Tunnelbau: Dänemarks Fehmarnbelt-Tunnel nimmt Gestalt an

Bauunternehmer haben das erste Tunnelelement für den rekordverdächtigen Fehmarnbelt-Straßen- und Schienenübergang zwischen Dänemark und Deutschland gegossen.

Der Bau des Fehmarnbelt-Tunnels für 7,1 Milliarden Euro (6,1 Milliarden Pfund), der Rødbyhavn auf der dänischen Insel Lolland mit Puttgarden in Norddeutschland verbinden wird, ist in vollem Gange.

Im Gewässerabschnitt zwischen Lolland und Fehmarn, dem sogenannten Fehmarnbelt, sind derzeit umfangreiche Baggerarbeiten im Gange. Dabei wird der 19 km lange Graben im Meeresboden angelegt, in dem die Tunnelelemente platziert werden.

Wenn der 18 km lange Unterwassertunnel im Jahr 2029 fertiggestellt ist, wird er rekordverdächtige Ausmaße haben. Er wird in einer maximalen Tiefe von mehr als 30 m unter dem Meeresspiegel verlaufen und den Anspruch erheben, der längste Absenkröhrentunnel der Welt und der längste kombinierte Straßen- und Eisenbahntunnel der Welt zu sein.

Das Projekt umfasste den Bau der vermutlich weltweit größten Fabrik für Tunnelelemente, in der die vorgefertigten Tunnelabschnitte aus Beton hergestellt werden. Die Fabrik in Rødbyhavn erstreckt sich über eine Fläche von etwa 1 Mio. m2 und liegt östlich des dänischen Tunnelportalstandorts.

Die Fabrik wird über sechs Produktionslinien in drei Gebäuden für die Standard- und Spezialelemente verfügen, aus denen der Tunnel bestehen wird. Sobald ein Element hergestellt ist, wird es aus der Fabrik in ein Trockendock geschoben, wo es an beiden Enden mit wasserdichten Schotten versehen wird, damit es schwimmen kann. Das Trockendock wird dann mit Wasser gefüllt und das Element wird von Schleppern aufs Meer geschleppt und in dem zuvor ausgehobenen Graben auf dem Meeresboden versenkt. Anschließend wird der Graben verfüllt, um das Tunnelelement zu fixieren. Auf der Füllung wird eine schützende Gesteinsschicht ausgebreitet, um sie auf Höhe des Meeresbodens zu bringen.

Das enorme Projekt wird durch einen großen Arbeitshafen erleichtert, der neben der Fabrik errichtet wurde. Der Hafen wird die riesigen Mengen an Sand, Zement, Stahl und Zuschlagstoffen für die Tunnelelemente anliefern.

Auf deutscher Seite wird in Puttgarden zudem ein kleinerer Hafen für den Rohstofftransport während des Baus des Tunnelportals am Tunnelende errichtet.

Femern Link Contractors (FLC) – ein Konsortium bestehend aus Vinci, Aarsleff, Wayss & Freytag, Max Bögl, CFE, Solétanche Bachy, Bam Infra, Bam International und Dredging International – plant und baut den Tunnel und die Fabrik. Die Aufsicht über das Projekt übernimmt Femern A/S, eine eigens gegründete Tochtergesellschaft des dänischen staatlichen Transportmanagementunternehmens Sund & Bælt.

Einfügungen von LR: Tunneleingang am dänischen Ende und ein Bagger beim Ausheben des Grabens für das Tauchrohr

Das strategisch wichtige Projekt, Dänemark mit Deutschland zu verbinden, ist in Planung, seit in den 1990er Jahren Machbarkeitsstudien für eine feste Querung durchgeführt wurden. Der ursprüngliche Plan war, die Fehmarnbelt-Verbindung als Brücke zu bauen, erklärt Jens Villemoes, Leiter der Medienarbeit bei Femern A/S.

