TIMBY – neues Tunnelbaukonzept zur Querung von ... - Nodig-Bau.de

22 New Tunnelling Concept TIMBY Tunnel 6/2006
TIMBY – neues
Tunnelbaukonzept
zur Querung von
Wasserläufen
Karin Bäppler, W. Burger, P. Longchamp
Bei der Realisierung von Infrastrukturprojekten
in Ballungsräumen steht häufi g die
Ausführung unter den Vorzeichen, so geringe
Einschränkungen während der Bautätigkeit wie
möglich hervorzurufen. Im folgenden Beitrag
wird ein neues Konzept vorgestellt, das sich
dieser Herausforderung stellt.
1 Allgemein
Flüsse und Meerengen
schränken in Metropolen
oder Ballungsräumen die
Mobilität von Menschen und
Gütern ein und damit die
Wachstumsmöglichkeiten einer
Region. Sowohl Brücken
als auch Tunnel – maschinell
gebohrt oder in Absenkbauweise
erstellt – überwinden
diese Hindernisse und fördern
signifi kant die Entwicklung
von Stadt und Land.
Derartige Infrastrukturprojekte
stellen aber bekanntlich
auch immer Herausforderungen
in technischer,
fi nanzieller und ökologischer
Hinsicht dar. Mit TIMBY (Tunnel
IMmersed BY Bouygues)
präsentiert Bouygues Tra-
Dipl.-Ing. Karin Bäppler, Vertrieb,
Herrenknecht AG, Schwanau/D
Dipl.-Ing. Werner Burger,
Herrenknecht AG, Schwanau/D
Pierre Longchamp, Bouygues
S. A.
veaux Publics zusammen mit
Herrenknecht AG ein neues
Konzept, das sich diesen
Herausforderungen stellt. Im
folgenden Beitrag soll gezeigt
werden, welche innovativen
Lösungsmöglichkeiten TIMBY
auf der Basis bekannter und
bewährter Maschinentechnik
bietet.
1 Start der Maschine aus dem gefl uteten Koff erdamm heraus mit
Ballastierung der zuletzt gebauten Tübbingringe
1 Start of the TIMBY machine from the fl ooded coff erdam with ballast
wagon on top of the fi rst three segment rings
TIMBY – new
Tunnelling Concept
for Crossing
Watercourses
Karin Bäppler, W. Burger, P. Longchamp
During the realisation of infrastructural
projects in built-up areas, it is essential that as
few inconveniences as possible result
during the execution phase. The following
article presents a new concept, which faces up
to this challenge.
1 General
Rivers and straits limit mobility
and in turn, growth especially
in densely populated areas.
Bridges and tunnels – built
as immersed tubes or bored by
mechanised means – overcome
these restrictions, therefore they
represent a key element for the
further development of a region.
However, such infrastructural
projects present a signifi
cant challenge under
technical, economical and environmental
aspects. Bouygues
Traveaux Publics together with
Herrenknecht AG are presenting
a new concept to overcome
these challenges in the shape
of TIMBY (Tunnel IMmersed BY
Bouygues). The following article
describes the innovative nature
of the TIMBY concept, which is
nonetheless based on tried and
tested engineering technology.
2 TIMBY –
a new Alternative
The design of TIMBY technology
for the tunnel cross-section
described here is based on the
idea of a DOT shield (Double-
Dipl.-Ing. Karin Bäppler,
Marketing, Herrenknecht AG,
Schwanau/D
Dipl.-Ing. Werner Burger,
Herrenknecht AG, Schwanau/D
Pierre Longchamp,
Bouygues S.A.

