Erddruckschild für Wientalsammler EPB Shield for the

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Österreich
Austria
Tunnel 1/2006
Erddruckschild für
Wientalsammler
EPB Shield for the
Wiental Main Sewer
Karin Bäppler
Karin Bäppler
In der Bundeshauptstadt Österreichs wurde im
Mai 2003 mit dem Bau des Wienflusssammelkanals, eines tief liegenden Entlastungskanals,
begonnen. Der insgesamt 2689 m lange, neue
Sammelkanal ist Teil des Gewässerschutzprogramms der Stadt Wien/A.
Work began on the Wiental main sewer in
Austria’s federal capital in May 2003, a deep
lying relief collector. The altogether 2,689 m
long new tunnel is part of Vienna’s water
conservation programme.
Der Wienflusssammelkanal
dient dazu, die beiden parallel
zum Wienfluss verlaufenden
und seit dem 19. Jahrhundert
in Betrieb stehenden Abwasserkanäle zu entlasten. Zudem
soll er bei starken Regenfällen
die gesamte Misch- und Abwasserfracht aufnehmen und
damit ein Eintreten von Abwässern in den Wienfluss verhindern.
Die Bauabschnitte BA 02
und BA 03 des Wientalsammlers verlaufen entlang des
Wienflusses in einer Tiefe von
30 m inmitten der Innenstadt
Wiens (Bild 1). Sie gliedern
sich in einen ca. 2600 m langen Abschnitt im Schildvortrieb mit Kreisquerschnitt und
Innendurchmesser von 7,5 m
sowie einen 67 m langen Bereich in offener Bauweise mit
Rechteckquerschnitt.
Mit dem errichteten Kanaltunnelbauwerk wurde in Wien
erstmals ein Entlastungskanal
unter einem Flussbett realisiert. Durch die sinnvolle Doppelnutzung dieses Kanalsystems als Speicher und Abwasserabfluss ist der Bau eines
Überlaufbeckens somit hinfällig.
Im September 2004 wurde
der Vortrieb für die 2600 m
lange Schildvortriebsstrecke aufgenommen. Mit der Projektausführung wurde die Arbeitsgemeinschaft ARGE WSK-E
(Wienflusssammelkanal-Entlastungskanal) Wientalsammler,
bestehend aus den Firmen
Porr Tunnelbau GmbH und Bilfinger Berger GmbH, beauftragt. Zum Einsatz kam ein
126 m langer Erddruckschild
(8,64 m Durchmesser) der
Herrenknecht AG (Bild 2). Der
Vortrieb musste unter äußerst
begrenzten Platzverhältnissen
im Wiener Stadtpark erfolgen
(Bild 3). Er startete in einem
33 m tiefen Startschacht von
22 m Durchmesser in Rich-
The Vienna River collector is
devised to relieve the two sewers running parallel to the river
that have been in use since the
19th century. Furthermore, in
the event of heavy rainfall it is intended to cope with the entire
mixed sewage produced to prevent it entering the Vienna River.
The construction sections
BA 02 and BA 03 of the Wiental
Main Sewer run along the Vienna River at a depth of 30 m
through the centre of downtown Vienna (Fig. 1). They are
split up into an approx. 2,600 m
long shield driven section with
a circular cross-section and an
internal diameter of 7.5 m as
well as a 67 m long stretch with
Dipl.-Ing. Karin Bäppler,Vertrieb,
Herrenknecht AG, Schwanau/D
1 Der Wientalsammler verläuft entlang des Wienflusses in 30 m Tiefe
1 The Wiental main sewer runs along the Vienna River at a depth of 30 m
a rectangular cross-section created via cut-and-cover.
This sewage tunnel represents the first project of its kind
– a relief collector produced below a river bed – in Vienna.
Thanks to the targeted dual use
of this sewer system as collector
and sewage outlet there is no
need to build a retention basin.
Work on excavating the
2,600 m long shield driven section began in September 2004.
The ARGE WSK-E (Wienflusssammelkanal-Entlastungskanal)
Wientalsammler was commissioned to undertake the project. The JV consists of the companies Porr Tunnelbau GmbH
and Bilfinger Berger GmbH. A
126 m long earth pressure balance shield (8.64 m diameter)
built by the Herrenknecht AG
was used (Fig.2) for the scheme.
