DE102004020065B3 - Rohrverbindung - Google Patents
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Abstract
Eine Rohrverbindung eines Hüllrohrs, das beim Schlag- oder Drehschlagbohren von Bohrungen eines Rohrschirms beim Vortrieb eines Tunnels verwendet wird, wobei der Rohrschirm aus einer Mehrzahl sich am Profilumfang in Längsrichtung des Abbaus erstreckenden Bohrungen besteht, in die jeweils eine Mehrzahl von miteinander zu verbindenden Rohrelementen eingezogen sind, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrenden (3, 4) der Rohrelemente (1, 2) als Muffenenden (3) und in die Muffenenden (3) eingreifende Spitzenden (4) ausgebildet sind, wobei die Rohrelemente (1, 2) durch eine radial nach innen gerichtete, zumindest bereichsweise Verpressung des Muffenendes (3) in dafür vorgesehene Vertiefungen (11, 12) des Spitzendes (4) formschlüssig fest miteinander verbunden sind. Eine Vorrichtung zur Herstellung dieser Rohrverbindung besitzt geeignete Mittel zum radial nach innen gerichteten, zumindest bereichsweisen Verpressen des Werkstoffs des Muffenendes in Vertiefungen des Spitzendes.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Rohrverbindung eines Hüllrohrs, das beim Schlag- oder Drehschlagbohren von Bohrungen eines Rohrschirms beim Vortrieb eines Tunnels verwendet wird, wobei der Rohrschirm aus einer Mehrzahl sich am Profilumfang in Längsrichtung des Abbaus erstreckenden Bohrungen besteht, in die jeweils eine Mehrzahl von miteinander zu verbindende Rohrelemente eingezogen sind.
- Es ist bekannt, in Lockergesteinsstrecken sowohl das Jetting-Verfahren als auch das Rohrschirmverfahren einzusetzen. Vor dem Kalotten-Ausbruch wird beim Jetting-Verfahren ein "Schirm" im Lockergestein erstellt, der aus einzelnen Säulen besteht. Für diesen Schirm werden dreißig oder mehr leicht nach oben geneigte und dicht aneinander gereihte Löcher von ca. 15 cm Durchmesser gebohrt. Beim Zurückziehen der Bohrrohre wird das Lockergestein unmittelbar mit einem Zementstrahl ausgefüllt, der unter hohem Druck steht. Somit bestehen die Jet-Säulen aus Beton und Zement. Sie schließen sich zu einem tragfähigen "Jet-Schirm", der einerseits die Stabilität des Hohlraums gewährleistet und andererseits die Arbeiter vor niederfallendem Gestein schützt. Das Rohrschirm-Verfahren ist mit dem Jetting-Verfahren vergleichbar. Der Rohrschirm wird vor dem Kalotten-Ausbruch im Lockergestein erstellt. Im Unterschied zum Jet-Schirm besteht der Rohrschirm aus Stahlrohren. Das Rohrschirm-Verfahren wird bei geringer Gebirgsüberdeckung oder beim Tunnelbau nahe unterhalb von Gebäuden, jedenfalls meistens in bindigen Böden angewendet. Ein Rohrschirm und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Rohrschirms beim Vortrieb eines Tunnels ist in der
DE 200 09 667 U1 beschrieben. - Die
AT 408 472 B - Es ist bekannt, die einzelnen Rohrelemente durch eine Gewindepaarung miteinander zu verbinden. Die Herstellung des Innen- und Außengewindes sowie das Verbinden der Rohrenden vor Ort ist relativ aufwendig und damit kostenintensiv. Bei Hüllrohren, die primär auf Zug beansprucht werden, steht ein derart hoher fertigungstechnischer Aufwand zur Herstellung einer Rohrverbindung in einem ungünstigen Verhältnis zur eigentlichen Funktion des Hüllrohrs.
- Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Rohrverbindung eines Hüllrohrs, das beim Schlag- oder Drehschlagbohren von Bohrungen eines Rohrschirms beim Vortriebs eines Tunnels verwendet wird, aufzuzeigen, die einfach und kostengünstig herstellbar ist, sowie eine Vorrichtung zur Herstellung einer Rohrverbindung anzugeben.
- Der erste Teil dieser Aufgabe ist bei einer Rohrverbindung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 dadurch gelöst, dass die Rohrenden der Rohrelemente als Muffenenden und in die Muffenenden eingreifende Spitzenden ausgebildet sind, wobei die Rohrelemente durch eine radial nach innen gerichtete, zumindest bereichsweise Verpressung des Muffenendes in dafür vorgesehene Vertiefungen des Spitzendes formschlüssig zugfest miteinander verbunden sind. Eine solche Verbindung kann mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 13 hergestellt werden.
