DE1947294C - Verfahren zum Auffahren von Hohlrau men fur die Herstellung langgestreckter unterirdischer Bauwerke, insbesondere Tunnels, Stollen od dgl - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine weitere Ausbildung des halten. Dieser Überblick sowie andere Veröffent-Verfahrens zum Auffahren von Hohlräumen für die lichungen, wie z. B. in der Zeitschrift »Bergbau-Herstellung langgestreckter· unterirdischer Bauwerke, Wissenschaft« 14 (1967), Nr. 7, Seiten 274 bis 278, insbesondere Tunnels, Stollen od. dgl., in Kernbau- zeigen, daß nichtmechanische Verfahren, insbesonweise nach dem Patent 1903 911. In dem Haupt- 5 dere wegen des hohen Aufwandes, bisher im wesentpatent ist ein Verfahren dieser Art beschrieben, bei liehen zum Schneiden von Gestein in Werkdem in bekannter Weise innerhalb des herzustellen- Steinbrüchen oder im Bergbau zum Herstellen von den Hohlraumprofils Richtstollen vorgetrieben, dann Sprenglöchern in Erwägung gezogen wurden. In der zwischen diesen, sich an die Peripherie des Hohl- letztgenannten Zeitschrift ist auf S. 278 aber auch raumprofils anlegend, ein Teilhohlraum oder mehrere 10 eine Streckenvortriebsmaschine dargestellt und be-Teilhohlräume zürn Herstellen der Bauwerkswandun- schrieben, die das Hartgestein auf elektromagnetisch gen in Form von den Gebirgsdruck aufnehmenden thcTnischem Wegs zerstört und für die auch vorge-Wand- und Deckenteilen aus Ortbeton mit oder ohne schlagen ist, sie z. B. im Tiefbau zum Auffahren Bewehrung aufgefahren werden und schließlich der einer Strecke oder im Tunnelbau einzusetzen. Diese zwischen den fertigen Bauwerkswandungen verblie- 15 Streckenvortriebsmaschine bearbeitet aber mit der bene Erdkern weggenommen wird. Das Neue und verhältnismäßig aufwendigen elektromagnetisch ther-Erfinderische besteht bei dem Verfahren nach dem mischen Methode den gesamten Ansbruchquerschniit Hauptpatent darin, daß zum Auffahren des oder und kcmmt daher zum Auffahren von Hohlräumen der Teilhohlräunie eine zum Ausfräsen des Erd- großen Querschnitts, wie sie z. B. bei der Herstellung reiches dienende Fräsvorrichtung mit mindestens ao von Tunnels vor. Untergrundbahnen, insbesondere einem Fräswerkzeug auf einem entsprechend dem im Bereich von U-Bahnhöfen, notwendig sind, schon Profil der zu betonierenden Bauwerkswandungen ge- aus wirtschaftlichen Gründen nicht in Betracht. Aber formten Führungsgestell quer zur Längsrichtung des auch die Anwendung anderer elektrothermischer Bauwerks von einem zum anderen Richtstollen hin Verfahren oder von thermischen Verfahren, von und her bewegt wird, wobei das Führungsgestell 25 denen insbesondere das Flamm- oder Brennstrahlunter Längsführung seiner Enden in den RichtstoMen verfahren und das Plasmabrennverfahren in Betracht in axialer Richtung des Bauwerks mit der Fräs- kommen, oder van sonstigen nichtmechanischen vorrichtung in dem oder den beim Ausfräsen des Verfahren, wie das Laserstrahlverfahren und die Erdreiches entstehenden Tc;lhohli"umen vorwärts Gesteinszerstörung mit Wasserstrahlen hoher Gebewegt wird und anschließend die Tf-lhohlräume, _3O schwindigkeit, würden in solchen Fällen einen zu gegebenenfalls unter Einbringen eiiv.r Bewehrung, hohen Aufwand erfordern.

