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Oct 17, 2023

Design- und Konstruktionsinnovationen für das Pawtucket-Projekt

Abbildung 1 – Projektgebietskarte von Irwan S. Halim, Vojtech Ernst Gall und Stephane

Abbildung 1 – Karte des Projektgebiets

Von Irwan S. Halim, Vojtech Ernst Gall und Stephane Polycarpe

Das Pawtucket-Tunnelprojekt ist die erste Phase des Phase-III-Programms der Narragansett Bay Commission (NBC) für kombinierte Abwasserüberläufe (Combined Sewer Overflow, CSO), das darauf abzielt, CSOs aus den Gemeinden Pawtucket und Central Falls in Rhode Island zu reduzieren. Die Phasen I und II des Programms konzentrierten sich auf die Region Providence und wurden 2008 bzw. 2015 abgeschlossen.

Der Pawtucket-Tunnel soll einen minimalen fertigen Innendurchmesser von 30 Fuß und eine Länge von etwa 11.700 Fuß haben. Der Tunnel wird ein Felstunnel mit einer Tiefe bis zur Umkehr zwischen 115 und 155 Fuß sein. Der Tunnel wird mit einer TBM ausgehoben gleichzeitig mit abgedichteten Betonfertigteilsegmenten ausgekleidet. Dieses Projekt wird im Rahmen eines Design-Build-Delivery-Prozesses umgesetzt. Der Design-Build-Auftragnehmer besteht aus einem Joint Venture von CBNA und Barletta (CBNA-Barletta JV); auch bekannt als CB3A. Der Hauptdesigner ist AECOM. GEI Consultants unterstützt AECOM bei der Geotechnik und der Feldunterstützung. Zu den Design-Unterberatern gehören Gall Zeidler Consultants, Mueser Rutledge Consulting Engineers und BETA Group.

Der Bau des Pawtucket-Tunnelprojekts umfasst einen Haupttransport- und Lagertunnel; ein Startschacht und ein Empfangsschacht für eine Tunnelbohrmaschine (TBM); Tunnelpumpstation; Abwurf- und Entlüftungsschächte und Verbindungsstollen. Der Tunnelvortrieb erfolgt mit einer Hybrid-TBM, die je nach Bedingungen im offenen oder geschlossenen Erddruckausgleichsmodus (EPB) betrieben werden kann.

Während die TBM voranschreitet, wird der Tunnel mit vorgefertigten Stahlfaserbetonsegmenten ausgekleidet. Der Projektstandort ist in Abbildung 1 unten dargestellt. Der TBM-Startschacht hat einen Durchmesser von 60 Fuß und eine Tiefe von etwa 150 Fuß und befindet sich in der Nähe des Tunnelpumpstationsschachts (TPS) in Ausrichtung mit dem Tunnel. Während der Ausschreibungsentwurfsphase als alternatives technisches Konzept (ATC) wurden die TPS- und Startschächte zur Vermeidung einer bekannten Scherzone verlegt und näher zusammengebracht. Der Startschacht wird über einen Saugkopftunnel mit einem Durchmesser von 10 Fuß mit dem TPS-Schacht verbunden. Es stehen ein TBM-Hecktunnel sowie ein vorab ausgehobener TBM-Starttunnel zur Verfügung. Auf der Tunneltrasse gibt es vier weitere Fallschachtstandorte. Der Empfangsschacht hat einen Durchmesser von 36 Fuß und eine Tiefe von 130 Fuß.