The excavation was carried out
given extremely constricted
space conditions in the Vienna
City Park (Fig. 3). It began in a
33 m deep starting shaft with
22 m diameter heading towards the target shaft at the
Ernst Arnold Park (Fig. 4).
The drive was characterised
by the extraction of largely
Dipl.-Ing. Karin Bäppler, Sales
departement, Herrenknecht AG,
Schwanau/D
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2 Der 8,64 m Durchmesser große Erddruckschild im Werk Schwanau/D
2 The 8.64 m diameter large EPB shield at the works in Schwanau/D
tung Zielschacht am Ernst-Arnold-Park (Bild 4).
Der geschlossene Vortrieb
war gekennzeichnet durch
den Abbau von überwiegend
schluffigen geologischen Abla-
silty geological deposits as
well as sandy, silty and
clayey sediments with sand intrusions (Wiener Tegel) with
maximum groundwater pressures of 2.5 bar.
3 Äußerst beengte Baustellenverhältnisse für den Startschacht am Wiener
Stadtpark ...
3 Extremely constricted space conditions for the starting shaft at the Viennese City Park ...
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7 Mit schienengebundenen Kippern wurde das Ausbruchmaterial von
der Ortsbrust zum Startschacht transportiert
4 ... und nicht weniger beengte Verhältnisse am Zielschacht beim ErnstArnold-Park
4 ... and equally constricted conditions at the target shaft at the ErnstArnold-Park
gerungen sowie sandigen,
schluffigen und tonigen Sedimenten mit eingelagerten
Sandlinsen (Wiener Tegel) mit
maximalen Grundwasserdrücken von 2,5 bar.
Den Abbau des anstehenden Bodens an der Tunnelbrust übernahm ein entsprechend konzipiertes SoftgroundSchneidrad mit einem Gesamtgewicht von 50 t. Es war mit
insgesamt 141 Schälmessern,
24 Schneidrollen und 16 Räumern bestückt. Entsprechend
der Anforderung des Bauher-
ren in der Ausschreibung wurden die Abbauwerkzeuge so
angeordnet, dass sie in beiden
Richtungen wirksam waren
und vom rückwärtigen Bereich
her ausgewechselt werden konnten. Das Schneidrad ist gegenüber dem Schildmantel längs
verschiebbar und zusätzlich verkippbar, was die Steuerbarkeit
von besonders engen aufzufahrenden Kurvenradien (200 m)
erleichterte (Bilder 5 und 6).
Das Abbauprinzip des Erddruckschildes ist wie folgt geregelt: In der Abbaukammer,
7 The excavated material is transported from the face to the starting shaft
by means of trackbound dumpers
A correspondingly devised
Softground cutting wheel with
a total weight of 50 t was responsible for removing the prevailing soil at the face. It was fitted with a total of 141 cutters,
24 cutter rollers and 16 scrapers.
In accordance with the demands made by the client at the
tendering stage, the extraction
tools were arranged in such a
way that they could operate in
both directions and could be replaced from the rear. The cutting wheel can be displaced
longitudinally vis-à-vis the
shield skin and is also tiltable,
which made it easier to steer
the machine when driving par-
ticularly narrow curved radii
(Figs. 5 and 6).
The EPB machine’s excavation principle operates as follows: extraction and preparation of the removed soil take
place in the working chamber,
which is separated within the
shield by the pressure bulkhead.The removed soil material
is saturated with water and
treated with foam in order to
support the tunnel face. This
material is mixed by means of
agitators in the working chamber to form a homogenous
mass and transported via a
screw conveyor from the pressurised working chamber to the
6 Millimetergenau wird der mit 141 Schälmessern, 24 Schneidrollen und
16 Räumern bestückte Softground-Schild eingebaut
5 Einheben des 50 t schweren Schneidrades am Startschacht
5 Lowering the 50 t heavy cutting wheel at the starting shaft
6 The Softground shield fitted with 141 cutters, 24 cutter rollers and
16 scrapers is installed with absolute precision
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8 In nur 8 Monaten wurde der 2600 m lange Tunnel aufgefahren
8 The 2,600 m long tunnel was driven in only 8 months
die im Schild durch die Druckwand getrennt ist, erfolgen
Abbau und Aufbereitung des
abgebauten Bodens. Zur Stützung der Ortsbrust dient das
ausgebrochene, wassergesättigte und mit Schaum versetzte Bodenmaterial. In der Abbaukammer wird dieses mittels Agitatoren zu einer homogenen Masse vermischt und
über die Förderschnecke aus
der unter Druck stehenden Abbaukammer in den unter atmosphärischem Druck stehenden Tunnel transportiert.