die, im Bauwerksquerschnitt gesehen, von mindestens Die vorliegende Zusatzerfindung ermöglicht die

einem der Rithtstollen aus durchgehend von Rieht- Anwendung solcher nicntmechanischer Verfahren stollen zu Rrchtstollen ausbetoniert und hierbei auch zur Gesteinszerstörung auch ir>< Tunnelbau m wirtdie Bauwerksteile im Bereich der Richtstollen mit- ₃₅ schaftlicher Weise, indem bei den Verfahren nach betoniert werden. dem Hauptpatent zur Lösung der angegebenen Auf-

Bei Anwendung des. Verfahrens nach dem gäbe als Abbauvorrichtung eine Vorrichtung verwen-Hauptpatent können im Vergleich zu bekannten det wird, die das in dem oder den Teilhohlräumen Verfahren langgestreckte unterirdische Bauwerke, anstehende Gestein oder sonstige harte Bodenmaterial insbesondere solche von großem Querschnitt, unter 40 mittels eines an sich bekannten »nichtmechanischen« Verwendung von Richtstollen in erheblich ein- Verfahrens zerstört bzw. zerkleinert, facherer Weise und in kürzerer Zeit unter Belassung Das »nichtmechanische« Verfahren kann dabei als

eines im Querschnitt möglichst großen Erdkerns her- thermisches Verfahren, vorzugsweise in Form des gestellt werden, der dann mit Hilfe bekannter Abbau- Flamm- oder Brennstrahlverfahrens unter Vermaschinen. wie z. B. Baggern, im Schütze der Bau- ₄₅ wendung von Druckluft oder Sauerstoff oder in werkswandungen ohne Gefahr schnell weggenommen Form des Plasmabrennverfahrens, durchgeführt werwerden kann. Indessen wird hierbei zum Lösen des den, bei dem ein hocherhitzter Gasstrahl von einem Erdreiches für den oder die Teilhohlräume auf dem elektrischen Plasmabrenner erzeugt wird. Es kann Führungsgestell eine Fräsvorrichtung hin und her aber auch als :lektrothermisches Verfahren durch bewegt, d. h. eine mechanisch arbeitende Vor- _5o direkte Einwirkung von elektrischem Strom bzw. richtung, die zwar zum Lösen bzw. Abbauen der elektromagnetischen Wellen in Form des Kontaktmeisten Bodenarten geeignet ist, aber bei vor- Verfahrens mit Hoch- und Niederfrequenz oder in kommendem hartem Gestein kaum oder nur langsam Form des Hochfrequenz-Induktionsverfahrens durch- und damit unwirtschaftlich arbeiten kann. geführt werden. Schließlich können auch sonstige

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das 55 »nichtmechanische« Verfahren, insbesondere mit Verfahren nach dem Hauptpatent so zu gestalten, Laserstrahlen arbeitende Verfahren, oder solche Verdaß es bei Verwendung einer Abbauvorrichtung an- ^fahren angewendet werden, bei denen das Gestein derer Art auch bei gesteinshaltigem hartem Unter- durch Einwirkung von Wasserstrahlen mit hoher gnind mit den genannten Vorteilen anwendbar ist, Geschwindigkeit oder durch Einwirkung von Chemiohne daß wirtschaftliche Nachteile tür Änderung 6₀ kalien zerstört bzw. die Festigkeit des Gesteins verdes Abbauverfahrens zwingen. ringen wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung ^{Je nacn den} vorliegenden Gesteins- und/oder

davon aus, daß außer den konventionellen Ver- Bodenzusammensetzungen kann das jeweils in Befahren zur Gesteinszerstörung, die auf mecha- tracht kommende »nichtmechanische« Verfahren für nischcn Methoden beruhen, auch sogenannte »nicht- 65 sich allein oder auch in Verbindung mit einer mechanische« Verfahren bekannt sind. Ein Über- mechanisch arbeitenden Abbauvorrichtung angeblich über solche Verfahren ist z. B. in der Zeitschrift wendet werden, die insgesamt oder mit einzelnen »Beiga/:ademie«, 1969, Heft 1, Seiten 15 bis 22, ent- mechanischen Abbauwerkzeugen der nichtmechani-

