Tunnelbohrmaschine

Wichtigster Teil einer TBM ist der Bohrkopf; er hat einen Durchmesser von bis zu 17,60 Metern[2] und besteht aus einem Meißelträger mit rotierenden Rollenmeißeln, der ausgebrochenes Gestein nach hinten befördert[3]. Die Einrichtung im hinteren Teil des Bohrkopfes hat bei großen Durchmessern eine Länge von bis zu 200 Metern mit Hilfseinrichtungen.

Tunnelbohrmaschinen sind Vollschnittmaschinen, das heißt, sie bauen, anders als Teilschnittmaschinen, den gesamten Tunnelquerschnitt in einem Arbeitsschritt ab.

Derartige Maschinen werden üblicherweise von Förderbändern unterstützt, um den bei der Arbeit entstehenden Abraum schnell fortzuschaffen, oder führen einen Bauzug mit sich, um beispielsweise Betonfertigteile für den im Anschluss zu errichtenden Tunnel an die ähnlich nachgeführte Tunnelauskleide-Maschine heranzuführen – möglich ist zudem auch Spritzbeton, welcher über Förderbänder oder Betonmischwagen herangeführt und vor Ort an die Tunnelwände gebracht werden kann.

Das Bohren erfolgt in mehreren Schritten:

• dem eigentlichen Vortrieb, bei dem ein rotierendes Schneidrad die Ortsbrust mit Druck abbaut,
• dem Ringbau, bei dem nach erfolgtem Vortrieb die Tübbings mit einem Erektor die Ausbruchslaibung auskleiden und abdichten. Danach presst sich die Bohrmaschine zwischen den Ringen zur Verankerung fest und drückt sich wieder weiter vor.

Mit Hilfe einer Schaumanlage, die mit Tensiden und Wasser unter Druck Schaum erzeugt, kann im weichen Untergrund die Ortsbrust derart verfestigt werden, dass Sandböden wie tonige Böden abgebohrt werden können. In schlammigem Boden wird die Umgebung mit flüssigem Stickstoff vereist (Bodenvereisung).

Tunnelbohrmaschinen hinterlassen in der Regel einen teilausgebauten Tunnel mit einem kleineren Querschnitt als der Ausbruchdurchmesser und der Schilddurchmesser der Maschine. Das liegt an Tübbings, vorstehenden Felsbohrankern, Tunnelauskleidung und Einbauten wie Fahrbahn, Entwässerungs- und Entlüftungsrohren. Das bedingt, dass eine TBM nur in einer Richtung fortschreiten und nicht zurückgefahren werden kann. Einen gewissen Spielraum zum Zurückziehen des Schilds muss sich der Betreiber deshalb für das allfällige Versagen einzelner Teile oder das Verstopfen mit Gesteinsbrocken bewahren, um bestimmte Teile austauschen oder Brocken zerlegen zu können. Der materielle und zeitliche Aufwand für Reparaturen ist wegen der räumlich beengten Zugänglichkeit und der Beschaffung von Ersatz hoch.

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.

Auf dem Landweg – Straße oder Schiene – können große TBM nur zerlegt transportiert werden. Auch der Schild muss dafür zerlegbar ausgeführt sein. Zwar existieren Schiffe mit ausreichend großvolumigem Laderaum, doch nur in seltenen Fällen ist es möglich, eine TBM auf dem Wasserweg direkt zum Einsatzort zu bringen.

Wenn, was typisch für lange Tunnel ist, von zwei Seiten oder sogar noch mehr Stellen angefahren wird, kommt es zwangsläufig dazu, dass eine TBM im Berg zerlegt werden muss. Das kann mit der Absicht geschehen, mit diesen und eventuell neuen Teilen rasch wieder eine funktionierende Maschine zusammenzubauen; zur Verwendung in der Nähe oder ganz woanders. Besteht kein absehbarer Bedarf für eine Maschine dieses Typs, werden wenige Teile erhaltend zur Wiederverwendung abgebaut und der Maschinenrahmen zerlegt und verschrottet.

