Österreich Austria Tunnel 1/2006. Karin Bäppler

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1 32 Erddruckschild für Wientalsammler 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. EPB Shield for the Karin Bäppler 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 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 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 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,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 Dipl.-Ing.Karin Bäppler, Sales departement, Herrenknecht AG, Schwanau/D

2 Tunnel 1/ 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 Ablasilty 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...

3 und nicht weniger beengte Verhältnisse am Zielschacht beim Ernst- Arnold-Park 4... and equally constricted conditions at the target shaft at the Ernst- Arnold-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 Softground- Schneidrad mit einem Gesamtgewicht von 50 t. Es war mit insgesamt 141 Schälmessern, 24 Schneidrollen und 16 Räumern bestückt. Entsprechend der Anforderung des Bauherren 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 Mit schienengebundenen Kippern wurde das Ausbruchmaterial von der Ortsbrust zum Startschacht transportiert 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 particularly 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 5 Einheben des 50 t schweren Schneidrades am Startschacht 5 Lowering the 50 t heavy cutting wheel at the starting shaft 6 Millimetergenau wird der mit 141 Schälmessern, 24 Schneidrollen und 16 Räumern bestückte Softground-Schild eingebaut 6 The Softground shield fitted with 141 cutters, 24 cutter rollers and 16 scrapers is installed with absolute precision

4 Tunnel 1/ 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-

5 36 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 Unterquerung 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). 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. 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.