Baugrundvereisung und TBM-Schnittstellenmanagement beim HS2-Projekt: Praktische Erfahrungen aus dem Tunnelbau in London

Der Bau der Querschläge im Abschnitt Northolt Tunnels West (NTW) des HS2-Projekts in London/UK erforderte den Einsatz der Baugrundvereisung unter geologischen, logistischen und konstruktionstechnisch herausfordernden Bedingungen. Die Vereisungsarbeiten für elf Querschläge wurden von der Arbeitsgemeinschaft RDMI Freezing JV (Redpath Deilmann GmbH, Dortmund, und DMI Injektionstechnik GmbH, Berlin) durchgeführt und fanden parallel zum Vortrieb der Tunnelbohrmaschinen unter der Leitung der Skanska-Costain-Strabag (SCS) JV statt.

Dieser Beitrag beschreibt die Schnittstellenprobleme zwischen dem aktiven Tunnelvortrieb und den Baugrundvereisungsarbeiten, einschließlich der Planung, der Bohrungen, des Gefrierbetriebs und des Monitorings sowie der Endabdichtung. Des Weiteren werden die Herausforderungen infolge von Abweichungen der tatsächlichen Baugrundverhältnisse gegenüber den ursprünglichen Gutachten dargestellt, die bei den letzten Querschlägen zu Anpassungen des Leistungsumfangs führten.

Bei den ausgeführten Vereisungsarbeiten zählten zu den wesentlichen Erfolgsfaktoren die präzise Integration der Vereisungsplanung auf Basis aktueller As-built-Daten, ein mehrstufiges Kommunikations- und Koordinationssystem, eine dynamische Personalplanung und -ausbildung sowie eine flexible Steuerung der Arbeitsprozesse.

Die Erfahrungen aus den Arbeiten am NTW liefern wichtige Erkenntnisse für zukünftige Projekte, bei denen Baugrundverbesserungsmaßnahmen parallel zu den aktiven Vortriebsarbeiten der Haupttunnelröhren erforderlich werden. Abschließend werden Empfehlungen zur Optimierung von Planungsprozessen, der Baustellenorganisation und dem Personalmanagement in komplexen unterirdischen Bauumgebungen gegeben.

1  Einführung

Das HS2-Projekt stellt eines der bedeutendsten Infrastrukturvorhaben Europas dar und verfolgt das Ziel, eine Hochgeschwindigkeitszugverbindung zwischen London und Birmingham zu schaffen. Im Abschnitt der Northolt Tunnels West (NTW) in Westlondon trieben zwei Tunnelbohrmaschinen (TBM), die auf die Namen Caroline und Sushila getauft wurden (Bild 1), zwei parallele Tunnelröhren auf einer Länge von etwa 8 km durch stark wechselhafte, wasserführende Bodenverhältnisse, bestehend aus Sand, Kalkstein und London Clay vor. Die TBM Sushila erreichte den Ventilationsschacht Green Park Way in Ealing im Dezember 2024 und die TBM Caroline beendete ihren Vortrieb im April 2025.

Zur sicheren Herstellung von den Querschlägen, den Verbindungsstollen zwischen den Haupttunnelröhren, die in kritischen geologischen Verhältnissen geplant wurden, wurde Baugrundvereisung (BGV) als bevorzugte Bauweise ausgewählt, insbesondere in Bereichen mit hohen Grundwasserdrücken, in denen konventionelle Vortriebsmethoden nicht sicher anwendbar waren. Ursprünglich wurde geplant, 13 der insgesamt 19 Querschläge in den NTW mittels BGV zu sichern. Neue Erkenntnisse während der Bauausführung ergaben, dass die tatsächlichen Baugrundverhältnisse im Bereich einiger Querschläge nicht vollumfänglich mit den Annahmen der ursprünglichen geologischen und hydrogeologischen Gutachten übereinstimmten. Infolgedessen wurden zwei Querschläge der 13, die mit einer Vereisung geplant wurden, aus dem Vereisungspaket herausgenommen. Diese Querschläge wurden alternativ durch andere Verfahren gesichert, u. a. durch Entwässerungmaßnahmen durch Drittunternehmer oder Auffahrung der Querschläge ohne zusätzliche Baugrundverbesserungsmaßnahmen.

