DE10114625A1 - Vorrichtung, Verfahren und Verlegeeinrichtung zur hydraulischen Stützung eines Tunnels - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung zur hydraulischen Stützung eines Tunnels mit diesen unter Druck füllender Flüssigkeit, weist einen den Tunnel auskleidenden Schlauch auf, der die Flüssigkeit umschließt. Der Schlauch wird vorzugsweise verlegt durch rückwärtige Abgabe von einer im Tunnel vorlaufenden Verlegeeinrichtung, welche vorzugsweise einen eng gepackten Vorrat am Schlauch aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur hydraulischen Stützung eines Tunnels nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, sowie ein Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung und eine Verlegeeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Wird ein Tunnel nicht durch hochstandfesten Fels sondern durch Erdreich ge­ bohrt, so muß er anschließend ausgestützt werden, da er sonst von Bodensenkun­ gen, Einspülungen an wasserführenden Schichten oder dergleichen schnell wie­ der geschlossen wird. Nicht gattungsgemäße Vorrichtungen, z. B. bei einem Stra­ ßentunnel, weisen eine unmittelbar hinter dem Bohrschild verlegte stützende Auskleidung vor. Es kann auch ein Produktrohr, z. B. eine Gas- oder Wasserlei­ tung unmittelbar hinter einem Bohrkopf nachgeschoben werden und die sofortige Abstützung des Tunnels übernehmen.

Bei gattungsgemäßen Vorrichtungen wird der Tunnel mit geeigneten Mitteln ge­ bohrt und bis zur endgültigen Einbringung des zu verlegenden Produktrohres, Kabels oder dergleichen mit unter Druck stehender Flüssigkeit gestützt. Übli­ cherweise wird dazu eine Bohrspülung in Form einer Suspension von Bentonit und Wasser verwendet, die ein höheres spezifisches Gewicht aufweist, als Was­ ser. Die Bohrspülung steht unter dem hydrostatischen Druck ihrer Füllhöhe im Tunnel und stützt diesen gegen den Bodendruck und Grundwasserdruck ab. Die Bohrspülung erleichtert auch das spätere Einziehen eines Produktrohres, das ganz oder teilweise luftgefüllt, mit austariertem Auftrieb und somit reibungsarm über längere Strecken vorgeschoben- oder gezogen werden kann.

Der hydraulisch gestützte Tunnel bleibt solange offen, bis ein Produktrohr, z. B. eine Gas- oder Wasserleitung oder z. B. Kabel oder dergl. eingezogen werden. Der nach der endgültigen Verlegung verbleibende restliche Hohlraum ist mit der bentonithaltigen Bohrspülung gefüllt, die sich durch Gelieren verfestigt und für endgültige Stabilität sorgt.

Ein Tunnel mit hydraulischer Abstützung wird üblicherweise mittels HDD (Horizontal-Direktional-Drilling) geschaffen. Dabei wird mit einer richtungsge­ steuerten engen Bohrung vorgebohrt. Anschließend wird durch diese mit einem Gestänge ein oder mehrmals ein Räumkopf gezogen, der den Durchmesser ver­ größert. Es wird am Räumkopf bzw. Bohrkopf austretende Bohrspülung einge­ drückt, die ständig den Tunnel durchfließt, dabei den Abraum mitnimmt und die Ausstützung bewirkt. Dieses Verfahren läßt sich insbesondere auch bei der Ver­ legung von Dükern unter Flüssen oder unter sonstigem unzugänglichem Gelände verwenden, wie z. B. zur Unterquerung von Bahnen oder Straßen bzw. von Ge­ bäuden. Dieses Verfahren ist ferner kostengünstig. Allerdings setzt es ausrei­ chend standfesten Boden voraus.

