Eine Tunnelbohrmaschine (TBM) ist eine Spezialmaschine für den maschinellen Vortrieb kreisförmiger Tunnel durch unterschiedliche geologische Formationen – von weichem Sand über bindige Böden bis zu hartem Felsgestein. Die TBM ersetzt das traditionelle Sprengverfahren und ermöglicht einen kontrollierten, erschütterungsarmen Tunnelvortrieb mit glatter Tunnelwand, was insbesondere in urbanen Umgebungen und unter Flüssen kritische Bedeutung hat.

Aufbau und Funktionsprinzip der Tunnelbohrmaschine

Das Herzstück der TBM ist der rotierende Bohrkopf mit bis zu 19 Meter Durchmesser. In die Bohrkopfscheibe sind rund 60 Rollenmeißel aus hochlegiertem Stahl eingelassen, jeder mit 43 Zentimetern Durchmesser. Auf jeden einzelnen Meißel wirken Kräfte bis zu 32 Tonnen. Durch die Abrollbewegung brechen einzelne Gesteinsstücke – in der Fachsprache „Chips" genannt – aus dem anstehenden Gebirge und rutschen über integrierte Kanäle zum Zentrum der Maschine. Ein trichterförmiger Muckring leitet die Chips auf ein Förderband, das das Ausbruchmaterial aus dem Tunnel transportiert. Alternativ kommen schienengebundene oder gleislose Fahrzeuge für den Materialtransport zum Einsatz.

Die gesamte TBM bildet einen über 200 Meter langen Maschinenzug aus Stahl mit einem Gesamtgewicht von über 1.000 Tonnen. Große Tunnelbohrmaschinen verfügen über mehr als 5.700 PS Leistung und erreichen eine Vortriebsgeschwindigkeit von rund 1,7 Meter pro Stunde, was 41 Meter Tagesvortrieb entspricht. Für den Vortrieb nutzt die TBM hydraulische Vortriebspressen, die sich am zuletzt gebauten Tunnelring abstützen.

Vortriebstechnik für unterschiedliche Geologie

Je nach Baugrund kommen unterschiedliche Vortriebstechniken zum Einsatz. Die Wahl der Technik hängt entscheidend von der Geologie ab – ob unter einem Fluss, durch einen Berg oder unter städtischer Bebauung hindurch. Die Druckverhältnisse spielen dabei eine entscheidende Rolle: Bei Flussunterquerungen herrschen Wasserdrücke von über 15 Bar – zum Vergleich trägt ein Autoreifen rund 2,5 Bar.

In weichen, bindigen Böden kommen Vortriebsmaschinen mit Erddruckstützung (EPB) zum Einsatz. Hierbei dient ein Erdbrei aus abgebautem Material als plastisches Stützmedium. Dieses ermöglicht den nötigen Ausgleich der Druckverhältnisse an der Ortsbrust – der Fläche, an der der Materialabbau stattfindet. Das Verfahren verhindert ein unkontrolliertes Eindringen des Bodens in die Maschine und schafft die Voraussetzung für einen schnellen und weitestgehend setzungsfreien Vortrieb.

Beim Vortrieb im Hartgestein kommt die Gripper-TBM zum Einsatz. Der Name leitet sich von den seitlich ausfahrbaren Hydraulikzylindern ab, die die Gripperplatten oder Gripper tragen. Mithilfe von direkt hinter dem Bohrkopf installierten Felssicherungsmaßnahmen können Gripper-TBM auch in brüchigen geologischen Formationen eingesetzt werden.

Tübbingausbauverfahren: Fertiger Tunnel hinter dem Bohrkopf

Besonders bemerkenswert ist das Tübbingausbauverfahren, bei dem einzelne Betonfertigteile – sogenannte Tübbinge – die Tunnelwandung bilden. Die Segmente werden durch den fertiggestellten Tunnelbereich transportiert und direkt hinter der Tunnelbohrmaschine mit einem fernbedienbaren Kranarm, dem Erektor, zu geschlossenen Ringen verbunden. Das Ergebnis ist ein nahezu fertiger Tunnel unmittelbar hinter dem Bohrkopf. Diese Methode liefert eine tragfähige, wasserundurchlässige Tunnelröhre ohne nachträgliche Verkleidungsarbeiten.

Im Vergleich zum traditionellen Sprengverfahren bietet der TBM-Vortrieb mehrere entscheidende Vorteile: Die glatte Tunnelwand macht einen Tunnelliner häufig überflüssig und senkt dadurch die laufenden Betriebskosten. Das umgebende Gestein bleibt weitestgehend ungestört, was das Risiko von Gebirgsbewegungen oder Einstürzen minimiert. In Innenstadtlagen und unter dicht besiedelten Gebieten spielt die Erschütterungsfreiheit des Verfahrens eine zentrale Rolle.

Einsatzspektrum und Maschinengrößen

Tunnelbohrmaschinen decken ein breites Einsatzspektrum ab. Sie bohren Tunnel mit Durchmessern zwischen 40 Zoll (etwa einem Meter) und 60 Fuß (rund 18 Meter). Damit eignen sie sich sowohl für Versorgungstunnel und U-Bahn-Röhren als auch für große Verkehrstunnel und Wasserkraftstollen. Hersteller wie Herrenknecht haben TBM-Projekte in verschiedenen geologischen Umgebungen realisiert – vom dominikanischen Wasserkraft-Projekt mit 4,50 Meter Bohrdurchmesser bis zu innerstädtischen U-Bahn-Projekten wie der Düsseldorfer Wehrhahnlinie mit 9,49 Meter Durchmesser.

Planung und geologische Voruntersuchung

Der Einsatz einer Tunnelbohrmaschine erfordert sorgfältige Planung und eine gründliche geologische Voruntersuchung. Bohrkernentnahmen, Stress-Tests und Georadar-Vermessungen liefern Informationen über Gesteinstypen, Klüftung, Wasserführung und Druckverhältnisse. Diese Daten bestimmen die Wahl der Vortriebstechnik, die Auslegung des Bohrkopfs und die Dimensionierung der Stützung. Besonders in urbanen Lagen muss die TBM zudem positive Gesichtskontrolle gewährleisten – ein System, das Setzungen der Geländeoberfläche kontrolliert und verhindert.

Ausblick: TBM-Technik in Großprojekten

Großprojekte wie der Gotthard-Basistunnel mit 57,1 Kilometern Länge, der nach 17-jähriger Bauzeit eröffnet wurde, wären ohne moderne Tunnelbohrmaschinen-Technik nicht realisierbar gewesen. Die kontinuierliche Weiterentwicklung der TBM-Technologie betrifft vor allem die Automatisierung des Vortriebsprozesses, die Integration von Telematik für Fernüberwachung und vorausschauende Wartung sowie die Entwicklung von Bohrkopf-Designs für wechselhaftes Gebirge. Für innerstädtische Tunnelprojekte gewinnen zudem elektrische Antriebssysteme an Bedeutung, die Emissionen und Lärmentwicklung weiter reduzieren.