Die Vortriebspressen übertragen über die Druckwand die
Kraft auf den anstehenden
Erdbrei und verhindern somit
ein unkontrolliertes Eindringen des Bodens von der Ortsbrust in die Abbaukammer.
Der Gleichgewichtszustand ist
erreicht, wenn der Erdbrei in
der Abbaukammer durch den
anstehenden Erd- und Wasserdruck nicht weiter verdichtet
werden kann. Der dann an der
Ortsbrust vorherrschende Erddruck entspricht relativ exakt
dem Erdruhedruck.
Dabei ist es während des
gesamten Vortriebes wichtig,
den Erddruck möglichst konstant zu halten. Der in der Erdkammer erzeugte Druck muss
tunnel, which is under atmospheric pressure.
Hydraulic cylinders transfer
force on to the resultant earth
pap via the pressure bulkhead
and thus prevent the soil from
the face entering the working
chamber in an uncontrolled
manner.The state of equilibrium
is attained once the earth pap in
the working chamber can no
longer be further compacted by
the ensuing earth and water
pressure. The earth pressure
then prevailing at the face more
or less corresponds to the earth
pressure at rest.
It is essential to ensure that
the earth pressure is kept as
constant as possible throughout the entire excavation. The
earth pressure produced in the
earth chamber must balance
out the earth pressure in front of
the cutting wheel in order to
avoid settlement and soil escaping. One condition contained in the tendering documents related to continuous
control of the filling level in the
working chamber to attain as
stable a face as possible. Earth
pressure sensors,installed at different levels on the pressure
bulkhead, afford a corresponding technical solution here.
The earth and supporting pres-
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den Erddruck vor dem Schneidrad ausgleichen, um Setzungen und das Entweichen von
Boden zu vermeiden. Eine Vorgabe entsprechend den Ausschreibungsunterlagen war eine kontinuierliche Kontrolle
des Füllungsgrades der Abbaukammer, um eine möglichst
stabile Ortsbrust zu erreichen.
Eine entsprechende technische Lösung bieten Erddruckmessdosen, die auf unterschiedlichem Niveau an der
Druckwand angebracht sind.
Über diese kann der Erddruck
beziehungsweise Stützdruck
gemessen und im Steuerstand
angezeigt werden. Neben der
sicheren Stützung der Ortsbrust galt es zudem, vor Ort
die Grundwässer – ebenso die
gespannten Grundwässer – wirksam mit dem geschlossenen
Vortriebsverfahren abzustützen.
Auf Grund der innerstädtischen Bausituation mussten
die gesamte Versorgung der
Baustelle mit Baumaterialien
sowie die Entsorgung des
angefallenen Aushubmaterials
über das innerstädtische Straßennetz mittels Lkw erfolgen.
Das anfallende Ausbruchmaterial wurde vom Schneckenauswurf im Schildbereich
über Förderbänder ans Ende
des Nachläufers der TBM
transportiert und dort auf
schienengebundene Kipper verladen (Bild 7). Die Kipper wurden zu Zügen zusammengestellt und mittels einer Diesellok bis zum Schacht transportiert. Dort wurden die Kipper
mithilfe des Portalkrans am
Startschacht an die Oberfläche
gehoben und in ein Zwischenlager entleert.
In nur acht Monaten wurde
die 2600 m lange Vortriebsstrecke im geschlossenen Erddruckschildmodus aufgefahren.
Dabei konnten beeindruckende Vortriebsleistungen von bis
zu 36 m Tunnel pro Tag erzielt
werden. Besonders hervorzuheben ist dabei die Unterque-
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rung der U-Bahn-Linie U1 am
Karlsplatz. Diese erfolgte mit
einem Abstand von nur 3 m
bei einem Schilddurchmesser
von 8,64 m. Dies bedeutete
höchste Anforderungen an die
Vortriebstechnik und an die
Mannschaft, da der maschinelle Tunnelbau unter äußerst
setzungs- und hebungssensitiven innerstädtischen Bedingungen erfolgte. Um diese diffizile
Stelle sicher zu passieren, wurden vorab zur Baugrundstabilisierung Injektionsbohrungen
vom Wienfluss aus durchgeführt.