Der Tunnel wird auf seiner gesamten Länge im siliziklastischen Grundgestein der Rhode-Island-Formation errichtet, das von glazialen Geschiebemergelablagerungen und anderen Füllmaterialien überlagert ist, und wird unterhalb des Grundwasserspiegels liegen. Es wurde ein universelles, sich verjüngendes Ringsystem mit sieben Segmenten eingesetzt, wie in Abbildung 2 dargestellt. Der Tunnelauskleidungsring hat einen Durchmesser von 14 Zoll. dick, 30 Fuß, 2 Zoll. im Innendurchmesser und 6 Fuß, 7 Zoll. lang und besteht aus vier regelmäßigen Segmenten mit rechteckiger Geometrie, zwei Gegenkeilsegmenten mit rechtwinkliger Trapezgeometrie und einem keilförmigen Schlüsselsegment. Alle Segmente werden versetzt angeordnet, um die Entstehung kreuzförmiger Verbindungen zu vermeiden, die aufgrund der Spannungskonzentration zu Undichtigkeiten und strukturellen Schäden führen könnten. Da das Schlüsselsegment nicht immer an der Tunnelkrone installiert werden kann, muss die TBM in der Lage sein, die Segmente während der Ringmontage mithilfe eines Aufrichter- und Stützrollensystems an Ort und Stelle zu halten. Die Länge des Rings wurde durch Abwägung zwischen den Faktoren der Baubarkeit (einfacher Transport, Montage und Fähigkeit, Kurven zu überwinden) und den Faktoren des Nutzens (Begrenzung der Anzahl der Verbindungen, um Leckagen und Produktionskosten zu reduzieren und die Vortriebsgeschwindigkeit des Tunnels zu erhöhen) ausgewählt.

Abbildung 2 – Geometrie der Tunnelauskleidung

Der keilförmige Schlüsselblock ist häufig als kleineres Teil als andere Segmente konzipiert, da kleinere Segmente einfacher zu handhaben sind. In letzter Zeit erfreut sich ein großes Schlüsselsegment zunehmender Akzeptanz in der Branche. Unser Design übernahm Segmente ähnlicher Größe. Die Sehnenlängen an der Mittellinie betragen etwa 14,1 Fuß für die regulären Segmente, 14,0 Fuß für die Gegentastensegmente und 14,3 Fuß für das Tastensegment. Aus strukturellen und konstruierbaren Gründen ist es vorteilhaft, alle Segmente möglichst ähnlich groß zu machen. Die gleichmäßig im Ring verteilten Längsfugen führen zu einer erhöhten Tragfähigkeit und reduzieren Ringverzüge. Das größere Schlüsselsegment kann auch die Größe der regulären Segmente (und damit die Anzahl der Längsverbindungen) verringern. An den Längsstößen werden die Segmente nicht miteinander verschraubt. Dies trägt dazu bei, die Vortriebsgeschwindigkeit des Tunnels zu erhöhen, da einige Bohrarbeiten entfallen. Die Ringe werden an den Ringstößen mit 14 gleichmäßig verteilten Dübeln (SOF FAST 110) miteinander verbunden. Darüber hinaus wurden 14 Paare von Schubverbindern mit gleichem Abstand, dh Schubdoppelkegel mit Stahlkern (Optimas Sofrasar F500), an den Ringstößen zur Zentrierung und Schubwiederherstellung an den Tunnelstollenöffnungen spezifiziert, wie später beschrieben.

Für Abdichtungszwecke war ursprünglich ein Rundum-Kompressionsdichtungsprofil aus Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM) (Dätwyler M389 33 „Doha“) vorgesehen, der Auftragnehmer entschied sich jedoch für die Verwendung einer alternativen Algaher DV9 IS-Dichtung. Es wird erwartet, dass die Kompressionsdichtung unter dem Szenario der Auslegungskompression und des zulässigen Versatzes einem hydrostatischen Druck von bis zu 25 Bar standhält, was ausreichte, um dem maximal erwarteten Grundwasserdruck von 5 Bar standzuhalten. Die typischen Segmente werden durch Stahlfasern verstärkt (mindestens 60 Pfund pro Kubikmeter Dramix 4D 80/60). Die für den Entwurf angenommene Mindestfestigkeit nach 28 Tagen betrug f_c^'=6.500 psi der charakteristischen Druckfestigkeit und f_150^'D=700 psi der Restbiegefestigkeit bei 3,5 mm Rissöffnungsverschiebung (CMOD). Die Segmentdicke wurde so gewählt, dass sie allen kurz- und langfristigen Belastungsfällen und Einsatzbedingungen standhält. Um die gewünschte Lebensdauer von 100 Jahren zu erreichen, umfasst die ausgewählte Segmentdicke (14 Zoll) eine Opferbetonschicht von bis zu 2,35 Zoll, um die Tunnelauskleidung vor Betonzersetzung durch Schwefelwasserstoffgas (H2S) aus dem CSO-Wasser zu schützen. Die Tunnelauskleidung wurde so konzipiert, dass der Verlust der Opferschicht keinen Einfluss auf die 100-jährige strukturelle Integrität des Auskleidungssystems hat.