In der Liste der größten Tunnelbohrmaschinen (unten) finden sich Beispiele für den Wiedereinsatz von TBM über große geografische Distanz hinweg: Niederlande–China, Deutschland–Russland.

1844 trug sich der schottische Bauingenieur und Erfinder William Brunton (* 26. Mai 1777 in Dalkeith; † 5. Oktober 1851 in Neath (Wales)) mit der Idee, zum Bau eines Tunnels zwischen England und Frankreich einen Hammer durch Druckluft zum Stoßen und Bohren anzutreiben. Die erforderlichen Kompressoren waren zu diesem Zeitpunkt allerdings nicht entwickelt. Seine Maschine glich einem riesigen Bohrer mit dem Durchmesser des Tunnels, der das Gestein zermalmen und die Bruchstücke in den entstandenen Bohrschacht zum Abtransport abwerfen sollte.[7]

Mit dem stoßenden Bohren nach dem Patent von Fowler aus dem Jahre 1849 fing das maschinelle Bohren 1857 an, die Einführung der mit Druckluft betriebenen Stoßbohrmaschinen verkürzte die Bauzeit für den Mont-Cenis-Eisenbahntunnel von geschätzten 40 bis 50 Jahren auf 14 Jahre.[8]

Bei Stoßbohrmaschinen sind Kolben und Bohrstange durch ein Keilschloss verbunden. Bei einer Schlagzahl von 250 bis 300 Stößen pro Minute arbeiten sie mit Hüben von 50 bis 250 mm und können bei Gesamtgewichten bis 280 kg nur auf Spannschlitten mit Handkurbel-Schraubenspindelvorschub an einer Spannsäule oder auf dem Dreibock arbeiten.

Um 1870 gab es erste Versuche, eine Tunnelbohrmaschine zum schnelleren Vortrieb beim Bau des Hoosac-Tunnels an der Ostküste (Boston) der USA einzusetzen und gleichzeitig das Verletzungsrisiko der Arbeiter – durch Arbeit mit Hammer und Meißel sowie Sprengungen mit Schwarzpulver (erst später kamen Vorläufer des Presslufthammers und Nitroglyzerin erstmals hier zum Einsatz) – zu verringern. Bei der Pressevorführung vor Ort war nach rund 15 Zentimetern Schluss: Sie blieb stecken. Die Schneidmeißel aus Gusseisen erwiesen sich als zu weich und die Dampfmaschine zum Antrieb als zu schwach.

1897 entwickelte J. G. Leyner aus Denver die Hammerbohrmaschine. Sie arbeitete nach dem schlagenden Prinzip mit Luftspülung, wobei der Kolben mit nur 1/10 des Gewichtes mit 1500 Schlägen pro Minute auf das Bohrereinsteckende schlägt und eine Drallspindel mit Sperrklinken beim Rückgang des Kolbens über die Bohrerhülse den Bohrer um 12 bis 45 Grad je Schlag umsetzt. Auch diese Geräte wurden zunächst wie die Stoßbohrmaschinen an Spannsäulen oder Dreiböcken mit Spannschlitten und Handvorschub eingesetzt. Sie erreichten nach 1918 bei allerdings höherem Luftverbrauch bereits die 10- bis 13‑fache Leistung der Stoßbohrmaschinen.

Die Weiterentwicklung dieser Hammerbohrmaschinen führte mit dem Ersatz des Drallgetriebeumsetzens 1955 zum Druck- und schließlich zum Hydraulikmotorantrieb mit einem konstanten hohen Drehmoment.

