Tunnelprojekt in Kienbaum
Das Tunnelprojekt in Kienbaum, ist ein Teilprojekt um die Europäische Gas-Anbindungsleitung (EUGAL) zu realisieren.
Die EUGAL wurde geplant, um die antransportierten Gasmengen aus Russland durch die Nord Stream 2 von der Ostseeküste, Richtung Süden an die tschechische Grenze zu transportieren. Sie wird geplant, da ein Rückgang der niederländischen Gasproduktion zu verzeichnen ist und somit sollen die fehlenden Gasmengen für den europäischen Markt bereitgestellt werden.Die Leitungslänge der EUGAL beträgt rund 480 km und das bei einem Innenrohrdurchmesser von 1,40 m.
Lage des Projektes
Das Projekt Kienbaum befindet sich in Brandenburg, im Landkreis der Oder-Spree, südöstlich von Berlin. Hierbei wurde sich für den Rohrvortrieb entschieden, da die geplante Trasse der EUGAL durch ein unter Naturschutz liegendes Gewässer verläuft und eine Hochspannungsleitung kreuzt. Der geplante Tunnel soll eine Länge von rund 291m. Dabei werden Betonrohre mit einem Innendurchmesser von 2400 mm und einem Außendurchmesser von 3000 mm verwendet.
Portalnetz
Das anlegen und messen des Festpunktfeldes wird dabei Übersprungen und es wird direkt mit dem Portalnetz begonnen.
Wie in in dem Konzept schon erwähnt wurde muss eine hohe Genauigkeit der Portalpunkte erreicht werden, da schon geringe Abweichungen in der Stationierung im Startschacht einen direkten Einfluss auf das Tunnelnetz haben und zu einer fehlerhaften Positionierung der TBM führt.
Das Verhältnis der Länge vom Startschacht zur Tunnellänge führt zu einer ersten Überlegung und Prognose für die Genauigkeit. Bei einer Startschachtlänge von 10 m und einer Tunnellänge von knapp 300 m, führt dabei zu einem Verhältnis mit dem Faktor 30. Somit wären bei 1 mm Fehler in der Orientierung im Startschacht ein Fehler bei 300 m um 3cm.
Beim Aufbau des Portalnetzes muss bedacht werden, dass innerhalb des Startschachtes der Tachymeter-Standpunkt, von dem aus die Anschlussziele sichtbar sein müssen, zu setzen ist. Zusätzlich dient es als Übergang vom übergeordneten Netz zum Tunnelnetz, sodass hier eine Verbindung zu sichern ist.
Aus diesen Gründen wurde folgendes Konzept, welches in der Darstellung zu sehen ist, erarbeitet. Hierfür wurden 4 Konsolen mit einem fest verschraubten Dreifuß an die Spundwand angeschweißt, welche als Verknüpfungspunkte zum übergeordneten Netz dienen. Als Anschlussziele wurden an der Gurtung Miniprismen angeschweißt. Hierbei wurde sich für die Anbringung an die Gurtung entschieden, da diese robuster gegenüber der Spundwand ist. Durch die hohen Druckkräften, welche von der hydraulischen Presse ausgehen, kann es möglich sein, dass die Spundwand sich verzieht und die Punkte1001-1004 in der Lage verändern. Somit dienen diese Anschlussziele zugleich als Sicherungspunkte und ein Übergang vom übergeordneten Netz zum Tunnelnetz ist damit gewährleistet.
TBM-Einmessung
Ziel des Maschinenaufmaßes ist es die Einbaumaße der Zieltafel sowie die Verrollung und Neigung der TBM zur Maschinenachse zu bestimmen. Die elektronische Zieleinheit (ELS) ist ein wesentliches Element des Navigationssystems und soll das Verhalten der TBM so genau wie möglich wiederspiegeln, um dies zu gewährleisten ist eine exakte Bestimmung dieser Zieltafel zur Maschinenachse notwendig.
Wie auf dem Bild zu erkennen ist, liegt die Maschine willkürlich im Raum. Für die Bestimmung der Maschinenachse wird der Außenmantel der Maschine in bestimmten Ebenen gemessen. Daraus ergeben sich die tatsächlichen Radien der Maschine und deren Mittelpunkte.
Zusätzlich werden bei der TBM-Einmessung Passpunkte im Schild angebracht. Diese dienen der Kontrolle der Einbaumaße bei einem späteren Wiederaufbau der Maschine.