Abbildung 3 – Überprüfung des Tunnelauskleidungsentwurfs

Um die Angemessenheit des angenommenen Tunnelauskleidungsdesigns zu demonstrieren, wurden die Spannung und Verformung der Tunnelauskleidung mithilfe zweidimensionaler (2-D) numerischer Analysen bewertet, wie in Abbildung 3 dargestellt. Insgesamt wurden fünf Analyseabschnitte als repräsentativ für Variationen ausgewählt in Abraumtiefen und erwarteten Boden- und Grundwasserverhältnissen. Von den fünf Analyseabschnitten wurde festgestellt, dass der Abschnitt, der an der Station 118+00 geschnitten wurde, aufgrund des Vorhandenseins einer stark gebrochenen weichen und schwachen graphitischen Schieferschicht, die die Tunneltrasse durchquerte, für die Planung ausschlaggebend war. Die graphitische Schieferschicht ist eine etwa 20 Fuß dicke, subhorizontale Schicht, die im Grundgestein eingebettet ist. Während der Ausschreibungsentwurfsphase als ATC wurde die vertikale Ausrichtung des Tunnels um 25 Fuß erhöht, was zu einer Reduzierung der Auskleidungsdicke von 15 Zoll auf 14 Zoll und zur Streichung der Anforderung an hybridverstärkte Segmente (Faser und Bewehrung) führte für die graphitische Schieferzone.

Die Analyse wurde stufenweise durchgeführt, um die Auskleidungskräfte und Verformungen unter verschiedenen Belastungsbedingungen zu bewerten, die während des Baus und während der gesamten Lebensdauer zu erwarten sind. Dazu gehören die Schwankung des erwarteten Grundwasserspiegels, die Entwässerung des Grundwassers während der Bauarbeiten und die Durchquerung einer stark zerklüfteten Verwerfungszone. Die Analyse ergab, dass die Tunnelauskleidung den zu erwartenden Belastungen standhalten und die Ringverformungsanforderung unter allen diesen Bedingungen erfüllen wird. Eine seismische Analyse wurde durchgeführt, um die Auswirkungen seismischer Wellen zu bewerten, die sich vertikal senkrecht zur Tunnelachse ausbreiten. Um die Verformungen des Tunnels und deren Auswirkungen auf die Tunnelauskleidung zu quantifizieren, wurde eine Querverschubanalyse durchgeführt. Die Analyse wurde mit demselben FLAC-Modell durchgeführt, das um die Tunnelöffnung herum beschnitten wurde, um nur die Gesteinsmaterialien ohne Oberbodenmaterialien einzubeziehen.

Das Segmentdesign wurde anhand der temporären Baubelastungsszenarien überprüft, einschließlich Ausschalen und Handhabung mit einer Mindestbetonfestigkeit von 1.800 psi, Lagerung und Transport, Montage und gegen die Segmente drückender TBM-Schubstempel, während der Verfüllung und Kontaktinjektionen sowie hinsichtlich der TBM-Portallast und des Segments Beschicker direkt hinter dem Aufrichter.

Der Entwurf der Segmentverbindung bestand darin, die Fähigkeit des Umfangsdübelsystems zu prüfen, die Segmente während des Aufbaus zusammenzuhalten und den Dichtungsdruck aufrechtzuerhalten, um den geplanten hydrostatischen Druck angemessen abzudichten.

Der Pawtucket-Tunnel ist entlang seiner Trasse durch Tunnelstollen mit vier Abwurfschächten verbunden. Drei der Stollen sind in der obigen Abbildung 4 schematisch dargestellt. Zwei Stollen sollen mit sequentiellen Aushubmethoden (SEM) gebaut werden, der dritte mit Mikrotunneling.