Tunnel 6/2006 Entwicklung Development
23
2 TIMBY –
Eine neue Alternative
Das Design der Technologie
für den hier beschriebenen
Tunnelquerschnitt folgt im
Wesentlichen dem einer
DOT-Schildmaschine (Double-
O-Tube) und wurde durch
Bouygues TP entwickelt. Die
eigentliche Maschine, entwickelt
von der Herrenknecht
AG, besteht aus Schneidenschuss,
Mittelschuss und
Schildschwanz mit jeweils
separatem Equipment wie
z. B. den Abbauarmen und
Erektoren. Ebenfalls separat
vorhanden sind die Nachläuferkonstruktionen
mit jeweils
eigener Versorgungslogistik
für beide Röhrenhälften
des Tunnels. Das
Maschinenkonzept kann ne-
ben der hier beschriebenen
Auslegung des Tunnels als DOT
auch an andere Querschnitte
wie z. B. kreisrunde oder elliptische
Einzelröhren angepasst
werden.
Bis die Maschine mit dem
Vortrieb beginnen kann, sind
beim TIMBY-Bauverfahren die
Dredging-Arbeiten und das
Einebnen des Sohlbetts mit
den entsprechenden Arbeiten
der Schwimmkastenbauweise
weitgehend vergleichbar. Allerdings
eröffnet das neue
Maschinenprinzip mit der
Technik eines aktiven Abbaus
der Sohle je nach Beschaffenheit
des Untergrunds auch die
Möglichkeit, den Umfang dieser
vorgängigen Dredging-
Arbeiten deutlich zu reduzieren.
Wenn damit im Einzelfall
die Tiefe des notwendigen
2 Schild mit Abbauarmen zur Sohlnivellierung und zum Abbau des
Bodenmaterials
2 TIMBY machine with cutter arms to level the invert and excavate the
ground
O-Tube) and was developed by
Bouygues TP. The machine, developed
by Herrenknecht AG,
consists of a front shield, centre
shield and tailskin all with sepa-
rate equipment such as cutter
booms and erectors. The TIMBY
concept can also be applied to
other cross-sections such as circular
or elliptic tunnel tubes.

24 New Tunnelling Concept TIMBY Tunnel 6/2006
Aushubs verringert werden
kann, bietet sich hierdurch
insbesondere bei den im
Unterwasserbereich benötigten
fl achen Seitenböschungen
ein durchaus bedeutendes
Einsparungspotenzial. Nicht zuletzt
kann dies auch aus ökologischer
Sicht von Vorteil sein.
Nachdem ein Graben auf
der Seite des Startschachtes
ausgebaggert wurde und der
Kofferdamm erstellt wurde
(ein System, das im Wasser
des Uferbereichs einen von
oben zugänglichen trockenen
Bereich auf dem Flussbett
schafft), wird die TIMBY-
Schildmaschine montiert. Anschließend
wird der Kofferdamm
gefl utet und geöffnet,
sodass die Maschine ihren
Vortrieb in Richtung des
Zielschachtes am gegenüberliegenden
Ufer aufnehmen
kann. Um den Auftriebskräften
in dem noch nicht ballastierten
Bereich (siehe Abschnitt
2.3, Ballastierung durch Sohlschüttung)
entgegenzuwirken,
wird ein der Schildmaschine
folgender Ballastwagen außen
auf den jeweils zuletzt gebauten
drei Ringen nachgezogen
(Bild 1).
2.1 Abbaumechanik
Im Schneidenschuss befi ndet
sich die Abbaumechanik.
Sie besteht aus zwei Auslegerarmen,
an deren Armenden
je ein Schrämmkopf montiert
ist. Sie ähneln denen,
die in der Saugbaggerei eingesetzt
werden und dienen
hier dem Materialabbau bzw.
der Sohlnivellierung. Für das
Schwenken der Auslegerarme
quer zur Vortriebsrichtung
sind je zwei Schwenkantriebe
vorgesehen und für das Kippen
längs der Vortriebsrichtung je
zwei Kippzylinder. Das überschüssige
Material wird entweder
zur Seite geschoben
oder abgesaugt und durch den
Schild hydraulisch zur Seite
gefördert.
Der Schneidenschuss wird
in Vortriebsrichtung durch eine
Tauchwand begrenzt. Gegen
die Vortriebsrichtung wird
der Schneidenschuss durch
die Druckwand zum Mittelschuss
und damit zum atmosphärischen
Bereich abgegrenzt.