Nachteilig bei der gattungsgemäßen bekannten Vorrichtung, die einen Tunnel hydraulisch stützt, sind die unsicheren Grenzverhältnisse zwischen dem Flüssig­ keitskörper im Tunnel und dem umgebenden Boden. Es kann bei ungünstigen Bodenverhältnissen zum Nachsacken des Bodens kommen. Werden stark wasserführende Schichten gekreuzt, so können diese in größeren Mengen Wasser und Sand einspülen und den Tunnel verlegen. Als Hilfsmaßnahme hiergegen wird bisher an der Baustelle das Grundwasser abgesenkt, was mit enormen Kosten verbunden ist. Bei der gattungsgemäßen bekannten Vorrichtung muß aber auch über längerer Zeit dauernd und unter hohem Materialeinsatz mit teurer Bohrspü­ lung durchgespült werden. Diese Durchspülung muß bis zur endgültigen Fertig­ stellung des Tunnels aufrechterhalten werden, da die Bohrspülung in Klüften und Gängen des Bodens bzw. in porösem Boden versickert und somit ständig nach­ geliefert werden muß. Ferner von Nachteil ist u. U. die Entstehung größerer Hohl­ räume im Bereich des Tunnels, die durch die ständige Durchspülung geschaffen werden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine hydraulische Tun­ nelstützung zu schaffen, die kostengünstig, langfristig und sicher einen Tunnel offenhält und die den Verlust teuerer Bohrspülung bzw. deren unerwünschtes Eindringen in das umgebende Erdreich vermeidet.

Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1 sowie mit einem Verfahren nach Anspruch 4 und einer Verlegeeinrichtung nach Anspruch 5 ge­ löst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung sieht zwischen der den Tunnel füllenden Flüssigkeit und der Tunnelwand einen Schlauch vor, der die Flüssigkeit um­ schließt. Damit wird das Austreten der Flüssigkeit in den umgebenden Boden verhindert und ebenso das Eindringen von Boden in den Tunnelquerschnitt. Fer­ ner wird die Durchströmung des Tunnels mit Grundwasser vermieden. Der Schlauch verhindert also jede Vermischung der im Schlauch befindlichen Flüs­ sigkeit mit umgebendem Grundwasser oder Boden. Teure Grundwasserabsen­ kungen können entfallen. In dem allseits geschlossenen Schlauch kann die Flüssigkeit gezielt unter geeignetem Druck gehalten werden, der etwas höher ist als der Bodendruck bzw. Grundwasserdruck aus der Umgebung. Als Flüssigkeit kann eine Bohrspülung verwendet werden, was jedoch nicht erforderlich ist. Es reicht einfaches Wasser. Das Wasser wird ferner sparsam verwendet, da es nicht im Boden versickert. Es ergeben sich somit erhebliche Materialeinsparungen. Der zu verlegende Schlauch kann äußerst kostengünstig ausgeführt sein. Bodenset­ zungen können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch bei sehr ungünsti­ gen Bodenverhältnissen völlig ausgeschlossen werden.

Vorteilhaft ist der Schlauch gemäß Anspruch 2 dehnfest mit dem Umfang des Tunnels ausgebildet. Dadurch wird vermieden, daß bei punktueller Belastung an einer ungünstigen Stelle der Tunnel einbrechen kann. Der Schlauch kann vorteil­ haft gemäß Anspruch 3 aus geeigneter Kunststoffolie ausgebildet sein, die sehr kostengünstig verfügbar ist.

Der Schlauch könnte bei wenigstens kurzfristig eigenstandfestem Boden in den zuvor geschaffenen Tunnel über die ganze Länge eingezogen werden und an­ schließend unter Druck gesetzt werden. Vorteilhaft wird der Schlauch jedoch gemäß Anspruch 4 verlegt, wird also von einer im Tunnel vorlaufenden Verlege­ einrichtung rückwärts abgegeben. Dies ergibt den großen Vorteil, daß die Verle­ geeinrichtung unmittelbar hinter einem Bohrkopf oder Räumkopf z. B. bei der erwähnten HDD-Methode, geführt werden kann und somit unmittelbar nach Schaffung des endgültigen Tunnelquerschnittes den stützenden Schlauch verlegt, der während des Verlegevorgangs bereits unter Druck steht und im Laufe der Verlegung unter Druck gehalten wird. Dadurch wird der Tunnel schon unmittel­ bar nach seiner Erzeugung ausgestützt, so daß auch eine Verlegung bei sehr un­ günstigen Bodenverhältnissen, wenn also der Boden sofort nachsacken würde, möglich ist.

