Chinesische Ingenieure setzen weltweit erstes ternäres Mischgassystem für Rekord-Unterseebahntunnel ein

Ein Durchbruch unter den Wellen

China hat ein weltweit erstes Schildvortriebssystem mit ternärem Mischgas in Betrieb genommen, um den Bau des Jintang-Unterseetunnels zu unterstützen. Die 16,18 Kilometer lange Bahnverbindung wird künftig der längste Untersee-Hochgeschwindigkeitseisenbahntunnel der Welt sein. Die im Inland entwickelte Technologie ermöglicht es Beschäftigten, sicher bei Drücken zu arbeiten, die weit über den herkömmlichen Grenzwerten liegen, und markiert damit einen bedeutenden Fortschritt in der unterirdischen Ingenieurtechnik. Das System ist auf dem Abschnitt des Tunnels auf der Zhoushan-Seite in Betrieb gegangen, wo die Teams mit einigen der anspruchsvollsten Bedingungen konfrontiert sind, die es im Eisenbahnbau je gab. Durch die präzise Mischung von Helium, Stickstoff und Sauerstoff hält die Anlage Menschen in einer Umgebung am Leben und wach, in der Wasser- und Bodendruck Werte erreichen, die man normalerweise eher von der Tiefseeforschung als vom Tunnelbau kennt.

Im längsten Untersee-Hochgeschwindigkeitseisenbahntunnel

Der Jintang-Tunnel wird Ningbo und Zhoushan über eine stark befahrene Wasserstraße in der ostchinesischen Provinz Zhejiang verbinden. Nach seiner Fertigstellung wird der 16,18 Kilometer lange Korridor den Weltrekord für den längsten Untersee-Hochgeschwindigkeitseisenbahntunnel halten und bestehende Unterwasserbahnverbindungen in Länge und Komplexität weit übertreffen. Das Projekt ist ein entscheidender Abschnitt eines größeren Verkehrsnetzes, das das Festland enger mit Zhoushan verbinden soll. Die geografische Isolation der Inselstadt stellte Pendler und Güterverkehr seit Langem vor logistische Herausforderungen.

Die Bauteams auf der Zhoushan-Seite sind für einen 6.270 Meter langen Abschnitt im Schildvortrieb verantwortlich. Dafür muss monatelang ununterbrochen durch unterschiedliche geologische Schichten unter dem Meeresboden gebohrt werden. Schildmaschinen, auch Tunnelbohrmaschinen oder TBM genannt, graben kreisförmige Tunnel und bauen zugleich Stützstrukturen ein, die einen Einsturz verhindern. Diese mechanischen Giganten arbeiten mit rotierenden Bohrköpfen, die Gestein und Sediment abtragen. Die Schneidwerkzeuge nutzen sich jedoch ab und müssen regelmäßig überprüft oder ausgetauscht werden. Diese Wartungsarbeiten in einer Druckkammer tief unter der Wasserlinie gehören zu den gefährlichsten Aufgaben im Tiefbau.

Warum herkömmliche Methoden an ihre Grenzen stoßen

Arbeiten in Kammern mit extrem hohem Druck zählen zu den größten Herausforderungen im Schildvortrieb. Jahrzehntelang haben Teams auf Druckluftsysteme gesetzt, um Wasser aus der Abbaukammer fernzuhalten, während Beschäftigte den Bohrkopf warten. Bei herkömmlichen Druckluftverfahren gilt ein Druck von 0,5 Megapascal als anerkannte Sicherheitsgrenze. Wird dieser Wert überschritten, steigt das Risiko einer Dekompressionskrankheit und anderer gesundheitlicher Gefahren stark an, sodass der Einsatz von Menschen in der Kammer mit unvertretbaren Risiken verbunden ist.

Der Jintang-Tunnel sprengt jedoch diese bisherigen Grenzen. Sein tiefster Abschnitt liegt 78 Meter unter dem Meeresspiegel. Dort steigt der kombinierte Wasser- und Bodendruck auf 0,85 Megapascal. Zur Veranschaulichung: Das entspricht ungefähr einem Gewicht von 30 Kilogramm, das auf eine Fläche von der Größe einer Ein-Yuan-Münze drückt. Diesem Druck könnten Beschäftigte mit herkömmlichen Druckluftverfahren nicht standhalten. Das Projekt erforderte daher einen grundlegend neuen Ansatz bei der Lebenserhaltung und Druckregelung.

