Wie lässt sich das Ausrichtungsproblem lösen, wenn ein Tunnel an beiden Enden gleichzeitig gebaut wird?

Produziert von | Wissenschaftspopularisierung China

Autor | Jing Bo (Geologieingenieur)

Produzent | Chinesische Wissenschaftsausstellung

Am 17. August wurde der Jiuwandashan-Tunnel Nr. 4 der Guinan-Hochgeschwindigkeitsbahn im Autonomen Kreis Huanjiang Maonan in Guangxi erfolgreich für den Verkehr freigegeben. Zu diesem Zeitpunkt wurden alle 108 Tunnel entlang der Guinan-Hochgeschwindigkeitsstrecke für den Verkehr freigegeben. Die im Bau befindliche Hochgeschwindigkeitsstrecke Guiyang-Nanning ist ein wichtiger Teil des Baotou-Haikou-Kanals, dem Hauptkanal der „acht vertikalen und acht horizontalen“ Hochgeschwindigkeitsstrecke meines Landes. Die geplante Geschwindigkeit beträgt 350 Kilometer pro Stunde und die gesamte Strecke soll Ende 2023 in Betrieb gehen.

Guinan-Hochgeschwindigkeitseisenbahnbrücke und -tunnel aus der Perspektive einer Drohnenkamera | Bildquelle: Nachrichtenagentur Xinhua

Durch den Bau von Verkehrsprojekten wie Chinas Hochgeschwindigkeitszügen und chinesischen Autobahnen ist China zum Land mit den meisten und komplexesten Tunnel- und Brückenprojekten der Welt geworden. Es wurden mehr als 20.000 Tunnel und über eine Million Brücken gebaut, darunter viele superlange Tunnel mit einer Länge von mehr als drei Kilometern. Wie also gelingt der Bau dieser oft mehrere zehn Kilometer langen Tunnel mit einer solchen Präzision?

Messung: Der Schlüssel zur Fertigstellung des Tunnels wie geplant

Die erfolgreiche Fertigstellung eines Tunnels ist das Ergebnis konzertierter Anstrengungen aller Abteilungen des gesamten Tunnelprojekts, einschließlich Untersuchung, Entwurf, Bau, Überwachung und Abnahme. Die Vermessungsabteilung ist für die Kontrolle der Genauigkeit der Lage und Form des Tunnelprojekts verantwortlich. Ob der Tunnel entsprechend der erwarteten Lage ausgehoben werden kann, ist zweifellos die Messung der Schlüssel zum Erfolg. Im Allgemeinen werden Tunnelmessungen in zwei Aspekte unterteilt: Ebene und Höhe, um die Lage des Tunnels sicherzustellen.

Die Vermessungsarbeiten beginnen bereits in der gesamten Projektvorbereitungsphase, und ab diesem Zeitpunkt muss die Vermessungsabteilung der Straßenplanungsabteilung die umgebenden Geländebedingungen der entsprechenden Route mitteilen. Davon hängt letztlich ab, ob ein Tunnel gebaut wird, wo sich die Tunnelöffnung befindet usw. Wenn die Tunnelplanungsphase abgeschlossen ist und die Bauphase beginnt, werden Messungen durchgeführt, bevor Erdarbeiten durchgeführt werden.

Das Bauteam richtet zunächst im Arbeitsbereich ein Vermessungskontrollnetz ein, das die Aufgabe hat, das nationale Vermessungs- und Kartierungskontrollnetz und die Vermessungs- und Kartierungskontrollpunkte im Arbeitsbereich zu verbinden, und bestimmt die Genauigkeit der Messergebnisse innerhalb des Arbeitsbereichs basierend auf der strukturellen Stärke des Baukontrollnetzes. Einfach ausgedrückt müssen vor dem formellen Bau einige spezielle Punkte rund um den Arbeitsbereich eingerichtet werden. Ihre Verteilung muss nicht nur den Anforderungen einer schnellen Messung im Arbeitsbereich gerecht werden, sondern auch möglichst wenig durch bauliche Maßnahmen beeinträchtigt werden. Diese Kontrollpunkte sind durch nationale Benchmarks verbunden, um ihre entsprechenden Positionen zu messen. Alle nachfolgenden Messarbeiten beginnen (Berechnung) und enden (Verifizierung) auf der Grundlage dieser speziellen Punkte.

