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Ein Tunnel ist mehr als nur ein unterirdischer Raum. Es ist ein Bindeglied – von Menschen, von Gemeinschaften, von Ländern. Es kann wirtschaftliche Möglichkeiten erweitern. Aber der Bau eines Tunnels dauert lange. Tunnelbohrmaschinen (TBM) haben die Geschwindigkeit, mit der diese massiven Bauprojekte abgeschlossen werden, verbessert. In diesem Artikel besprechen wir die verschiedenen Arten von TBMs und wie sie funktionieren.
Die erste Tunnelbohrmaschine
Der Themsetunnel war der erste Unterwassertunnel, der fertiggestellt wurde. Der Bau dauerte 18 Jahre und wurde schließlich 1843 der Öffentlichkeit zugänglich gemacht. Die Arbeiten waren mit einer Tunnelbaumaschine möglich, die von Ingenieur Marc Brunel und seinem Vater Isambard Kingdom Brunel entworfen wurde. Im Gegensatz zu heutigen TBMs wurde das Gestein manuell entfernt. Jeder Arbeiter würde in einer Zelle stehen, die im Wesentlichen aus einem Eisenkäfig bestand. Der Käfig (auch Schild genannt) wurde etwa sechs Zoll nach vorne bewegt und das Graben würde fortgesetzt.
Die vier Systeme einer Tunnelbohrmaschine
Eine Tunnelbohrmaschine hat vier Grundsysteme:
Bohren
Das Bohrsystem schneidet durch das Gestein. Es hat einen Messerkopf mit Scheibenschneidern montiert. Der Messerkopf dreht sich und drückt die Messerscheiben gegen sein Gesicht. Dies erzeugt eine Schneidbewegung. Der hohe Druck, den der Messerkopf ausübt, ist größer als die Druckfestigkeit des Gesteins und schleift es relativ leicht. Die Art des verwendeten Schneidkopfes und der Scheibenschneider hängt von der Art des Gesteins ab.
Schub und Klemmung
Das Schub- und Spannsystem der TBM ist für die Vorwärtsbewegung der Maschine über Hydraulikzylinder verantwortlich. Spann beschränkt schub als benötigt.
Dreck-Entfernung
Das vom Schneidkopf entfernte Gestein und der Boden können mit Wasser oder anderen Substanzen gemischt werden, um einen „Dreck“ zu erzeugen, der leichter entfernt werden kann. Typischerweise zieht ein Schneckenförderer den Dreck zu einem Standardförderband, wo das Material letztendlich außerhalb des Tunnels entnommen und entsorgt wird.
Unterstützung
Die Tunnelbohrmaschine muss vor herabfallendem Material geschützt werden, wenn sie sich entlang schleift. Unterstützungssysteme zum Schutz der TBM vor Störungszonen umfassen Rohre, Mörtelinjektion, Felsbolzen und Gefrieren, die über oder vor dem Schneidkopf verwendet werden. Ein Dachschild-Unterstützungssystem kann verwendet werden, um Arbeiter zu schützen, die sich hinter dem Schneidkopf befinden, wenn die TBM in gebrochenem Gestein vorrückt.
Haupttypen von Tunnelbohrmaschinen
Es gibt zwei Hauptklassifikationen von TBMs: offenes Schild und geschlossenes Schild. Offene Schild-TBMs können einen einzelnen Schild oder einen doppelten Schild haben. Diese Art von TBM bietet nur seitliche Unterstützung. Geschlossene Schild-TBMs bieten sowohl seitliche als auch frontale Unterstützung.
Beispiele für Tunnelbohrmaschinen
Tunnelbohrmaschinen werden immer größer und anspruchsvoller. The Robbins Company ist einer der größten TBM-Hersteller in den Vereinigten Staaten. Der Firmengründer James Robbins entwarf und fertigte 1952 die erste moderne Tunnelbohrmaschine. Es wurde im Oahe-Staudammprojekt in South Dakota verwendet. The Robbins Company kategorisiert fünf spezifische Tunnelbohrmaschinen:
Funktionsweise einer Tunnelbohrmaschine
Tunnelbohrmaschinen mit Hauptstrahl werden verwendet, um schnell durch hartes Gestein zu bohren. Sie sind eine offene Art von TBM. Der Schneidkopf hat den gleichen Durchmesser wie der Tunnel. Hydraulische Antriebszylinder drücken die Fräser in das harte Gestein, wenn sich der Schneidkopf dreht. Währenddessen drückt ein schwimmendes Greifersystem gegen die Wände des Tunnels. Der Greifer bleibt in seiner Position verriegelt. Die Treibzylinder fahren aus und der Hauptstrahl bewegt die TBM vorwärts. Im Hauptträger befindet sich ein Bandförderer, der den Dreck von den Eimern im rotierenden Messerkopf zur Rückseite der TBM bewegt. Die Antriebszylinder fahren zurück, was wiederum die Greiferanordnung neu positioniert. Der Bohrvorgang wird fortgesetzt, nachdem die Greifer ausgefahren und die Hinterbeine angehoben wurden.
