DE102013110730A1

DE102013110730A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Entfernen von Bodenmaterial vor der Druckwand einer Schildvortriebsmaschine (SVM)

Info

Publication number: DE102013110730A1
Application number: DE102013110730.3A
Authority: DE
Inventors: Werner Möbius
Original assignee: Werner Moebius Engineering GmbH
Current assignee: Werner Moebius Engineering GmbH
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2013-09-27
Publication date: 2015-04-23
Anticipated expiration: 2033-09-28
Also published as: DE102013110730B4

Abstract

Verfahren zum Entfernen von Bodenmaterial vor der Druckwand einer SVM, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
– vor der Druckwand der SVM befindliches Bodenmaterial wird mit Hilfe mindestens eines in die Druckwand eingebauten Rohrs oder Kastens während des Vorschubs der SVM aufgenommen, wobei ein Schieber das vordere Ende des Rohrs oder Kastens freigibt und eine obere Klappe oder ein oberer Schieber eine Öffnung an der Oberseite des Rohrs oder Kastens abschließt,
– das Rohr oder der Kasten wird von dem aufgenommenen Material geleert, wobei der vordere Schieber geschlossen und die obere Klappe oder der obere Schieber geöffnet ist,
– das entnommene Material wird mit einem weiteren Fördermittel aus der SVM herausgefördert.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Entfernen von Bodenmaterial vor der Druckwand einer Schildvortriebsmaschine, im weiteren Text als „SVM“ bezeichnet, nach Anspruch 1. Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Vorrichtung zum Entfernen von Bodenmaterial vor der Druckwand einer Schildvortriebsmaschine nach Anspruch 3.
Es ist bekannt, für die Herstellung eines Tunnels eine Schildvortriebsmaschine (SVM) einzusetzen. Eine SVM weist ein längliches rohrförmiges Gehäuse auf, bei dem am vorderen Ende ein Schneidrad drehbar gelagert ist, das einen entsprechenden bzw. etwas größeren Außendurchmesser als der des Gehäuses aufweist. Innerhalb des Gehäuses befindet sich der Antrieb für das Schneidrad und eine hydraulische Vortriebsvorrichtung, die sich an der bereits hergestellten Tunnelwandung abstützt und damit den Vortrieb der SVM ermöglicht. Die Tunnelwandung wird innerhalb der SVM fortlaufend aus Tunnelsegmenten (sog. Tübbingen) aufgebaut. Je nach Größe des aufzufahrenden Tunnels kann der Durchmesser der SVM beträchtlich sein, zum Beispiel 18 m betragen. Auch die Länge einer derartigen Maschine ist beträchtlich, z.B. 100 m oder mehr. Der Typ des Schneidrades richtet sich nach dem zu lösenden Bodenmaterial, insbesondere ob es Steine oder Blöcke enthält. So gibt es typische Schneidräder für bindige Böden, für rollige Böden oder für Felsgestein. Falls mit Steinen oder Blöcken zu rechnen ist, werden die Schneidräder mit Vorrichtungen versehen, mit denen diese zerkleinert werden. Je nach Kornzusammensetzung des Bodenmaterials wird eine SVM mit Flüssigkeitsstützung (Hydroschild) oder mit Erddruckstützung (Erdruckschild) eingesetzt.
Im ersten Fall wird der vom Schneidrad gelöste Boden mit Wasser, Bentonit, Polymeren o.ä. in einen breiigen Zustand versetzt, dass das Material durch Pumpen angesaugt und abgefördert werden kann. Der Bodenbrei bildet zugleich eine Membran an der Ortsbrust, den sogenannten Filterkuchen, der zur Stützung der Ortsbrust benötigt wird. Das Volumen der abgetragenen Bodenmengen vergrößert sich insbesondere durch den Wasserzusatz um das 2- bis 5-fache. Der Aufwand für dieses Vortriebsverfahren wird noch erhöht durch Entwässerung und Rückgewinnung der Bentonitsuspension und durch die Deponierung des geförderten Materials.