Eine geeignete Verlegeeinrichtung könnte z. B. den Schlauch an Ort und Stelle aus einer geeigneten Kunststoffmischung herstellen und z. B. mit einer Ringdüse direkt vor Ort, also an der Tunnelwand, extrudieren. Vorteilhaft ist die Verlege­ einrichtung jedoch gemäß Anspruch 5 ausgebildet. Dabei wird der Schlauch in der Verlegeeimichtung von einem Vorrat abgenommen und nach hinten abgege­ ben. Der Schlauch kann z. B. von einem Wickel abgezogen werden. Beim HDD- Verfahren kann eine solche Verlegeeinrichtung problemlos beim letzten Räum­ schritt vom Räumkopf mitgezogen werden. Auch wenn ein sonstiger mit fertigem Sollquerschnitt vorhandener Tunnel abgestützt werden soll, läßt sich diese Verle­ geeinrichtung gut verwenden, z. B. wenn der Tunnel bereits ausgekleidet ist, bei­ spielsweise mit einem älteren Rohr, daß z. B. stellenweise defekt ist oder seine Altersgrenze erreicht hat und in dem ein neues Rohr verlegt werden soll.

Folgt die Verlegeeinrichtung jedoch einem Bohrkopf oder einem sonstigen Bo­ denabbaukopf, der den Tunnel mit vollem Querschnitt herstellt und der keine andere Verbindung zur Bodenoberfläche hat als durch den von ihm geschaffenen Tunnel hindurch, so sind durch diesen Tunnel hindurch, also durch das Innere des zu verlegenden Schlauches Leitungen, Rohr und dergleichen erforderlich, die den Abraum abführen, Bohrenergie zuführen und dergleichen. Diese müssen durch die Verlegeeinrichtung hindurch bis zum Bohrkopf geführt sein. Wenn mit Vorpreßdruck gearbeitet wird, muß ein vordrückendes Gestänge durch die Verle­ geeinrichtung hindurch auf den Bohrkopf einwirken. In diesen Fällen ist eine Verlegeeinrichtung nach Anspruch 6 vorteilhaft. Dabei ist der Schlauchvorrat in einem Ringraum am Umfang des Rohrgehäuses der Verlegeeinrichtung angeord­ net. Druckgestänge, Transportleitungen und dergleichen können durch das Innere des bereits verlegten Schlauches und durch das Innere der Verlegeeinrichtung, also durch den Vorrat hindurch bis zum Bohrkopf laufen.

In den Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise und schematisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 im Schnitt durch einen Tunnel eine erste Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 im Schnitt die in Fig. 1 dargestellte Verlegeeinrichtung,

Fig. 3 in Darstellung gemäß Fig. 1 eine Variante der Erfindung,

Fig. 4 im Schnitt einen Tunnel für eine Düker-Leitung und

Fig. 5 und 6 in Darstellung gemäß Fig. 1 die Erfindung bei anderen Verlege­ techniken.

Fig. 1 zeigt einen Tunnel 1, der von einer Baugrube 2 aus vorgetrieben wird. Er verläuft im dargestellten Beispiel unter einem Fluß 3, unter dem der Boden be­ sonders kritisch ist und z. B. durch Wassereinbruch stark gefährdet ist. Der Tun­ nel 1 wird in den stehenden Boden mit einem nicht näher erläuterten Bohrkopf 4 üblicher Bauart vorgetrieben. Dieser wird, wie näher in einem Ausschnitt gemäß Fig. 2 dargestellt ist, von hinten mit einem Produktrohr 5 abgestützt, das mit nicht dargestellten Mitteln aus der Baugrube 2 nachgedrückt wird und das in den Tun­ nel 1 verlegt werden soll. Es kann sich dabei beispielsweise um ein Wasserrohr oder dergleichen handeln.