Mit Hilfe von zwei Verrollungspunkten kann die TBM rechnerisch von dem IST-Zustand in die entrollte Position berechnet werden. Das Resultat einer TBM-Einmessung ist die Aussage über die Lage der Zieltafel zu den Kreismittelpunkten der Maschinenachse.
Einrichtung der Phase 1
Bei der Einleitung der Phase 1 ist die Tunnelbohrmaschine bereits in den Startschacht gesetzt und installiert worden. Als wesentlicher Bestandteil der Phase 1 ist die Einrichtung des Tachymeters in den Startschacht. Zunächst wurde eine Netzmessung und Ausgleichung durchgeführt, sodass präzise Koordinaten von dem neuen Standpunkt im Startschacht und der TBM vorliegen.
Um den Vortrieb zu starten, muss die Verrollung und Neigung der Maschine im Startschacht festgestellt werden, dies wurde über die Passpunkte und Verrollungspunkte an der TBM realisiert. Abschließend werden in der Steuerleitssoftware die ausgeglichenen Koordinaten des Tachymeters, einem Anschlussziel und der Koordinaten der Zieltafel hinterlegt. Ebenfalls werden in der Software die Maschinenkonstanten, welche aus der TBM-Einmessung hervorgehen eingetragen.
Natürlich wird auch die geplante Trasse in der Software hinterlegt, sodass mit all den Informationen nun der Start des Vortriebes gewährleistet ist.
Somit können die ersten 50 bis 80 m des Vortriebes von diesem Standpunkt im Schacht realisiert werden.
Einrichtung der Phase 2
Die Installation der Phase 2 und dem damit verbundene Umbau der Phase 1 wird bei der Station 69,87 m durchgeführt. Die wesentliche Neuerung bei dem Umbau ist die Installation des Tachymeterstandpunktes innerhalb des Tunnels. Hierfür wurde eine Trägerkonsole mit einem automatischen Dreifuß und einem dazugehörigen Inklinometer rund 46 m hinter der Zieltafel eingebaut. Zusätzlich werden 2 Stützpunktprismen, die rund 18 m vor der neu installierten Totalstation liegen in den Rohrstrang montiert. Als Anschlusspunkt dient der im Startschacht liegende vorherige Standpunkt.
Im Anschluss des Umbaus wurde eine Netzmessung durchgeführt die bei dem neu eingerichteten Standpunkt beginnt und an das Portalnetz angeschlossen wird. Mit Hilfe eines Zirkels wird im gleichen Zuge der Netzmessung, die IST-Rohrachse als Spuraufmaß aufgenommen. Diese dient zum Vergleich zwischen der IST- und Soll-Achse des Tunnels. Hierbei wurde eine Standardabweichung von 6,8 mm im Zieltafelprisma (also dem maximal entferntesten Punkt) festgestellt.
Damit der Vortrieb fortgeführt werden kann, werden die ermittelten Daten in die Navigationssoftware eingetragen, dazu gehören:
o Die Startkoordinaten vom Tachymeter, der Zieltafel und des Anschlussziels
o Die Einbaumaße des Tachymeters und der 2 Stützpunktprismen zur Rohrachse
o Sowie die angezeigte Verrollung vom Inklinometer beim Tachymeterstandpunkt
Sind all diese Informationen hinterlegt, ist ein weiterer Vortrieb zwischen 60-100 m des Tunnels möglich.
Einrichtung der Phase 3
Die Installation der Betriebsphase 3 wurde bei der Station 126 m durchgeführt.
Dadurch, dass das Anschlussziel im Startschacht nun zu weit entfernt ist, wird ein neues Anschlussziel in Form eines Prismas in Kombination eines Inklinometers in den Rohrstrang installiert. Dabei sollte eine größtmögliche Entfernung zwischen dem Tachymeterstandpunkt und dem Anschlussziel gewählt werden. Dies ist bei dem Projekt in Kienbaum bei ca. 50 m hinter dem Tachymeter der Fall.
Zusätzlich wird ein weiterer Standpunkt in Form einer fest montierten Konsole eingeführt, welches sich hinter dem neuen Anschlussziel befindet. Von dieser Konsole aus muss beachtet werden, dass der Tachymeterstandpunkt, mindestens eines der 2 Stützpunktprismen, das neue Anschlussziel und der Standpunkt im Startschacht sichtbar sind.
