DE10222565A1 - Verfahren zum Dichten von Fugen zwischen vorgefertigten Bauwerksteilen von Bauwerken aus Stahl, Stahl- oder Spannbeton - Google Patents
Verfahren zum Dichten von Fugen zwischen vorgefertigten Bauwerksteilen von Bauwerken aus Stahl, Stahl- oder SpannbetonInfo
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Abstract
Zum Dichten von Fugen zwischen vorgefertigten Bauwerksteilen (2, 3), insbesondere Tübbingen zur Herstellung von Tunneln, Stollen oder dergleichen, werden die Fugenzwischenräume (4) nach dem Zusammenfügen der Bauwerksteile durch Materialien ausgepresst, die zum Zeitpunkt ihres Einbringens flüssig bis zähflüssig sind und die danach in ein entropieelastisches Verhalten übergehen. Dadurch, dass die Fugen erst nach dem Zusammenfügen, insbesondere erst nach etwa aufgetretenen Primärverformungen ausgepresst werden, können insbesondere bei Tübbingauskleidungen die erst nach der Montage infolge Einwirkung äußerer Kräfte auftretenden Verformungen berücksichtigt werden.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Dichten von Fugen zwischen vorgefertigten Bauwerksteilen von Bauwerken aus Stahl, Stahl- oder Spannbeton, insbesondere zwischen Tübbingen bei der Herstellung von Tunneln, Stollen oder dergleichen.
- Zur Auskleidung eines mittels einer Tunnelbohrmaschine aufgefahrenen Tunnels verwendet man üblicherweise eine Vielzahl von in Ringfugen aneinanderstoßenden Tübbingringen, die jeweils aus einzelnen Tübbingen zusammengesetzt sind. Die Tübbinge können aus Stahl oder Stahlbeton bestehen; sie können auch im Sinne von Spannbeton verspannt sein.
- Die einzelnen Tübbinge stützen sich in den Längs- und Ringfugen aufeinander ab; in beiden Fugen müssen in der Regel Druckkräfte, in geringerem Umfang, nämlich in Abhängigkeit von der konstruktiv ausgebildeten Steifigkeit, auch Biegemomente und Querkräfte übertragen werden. Die Druckkräfte resultieren in den Ringfugen vor allem aus den Vortriebskräften, in den Längsfugen aus der Belastung aus dem Gebirgsdruck bzw. einer Hinterpressung und dem Grundwasser. Die Kraftübertragung erfolgt üblicherweise über Kontakt der Tübbingaußenflächen (Längsfugen) bzw. über eingelegte kraftverteilende Plättchen, zum Beispiel aus Hartfaserwerkstoffen, Kaubit oder dergleichen.
- Bei den üblichen einschaligen Tübbingauskleidungen müssen die Tübbinge darüber hinaus auch in besonderem Umfang die dauerhafte Wasserdichtigkeit der Tunnelröhre gewährleisten. Hierzu werden üblicherweise in umlaufende Nuten Profile aus elastischen Werkstoffen wie Gummi, Kunststoff oder dergleichen als Zwischenelemente eingeklebt oder einbetoniert. Jeweils einander gegenüberliegende Profile werden bei dem Einbau der Tübbingringe durch Kraftausübung mittels des Erektors als zusätzliche Sicherung mittels temporärer Verschraubung vorgespannt.
- Die Montage der Tübbingringe erfolgt regelmäßig im Schutz des Schildschwanzes der Tunnelbohrmaschine. Nach dem Zusammenbau jeweils eines Tübbingringes gerät dieser im Zuge des weiteren Vortriebs aus dem Bereich des Schildschwanzes heraus; der dadurch entstehende Ringspalt zum Gebirge hin wird mit einem geeigneten Verpressmittel hinterpresst. Diese Ringspaltverpressung stellt eine primäre Belastung des Tübbingrings dar, die im Endzustand noch durch Boden- und Wasserdrücke überlagert wird.
- Neuere Entwicklungen zielen darauf ab, den elastischen Zwischenelementen zusätzlich zur Dichtfunktion auch eine Kraftübertragungsfunktion zuzuweisen (EP 1 114 915 A1). Diese Zwischenelemente, die auch aus elastomeren Werkstoffen bestehen können, werden dabei in Nuten angeordnet und wie üblich werkmäßig an den Tübbingen angebracht oder einbetoniert.