Die Baugrundvereisungsarbeiten wurden im Auftrag des Bauherrn, der HS2 Ltd, durchgeführt. Hauptauftragnehmer für den Tunnelbau war die Arbeitsgemeinschaft Skanska-Costain-Strabag (SCS JV). Die Arbeitsgemeinschaft RDMI Freezing JV (bestehend aus Redpath Deilmann GmbH, Dortmund, und DMI Injektionstechnik GmbH, Berlin) wurde durch SCS JV als Nachunternehmer mit der Ausführung der Baugrundvereisungsarbeiten beauftragt, einschließlich der zugehörigen Bohrungen, der Vereisungsarbeiten, des Monitorings und der Endabdichtung der Gefrierrohre. RDMI JV beauftragte für die Planung der Gefrierarbeiten das Ingenieurbüro CDM Smith als Subunternehmer. Der Auftragsumfang für CDM Smith umfasste hierbei die Erstellung der Bohrlayouts, die thermischen Berechnungen der Gefrierkörper sowie die Überwachungskonzepte während der Gefrierphasen.

Dieser Beitrag beschreibt die spezifischen Herausforderungen an der Schnittstelle zwischen Baugrundvereisungsarbeiten und aktiven TBM-Vortrieben, erläutert die auf der Baustelle angewendeten Lösungsansätze und stellt praxisnahe Erkenntnisse für zukünftige große Tunnelbauprojekte mit parallelen Baugrundverbesserungsmaßnahmen dar.

2  Baugrundvereisung und TBM-Vortrieb: Grundlagen, Planung, Umsetzung

BGV ist eine bewährte Methode zur temporären Bodenstabilisierung und Abdichtung gegen Grundwasser, die bei Redpath Deilmann und auch bei DMI Injektionstechnik seit Jahrzehnten erfolgreich angewendet wird, vielfach auch in gemeinsamen Projekten. Dabei wird das Porenwasser im anstehenden Boden gefroren, um nicht tragfähige, wasserführende Böden in tragfähige, wasserundurchlässige Frostkörper zu überführen. Beim HS2 wurde BGV als bevorzugtes Verfahren für die Herstellung der Querschläge eingesetzt, da es auch in stark heterogenen Böden stabile und berechenbare Baugrundverhältnisse schafft.

2.1  Planung

Die Planung der BGV im Abschnitt NTW in London stellte aus mehreren Gründen eine besondere Herausforderung dar. Für die Arbeiten stand jeweils nur der halbe Tunnelquerschnitt zur Verfügung. Daraus ergaben sich geometrische Zwangspunkte bei der Anordnung der Gefrierrohre sowie bei deren Erreichbarkeit mit dem Bohrgerät. Zudem wurden im Bereich der Querschläge sogenannte Special- und Heavy-Segmente verbaut, um die Tunnelstatik während des Vortriebs zu sichern. Diese hochbewerteten Tübbinge erlaubten nur festgelegte Bohrgassen und definierte Ansatzpunkte für die Gefrierlanzen. Dies führte zu einem erhöhten Planungsaufwand, da die eingeschränkten Randbedingungen die Wahl von Bohrwinkeln und -punkten erheblich beeinflussten. Während bei anderen Projekten die Ansätze der Bohrungen primär nach optimaler Frostkörpergeometrie gewählt werden, mussten beim NTW die Gefrierkörper an die baulichen und geotechnischen Randbedingungen angepasst werden.

2.2  Baustellenvorbereitung

Die nötigen Platzverhältnisse für das Bohrgerät und die Einrichtung der Gefriereinheiten innerhalb der im Vortrieb befindlichen Haupttunnelröhren erforderten eine äußerst sorgfältige ingenieurtechnische Planung. An jedem Querschlagstandort, der aufgefroren wurde, wurden Plattformen (Bild 2) über der Tunnelsohle errichtet, um die Durchfahrtsbreite im Tunnel zu erhöhen und die logistischen Abläufe der weiteren Arbeiten im Tunnel, die den Arbeitsbereich am Querschlag passieren mussten, zu ermöglichen. Kompakte Technik wurde gezielt gewählt, um den Platzbedarf zu minimieren und die notwendige Durchfahrtsbreite für die TBM-Logistik (Material- und Personentransporte) zu jeder Zeit zu gewährleisten.

