Bahntechnik für den Gotthard-Basistunnel

Rund 90 km lang ist die erste schweizerische Nord-Süd-Hochgeschwindigkeitsstrecke zwischen Zürich und Mailand mit den Bauwerken am Gotthard und am Monte Ceneri. Seit 2009 erfolgt im Gotthard-Basistunnel der Einbau der Bahntechnik: Schienen, Weichen, Fahrdraht, Stromversorgung, Telecom und eine neue Signaltechnik für bis zu Tempo 250 km/h. Auf der neuen Bahnverbindung sollen mehr und schnellere Züge verkehren können. Das sind die nach wie vor gültigen Ziele seit der Volksabstimmung im Jahr 1998 über die Finanzierung der anspruchsvollen Bahnmodernisierung. Erst die Bahntechnik macht dies nach dem eigentlichen Tunnelbau überhaupt möglich.

Bahntechnik im Gotthard-Basistunnel

Die Bahntechnik umfasst sämtliche Komponenten und Systeme, die zum engeren technischen System der Eisenbahn gehören und damit für den zukünftigen Betrieb zentral sind (Bild 1):

• Fahrbahn

• Elektrische Anlagen für die Stromversorgung der bahntechnischen und tunnelspezifischen Ausrüstungen

• Bahnstromanlagen für die Fahrstromversorgung entlang des Gotthard-Basistunnels

• Telecom-Anlagen für die Verbindung zur Umwelt

• Sicherungsanlagen für eine maximale Sicherheit.

Fahrbahn

Der Gotthard-Basistunnel erhält eine schotterlose Fahrbahn. Bei diesem System werden Schwelle und Gummischuh fest vergossen. Ein großer Vorteil dieser Fahrbahnart ist die Austauschbarkeit von Einzelelementen. Da es keine starre Verbindung von Gleisrost und Gleistragplatte gibt, ist es sogar möglich, nur auf einer Schienenseite Schwellen auszutauschen. Im Gotthard-Basistunnel liegt die Gleistragplatte direkt auf dem Sohlgewölbe des Rohbaus.

Bahnstromversorgung und Fahrleitungsanlagen

Der Mischverkehr durch den Gotthard-Basistunnel stellt hohe Anforderungen an die Bahnstromversorgung und die Fahrleitungsanlagen. Die Bahntechnikspezialisten mussten technisch anspruchsvolle Lösungen finden. So fordert zum Beispiel die Höchstgeschwindigkeit von Reisezügen von 250 km/h eine möglichst leichte Fahrleitung. Die großen Ströme, die zur Traktion der schweren Güterzüge nötig sind, verlangen hingegen große Leiterquerschnitte. Die optimale Lösung im Gotthard-Basistunnel bietet eine konventionelle Kettenwerkfahrleitung. Das System weist einen großen Gesamtquerschnitt auf, und die Transitströme werden weitgehend in den Feederleitungen geführt. Dadurch ist es möglich, das Fahrleitungs-Kettenwerk leicht zu bauen und auf die mechanischen Anforderungen zu optimieren. In der Schweiz beziehen alle 16,7-Hz-Bahnen die Energie aus einem zentralen Hochspannungsnetz, das größtenteils mit 132 kV betrieben wird. Für den Gotthard-Basistunnel sind bei den Zugangsstollen in Amsteg und Faido Unterwerke vorgesehen, welche die Fahrstromversorgung speisen. Weitere Einspeisestellen für den Basistunnel befinden sich bei den Portalen. Beim Nordportal erfolgt die Einspeisung über die Stromversorgung der bestehenden Stammstrecke, beim Südportal ist das neue Unterwerk Pollegio vorgesehen (Bild 2).

Stromversorgung der Infrastruktur

Die 50 Hz Stromversorgung im Gotthard-Basistunnel muss höchsten Ansprüchen bezüglich Sicherheit und Verfügbarkeit genügen. Die Stromversorgung erfolgt deshalb über 3 weitgehend unabhängige Hochspannungsnetze nördlich und südlich der Alpen. Alle Verbraucher werden redundant und mit der nötigen Unabhängigkeit versorgt.