- Die erfindungsgemäße Rohrverbindung erfordert nicht die Herstellung von aufwendigen Gewindepaarungen, die grundsätzlich mit hoher Genauigkeit gefertigt werden müssen, um eine einwandfreie Verbindung der Rohrenden zu ermöglichen. Für den vorgesehenen Anwendungsbereich der Hüllrohre ist es vollkommen ausreichend, die einzelnen Rohrelemente zugfest miteinander zu verbinden. Eine Übertragung eines Drehmomentes, wie es Gewindepaarungen ermöglichen, ist bei Hüllrohren nicht zwingend erforderlich. Daher kann diese Funktion bei einer Hüllrohrverbindung entfallen. Das formschlüssige, zugfeste miteinander Verbinden durch plastische Verformung des Muffenendes ist mit einfachen technischen Mitteln vor Ort realisierbar. Es ist fertigungstechnisch lediglich erforderlich, den Außendurchmesser des Spitzendes auf den Innendurchmesser des Muffenendes abzustimmen und am Spitzende geeignete Vertiefungen vorzusehen, um das verpresste Material des Muffenendes aufzunehmen. Die Vertiefungen sind so angeordnet und hinsichtlich ihrer Geometrie derart bemessen, dass eine für den spezifischen Anwendungsfall hinreichende Zugfestigkeit gewährleistet werden kann. Darüber hinaus ist es im Rahmen der erfindungsgemäßen Rohrverbindung selbstverständlich möglich, die Vertiefungen derart zu gestalten, dass eine Drehmomentübertragung möglich ist. Die Vertiefungen könnten zu diesem Zweck Mulden oder Löcher im Spitzende sein, wobei Material des Muffenendes durch lokalisierte plastische Verformung in diese Mulden oder Löcher in der Wandung des Muffenendes eingepresst wird. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, vollständig um die Umfangsfläche eines Spitzendes verlaufende in einer Radialebene liegende rillenförmige Vertiefungen vorzusehen.
- Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Rohrverbindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
- Vorzugsweise sind die Kontaktflächen der Spitzenden und der Muffenenden konisch ausgebildet und besitzen einen Konuswinkel in einem Bereich von 0,1 ° bis 3°. Insbesondere besitzen sie einen Konuswinkel von 0,3° bis 1,0°. Bevorzugt beträgt der Konuswinkel 0,5°.
- Die Länge der Rohrenden liegt vorzugsweise in einem Bereich von 60 % bis 100 des Außendurchmessers der Rohrelemente, vorzugsweise zwischen 80 % und 90 %.
- Die Spitzenden besitzen an ihrem Außenumfang als Vertiefung wenigstens eine, vorteilhaft mehrere, umlaufende Nuten, die zur Aufnahme des verpressten Materials des Muffenendes dienen. Die Nuten können über die Länge des Spitzendes gleichmäßig verteilt sein, um eine gleichmäßige Kraftübertragung zu ermöglichen. In vorteilhafter Ausgestaltung ist eine erste Nut in einem Abstand von 20 % bis 40 %, insbesondere 30 %, von der Stirnseite des Spitzendes angeordnet. Eine weitere Nut ist vorzugsweise in einem Abstand von der Stirnseite des Spitzendes zwischen 70 und 90 %, insbesondere in einem Abstand von 80 %, der Länge des Spitzendes angeordnet.
- Die Nuttiefe liegt vorteilhafterweise zwischen 30 % bis 80 %, insbesondere 50 %, der mittleren Wandstärke des Spitzendes.
- Ein besonders vollflächiges Anliegen des verpressten Materials am Nutgrund wird insbesondere dann erreicht, wenn der Nutgrund der Nuten gerundet ist. Ein Rundungsradius von 5 mm bis 10 mm, insbesondere 6 mm hat sich als geeignet erwiesen.
- Der Werkstoff des Muffenendes ist zumindest auf einem Umfangsteilbereich formschlüssig in die Nut des Spitzendes gepresst. Vorzugsweise ist der Werkstoff über den gesamten Umfang formschlüssig in die Nuten gepresst. Es kann für bestimmte "Anwendungsfälle" jedoch ausreichend sein, den Werkstoff des Muffenendes nur auf einem Umfangsteilbereich zu verpressen, wenn bereits eine teilweise Verpressung eine hinreichend kraftschlüssige zugfeste Verbindung ermöglicht. Herstellungstechnisch ist es grundsätzlich günstiger, die Nuten umlaufend zu gestalten, selbst wenn nur ein Teilbereich der Nut zur Kraftübertragung genutzt wird.