Die weitere Entwicklung nach den Ideen von Brunton im Tunnel- und Stollenbau, die vor allem im U‑Bahn‑Bau bei geeigneten Bodenverhältnissen eine zunehmende Anwendung findet, ist durch den Einsatz von Tunnel- oder Stollenvortriebsmaschinen für Durchmesser bis zu 10,5 Metern gekennzeichnet. Der Gedanke wurde in den 1960er Jahren wieder aufgegriffen und zunächst nur im Bergbau und dann bei unterirdischen Verlagerungen eingesetzt. Stollen- und Tunnel-Vortriebsmaschinen stellen den unterirdischen Hohlraum ohne den absatzweisen Arbeitszyklus Bohren, Sprengen, Laden und Fördern kontinuierlich her, indem sie durch Werkzeuge, die für das anstehende Gebirge geeignet sind, zerspanend bis 11,7 kN/cm² mit Warzenmeißeln oder Schneidrollen bis 21,6 kN/cm² die Brust angreifen und das abgebaute Material hinter sich kontinuierlich abgeben. Sie werden in den USA seit 1950 in den verschiedensten Formen gebaut. Die Vorteile liegen in einer Vermeidung der Auflockerung durch den Wegfall der Sprengung, einer Verringerung des Überprofils und einem geringeren Personalbedarf. Nachteile sind die hohen Investitionskosten und die laufenden Kosten des Werkzeugverschleißes. Bekannt geworden sind die Alkirk-Lawrence-Pilotankermaschinen und die Oil-Shaleminer, die einen Pilotanker vorweg treiben, an dem sich der Bohrkopf gegen die Brust zieht. Seit Anfang der 1960er Jahre werden Maschinen von Robbins Company eingesetzt, bei denen das durch die Schneiden des Fräskopfes abgesplitterte Bohrklein von Bechern oder Baggereimern hochgenommen und am Scheitel auf das Austragsband geschüttet wird. Englische und japanische Entwicklungen von Schildvortriebsmaschinen arbeiten innerhalb eines sich auf den Ausbau abstützenden Vortriebsschildes, mit einem großen, die ganze Brust erfassenden Fräskopf bzw. bei Mitsubishi Heavy Industries mit vier gegenläufigen Fräsköpfen. In Deutschland waren es die Maschinen von den Firmen Demag, Wirth und Atlas Copco und die Schildvortriebsmaschinen von Bade-Holzmann, die in den 1960er Jahren die neuen Wege im Tunnel- und Stollenbau gebahnt haben. Es sind inzwischen in der Bundesrepublik Deutschland auch für den Bau von Schrägstollen, zum Bau von senkrechten Schächten und zur stufenweisen Erweiterung der Querschnitte bis auf 11 m geeignete vollmechanische Vortriebsmaschinen entwickelt worden. Bei Gesteinsfestigkeiten von 20 kN/cm² werden Warzen-, Zahn- und Disken-Cuttern eingesetzt.

Seit 1966 werden Vollschnittmaschinen mit Gewichten von 48 bis 90 t und Längen von 11,5 bis 21 Metern für Profile von 2 bis 6,4 m Durchmesser eingesetzt. Ihre Antriebsleistungen betragen – abhängig von Material und Durchmesser – 240 bis 950 kW, ihre Bohrkopf-Drehzahlen 5 bis 12,7 Umdrehungen pro Minute und der Anpressdruck bis zu 8000 kN.

Der Aufbau der Vortriebsmaschinen lässt folgende Bauteile erkennen:

• den mit 8 bis 10, 18 bis 23 und 18 bis 33 Rollenmeißeln bestückten Bohrkopf,
• den Staubschild mit Gummidichtung hinter dem Bohrkopf,
• Räumer und Schaufeln, die das Bohrgut, über eine Rutsche dem unter der Maschine eingebauten Einkettenkratzförderer oder einem Mulden-Gummiband zuleiten, der es am Ende einem ansteigenden Ladebund übergibt,
• zwei bis vier Elektromotoren, die über Gelenkwellen, Getriebe und Kupplungen den Antrieb vermitteln,
• ein Hydrauliksystem zum Verspannen, Vordrücken, und Abstützen.

