Das Aufschwimmen von Tübbingringen ist ein weltweit seit fast einem Jahrhundert bestehendes Problem im Tunnelbau mit Schildvortriebsmaschinen (TVM). Nun wurde dieses Problem im Projekt des nördlichen Abschnitts der Macau Leichtbahn Ostlinie erfolgreich gelöst – die weltweit erste Nano-Schaumbeton-Injektionslösung für TVM wurde offiziell eingeführt, wodurch ein „Null-Auftrieb" der Tunnel erreicht, die Auftriebskraft der Tübbinge um 73,6 % reduziert und die Injektionskosten um 44,8 % gesenkt wurden.

Warum schwimmen Tübbinge auf?

Beim Tunnelbau mit Schildvortriebsmaschinen muss unmittelbar nach dem Zusammenbau der Tübbinge eine Ringspaltverpressung durchgeführt werden, um den Hohlraum zwischen Tübbing und Erdreich mit Injektionsmörtel zu füllen und so die Stabilität und Abdichtung des Tunnels zu gewährleisten. Herkömmliche Injektionsmaterialien haben jedoch eine hohe Dichte und ein hohes Gewicht, wodurch vor dem Aushärten des Mörtels eine enorme Auftriebskraft auf die Tübbinge wirkt, was zu Verschiebungen, Verformungen oder sogar Rissen in den bereits eingebauten Tübbingringen führt. Dieses Problem des „Tübbingaufschwimmens" ist seit jeher eine der schwierigsten Qualitäts- und Sicherheitsherausforderungen im Schildvortriebstunnelbau.

Statistiken zufolge verursachen durch Tübbingaufschwimmen bedingte Tunnelqualitätsschäden weltweit jährlich wirtschaftliche Verluste und Bauverzögerungen in Milliardenhöhe. Herkömmliche Lösungen opfern entweder die Injektionsfestigkeit für eine geringe Dichte oder setzen komplexe Auftriebssicherungsmaßnahmen ein, was die Baukosten erhöht. Eine ideale Lösung, die sowohl „Leichtbau" als auch „Hohe Festigkeit" vereint, fehlte bisher.

Nanopartikel stabilisieren Schaumbeton für „Leichtbau und Hohe Festigkeit"

Kürzlich wurde die weltweit erste Nano-Schaumbeton-Injektionslösung für TVM erfolgreich im Projekt des nördlichen Abschnitts der Macau Leichtbahn Ostlinie eingesetzt, das von China Civil Engineering Construction Corporation (CCECC), Nam Kwong Property und China Railway 16th Bureau Group Co., Ltd. gemeinsam betrieben wird.

Diese technische Lösung ist das Kernstück des von der Macau Science and Technology Development Fund (FDCT) geförderten und in Zusammenarbeit zwischen der Universität Macau, CCECC und der Macau-Niederlassung der China Railway 16th Bureau Group Co., Ltd. durchgeführten Forschungsprojekts „Leichtbau-Auftriebssicherung und Dauerhaftigkeit von synchronem Injektionsmaterial für den Schildvortriebstunnel der Macau Leichtbahn Ostlinie (Nordabschnitt)".

Weltweit erster kommerzieller, nanopartikelstabilisierter Schaumbeton

Das Forschungsteam der Universität Macau hatte zuvor den weltweit ersten kommerziellen, nanopartikelstabilisierten Schaumbeton entwickelt, der bei gleicher Festigkeit eine Gewichtsreduzierung und Materialkostensenkung von bis zu 40 % ermöglicht. Er wurde bereits erfolgreich in Großprojekten wie der Zufahrtsrampe der „Macau-Brücke" eingesetzt.

Der Kern der Technologie liegt in der Verwendung von Nanopartikeln als Schaumstabilisator, die die in herkömmlichem Schaumbeton vorkommenden, leicht zerfallenden und instabilen großen Luftblasen ersetzen. Die Nanopartikel bilden eine dichte „Panzer"-Struktur auf der Oberfläche der Blasen, was dem Schaum eine extrem hohe Stabilität verleiht. So bleibt er im Mörtel lange Zeit gleichmäßig verteilt, ohne zu zerfallen oder zu verklumpen.

Grundlegende Lösung des Tübbingaufschwimmproblems

Der Einsatz dieses Nano-Schaumbetons für die synchrone Ringspaltverpressung im Testabschnitt am Schacht EAP des nördlichen Abschnitts der Ostlinie stellt die weltweit erste Anwendung von nanopartikelstabilisiertem Schaumbeton in einem realen TVM-Injektionsprojekt dar.