Bei dem Erddruckschild wird das gelöste Bodenmaterial in der Abbaukammer, aus dem Zwischenraum zwischen Schneidrad und Druckwand, mit Hilfe eines Schneckenförderers abgefördert. Die Förderschnecke fördert das Material auf ein Förderband in der SVM. Auch hierfür wird der Boden konditioniert, durch Injektion von Wasser, Bentonit, Polymeren o.ä. Konditionierungsmitteln und Vermischung mittels Schneidrad. Auch dieses Verfahren ist aus Gründen der Volumenvergrößerung aufwendig.
Der oben angesprochene Schneckenförderer kann nur Steine mit einer geringen Kantenlänge, z.B. bis 20 cm, aufnehmen und fördern. Größere Steine und Blöcke im Boden müssen durch entsprechende Werkzeuge am Schneidrad, wie zum Beispiel Disken-Meißel, zerspant und damit förderbar gemacht werden. Werden größere Steine und Blöcke aus dem Bodenverband herausgebrochen, können sie in der Regel nicht mehr von dem Schneidrad bzw. von den Diskenmeißeln zerkleinert werden. Diese größeren Steine und Blöcke gelangen in den unteren Bereich des Zwischenraumes zwischen Rückseite des Schneidrades und Druckwand der SVM. Diese Steine und Blöcke müssen durch Öffnungen in der Druckwand bei Luftüberdruck in der Abbaukammer zerkleinert und aufwendig geborgen werden. Dies führt zu erheblichen Behinderungen und Verzögerungen im Bauablauf. Beim Hydroschild werden daher häufig Brecher vorgesehen, was beim Erddruckschild nicht üblich ist.
Bei der Bodenentnahme und -förderung mit Fördersystemen gem. dieser Erfindung, die sowohl beim Erddruck- als auch beim Hydroschild angewandt werden können, können große Steine sowie Blöcke gefördert werden, z.B. Steine und Blöcke mit Kantenlängen von mehr als 1,5 m.
Die Behinderungen und Mehrkosten werden in der Folge erheblich reduziert bzw. vermieden, da Steine mit einem Durchmesser von mehr als 1m äußerst selten im Boden anzutreffen sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Entfernen von Bodenmaterial vor der Druckwand einer SVM anzugeben, das keine oder kaum eine Konditionierung des Bodenmaterials zu Abförderzwecken erfordert und technisch wenig aufwendig ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 3 gelöst. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird vor der Druckwand der SVM befindliches Bodenmaterial mit Hilfe mindestens eines in die Druckwand eingebauten Kastens während des Vorschubs der SVM aufgenommen, wobei ein vorderer Schieber das vordere Ende des Kastens freigibt und ein oberer Schieber (oder eine Klappe) die obere Öffnung des Kastens abschließt. Anschließend wird der Kasten von dem aufgenommenen Material über die obere Öffnung geleert, wobei der vordere Schieber geschlossen und der obere geöffnet ist. Das entnommene Material wird schließlich mit einem weiteren Fördermittel aus der SVM herausgefördert. Die Entnahme geschieht etwa mit dem Löffel eines Baggers, der z.B. 2 m³ fasst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist mindestens einen parallel zur Achse der SVM angeordneten Kasten auf, wobei der Querschnitt kreisförmig oder auch polygonal, z.B. quadratisch oder trapezförmig sein kann. Am vorderen Ende des Kastens ist eine Verschlussvorrichtung vorgesehen, vorzugsweise in Form eines hydraulischen Schiebers. Da vor der Druckwand aufgrund der Vorschubkraft der SVM ein erheblicher Druck aufgebaut wird, wird das Material bei geöffnetem Schieber in den Kasten hineingepresst und füllt diesen mehr oder weniger vollständig aus. Nach dem Schließen des vorderen Schiebers und Öffnen des oberen Schiebers kann nunmehr das Material aus dem Kasten entfernt werden. Hierfür können geeignete Räummittel vorgesehen werden, z.B. ein Bagger.
Die Erfindung ist für den Einsatz bei verschiedenartigen Bodenverhältnissen mit unterschiedlichen Konsistenzen geeignet. Wenn der Kasten einen ausreichenden Querschnitt aufweist, können auch größere Steine von 1,5 m Kantenlänge oder mehr aufgenommen und gefördert werden.
