Die gigantische Tunnelbohrmaschine, die Hongkongs Unterwasserautobahn baute

Eine Straße unter dem Meer bauen

Am 27. Dezember 2020 eröffnete Hongkong eine neue Verkehrsader. Die nördliche Verbindung des Tuen Mun–Chek Lap Kok Link führte unter dem Meeresboden hindurch und verband die nordwestlichen New Territories mit dem internationalen Flughafen Hongkong und der Hongkong–Zhuhai–Macau-Brücke. Im Zentrum des Projekts stand die Herrenknecht-Mixschildmaschine S-880 mit dem Namen Qin Liangyu. Mit einem Schilddurchmesser von 17,63 Metern hält die Maschine noch immer den Guinness-Weltrekord für die Tunnelbohrmaschine mit dem größten Schilddurchmesser. Sie war länger als ein Fußballfeld, schwerer als die meisten Schiffe und dafür ausgelegt, unter einem Druck zu arbeiten, der gewöhnliche Ausrüstung zerquetschen würde. Der von ihr ausgehobene Tunnel ist heute Hongkongs tiefster, längster und breitester Unterwasser-Straßentunnel. Er ist Teil einer 9 Kilometer langen Strecke, die rund 18,2 Milliarden HK-Dollar, umgerechnet etwa 2,3 Milliarden US-Dollar, kostete.

Bei dem Projekt ging es nie nur darum, Rekorde aufzustellen. Es war eine Antwort auf den Bedarf einer Stadt nach besseren Verkehrsverbindungen zwischen Land, Meer und Luft. Eine Doppelröhre mit insgesamt rund 5 Kilometern Unterwassertunnel musste unter Schifffahrtsrouten, weichem Meeresboden und ökologisch sensiblen Küstengebieten hindurchführen. Ein solcher Tunnel hätte mit älteren Methoden umfangreiche Ausbaggerungen, Beeinträchtigungen des Schiffsverkehrs und jahrelange Konflikte um Umweltfragen bedeutet. Die Lösung war eine einzige in Deutschland gebaute Maschine, die sich vorwärtsarbeiten und dabei gleichzeitig graben, den Boden stabilisieren und den Tunnel auskleiden konnte.

Warum die Maschine so groß sein musste

Die Entscheidung für einen Schilddurchmesser von 17,63 Metern ergab sich aus den Bodenverhältnissen und nicht allein aus technischem Ehrgeiz. Zwischen Tuen Mun und Chek Lap Kok liegen unter dem Meeresboden bis zu 30 Meter Meeresablagerungen und Schwemmlandtone. Diese Böden sind extrem weich und wassergesättigt, was den Tunnelbau instabil macht. An manchen Stellen liegt das Grundgestein etwa 90 Meter unter dem Meeresspiegel. Eine herkömmliche Tunnelbohrmaschine hätte mit eindringendem Wasser und nachgebendem Boden zu kämpfen gehabt. Für das Projekt war eine Mixschildmaschine nötig, die den Druck an der Ortsbrust mithilfe eines kontrollierten Gemischs aus Bentonitsuspension und Druckluft ausgleichen kann.

Auch der erwartete Verkehr bestimmte die Größe. Der geplante Tunnel benötigte einen Innendurchmesser von 15,6 Metern, um in jede Richtung zwei Fahrspuren sowie Sicherheitsräume, Lüftungskanäle, elektrische Anlagen und Wartungszugänge aufzunehmen. Da die Tunnelbohrmaschine beim Vortrieb vorgefertigte Betonsegmente einbaut, muss der Außendurchmesser des Tunnels größer sein als der Innendurchmesser. Rechnet man die Stärke der Tübbingringe, den Schildmantel und den Schneidkopf hinzu, steigt der erforderliche Schilddurchmesser auf 17,63 Meter. Das entspricht ungefähr der Höhe eines sechsstöckigen Gebäudes, das sich unter der Erde im Kreis dreht. Die Qin Liangyu wurde genau auf diese Geometrie ausgelegt.