„Das war eigentlich Plan A, bis 2011“, sagt Villemoes. „Eine Brücke und ein Absenktunnel erwiesen sich kostenmäßig als ungefähr gleichwertig. Aber ein Absenktunnel hatte mehrere Vorteile.“

Ein Vorteil bestand darin, dass ein Tunnel den Schienen- und Straßenverkehr unter der stark befahrenen Schifffahrtsstraße des Fehmarnbelts ermöglichen würde, während eine Brücke ein dauerhaftes Hindernis für große Schiffe gewesen wäre, sagt Villemoes. Eine Brücke hätte auch eine beliebte Vogelzugroute beeinträchtigt, da der Fehmarnbelt für Vögel der kürzeste Weg ist, von Skandinavien nach Mitteleuropa zu gelangen.

Seitenwinde machten auch eine von Nord nach Süd über den Fehmarnbelt verlaufende Brücke unpraktisch, bemerkt Villemoes. Eine Nord-Süd-Brücke wäre starken Ost-West-Winden ausgesetzt, die über das Bauwerk wehen. Dies würde bedeuten, dass große und leichte Fahrzeuge wie leere Lastkraftwagen bei stürmischem Wetter von der Nutzung ausgeschlossen wären.

„Schließlich wäre es die längste Hängebrücke der Welt gewesen, also gäbe es unbekannte technische Herausforderungen“, fügt Villemoes hinzu.

Auch die Option eines Bohrtunnels wurde in Betracht gezogen, jedoch als zu teuer erachtet. Laut Villemoes wären drei der größten Tunnelbohrmaschinen (TBMs) nötig gewesen, die jemals gebaut wurden, um Röhren zu bauen, die groß genug für die Eisenbahn und Straßen waren.

Das Hauptproblem sei jedoch, dass Dänemark aufgrund seiner Geologie „ein schrecklicher Ort“ für den Bau eines langweiligen Unterwassertunnels sei, bemerkt Villemoes.

Henrik Schjøler Dahl, Senior Design Manager bei Femern A/S, erklärt: „Die feste Verbindung von Femern ist ein kombinierter Straßen- und Eisenbahntunnel, der extrem große Bohrdurchmesser erfordert. Die Geologie an der Trasse wird auf der dänischen Seite von Moränenlehm dominiert, der erhebliche Mengen an Felsbrocken enthält. Dieser Bodentyp erwies sich bisher als schwierig für TBM-Arbeiten.

„Auf deutscher Seite ist der vorherrschende Bodentyp ein paläogener Ton, der äußerst plastisch ist. Die Kombination von Bodentypen und sehr großen TBM-Durchmessern wurde als erhebliches Risiko für die Ausführung der Vortriebe bewertet und daher wurde die Methode für dieses Projekt aufgegeben.“

Die komplexe Geologie deutet darauf hin, dass es Taschen oder Risse im Boden geben könnte, durch die Wasser eindringen und den Tunnel überfluten könnte.

Villemoes fügt hinzu: „Außerdem müsste man aufgrund des Gefälles viel tiefer bohren.

„Wir bauen direkt unterhalb des Meeresbodens, aber für einen Bohrtunnel müsste man viel tiefer gehen, und aufgrund des Gefälles für Güterzüge müsste der Tunnel viel weiter im Landesinneren beginnen, was unseren Fußabdruck vergrößern würde. Das wäre vor allem auf deutscher Seite problematisch.“

Der endgültige Entwurf sah einen Absenkröhrentunnel vor, weil dies „die sicherste und umweltfreundlichste Option“ sei, sagt Villemoes. Diese Technologie war auch bekannt, da die Methode bei der Öresund-Verbindung eingesetzt wurde, der mehrteiligen festen Verbindungsverbindung zwischen Schweden und Dänemark, die einen 3,7 km langen Absenkröhrentunnel umfasst.

Dieses Jahr war für das Projekt von entscheidender Bedeutung, da zum Zeitpunkt der Drucklegung das erste von drei riesigen Fabrikgebäuden und vier von fünf Standardproduktionslinien in Betrieb waren. Die 79 Standardfertigteile des Tunnels werden in zwei Fabrikgebäuden und 10 Spezialfertigteile in einem dritten, kleineren Gebäude hergestellt.