- Die kraftschlüssige Verbindung wird primär auf Zug beansprucht, wobei selbstverständlich auch eine Schubbeanspruchung der Rohrverbindung möglich ist. Um die Schubfestigkeit der Rohrverbindung zu erhöhen, können die Rohrenden in ihrer Länge durch einen Ringkragen begrenzt sein, so dass Schubkräfte auch über den Ringkragen in das angrenzende Rohrelement einleitbar sind.
- In Patentanspruch 13 wird eine Vorrichtung zur Herstellung der erfindungsgemäßen Rohrverbindung gemäß den Merkmalen der Patentansprüche 1 bis 12 beansprucht. Diese Vorrichtung umfasst Mittel zur gegenseitigen Lageorientierung der Rohrenden in einer Verbindungsposition sowie Mittel zum radialen nach innen gerichteten, zumindest bereichsweisen Verpressen des Werkstoffs des Muffenendes in Vertiefungen des Spitzendes. Bei Vertiefungen in Form von umlaufenden Nuten ist es grundsätzlich denkbar, dass der Werkstoff durch Einrollen in diese Nuten radial nach innen zu verlagern ist und auf diese Weise eine formschlüssige zugfeste Verbindung hergestellt wird. Es ist allerdings auch möglich Mittel zum Verpressen vorzusehen, die auf dem Umfang des Rohrelements gleichmäßig verteilt angeordnet sind, wobei sich die radial nach innen gerichteten Verpresskräfte beim Verpressen gegenseitig aufheben. Auf diese Weise kann einer Verformung der Rohrverbindung vorgebeugt werden. Die Mittel zum Verpressen können insbesondere sternförmig aus vorzugsweise drei oder mehr Richtungen gleichzeitig wirken.
- Es ist möglich, dass in einem ersten Verpressvorgang Werkstoff des Muffenendes in eine erste Nut verpresst wird und nach dem axialen Verlagern der zu verbindenden Rohrelemente Werkstoff des Muffenendes in eine zweite Nut verpresst wird. Grundsätzlich können die Mittel zum Verpressen aber auch dafür vorgesehen sein, Werkstoff des Muffenendes in mehrere Nuten gleichzeitig zu verpressen.
- Bei sternförmig, um z.B. 120° oder 90° zueinander versetzt, angeordneten Mitteln zum Verpressen wird lediglich ein Umfangsteilbereich des Muftenendes radial verpresst. Durch Drehen der Rohrenden um ihre Längsachse in vorgegebenen Winkelschritten kann ein vollständiges Verpressen des Muffenendes erzielt werden. Hierzu kann die erfindungsgemäße Vorrichtung Mittel zum Drehen der zu verbindenden Rohrelemente zwischen zwei Verpressvorgängen umfassen. Ebenso können Mittel zur axialen Verlagerungen der Rohrelemente vorgesehen sein, wenn mehrere Nuten nacheinander verpresst werden sollen. Die Mittel zur axialen Verlagerung können des Weiteren zur Beschickung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, sowie zur gegenseitigen Positionierung der zu verbindenden Rohrenden vorgesehen sein.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in schematischen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
-
1 miteinander zu verbindende Rohrelemente eines Hüllrohrs im Längsschnitt; -
2 die miteinander verbundenen Rohrenden der1 , ebenfalls im Längsschnitt und -
3 eine Vorrichtung zur Herstellung der Rohrverbindung gemäß2 . -
1 zeigt die Endbereiche zweier Rohrelemente1 ,2 eines Hüllrohrs, das beim Schlag-oder Drehschlagbohren von Bohrungen eines Rohrschirms beim Vortrieb eines Tunnels verwendet wird. Die Rohrelemente1 ,2 werden an ihren Rohrenden miteinander verbunden. Hierzu ist das in der Bildebene rechte Rohrende als Muffenende3 ausgeführt, das auf ein Spitzende4 des anderen Rohrelements1 aufsteckbar ist. Das Muffenende3 und das Spitzende4 sind in ihrer Länge L aufeinander abgestimmt, so dass die Stirnseite5 des Spitzendes4 in der Einbaulage an einem inneren Ringkragen6 des Muftenendes3 anliegt und die Stirnseite7 des Muffenendes3 dem Ringkragen8 des Spitzendes4 benachbart ist. - Die einander zugewandten Kontaktflächen