Hochpräzise Messungen erfordern fortschrittliche Vermessungs- und Kartierungswerkzeuge

Nach der Einrichtung des Bauleitnetzes erfolgt die entsprechende Bauabsteckung. Das Anlegen ist dasselbe wie das Zeichnen von Linien mit Tinte durch Tischler oder das Markieren von Linien beim Dekorieren Ihres Hauses. Es handelt sich um eine Arbeit, die dem Bauteam bei der Durchführung der Bauarbeiten Orientierung bietet. Während des Tunnelaushubs ist es notwendig, die Aushubrichtung anzugeben und die Mittellinie und die Taillenlinie des Tunnels zu markieren. Damit sind die Grenzen des Tunnelbaus definiert, es gilt das sogenannte „Wo die Richtung ist, wird der Tunnel gebohrt.“ Aufgrund der besonderen Umgebung des Tunnels können elektromagnetische Wellen die dicken Felswände jedoch nur schwer durchdringen, sodass die in modernen Messungen am häufigsten verwendeten GPS-Messmethoden wie RTK (Echtzeit-Dynamische-Differenzial-Technologie) nicht eingesetzt werden können. Im Allgemeinen werden fotoelektrische Messgeräte wie Totalstationen zur Durchführung von Ebenen- und Nivelliermessungen verwendet.

Totalstation im Tunneleinsatz | Bildquelle: Autor

Die Totalstation basiert auf dem Prinzip, dass sich Licht geradlinig ausbreitet. Im praktischen Einsatz kann es durch den Einfluss von Staub im Tunnel zu Messfehlern kommen. Da die Bedienung des Instruments gleichzeitig vom Personal durchgeführt werden muss, lassen sich verschiedene Fehler theoretisch nicht vermeiden. Durch Mehrfachmessungen, Ausgleichsberechnungen und die rationelle Auslegung von Polygonnetzen oder Triangulationsnetzen, gepaart mit der Rechenleistung und der hochautomatisierten optischen Ausrüstung neuer Totalstationen, können jedoch schnelle Ausgleichsberechnungen durchgeführt werden. Moderne Totalstationen ersetzen den optischen Maßstab durch einen fotoelektrischen Abtastmaßstab und die manuelle optische Mikrometermessung durch eine automatische Aufzeichnung und Anzeige der Messwerte, sodass die resultierenden Fehler letztlich sehr gering sind und nur wenige Zentimeter oder Millimeter pro Kilometer betragen.

Die im Tunnelbau zunehmend eingesetzte und leistungsstärkere TBM (Tunnelbohrmaschine) ist mit einer Laserzielkorrektur ausgestattet, um sicherzustellen, dass die technischen Geräte wie geplant vorgehen können.

Was tun bei Fehlerhäufungen in superlangen Tunneln?

Wird der Bau superlanger Tunnel also dazu führen, dass sich mit zunehmender Kilometerzahl die Fehler häufen? Theoretisch kommt diese Situation tatsächlich vor, doch beim Bau sehr langer Tunnel steigen mit zunehmender Länge der technische Schwierigkeitsgrad und die Baukosten viel schneller an als die Rate, mit der sich die Messfehler anhäufen. Daher wird für den Bau die allgemeine Methode der langen Tunnel und kurzen Tunnel gewählt, d. h., in den Tunnel werden horizontale Tunnel, geneigte Schächte und vertikale Schächte gebaut, um den langen Tunnel in kurze Tunnel aufzuteilen. Ein solcher Bauplan erhöht zwar die Baukosten, hat aber auch den Vorteil, dass er die Tunnelbauzeit verkürzt und die Belüftungs- und Entwässerungsbedingungen während der Bauphase verbessert. Die während des Bauprozesses ausgehobenen vertikalen und geneigten Schächte können nach der Fertigstellung des Tunnels auch als Lüftungsschächte, Feuerdurchgänge, Wartungs- und Notdurchgänge dienen und so den Sicherheitsfaktor des gesamten Tunnels verbessern.

Beispielsweise hat mein Land den längsten Plateautunnel der Welt fertiggestellt – den Abschnitt der Qinghai-Tibet-Eisenbahn von Xining nach Golmud und den Guanjiao-Tunnel mit einer Gesamtlänge von 32,690 Kilometern (die Eingangshöhe des Tunnels beträgt 3380,75 Meter und die Ausgangshöhe 3324,05 Meter). Aufgrund der harten Baubedingungen wurde zur Anpassung an das Hochplateauklima die Schrägschacht-Luftkanaltechnik eingesetzt. Das heißt, der Bau des Haupttunnels wurde durch zehn Schrägschächte unterstützt, wodurch die Luftzufuhr erheblich gesteigert und die Anforderungen an den Bau von Strebbauwerken in großer Höhe, über große Entfernungen und mit mehreren Arbeitsgängen erfüllt wurden.