sehen Zerkleinerung des Hartmaterials folgt und dies weiter zerkleinert oder abräumt. In jedem Falle kann bei Anwendung der Zusatzerfindung das in dem oder den zu bildenden Teilhohlräumen anstehende Gestein oder sonstige Hartmateriai erschütterungsfrei und unter Vermeidung von Setzungen im Untergrund zerstört bzw. zerkleinert werden. Das »nichtmechanische« Verfahren wird dabei in durchaus wirtschaftlicher Weise angewendet, da mit seiner Hilfe das Gestein bzw. Hnrtmaterial nur im Bereich der Peripherie des aufzufahrenden Hohlraumes, d. h. in einem im Vergleich zum gesamten Hohlraumquerschnitt nur kleinen Querschnittsbereich, zerstört bzw. zerkleinert zu werden braucht. Es kommt dabei auch nicht darauf an, daß der oder die zur Herstellung der Bauwerkswandungen dienenden Teilhohlräume nur mit einer radialen Weite aufgefahren werden, die etwa der Dicke der Bauwerkswandung entspricht. Vielmehr kann diese iadiale Weite auch größer als die Dicke der herzustellenden Bauwerkswandung sein, da auch dann der Querschnittsbireich, in dem der oder die Teilhohlräume unter Zuhilfenahme des »nichtmechanischen« Verfahrens aufgefahren werden, nur einen geringen Teil des Gesamt-Hohlraumquerschnitts darstellt.

Nachstehend ist eine Ausführungsform der Erfindung als Beispiel an Hand der Zeichnung beschrieben.

F i g. 1 zeigt das herzustellende Bauwerk bzw. die hierfür zu bildenden Teilhohlräume im Querschnitt, und

F i g. 2 zeigt den zugehörigen Längsschnitt im Bereich des Firststollens.

Gemäß F i g. 1 ist ein langgestrecktes unterirdisches Bauwerk mit einem etwa hufeisenförmigen Querschnitt herzustellen, dessen Bauwerkswandung die Wände und Decke umfaßt und eine entsprechende hufeisenartige Profilform aufweist. Zur Herstellung des Bauwerks werden zunächst in an sich bekannter Weise drei Richtstollen 1, 2 und 7 z. B. im Messervortrieb oder unter Anwendung von ein kreisrundes Hohlprofil hersteliendsn Fräsmaschinen vorgetrieben und erforderlichenfalls mit einer nicht dargestellten abstützenden Auskleidung versehen. Von diesen Richtstollen aus werden, wie insbesondere aus der rechten Hälfte der Fig. 1 ersichtlich ist, zwei Teilhohlräume 5 hergestellt und in diesen die Bauwerkswandung in Firm von zwei HalDschalen 6 aus Beton oder Stahlbeton hergestellt (vgl. F i g. 1, linke Hälfte).