Die Maschine wird in der Tunnelröhre mittels Pratzen durch eine vordere und hintere Verspannung mit mindestens 130 N/cm² gehalten. Der Anpressdruck des Bohrkopfes beträgt 1600 kN bei 2 m bis 6400 kN bei 6 m Durchmesser. Die Tunnelvortriebsmaschinen werden von einem Steuerstand im Schlepptender gesteuert; sie sind kurvenfahrbar mit 80 m Radius bei 2,4 m und 150 m Radius bei 6 m Durchmesser; ein Laser dient der Steuerkontrolle. Das erste Gerät wurde 1966 zum Auffahren eines 2800 m langen Abwasserstollens in Grünsandstein von 2,1 m Durchmesser in Dortmund eingesetzt; das 6‑Meter‑Gerät kam 1973 am Niederrhein zum Einsatz.[9]

Die vierte Röhre des Hamburger Elbtunnels wurde in den Jahren von 1997 bis 2000 mit der 2000 Tonnen schweren Schildvortriebsmaschine TRUDE mit einem Außendurchmesser von 14,20 m gebaut. Die zu diesem Zeitpunkt größte Tunnelbohrmaschine der Welt erweiterte mit 111 Schälmessern für weiches Gestein und 31 Rollenmeißeln für Hartgestein den Tunnel durchschnittlich um 6 m/Tag. Das Schneidrad mit der „Mixschildtechnik“ war von der Firma Herrenknecht aus Schwanau entwickelt worden. Kennzeichnend waren die fünf erstmals von innen begehbaren Speichen zum Auswechseln der Schneidwerkzeuge und einen unabhängig steuerbaren Zentrumsschneider.[10]

In der Schweiz wurden in den 1960er Jahren zunächst kleinere Profile mit Vortriebsmaschinen hergestellt. Ab 1970 wurden auch Großtunnel des Straßen- und Schienenverkehrs mit Tunnelbohrmaschinen aufgefahren. Bis Ende der 1990er Jahre wurden 19 große Straßen- oder doppelspurige Eisenbahntunnel mit einer Gesamtlänge von 83 km mit TBM vorgetrieben.[11] Der Gotthard-Basistunnel wurde in den Jahren von 2002 bis 2010 mit den 400 m langen und 2700 t schweren Gripper-Tunnelbohrmaschinen Heidi (S‑211) und Sissi (S‑210) der Firma Herrenknecht AG geschaffen.[12] Die Bohrköpfe der Maschinen hatten einen Durchmesser von rund 9,5 m und waren mit mehr als 60 Rollenmeißeln versehen. Sie wurden von zehn Motoren mit jeweils 350 kW angetrieben.

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.[13]

Es gibt weltweit nur wenige Firmen, die diese Maschinen herstellen. In Deutschland sind es die Firmen Herrenknecht AG aus Schwanau und Aker Solutions (ehem. Aker Wirth GmbH) aus Erkelenz. Die Robbins Company in den USA, Mitsubishi, IHI, Kawasaki und Hitachi Zosen in Japan sind weitere Hersteller. NFM Technologies SA in Frankreich baute mit Lizenzen von MHI (Mitsubishi Heavy Industries) und später SHMG (Shenyang Heavy Machinery Group). Der ehemalige kanadische Hersteller Lovat wurde 2008 von Caterpillar aufgekauft und 2013 stillgelegt.

Der Weltmarkt für Geräte des maschinellen Tunnelbaus wird von Herrenknecht auf etwa 1,5 Milliarden Euro beziffert, wovon das Unternehmen nach eigenen Angaben etwa 1,1 Milliarden Euro abdeckt (Stand: 2014).[14]

Mit Ultraschallbohrern („ultrasonic drilling“) ist ein schnellerer Vortrieb als mit Fräsbohrern möglich.[15] Der BADGER (Tunnelbauroboter) ist ein von der EU gefördertes Forschungsprojekt[16] zur Schaffung eines autonom arbeitenden Erdbohrroboters der die Tunnelwände als Beton-3D-Drucker produziert.[17] BADGER ist ein Apronym für „roBot for Autonomous unDerGround trenchless opERations, mapping and navigation“[18].

Im Folgenden eine Auflistung von Tunnelprojekten, die mit Tunnelbohrmaschinen realisiert wurden oder noch im Bau sind:

• Liste von Baumaschinen und Baugeräten

Commons: Tunnelbohrmaschine – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Tunnelbohrmaschine – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Erläuterungen zur TBM am Beispiel City-Tunnel Leipzig
• Einbau Blindtübbingring am Beispiel City-Tunnel Leipzig
• Video: Funktionsweise einer Einfachschild-Tunnelbohrmaschine. In: bauforum24.tv, 2011, 3:44 Min.