2.3  Bohrarbeiten unter beengten Bedingungen

Wie bereits in Abschnitt 2.1 erläutert, stand für die Ausführung nur ein eingeschränkter Arbeitsraum zur Verfügung. Bei einem Innendurchmesser von 9,60 m war der Einsatz eines 18 t-Bohrgeräts nur unter engen Bedingungen möglich. Es wurde daher ein speziell angepasstes Lafettensystem eingesetzt, um auch Bereiche in Firste und Sohle erreichen zu können. Zudem kamen Rohrschüsse mit Längen von 100 cm, 50 cm und teilweise nur 30 cm zum Einsatz, was sowohl die Bohrgenauigkeit als auch die Dichtigkeit aufgrund zahlreicher Rohrverbindungen erheblich erschwerte. Zum Vergleich: Bei vergleichbaren Projekten sind Rohrlängen von 2 bis 3 m üblich. Die Kombination aus beengten Platzverhältnissen und der geforderten Bohrgenauigkeit (max. 3 % Abweichung) stellte eine erhebliche Herausforderung für die Bohrmannschaften dar. Bild 2 zeigt die Querschlagplattform während der Bohrarbeiten an den oberen Ebenen.

Pro Querschlag wurden 28 bis 38 Gefrierrohre, vier Temperaturmessrohre sowie zwei Entwässerungsbohrungen in einem vorab definierten und berechneten Raster präzise abgebohrt. Hierfür wurden zunächst Kernbohrungen mit 200 mm Durchmesser bis 50 mm vor die Außenkante des Tübbings gebohrt. Zur Absicherung gegen drückendes Wasser wurden anschließend Standrohre mit Blow-Out-Preventern in den Tübbingbohrungen installiert. Danach erfolgte die Durchbohrung des verbleibenden Tübbingrests mit einer 130 mm-Krone unter Preventerschutz. Nach Umrüstung auf das Vereisungswerkzeug wurden die Gefrierrohre im vorgesehenen Winkel bis zur Endtiefe eingebracht und die Ringräume mit Zementsuspension verpresst. Abschließend wurden die Rohre mittels Doppel-Gyroskop vermessen und auf Dichtigkeit geprüft.

2.4  Aufbau und Betrieb der Gefrieranlagen

Nach Abschluss der Bohrungen wurden die Gefriereinheiten und der Gefrierkreis aufgebaut. PE-Inliner und Gefrierköpfe wurden montiert und an die Solekreisläufe angeschlossen. Die Anlagen, bestehend aus containerisierten Gefriereinheiten und Kühlwerken, wurden platzsparend auf Stellagen in unmittelbarer Nähe der Arbeitsbereiche installiert, um die nötigen Durchfahrtsbreiten zu gewährleisten.

Durch das System wurde anschließend eine auf im Durchschnitt −33 °C gekühlte Sole in Zirkulation gepumpt. Temperatursensoren in den Messrohren sowie in den Tübbingsegmenten ermöglichten die kontinuierliche Überwachung des Frostkörperaufbaus. Ziel war es, die erforderlichen Bedingungen für eine hydraulische Andichtung in Richtung der gegenüberliegenden Tunnelsegmente sowie die notwendige strukturelle Festigkeit zur sicheren Auffahrung der Querschläge zu gewährleisten. Wo erforderlich, wurde Wärmedämmung angebracht, um den Frostkörper vor thermischen Einflüssen durch das Tunnelklima sowie verkehrstechnischen Bedingungen im Tunnel zu schützen. Der Gefrierfortschritt wurde kontinuierlich mit den Berechnungsmodellen abgeglichen. Erst nach Erreichen der thermischen und mechanischen Kriterien konnte mit der Auffahrung der Querschläge (Bild 3) begonnen werden.

Während des gesamten Zeitraums wurde der TBM-Vortrieb unter Termindruck fortgesetzt. Dabei mussten die Standsicherheit der Ortsbrust, die Montage der Tübbingsegmente, der Abtransport des Ausbruchmaterials sowie die Einhaltung von Belüftungsstandards sichergestellt werden. Des Weiteren wurde der logistische Betrieb, beispielsweise durch den regelmäßigen Transport von Frischbeton mit Transportmischern zur Herstellung der Tunnelsohle (Invert), weiter intensiviert.

Das Arbeiten im Umfeld aktiver TBM-Betriebe unter diesen spezifischen Rahmenbedingungen erhöhte die Komplexität der Umsetzung der Baugrundvereisungsarbeiten deutlich und stellte hohe Anforderungen an die technische Präzision, die Qualität der Ausführung, die Koordination der Abläufe und die Termintreue.

3  Wesentliche Schnittstellenprobleme und Gegenmaßnahmen

Die parallele Durchführung von Baugrundvereisungsarbeiten und TBM-Vortrieb stellte eine Reihe spezifischer Herausforderungen dar.

