Kürzlich rollte in Wuhan, Provinz Hubei, eine riesige Maschine in Form eines „Blaubeer-Donuts“ langsam aus dem Fertigungswerk – sie markiert die offizielle Markteinführung der weltweit ersten Bohr- und Sprengmaschine (Boring and Blasting Machine, kurz BBM), die gemeinsam von der Tsinghua-Universität und der China Railway Science & Industry (CRECI), einer Tochtergesellschaft der China Railway Industrial Corporation, entwickelt wurde. Erstmals werden damit die beiden vorherrschenden Bauverfahren – Tunnelvortriebsmaschine (TVM) und Bohr- und Sprengvortrieb – in einem einzigen Gerät vereint, was eine völlig neue technische Lösung für den Bau langer Tunnel in komplexem geologischem Umfeld bietet.
Zwei Verfahren kaum vereinbar, Branche fordert neue Ausrüstung
China verfügt über weitläufige Gebirgsregionen. Zahlreiche bedeutende Infrastrukturprojekte im Straßen-, Eisenbahn- und Wasserbau liegen in tiefen Bergregionen. Beim Bau langer Tunnel stößt man häufig auf Probleme wie Gebirgsschlag, Schlammeinbrüche und Wassereinbrüche, hohe Gebirgstemperaturen sowie starke Verformungen des Gebirges. Hinzu kommen wechselnde weiche und harte Gesteinsschichten sowie zerklüftete Störungszonen, die Bauorganisation und Sicherheitsmanagement vor enorme Herausforderungen stellen.
Seit langem setzt die Branche vor allem auf zwei ausgereifte technische Verfahren: das Tunnelvortriebsmaschinen-Verfahren und das Bohr- und Sprengverfahren. Beide haben ihre Stärken, sind jedoch klar voneinander abgegrenzt. Die Tunnelvortriebsmaschine arbeitet in gleichmäßigem Hartgestein kontinuierlich und erzeugt einen stabilen Tunnelquerschnitt, ist jedoch bei starken Verformungen in weichem Gestein sowie in zerklüftetem, wasserführendem Gebirge nur bedingt geeignet. Das Bohr- und Sprengverfahren ist geologisch breit einsetzbar und deckt alle Arten von weichen und harten Gesteinsschichten ab, ist jedoch durch seine vielen Einzelschritte und die mangelhafte Abstimmung mit dem Ausbau in der Gesamteffizienz und Mechanisierung dem kontinuierlichen Vortrieb deutlich unterlegen.
Bei langen Tunnelprojekten mit wechselhaften geologischen Bedingungen ist es üblich, dass die Ausrüstung beider Verfahrensarten abwechselnd zum Einsatz kommt. Doch jeder Gerätewechsel – Abbau, Transport, Wiederaufbau, Personalaustausch der Arbeitstrupps und Umstellung der Bauverfahren – verursacht phasenweise Bauzeitverluste und wird so zu einem unsichtbaren Engpass, der den Baufortschritt behindert.
Mit der kontinuierlichen Ausweitung der chinesischen Infrastrukturprojekte in tiefe Berg- und Untergrundregionen ist die Entwicklung einer integrierten Ausrüstung, die die Vorteile beider Verfahren vereint und für den Einsatz in allen Gebirgsformationen geeignet ist, zu einem wichtigen Innovationsziel der Branche geworden.
Durchbruch bei Kernproblemen, „Vereinigung zweier Verfahren“ schafft Schwergewicht
Angesichts dieser branchenweiten Herausforderung bündelten die Tsinghua-Universität und die China Railway Science & Industry (CRECI) Fachwissen aus den Bereichen Schildvortriebstechnik, Tiefbohrungen und präziser Sprengtechnik für eine interdisziplinäre Zusammenarbeit. Doch die „Vereinigung“ von Vortrieb und Sprengung ist keine einfache „1+1“-Addition – zunächst mussten zwei zentrale technische Kernprobleme gelöst werden.