Zur Bildung der Teilhohlräume 5 und der Dauwerkswandung wird an einer den Bauwerksanfang crschl cßcnden Einsatzstelle, z. B. in einem Erschließungsschacht oder an einer senkrechten Stirnwand an einem BöschungsfuB, ein entsprechend der Profilform der Bauwerkswandung gebogenes Führungssesteli 4 aufgestellt, das von dem unteren Richtstollen 1 über den Fhststollen 3 bis in den Bereich des anderen unteren Richtstollens 2 reicht und innerhalb des Profils der herzustellenden Bauwerkswandung verläuft. Auf dem Führungsgestell 4 ist quer zur Längsrichtung des herzustellenden Bauwerks eine in F > g. 1 und 2 jeweils durch ein Rechteck angedeutete Abbauvorrichtung 37 in Richtung der in F i g. 1 eingetragenen Pfeile bewegbar. Die Abbauvorrichtung 37 ist se ausgebildet, daß mit ihr ein an sich bekanntes »nichtmechanisches« Verfahren zur Zerstörung bzw. Zerkleinerung von in den Teilhohlräumen S anstehendem Gestein oder sonstigem hartem Bodenmaterial durchgeführt werden kann. Hierzu kann die Vorrichtung 37 z. B. zum Abbau von Gestein, das, wie Granit, Quarzit, Syenit und Sandstein, unter Hitzeeinwirkung absplittert ills Flamm- oder Brennstrahl-Brennkopf mit einem oder mehreren Brennern ausgebildet sein, bei dem dor oder die Brennstrahlen mit mehrfacher Schallgeschwindigkeit und einer Temperatur von e;wa 3000 C austreten. Bei Anwendung einer solchen

ίο Abbauvorrichtung, die verhältnismäßig geräuscharm arbeitet, wild das Gestein durch unmittelbar-Flammeneinwirkung an der Oberfläche jeweils so erhitzt, daß Wärmespannungen hervorgerufen werden, die das Gestein zum Absplittern bringen und

hierdurch zerkleinern. In Verbindung mit einer auf diese Weise eine thermische Zerkleinerung des Gesteins herbeiführenden Vorrichtung können auch Mittel zum Erzeugen von Wassermühlen angeordnet sein, die zum Abschrecken des ethitzten Gesteins ditnen, wodurch das Absplittern bzw. Zerbröckeln des Gesteins begünstigt wird. Gegebenenfalls kann hierbei der Druck der Verbrennungsgase und des entstehe; den Wasserdampfes ausgenutzt werden, um das gelöste Gestein abzubefördern, während das Wasser zugleich zum Kühlen des Brennkopfes verwendet werden kann. Die Flamm- oder Brennstrahlen werden z.B. durch Petroleum oder Leichtöl und flüssigen Sauerstoff gespeist, die der Vorrichtung durch an dem Führungsgestell angeordnete bewegliehe Leitungen zugeführt werden.

Die Vorrichtung 37 kann aber auch als elektrische Abbauvorrichtung ausgebildet sein, mittels derer zur Zerstörung bzw. Zerkleinerung des Gesteins oder sonstigen Hartmaterials elektrischer Strom bzw.

elektromagnetische Wellen zur direkten Einwirkung auf das abzubauende Material gebracht werden. Hierzu kann die Abbauvorriichtung vorzugsweise mit einer oder mehreren elektrischen Leiterschleifen versehen sein, die zur direkten Berührung mit dem Gestein gebracht werden können. Diese Leiterschleifen können eine oder mehrere von hochfrequentem Strom durchflossene Induktionsspulen bilden, in deren magnetischem Feld zur Erhitzung des abzubauenden Materials Wirbelströme induziert werden, die eine Wärmeausdehnung der gesagten Erhitzungszone oder je nach dem meist unterschiedlichen Energieabso"ptionsvermögen der Gesteinsteile diese unterschiedlich stark erhitzen und so den Zerstörungsvorgang herbeiführen. Derartige Abbau-

vorrichtungen arbeiten völlig geräuschlos.

Weiterhin kann die Abbauvorrichtung 37 als Vorrichtung zur Erzeugung und zum Austrahlen eines oder mehrerer ζ B. ungebündelter und ungerichteter Laserstrahlen ausgebildet sein, mittels derer das Ge-

stein oder sonstige Hartmaterial bestrahlt wird. In wenigen Sekunden wird hierbei die bestrahlte Fläche von Rissen durchzogen und hierdurch die Festigkeit des Gesteins durch Lockerung desselben so weit herabgesetzt, daß es leicht mittels eines mechanischen

Werkzeuges abgearbeitet werden kann.