Kabelanlagen

Weil im Basistunnel außerordentliche klimatische Bedingungen mit Temperaturen von bis 40 °C herrschen und der Zugang für Erhalt und Unterhalt schwierig ist, befinden sich im Tunnel nur die nötigsten Einrichtungen. Das Kabelnetz für die 50 Hz Stromversorgung umfasst rd. 1100 km Hochspannungs- und ca. 1050 km Niederspannungskabel. Für die Datenübertragung legt man 1100 km Lichtwellenleiter. Um mechanische Beschädigungen zu vermeiden, liegen die Kabel in Rohrblöcken in den seitlichen Banketten.

Kommunikation und Datenübertragung

Die Bahntechnik ist in hohem Grad automatisiert. Deshalb ist ein äußerst zuverlässiges System zur Informationsübermittlung nötig, und zwar sowohl zur Übertragung von Daten als auch von Sprache. Eine wichtige Rolle spielt dabei die festnetzbasierte Kommunikation, welche die verschiedenen Komponenten der Bahntechnik im Gotthard-Basistunnel zu einem Ganzen verknüpft. Dazu gehören das Datennetz, das die Prozess- und Betriebsdaten überträgt, und das Kommunikationssystem, das die leitungsgebundenen Sprachbedürfnisse abdeckt. Mobile Kommunikationsmittel setzt man zu betrieblichen Zwecken ein (GSM-R, Funksysteme, Führerstandsignalisierung), aber auch die Passagiere haben auf ihrer Fahrt durch den Basistunnel Zugriff auf die Dienste der öffentlichen Mobilfunkanbieter. Um die verschiedenen Dienste zu gewährleisten, ist ein leistungsfähiges und hoch verfügbares Tunnelfunksystem nötig, das als Übertragungs- und Abstrahlmedium dient.

Sicherungsanlagen

Die Sicherungsanlagen dienen der Steuerung und Überwachung der Bewegungsräume der Züge und bieten einen sehr hohen Automatisierungsgrad. Sie vernetzen Signale, Gleisfreimeldesystem und Weichen miteinander. Natürlich müssen auch diese zentralen Teile der bahntechnischen Ausrüstung sehr hohen Sicherheits- und Verfügbarkeitsanforderungen genügen. Bereits kleine Fehler würden zu direkten Betriebsbehinderungen oder sogar zu Gefährdungen führen. Die Sicherungsanlagen des Gotthard-Basistunnels umfassen folgende Anlagen:

• Stellwerke und Gleisfreimeldeeinrichtungen, Steuerung der Weichenantriebe

• Bahnleittechnik inkl. Bedienung und Anzeige, Zuglenkung und zusätzliche Funktionen

• Führerstandsignalisierung mit Streckenzentrale (Radio Block Center) und Balisen am Gleis.

Führerstandsignalisierung

Der Gotthard-Basistunnel wird mit dem europaweit normierten Signal- und Zugsicherungssystem ERTMS/ETCS (European Train Control System) Level 2 ausgerüstet. Als Basis für die Fahrwegsicherung dient nach wie vor das Stellwerk mit den üblichen Gleisfreimeldeeinrichtungen. Der wesentliche Unterschied zu konventionellen Zugsicherungssystemen liegt jedoch darin, dass anstelle von ortsfesten optischen Signalen die elektronische Führerstandsignalisierung zum Einsatz kommt. Der Lokführer erhält alle relevanten Informationen durch Funk auf die Anzeige im Führerstand übermittelt. Diese Führerstandsignalisierung ermöglicht hohe Geschwindigkeiten bei kürzeren Zugfolgezeiten. Langfristig soll ETCS die vielen verschiedenen Zugsicherungssysteme und Zugleitsysteme ablösen, die innerhalb von Europa eingesetzt werden und nicht kompatibel sind. Dadurch wird ein Beitrag an die Interoperabilität geleistet (Bild 3).

