Unterwasser- und Tunnelbau: Leitfaden für spezielle Anwendungen hydraulischer Brecher

Zwei verschiedene Extreme — ein gemeinsames Prinzip

Unterwasser- und Tunnelbau scheinen an entgegengesetzten Enden des Umgebungsspektrums zu liegen: Der eine ist unter Wasser, der andere unter Tage; der eine beschäftigt sich mit dem Eindringen von Wasser, der andere mit der Ansammlung von Staub und Gasen. Gemeinsam ist beiden, dass sie die Umgebungsbedingungen beseitigen, innerhalb derer der Brecher konzipiert wurde, um zu arbeiten. Ein Oberflächenbrecher ist so ausgelegt, dass die Bohrung am vorderen Kopf von Luft umgeben ist, dass das Meißel zwischen den Positionen abkühlen kann, dass Öl, das aus der Staubschutzdichtung austritt, vom Gerät weg und nicht in dieses hineinläuft und dass die Atmosphäre rund um die Ausrüstung atembar und nicht explosiv ist. Sowohl Unterwasser- als auch Tunnelumgebungen widerlegen mindestens zwei dieser Annahmen gleichzeitig. Deshalb erfordern beide Umgebungen eine gezielte Gerätespezifikation und angepasste Betriebsverfahren – nicht nur eine andere Schulung der Bediener.

Die spezifische Modifikation hängt davon ab, welche Annahmen verletzt werden. Bei Unterwasserarbeiten kehrt sich der Druckgradient über die Dichtungen um: In der Tiefe drückt der Umgebungsdruck nach innen auf Dichtungen, die dafür ausgelegt sind, den Öl-Druck, der nach außen wirkt, einzuschließen. Je tiefer die Arbeiten stattfinden, desto stärker fällt diese Umkehrung aus. Ein Standard-Oberflächenbrecher, der ohne Druckausgleich in einer Tiefe von 25 Metern betrieben wird, saugt bei jedem Rückhub Wasser durch die Bohrung im vorderen Kopfteil an und kontaminiert so das Öl bereits innerhalb einer einzigen Schicht. Ein druckausgeglichener Brecher gleicht den Innendruck mit dem Außendruck aus und beseitigt damit den Druckgradienten, der das Eindringen von Wasser verursacht. Dieses Prinzip ist in der Offshore-Hydraulik gut bekannt; bei Bau-Brechern wird es jedoch weniger konsequent angewandt – weshalb Unterwasserausfälle bei Projekten so häufig sind, bei denen das Beschaffungsteam eine Standard-Ausführung mit „versiegelten Anschlüssen“ spezifiziert und dies als ausreichend erachtet hat.

Tunnelumgebungen stellen eine andere Art von Problemen dar, die sich kumulativ statt unmittelbar auswirken. Gesteinsstaub sammelt sich auf horizontalen Flächen des Brechergehäuses, dringt durch unvollkommene Staubdichtungen ein und wandert in die Buchsenzone, wo er sich mit Meißelpaste vermischt und eine abrasive Schlamm-Emulsion bildet. Die Vibrationen beim Zerkleinern in einem begrenzten Raum werden auf die Tunnelauskleidung und den umgebenden Untergrund übertragen, ohne dass – wie beim Zerkleinern im Freien – ein Weg zur Energieabsorption vorhanden ist. In harten, siliziumreichen Gesteinstunneln erreicht der luftgetragene kristalline Quarz Konzentrationen, die sowohl eine Gesundheitsgefahr für die Beschäftigten als auch – bei bestimmten Gesteinsformationen und Konzentrationen – ein Risiko für Staubexplosionen darstellen. Keines dieser Probleme lässt sich dadurch lösen, dass die Standardausrüstung vorsichtiger betrieben wird. Vielmehr sind hierfür die richtige Ausrüstung und ein definiertes Betriebszyklus erforderlich.