Die Lösung erfüllt die Anforderungen an die Injektionsfestigkeit und setzt innovativ auf ein leichtes Auftriebssicherungsdesign, wodurch drei Kern-Durchbrüche erzielt werden:

Reduzierung der Auftriebskraft auf die Tübbinge um 73,6 %, wodurch das Branchenproblem des Tübbingaufschwimmens durch herkömmliche Injektionsmaterialien hoher Dichte an der Wurzel gelöst wird

Erreichen eines „Null-Auftriebs" des Tunnels, mit einer bisher unerreichten Präzision beim Einbau der Tübbinge

Einsparung von 44,8 % der Injektionskosten bei gleichzeitiger deutlicher Erhöhung der Tunnelstruktursicherheit

Vor-Ort-Überprüfung durch über ein Dutzend Branchenorganisationen

Am 3. Juli organisierte der FDCT eine Besichtigung der Projektbaustelle für Vertreter von über einem Dutzend Branchenorganisationen, darunter die Macau Public Works Bureau, das Macau Institute for Development and Quality (IDQ), das Macau Civil Engineering Laboratory (LECM), die Macau Urban Renewal Limited (MUR), die Macau Light Rapid Transit Corporation Limited (MLM), der Macau Engineering Consultant Association, die Macau Association of Building Developers and Real Estate Developers, die Macau Construction Association, die Macau Construction Machinery and Engineering Association und die Universität Macau. Die Vertreter besichtigten den Testabschnitt vor Ort und überprüften die wichtigsten Leistungskennzahlen wie Auftriebssicherungswirkung und Injektionsdichte.

Vom Schildvortriebstunnel zum breiteren unterirdischen Bauwesen

Die „Standardausstattung" für Schildvortriebstunnelprojekte

Die erfolgreiche Anwendung dieser Technologie bietet ein neues technisches Paradigma für Schildvortriebstunnelprojekte weltweit. Insbesondere in Szenarien mit extrem hohen Anforderungen an die Kontrolle des Tübbingaufschwimmens, wie z. B. bei Unterwassertunneln, Flussunterquerungen und Schildvortrieben in dicht bebauten Stadtgebieten, bietet die Nano-Schaumbeton-Injektionstechnologie unersetzliche Vorteile.

Mit dem kontinuierlichen Ausbau der Infrastruktur im Bereich des städtischen Schienenverkehrs, unterirdischer Versorgungskanäle und Meerengenquerungen weltweit hat diese Technologie das Potenzial, zur „Standardausstattung" für den Schildvortriebstunnelbau zu werden.

Von Macau nach ganz China und in die Welt

Die China Civil Engineering Construction Corporation (CCECC) erklärte, die technische Zusammenarbeit mit allen Partnern weiter zu vertiefen und die Verbreitung und Anwendung neuer Technologien und Verfahren zu beschleunigen, um eine solide technische Grundlage für die anschließende Technologieoptimierung, Normenerstellung sowie den großflächigen Einsatz und die Verbreitung zu schaffen.

Die erfolgreiche Anwendung dieser Technologie markiert einen Sprung Chinas im Bereich der Injektionsmaterialien für Schildvortriebstunnel vom „Nachahmer" zum „Vorreiter". Mit der Etablierung technischer Standards und der Förderung des großflächigen Einsatzes hat die Nano-Schaumbeton-Injektionstechnologie für TVM das Potenzial, von Macau aus landesweit und global Verbreitung zu finden.

„Technologiemotor" für den Aufbau der Greater Bay Area

Die Macau Leichtbahn Ostlinie ist ein wichtiger Bestandteil des Schienenverkehrsnetzes der Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area. Die erfolgreiche Anwendung dieser Technologie liefert nicht nur entscheidende technische Unterstützung für den Bau der Macau Leichtbahn, sondern trägt auch mit „Macau-Weisheit" und einer „China-Lösung" zum unterirdischen Bauwesen in der Greater Bay Area und ganz China bei.

CCECC erklärte, dass dieses Ergebnis „ein neues Kapitel für die qualitativ hochwertige Entwicklung des Unternehmens und den Aufbau der Greater Bay Area aufschlagen wird".

Von der „erfahrungsbasierten Bauweise" zur „wissenschaftlichen Injektion"

Der tiefere Wert dieser Technologie liegt darin, die Ringspaltverpressung beim Schildvortrieb von einer „erfahrungsgetriebenen" zu einer „wissenschaftlich getriebenen" Methode zu erheben. Herkömmliche Injektionslösungen stützen sich auf Bauerfahrung und sind oft ein Kompromiss. Die Nano-Schaumbeton-Injektionstechnologie hingegen erreicht durch Innovationen in der Materialwissenschaft die Vereinigung von Leichtbau und hoher Festigkeit und löst so das seit fast einem Jahrhundert bestehende Problem des Tübbingaufschwimmens an seiner materialtechnischen Wurzel.

Drei Meilensteine von Bedeutung:

Technologische Premiere: Weltweit erste Anwendung von nanopartikelstabilisiertem Schaumbeton in einem realen TVM-Injektionsprojekt

Deutliche Wirkung: Reduzierung der Auftriebskraft auf Tübbinge um 73,6 %, Erreichen von „Null-Auftrieb", Kosteneinsparung von 44,8 %

Reproduzierbar und skalierbar: Erfolgreiche Validierung in einem realen Projekt, Bedingungen für den großflächigen Einsatz sind gegeben

Wenn die Schildvortriebsmaschine unter der Erde fährt, die Tübbinge nicht mehr „driften" und die Tunnelformgenauigkeit ein beispielloses Niveau erreicht – das ist nicht nur ein Triumph der Materialwissenschaft, sondern ein weiterer Beweis für die Fähigkeit des chinesischen unterirdischen Bauwesens, Weltklasse zu erreichen.