Inspiration aus der Tiefsee

Angesichts dieser extremen Herausforderung orientierte sich das Bauteam nicht an herkömmlicher Bergbautechnik, sondern am Tiefseetauchen. Sättigungstauchen und Atemgassysteme mit Mischgas ermöglichen es Berufstauchern seit Langem, in Meerestiefen zu arbeiten, in denen einfache Druckluft tödlich wäre. Dieselben physiologischen Regeln gelten, ob jemand die Infrastruktur einer Offshore-Ölplattform repariert oder verschlissene Teile an einem Tunnelbohrkopf Hunderte Meter unter der Erde austauscht. Ingenieure übertrugen diese maritimen Prinzipien auf den Tunnelbau und entwickelten ein Helium-Stickstoff-Sauerstoff-Mischgassystem, das speziell auf diesen Einsatz zugeschnitten ist.

Helium ist dabei der entscheidende Bestandteil. Anders als Stickstoff, der den größten Teil der normalen Luft ausmacht, hat Helium eine geringe Dichte und diffundiert schnell durch das Gewebe. Unter extremem Druck löst sich bei normalem Atemgas eine gefährliche Menge Stickstoff im Blut. Das kann zu einer Stickstoffnarkose führen, auch Tiefenrausch genannt, die das Urteilsvermögen trübt und die Reaktionszeit verlängert. Ein verwirrter Beschäftigter Hunderte Meter unter der Erde gefährdet sich und seine Kollegen. Auch Sauerstoff wird giftig, wenn er über längere Zeit mit hohem Partialdruck eingeatmet wird. Helium umgeht beide Probleme und bietet ein sichereres Atemgas, das die Beschäftigten geistig wach und körperlich stabil hält, während sie unter Bedingungen arbeiten, die dem Meeresboden in großer Tiefe ähneln.

Die Übertragung von Tauchtechnik auf den Tunnelbau spiegelt einen wachsenden Trend im Infrastrukturbau wider: Lösungen überschreiten zunehmend Fachgrenzen. Was Berufstaucher auf Offshore-Ölplattformen hilft, kann mit sorgfältiger Anpassung auch Eisenbahnbauteams Hunderte Meter unter der Erde schützen. Diese Verbindung von Meereswissenschaft und Bauingenieurwesen könnte die nächste Generation unterirdischer Projekte in Küstenregionen weltweit prägen.

So funktioniert das ternäre Mischgassystem

Die neue Anlage besteht nicht einfach aus einigen Gasflaschen auf einem Wagen. Sie umfasst zwei zentrale Module, eines zum Mischen und eines zum Zuführen des Gases. Hinzu kommen 113 spezialisierte Unterbaugruppen, darunter Gasverteiler, Versorgungsstationen und individuelle Atemgeräte. Diese modulare Architektur ermöglicht eine präzise Steuerung der Gasmischung, die jeder Beschäftigte in der Druckkammer erhält.

Das System kann Einsätze in einem Druckbereich von 0,5 bis 1 Megapascal unterstützen. Damit liegt seine Obergrenze sogar über dem im Jintang-Tunnel gemessenen Höchstwert von 0,85 Megapascal und bietet eine Sicherheitsreserve für noch anspruchsvollere Projekte in der Zukunft. Algorithmen zur Gasmischung passen das Verhältnis von Helium, Stickstoff und Sauerstoff in Echtzeit an den Umgebungsdruck am Bohrkopf an. So erhalten die Beschäftigten unabhängig von der Tiefe des Tunnels stets eine optimale Atemgasmischung.

Jede Komponente muss korrosivem Salzwasser, den ständigen Vibrationen der Bohrmaschine und den mechanischen Belastungen unter hyperbaren Bedingungen standhalten. Die Ingenieure haben redundante Sicherheitssysteme vorgesehen, damit der Ausfall einer einzelnen Unterbaugruppe nicht die Lebenserhaltung des gesamten Teams beeinträchtigt. Mithilfe der Fernüberwachung können die Teams an der Oberfläche Gasdurchfluss, Druckwerte und die Vitalzeichen einzelner Beschäftigter kontrollieren, ohne selbst die Kammer betreten zu müssen.

Schutz der Beschäftigten unter extremen Bedingungen

Sicherheit steht immer an erster Stelle, wenn Menschen eine Druckkammer im Abbaubereich betreten. Eine Stickstoffnarkose zählt zu den heimtückischsten Gefahren in Umgebungen mit hohem Druck. Unter Druck löst sich das inerte Gas im Nervengewebe und verursacht Symptome, die einer Alkoholvergiftung ähneln. Beschäftigte mit einer Stickstoffnarkose können euphorisch oder desorientiert sein. So wird eine routinemäßige Wartung zu einem lebensgefährlichen Glücksspiel. Helium hat keine narkotisierende Wirkung, weshalb Tiefseetaucher und nun auch Tunnelarbeiter darauf zurückgreifen.