Da die SVM mit einem Schneidrad ausgestattet ist, mit dem der anstehende Boden vor der Druckwand und im Randbereich des Schildmantels gelockert, vermischt und homogenisiert wird, kommt es sehr leicht zu einem Verdrängen des unter Druck stehenden Materials in den offenen Kasten hinein. Die eingelagerten Steine werden von dem Schneidrad gelöst und in den Zwischenraum von Druckwand und Schneidrad umgelagert. Bei der Aufnahme von Steinen mit einer Kantenlänge von mehr 2 m ist unter Umständen eine Zerspanung mit Hilfe geeigneter Werkzeuge am Schneidrad erforderlich. Da verhältnismäßig große Steine und Blöcke bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung aufgenommen werden können, kann das Schneidrad mit ausreichend großen Durchtrittsöffnungen für die Steine versehen werden. Die Zerkleinerungswerkzeuge haben dementsprechend einen relativ großen Abstand voneinander, wodurch der konstruktive Aufwand und auch die Antriebskräfte für das Schneidrad reduziert werden.
Auf die Anordnung eines Brechers, wie beim Hydroschild üblich, kann verzichtet werden.
Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann auf die Konditionierung des aufzunehmenden Bodens verzichtet oder diese reduziert werden. Wie schon erwähnt, führt die Konditionierung zu einer beträchtlichen Volumenvergrößerung des zu fördernden Bodens und damit zu erheblichem zeitlichen Mehraufwand.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet sicher und ist robust. Sie hat wenig Verschleiß und Verschleißteile lassen sich leicht austauschen.
Die Schieber für die Kästen können unabhängig voneinander angesteuert und eingesetzt werden, so dass die Bodenförderung und der Vortrieb auch fortgesetzt werden kann, wenn ein Förderer beschädigt ist oder repariert werden muss.
Die Anordnung der Kästen lediglich im unteren Bereich zur Förderung des Bodenmaterials hat den weiteren Vorteil, dass große konstruktive Änderungsmaßnahmen der herkömmlichen SVM-Erdruckschilde entfallen, bei denen eine Förderschnecke das Material auch im unteren Bereich vor der Druckwand der SVM aufnimmt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
1 zeigt die Frontansicht einer SVM in äußerst schematischer Darstellung, bei der das Schneidrad nicht dargestellt ist.
2 zeigt die Frontansicht eines Schneidrades für die SVM nach 1. Die rückseitigen Kastenförderer sind angedeutet.
3 zeigt einen Schnitt durch den vorderen Bereich der SVM mit dem Schneidrad nach 2 und der Druckwand nach 1.
4 bis 9 zeigen einen Schnitt durch den unteren Teil der SVM in Längsrichtung im Bereich eines Kastenförderers in unterschiedlichen Betriebsphasen, wobei links von der Schnittdarstellung jeweils die Frontansicht des Kastens mit Schieber zu erkennen ist.
Eine schematisch in den 1 bis 3 angedeutete SVM weist einen zylindrischen Mantel 10 auf. Bei 14 ist die Welle zu erkennen, die ein Schneidrad 16 vor einer Druckwand 12 antreibt von einem nicht gezeigten Antrieb im Inneren des Mantels 10. Das Schneidrad ist in 2 dargestellt. Es weist einzelne Schneiden 18 auf sowie in gleichmäßigem Umfangsabstand sektorförmige Öffnungen 20, denen ebenfalls Schneiden zugordnet sind. Auf die Schneiden wird nicht weiter eingegangen, da diese an sich bekannt sind. Sie dienen zum Zerkleinern von Steinen, aber auch zum Homogenisieren und Mischen des bearbeiteten Bodenmaterials. Zentral weist das Schneidrad 16 nach außen eine kreisförmige konische Spitze 22 auf, die mit Schneiden 24 versehen ist. Die konusförmige Spitze 22 verdrängt Material und Steine nach außen für einen Durchtritt durch die Öffnungen 20.