Erstens: das Problem des strukturellen Kräftegleichgewichts. Herkömmliche Tunnelvortriebsmaschinen verwenden einen geschlossenen Vollschnitt-Schneidkopf, der gleichmäßig belastet wird und stabil läuft. Für Sprengarbeiten muss der Schneidkopf jedoch „geöffnet“ werden – es ist eine hohle Ring-Schneidkopfkonstruktion erforderlich. Dies verändert das gesamte Kräftesystem der Maschine. Ist das Kräftegleichgewicht gestört, führt dies zu erhöhtem Werkzeugverschleiß und gefährdet direkt die Stabilität des Geräts.
Zweitens: das Problem des Schutzes vor Sprengwirkungen. Durch die Sprengung entstehende Gesteinstrümmer und Druckwellen können die empfindlichen elektrischen Steuerungs- und Hydraulikkomponenten im Maschineninneren leicht beschädigen. Ein zuverlässiges Explosionsschutzsystem im geschlossenen Maschinenkörper zu entwickeln, stellt eine enorme konstruktive Herausforderung dar.
Rund um diese beiden großen Herausforderungen führte das Entwicklungsteam wiederholt Struktursimulations-Optimierungen und Komponententests durch, überwand technische Hürden Punkt für Punkt und brachte schließlich die „Zentrum + Ring“-Kombinations-Schneidkopfkonstruktion zur Umsetzung.
Dieser donutförmige Hohlschneidkopf ist das markanteste, originäre Kernstrukturelement der Bohr- und Sprengmaschine. Durch das Zusammenspiel von Hohlschneidkopf und Zentralschneidkopf kann die Maschine flexibel zwischen drei Betriebsmodi wechseln: „Sprengen vorne, Vortrieb hinten“, „Vortrieb vorne, Sprengen hinten“ und „Vollschnitt-Vortrieb“. Sie vereint die Vorteile der vorauseilenden Sprengvorbehandlung mit denen des mechanisierten kontinuierlichen Ausbruchs und durchbricht damit endgültig die Anwendungsgrenzen herkömmlicher Bauverfahren.
„Bei extremen Gebirgsformationen mit hoher Gebirgsspannung oder starker Verformung von weichem Gestein kann die Bohr- und Sprengmaschine beispielsweise über den hohlen Kanal in der Mitte des ‚Donuts‘ Personal und Ausrüstung ein- und ausfahren lassen, um vor der Ortsbrust vorauseilende Injektionsverfestigung, Vorausriss-Sprengung oder Notausbau durchzuführen und so Sicherheitsrisiken wie Gebirgsnachbruch oder Maschineneinklemmung von vornherein zu vermeiden“, erläutert Wang Chenghai, Projektleiter der Bohr- und Sprengmaschine bei CRECI.
Harte Technik, Fünf Kernkomponenten greifen ineinander
Neben dem markanten „Donut“-Schneidkopf, so Wang Chenghai weiter, sei die Bohr- und Sprengmaschine mit mehreren weiteren originären Technologien ausgestattet. Fünf Kernkomponenten arbeiten zusammen und bilden ein vollständiges integriertes Bausystem mit dem technologischen Vorteil „eine Integration, zwei Anpassungen, drei Vereinheitlichungen“.
Die ausfahrbaren Randschneider fungieren als „Formregler“ des Tunnels: Auf Basis eines Tangentialkreis-Erweiterungsalgorithmus passen sie die Ausbruchquerschnittsgröße präzise an – große Querschnitte können erweitert, kleine Querschnitte verkleinert werden, was die Durchfahrtseffizienz der Maschine im Tunnel bei Umsetzfahrten effektiv erhöht. Der selbstadaptierende ausfahrbare Heckmantel ist eine „dynamische Panzerung“, die sich dem Gebirge anpasst: Er ist mit verschiedenen Tübbingformaten kompatibel und ermöglicht den Einbau von Auskleidungen mit variierendem Durchmesser in Abschnitten mit Gebirgsschlag oder starker Verformung, wodurch ein kontinuierlicher und stabiler Ausbau gewährleistet wird. Die Explosionsschutzvorrichtung des Hauptkörpers ist der „Sicherheitshelm“ der gesamten Maschine: Sie wurde speziell für den synchronen Betrieb von Vortrieb und Sprengung entwickelt, dämpft effektiv die Sprengstoßwirkung und schützt den Hauptkörper sowie die empfindlichen Präzisionskomponenten im Inneren. Das unabhängige Bandfördersystem schließlich ist die „Sortieranlage“ für Materialien: Es transportiert Ausbruchmaterial und selbst hergestellte Gesteinskörnung getrennt, optimiert die Materialkontrolle vor Ort und steigert die wirtschaftliche und ökologische Effizienz.