Abbildung 4 – Stollen, die mit dem Bohrtunnel verbunden sind

Die SEM-Tunnelstollen werden vom Haupttunnel aus durch Bohren und Sprengen errichtet, wie in Abbildung 5 dargestellt, wobei der Abbau nach außen in Richtung der Basis der Fallschachtstrukturen erfolgt. Der dritte durch Mikrotunnelbau errichtete Stollen wird am Standort des Fallschachts beginnen und in den Haupttunnel hinein vorgetrieben werden. Die endgültige Verbindung zwischen der Haupttunnelauskleidung und den Stollen wird durch die Installation einer monolithischen Ortbetonmanschette (CIP) um die Tübbingschnitte herum erreicht, wie in der Abbildung dargestellt.

Abbildung 5 – SEM-Stollen aus dem Tunnelringschnitt mit endgültiger Ortbetonmanschette und Stollenauskleidung.

An den Stollenstellen im Tunnel werden Segmente geschnitten und entfernt. An diesen Stellen benötigt der Tunnel zusätzliche Aussteifungen, um die temporären Kräfte aufgrund der Tunnelwandöffnung an diesen Stellen aufzunehmen. Anstatt an diesen Stellen den üblichen äußeren Aussteifungsrahmen zu konstruieren, wird die Öffnung temporär durch modifizierte Tübbingringe gesichert, die beim Tunnelbau eingebaut werden. Diese Ringe verfügen über zusätzliche Verstärkungs- und Schubelemente, die in den speziell entwickelten Tunnelsegmenten enthalten sind, die entlang der vier Ringe unmittelbar neben der Öffnung installiert sind. Während die Standardauskleidung entlang der Trasse reiner stahlfaserverstärkter Beton (SFRC) mit zwei an jedem Druckstück installierten Schubdübeln ist, verfügen die speziell verstärkten Segmente zusätzlich zum SFRC über einen schweren Bewehrungskorb sowie zwei zusätzliche Hochleistungsscheren Pro Segmentringverbindung werden in der Mitte der Druckstücke zwischen den Schubdornen Kegel angebracht. Die Geometrie der speziell verstärkten Segmente entspricht der der typischen Segmente. Für die Strukturanalyse der Auskleidung und des Kragens an den TBM-Tunnelstollen wurde ein abgestuftes Finite-Elemente-Modell (FE) entwickelt, das alle kritischen Designaspekte berücksichtigt. B. die Bodendrücke vor Ort, die vorübergehenden und dauerhaften Grundwasserbelastungen, die Stützwirkung (oder deren Fehlen) durch Reibung zwischen Ringen, die Haltbarkeit des Auskleidungsbetons und die Nichtlinearitäten aller beteiligten Materialien. Ein Bild des Modells ist in Abbildung 6 unten dargestellt.

Abbildung 6 – Modell der Stollenanschlüsse: a) Stollenkragen; b) isometrische Ansicht des Tübbingauskleidungsrings.

Die Strukturanalyse zeigt, dass erwartungsgemäß der kritischste Fall für die Bemessung die vorübergehende Belastung der Segmente unmittelbar nach dem Schneiden und Entfernen der Auskleidung und vor dem Einbau der CIP-Betonmanschette ist. Konkret weist die Analyse darauf hin, dass die Zugspannungen zu hoch sind, um von Stahlfasern allein getragen zu werden. Dies führte dazu, dass in diesen speziellen Segmenten zusätzliche Bewehrungsstäbe in Umfangsrichtung und Schubkegel erforderlich waren.

CB3A hat sich für eine Herrenknecht-Hybrid-TBM entschieden. Das Projektteam mit Herrenknecht einigte sich auf eine Hybrid-TBM mit offenem/geschlossenem EPB-Modus, die den Vorteil der Kontrolle des Schlammmanagements, der Minimierung des Wartungsaufwands und der optimierten Produktionszeit bietet. Die TBM-Lieferung wurde Ende Juni 2022 abgeschlossen.

Die TBM mit einem Bohrdurchmesser von 33,8 Fuß verfügt über einen 46 Fuß langen Schild und ein 300 Fuß langes Backup, das aus vier Portalen besteht, um den Schild mit Strom zu versorgen und die Versorgungs- und Logistikversorgung anzuschließen.

Der Schild besteht aus drei Hauptabschnitten mit einem aktiven Gelenk. Dadurch kann die minimal erforderliche Krümmung mit einem Radius von 1.000 Fuß erreicht werden. Die Struktur und die Dichtungen sind für einen Druck von 72 psi (5 bar) ausgelegt.