- Bei allen bekannten Tübbingkonstruktionen treten beim Einbau Probleme auf, je nach Konstruktionsprinzip und Belastungsniveau in unterschiedlichem Umfang.
- Beim Verlassen des Schildschwanzes wirken auf den gerade fertiggestellten Tübbingring die bereits erwähnten äußeren Belastungen. Hierdurch kommt es zu Verformungen, überwiegend einer "Ovalisierung" des geschlossenen Tübbingringes. Diese Verformungen haben zur Folge, dass der bereits belastete vorletzte Tübbingring "n", der gerade den Schildschwanz verlassen hat und der gerade gebaute Ring "n + 1 ", der sich noch im Schutze des Schildschwanzes befindet, nicht dieselbe Achslinie, sondern einen gegenseitigen Versatz aufweisen.
- Richtet man sich, wie allgemein üblich, bei der Montage des Ringes "n + 1" am vorhergehenden Ring "n" aus, was in der Regel "zwangsweise" durch eine Nut- Feder-Verbindung oder ähnliches geschieht, so wird diesem Ring "n + 1" auch im unbelasteten Zustand fälschlicherweise eine gewisse Ovalisierung aufgezwungen. Wenn dieser Fehler auch bei der Schlusssteinmontage teilweise ausgeglichen werden kann, resultieren weitere Abweichungen von der Solllage aus unvermeidlichen Montagetoleranzen. Jedenfalls erfährt dieser von der Ideallinie in unbestimmter Form abweichende Ring "n + 1" beim Verlassen des Schildschwanzes und Aufbringen der äußeren Lasten zusätzliche Verformungen, die zu einem insgesamt undefinierten Verformungs- und Zwangsspannungszustand führen; insbesondere die in der Ringfuge wirkenden Koppelkräfte sind undefiniert. Diese Koppelkräfte werden üblicherweise über Reibung der Zwischenplättchen in den Ringfugen, oft in Verbindung mit Nut- Feder- oder Topf-Nocke-Verbindungen übertragen. Dabei erfolgt bis zum Anliegen der einander gegenüberliegenden Koppelflächen noch keine Kraftübertragung, allenfalls durch Reibung; nach Anliegen erfolgt dagegen ein nahezu diskontinuierlicher Sprung zu einer weitgehend starren Verbindung, zumindest für eine Vorzeichenrichtung der Koppelkräfte.
- Auch bei einer theoretisch möglichen Ausrichtung des Tübbingringes "n + 1" an der Ideallinie, d. h. unabhängig vom vorherigen Tübbingring "n", führt der planmäßige Versatz bei der Ringmontage in Kombination mit unvermeidlichen Montagetoleranzen und vor allem den auftretenden Verformungen bei Belastung zu einem undefinierten Zustand bezüglich der Koppelkräfte in der Ringfuge. Jedenfalls ist es nicht möglich, die Geometrie der Koppelelemente (Nut-Feder- oder Topf-Nocke-Verbindung) auf alle möglichen Verformungs- und gegenseitigen Verdrehungszustände auszulegen und somit in der Ringfuge exakt definierte Koppelkräfte zu erzeugen.
- Als Resultat dieser Problematik können verschiedene Schadensbilder auftreten:
- - Undichtigkeiten durch unzulässigen Versatz der elastischen Profile,
- - unzulässige Beanspruchungen der Nutflanken, die zu Abplatzungen und damit Undichtigkeiten und reduzierten Steifigkeiten führen,
- - ungenügende Ringsteifigkeit durch mangelnde Kopplung der Tübbinge in der Ringfuge, die zu Ringverformungen und Setzungen führen kann.
- Bei der Montage der Schlusssteine der Tübbingringe erfolgt eine gegenseitige Relativverschiebung der elastischen Profile in den Längsfugen bei gleichzeitiger Beanspruchung durch Normalkräfte. Dies führt zu unkontrollierten Verformungen der Profile, insbesondere im kritischen Eckbereich und fernerhin ebenfalls zu Undichtigkeiten.
- Schließlich wird die erforderliche Vorspannung der Profile oft durch temporäre Verschraubungen aufgebracht. Die hierdurch wirkenden Vorspannkräfte unterliegen einer großen Toleranzbreite und können nicht exakt bestimmt werden. Ungenügende Vorspannung kann ebenfalls zu Undichtigkeiten führen.
- Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, um diese bei der Herstellung von Tübbingauskleidungen auftretenden Probleme zu beherrschen.
- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
- Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
- Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die Fugen zwischen den einzelnen Tübbingen erst nach dem Zusammenbau der Tübbingringe, zweckmäßig erst nach etwa aufgetretenen Primärverformungen infolge Lastaufbringung nach Verlassen des Schildschwanzes mit Materialien zu verfüllen, die zum Einbringen flüssig bis zähflüssig sind und erst nach dem Verfüllen ein elastisches Verhalten annehmen.
- Als Materialien für diesen Zweck erscheinen insbesondere thermoplastische Elastomere (TPE) geeignet. Nach DIN 7724 handelt es sich hierbei um mehrphasige Polymere (z. B. Polypropylenmatrix) mit Einbettung hochvernetzter synthetischer Elastomere.
- Thermoplastische Elastomere verhalten sich im Gebrauchstemperaturbereich entropieelastisch (gummielastisch), entsprechen also den üblicherweise werkmäßig eingebauten Elastomeren, gehen mit zunehmender Temperatur aber in einen flüssigen (thermoplastischen) Zustand über. Diese Zustandsänderung ist reversibel. Die Fließtemperatur liegt beispielsweise bei thermoplastischen PUR- Elastomeren in der Größenordnung von etwa 180°C.
- Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung wird also ein durch Erwärmung verflüssigtes Elastomer in den Fugenzwischenraum eingepresst, der durch ein- oder zweiseitige Anordnung von Nuten auch einen Hohlraum bilden kann, wobei sich dieses Material einer beliebigen Form dieses Zwischenraums vollständig anpasst. Nach Abkühlen in den Betriebszustand verbleibt das thermoplastische Elastomer als Fugenzwischenelement und stellt dann das Kraftübertragungs- und/oder Dichtelement der Tübbingfuge dar.
- Bei der Herstellung einer Tübbingfuge hat das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass die Montage des Tübbingringes "n + 1" ohne Berücksichtigung etwa aufgetretener Verformungen am Tübbingring "n" erfolgen kann, d. h. dass eine Ausrichtung der Tübbinge in "absolut richtiger" Lage möglich ist. Eine Ermittlung der Verformungen des Tübbingrings "n" zur Positionierung ist nicht erforderlich. Nach Verfestigung des in die Fugenzwischenräume eingepressten Materials sind über dessen Eigenschaften exakt definierte und berechenbare Koppelkräfte übertragbar.
- Das erfindungsgemäße Verfahren ist - unabhängig voneinander und auch einzeln - sowohl für die Ringfugen als auch für die Längsfugen eines Tübbingausbaus anwendbar. Nach der Montage eines vollständigen Tübbingrings können auch die Längsfugen, diese allerdings zweckmäßig noch vor Verlassen des Schildschwanzes, verfüllt werden. Hierdurch treten insbesondere bei der Montage der Schlusssteine keine Relativverschiebungen der Dichtungen mehr auf. Durch Dichtschotte können die Fugenhohlräume der Längs- und Ringfugen gegeneinander abgetrennt werden, so dass eine unabhängig voneinander erfolgende Verfüllung (zum Beispiel Längsfugen noch im Schildschwanz, Ringfugen bei oder unmittelbar nach Verlassen des Schildschwanzes) möglich ist. Über die Aufbringung eines Druckes auf das verflüssigte Material bis zum Erhärten/Erkalten kann auch eine Vorspannung aufgebracht werden. Hierdurch kann bei Bedarf auch eine geringfügige Spreizung eines Tübbingrings erzeugt werden, beispielsweise um eine Kraftübertragung in den Längsfugen über das Fugenmaterial und nicht wie sonst über Betonkontakt zu erzielen.
- Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
- Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Ringfuge eines Tübbingausbaus im Einbauzustand,
- Fig. 2 den entsprechenden Querschnitt im Endzustand,
- Fig. 3 in entsprechender Weise einen Querschnitt durch eine Längsfuge und
- Fig. 4 eine teilweise geschnittene Ansicht einer Längsfuge.
- Anhand der Zeichnung wird die Erfindung in Anwendung auf eine Tunnelauskleidung aus Stahlbetontübbingen erläutert. Wenn dies auch das Hauptanwendungsgebiet der Erfindung darstellt, so ist eine Ausweitung der Anwendung auf andere Baustoffe, wie zum Beispiel Stahl und andere Fugenkonstruktionen im Bauwesen mit Kraftübertragungs- und Dichtigkeitsanforderungen zum Beispiel im Behälterbau, Silobau oder dergleichen selbstverständlich möglich.