Im unteren Bereich der Druckwand 12 nahe der Sohle des Mantels 10 sind in dieser vier Kästen 30, 32, 34, 36 angeordnet. Sie liegen parallel auf einem Kreis um die Achse der Welle 14, und ihre Erstreckung ist in Achsrichtung der Welle 14. Der Boden der Kästen ist schräg und an die Rundung des Mantels 10 angepasst. Die Seitenwände sind vertikal und die Deckenwand horizontal. Am vorderen Ende sind die Kästen 30 bis 36 von jeweils einem Schieber 40 abgeschlossen. Die Hinterwand der Kästen ist geschlossen. Jeder Schieber wird von zwei Hydraulikzylindern 42 betätigt, die an den Seiten bzw. mittig am Schieber 40 angreifen. In 3 ist der Schieber 40 für den Kasten 34 angedeutet. Er ist in der Druckwand 12 gelagert, wobei das untere Ende des Schiebers mit einer Schneide 42 versehen werden kann. Die Schneide greift in eine Führung im unteren Bereich der Wandung der Öffnung in der Druckwand 12 ein.
In 3 ist außerdem ein mobiles Bohr- bzw. Meißelgerät 44 dargestellt, das in den Kasten 34 eingebracht werden kann, um Steine, die vor der Druckwand zwischen Schneidrad 16 und Druckwand 12 liegen, zu zerkleinern. Hierzu wird im Kasten 34 ein Überdruck erzeugt, der gleich dem Druck in der Abbaukammer zwischen Schneidrad 16 und Druckwand 12 ist.
An der Oberseite der Kästen 30 bis 36 ist eine Öffnung vorgesehen, die von einem Schieber 46 verschließbar ist. Der Schieber wird von einem oder mehreren Hydraulikzylinder 48 betätigt.
Nachfolgend wird das Arbeitsverfahren der Vorrichtung nach 1 bis 9 näher beschrieben, und zwar anhand der 4 bis 9. Das Verfahren wird lediglich anhand eines der Kästen 30 bis 36, nämlich Kasten 34 beschrieben. In der Ausgangsstellung sind der vordere Schieber 40 und der horizontale Schieber 36 geschlossen (4). Nach dem Öffnen des vertikalen Schiebers gemäß 5 füllt sich der Kasten 34 durch außerhalb der SVM anstehenden Erddruck und den Vorschub der SVM. Nach vollständiger Füllung des Kastens mit Boden und Steinen wird der vordere vertikale Schieber 40 zugefahren, der neben der abdichtenden Wirkung ermöglicht, Steine zu verdrängen und zu zerteilen (6). Im Anschluss daran wird der horizontale Schieber aufgefahren (7). Aus dem dann offenen Kasten 34 kann der Boden inklusive der Steine mit großen Löffeln von > 2 m³ entnommen werden (8). In auf die Löffelgröße abgestimmte Transportfahrzeuge, z.B. schienengebundene Loren, wird das Material dann verladen und abtransportiert. Nach dem Entleeren wird der horizontale Schieber 46 wieder zugefahren (9). Mit dem Auffahren des vorderen vertikalen Schiebers 40 kann dann der nächste Arbeitstakt beginnen.
Wie schon in 1 gezeigt, sind zur Erzielung einer hohen Vorschubleistung vier Kastenförderer vorgesehen. Die Füllmenge der einzelnen Kästen 30 bis 36 soll möglichst groß sein. Die dafür erforderlichen großen Querschnitte begünstigen die Aufnahme großer Steine und Hindernisse.
Um eine hohe Bodenabbauleistung und entsprechend hohe Vorschubleistung zu erreichen, werden jeweils zwei der vier Kastenförderer gleichzeitig eingesetzt. Dabei kann bereits unmittelbar nach dem Zufahren der horizontalen Schieber der entsprechende vertikale Schieber aufgefahren werden und damit ohne zusätzlichen Zeitbedarf die Füllung der Kästen erfolgen. Es kann damit nahezu kontinuierlich Boden aus der Abbaukammer abgefördert werden. Entsprechend kontinuierlich kann der Vorschub erfolgen, der nur für den Einbau der Tunnelelemente unterbrochen werden muss. Unterbrechungen durch Hindernisse und Steine werden durch große Querschnitte der Zuführöffnungen des Schneidrads 16 minimiert.