Der Fräskopf mit 33,8 Fuß Durchmesser ist für Hartgestein konzipiert und vor Verschleiß geschützt. Es ist mit vierundsechzig 19-Zoll ausgestattet. Scheibenschneider für hohe Effizienz und Zuverlässigkeit unter den erwarteten Bedingungen.

Die Maschine ist mit einem Förderband im offenen Modus und einem Schneckenförderer im EPB-Modus ausgestattet, um den Mist von der Schneidkammer zum Tunnel-Mistförderer zu transportieren, der das Material zum Schacht transportiert. Das Gesicht kann bei Bedarf in weniger als 10 Minuten geschlossen werden.

Der Dualmodus hat für das Projekt einen echten Vorteil, da er den Bedarf an Sondenbohrungen und Vorinjektionen, die bei einer Single-Open-Mode-TBM erforderlich wären, erheblich reduziert. Die ausgewählte TBM ist in Abbildung 7 dargestellt.

Abbildung 7 – TBM im Herrenknecht-Werk im Januar 2022

Die TBM wird vom Startschacht aus gestartet und betrieben, der sich auf dem Hauptgelände am südlichen Ende des Projekts befindet. Es hat einen Durchmesser von 62 Fuß und eine Tiefe von 155 Fuß und wird im Bodenteil innerhalb einer Baugrubenstützwand aus überschnittenen Pfählen und im Fels mittels Bohr- und Sprengverfahren ausgehoben. Wenn der Schachtaushub das Niveau des Tunnels in einer Tiefe von 120 Fuß erreicht, wurden mit SEM ein 230 Fuß langer Starttunnel und ein 60 Fuß langer Endtunnel in zwei Schritten ausgehoben: Obervortrieb und Bank. Der Rest des Schachts wurde dann fertiggestellt, nachdem der Startstollen und der Endstollen ausgehoben waren. Der Boden des Schachts wurde verfüllt, und unter der Tunnelsohle wurde ein Graben angelegt, um den unteren Teil des Vertikalförderers zu installieren, wie in Abbildung 8 dargestellt.

Abbildung 8 – Die Installation des Startschachts während des TBM-Betriebs

Die TBM wurde an der Oberfläche vormontiert. Die 1.665 Tonnen schwere Maschine wurde in 82 Paketen geliefert. Durch die Vormontage an der Oberfläche war es möglich, größere montierte TBM-Abschnitte mit einem Gewicht von bis zu 375 Tonnen in den Schacht abzusenken, wie in Abbildung 9 dargestellt.

Abbildung 9 – 375-Tonnen-TBM-Frontschild mit dem 600-Tonnen-Raupenkran im Startschacht abgesenkt

Der Hauptstandort ist darauf ausgelegt, die notwendige logistische Unterstützung für den TBM-Betrieb bereitzustellen. Ein Raupenkran mit einer Tragfähigkeit von 350 Tonnen übernimmt die Tübbinge und die Dienstleistungen im Startschacht. Oben auf dem Schacht ist ausreichend Platz für die Lagerung von bis zu 60 Ringen, was mehr als einer Woche der voraussichtlichen TBM-Produktion entspricht.

Der TBM-Müll wird von einer Förderkette mit einer Geschwindigkeit von 1.250 Tonnen pro Stunde von der TBM transportiert. Der Schlamm wird mit einem vertikalen Becherwerk in den Schacht gehoben, wie in Abbildung 10 dargestellt.

Abbildung 10 – Mistfördersystem im Tunnel und Schacht

An der Oberfläche wird der Schlamm von einem Radialstapler auf eine Halde abgeworfen, die sich auf 15.000 Kubikmeter ansammelt, die voraussichtliche durchschnittliche wöchentliche Menge, die von der TBM ausgehoben wird.

Der Rest der Oberflächeninstallation umfasst eine Mörtelanlage, eine Stromverteilung, eine Wasseraufbereitungsanlage, Büros, ein Materiallager und eine Werkstatt. Der Hauptstartplatz ist in Abbildung 11 dargestellt.