Leittechnik und Betrieb

Die Tunnelleittechnik stellt die zuverlässige, sichere Überwachung und Steuerung der technischen Systeme im Gesamtsystem Gotthard-Basistunnel sicher. Das Bahnleitsystem ist verantwortlich für die übergeordnete Stellwerkanzeige und -bedienung, für die Detektion von Unregelmäßigkeiten bei den Zufahrten zum Gotthard-Basistunnel und für die Verbindung der Sicherungsanlagen zu den übrigen Anlagen. Vom Centro d’Esercizio Pollegio (CEP) im Tessin aus wird der komplette Betrieb der Gotthardachse von Arth-Goldau bis an die Grenze zu Italien gesteuert. Dies umfasst die Regelung, Überwachung und Disposition des Zugverkehrs, aber auch die Steuerung sämtlicher technischer, nicht betriebsspezifischer Systeme und Einrichtungen des Gotthard- und Ceneri-Basistunnels. Im CEP befindet sich zudem die zentrale Anlaufstelle für die Koordination der Erhaltungsteams in den beiden Basistunneln. Im Ereignisfall richten sich auch die Interventionskräfte hier ein.

Vom Werkvertrag zum Einbau – ein langer Weg

Die Erfahrungen der Schweizerischen Bundesbahnen mit verschiedenen Ausschreibungsarten bei Hochgeschwindigkeitsstrecken wie Zürich–Thalwil oder Mattstetten–Rothrist und des europäischen Umfelds mit Eurotunnel, Köln–Rhein/Main zeigten, dass eine Generalunternehmerausschreibung die geringsten Risiken aufweist. Dabei wird ein detailliertes Bauprojekt als Basis für die Ausschreibung des Generalunternehmers erstellt. Ein Generalunternehmer erhält schließlich den Auftrag zur Ausführungsprojektierung, Ausführung und Inbetriebsetzung der gesamten Bahntechnik.

Risiken

Häufiger Streitpunkt in der Bauphase ist die nicht ausreichend definierte Risikoabgrenzung und -verteilung. Durch das gewählte Vorgehen konnte man die Risiken bereits vor der Werkvertragsunterzeichnung identifizieren und klar zuordnen. Auch nach der Unterzeichnung des Werkvertrags trägt die AlpTransit Gotthard AG weiterhin namhafte Risiken:

• Das Überschreiten der werkvertraglich definierten Maximaltemperaturen. Die Simulationen zeigen, dass die Temperaturen in den Tunnelröhren im Vergleich zu den bestehenden Alpentunneln sehr hoch sein werden.

• Politisch, rechtlich und nahtstellenbedingte Bestellungsänderungen und das damit zusammenhängende Claim Management. Die Bestellungsänderungen dienten bisher vor allem erhöhten Sicherheitsanforderungen, der Modernisierung der Bahntechnik oder Verbesserungen für Bevölkerung und Umwelt.

Größter Werkvertrag der NEAT

Der vorliegende Werkvertrag Bahntechnik regelt die Planung, Entwicklung, Fabrikation, Lieferung und Montage der gesamten bahntechnischen Ausrüstung des Gotthard-Basistunnels inklusive der offenen Neubaustrecken Nord und Süd, die Integration, die Inbetriebsetzung und die Erhaltung bis zur Abnahme des Werkes. Mit einer Vertragssumme von rd. 1,69 Mrd. CHF ist es der größte Vertrag der AlpTransit Gotthard AG. Auch weltweit ist es einer der größten Verträge im bahntechnischen Bereich, die je unterschrieben wurden. Die Unterzeichnung des Werkvertrages Bahntechnik durch das beauftragte Konsortium und die AlpTransit Gotthard AG erfolgte am 29. April 2008. Damit war die Bahn frei für den Start der Arbeiten.