Zwischen Tauch- und
Druckwand kann ein Luftpolster
aufgebaut werden, um
den Auftrieb des Frontschilds
zu beeinfl ussen sowie einen
Arbeitsraum für Wartungszwecke
zu schaffen.
Durch im Mittelschuss eingebaute
Vortriebspressen werden
die Vortriebskräfte in den
zuletzt gebauten Ring eingeleitet.
In Bereichen geringer
Wasserüberdeckung reduziert
sich allerdings die Längskraft
auf die Druckwand und damit
auch die Vortriebskraft.
Hier ist es zusätzlich möglich,
den Schild über Zuglitzen
zum Portal hin zurückzuspannen.
Damit kann auch in
diesen Situationen die zum
Ringbau notwendige Mindestvortriebskraftaufrechterhalten
werden. In der Schildstruktur
sind großvolumige
Ballasttanks vorgesehen, durch
deren individuelle Flutung sowohl
der Auftrieb reduziert
werden kann als auch durch
Schwerpunktverlagerung die
Maschinensteuerung unterstützt
werden kann.
An der Druckwand sind
Schleusensysteme angebracht.
Sie ermöglichen den Zugang
zum Abbauraum für notwendige
Inspektions- und Wartungsarbeiten.
Zu diesem
Zweck können die Abbauarme
in eine Serviceposition in einen
Luftpolsterraum hinter
der Tauchwand geschwenkt
werden. Damit können Wartungsarbeiten
in der Abbaukammer,
z. B. an den Abbauarmen,
unter Druckluft durchgeführt
werden (Bild 2).
Die Abdichtung des Schildes
zum Tunnelaußendurchmesser
erfolgt – ähnlich einem TBM-
Prior to the start of the tunnelling
with TIMBY, dredging
work on the riverbed has to be
carried out in order to level it.
These operations are to some
extent comparable to those required
for immersed tube tunnels.
The potential of the active
excavation with TIMBY technology
on the other hand, depending
on the ground conditions
enables dredging work to be
reduced in some cases. The reduction
of the required depth
of the underwater trench is a
signifi cant advantage especially
taking the shallow side ramps
needed in underwater conditions
into account. This can be
a very important aspect under
both economic and ecological
considerations.
After the starting shaft has
been excavated and a coff erdam
built (a system that produces a
dry area on the river bed accessible
from above close to the river
bank), the TIMBY machine can be
assembled. After this the chamber
is fl ooded and the machine
can start advancing towards the
target shaft on the opposite bank.
To compensate the buoyancy
forces until the invert fi ll is complete
(please also see 2.3 Invert Fill)
a ballast wagon is pulled directly
behind the tailskin acting on the
three tunnel rings that were last to
be assembled (Fig 1).
3 Einbau des ersten Tübbingsegmentes (Y-Segment)
3 Installation of the fi rst segment (Y-segment)
2.1 Excavation Mechanism
The excavation mechanism
is located in the front shield. Two
cutting booms with roadheaders
similar to the ones applied for
dredging excavate and level
the invert. The movement of
the booms is actuated with hydraulic
cylinders. The excess excavated
muck can be pushed to
the side either by the cutter arm
movement or is pumped through
a suction line behind the shield.
A pressure bulkhead in the
front shield separates the excavation
area from the atmospheric
rear section of the machine
and tunnel. In front of this bulkhead
a submerged wall is installed,
creating the potential for an
air bubble in order to adjust the
weight of the front part of the
machine and also to park and
ease cutter maintenance.
Thrust cylinders in the centre
shield transfer the longitudinal
forces into the segments.
In conditions with only partial
or low water cover the pressure
on the bulkhead is low creating
only small thrusting forces.
Under such conditions it is possible
to tie back the machine
using a tensioning device fi xed
at the tunnel walls in order to sustain
the minimum thrust necessary
for steering and ring erection.
Large ballast tanks are incorporated
in the shield structure,

Tunnel 6/2006
Schild – über eine Schildschwanzdichtung.
Der Ringspalt
zum Tübbing wird im
Sohlbereich permanent durch
den Schildschwanz verpresst,
um eine sichere Sohlbettung
der Tunnelröhre zu erreichen.