Abbildung 11 – Luftbild des Hauptstandorts während der TBM-Montage

Anfang September 2022 wurde die TBM im Startstollen aufgestellt und in der zweiten Monatshälfte in Betrieb genommen. Um die Länge des ersten Tunnelvortriebs zu minimieren, werden zunächst nur drei Portale installiert. Das vierte Portal mit nicht wesentlichen Funktionen wird im Tunnel abgesenkt, sobald die TBM vorgefahren ist. Der Transport der Segmente im Tunnel erfolgt durch zwei in Abbildung 12 dargestellte Multi-Service-Fahrzeuge (VMS), die einen vollständigen Ring aus sieben Segmenten und einen Satz temporärer Dienste aufnehmen können, die im Tunnel installiert werden, um Flüssigkeiten, Belüftung usw. bereitzustellen Strom zur TBM.

Abbildung 12 – Vehicle Multi Service (VMS) für die Segmente Transport im Tunnel

Der Tunnelbau wurde im September 2022 begonnen und soll bis Ende 2023 abgeschlossen sein.

VP – Tunnel- und Tiefbau AECOM

Dr. Halim ist AECOMs Chefingenieur für Wassertunnel und verfügt über mehr als 31 Jahre Erfahrung in geotechnischen und unterirdischen Projekten in den USA, Kanada und im Ausland. Er hat Ingenieur- und Designdienstleistungen für große Wasser-/Abwasser- und Verkehrsbehörden in ganz Nordamerika erbracht. Zu den Fachkenntnissen von Irwan gehören die Planung und der Bau von bergmännischen und offenen Tunneln sowohl in weichem Boden als auch in hartem Gestein; TBM-getriebene, Bohr- und Spreng- und SEM-Ausgrabungen; Analyse der Wechselwirkungen zwischen Boden und Gestein; und Grundbau. Zu Irwans bisherigen Erfahrungen zählen große SEM-Projekte, große TBM-Tunnel und der Tunnelbau durch komplexe und gemischte Bodenverhältnisse.

Leitender TunnelingenieurGall Zeidler ConsultantsNew York, NY

Biografie: Dr. Vojtech Ernst Gall war an nationalen und internationalen Eisenbahn-, Autobahn-, Bergbau- und Wasserkrafttunnelprojekten beteiligt, die von tiefen Tunneln in alpinen Umgebungen bis hin zu flachen Tunneln in dicht besiedelten städtischen Umgebungen reichten. Er verfügt über Erfahrung sowohl im TBM- als auch im NATM/SEM-Bau für kleine und große Projekte. Dr. Galls besonderes Interesse gilt dem rechnergestützten Entwurf und der Planung von TBM-vorgetriebenen Tunneln, von der BIM-Technologie unterstützten Projektplanung und -steuerung bis hin zur numerischen und strukturellen Modellierung. Zusätzlich zu seinem technischen Fachwissen war Dr. Gall aktiv an der Organisation zahlreicher technischer Seminare und Veranstaltungen beteiligt. Dr. Gall ist Vorsitzender der Young Members-Gruppe der Underground Construction Association der Society for Mining, Metallurgy & Exploration (UCA of SME), Vorsitzender der UCA of SME-Arbeitsgruppe „Informationsmodellierung im Tunnelbau“ und aktiv Außerdem Mitwirkender in der Arbeitsgruppe 22 „Informationsmodellierung im Tunnelbau“ der International Tunnelling Association (ITA).

Technischer LeiterCBNA

Stephane Polycarpe verfügt über mehr als 33 Jahre weltweite und multidisziplinäre Erfahrung im Tunnelbau und bei großen Bauarbeiten am Kanaltunnel. Seine TBM-Kenntnisse umfassen die verschiedenen Luftplenum-, Erddruckausgleichs- (EPB) und Schlammmischschildmaschinen sowie Hartgesteinsmaschinen. Zu seinen Erfahrungen im Tunnelbau auf weichem, hartem und gemischtem Boden zählen das Einbringen von Vordachgewölben und -injektionen, Holzvortriebe, Bodenvereisung, Bohren und Sprengen, SEM-Ausgrabungen in Erde/Gestein und er verfügt über Erfahrung im Tunnelabbau. Im Jahr 2020 kam Stephane zu CBNA. als technischer Leiter für das Pawtucket-Tunnel-Projekt.