Wie die Mixschildmaschine den Meeresboden in Schach hielt

Eine Tunnelbohrmaschine wird oft als riesiger Bohrer beschrieben, doch die S-880 funktionierte eher wie eine mobile U-Boot-Fabrik. An ihrer Vorderseite schabte ein rotierender Schneidkopf Boden und Fels von der Ortsbrust ab. Hinter dem Schneidkopf befand sich eine mit Bentonitsuspension, einer dickflüssigen, tonartigen Flüssigkeit, gefüllte Abbaukammer sowie ein Druckluftpolster. Die Suspension drückte gegen die Ortsbrust und verhinderte, dass Meerwasser und Schlamm in die Maschine strömten. Die Druckluft über der Suspension ermöglichte den Bedienern eine präzise Steuerung des Drucks. Während sich der Schneidkopf vorarbeitete, vermischte sich das abgebaute Material mit der Suspension und wurde durch Rohrleitungen zu einer Aufbereitungsanlage an der Oberfläche gepumpt. Dort entfernten Maschinen die Bodenpartikel und führten die gereinigte Bentonitsuspension zurück in den Untergrund.

Während die Vorderseite der Maschine den Boden in Schach hielt, baute das Heck die Tunnelauskleidung ein. Ein robotischer Tübbingversetzer hob gebogene Betonsegmente an ihren Platz, wo sie zu Ringen zusammengefügt wurden, die die Tunnelwände bildeten. Jeder Ring stützte das umgebende Erdreich und schuf den glatten Zylinder, in dem später Straßen, Beleuchtung und Lüftung Platz finden würden. Dafür mussten sämtliche Systeme im Gleichschritt arbeiten: Druck, Pumpen, Zusammensetzung der Suspension, hydraulischer Vorschub, Segmentzufuhr und Vermessung. Verlangsamte sich ein Teil, kam der gesamte Betrieb zum Stillstand. Durch dieses integrierte Verfahren wurde die Maschine zu einer kompletten Produktionsstraße.

Der enorme Druck bei der Arbeit unter dem Meer

Der hydrostatische Druck an der Ortsbrust erreichte bis zu 5 bar und war damit fünfmal so hoch wie der Atmosphärendruck auf Meereshöhe. Das entspricht ungefähr dem Druck, dem ein Taucher in rund 50 Metern Tiefe ausgesetzt ist. Ein offizieller Bericht des Hong Kong Government News Service beschrieb die Bedingungen wie folgt:

Der tiefste Abschnitt des Tuen Mun-Chek Lap Kok Tunnels liegt etwa 60 Meter unter dem Meeresspiegel, und spezialisierte Arbeiten unter Überdruck setzten die Beschäftigten einem Druck aus, der fast sechsmal höher war als an der Oberfläche.

Um die Beschäftigten zu schützen und zugleich den Druck an der Ortsbrust aufrechtzuerhalten, nutzte die S-880 Schleusenkammern. Diese abgedichteten Bereiche ermöglichten es dem Personal, sich schrittweise vom normalen Atmosphärendruck in die druckbeaufschlagte Abbaukammer zu bewegen. Für Wartungsarbeiten an den Schneidwerkzeugen, Inspektionen und Reparaturen mussten geschulte Beschäftigte in den Überdruckbereich einsteigen, strenge arbeitsmedizinische Protokolle für Arbeiten unter Überdruck befolgen und langsam dekomprimiert werden, um die Dekompressionskrankheit zu vermeiden. Die Einsatzzeiten waren begrenzt, und die Arbeiten erforderten medizinische Überwachung. Dadurch wurde die gewöhnliche Tunnelwartung zu einem Einsatz, der einem Tauchgang ähnelte.

Den Durchmesser ändern, ohne an die Oberfläche zurückzukehren

Das ungewöhnlichste Kapitel des Projekts begann nach den ersten 650 Metern Vortrieb. Für das nördliche Anschlussbauwerk war ein Tunneldurchmesser von 17,6 Metern erforderlich, weshalb die Qin Liangyu zunächst in voller Größe startete. Danach konnte der restliche Unterwasserabschnitt mit einem Durchmesser von 14 Metern gebaut werden. Statt die Maschine an die Oberfläche zu transportieren und eine zweite Tunnelbohrmaschine einzusetzen, bauten Ingenieure die S-880 direkt im Tunnel um. Äußere Teile des 17,6-Meter-Schilds wurden entfernt, die internen Systeme neu konfiguriert und ein neuer 14-Meter-Schild eingebaut, während die Maschine unter dem Meeresboden blieb.