Vier besondere Bedingungen – erforderliche Spezifikation, physikalische Ursache und kritischer Hinweis zum Betrieb

Die Tabelle umfasst vier Szenarien: flaches und mitteltiefes Unterwasser, primäres Tunnelvortriebsverfahren sowie Reparatur der Tunnelauskleidung – jeweils mit spezifischen Anforderungen.

Der Wartungszyklus, den beide Umgebungen gemeinsam haben

Trotz ihrer Unterschiede verkürzen sowohl Unterwasser- als auch Tunnelbetriebsbedingungen die Wartungsintervalle in dieselbe Richtung. Die zugrunde liegenden Mechanismen sind jedoch unterschiedlich – in einem Fall eindringendes Wasser, im anderen Fall Staubansammlung – doch der Endzustand ist derselbe: verunreinigtes Öl, beschleunigter Verschleiß der Buchsen und verkürzte Lebensdauer der Dichtungen. Die praktische Konsequenz ist, dass beide Umgebungen ein Inspektionsprotokoll nach jedem Einsatz erfordern, das bei Oberflächenbetrieb nicht notwendig ist. Nach einem Unterwassereinsatz sollte die Bohrung am vorderen Kopf gespült, die Staubschutzdichtung auf Anzeichen von Wassereintritt überprüft werden (blaue Verfärbung der Meißelpaste, milchige Erscheinung des Öls am Ablassstutzen) und der Meißel vor dem nächsten Einsatz mit einer wassergeschützten Paste neu geschmiert werden. Nach Tunnelvortrieb sollte der Brecherkörper abgewischt, die Staubschutzdichtung auf Durchdringung durch Silikatstaub untersucht und die Meißelpaste – nicht nur ergänzt, sondern vollständig erneuert – werden, um zu verhindern, dass die abrasive Schlammemulsion zwischen den Schichten weiterhin wirkt.

Die Öl-Analyse ist in diesen beiden Umgebungen nützlicher als bei jeder anderen Brecheranwendung. Bei oberflächennahen Bauarbeiten erfolgt die Ölkontamination schrittweise, und die Schwelle für besorgniserregende Werte ist eindeutig. Bei Unterwasser- und Tunnelbetrieb hingegen führen Kontaminationsereignisse – beispielsweise eine Dichtung, die einen einzigen Wassereintrag ermöglicht hat, oder eine bereits grenzwertige Staubdichtung beim Eintritt des Brechers in den Tunnel – innerhalb von 20–30 Stunden zu charakteristischen Kontaminationsmustern, die bei oberflächennahen Arbeiten erst nach 200–300 Stunden auftreten würden. Die Entnahme einer Ölprobe zur Partikelzählung und zur Bestimmung des Wassergehalts nach den ersten 50 Betriebsstunden in einer dieser Umgebungen sowie anschließend alle 100 Betriebsstunden stellt den frühesten zuverlässigen Hinweis auf ein sich entwickelndes Dichtungs- oder Buchsenproblem dar – früher als jedes visuelle Symptom und weit früher als der Leistungsabfall, der signalisiert, dass ein Komponentenausfall bereits im Gange ist.

Eine operative Entscheidung, die erfahrene Teams in beiden Umgebungen voneinander unterscheidet: Weder Unterwasser- noch Tunnelbohrarbeiten sollten mit einem Brecher durchgeführt werden, dessen Dichtungsleistung bereits als grenzwertig einzustufen ist. Eine grenzwertige Dichtung, die an einer Oberflächenbaustelle mit einer Öltröpfchenrate von zwei Tropfen pro Minute austritt, wird unter Wasser mit zehn Tropfen pro Minute austreten und innerhalb einer einzigen Schicht im Tunnel silikathaltige Schlammbrühe aufnehmen. Die Reparatur vor dem Einsatz kostet einen Tag. Ein Ausfall während der Arbeiten im Tunnel oder unter Wasser kostet den verbleibenden Zeitplan des gesamten Projekts.