Anschließend erfolgt eine Netzmessung über die Tunnelstandpunkte, dem Standpunkt im Startschacht und zwei Portalfestpunkte, sodass ein Anschluss an das globale System gewährleistet ist. Ebenfalls erfolgt auch hier wieder die Aufnahme der Rohrachse mittels des Zirkels.
Bei der Netzausgleichung wurde eine maximale Standardabweichung im Zieltafelprisma von 6,2 mm festgestellt. Hierbei fällt auf, dass diese geringer ist, als bei der Phase 2. Dies liegt an der Netzgeometrie. Vorher verlief diese nahezu in der Tunnelachse und nun wurde ein Dreieck mit dem installieren einer weiteren Konsole im Tunnel zur Stabilisierung gebildet.
Abschließend werden die Startkoordinaten des Tachymeters, der Zieltafel und des neuen Anschlussziels und deren Einbaumaße zur Rohrachse in die Steuerleitsoftware eingegeben. Damit ist die Phase 3 beendet und der Vortrieb ist für die nächsten 50-100 m gewährleistet.
Kontrollvermessung
Die Kontrollvermessung wurde nach 68 m Vortrieb nach Einleitung der Phase 3 bei der Station 195 durchgeführt. Somit sind 66% der Strecke bereits zurückgelegt und 97 m Vortrieb liegen noch bis zum Erreichen des Zielschachtes bevor.
Bei der KV wird im Wesentlichen eine weitere neue Messkonsole in den Rohrstrang eingebaut, sodass ein Anschluss von dem Tunnelpolygon in das Portalnetz sichergestellt ist. Ebenfalls werden durch eine Netzmessung die neuen Koordinaten und Einbaumaße des Tachymeters, der Zieltafel, der 2 Stützpunktprismen und des Anschlussziels bestimmt. Zusätzlich wird hier die Rohrachse als IST-Spur des Tunnels aufgenommen.
Als Ergebnis der Netzausgleichung wurde eine maximale Standardabweichung in dem Zieltafelprisma von 7,6 mm festgestellt.
Wie bei der Phase 2 und Phase 3 werden die neuen Koordinaten und Einbaumaße in die Steuerleitsoftware eingegeben. Die aufgenommene Tunnelachse wird ebenfalls in die Navigationssoftware eingelesen und dient als neue Referenzspur.
In den folgenden Darstellungen sind die resultierenden Grafiken des horizontalen (links) und vertikalen (rechts) Verlaufes des Vortriebs dargestellt und werden analysiert.
Der lilafarbenden Graph in den beiden Darstellungen simbolisiert die Zieltafel und wird für die analyse vernachlässigt. Der Graph der mit den roten Punkten dargestellt ist, stellt die Spur der Phase 2 dar und der Graph mit den grünen Punkten die Spur der Phase 3. Die gelb dargestellten Punkte simbolisieren die IST-Rohrachse (Spur) der Kontrollvermessung.
Bei der Betrachtung des horizontalen Verlaufes (links) fällt auf, dass die TBM bei der Phase 3 5,5 cm rechts von der Soll-Trasse abgewichen ist. Nach dieser Feststellung bei der Phase 3 und der entsprechenden Systemkonfiguration, konnte der Maschinenfahrer entgegenwirken und die TBM wieder auf den richtigen Kurs bringen. Bei der Betrachtung des Graphen der Kontrollvermessung wird erkannt, dass die TBM nun exakt auf der Soll-Trasse fährt.
Ebenfalls ist zu erkennen, dass die Spuren maximal 1,5 cm voneinander abweichen. Dies kann auf den erzeugten Hohlraum, den die TBM ausschneidet zurückgeführt werden, da dieser 1-2 cm breiter als die nachgeschobenen Rohre ist und mit einer Bentonitsuspension gefüllt ist, sodass die Rohre durch das Erdreich ohne großen Widerstand gleiten können. Somit schwimmen die Rohre in der Suspension, was zu einer Veränderung der Position führen kann.
Bei der rechten Grafik handelt es sich um die Darstellung des vertikalen Verlaufes. Hier ist zu erkennen, dass bei den ersten 10 m des Vortriebs die TBM um ca. 18 cm abgesackt ist. Ein solches abruptes Absacken der Maschine kann der Geologie geschuldet sein. Durch das Gewicht von 55 Tonnen der Maschine und dem lockeren Untergrund aus Sand und Kies des Erdreichs, wird das Einsinken der TBM ermöglicht. Dies wurde aber im Verlauf nun ausgeglichen.