Baubeginn der Bahntechnik am Gotthard-Basistunnel

Der Einbau der Bahntechnik in den Gotthard-Basistunnel ist eine komplexe und anspruchsvolle Aufgabe. Für den termin- und kostengerechten Abschluss der Arbeiten ist eine gute Koordination zwischen Rohbau und Ausrüstung und den einzelnen Bahntechnikbereichen ebenso entscheidend wie ein flexibler Einbauplan. Der Einbau der Bahntechnik und die gesamte Inbetriebsetzung dauern rd. 8 Jahre.

Nach einem Jahr intensiver Planung und Projektierung begannen im Tessin die ersten Arbeiten für die bahntechnische Ausrüstung des Gotthard-Basistunnels. Seit Mai 2009 baut der Bahntechnikunternehmer die Zufahrtsgleise vom Bahnhof Biasca bis zum Installationsplatz der Bahntechnik. Von Sommer 2009 bis Frühling 2010 entstanden auf der rd. 60.000 m² großen Fläche des Installationsplatzes Unterkünfte für 230 Arbeiter, eine Kantine, Montagehallen für die Vormontage der Bahntechnik-Komponenten, Lagerhallen und Lagerflächen im Freien, eine Leitstelle zur Überwachung des Baustellenverkehrs im Tunnel und diverse Werkgleisanlagen. Die Installation der temporären und der ersten bleibenden Anlagen in den Tunnel ab dem Südportal in Bodio begann im Mai 2010. Seit September 2010 erfolgt der schienengebundene Einbau der festen Fahrbahn (Bild 4).

Einbau der Bahntechnik

Für die Bahntechnikspezialisten sind die komplexen Rahmenbedingungen beim Einbau der Bahntechnik eine große Herausforderung. Entsprechend aufwändige Vorbereitungen waren vor dem Start der Arbeiten nötig.

• In den beiden 57 km langen Einspurröhren des Gotthard-Basistunnels ist das Kreuzen, Überholen oder Wenden mit Pneufahrzeugen unmöglich oder erschwert. Zudem sind nur die beiden Portale leistungsfähige Zugänge in das Tunnelsystem. Praktisch alle Transporte finden darum auf den Schienen ab den beiden Hauptinstallationsplätzen in Erstfeld (Nordportal) und Biasca (Südportal) statt.

• Die teilweise sehr langen Transportwege erfordern eine ausgeklügelte Logistik. Mit fortschreitenden Arbeiten ergeben sich Distanzen von bis zu 40 km.

• Zudem herrschen im Tunnel extreme Klimabedingungen. Zum Schutz vor den hohen Temperaturen und der Luftfeuchtigkeit werden viele Anlagen in Schränken und Containern untergebracht. Für die Arbeiter, die die bahntechnische Ausrüstung einbauen, gibt es während der Ausrüstungsphase eine Baulüftung und Kühlung.

Fahrbahn als Taktgeber des Einbaus

In jedem Tunnelabschnitt erfolgt der Bahntechnikeinbau in derselben Reihenfolge. Zuerst werden Bauprovisorien und Kabel eingebaut. Danach folgt der Einbau der Festen Fahrbahn. Sie stellt die schienenbasierte Transportlogistik für die übrigen Gewerke sicher. Das Fahrleitungstragwerk wird parallel zur Ausrüstung der Querschläge eingebaut. Dann folgen Drahtwerk, die Verknüpfung der Datenpunkte und technischen Systeme und schließlich die Inbetriebsetzung (Bild 5).

Anspruchsvolle Materiallogistik

Damit die richtigen Bahntechnikkomponenten zur geplanten Zeit am exakten Ort im Tunnel zum Einbau zur Verfügung stehen, ist eine effiziente Materiallogistik unerlässlich. Viele Elemente werden maßgefertigt und müssen rechtzeitig bestellt, in der gewünschten Qualität produziert und geliefert werden. Auf den Installationsplätzen werden die Komponenten zwischengelagert, gemäß dem Tagesbedarf konfektioniert und zur Montage in den Tunnel transportiert.