9 ,10 des Muffenendes3 und des Spitzendes4 sind konisch ausgebildet und besitzen in diesem Ausführungsbeispiel einen Konuswinkel von 0,5°. Die innen liegende Kontaktfläche10 des Muffenendes3 ist über ihre gesamte Längserstreckung glatt ausgebildet, während in der Kontaktfläche9 des Spitzendes4 zwei umlaufende Nuten11 ,12 ausgebildet sind. Die Nuten11 ,12 besitzen den gleichen Querschnitt mit jeweils gerundetem Nutgrund13 ,14 . Die Nuttiefe entspricht etwa 50 % der mittleren Wandstärke WS des Spitzendes4 . Die der Stirnseite5 zugewandte erste Nut11 ist in einem Abstand A1 von etwa 0,23 × L von der Stirnseite5 angeordnet. Die zweite Nut12 ist in einem Abstand A2 von etwa 0,88 × L von der Stirnseite5 entfernt angeordnet. - Das Verhältnis zwischen der Länge L des Muftenendes
3 bzw. Spitzendes4 und dem Außendurchmesser AD der Rohrelemente1 ,2 liegt bei 0,92. - Der Übergangsbereich zwischen der Stirnseite
5 des Spitzendes4 und der Kontaktfläche9 ist durch eine umlaufende Fase leicht angeschrägt. Die Fase erleichtert das Einsetzen des Spitzendes4 in das Muffenende3 . -
2 zeigt, wie das Muffenende3 mit dem Spitzende4 verbunden ist. Nach dem axialen Zusammenstecken der Rohrelemente1 ,2 wird im Bereich der Nuten11 ,12 Werkstoff des Muftenendes3 radial nach innen gerichtet in die Nuten11 ,12 verpresst. Das verpresste Material füllt die Nuten11 ,12 vollständig aus. Am Außenumfang des Muftenendes3 entstehen dadurch Einkerbungen im Bereich der Nuten11 ,12 . Es entsteht eine zugfeste Verbindung der Rohrelemente1 ,2 , die ein Einziehen der Rohrelemente1 ,2 als Hüllrohr in eine Bohrung eines Rohrschirms ermöglicht. -
3 zeigt eine Vorrichtung zur Herstellung einer Rohrverbindung gemäß2 in stark vereinfachter Darstellung. Die Vorrichtung15 besitzt einen geschlossenen Rahmen16 , in den mittig die zu verbindenden Rohrelemente1 ,2 eingeführt werden. Zwischen dem Rahmen16 und den Rohrelementen1 ,2 wirken Mittel zum Verpressen17 des Muftenendes. Die Mittel17 zum Verpressen sind jeweils um 90° versetzt angeordnet, so dass sich jeweils zwei Mittel17 zum Verpressen gegenüber liegen. Die eingezeichneten Pfeile P verdeutlichen die Hubrichtung und damit die Wirkrichtung der Mittel17 zum Verpressen. Die Mittel17 zum Verpressen werden insbesondere hydraulisch angetrieben und bewegen ein Presswerkzeug18 radial auf das Muffenende zu und verpressen in nicht näher dargestellter Weise Werkstoff des Muffenendes in die Nuten des Spitzendes. Die Mittel zum Verpressen17 sind so angeordnet, dass sich die Verpresskräfte gegenseitig aufheben. Dadurch wird einer unerwünschten Querschnittsverformung der Rohrelemente1 ,2 entgegen gewirkt. Die Verpresswerkzeuge18 wirken für sich jeweils nur auf einem kleinen Umfangsbereich. Nach einem ersten Verpressen werden die Verpresswerkzeuge18 zurückgezogen und die Rohrelemente1 ,2 werden um einen vorgegebenen Winkelbereich um die in die Bildebene hineinragende Längsachse LA gedreht, so dass ein weiterer Umfangsbereich der Muffenenden verpresst werden kann. Auf diese Weise kann ein Muffenende auf seinem gesamten Umfang formschlüssig in die korrespondierende Nut eingreifen. -
- 1
- Rohrelement
- 2
- Rohrelement
- 3
- Muffenende
v.
2 - 4
- Spitzende
v.
1 - 5
- Stirnseite
v.
4 - 6
- Ringkragen
v.
3 - 7
- Stirnseite
v.
3 - 8
- Ringkragen
v.
4 - 9
- Kontaktfläche v.
4 - 10
- Kontaktfläche v.
3 - 11
- Nut
in
4 - 12
- Nut
in
4 - 13
- Nutgrund
v.
11 - 14
- Nutgrund
v.
12 - 15
- Vorrichtung zur Herstellung einer Rohrverbindung
- 16
- Rahmen
v.
15 - 17
- Mittel zum Verpressen
- 18
- Verpresswerkzeug
- A1
- Abstand
zw.
5 und11 - A2
- Abstand
zw.
5 und12 - L
- Länge von
3 ,4 - LA
- Längsachse
v.