3.1  Platzverhältnisse und Schnittstellenkoordination

Das im Betrieb befindliche Tunnelumfeld bot nur begrenzten Raum für die Einrichtung der Bohr- und Gefrieranlagen (Bild 4). Um die logistischen Verkehrswege für den TBM-Betrieb aufrechtzuerhalten, wurden auf der Tunnelsohle Plattformen errichtet und kompakte Gerätekonzepte eingesetzt. Zur Steuerung der komplexen Schnittstellen wurde ein mehrstufiges Koordinationssystem eingeführt:

• Tägliche Start-of-Shift (SOS)-Meetings ermöglichten die detaillierte Planung der Arbeitsbereiche und Sicherheitsmaßnahmen.
• Wöchentliche Schnittstellenmeetings dienten der vorausschauenden Abstimmung von Zeitplänen, Logistikabläufen und technischen Anpassungen zwischen allen Beteiligten.
• Direkte und offene digitale Kommunikationskanäle erlaubten einen unmittelbaren Informationsaustausch mit dem Auftraggeber zur schnellen Entscheidungsfindung und Ausführung vor Ort. Diese haben sich insbesondere bei Bauablaufstörungen und Planungsänderungen als äußerst zweckmäßig und effektiv erwiesen.
• Darüber hinaus kamen projektspezifische Online-Tools wie Datascope, EnableMyTeam und CEMAR zum Einsatz, um Dokumentation, Fortschrittskontrolle und Schnittstellenmanagement strukturiert, nachvollziehbar und vertragskonform abzubilden.

Diese strukturierte und zugleich flexible Koordinationsstrategie stellte sicher, dass die Bohr- und Vereisungsarbeiten ohne Beeinträchtigung der TBM-Logistik durchgeführt werden konnten.

3.2  Personalplanung und Flexibilität

Die Bohrteams konnten ihre Arbeiten erst aufnehmen, wenn die TBM die jeweilige Querschlagposition vollständig passiert hatte, der Sohlbeton (Invert) im Arbeitsbereich hergestellt und die Arbeitsplattform zur Erhöhung der Durchfahrtsbreite errichtet wurde. Schwankungen in der Vortriebsgeschwindigkeit der TBM erforderten eine dynamische Umplanung des Personaleinsatzes, um Stillstandszeiten zu minimieren.

3.3  Thermisches Management

Der laufende logistische Betrieb im Tunnel führte zu einem nicht unerheblichen Wärmeeintrag in die Tunnelumgebung. Verschiedene Schnittstellen und Prozessabhängigkeiten beeinflussten die Startzeiten der Querschlagsauffahrung. Dies führte zu verlängerten Vereisungszeiten, wodurch sich die Gefrierkörper teilweise übermäßig verfestigten. Dies erforderte eine kontinuierliche Anpassung der Betriebsweise der Gefrieranlagen, um die Festigkeit des Bodens auf einem Niveau zu halten, das eine sichere und effiziente Auffahrung weiterhin ermöglichte.

3.4  Anpassungen des Leistungsumfangs aufgrund der Baugrundverhältnisse

Drei Querschläge, die ursprünglich für die Baugrundvereisung vorgesehen wurden, wurden auf Grundlage aktualisierter Erkenntnisse der Geologie, die aus Baugrunduntersuchungen resultierten, die zuvor unmittelbar von der Tunnelröhre aus durchgeführt wurden, aus dem Leistungsumfang herausgenommen. Diese Querschläge wurden alternativ durch eine Entwässerung oder einen direkten Vortrieb ohne Baugrundsicherung hergestellt. Zusätzlich wurde ein Querschlag, der ohne Baugrundvereisung geplant wurde, auf Grundlage desselben Probeverfahrens zusätzlich vereist. Durch flexible Anpassungen bei der Ressourcendisposition und eine enge vertragliche Abstimmung konnten die Auswirkungen dieser späten Änderungen des Leistungsumfangs minimiert werden.

4  Lessons Learned aus dem Tunnelvortrieb Caroline und Sushila

Die Baugrundvereisungsarbeiten an den Querschlägen am Projekt HS2 lieferten mehrere wichtige ­Erkenntnisse für das Management komplexer, parallel verlaufender Baugrundverbesserungsmaßnahmen in Kombination mit einem aktiv parallellaufenden Tunnelvortrieb.