- In den Fig. 1 und 2 sind jeweils Ausschnitte aus einem Querschnitt durch eine Tübbingauskleidung eines Tunnels in unterschiedlichen Einbaustadien dargestellt, nämlich in Fig. 1 im Einbauzustand und in Fig. 2 im Endzustand.
- Die Tübbingauskleidung, die insgesamt mit 1 bezeichnet ist, besteht aus einzelnen Tübbingen 2 und 3, die jeweils zu einem Ring zusammengesetzt sind. Die Tübbingringe, die jeweils nach ihrem Einbauzustand als Ring "n" und "n + 1" bezeichnet sind, stoßen in einer Ringfuge 4 zusammen, deren Abdichtung Gegenstand der Erfindung ist.
- Der Einbau der Tübbinge 2, 3 erfolgt in an sich bekannter Weise im Schutze des Schildschwanzes 5 einer Tunnelbohrmaschine, der sich in eine Schildschwanzdichtung 6 fortsetzt. Der Ringspalt zwischen dem Schildschwanz 5 bzw. der Auskleidung 1 und dem Gebirge 7 ist mit einem Verpressmaterial 8 verpresst.
- In dem in Fig. 1 dargestellten Einbauzustand hat der Tübbingring n gerade den Schildschwanz 5 verlassen; auf ihn wirken bereits die äußeren Lasten, unter deren Wirkung er sich ovalisiert hat. Der Tübbingring n + 1 wurde gerade montiert; er hat noch die "absolut richtige" Lage mit der Längsachse Sn + 1. Dabei ist deutlich ein Versatz V zwischen der Achse S" des Tübbingringes n und der Achse Sn + 1 des Tübbingringes n + 1 zu erkennen.
- Die die Ringfuge 4 bildenden Stirnseiten der Tübbinge 2 und 3 umfassen eine Art Nut-Feder-Verbindung. In der Stirnfläche des Tübbings 3 befindet sich eine Ringnut 9, während die gegenüberliegende Stirnfläche des Tübbings 2 eine ringförmige Leiste 10 als Feder aufweist. Die Ringnut 9 hat eine größere Ausdehnung als die Ringleiste 10, so dass im fertig montierten Zustand ein zweikammeriger Hohlraum verbleibt, in den ein von der Innenseite der Auskleidung 1 her zugänglicher Einpresskanal 11 mündet. Die Stirnseiten der Tübbingringen bzw. n + 1 können sich in der Ringfuge 4 unmittelbar berühren oder zur Luft- bzw. Erdseite hin durch Dichtungen 12 abgeschlossen sein. Ebenso kann an der Stirnseite der Ringleiste 10 gegebenenfalls eine Gleitmöglichkeit 20 vorgesehen sein.
- Während Fig. 1 den Einbauzustand der beiden die Ringfuge 4 bildenden Tübbingringen bzw. n + 1 zeigt, in der der Fugenversatz V der Ringachsen S~ bzw. Sn + 1 auftritt, zeigt Fig. 2 den Endzustand, in dem sich auch der Tübbingring n + 1 durch die inzwischen auf ihn wirkende äußere Belastung der ovalisierten Form des Tübbingrings n angepasst hat. In diesem Zustand wird die Ringfuge 4 einschließlich der Hohlräume zwischen Ringnut 9 und Ringleiste 10 in erfindungsgemäßer Weise verpresst; das Verpressmaterial ist bei 13 angedeutet.
- Als Verpressmaterial 13 dient vorzugsweise ein thermoplastisches Elastomer (TPE), das in einem - nicht dargestellten - Heizwerkzeug plastifiziert und mit einem entsprechenden Press-Pump-Werkzeug, das ebenfalls nicht Gegenstand der Erfindung ist, durch die Einpresskanäle 11 in die Hohlräume der Ringfugen 4 eingespritzt wird. Je nach Zusammensetzung des Materials sind für die Plastifizierung Temperaturen bis zu etwa 200°C erforderlich, die für den Tübbingbeton unschädlich sind. Nach Erkalten des Materials stellt sich ein gummielastischer Zustand ein, der nicht nur die Dichtigkeit der Ringfuge 4, sondern gegebenenfalls auch die Übertragung von Kräften gewährleistet. Zur Optimierung der Verankerung im Tübbing kann bei Erfordernis die Formgebung des Fugenhohlraumes entsprechend ausgebildet werden.