Durch das Produktrohr 5 sind bis zum Bohrkopf 4 ein Kabel 6 zur Stromversor­ gung des Bohrkopfes und ein Rohr 7 zur Zuführung von Spülflüssigkeit verlegt. Der beim Vortrieb des Bohrkopfes 4 anfallende Abraum kann mit der Spülflüssigkeit durch ein weiteres nicht dargestelltes Rohr oder durch das Produktrohr 5 zur Baugrube 2 abgeführt werden.

Rückwärtig anschließend an den Bohrkopf 4 ist eine im einzelnen in Fig. 2 dar­ gestellte Verlegeeinrichtung 8 angeordnet. Diese besteht im Ausführungsbeispiel, wie Fig. 2 zeigt, aus einem Rohrgehäuse 9, das mit einem Flansch 9a oder sonsti­ gen Befestigungsmitteln, vorzugsweise z. B. abkoppelbar, am Bohrkopf 4 befe­ stigt ist, um von diesem gezogen zu werden. In dem Rohrgehäuse 9 ist ein Schlauch 10 in einem Vorrat 11 angeordnet, der, wie in der Zeichnung schema­ tisch angedeutet, durch wellrohrartige axiale Stauchung in enger Packung gefaltet ist und von dem der Schlauch 10, wie dies Fig. 2 zeigt, nach hinten abziehbar ist. Ein hinterer Innenflansch 12 des Rohrgehäuses 9 kann dort vorgesehen sein, um den Vorrat 11, z. B. beim Transport der Verlegeeinrichtung 8, zu halten und um eine günstige ringförmige Abzugslinie zum rückwärtigen Abziehen des Schlau­ ches 10 mit Kreisquerschnitt zu ergeben.

Der Vorrat 11 ist ringförmig der Innenwand des Rohrgehäuses 9 angelegt und läßt einen Innenraum durchgehend frei, in dem im Ausführungsbeipiel das Pro­ duktrohr 5 verläuft. Das Produktrohr 5 kann, anders als dargestellt, auch vor dem Rohrgehäuse 9 enden und mit einer durch dieses verlegten Kupplungsstange oder dergl. angekuppelt sein. Dadurch kann der Innendurchmesser des Vorrates 11 verringert und der Vorrat vergrößert werden.

Fig. 1 zeigt die Verlegeeinrichtung 8 mit dem Bohrkopf 4 im Inneren des bereits über ein Stück fertiggestellten Tunnels 1. Von der Verlegeeinrichtung 8 ab liegt der Schlauch 10 der Tunnelwand an und reicht mit seinem rückwärtigen Ende 13 bis in die Baugrube 2. Das rückwärtige Ende des Schlauches 10 ist dort auf ei­ nem Rohrstutzen 14 mit einer Schelle 15 oder dergleichen abgedichtet. Der Rohr­ stutzen 14 ist seinerseits mit einer inneren Ringdichtung 16 auf dem Produktrohr 5 abgedichtet. Der Schlauch ist ferner an seinem vorderen Ende bei 17 ringförmig befestigt. Das Innere des Schlauches ist also auch dort durch den Bohrkopf 4 ab­ gedichtet. Damit ist das Schlauchinnere allseitig abgedichtet.

Am Rohrstutzen 14 mündet innerhalb der Ringdichtung 16 eine Rohrleitung 18, die z. B. über eine Pumpe 19 oder ein gestrichelt dargestelltes Standrohr 20 ge­ eigneter Höhe mit einer Flüssigkeit unter Druck gesetzt werden kann. Als Flüs­ sigkeit kann vorzugsweise kostengünstig vorhandenes Wasser verwendet werden. Es kann auch die übliche bentonithaltige Bohrspülung verwendet werden, was jedoch nicht notwendig ist.