Die Tunnelsicherung besteht
aus vorgefertigten Stahlbeton-
Tübbingen, wie sie aus dem
Schildvortriebsverfahren bekannt
sind. Die Ringsegmente
werden gemäß einem vorab
defi nierten Ablauf eingebaut.
Im Endzustand nach
der Einschüttung entspricht
die Bettungssituation der Tunnelröhre
dann im Wesentlichen
der eines Absenktunnels. Im
Bauzustand allerdings ist beim
TIMBY-Verfahren die Tunnelröhre
nur in der Sohle gebettet.
Daraus ergeben sich
im Vergleich zum konventionellen
Tübbingvortrieb besondere
Anforderungen an
Tübbingstatik und Verschraubung.
2.2 Ringbau und
Vorspannung
Für den Ringbau liegen die
vorgefertigten Tübbinge in
Warteposition auf dem Nachlaufsystem.
Von dort werden
sie mithilfe eines Krans zur
Übergabestation gebracht. Die
Segmente werden um 90° gedreht
und von einem Erektor
(Tübbingversetzgerät) aufgenommen.
Dessen Kinematik
erlaubt das präzise Versetzen
der zum Teil unterschiedlich
geformten Segmente der
DOT-Röhre. Die Dichtsysteme
zwischen den einzelnen Tunnelsegmenten
entsprechen im
Wesentlichen denen eines wasserdichten
Tübbingausbaus
beim bekannten maschinellen
Tunnelvortrieb. Um aber die
hier erhöhten Anforderungen
an die Dichtheit der Fugen zu erfüllen,
sind Doppeldichtungen
vorgesehen.
Der in Vortriebsrichtung
rechte Erektor nimmt als Erstes
das Y-Segment auf, das
Development
which can be fl ood-ed individually.
This enables the machine’s
centre of gravity to be moved to
support alignment control and
contain the uplift forces.
A man lock system is incorporated
in the bulkhead. This
allows access to the air bubble
behind the submerged wall in
the pressurised excavation area.
For service purposes, the cutter
booms can be rotated in this air
bubble chamber where for example
the tools can be checked
or changed under compressed
air conditions (Fig. 2).
A tailskin seal is used to seal
the shield against the tunnel external
diameter – in similar fashion
to a TBM shield. The annular
gap with the segment is
constantly grouted in the invert
by the tailskin to ensure a reliable
support for the tunnel.
The tunnel is built using precast
concrete segments comparable
to mechanised shield
tunnelling. The segments are installed
in keeping with a predefi
ned sequence. The situation for
the fi nal tunnel after backfi lling
the outside is comparable to a
normal immersed tube situation.
During the tunnel’s construction
phase the segmental lining is
only supported in the invert area.
These special conditions compared
to normal segmental tunnel
liners have to be considered
for segment design (joints) and
structural calculation.
2.2 Ring Erection and
Pre-tensioning
For ring erection one set
of segments is stored on the
back-up system. A segment
hoist transfers the individual
segments to a transfer station
where they are rotated by 90°
and transferred to the erector.
The erector picks up the segments
and builds a complete
ring inside the TIMBY machine’s
tailskin. The erector’s kinematics
allows the individual segments
of the DOT tunnel to be positioned
precisely. The segment

26 New Tunnelling Concept TIMBY Tunnel 6/2006
mittig in der Sohle eingebaut
wird. Jedes versetzte Segment
wird mit Stahlankern mit dem
zuvor eingebauten Ring verschraubt,
bis die rechte Hälfte
des Rings komplett montiert
ist. Der in Vortriebsrichtung
links positionierte Erektor
ist für die Installation der linken
Tunnelhälfte analog zur
rechten Röhre vorgesehen.
Nachdem das obere Y-Segment
eingebaut ist, wird mittig
die vertikale Trennwand gestellt.
Logistik, Mechanik und
Kinematik des Ringbaus selbst
entsprechen weitgehend den
aus konventionellen Schildvortrieben
bekannten Gegebenheiten
und können somit
auf bewährte Lösungen zurückgreifen
(Bild 3).