Mit den gezeigten Kastenförderern können große Steine mit Kantenlängen von bis zu 2 m aufgenommen werden. Es ist nicht erforderlich, Steine mit geringerer Kantenlänge zu zerkleinern, so dass das Schneidrad mit wenig Reißzähnen und Disken ausgestattet werden kann und daher einen geringeren Konstruktionsaufwand erfordert.
Die Konstruktion des Schneidrades lässt in dessen mittlerem, zentralem Bereich keine ausreichend große Öffnungen zu, durch die größere Steine in die Abbaukammer zwischen Schneidrad und Vorderwand gelangen können. Es ist daher eine Konenspitze vorgesehen (3, Position 22), mit der Steine und Material radial nach außen verdrängt werden zu den Öffnungen 20 hin, durch welche die Steine dann anschließend hindurchtreten können.

Claims

Verfahren zum Entfernen von Bodenmaterial vor der Druckwand einer SVM, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – vor der Druckwand der SVM befindliches Bodenmaterial wird mit Hilfe mindestens eines in die Druckwand eingebauten Rohrs oder Kastens während des Vorschubs der SVM aufgenommen, wobei ein Schieber das vordere Ende des Rohrs oder Kastens freigibt und eine obere Klappe oder ein oberer Schieber eine Öffnung an der Oberseite des Rohrs oder Kastens abschließt, – das Rohr oder der Kasten wird von dem aufgenommenen Material geleert, wobei der vordere Schieber geschlossen und die obere Klappe oder der obere Schieber geöffnet ist, – das entnommene Material wird mit einem weiteren Fördermittel aus der SVM herausgefördert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass größere Steine von Zerkleinerungswerkzeugen an einem Schneidrad vor der Druckwand zerkleinert werden.
Vorrichtung zum Entfernen von Bodenmaterial vor der Druckwand einer SVM, dadurch gekennzeichnet, dass – in der Druckwand mindestens ein parallel zur Achse der SVM angeordneter Kasten eingebaut ist, – das vordere Ende des Kastens mit einer Verschlussvorrichtung versehen sind, vorzugsweise einem hydraulisch betätigbaren Schieber, mit der das vordere Ende wahlweise verschließbar ist und – die Oberseite des Kastens eine Öffnung aufweist, die von einer Klappe oder einem Schieber verschließbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass lediglich im unteren Bereich in der Druckwand mindestens zwei parallel zur Achse der SVM angeordnete Kästen angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kasten einen zylindrischen, quadratischen oder trapezförmigen Querschnitt aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass vier annähernd auf einem Kreisbogen um die Achse der SVM angeordnete Kästen nahe der Sohle des Mantels der SVM vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden der Kästen schräg oder so gewölbt ist, dass er an den Kreisumfang des Mantels der SVM angepasst ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwände und/oder die Deckenwand der Kästen gerade und parallel zur Achse der SVM angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Kastens und der oberen Öffnung so bemessen ist, dass Steine von einer Kantenlänge von > 1,5 m durch die vordere und die obere Öffnung des Kastens hindurchpassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Druckwand und/oder im Mantel der SVM Düsen angeordnet sind für die Abgabe von Wasser, Bentonit oder anderen Tensiden und Flüssigkeiten.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schieber an seiner unteren Kante mit einer Schneide ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der vordere Schieber von zwei parallel angeordneten Hubhydraulikzylindern betätigbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, um vor dem Öffnen des Schiebers vor diesem ein viskoses Medium oder Luft unter Druck einzubringen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kasten einen konischen Eintrittsquerschnitt aufweist, wobei der Schieber hinter dem konischen Eintrittsquerschnitt angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in der SVM eine Ausräumvorrichtung angeordnet ist, die Bodenmaterial über die obere Öffnung ausräumt.
Schneidrad für eine SVM, insbesondere für eine Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass es sektorförmige Öffnungen aufweist, durch die die Steine von einer Kantenlänge > 1,5 m hindurchtreten können.
Schneidrad nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass es an der Vorderseite mittig eine kreiskonische Spitze aufweist, über die das Material und/oder Steine radial nach außen gedrängt werden.
Schneidrad nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die konische Spitze mit Schneiden versehen ist.