Eine solche Verringerung des Schilddurchmessers im Tunnel ist äußerst selten. Der Umbau musste unter dem Druck des Meeres, bei begrenztem Platz und ohne direkten Zugang zum Tageslicht erfolgen. Nach Abschluss der Umrüstung setzte dieselbe Maschine den Vortrieb des restlichen Tunnels fort und arbeitete dabei neben einer zweiten 14-Meter-Maschine von Herrenknecht. Die beiden Maschinen durchbrachen am 27. Februar 2019 den letzten Tunnelabschnitt. Der 17,63-Meter-Abschnitt wurde zwischen dem 25. März und dem 3. November 2015 ausgehoben, bevor der Umbau erfolgte. Das Verfahren wurde als Fortschritt dokumentiert, der auch bei künftigen Projekten mit unterschiedlichen Tunneldurchmessern innerhalb eines Vortriebs eingesetzt werden kann.

Innovationen bei den Querschlägen

Straßentunnel mit zwei Röhren benötigen üblicherweise Querschläge, also kurze Verbindungsgänge, die eine Evakuierung und Wartungsarbeiten zwischen den beiden Hauptröhren ermöglichen. Für den Tuen Mun–Chek Lap Kok Link waren 57 solcher Verbindungen erforderlich. Der Druck an ihren Standorten erreichte 5,8 bar und lag damit über dem Grenzwert von 3,6 bar, ab dem Herrenknecht für Arbeiten unter Überdruck in der Kammer den Einsatz professioneller Taucher empfiehlt. Bei einigen Unterwassertunneln wäre es herkömmlich gewesen, den Boden durch Gefrieren zu stabilisieren. Bei diesem Verfahren wird das Wasser im Erdreich gefroren. In weichem, wassergesättigtem Meeresbodenton wäre diese Methode langsam und riskant gewesen.

Das Team setzte stattdessen eine 3,6 Meter große Mini-Tunnelbohrmaschine mit Flüssigkeitsstützung ein. Weltweit war dies das erste Mal, dass mit einer solchen Maschine Querschläge unter derart hohem Druck gebaut wurden. Die kleine Maschine bohrte sich durch die Wände zwischen den beiden Hauptröhren, während das umgebende Suspensionssystem den Druck kontrollierte. Dadurch entfiel das Gefrieren des Bodens, die Bauzeit verkürzte sich und das Risiko sank in einer Umgebung, in der Meerwasser, weicher Ton und extremer Druck zusammen einen gefährlichen Arbeitsplatz schufen.

Tempo, Auszeichnungen und Vorteile für die Umwelt

Trotz der Komplexität kam die S-880 schnell voran. Ihr maximaler Tagesvortrieb erreichte 30 Meter, der Wochenrekord lag bei 167,2 Metern. Diese Zahlen spiegeln nicht nur die mechanische Leistung wider, sondern auch die logistische Koordination, die nötig war, um die Maschine kontinuierlich mit Betonsegmenten, Bentonit und Ersatzteilen zu versorgen. Die American Society of Mechanical Engineers gab für die Maschine eine Leistung von 5.600 Kilowatt und einen möglichen Tagesvortrieb von rund 30 Metern in wassergesättigtem Boden und Fels an.

Das Projekt erhielt 2019 den ITA Tunnelling Award der International Tunnelling and Underground Space Association. Damit wurden die während des Baus eingesetzten technischen Innovationen gewürdigt. Eine weitere preisgekrönte Lösung war das für die nördlichen Anschlussbauwerke verwendete Raupenfangdamm-System, das in sehr weichen Böden eine Alternative zur herkömmlichen Schlitzwand bot. Auch die Umweltbilanz war von großer Bedeutung. Das Straßenbauamt Hongkongs schrieb in einem Fachbeitrag:

Der Einsatz von Tunnelbohrmaschinen anstelle der herkömmlichen Absenktunnelbauweise verringerte die Ausbaggerung und Entsorgung von rund 11 Millionen Kubikmetern Meeresablagerungen. Das entspricht ungefähr dem Fassungsvermögen von 4.900 Standard-Schwimmbecken und trug dazu bei, die Auswirkungen auf Chinesische Weiße Delfine und andere Meereslebewesen zu minimieren.

