„Caterpillar“-Schacht spart Kohlenstoff und Platz auf dem HS2-Gelände im Westen Londons

May 26, 2023

Der Aushub des ersten „Raupenschachts“ Großbritanniens für ein Schlüsselbauwerk der High Speed ​​2 in London ist im Gange.

Der Bahnhof Old Oak Common im Westen Londons wird nach seiner Eröffnung zu einem der wichtigsten Verkehrsknotenpunkte des Landes werden. Es wird über 14 Bahnsteige verfügen – sechs für Hochgeschwindigkeitszüge 2 (HS2) und acht für andere Schienenverkehrsdienste.

Die Bauarbeiten schreiten voran, so dass es fertig sein kann, wenn HS2 Phase 1 irgendwann zwischen 2029 und 2032 abgeschlossen ist.

Derzeit schreiten auch die Ausgrabungen einer wichtigen unterirdischen Struktur für die Ein- und Ausfahrt der Züge am Bahnhof voran. Es ist als Victoria Road Crossover Box (VRCB) bekannt, liegt einige hundert Meter westlich des Bahnhofs und gilt als erstes britisches Design.

Dadurch können HS2-Züge die Gleise wechseln, wenn sie sich dem Bahnhof Old Oak Common nähern oder ihn verlassen. Zwei Gleise, eines für jede Richtung, verlaufen diagonal über VRCB und kreuzen sich.

Von oben betrachtet ähnelt das Design des VRCB der Form einer Raupe mit fünf sogenannten „Blasen“ und ist damit der erste Raupenschacht, der im Vereinigten Königreich ausgegraben wurde.

Design House – bestehend aus Arup, Typsa und Strabag – ist VRCBs Konstruktionsingenieur und Skanska Costain Strabag Joint Venture (SCS JV) ist der Hauptauftragnehmer, der die Arbeiten im Rahmen seines 3,8-Milliarden-Pfund-Vertrags für HS2 liefert, der den Bau der Tunnel des Projekts umfasst in London. Der Subunternehmer Züblin baut die Schlitzwand.

VRCB bietet zusätzliche Flexibilität, da es den Zügen ermöglicht, die Gleise zu wechseln, wenn eine der Röhren für den 13,5 km langen Northolt-Tunnel westlich der Box oder die beiden 360 m langen SCL-Tunnel (Spritzbetonauskleidung) östlich zum Bahnhof Old Oak Common geschlossen werden für die Wartung.

Die Struktur hilft, die Tunnel zu kühlen und zu belüften, da die Box zum Himmel hin offen bleibt, sodass die Luft zirkulieren und die Umgebungstemperaturen sie abkühlen können. Es wird auch für den Start einer der beiden Tunnelbohrmaschinen (TBMs) verwendet, die für den Vortrieb des östlichen 5,5 km langen Abschnitts des Northolt-Tunnels verwendet werden.

Kate Hall, Direktorin für Großprojekte bei Arup, sagt, Raupenschachtaushub sei bereits in Hongkong, Singapur und Brasilien eingesetzt worden. In Hongkong wurde ein 500 m langer raupenförmiger Schacht mit 15 „Blasen“ für den Bau der Unterwasserstraßenverbindung von Tuen Mun nach Chek Lap Kok ausgehoben. In Brasilien wurde während des Baus der U-Bahn-Linie 5 eine mit fünf Blasen am Bahnhof Brooklin in São Paulo ausgegraben.

Laut Hall ist VRCB „in den Abmessungen und der geometrischen Definition sehr ähnlich“ dem in São Paulo.

Sie gibt an, dass Raupenschächte überwiegend als temporäre TBM-Startschachtstrukturen verwendet wurden, im Gegensatz zu VRCB, bei dem es sich um eine permanente Struktur handeln wird, „die ein anderes Maß an Zuverlässigkeit und Design erfordert“.

Der Referenzentwurf von HS2 umfasste den Bau eines 250 x 33 m großen rechteckigen Kastens mit einer 47,5 m tiefen und 1,8 m dicken durchgehenden Schlitzwand aus Stahlbeton. Es verfügte über drei Strebenebenen – 16 auf jeder Ebene – und 250 Spannpfähle mit einem Durchmesser von 1,8 m, die bis in eine Tiefe von 40 m reichten.