Die beiden Hauptfabrikgebäude sind in spezifische Bereiche für unterschiedliche Aktivitäten unterteilt. Es gibt einen Vorfertigungsbereich für Bewehrungskörbe, eine Gießhalle, eine Aushärtehalle, einen Ausbaubereich und ein Dock mit Flach- und Tiefbeckenbereichen.

Wenn der Fabrikkomplex Mitte 2024 den Vollbetrieb aufnimmt, wird in einem kontinuierlichen Produktionsprozess über dreieinhalb Jahre etwa alle zwei Wochen ein Standardelement produziert. Anschließend werden diese Elemente aus den Hallen ins Trockendock geschoben.

Ein Standardelement besteht aus neun Segmenten mit einer Länge von etwa 24 m und einer Breite von 42 m. Diese Segmente werden dann zu 9 m hohen Elementen zusammengefügt, die 217 m lang, 42 m breit und 73.500 t schwer sind.

Nach der Fertigstellung einer der Werkshallen für Standardelemente konnte FLC das erste Segment für das erste Element gießen. Bisher wurden drei Bewehrungskörbe für die Segmente des ersten Tunnelelements hergestellt und werden weitere Käfige herstellen, während mit dem Gießen des nächsten Segments begonnen wird. Das Gießen jedes Segments erfordert einen kontinuierlichen Betonguss, der etwa 36 Stunden dauert.

FLC hat bereits mit der Produktion der Bewehrungskörbe für das zweite Tunnelelement begonnen und erwartet, bis Anfang nächsten Jahres zwei bis drei Elemente gegossen zu haben.

Da der Tunnel auf eine Betriebsdauer von mindestens 120 Jahren ausgelegt ist, ist ein hohes Maß an Gleichmäßigkeit und Qualität des Betons erforderlich, um Rissbildung zu verhindern und die Wasserdichtigkeit sicherzustellen. Das Gießen und Aushärten der Betonsegmente erfolgt daher in klimatisierten Hallen, erklärt Caroline Mia Krag, Projektmanagerin bei Femern A/S.

„Zwischen der Vorder- und Rückseite des Fabrikgebäudes gibt es Vorhänge, die heruntergerollt werden können und dafür sorgen, dass wir in der Gießhalle und der dahinter liegenden Aushärtehalle eine Temperatur von 200 °C haben“, sagt Krag.

„Beton ist sehr temperaturempfindlich. Meistens wird in der Aushärtehalle nicht geheizt, sondern gelüftet, denn beim Aushärten des Betons, insbesondere in diesen Mengen, entsteht eine enorme Wärmemenge, die abgeführt werden muss.“

Da das Team über einen so langen Zeitraum so viel Beton produzieren wird, stellt Krag fest, dass selbst kleine Abweichungen in den Eigenschaften des Betons von Bedeutung sind. Aus diesem Grund hat FLC umfangreiche Materialtests in Rødbyhavn durchgeführt und dabei ein Modell eines Teils eines Tunnelsegments erstellt, dessen Länge, Breite und Höhe anderthalb der Röhren des Eisenbahntunnels im Originalmaßstab entspricht. Kernproben wurden in das Segment gebohrt, um den Beton zu testen, und das Team beendete die Tests im vergangenen Frühjahr.

Eine wichtige Innovation im Tunneldesign – und eine, die FLC vom Öresundtunnel übernommen hat – sind die 10 Spezialelemente. Diese 39 m langen, 47 m breiten, 13 m hohen und 21.000 t schweren Elemente werden etwa alle 2 km entlang der Tunneltrasse platziert und verfügen über einen Keller zur Lagerung der für den Betrieb des Tunnels benötigten elektromechanischen Ausrüstung.

Dazu gehören Kommunikationssysteme, Lüftungsgeräte und ein Pumpensumpf im Untergeschoss, der Regenwasser sammelt.