1 ,2 - P
- Pfeil
- WS
- Wandstärke des Spitzendes
Claims (17)
- Rohrverbindung eines Hüllrohrs, das beim Schlag- oder Drehschlagbohren von Bohrungen eines Rohrschirms beim Vortrieb eines Tunnels verwendet wird, wobei der Rohrschirm aus einer Mehrzahl sich am Profilumfang in Längsrichtung des Abbaus erstreckenden Bohrungen besteht, in die jeweils eine Mehrzahl von miteinander zu verbindenden Rohrelementen (
1 ,2 ) eingezogen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrenden (3 ,4 ) der Rohrelemente (1 ,2 ) als Muffenenden (3 ) und in die Muffenenden (3 ) eingreifende Spitzenden (4 ) ausgebildet sind, wobei die Rohrelemente (1 ,2 ) durch eine radial nach innen gerichtete zumindest bereichsweise Verpressung des Muffenendes (3 ) in dafür vorgesehene Vertiefungen (11 ,12 ) des Spitzendes (4 ) formschlüssig zugfest miteinander verbunden sind. - Rohrverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen (
9 ,10 ) der Spitzenden (4 ) und der Muffenenden (3 ) konisch ausgebildet sind mit einem Konuswinkel in einem Bereich von 0,1° bis 3°, insbesondere in einem Bereich von 0,3° bis 1,0°. - Rohrverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrenden (
3 ,4 ) eine Länge (L) haben, die in einem Bereich von 60% bis 100% des Außendurchmessers (AD) der Rohrelemente (1 ,2 ) liegt. - Rohrverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitzenden (
4 ) an ihrem Außenumfang als Vertiefung wenigstens eine umlaufende Nut (11 ,12 ) aufweisen. - Rohrverbindung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Vertiefung mehrere Nuten (
11 ,12 ) an einem Spitzende (4 ) vorgesehen sind, wobei die Nuten (11 ,12 ) über die Länge (L) eines Spitzendes (4 ) gleichmäßig verteilt sind. - Rohrverbindung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Nut (
11 ) in einem Abstand (A1) von der Stirnseite (5 ) des Spitzendes (4 ) angeordnet ist, der zwischen 20% bis 40% der Länge (L) des Spitzendes (4 ) liegt und insbesondere 30% beträgt. - Rohrverbindung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuttiefe 30% bis 80%, insbesondere 50%, der mittleren Wandstärke (WS) des Spitzendes (
4 ) beträgt. - Rohrverbindung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Nutgrund (
13 ,14 ) der Nuten (11 ,12 ) gerundet ist. - Rohrverbindung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Rundungsradius des Nutgrunds (
13 ,14 ) 5 mm bis 10 mm, insbesondere 6 mm beträgt. - Rohrverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff des Muffenendes (
3 ) zumindest auf einem Umfangsteilbereich formschlüssig in die Nuten (11 ,12 ) des Spitzendes (4 ) gepresst ist. - Rohrverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrenden (
3 ,4 ) in ihrer Länge (L) durch einen Ringkragen (6 ,8 ) begrenzt sind. - Rohrverbindung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Nut (
12 ) in einem Abstand (A2) von der Stirnseite (5 ) des Spitzendes (4 ) zwischen 70% bis 90%, insbesondere in einem Abstand von 80%, der Länge (L) des Spitzendes (4 ) angeordnet ist. - Vorrichtung zur Herstellung einer Rohrverbindung eines Hüllohrs, gemäß den Merkmalen der Patentansprüche
1 bis12 , umfassend a) Mittel zur gegenseitigen Lageorientierung der Rohrenden (3 ,4 ) in einer Verbindungsposition; b) Mittel (17 ) zum radialen nach innen gerichteten zumindest bereichsweisen Verpressen des Werkstoffs des Muffenendes (3 ) in Vertiefungen (11 ,12 ) des Spitzendes (4 ) zur Herstellung einer formschlüssigen, zugfesten Verbindung. - Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (
17 ) zum Verpressen gleichmäßig auf dem Umfang verteilt angeordnet sind, wobei sich Verpresskräfte beim Verpressen gegenseitig aufheben. - Vorrichtung nach einem der Patentansprüche
13 oder14 , dadurch gekennzeichnet, dass durch die Mittel (17 ) zum Verpressen Werkstoff des Muffenendes (3 ) in mehrere Nuten (11 ,12 ) gleichzeitig verpressbar ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Drehen der zu verbindenden Rohrelemente (
1 ,2 ) zwischen zwei Verpressvorgängen vorgesehen sind. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum axialen Verlagern der Rohrelemente (
1 ,2 ) vorgesehen sind.
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