1. Empfehlung zur Auswahl von Tunnelvortriebsmaschinen, Deutscher Ausschuss für unterirdisches Bauen (DAUB), 2010, S. 11 und Anlage 1 (Abgerufen am 23. Januar 2024)
2. Chronik – Seit über 35 Jahren eine Erfolgsgeschichte herrenknecht.com, bis 2015, abgerufen 26. Februar 2023.
3. Tracking the world's mega-TBMs, TunnelTalk
4. Tunnelbohrmaschinen für Hartgestein. (Memento vom 12. Februar 2013 im Webarchiv archive.today) In: Aker Wirth GmbH, aufgerufen am 5. Mai 2015.
5. Einfachschild-TBM – Zügiger Vortrieb in wechselnden Gebirgsverhältnissen. Webpräsenz der Herrenknecht AG, abgerufen am 14. September 2018
6. Doppelschild-TBM – Kontinuierlicher Vortrieb mit Höchstgeschwindigkeit. Webpräsenz der Herrenknecht AG, abgerufen am 14. September 2018
7. Journal Über Land und Meer, Tunnel zwischen England und Frankreich, Deutsche Verlags-Anstalt, Berlin, 1881.
8. Larry C. Hoffman: The ROCK DRILL and CIVILIZATION | Rock drilling is one of the world’s most ancient technologies—and a pre requisite for nearly all the others. In: Invention & Technology Magazine. Band 15, Nr. 1, 1999 (amerikanisches Englisch, archive.org).
9. Georg Garbotz, Baumaschinen einst und jetzt, in: Baumaschine und Bautechnik, Frankfurt am Main, ISSN 0005-6693, 22. Jahrgang, Heft 5, 1975, S. 153 ff.
10. TRUDE - Die größte Schildvortriebsmaschine der Welt. In: Museum der Arbeit, Hamburg, aufgerufen am 5. Mai 2015.
11. Leonhard Schmid, Josef Elmiger: Wie begründet sich der hohe Anteil von Maschinenvortrieben in der Schweiz. In: Tunneltechnologie für die Zukunftsaufgaben in Europa. Balekma-Verlag, Rotterdam 1999, ISBN 90-5809-051-5, S. 59–71.
12. Gotthard-Basistunnel. (Memento vom 23. Februar 2016 im Internet Archive) In: Herrenknecht, März 2011, aufgerufen am 5. Mai 2015.
13. Einfachschild-TBM. In: Herrenknecht, aufgerufen am 5. Mai 2015.
14. Max Hägler: „Der Deutsche hat wirklich vor allem Angst“. In: Süddeutsche Zeitung. 20. Januar 2014, S. 16.
15. International Mining Technology Hall of Fame (Memento vom 12. Januar 2017 im Internet Archive)
16. What is the BADGER project?
17. Robot BADGER Can Drill Underground and 3D Print Tunnels
18. European Comission: RoBot for Autonomous unDerGround trenchless opERations, mapping and navigation. In: cordis.europa.eu. European Comission, 18. August 2022, abgerufen am 31. Oktober 2022 (englisch).
19. Niagara Tunnel Project. Technical Facts. Von: Ontario Power Generation und Strabag, aufgerufen am 5. Mai 2015.
20. Tracking the world's mega-TBMs, TunnelTalk
21. XXL-Tunnelbohrmaschinen im Jangtse-DeltaXXL-Tunnelbohrmaschinen im Jangtse-Delta, 14. März 2014
22. „Used a world's largest diameter 14.18 m double shield tunnel boring machine for the construction of the Tokyo Metro Namboku Line's Azabu section construction“

1. Mit dem Begriff Standfestigkeit wird die Fähigkeit von Gesteinsschichten beschrieben, einen bestimmten Zeitraum um einen nicht unterstützten unterirdischen Hohlraum ohne Zerstörung stehen zubleiben. (Quelle: Walter Bischoff, Heinz Bramann, Westfälische Berggewerkschaftskasse Bochum: Das kleine Bergbaulexikon.)