Die Tübbinge werden in der
Ring- und in der Längsfuge
verspannt. Das Verspannen
der Ringfugen (Längsrichtung
des Tunnels) erfolgt mit dem
bekannten System der Durchverspannung.
Das Verspannen
der Längsfugen (Umfangs-
richtung des Tunnels) erfolgt
wiederum durch das Einziehen
von hydraulisch vorgespannten
Spannlitzen. Das System besteht
aus vier Litzen, die eine
offene Schleife vom oberen Y-
Tübbing bis zum Sohltübbing
bilden. Die Litzen werden vorab
auf dem Nachläufer konfektioniert
und mit Hilfsgeräten
unter Verwendung eines Führungsseils
eingezogen und hydraulisch
vorgespannt (Bild 4).
2.3 Ballastierung durch
Sohlschüttung
Der erstellte Tunnelabschnitt
muss mit einer Sohlschüttung
ballastiert werden, um die
Auftriebskraft auszugleichen.
Nach jedem dritten Ring werden
deshalb ein L-Stein als
stirnseitige Begrenzung in
der Tunnelsohle installiert und
die Kammer zwischen zwei L-
Steinen aufgeschüttet. Das
Verfüllmaterial wird von außen
zugeführt und mit einem
Verteilband in Lagen in der
Sohle eingebaut und verdichtet.
Der Einbauort befi ndet
sich unmittelbar hinter der
Schildmaschine, um die Röhre
direkt nach dem Verlassen des
Schildschwanzes zu ballastieren.
Alternativ können hier
auch im Falle einer verbleibenden
Sohlschüttung sonstige
Einbauten in der Sohle, z. B.
Rohre oder Kabelschächte,
vorgenommen werden. Diese
vorderste Tunnelzone befi ndet
sich dazu noch unmittelbar
nach Verlassen des
Schildschwanzes auch im
Wirkbereich des oben laufenden
Ballastwagens (Bild 1).
Auch bei noch unvollständiger
Sohlverfüllung ist dadurch der
Tunnel gegen Aufschwimmen
gesichert (Bild 5).
2.4 Vorschieben des
Nachläufers
Nachdem ein weiterer
Kammerabschnitt des Sohlbereichs
verfüllt und verdichtet
wurde, können die Laufkräne
im Innern des Nachläufers
die neuen Hilfsgleise verlegen.
Der gesamte Nachläufer
kann um drei Ringe nach vorne
gezogen werden. Hiermit
ist ein Arbeitszyklus beendet.
Dieser Ablauf wiederholt sich,
bis TIMBY den Zielschacht erreicht.
seals are comparable to designs
commonly used for watertight
segmental linings in regular
closed mode TBMs. Two rows
of segment seals are provided
to ensure the joints are tight.
The erector on the righthand
side starts fi rst with the
Y-segment and places it in the
centre of the invert. Each segment
is bolted to the previous
ring using consecutive steel
bars, until the right half of the
ring has been completely assembled.
After the upper Y-segment
has been installed the central
support element is erected
to complete the DOT ring. The
total logistics and mechanics
of the ring erection processes
only vary slightly from the familiar
procedures applied for re-
5 Ballastierung der Tunnelsohle mit Auff üllmaterial über Längs- und
Querförderbänder
5 Ballast fi ll in the tunnel invert using belt conveyor systems
4 Permanente Verspannung der Längsfugen mit Spannlitzen
4 Permanent pre-stressing of the longitudinal joints with steel cables
gular shield tunnelling and consequently
can be based on tried
and tested solutions (Fig. 3).
The segments are prestressed
in both a longitudinal
and circumferential direction.
The pre-stressing of the circumferential
joint (longitudinal direction)
makes use of the established
solution of consecutive steel
bars. The pre-stressing of the longitudinal
joints (circumferential
direction) is realised by means
of hydraulically tensioned steel
cables. This tensioning system
consists of four cables forming
an open loop from the invert
Y-segment to the upper Y-segment.
The tension cables are prepared
in the gantry area. They are
put in place by using an auxiliary
tow cable and pre-stressed with
hydraulic cylinders (Fig. 4).