Inbetriebsetzung

Die Inbetriebsetzung des Gotthard-Basistunnels wird in mehreren Schritten vollzogen. Nach Abschluss des Einbaus werden sämtliche Komponenten und Anlagen in Teilprüfungen auf ihre Funktionalität getestet. Nach erfolgreichem Abschluss dieser Prüfungen folgt die eigentliche Inbetriebsetzung. Diese ist in 2 Phasen unterteilt:

• Phase A:

Die AlpTransit Gotthard AG als Erstellerin weist die Funktionalität und Sicherheitsanforderungen des Basistunnels nach. Im Testbetrieb wird mit Zugfahrten über Monate das Zusammenspiel aller Tunnelkomponenten ausgiebig getestet.

• Phase B:

Der Probebetrieb steht unter der Hauptverantwortung der SBB AG, der künftigen Betreiberin der Basistunnel. Erst wenn nachgewiesen ist, dass der Betrieb mit Personen- und Güterzügen, der Personaleinsatz und die Ereignisbewältigung reibungslos funktionieren, wird vom zuständigen Bundesamt für Verkehr die Betriebsbewilligung für den kommerziellen, fahrplanmäßigen Betrieb erteilt.

Teststrecke Faido–Bodio West

Als erster Tunnelbereich wird die Weströhre zwischen Faido und Bodio mit den bahntechnischen Anlagen ausgerüstet. Auf diesem über 15 km langen Abschnitt werden bereits ab 2013 Testfahrten mit Geschwindigkeiten bis zu 200 km/h erfolgen. Dadurch kann das komplexe Zusammenspiel aller bahntechnischen Systeme ausgiebig getestet werden. Die Erkenntnisse werden für den Einbau und die Inbetriebsetzung der Bahntechnik auf den weiteren Strecken des 57 km langen Gotthard-Basistunnels verwendet werden.

Die Zukunft ist im Bau

Vor über 100 Jahren entstand in Europa das erste alpenquerende Eisenbahnnetz. Mit der Unterzeichnung des Werkvertrags und dem Start der Bahntechnikarbeiten hat nach den Durchschlägen der Tunnelbauer am Gotthard-Basistunnel die letzte Etappe auf dem Weg zu einem neuen Zeitalter für den Verkehr durch die Alpen begonnen.

Wann ist Hochgeschwindigkeit möglich?

Als Hochgeschwindigkeitsstrecke wird eine Eisenbahnstrecke bezeichnet, die mit mindestens 200 km/h befahren werden kann. Auf der AlpTransit-Achse liegen die Reisegeschwindigkeiten zwischen 200 und 250 km/h. Dabei gilt es, einige Dinge genauer zu betrachten.

• Linienführung:

Hohe Geschwindigkeiten verlangen eine möglichst gerade Linienführung mit geringen Steigungen. Beim Projekt AlpTransit müssen Kurven einen Radius von mindestens 5000 m haben. Die Neigung beträgt auf der offenen Strecke maximal 12,5 ‰, im Tunnel wegen des erhöhten Luftwiderstandes nur 8 ‰.

• Sicherheit:

Aus Sicherheitsgründen gibt es keine Straßenübergänge – das erfordert Kunstbauten wie Brücken oder Unterführungen.

• Unterhalt:

Wegen der hohen Fahrplandichte und der hohen Geschwindigkeit der Züge ist es nicht möglich, Unterhaltsarbeiten an einem befahrenen Gleis durchzuführen. Damit an einem Gleis sicher gearbeitet werden kann, betragen die Gleisabstände im Freien 5,5 m. Ein Schutzgeländer hindert die Arbeiter daran, das befahrene Gleis zu betreten. Im Tunnel wird bei Unterhaltsarbeiten die ganze Röhre gesperrt.

• Führerstandsignalisierung:

Bei hoher Geschwindigkeit können die Lokführer stationäre Signale nicht mehr eindeutig wahrnehmen. Deshalb müssen die Signale in den Führerstand übermittelt werden. Für die Gotthardachse kommt das System ERTM/ETCS zum Einsatz.