„Einer der betrieblichen Vorteile der Spezialelemente besteht darin, dass wir für grundlegende Wartungsarbeiten keine Fahrspur sperren müssen“, sagt Villemoes. „Aber wir können dort auch viele technische Geräte unterbringen, die sonst in die Tunnelelemente selbst eingebaut werden müssten. Und das bedeutet, dass man den Tunnel tatsächlich verschlanken kann.“

Die Produktionslinie für Spezialelemente wird voraussichtlich Ende dieses Jahres in Betrieb gehen.

Die drei Fabrikgebäude für Tunnelelemente in Rodbyhavn

Außerhalb der Fabrikgebäude wurden drei 500 m lange und 200 m breite Trockendocks errichtet. Diese bestehen aus einem Flachbecken und einem Tiefbecken. Der Boden des flachen Beckens liegt 1 m über dem Meeresspiegel, aber bei Überschwemmung ist das Wasser im Becken 11 m tief. Der Boden des tiefen Beckens liegt 11 m unter dem Meeresspiegel und fasst bei Überflutung Wasser in einer Tiefe von 22 m.

Diese sind von etwa 500 m langen und 11 m hohen Innendeichwänden umgeben. Wenn ein Tunnelelement zum Eintauchen bereit ist, wird es in das flache Becken vorgeschoben und dahinter ein Schiebetor geschlossen, um das Dock der Fabrik abzudichten Seite.

Auf der anderen Seite des Docks befindet sich ein schwimmendes Tor, das zum Befüllen der beiden Becken dient. Die 50 m breite, 20,8 m hohe und 19,2 m tiefe Hohlkonstruktion besteht aus Stahlbeton, erklärt Krag. Es verfügt über acht Innenkammern, die mit Wasser gefüllt werden können, um es sinken zu lassen. Wenn Wasser aus dem Bauwerk abgepumpt wird, schwimmt das Tor nach oben und Wasser aus dem Fehmarnbelt kann in das Dock fließen.

Dadurch ähnelt das Floating Gate im Wesentlichen einem „Stecker“, sagt Krag. „Es wird Wasser in den Damm ein- und ausströmen lassen. Es erfüllt den gleichen Zweck wie das Schiebetor.“

Das schwimmende Tor pumpt Meerwasser in die tiefen und flachen Becken, bis der Wasserstand 11 m über dem Meeresspiegel liegt und das Element schwimmt. Anschließend wird der Wasserstand im Dock abgesenkt, um dem Meerwasserspiegel zu entsprechen, und das schwimmende Tor öffnet sich, um Schleppern den Transport zu ermöglichen Betreten Sie das Dock und transportieren Sie das Element vom flachen Becken zum tiefen Becken und schließlich hinaus aufs Meer.

Die Arbeiten zum Bau des 18 km langen Grabens auf dem Meeresboden schreiten ebenfalls voran. Bisher wurden zwischen 12 Mio. m3 und 13 Mio. m3 Material aus dem Meeresboden ausgebaggert.

Die Arbeiten an der offenen Bauweise des Absenktunnels am dänischen Ende begannen im vergangenen Mai. Der Ansatz wird in einer flachen, 550 m langen Baugrube auf einem aufgeschütteten Landstück errichtet, das westlich des Tunnelelementfabrikkomplexes ins Meer hineinragt. Auf der dänischen Landseite wird es schließlich einen 200 m langen Tunnel in offener Bauweise geben.

Villemoes erklärt, dass nach Abschluss der Tunnelbauarbeiten die neu gewonnene Fläche, in der sich der Abschnitt mit Abtrags- und Abdeckungsabschnitten befindet, neu profiliert wird, um sie an die ursprüngliche Küstenlinie anzupassen.

„Das liegt daran, dass wir die ersten 100 Meter des Tunnels an Land bauen werden“, sagt Villemoes. „Dann errichten Sie einen inneren Deich und entfernen Sie die letzten 50 m des Portalbereichs. Dadurch liegt ein Ende des Tunnels frei auf dem Meeresboden und kann mit den Tunnelelementen verbunden werden.“

Der Bau des Tunnels wird voraussichtlich im Jahr 2029 abgeschlossen sein.

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