In der Anfangsphase des Entwurfs wurde ein Optioneering-Prozess durchgeführt, um mögliche Verbesserungen am Referenzentwurf zu ermitteln.

„Es gab mehr als 30 verschiedene Konzepte für das Design des VRCB, obwohl wir uns schnell auf mehrere Variationen des Raupendesigns konzentrierten, da wir erhebliche Vorteile gegenüber dem traditionelleren rechteckigen Kasten fanden“, sagt Hall.

„Das Schöne an dieser Raupenstruktur ist ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber seitlichem Druck, hauptsächlich durch horizontale Ringkräfte, die durch die gewölbte Form der Schlitzwandplatten entstehen.

„Dadurch wird ein eng beieinander liegendes Verstrebungssystem vermieden, das bei einer herkömmlichen rechteckigen geraden Schlitzwandanordnung erforderlich ist.“

Das Schöne an dieser Raupenstruktur ist ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber seitlichem Druck, hauptsächlich durch horizontale Reifenkräfte

Die Reifenkräfte werden auf die Stützelemente übertragen, wo jede Blase mit ihrer Nachbarblase verbunden ist. Die Strebepfeiler verlaufen vertikal und werden von Kopf- und Zwischenstützen sowie Querwänden unter der Bodenplatte getragen.

Laut Hall erzeugt diese Konstruktion Druckkräfte auf den Stahlbeton, was die effizienteste Art ist, mit diesem Material zu arbeiten.

Nach mehreren Optimierungsrunden verfügt das endgültige Design über eine deutlich kleinere Crossover-Box als das Referenzdesign. VRCB ist 128 m lang, 35 m breit, 25,5 m tief und besteht aus fünf Blasen.

Die umlaufende Schlitzwand besteht aus 168 1,85 m breiten und 35 m tiefen Paneelen.

Die vertikalen Strebepfeiler sind 1,5 m breit und erreichen eine Tiefe von rund 34 m. Sie haben eine Y-Form mit zwei Flügelverstärkungskörben an den Seiten und einem Hauptverstärkungskorb in der Mitte.

Die vier rechteckigen Betonstützen oben, die die Spitzen der einzelnen Stützpfeiler verbinden, sind 2 m breit und 1,5 m tief, während die vier Zwischenstützen – 12,65 m unter der Erde – 2,25 m breit und 2,25 m tief sind. Alle Requisiten sind ca. 32 m lang.

Das Risiko einer Überlastung des Geländes durch Stützen wurde eliminiert

Die Endblasen sind etwa 9 m länger als die inneren und haben eine 2 m dicke Bodenplatte, doppelt so dick wie die Bodenplatte der inneren Blasen. Der Grund für die dickeren Bodenplatten der äußeren Blasen liegt laut SCS-JV-Subagent Jan Schumacher darin, dass sie bei höheren dynamischen Belastungen stärker beansprucht werden, weil sie die Tunnelöffnungen aufnehmen müssen.

Das Ausbruchprofil der eiförmigen Tunnelöffnungen ist etwa 12,2 m breit und 10,7 m hoch.

Die erste TBM für den Northolt-Tunnel wird vom Inneren der westlichsten Blase aus gestartet.

Ein 50 m langer SCL-Tunnel wird die westlichste Blase mit dem Victoria Road Ancillary Shaft verbinden, wo die zweite TBM nach der Montage im VRCB gestartet wird.

Dieser Schacht hat einen Innendurchmesser von 25 m und dient der Belüftung und dem Notzugang zu den Tunneln, wenn HS2 in Betrieb ist.

Der vordere Teil der zweiten TBM wird direkt in den Nebenschacht gehoben, während die anderen Teile in die Crossover-Box gehoben und durch den SCL-Tunnel geschoben werden.

Die östlichste Blase wird durch zwei 360 m lange SCL-Tunnel mit einer maximalen Höhe von 12 m und einer Breite von 14 m mit der Old Oak Common Station verbunden.

Über den Tunnelöffnungen im Raupenbauwerk wurden Betonmanschetten in einer Höhe von 2,25 m errichtet. Ihre Breite variiert und beträgt maximal 4,5 m. Sie helfen bei der Verteilung der Ringspannungen rund um die Tunnelöffnungen.