Die Abbauvorrichtung 37 kann ferner als Vorrichtung zur Erzeugung eines oder mehrerer Wasserstrahlen ausgebildet sein, die mit solch hohem Druck und solch hoher Geschwindigkeit auf das Gestein

gerichtet werden,.daß das Gestein durch die hohe kinetische Energie des oder der Wasserstrahlen zerstört und durch die scharfe Umlenkung des oder der Wasserstrahlen erodiert wird. Der oder die Wasser-

strahlen können dabei intermittierend oder kontinuierlich auf das Gestein gerichtet werden. Der Druck des oder der Wasserstrahlen soll höher sein als die vermutete oder bekannte Druckfestigkeit des Gesteins und kann z. B. etwa 2000 kp/cm² bis einige zehntausend kp/cm² betragen, während die Strahlgcschwindigkcit einige hundert m/sec sein kann.

Schließlich kann die Abbauvorrichtung 37 auch derart ausgebildet sein, daß durch sie auf das Gestein oder sonstiges Hartmaterial an sich bekannte Chemikalten, vorzugsweise in wäßriger Lösung, aufgebracht werden, die das Gestein angreifen und seine Festigkeit verringern. Auch hierbei kann, wie bereits im Zusammenhang mit der Gesteinsauflockerung durch Laserstrahlen erwähnt, das in seiner Festigkeit verminderte Gestein oder sonstige Hartmaterial anschließend durch mechanische Werkzeuge abgeräumt werden.

Eine oder mehrere mechanisch arbeitende Abbauvorrichtungen können aber auch in Verbindung mit ao jeder anderen »nichtmechanischen« Zerstörung, Zerkleinerung oder Auflockerung von Gestein oder sonstigem hartem Bodenmaterial verwendet werden.

Bei der in der Zeichnung dargestellten Anwendungsweise des Verfahrens nach der Erfindung sind beide unteren Richtstollen 1 und 2 in Höhe der Wandsockel 11 des Bauwerks angelegt und enthalten ebenso wie der obere Richtstollen 3 Führungsbahnen 12. auf denen das Führungsgestell 4 für die Abbauvorrichtung 37 in der durch den Pfeil 13 in F i g. 2 angedeuteten Längsrichtung des herzustellenden Bauwerks je nach dem Arbeitsfortschritt vorwärts bewegbar ist, mit dem das Gestein oder sonstige harte BodenmateriaL gelöst und die Teilhohlräume aufgefahren werden. In den Teilhohlräumen 5, die je- weils von Richtstollen zu Richtstollen reichen, wird, dem Vorwärtsrücken des Führungsgestells 4 folgend, die Bauwerkswandung 6 in der gleichen Weise wie bei dem Verfahren nach der Hauptpatentanmeldung in Längsabschnitten 25 betoniert.

Gemäß der vorliegenden Zusatzerfindung können die Teilhohlräume 5 mit einer größeren radialen Weite hergestellt werden, als es für die Dicke der Bauwerkswandung erforderlich ist, wobei eine Innenschalung zum Herstellen des maßgerechten Licht- raumprofils nachgeführt wird (vgl. linke Hälfte der Fil)

Die Teilhohlräume können im übrigen entweder mit gleicher oder von Richtstollen zu Richistollen mit veränderlicher Dicke ausgeführt werden.

Claims (10)

