X-FEL - Planung und Ausführung von Tunneln in geschlossener Bauweise für eine unterirdische Forschungsanlage in Hamburg

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1 ETH-Kolloquium Zürich 10. Mai 2012 ETH-Kolloquium 10. Mai 2012, Zürich X-FEL - Planung und Ausführung von Tunneln in geschlossener Bauweise für eine unterirdische Forschungsanlage in Hamburg Dipl.-Ing. Paul Erdmann Amberg Engineering AG, Regensdorf-Watt 1

2 Inhalt 1. Einleitung 2. Wissenschaftlicher Hintergrund 3. Maschineller Vortrieb 4. Baustellen 5. Schlussbemerkungen 2

3 Einleitung DESY Bereits vorhandene Forschungseinrichtungen und der zukünftige European XFEL in Hamburg, Deutschland European XFEL 3

4 Luftaufnahme Experimentierhalle Hera XFEL 7 Schächte DESY 10 Fächertunnel Beschleunigertunnel Petra 4

5 Überblick XFEL, Aufriss Injektorkomplex Modulatorhalle Eingangsbauwerk Wasserkühler Verzweigungsbauwerk Verzweigungsbauwerke Elektronenauffänger Kantine Experimentierhalle, Hauptgebäude Versorgungsgebäude Informationszentrum 5

6 Grundriss XFEL 6

7 Inhalt 1. Einleitung 2. Wissenschaftlicher Hintergrund 3. Maschineller Vortrieb 4. Baustellen 5. Schlussbemerkungen 7

8 Wissenschaftlicher Hintergrund Funktionsweise Pakete aus Elektronen werden auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Die Elektronen werden anschliessend durch. speziell angeordnete Magnetfelder gesendet. Hier werden sie auf einen Slalomkurs gezwungen, dabei senden sie Röntgenlicht aus, das sich verstärkt. Die Röntgenblitze werden für verschiedene Experimente genutzt. ( DESY) 8

9 ETH-Kolloquium Zürich 10. Mai 2012 Wissenschaftlicher Hintergrund Beschleunigung der Elektronen in supraleitenden Resonatoren. Supraleitende Beschleunigungsstrukturen (Resonatoren) aus Niob ( DESY) 9

10 Wissenschaftlicher Hintergrund Nutzung der Röntgenblitze zu Forschungszwecken Jeder Blitz ist lichtstark und weniger als eine 100 billiardstel Sekunde lang das ermöglicht Erkennen atomarer Details von Viren Erkundung der Strukturen von Bio-Molekülen Dreidimensionale Aufnahmen des Nano-Kosmos Filmen von chemischen Reaktionen Untersuchung von Vorgängen im Inneren von Planeten Erzeugung von Röntgenblitzen ( DESY) 10

11 Inhalt 1. Einleitung 2. Wissenschaftlicher Hintergrund 3. Maschineller Vortrieb 4. Baustellen 5. Schlussbemerkungen 11

12 Projektübersicht Bauarbeiten finden gleichzeitig auf den drei Baustellen B1, B2 und B3 statt Herstellung von Zugangsgebäude und Hallen an der Geländeoberfläche Herstellung der Betriebseinrichtungen in Schächten und Tunneln Unterirdische Bauwerke werden im Schutz von Schlitzwänden mit Unterwasserbetonfundamenten errichtet Bauarbeiten begannen im Januar 2009 und sollen planmässig im Juli 2014 enden B3 B2 B1 Tunnel 12

13 Projektübersicht Tunnelbauwerke Gesamttunnellänge ca. 5.8 km, Vortrieb mittels 2 Hydro-Schildmaschinen TBM 1 Ø 6.17 m (Beschleunigertunnel, Verzweigungstunnel) TBM 2 Ø 5.48 m (Fächertunnel) Mindestüberdeckung von 6 m aus Strahlenschutzgründen erforderlich Herstellung des Tunnelausbaus mittels Tübbings Für den Bau der Tunnel sind 2 Jahre veranschlagt 10 Umsetzvorgänge der TVM Die Anforderungen an die Auffahrtoleranzen (Geradlinigkeit) sind sehr hoch B3 S3 B2 S2 B1 S1 TBM 1 TBM 2 13

14 Geologisches Längsprofil Alle XFEL-Bauten liegen in eiszeitlichen Ablagerungen bestehend aus Sand, Kies und bindigen Böden Die Tunnel liegen hauptsächlich in wasserführendem Mergel sowie teilweise in Glimmerschluff Vereinzelte Schichtstörungen durch Torf- und Steinlagen mit Blöcken Hohe Abrasivität des Sandes Die Überdeckung beträgt zwischen 6 m und 38 m B1 B2 B3 Mittel-/Feinsand Geschiebemergel Feinsand Glimmerschluff/-ton 14

15 Vortriebsplanung Reihenfolge der verschiedenen Tunnelvortriebe B3 B2 B1 Fächertunnel Verzweigungstunnel Beschleunigertunnel // Vortriebsrichtung TBM 1: Ø 6.17 m TBM 2: Ø 5.48 m 15

16 Tunnelquerschnitt Tunnelausbau mit bewehrten Stahlbetontübbings Tübbingstärke 300 mm Ringlänge 1500 mm 6 Tübbings und ein kleiner Schlussstein pro Ring Max. Toleranz während des Schildvortriebes 10 cm 16

17 3D-Modell des Beschleunigertunnels ( DESY) 17

18 Schneidrad der Schildmaschine 18

19 Montage der Schildmaschine auf Baustelle B3 Ankunft der Schildvortriebsmaschine in der Startbaugrube, 18. Mai 2010 Schneidenschuss wird in den Startschacht abgesenkt ( DESY) 19