4.1  Bedeutung frühzeitiger und präziser Vermessung

Exakte As-built-Vermessungsdaten, die durch das Design-Team des Auftraggebers bereitgestellt wurden, waren essenziell für die präzise Erstellung der Bohrlayouts durch das Planungsteam von CDM Smith. Auf Basis dieser Daten entwickelte CDM Smith detaillierte Bohrlayouts und die thermischen Berechnungen für die Baugrundvereisung. Ungenauigkeiten bei der Ermittlung und der Übergabe der Vermessungsdaten würden das Risiko für Bohr- und Vereisungsprobleme erheblich erhöhen. Eine enge Abstimmung und höchste Präzision, sowohl bei der Datenerfassung als auch bei der Planerstellung, waren entscheidend für die erfolgreiche Umsetzung der Vereisungsarbeiten.

4.2  Bedeutung strukturierter und flexibler Koordination sowie Kommunikation

Die Kombination aus täglicher Detailabstimmung, wöchentlichen strategischen Schnittstellenmeetings sowie schneller digitaler Kommunikation erwies sich als entscheidend, um Arbeitsabläufe effizient zu koordinieren, Konflikte frühzeitig zu vermeiden und sichere Betriebsbedingungen im beengten Tunnelumfeld aufrechtzuerhalten.

4.3  Personalkontinuität, Ausbildung und technische Expertise

Zur Durchführung der Vereisungsarbeiten wurden erfahrenes Fachpersonal und teilweise lokale (englische) Arbeitskräfte eingesetzt, die zu Projektbeginn nur über geringe oder keine Erfahrung im Bereich der BGV verfügten. Die Identifizierung geeigneter Mitarbeiter, deren gezielte praktische Ausbildung durch erfahrene Arbeitskräfte sowie das langfristige Binden der leistungsfähigsten Teammitglieder während der gesamten Projektdauer waren zen­trale Erfolgsfaktoren für die Qualität und Kontinuität der Arbeiten. Während unvermeidbarer Stillstandszeiten war es wichtig, die Arbeitskräfte flexibel für andere Aufgaben einzusetzen, um deren Engagement aufrechtzuerhalten und die erworbene Fachkompetenz im Baustellenteam zu erhalten.

4.4  Dynamische Personalplanung

Wie bereits in Abschnitt 3.2 erläutert, setzten die Vereisungsarbeiten voraus, dass die TBM den Querschlagsbereich durchfahren hatten, der Invert hergestellt und die Plattform zur Gewährleistung der Durchfahrtsbreite aufgebaut worden war. Schwankungen in der TBM-Vortriebsgeschwindigkeit sowie operative Prioritäten des Auftraggebers, wie kurzfristige Personalumverteilungen zugunsten des TBM-Betriebs, machten eine hochflexible Ressourcenplanung erforderlich. Die Aufrechterhaltung der Einsatzbereitschaft des Personals, die schnelle Reaktion auf sich verändernde Randbedingungen und das Vermeiden unnötiger Stillstandskosten verlangten eine kontinuierlich agile und vorausschauende Personaldisposition.

4.5  Umgang mit Änderungen im Leistungsumfang

Die späten Kürzungen im Leistungsumfang, d. h. die Teilkündigung des Gefrierverfahrens bei der Herstellung der Querschläge, unterstrichen die Bedeutung von vertraglicher und operativer Flexibilität. Die Fähigkeit, solche Änderungen ohne wesentliche Kosten- oder Terminfolgen aufzufangen, ist bei großen Infrastrukturprojekten mit unsicheren Baugrundverhältnissen von entscheidender Bedeutung.

5  Fazit

Die im Rahmen des HS2-Projekts durchgeführten Baugrundvereisungsarbeiten zur Herstellung der Querschläge haben gezeigt, dass eine parallele Durchführung der Arbeiten mit dem maschinellen Tunnelvortrieb grundsätzlich technisch umsetzbar ist. Allerdings bringt die gleichzeitige Ausführung der Arbeiten erhebliche baulogistische Herausforderungen mit sich. Insbesondere die eingeschränkten Platzverhältnisse im Tunnel, die begrenzte Verfügbarkeit von Transportfahrzeugen und Baumaschinen sowie die Notwendigkeit einer präzise abgestimmten Materiallogistik, z. B. für Sole, Vereisungsrohre und Ausbaumaterialien, erfordern eine hochgradig koordinierte Ablaufplanung. Verzögerungen bei der Fahrzeugdisposition, Engpässe bei der Materialanlieferung im Tunnel oder unvorhergesehene Wechselwirkungen zwischen den Gewerken, können zu erheblichen Störungen im Bauablauf führen. Eine erfolgreiche Umsetzung setzt daher eine flexible Bauablaufsteuerung, redundante Logistikkonzepte und eine enge Abstimmung zwischen den beteiligten Fachdisziplinen voraus (Bild 5).