Patentansprüche: 55

1. Verfahren zum Auffahren von Hohlräumen für die Herstellung langgestreckter unterirdischer Bauwerke, insbesondere Tunnels, Stollen od. dgl., in Kernbauweise, bei dem innerhalb des herzustellenden Hohlraumprofils Richtstollen vorgetrieben, dann zwischen diesen ein sich an die Peripherie des Hohlraumprofils anlegender Teilhohlraum oder mehrere solcher Teilhohlräume zum Herstellen der Bauwerkswandung aus Beton oder Stahlbeton mittels mindestens einer Abbauvorrichtung aufgefahren werden, die auf einem pntsnrechend dem Profil der zu betonierenden Bauwerkswandung geformten Führungsgestell quer zur Längsrichtung des Bauwerks von einem zum anderen Richtstollen hin und her bewegt wird, wobei das FUhrungsgestell unter Längsführung seiner Enden in den Richtstollen in axialer Richtung des Bauwerks mit der Abbauvorrichtung in dem oder den entstehenden Teilhohlräumen vorwärts bewegt wird, nach Patent 1903911, dadurch gekennzeichnet, daß als Abbauvorrichtung eine Vorrichtung verwendet wird, die das in dem oder den Teilhohlräumen anstehende Gestein oder sonstige harte Bodenmaterial unter Anwendung eines an sich bekannten »nichtmechanischen« Verfahrens zerstört bzw. zerkleinert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu der Vorrichtung zum »nichtmechanischen« Zerstören oder Zerkleinern des Gesteins bzw. harten Bodenmaterials eine mechanisch arbeitende Abbauvorrichtung verwendet wird, die insgesamt oder mit einzelnen mechanischen Arbeitswerkzeugen der Vorrichtung zur »nichtmechanischen« Zerkleinerung bei ihrer Bewegung auf dem Führungsgestell folgt und das Gesteir bzw. harte Bodenmaterial weiter zerkleinert und/oder abräumt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das »nichtmechanische« Verfahren zum Zerstören brw. Zerkleinern des Gesteins bzw. Hartmaterials als sogenanntes thermisches Verfahren durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das thermische Verfahren mit Hilfe von Brenn- bzw. Flammstrahlen durchgeführt wird, die von einem auf dem Führungsgerüst beweglich angeordneten Brenn- odet Flammkopf erzeugt und unmittelbar zur Einwirkung auf die jeweilige Oberfläche des Gesteins oder Hartmaterials gebracht werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das »nichtmechanische« Verfahren zum Zerstören bzw. Zerkleinern des Gesteins als elektrothermisches Verfahren durchgeführt wird, bei dem die Gesteinszerstörung oder -zerkleinerung durch direkte Einwirkung von elektrischem Strom bzw. elektromagnetischen Wellen herbeigeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrothermische Verfahren als Hochfrequenz-Induktionsverfahrer durchgeführt wird, indem im magnetischen FeIc einer oder mehrerer zur direkten Anlage an da< Gestein gebrachten Leiterschleifen in dem leiten den oder halbleitenden Gestein oder sonstiger Kartmaterial Wirbelströme zur Erhitzung de; Materials induziert werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurct gekennzeichnet, daß das »nichtmechanische« Verfahren zum Zerstören bzw. Zerkleinern de; Gesteins bzw. Hartmaterials durch Bestrahlunj desselben mittels eines oder mehrerer Laser strahlen durchgeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurcl gekennzeichnet, daß das »nichtmechanische« Verfahren zum Zerstören oder Zerkleinern dei Gesteins bzw. Hartmaterials durch einen ode mehrere Wasserstrahlen herbeigeführt wird, dii mit einem höheren Druck als der vermutetei

oder bekannten Druckfestigkeit des Gesteins, vorzugsweise mit einem Druck von etwa 2000 kp/ctn² an aufwärts, und mit einer Auftreffgeschwindigkeit von einigen hundert m/sec auf das Gestein gerichtet ws-den.

9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das »nichtmechanische« Verfahren durch Aufbringen von Chemikalien, vorzugsweise in wäßriger Lösung, durchgeführt

wird, die in an sich bekannter Weise das Gestein angreifen und seine Festigkeit verringern.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilhohlräume mit einer größeren radialen Weite hergestellt werden, als es für die Dicke der Bauwerkswandung erforderlich ist, wobei eine Innenschalung zum Herstellen des maßgerechten Licht raumprofils nachgeführt wind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

»9612/2«

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