- Während die Fig. 1 und 2 sich auf die Dichtung der Ringfugen zwischen Tübbingringen einer Tübbingauskleidung eines Tunnels beziehen, zeigen die Fig. 3 und 4 die entsprechende Dichtung der Längsfugen. So zeigt Fig. 3 einen Ausschnitt aus einem Querschnitt durch eine Tunnelauskleidung 1, in der die zu einem Tübbingring zusammengesetzten Tübbinge 2a, 2b eine Längsfuge 14 bilden. Diese Längsfuge kann grundsätzlich in gleicher Weise ausgebildet sein wie die Ringfugen, d. h. in den Stirnseiten der einzelnen Tübbinge können Vertiefungen angeordnet sein, die nach dem Zusammenfügen zweier benachbarter Tübbingen einen ein- oder mehrkammerigen Hohlraum bilden. In der Zeichnung sind die Vertiefungen 15 durch eine Rippe 16 voneinander getrennt. Auch hier führt ein Einpresskanal 17 von der Luftseite der Tunnelauskleidung 1 her in die Hohlräume zum Einpressen des erfindungsgemäßen Materials.
- Die Längsfugen werden nach Montage eines vollständigen Tübbingrings, zweckmäßig noch vor Verlassen des Schildschwanzes, in erfindungsgemäßer Weise verfüllt. Hierdurch treten insbesondere bei der Montage des Schlusssteins keine Relativverschiebungen der Dichtungen auf. Durch eine Abschottung 18 in Verbindung mit provisorischen Dichtungen 19 können hier die Fugenhohlräume der Längs- und Ringfugen 14 bzw. 4 gegeneinander abgegrenzt werden, so dass eine unabhängig voneinander erfolgende Verfüllung möglich ist. Durch Kammerbildung kann eine Mehrfachdichtung erzeugt werden.
- Durch die erfindungsgemäße Ausbildung und Einbringung der Dichtung von Ring- und Längsfugen können alle wesentlichen Probleme des konventionellen Tübbingausbaus behoben werden. Folglich wird eine deutlich verbesserte Qualität des Tübbingausbaus erzielt und der Nachbesserungsaufwand deutlich verringert. Durch die vereinfachte Montage der Tübbingringe ergeben sich auch Kosten- und Zeitvorteile im Tübbingausbau.
- Durch weitgehend mittige Anordnung des Zwischenelements, das sowohl der Dichtung als auch der Kraftübertragung dienen kann, ist eine günstigere Krafteinleitung in den Tübbingbeton gegeben, so dass grundsätzlich auch eine Reduzierung der Tübbingdicke gegenüber herkömmlichen Fugenkonstruktionen realisiert werden kann.
- Wenn als Fugenverpressmaterial thermoplastische Elastomere verwendet werden, kann infolge des reversiblen Verhaltens solcher Materialien eine undicht gewordene Fuge durch Erwärmen, ausfließen lassen des Materials und erneutes Einspritzgießen, bei Bedarf sogar mehrfach, erneuert werden. Auch nach Havariesituationen, zum Beispiel Brandbelastung, ist eine Erneuerung des Fugenmaterials ohne weiteres möglich.
Claims (5)
1. Verfahren zum Dichten von Fugen zwischen vorgefertigten Bauwerksteilen von
Bauwerken aus Stahl, Stahl- oder Spannbeton, insbesondere zwischen
Tübbingen bei der Herstellung von Tunneln, Stollen oder dergleichen,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Fugenzwischenräume nach dem Zusammenfügen der Bauwerksteile
durch Materialien ausgepresst werden, die zum Zeitpunkt des Einbringens
flüssig bis zähflüssig sind und die danach in ein entropieelastisches Verhalten
übergehen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Fugenzwischenräume erst nach etwa aufgetretenen Primärverformungen
ausgepresst werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch
Druckbeaufschlagung der Materialien beim Einbringen in die
Fugenzwischenräume eine Vorspannung auf die Bauwerksteile erzeugt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
die Fugenzwischenräume vor dem Einbringen der Materialien zu den
Außenflächen der Bauwerksteile hin zumindest vorläufig abgedichtet werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass
zum Auspressen der Fugenzwischenräume thermoplastische Elastomere
(TPE) verwendet werden, die zum Einbringen durch Zufuhr von Wärme
verflüssigt werden.
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