Wie Fig. 1 zeigt, legt sich der Schlauch 10 durch den Innendruck gegen die Wand des Tunnels 1 und kleidet diese aus. Der Innendruck ist dabei höher zu halten als der Bodendruck und der Grundwasserdruck an der tiefsten Stelle des Tunnels. Dadurch wird die Grenzfläche zwischen dem den Schlauch ausfüllenden Wasser und dem umgebenden Boden durch den Schlauch stabil gehalten. Wassereinströ­ mungen und Nachrutschen des Bodens wird sicher verhindert. Auch über längere Verlegestrecken und Verlegezeiten bleibt der so geschaffene und mit dem Schlauch 10 ausgekleidete Tunnel 1 stabil. Das Produktrohr 5 kann also über län­ gere Verlegestrecken nachgeschoben werden, ohne daß einstürzender Boden die Verlegung behindert und durch Erhöhung des Reibwiderstandes das weitere Nachschieben unmöglich macht.

Der Schlauch 10 kann aus geeigneter kostengünstiger Kunststoffolie geringer Stärke bestehen und kann insbesondere aus elastischem aber nicht dehnbarem Material bestehen, das punktförmige Belastungen, z. B. durch einen einbrechen­ den Stein besser verhindert.

Fig. 3 zeigt in der Umgebungssituation der Fig. 1 denselben Tunnel 1 mit der Verlegeeinrichtung 8 in Ausführungsform gemäß Fig. 1 und 2. In dem in Fig. 3 dargestellten Fall ist der Tunnel 1 jedoch bereits auf seiner gesamten Länge fer­ tiggestellt. Die Verlegeeinrichtung 8 wird hier nur noch mit einem Zuggestänge 21 oder z. B mit einem Seil durch den Tunnel 1 gezogen, um den Schlauch 10 zu verlegen. Es ist hier auch der Rohrstutzen 14 angedeutet, in identischer Ausfüh­ rung wie in Fig. 1 dargestellt.

Der bereits vor Verlegen des Schlauches 10 fertige Tunnel 1 kann beispielsweise in gut standfestem Boden fertig ausgebildet sein und soll nun durch Verlegen des Schlauches 10 und hydraulische Stützung langfristig gesichert werden, bis später, wie dies Fig. 3 zeigt, daß Produktrohr 5 durch den Rohrstutzen 14 nachgescho­ ben wird. Dabei kann der Tunnel 1 beispielsweise durch eine vorhandene, früher verlegte Rohrleitung gebildet sein, die durch Einziehen des Produktrohres 5 er­ neuert werden soll. Kleinere Störungen und Einbrüche können dabei durch Hin­ durchziehen der Verlegeeinrichtung 8 beseitigt werden. Es kann der Verlegeein­ richtung 8 auch ein nicht dargestellter Räumkopf vorgeschaltet sein.

Die Verlegesituation gemäß Fig. 3 kann auch vorliegen, wenn der Tunnel nach der eingangs erwähnten HDD-Methode geschaffen wurde. Dabei wird (gemäß Fig. 3) zunächst von der Baugrube 2 aus eine enge Bohrung vorgetrieben. Diese wird dann mit einem durch die Bohrung verlegten Gestänge von der anderen Seite her mit einem Räumkopf erweitert und ggf. durch mehrfaches Erweitern auf den Solldurchmesser gebracht. Dabei erfolgt hydraulische Ausstützung durch bentonithaltige Bohrspülung. Wird dann, wie Fig. 3 darstellt, anschließend die Verlegeeinrichtung 8 mit dem Gestänge 21 durch den Tunnel 1 gezogen, so be­ findet sich vor der Verlegeeinrichtung 8 bentonithaltige Bohrspülung.

Fig. 4 zeigt in einem Längsschnitt einen Tunnel 1, der auf diese Weise hergestellt zwischen den beiden Baugruben 2 unter dem Fluß 3 hindurch, zur Verlegung der Produktleitung 5 als Dükerleitung angeordnet ist.

Fig. 5 und 6 zeigen Verlegevarianten unter Verwendung der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Verlegeeinrichtung 8.