Somit ist nun eine vernünftige Voraussetzung geschaffen worden um die Maschine auf der Soll-Spur zu halten.
Wie am Anfang erwähnt, liegen noch 97 m Vortrieb bis zum Erreichen des Zielschachtes bevor. Um ein erreichen des Zielschachtes und der Genauigkeitsvorgabe von 20 cm in der Lage und 5 cm in der Höhe einzuhalten, wird eine weitere Kontrollvermessung, welche 30 m vor dem Durchbruch liegt, angesetzt. Somit kann das System neu konfiguriert werden und die Maschine kann sich auf die restlichen Meter an die Soll-Trasse anpassen.
Hierbei ist zu sagen, dass der Auftraggeber sich aus wirtschaftlichen Aspekten gegen eine weitere Kontrollvermessung entschieden hat. Demzufolge erfolgte für dieses Projekt keine weitere Kontrollvermessung und auch keine Systemkonfiguration, sodass ein Verlust an der Genauigkeit beim Erreichen des Zielschachtes in Kauf genommen wurde.
Die nächste Messung findet dann nach der Fertigstellung des Bauwerkes statt.
Schlussvermessung
Ziel der Schlussvermessung ist das fertiggestellte Tunnelbauprojekt aufzumessen und ein abschließende Wertung und Aussage zur Ist-Position zur Soll-Trasse zu treffen. Dadurch, dass nun eine unterirdische Verbindung zwischen dem Start- und Zielschacht besteht, ist nun ein zweiseitigangeschlossener Polygonzug geschaffen. Demzufolge ergeben sich für alle Punkte die untertage liegen feste und endgültige Koordinaten.
Nach 27 Tagen des Vortriebs hat die TBM den Zielschacht erreicht und ist auf dem nachfolgenen Bild zu erkennen.
Für das Tunnelprojekt in Kienbaum wurde eine typische Schlussvermessung von der Seite des Auftraggebers nicht für notwendig gehalten. Wie bei der zusätzlichen Kontrollvermessung entsprang diese Entscheidung der wirtschaftlichen Natur. Um dennoch eine Genauigkeitsaussage treffen zu können und herauszufinden wie gut der Vortrieb über 97 m ohne eine weitere Kontrollvermessung und der damit verbundenen Systemkonfiguration funktioniert hat, wurde eine differenzierte Schlussvermessung durchgeführt.
Hierbei wurde mittels einer Netzmessung über die Festpunkte am Zielschacht mit der Einbindung eines freien Standpunktes das sichtbare Stahlbetonrohr mit 21 Messungen aufgenommen (linkes Bild). Die Messungen wurden dabei mittig platziert, sodass die Rohrpunkte als Kreis definiert und ein Mittelpunkt berechnet werden konnte.
Dieser berechnete Mittelpunkt entspricht dem Durchschlagspunkt und wurde mit der geplanten Soll-Achse verglichen. Als Resultat des Vergleiches wurde der Durchschlagspunkt in dem mittig plazierten Bild dargestellt. Somit wurde ein Durchschlag von - 3,8 cm in der horizontalen und -13,7 cm in der vertikalen Ebene erreicht.
Zusätzlich wurde das zuletzt gespeicherte Navigationsprotokoll der TBM hinzugezogen, welches im rechten Bild dargestellt ist. Hier ist die Station 288 dargestellt. Wenn auf die Ausrichtung der TBM geachtet wird, ist in Trend für die letzten Meter nach links in der horizontalen und in der vertikalen nach unten zu erkennen. Somit stimmt dieses Ergebnis mit dem Resultat der Netzmessung ganz gut überein. Bei dem Ergebnis der Navigationssoftware muss bedacht werden, dass die letzte Systemkonfiguration knapp 100 m zurückliegt, sodass Abweichungen in der Position wahrscheinlich sind.
Als abschließendes Ergebnis kann gesagt werden, dass die vorgegebene Toleranz in der horizontalen Ebene von 20 cm eingehalten wurde, aber die 5 cm in der vertikalen nicht.
Dies ist auf die Entscheidung des Auftraggebers zurückzuführen, dass die Genauigkeit bei dem Tunnelbauprojekt zu vernachlässigen ist, sofern die TBM den Zielschacht auf 30 cm erreicht.
Das abschließende Resultat wäre mit einer Kontrollvermessung und Systemkonfiguration bei 30 m vor dem Durchschlagpunkt wesentlich besser ausgefallen.