtigt werden. Die außermittige Axialbelastung wird durch seitlich auf die Vortriebsrohre einwirkende Kräfte ausgeglichen, was das Schadensrisiko deutlich erhöht.

Die relevante Exzentrizität entsteht nicht nur durch die Artikulation eines einzelnen Gelenks, sondern ist das Ergebnis unterschiedlicher Gelenkartikulationswinkel am vorderen und hinteren Ende des Rohrs (Abbildung 2 und Abbildung 3). Um die Exzentrizität zu minimieren, sind ein geeigneter Druckübertragungsring und eine leichtgängige Lenkung der Maschine von entscheidender Bedeutung.

Neben einer robusten konstruktiven Gestaltung der Vortriebsrohre ist auch die Gestaltung der Rohrverbindungen wichtig, da sich die Gelenkwirkung auf die Rohrverbindungen konzentriert. Die Verbindung muss innen und außen am Rohr bündig abschließen und das Rohr auch im gelenkten Zustand gegen Grundwasser und Erdreich abdichten. Angesichts der Anforderung eines vorhersehbaren Verhaltens des Druckübertragungsrings ist es wichtig, dass die Verbindungskonstruktion auch den Druckübertragungsbereich abdichtet, um zu verhindern, dass Erde oder Wasser das Verhalten des Druckübertragungsrings unvorhersehbar beeinflussen. Eine geeignete Verbindungskonstruktion besteht aus einem äußeren Stahlband oder einer Stahlmanschette, die in den Beton eingegossen wird, und einem Spitzende mit der Dichtung in einer Nut an der Außenseite des Rohrs. Diese Überlegungen gelten auch für geplante Geradeausfahrten, da Lenkkorrekturen immer zu Umlenkungen an den Rohrverbindungen führen.

Die Gelenkigkeit hängt nicht nur vom Kurvenradius und dem Rohrdurchmesser ab, sondern auch von der Rohrlänge. Kürzere Rohre verringern den Gelenkwinkel bei gegebenem Durchmesser und Radius, erhöhen aber die Anzahl der benötigten Gelenke. Jede Verbindung stellt eine Schwachstelle in der Rohrleitung dar und daher sollte die Anzahl der Verbindungen minimiert werden. Außerdem erhöhen kürzere Rohre die Kosten pro laufenden Fuß, nicht nur auf der Herstellungsseite, sondern auch während der Installation, da für jedes neu zu installierende Rohr alle Versorgungsleitungen getrennt und wieder angeschlossen werden müssen, was zu einer langsamen Vorwärtsgeschwindigkeit führt. Der Schlüssel hier ist, Rohre so lange wie möglich zu verwenden.

Um die Querkräfte aus exzentrischer Belastung aufzunehmen, muss die konstruktive Gestaltung genügend Reserven vorsehen. Mit einem hochentwickelten Überwachungssystem und der hydraulischen Verbindung als Druckübertragungsring kann die zulässige Vortriebskraft an jedem Rohr an jedem Ort und Gelenkzustand in Echtzeit bestimmt werden, indem vor Ort der tatsächliche Druck und die Gelenkbewegung gemessen werden, denen das Rohr ausgesetzt ist. Auf diese Weise kann der effektive Spannungszustand jedes Rohrs unter allen Umständen während der Installation verstanden werden, was der wichtigste Schlüssel im Risikomanagement für eine erfolgreiche Installation ist.

Die Trasse eines Mikrotunnels besteht aus geraden, gebogenen und Übergangselementen. Kurven erfordern Navigationssysteme, die ohne Sichtverbindung zwischen Schacht und Maschine funktionieren.

Übergangselemente können Klothoiden sein, die den Kurvenradius nur allmählich ändern und nicht sofort, wie dies bei einem Kurvenelement unmittelbar nach einem geraden Element der Fall wäre.

Solche Übergangselemente können in anspruchsvollen Navigationssystemen implementiert werden und unterstützen den Bediener beim sanften Einlenken in die Kurve. Dadurch werden große Gelenkgelenksunterschiede auf einer kurzen Strecke vermieden, die typischerweise die Ursache für verringerte zulässige Vortriebskräfte oder Rohrschäden sind.

Cyrill Althuser ist Projektmanager bei Jackcontrol AG, Schweiz.

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