Double Shield
Diese offene TBM wird zum Tunneln durch schwierige Böden mit einer vergleichbaren Geschwindigkeit wie eine Hauptstrahlmaschine eingesetzt. Obwohl es ein Doppelschild genannt wird, hat es tatsächlich drei Schilde: ein Teleskopschild, ein Greifschild und ein Heckschild. Der Greiferschild drückt gegen die Tunnelwände, während die Hauptantriebszylinder die Messerkopfstütze und den Messerkopf nach vorne schieben. Das Teleskopschild erstreckt sich, wenn sich die Maschine bewegt und bohrt sich durch das Gestein. Die gesamte TBM ist ringsum vor dem Boden geschützt. Die Maschine bohrt gleichzeitig durch das Gestein und errichtet die Tunnelauskleidung. Dieser Vorgang findet innerhalb des Heckschildes statt.
Single Shield
Die Single Shield TBM wird für massiv gebrochenes Gestein eingesetzt. Der TBM-Körper ist in einem Schild eingeschlossen, das etwas kleiner als der Tunnel selbst ist. Auf diese Weise werden die Arbeiter vor gebrochenem Gestein geschützt, bis die Tunnelauskleidung installiert ist. Die Bohr- und Tunnelauskleidungserrichtung erfolgt nacheinander.
Crossover-Tunnelbohrmaschinen
Crossover-TBMs werden für den gemischten Bodenvortrieb eingesetzt. Diese eine TBM ersetzt die Notwendigkeit, mehrere Maschinen zu verwenden, um eine Vielzahl von Bodentypen zu handhaben. Um sicher arbeiten zu können, benötigen Crossover-TBMs jedoch genaue geologische Daten.
Erddruckwaage
Erddruckwaage Maschinen sind eine geschlossene TBM. Sie sind nützlich zum Bohren durch verwittertes Gestein oder in weichen Böden unter dem Grundwasserspiegel. Insbesondere in städtischen Gebieten, in denen Bodensenkungen auf ein Minimum beschränkt werden müssen. Die EPB-Maschine von Robbins Company verwendet ein Gelenkschild, das einem Wasserzuflussdruck von bis zu 10 Bar standhält. Diese TBM stabilisiert die Tunnelfläche und die Bodensenkung, indem der Druck in der Schneidkopfkammer so eingestellt wird, dass er mit dem Druck vor dem Schneidkopf im Gleichgewicht bleibt. Die Tunnelauskleidung wird nach jedem Stoß errichtet. Hochdruckdichtungen im Heckschild schützen die Maschine vor Bodendruck.
Die TBM-Arbeitsumgebung
Eine Tunnelbohrmaschine ist eine in sich geschlossene Umgebung für die Arbeiter. Es verfügt über Einrichtungen wie Büros, eine Küche und Cafeteria sowie Toiletten. Wie jedes Arbeitsumfeld unterliegt es staatlichen und bundesstaatlichen Regeln und Vorschriften.
Wrap Up
Tunnelbohrmaschinen haben es uns ermöglicht, Verbindungen zwischen Menschen und Orten herzustellen, die früher undenkbar waren. Die Maschinen werden immer größer und anspruchsvoller. Jede TBM kann jedoch auf vier Hauptsysteme reduziert werden: Bohren, Stoßen und Spannen, Entmisten und Stützen. Die verschiedenen Arten von TBMs bewältigen eine Vielzahl von Bodensituationen und unterschiedlichen Umgebungen – von Unterwasser bis unter Wasser. Tunnelbohrmaschinen werden auch weiterhin den sich ändernden Anforderungen unserer komplexen Welt gerecht.
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