20 Fliegende Schildanfahrt Widerlager für TBM- Vortriebspressen wandert während der Schildanfahrt automatisch in Richtung Baugrubenstirnwand mit Wesentliche Bestandteile: Stahlkonstruktion (Druckring mit rückwärtigen Stützböcken) und Hydraulikanlage mit Hohlkolbenpressen Innovative, kosten- und zeitsparende Methode für die Anfahrt einer Schildvortriebsmaschine, 2006 patentiert 20

21 Bereit zur fliegenden Anfahrt (S545) 21

22 Inhalt 1. Einleitung 2. Wissenschaftlicher Hintergrund 3. Maschineller Vortrieb 4. Baustellen 5. Schlussbemerkungen 22

23 Baustelle B1 Untergrund Injektorkomplex mit Injektortunnel und -schacht Zielschacht des Beschleunigertunnels und Einstiegsschacht Konstruktion einer 40 x 100 m grossen und 22 m tiefen Baugrube, im Mai 2010 fertiggestellt Grundwasserspiegel etwa 5 m unter GOK Oberfläche Modulatorhalle zur Aufnahme des Beschleunigers, der Wasserkühlung und Eingangsgebäude B1 23

24 Baustelle B1 Unterirdische Hallen des Injektorkomplexes: Schlitzwandbauweise und Unterwasserbetonsohle (Source: Züblin) 24

25 Baustelle B1 TBM im Zielschacht am Ende des Beschleunigertunnels 25

26 Baustelle B1 3D-Modell des Injektorkomplexes ( DESY) 26

27 Baustelle B2 Untergrund Herstellung des Verzweigungsbauwerkes Schacht XS1 Herstellung der 25 x 50 m grossen und 25 m tiefen Baugrube Ziel- und Startschacht für TBM 1 Oberfläche Halle für Instandhaltungsarbeiten an den Tunneln Installation der technischen Ausrüstung B2 27

28 Baustelle B2, April 2010 Konstruktion des verankerten Unterwasserbetonsohle ( DESY) 28

29 Baustelle B2 Schacht XS1, zwischen Beschleuniger- und Fächertunnel ( DESY) 29

30 Baustelle B2 Schacht XS1, Beladen des Tübbingzuges (Zuggleis aufgeständert) ( DESY) 30

31 Baustelle B2 3D-Modell des Verzweigungsbauwerkes Erste Verteilung der beschleunigten Elektronen auf Tunnel Stopp für alle nicht weiter verwendbaren Elektronen (Dump) ( DESY) 31

32 Baustelle B3 Untergrund Bau der Experimentierhalle mit einer Fläche von 4500m 2 Verschiedene Schächte (Zugänge für Personen, Material während des Betriebs der Anlage) Start der Tunnelvortriebe mit TBM 2 Oberfläche Drei Verzweigungsbauwerke mit Zugang zu den Punkten, an denen sich die Tunnel fächerartig aufteilen. Versorgungsgebäude, Kantine, Informations- und Ausstellungsgebäude B3 32

33 ETH-Kolloquium Zürich 10. Mai 2012 Baustelle B3, Experimentierhalle Konstruktion des stabilisierenden Stahlbetonrahmens ( DESY) 33

34 Baustelle B3, Experimentierhalle Rückverankerte Baugrubensohle zwischen Schlitzwandlamellen ( DESY) 34

35 Baustelle B3, Experimentierhalle Vorbereiten der Schildanfahrten, 5 Stück ( DESY) 35

36 Baustelle B3, Experimentierhalle Schildanfahrt, fliegende Anfahrt ( DESY) 36

37 Baustelle B3 3D-Modell der Experimentierhalle mit fünf Protonentunneln ( DESY) 37

38 Baustellen B1, B2 und B3 Übersicht mit Tunnel- und Schachtbezeichnungen Injektorkomplex Beschleunigertunnel fächerartige Tunnel 38

39 Baustelle B3 Grundriss Schacht XS4, notwendiger Versatz in der Lage XTD 3 XTD 5 XTD 8 ca. 35 m 39

40 Baustelle B3 Ausfahrt in den Schacht XS4 40

41 Baustelle B3 Ausfahrt in den Schacht XS4 41

42 Baustelle B3 Ansicht Schacht XSDU2, Ausgleich der Höhendifferenzen 42

43 Baustelle B3 Kurvenfahrt der Vortriebsmaschine im Schacht 43

44 Baustelle B3 Kurvenfahrt der Vortriebsmaschine im Schacht 44

45 Inhalt 1. Einleitung 2. Wissenschaftlicher Hintergrund 3. Maschineller Vortrieb 4. Baustellen 5. Schlussbemerkungen 45

46 Schlussbemerkungen Voraussetzung zur effizienten wissenschaftlichen Nutzung der Tunnel ist die Einhaltung geringer zulässiger Auffahrund Herstellungstoleranzen. Dies stellt hohe Anforderungen an die Ausführung des Projektes und gilt sowohl für den Rohbau als auch für den Innenausbau der Tunnel Die Einhaltung der Anforderungen konnte qualitativ hochwertig und termingerecht realisiert werden Die Erfahrungen der Bauleitung und des verantwortlichen Managements tragen entscheidend zur erfolgreichen Umsetzung dieses Projektes der Spitzentechnologie bei. 46

47 ETH-Kolloquium Zürich Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Mai 2012