Die Art und Weise, wie horizontale Reifenkräfte in dieser Struktur verteilt werden, hat eine Reduzierung der VRCB-Länge um 49 % im Vergleich zum ursprünglichen Design ermöglicht. Die Anzahl der Spannpfähle wurde um 69 % auf 77 reduziert, was auf die kleinere Grundfläche des Kastens und die Einführung eines Entwässerungssystems unter der Bodenplatte zurückzuführen ist, das Auftriebskräfte und Bodenhebedrücke reduziert.

Die geringere Anzahl an Pfählen und die geringere Grundfläche, die sich aus der Designänderung ergaben, trugen wesentlich zu einer Reduzierung des für VRCB benötigten Betonvolumens von 100.000 m3 auf 57.000 m3 bei.

Schumacher fügt hinzu, dass aufgrund des geringeren Materialbedarfs der CO2-Fußabdruck dieses Teils des Projekts mit einer Reduzierung des verkörperten Kohlenstoffs um 42 % auf 40.490 t CO2e gesenkt werden konnte.

Baulich betrug das Aushubvolumen des Raupenschachts 183.000 m3, deutlich weniger als die 300.000 m3, die für den rechteckigen Verteilerkasten im Referenzentwurf benötigt worden wären.

Ein weiterer Vorteil einer kleineren Struktur besteht darin, dass mehr Land für zukünftige Entwicklungen frei wird.

Laut Hall wurde auch die Sicherheit vor Ort verbessert. „Das Risiko einer Überlastung der Baustelle durch Stützen wurde beseitigt und die Aushubausrüstung konnte uneingeschränkt arbeiten. Durch den Wegfall der Stützebenen können auch alle damit verbundenen Aktivitäten schnell verfolgt werden“, fügt sie hinzu.

SCS begann im Januar 2021 mit den dauerhaften Arbeiten vor Ort. Laut Schumacher begann das Team mit der Installation der 77 Spannpfähle, die einen Durchmesser von 1,2 m und eine Tiefe von 40 m haben. Im August 2021 wurde mit dem Bau der Schlitzwand begonnen.

Die größte technische Herausforderung für das Projektteam war die Geometrie der Schlitzwand.

„Vor allem der Schlitzwandbau ist eine Herausforderung. „Alle Winkel betragen nicht wie üblich 90°“, sagt Schumacher.

Die Arbeiten an der Schlitzwand begannen mit der Installation einer Arbeitsplattform und Leitwänden, gefolgt von der Herstellung der Schlitzwandelemente.

Die Schlitzwände wurden in mehreren Stichen mit einem hydraulischen Greifer ausgehoben. Für jede Platte waren drei Stiche erforderlich, wobei der Boden mit Bentonitschlamm gestützt wurde.

Anschließend wurden Stahlkäfige eingesetzt und die Bentonitschlämme durch Beton ersetzt.

Die Bewehrungskörbe für die acht Strebepfeiler wurden auf einem Gelände gegenüber dem VRCB hergestellt. Für jeden Stützpfeiler wurden ca. 87 t Stahl und 500 m3 Beton verwendet.

Der Bau der Schlitzwände wurde vor einem Jahr abgeschlossen und der Abschlussbalkenbau folgte.

Die Ausgrabungsarbeiten begannen kurz darauf und sind gut vorangekommen, da sie aus London Clay bestehen, was das Graben relativ einfach macht. Der Einbau der Zwischenstützen wurde im Mai abgeschlossen.

Die Endblasen werden bis zu einer Tiefe von 25,5 m unter der Erde ausgehoben, die inneren Blasen bis zu einer Tiefe von 24,5 m. Der Aushub der westlichsten Blase hatte Vorrang, da sie im Herbst an die Tunnelbauteams übergeben wird. Nachdem diese Blase nun vollständig ausgegraben ist, wurde mit dem Bau ihrer Bodenplatte begonnen.

Als NCE den Standort besuchte, erreichte auch die angrenzende Blase das Niveau der Grundplattenformation.

Auf dem Weg nach Osten wurden die anderen Blasen bis Ende Juli bis auf 23 m, 22 m bzw. 18 m unter der Erde ausgegraben.

Die Arbeiten vor Ort werden voraussichtlich im Jahr 2026 abgeschlossen sein. Schumacher sagt, dass die Vorteile des Raupendesigns „etwaige Bauschwierigkeiten überwiegen“ und er glaubt, dass ähnliche Strukturen in Zukunft anderswo im Vereinigten Königreich gebaut werden könnten.

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