Schematische Darstellung des Baus der Guanjiao-Tunnellinie | Bildquelle: Autor

Darüber hinaus unterliegen die fertiggestellten Abschnitte im Zuge des Tunnelvortriebs einer Überwachung und messtechnischen Überprüfung. Sobald eine Abweichung von der geplanten Route festgestellt wird, wird diese sofort behoben, sodass der Tunnel schließlich wie geplant fertiggestellt wird – und zwar mit einer viel höheren Genauigkeit, als wenn man seine Zeigefinger zusammenlegt. Daher gibt es im modernen Tunnelbauprozess absolut keine Neuigkeiten über Tunnelumleitungen.

In der Vergangenheit wurden die beiden Enden des Tunnels nicht aufeinander abgestimmt.

Anders sähe es natürlich aus, wenn es keine entsprechenden Messprojekte gäbe. Als angewandte mathematische Technologie hat sich die Messtechnik mit dem Fortschritt der Computerwissenschaften und der optoelektromagnetischen Technologie extrem schnell entwickelt und die Technologie wird fast alle 10 Jahre aktualisiert.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts nutzten die Menschen noch immer Vermessungs- und Kartierungsinstrumente wie Theodolite, die bereits seit Jahrhunderten entwickelt worden waren. Ihre Vermessungseffizienz und -genauigkeit waren jedoch recht gering. Neben der Unreife der damaligen Tunnelbautechnologie war ein weiterer wichtiger Grund für den Tunnelbau die Schwierigkeit, die erforderliche Kontroll- und Messgenauigkeit zu erreichen. Daher war bei der frühen Streckenplanung eher eine längere Streckenführung als eine Tunnelkonstruktion vorgesehen. Daher war in der ersten Hälfte des letzten Jahrhunderts der Ausbau der Eisenbahn und der kurvenreichen Bergstraßen äußerst aktiv. Da diese beiden Formen des Bergsteigens zudem meist in steilen Bergen und tiefen Tälern stattfinden, ist ihre Umgebung wunderschön und majestätisch und stellt oft eine wichtige Landschaft dar. Mit der Entwicklung der Brücken- und Tunneltechnologie wird diese Art des Transports jedoch immer seltener und verschwindet allmählich.

Landschaft des Lewu-Abschnitts der Chengdu-Kunming-Eisenbahn | Bildquelle: Autor

Darüber hinaus können, wenn ein Tunnelbau unvermeidbar ist, offene und gedeckte Bauweisen zum Einsatz kommen oder Oberlichter einfach geöffnet werden. Die bekannteste davon ist die Mauerautobahn. Obwohl sein Name das Wort „Highway“ enthält, handelt es sich eigentlich um eine Art Tunnel. Obwohl bei diesen Methoden mehr Erde und Steine ​​verbraucht werden und die Baukosten steigen, ist ihre Korrektur relativ einfach und leicht durchzuführen und die Messanforderungen können mit sehr einfachen und grundlegenden Messwerkzeugen erfüllt werden.

Obwohl die Entscheidung, keinen Tunnel zu bauen, sowohl eine direkte Beobachtung der Oberfläche ermöglichen als auch den Bauaufwand bis zu einem gewissen Grad verringern kann, bringt sie für das Projekt selbst große Einschränkungen mit sich. Darüber hinaus verringert die ausschließliche Verwendung gerader Tunnellinien auch die Schwierigkeit des Eindringens ohne gute Messmöglichkeiten und die Toleranzrate ist relativ groß. In der Vergangenheit wurde beim Tunnelbau meist einseitiges Bohren verwendet, was zwar die Bauzeit verlängerte, jedoch das Problem des Tunnelandockens beseitigte. Alle oben genannten Methoden spielten im frühen Straßenbau eine wichtige Rolle.

Die an der Klippe hängende Straße in Jingdi wurde von Hand geöffnet, Messer und Axt nacheinander | Bildquelle: Autor

China hat im Infrastrukturbau eine Reihe unmöglicher Dinge in Angriff genommen. Chinesische Ingenieure haben bei der Lösung verschiedener schwieriger Probleme geforscht und bahnbrechende Fortschritte erzielt, was die Stärke und Ausdauer Chinas im Bereich der Infrastruktur deutlich unterstreicht.

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