Die eingebaute Tunnelsicherung setzt sich aus 1,5 m
langen Stahlbetontübbingringen zusammen. Diese werden
mit einem Bahnwagon in den
Tunnel gebracht und der Vortriebsmaschine in bereits richtiger Reihenfolge zugeführt.
Ein Tübbingring besteht aus
5 Segmenten plus 1 Schlussstein und bildet aneinander gereiht die Sicherung des Hohlraumes in Form eines einschaligen, 40 cm dicken Tübbingausbaus. Die Tübbinge werden
mithilfe eines ferngesteuerten
Erektors (Tübbingversetzgerät) von Fachpersonal in ihre
entsprechende Position versetzt. Der Einbau des Schlusssteins ist dabei in jeder Position
möglich. Die Vortriebspressen
sind so angeordnet, dass die
Krafteinleitung in die Tübbinge
zentrisch erfolgt. Nach dem
Einbau der Tübbinge werden
diese miteinander verschraubt.
Die Verschraubung bleibt am
Vortriebsbeginn und -ende beziehungsweise an den Anschlussstellen der Beileitungen
aus statischen Gründen permanent vorhanden.
Der Erddruckschildvortrieb
hat sich unter höchst anspruchsvollsten städtebaulichen Bedingungen als innovative, sichere
und verlässliche Methode erwiesen. Der 2600 m lange Tunnel in 30 bis 36 m Tiefe konnte
in nur 8 Monaten erfolgreich
aufgefahren werden (Bild 8).
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Damit wurde erstmalig in
Wien ein Entlastungskanal in der
Form eines Tiefkanals realisiert.
Auf Grund der Bebauungsund Infrastruktursituation und
den somit vorherrschenden
beengten Platzverhältnisse wird
dieses Bauverfahren sicherlich
auch in Zukunft für die noch zu
errichtenden Entlastungskanäle eine attraktive Alternative
darstellen.
sure can be measured via these
sensors and displayed on the
control panel. In addition to
safely supporting the face,it was
also essential to support the
prevailing groundwater – also
confined groundwater – effectively using the closed extraction method.
On account of the inner urban location, the site’s entire
supply of construction materials as well as removal of the material that was excavated had to
be carried out by means of lorries using the road network in
the city centre.
The excavated material that
accumulated was passed on to
conveyor belts at the end of the
TBM back-up system via screw
conveyors and loaded on to
trackbound dumpers (Fig. 7).
The dumpers were formed into
trains and transported to the
shaft via a diesel locomotive.
The dumpers were then raised
with the aid of a portal crane at
the starting shaft and emptied
at a temporary dump on the
surface.
The 2,600 m long section
was driven using the closed EPB
mode in only 8 months. In the
process, impressive rates of
progress of up to 36 m of tunnel
per day were achieved. Cutting
below the U1 Underground
Line at Karlsplatz deserves particular mention.This was undertaken with a gap of only 3 m given an 8.64 m shield diameter.
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This called for the highest demands on driving technology
and on the crew as the mechanised tunnelling took place given extremely sensitive inner urban conditions pertaining to
both settlement and heaving.In
order to pass through this tricky
section, it was necessary to stabilise the subsoil by means of
grout injections that were carried out from the Vienna River.
The tunnel is lined by means
of 1.5 m long reinforced concrete segments. These are
brought into the tunnel on rail
cars and transferred to the TBM
in the proper sequence as required. A segmental ring consists of 5 segments plus a keystone, which are set together to
secure the cavity in the form of a
single-shell, 40 cm thick segmental lining.The segments are
installed in their required position by means of a remote controlled erector by skilled staff.
The keystone can be installed in
whatever position is necessary.
The hydraulic jacks are set up in
such a fashion that force is introduced centrically into the segments. Once the segments are
installed they are bolted together. The bolting process at
the start and end of the excavation as well as at the connecting
points for secondary lines is permanent for static reasons.
The EPB excavation turned
out to be an innovative,safe and
reliable method given highly
difficult inner urban construction
conditions. The 2,600 m long
tunnel located at a depth of 30
to 36 m could be successfully
driven in only 8 months (Fig. 8).
For the first time, a deep-lying tunnel has been used to
provide a relief collector in Vienna. On account of surface buildings and the infrastructural situation and the in turn, restricted
space available, this construction method will certainly represent an attractive alternative
for other relief collectors that
have to be built.