2.3 Ballast with Invert Fill
The completed tunnel section
has to be ballasted with invert
fi ll to compensate for the
buoyancy forces. Therefore an
L-shaped precast element is
installed in the tunnel invert
every three rings, creating the
front wall of a chamber that can
be fi lled immediately after the
completed tunnel ring emerges
from the tailskin. The fi ll material
is supplied from outside and
put in place using a conveyor
belt system. The fi ll is installed in
single layers, each of them compacted.
In cases where this invert

Tunnel 6/2006
2.5 Fertigstellen des
Bauwerks
Nachdem die Röhre im vorbereiteten
Bett auf dem Flussgrund
vorangetrieben wurde,
wird sie vergleichbar einem
Absenktunnel eingeschüttet
und erhält damit ihre endgültige
Bettung und Schutz gegen
äußere Einwirkungen.
3 Argumente für
TIMBY
Scheidet der Bau einer
Brücke oder eines gebohrten
Tunnels aus, da z. B.
aus Platzgründen längere
Auffahrrampen nicht realisiert
werden können, bietet sich
TIMBY als Alternative an: Die
Zufahrt zu einem TIMBY-Tunnel
kann vergleichsweise Platz sparend
gebaut werden. Ebenfalls
im Uferbereich werden gegenüber
der Absenkbauweise
eines Tunnels die Dockanlagen
und die Anlagen zur Fertigung
der Caissons eingespart. Weiterhin
ermöglicht TIMBY als
kontinuierliches Verfahren eine
nicht unbedeutende Verkürzung
der Bauzeit. Da bei
diesem Verfahren das Einschleppen
und Setzen von
Caissons entfällt, reduzieren
sich außerdem die Störungen
des Schiffsverkehrs deutlich.
Dies gilt umso mehr, als für
den TIMBY-Tunnel in der Regel
weniger vorgängige Baggerarbeiten
an der Trasse durchgeführt
werden müssen.
In der Summe stellt TIMBY
eine attraktive Alternative zu
den bekannten Möglichkeiten
dar, Infrastrukturlösungen zu
schaffen, die notwendige Querungen
von Flüssen oder Meerengen
ermöglichen. Je nach
Ausgangssituation und Anforderungen
kann TIMBY Antworten
in Aussicht stellen auf
Fragen, die von Brücken, gebohrten
oder abgesenkten
Tunnelbauwerken nicht oder
nicht zufrieden stellend beantwortet
werden können.
Development
fi ll is permanent, drain tubes, cable
channels or other installations
can also be placed in this area.
This invert fi ll area is also the section
where the ballast wagon on
top of the tunnel tube is located
to provide compensation for the
uplift even at the very beginning
of the invert fi ll procedure (Fig. 5).
2.4 Advancing the Back-up
After one invert fi ll chamber
has been completed, new auxiliary
rails for the gantry wagons
can be installed and the entire
back-up can be moved forward
by three rings. This process fi -
nalises one cycle and is repeated
until the TIMBY machine
reaches the target shaft.
2.5 Completing the Tunnel
After the tunnel tube has
been erected in the excavated
trench on the riverbed, the tube
is backfi lled in similar fashion to
an immersed tube tunnel creating
the fi nal cover and protection
against outer impacts.
3 Why use TIMBY?
If for example due to local
space restrictions a bridge
or bored tunnel is not an option
because it requires longer
ramps, TIMBY could be an interesting
alternative. The access
ramps can be shorter and a
large construction space for dry
docks is not necessary. As a continuous
process, the TIMBY concept
considerably shortens the construction
time. Furthermore the restrictions
for ongoing ship traffi c
are signifi cantly less compared to
a classical immersed tube which
involves placing the caissons and
more extensive dredging work.
Considering all aspects, TIMBY
represents an interesting alternative
to existing possibilities for
creating infrastructural solutions
for river and strait crossings.
Depending on the starting situation
and requirements TIMBY
can give rise to opportunities,
which bridges, bored or immersed
tunnels cannot provide.