Gemäß Fig. 5 wird unter der Bodenoberfläche 22 der Tunnel 1 geschaffen. Dazu dient ein Räumkopf 23, an dem eine Schlitzfräse 24 befestigt ist, welche vom Räumkopf 23 bis über die Bodenoberfläche 22 ragt und den im Räumkopf 23 anfallenden Boden nach oben bis über die Bodenoberfläche 22 transportiert. Der Vortrieb des Räumkopfes 23 mit der Schlitzfräse 24 kann durch eine geeignete über der Bodenoberfläche 22 laufende, nicht dargestellte Vorrichtungen erfolgen. Der Räumkopf 23 könnte jedoch auch mit der Schlitzfräse 24 durch eine Pilot­ bohrung gezogen oder durch den fertiggestellten Tunnel 1 von hinten gedrückt werden. Anstelle der Schlitzfräse 24 könnte auch eine andere geeignete Vorrich­ tung zur Entfernung des Abraumes aus dem Räumkopf 23 von der Bodenoberflä­ che 22 her vorgesehen sein, z. B. ein Spülrohr oder ein Saugrohr. Der Räumkopf 23 führt die Verlegeeinrichtung 8 nach, welche in dem vom Räumkopf 23 ge­ schaffenen Tunnel 1 den Schlauch 10 verlegt. An seinem rückwärtigen Ende ist der Schlauch 10 in derselben Weise wie in Fig. 1 dargestellt abgedichtet und mit Flüssigkeit, z. B. Wasser, unter Druck gesetzt.

Fig. 6 zeigt eine Verlegevariante, bei der der Tunnel 1 ausgehend von der Bau­ grube 2 mit einer wandernden offenen Verlegegrube 25 geschaffen wird. Am Bo­ den der Verlegegrube 25 liegt die Verlegeeinrichtung 8, die hinter sich den Schlauch 10 abgibt. In der den Startpunkt bildenden Baugrube 2, ist der Schlauch 10 in der in Fig. 1 dargestellten Weise mit dem Rohrstutzen 14 versorgt.

Die Verlegegrube 25 wird laufend in Vortriebsrichtung ausgehoben und dahinter, also über dem verlegten Schlauch 10 wieder verfüllt. Zum Vortrieb der Verlege­ einrichtung 8 kann diese mit nicht dargestellten Mitteln geschleppt werden oder sie wird vom Innendruck des Schlauches 10 hydrostatisch vorwärts gedrückt.

Der Eigenvortrieb der Verlegeeinrichtung 8 unter dem hydrostatischen Druck der Flüssigkeit in Schlauch 10 kann auch bei den anderen erwähnten Verlegeverfah­ ren verwendet werden. So kann beispielsweise gemäß Fig. 5 die Verlegeeinrich­ tung 8 ohne mechanische Kopplung an den Räumkopf 23 hinter diesem durch den hydrostatischen Druck nachgeführt werden.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur hydraulischen Stützung eines Tunnels (1) mit einer diesen unter Druck füllenden Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß ein den Tunnel (1) auskleidender, an beiden Enden abgedichteter Schlauch (10) aus elastischem Material die Flüssigkeit umschließt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlauch (10) dehnfest und mit dem Umfang des Tunnels (1) ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlauch (10) aus Kunststoffolie ausgebildet ist.

4. Verfahren zur Verlegung des Schlauches (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der unter Innendruck gehaltene Schlauch (10) von einer im Tunnel (1) vorlaufenden Verlegeeinrichtung (8) rückwärts abge­ geben wird.

5. Verlegeeinrichtung (8) zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein in Vorlaufrichtung vorn geschlosse­ nes Rohrgehäuse (9) einen eng gepackten Vorrat (11) an Schlauch (10) umschließt und eine Einrichtung zur Abdichtung des Schlauches sowie an seinem rückwärtigen Ende eine Einrichtung zur Abgabe des Schlauches aufweist.

6. Verlegeeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorrat (11), dem Rohrgehäuse (9) anliegend, als nach Art eines axial ge­ stauchten Wellrohres dicht gepackte Anordnung ausgebildet ist, wobei der Schlauch (10) am vorderen Ende des Vorrates (11) geschlossen ist.