Dieselbe offizielle Mitteilung besagte, dass das Verfahren außerdem die Beeinträchtigungen des intensiven Schiffsverkehrs auf der Urmston Road verringerte und eine Umleitung der bestehenden Unterwasser-Stromkabel zum Flughafen überflüssig machte. Die nördliche Verbindung wurde am 27. Dezember 2020 für den Verkehr freigegeben. Die südliche Verbindung war bereits 2018 schrittweise eröffnet worden und band die Strecke in das umfassendere Netz der Hongkong–Zhuhai–Macau-Brücke ein.

Ein Rekord, der eine ganze Ära prägt

Die S-880 Qin Liangyu ist nicht mehr in jeder technischen Kategorie die leistungsstärkste Maschine. In den vergangenen Jahren sind neue chinesische und internationale Tunnelbohrmaschinen mit höherem Schub, stärkerer Automatisierung oder anderen Schneidkopfkonzepten hinzugekommen. Guinness führt die Qin Liangyu jedoch weiterhin als Rekordhalterin für den Schilddurchmesser, und das von ihr fertiggestellte Projekt ist nach wie vor außergewöhnlich. Nur wenige andere Maschinen haben einen derart großen Durchmesser, einen so hohen Druck in großer Unterwassertiefe und einen Umbau des Schilds im Tunnel innerhalb eines einzigen durchgehenden Vortriebs vereint.

Die Maschine steht auch für einen umfassenderen Wandel beim Infrastrukturbau in Küstenstädten. Da Häfen, Flughäfen und Ballungsräume immer dichter bebaut werden, suchen Planer unter der Erde und unter Wasser nach neuen Verkehrsverbindungen. Megamaschinen wie die S-880 ermöglichen es, solche Routen mit weniger Beeinträchtigungen an der Oberfläche, weniger Ausbaggerungen und geringeren ökologischen Folgen als mit älteren Methoden zu bauen. Sie sind teuer, energieintensiv und technisch anspruchsvoll, bieten aber die Möglichkeit, zusätzliche Kapazitäten zu schaffen, ohne weitere Küstenabschnitte mit Baustellen zu überziehen.

Die Qin Liangyu wurde nach einer chinesischen Generalin aus der Ming-Dynastie benannt, die 1574 geboren wurde und für Mut und Loyalität bekannt war. Der Name folgt der langen Tradition im unterirdischen Ingenieurbau, großen Tunnelbohrmaschinen weibliche Namen zu geben. Dieser Brauch reicht bis ins 19. Jahrhundert zurück. In diesem Sinne brachte die Maschine sowohl Geschichte als auch Zukunft in den Fels unter Hongkong.

Die wichtigsten Punkte

• Die Herrenknecht-Mixschildmaschine S-880 Qin Liangyu hält mit 17,63 Metern den Guinness-Weltrekord für die Tunnelbohrmaschine mit dem größten Schilddurchmesser.
• Die Maschine hob den 5 Kilometer langen doppelröhrigen Unterwassertunnel des Tuen Mun–Chek Lap Kok Link aus, der im Dezember 2020 eröffnet wurde.
• Das Projekt kostete rund 18,2 Milliarden HK-Dollar und umfasst Hongkongs tiefsten, längsten und breitesten Unterwasser-Straßentunnel.
• Die Mixschildtechnik nutzte Bentonitsuspension und Druckluft, um den Druck in weichen, wassergesättigten Böden am Meeresgrund zu kontrollieren.
• Die Arbeiten fanden bei einem Druck von bis zu 5,8 bar statt. Für Wartungsteams waren deshalb spezielle Protokolle für Arbeiten unter Überdruck und Schleusenkammern erforderlich.
• Ingenieure bauten die Maschine direkt im Tunnel von 17,6 auf 14 Meter um. Eine solche Verringerung des Schilddurchmessers im Tunnel ist selten.
• Eine 3,6 Meter große Mini-Tunnelbohrmaschine mit Flüssigkeitsstützung baute die 57 Querschläge unter hohem Druck. Dies war eine Weltpremiere.
• Das Projekt verringerte die Ausbaggerungen um rund 11 Millionen Kubikmeter und reduzierte die Auswirkungen auf Meereslebewesen und Schifffahrtsrouten.