„Eine Integration“ bedeutet die Verschmelzung der kontinuierlichen Vortriebseffizienz einer TBM mit der breiten geologischen Anpassungsfähigkeit des Bohr- und Sprengverfahrens – ohne Gerätewechsel kann die Bauweise umgestellt werden, was Zeitverluste durch Ein- und Ausfahren der Ausrüstung sowie Verfahrensumstellungen einspart. „Zwei Anpassungen“ bedeutet die doppelte Anpassungsfähigkeit an Gebirgsformation und Querschnitt: Die Maschine bewältigt sowohl weiche als auch harte Gesteinsschichten und sowohl große als auch kleine Querschnitte – ein einziges Gerät deckt damit zahlreiche Tunnelbedingungen ab. „Drei Vereinheitlichungen“ realisiert die standardisierte Integration von Bauverfahren, Hardware-Ausrüstung und Auskleidungs- und Stützsystem: Von der vorauseilenden Vorbehandlung über Ausbruch und Abtransport bis hin zu Ausbau und Gesteinskörnungs-Recycling kann der gesamte Prozess von einem einzigen Gerät eigenständig durchgeführt werden, was die Ausrüstungskonfiguration, Personalorganisation und Baustellenverwaltung erheblich vereinfacht.
Versuchsdaten zeigen, dass die Vortriebseffizienz der Bohr- und Sprengmaschine unter extrem hartem Gestein nach einer vorauseilenden Vorriss-Behandlung um 30 % gesteigert werden kann. Bei langen Tunneln mit Strecken von oft mehreren Dutzend Kilometern bedeutet dies, dass sich die Gesamtbauzeit um mehrere Monate oder sogar noch länger verkürzen lässt.
In die Tiefe, Von „einsatzfähig“ zu „intelligent einsetzbar“
Die Markteinführung der weltweit ersten Bohr- und Sprengmaschine durchbricht die bisherigen konstruktiven Denkmuster vergleichbarer Geräte im In- und Ausland. Maschine und Kernkomponenten sind vollständig in eigener Regie entwickelt und gefertigt, schließen eine Lücke im Bereich integrierter Bauausrüstung für Tunnel in komplexem geologischem Umfeld und vervollständigen die industrielle Wertschöpfungskette für hochwertige chinesische Untertagebau-Ausrüstung.
Wie bekannt gegeben wurde, wird das Gerät zunächst in einem Projekt eines Pumpspeicherkraftwerks zur Demonstrationsanwendung im praktischen Einsatz kommen. Das Entwicklungsteam wird die Leistung auf Basis realer Messdaten vor Ort kontinuierlich iterativ optimieren und parallel die intelligente und präzisionsorientierte Weiterentwicklung vorantreiben. Systeme zur intelligenten Gebirgsidentifikation, vorauseilende Bauprognosen und autonomer intelligenter Vortrieb werden integriert, um den Sprung der Ausrüstung von „einsatz- und nutzbar“ zu „gut und intelligent nutzbar“ zu vollziehen.
Als bahnbrechende Innovationsleistung im Bereich der Untertagebau-Ausrüstung wird diese Bohr- und Sprengmaschine künftig in zahlreichen Schlüsselbereichen wie Verkehrsbau, Wasserbauprojekten und der Erschließung tiefer Ressourcen breite Anwendung finden. Sie wird die unabhängige Entwicklungs- und Fertigungskompetenz Chinas für Untertagebau-Ausrüstung kontinuierlich stärken und durch technologische Innovation in der Ausrüstungsbranche den Aufbau einer neuen industrialisierten und verkehrsstarken Nation vorantreiben.