Eine weitere Gefahr ist die Sauerstofftoxizität. Sauerstoff ist lebensnotwendig, doch wer ihn über längere Zeit bei erhöhtem Partialdruck einatmet, kann Schäden an Lunge und Zentralnervensystem davontragen. Das ternäre System verdünnt den Sauerstoff mit Helium und regelt den Anteil der Gase sorgfältig. So wird eine toxische Anreicherung verhindert, während weiterhin genug Atemgas für körperlich anstrengende Arbeit zur Verfügung steht.

Auch die Dekompression muss sorgfältig geregelt werden. Nach einer Schicht müssen die Beschäftigten mehrere Druckstufen durchlaufen, damit gelöste Gase den Körper allmählich verlassen können. Bei einer zu schnellen Dekompression bilden sich Gasblasen im Blut, die eine Dekompressionskrankheit auslösen können, eine schmerzhafte und potenziell tödliche Erkrankung. Das Mischgassystem ermöglicht kontrollierte Dekompressionspläne, die auf die während der jeweiligen Schicht im Körper angesammelte Gasmenge abgestimmt sind.

Bedeutung für die weltweite Infrastruktur

Der erfolgreiche Einsatz dieses chinesischen Schildvortriebssystems mit ternärem Mischgas liefert wichtige Erkenntnisse für Infrastrukturprojekte weltweit. Küstenstädte von Tokio bis New York stehen unter wachsendem Druck, ihre Verkehrsnetze unter Wasserstraßen auszubauen. Viele mögliche Strecken verlaufen jedoch durch geologische Formationen, die denen unter dem Korridor Ningbo-Zhoushan ähneln. Die Möglichkeit, bei Drücken von bis zu 1 Megapascal sicher zu arbeiten, eröffnet bislang undenkbare Streckenführungen. Ingenieure können so tiefere und direktere Trassen in Betracht ziehen, die Fahrzeiten und Eingriffe in die Umwelt verringern.

In China stärkt die Innovation die führende Rolle chinesischer Ingenieure im groß angelegten Tunnelbau. Das Land betreibt bereits einige der ambitioniertesten unterirdischen Verkehrssysteme der Welt. Die neue Technologie beseitigt einen wesentlichen Engpass, der den Ausbau von Untersee-Eisenbahnverbindungen bislang begrenzt hat. Auch andere Bereiche könnten davon profitieren. Im Untertagebau, bei der Verlegung von Unterwasserkabeln und bei wissenschaftlichen Bohrprojekten gibt es ebenfalls hyperbare Umgebungen, in denen Lebenserhaltungssysteme mit Mischgas wertvoll sein könnten.

Für den Jintang-Tunnel sorgt das System dafür, dass die 6.270 Meter lange Strecke auf der Zhoushan-Seite planmäßig vorangetrieben werden kann, ohne die Sicherheit der Beschäftigten dem Baufortschritt zu opfern. Nach der Fertigstellung wird der Tunnel die Reisezeiten zwischen dem Festland und dem Archipel deutlich verkürzen und die wirtschaftliche Verflechtung sowie den Tourismus in der Provinz Zhejiang fördern.

Das Wichtigste in Kürze

• China hat am Jintang-Unterseetunnel in der Provinz Zhejiang sein erstes im Inland entwickeltes Schildvortriebssystem mit ternärem Mischgas in Betrieb genommen.
• Der 16,18 Kilometer lange Tunnel wird zum längsten Untersee-Hochgeschwindigkeitseisenbahntunnel der Welt und Ningbo mit Zhoushan verbinden.
• Herkömmliche Druckluftverfahren sind auf 0,5 Megapascal begrenzt. Im tiefsten Abschnitt des Jintang-Tunnels herrschen jedoch bei 78 Metern unter dem Meeresspiegel 0,85 Megapascal.
• Das neue System mischt Helium, Stickstoff und Sauerstoff, um sicherere Atembedingungen zu schaffen und bei Einsätzen unter extrem hohem Druck Stickstoffnarkose und Sauerstofftoxizität zu verhindern.
• Die Ingenieure entwickelten das System auf Grundlage von Tiefseetauchtechnik. Es unterstützt Einsätze bei Drücken zwischen 0,5 und 1 Megapascal und umfasst 113 integrierte Unterbaugruppen.