DE19542971C2 - Verfahren zur vorauseilenden Firstsicherung von Tunnelauffahrungen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur vorauseilenden Firstsicherung von Tunnelauffahrungen mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.

Eine Fristsicherung ist erforderlich, um bei Tunnelauffahrungen den Bereich der zukünftigen Tunneldecke (bergmännisch "Tunnelfirste") insbesondere unmittelbar vorderhalb des aktuellen Endes des Tunnels, d. h. den Bereich des nächst anstehenden Tunnelausbruches abzusichern.

Eine derartige Absicherung der auszubildenden Tunnelfirste bewirkt, daß im darunterliegenden Bereich die Bohrungen (zur Lösung des Locker- oder Festgesteins) und Beräumungen zügig und sicher durchgeführt werden können, ohne daß die Gefahr eines Nachrutschens oder Einstürzens des untergrabenen Erdreichs oder Gesteins besteht. Die Sicherung erfolgt üblicherweise durch sogenannte Injektionsbohrungen, bei denen in vorangetriebene Bohrungen beim Zurückziehen des Bohrkopfes seitlich neben der Bohrung Injektionsstoffe, z. B. Zementlösungen, eingespritzt werden. Durch radial an dem länglichen Bohrkopf angeordnete Düsen und die Drehung des Bohrkopfes um seine Längsachse werden säulen- oder scheibenartige Injektionskörper ausgebildet, die nebeneinanderliegend im Bereich der zukünftigen Tunnelfirste angeordnet werden. Mit der herkömmlichen Technik können die Injektionskörper jedoch nur geradlinig verlaufend ausgebildet werden.

Um diese Injektionskörper möglichst nahe zu den zukünftigen Tunnelfirsten auszubilden, werden die Injektionsbohrungen üblicherweise von dem vorderen Ende (Ortsbrust) des bereits aufgefahrenen Tunnels aus durchgeführt. Ein entsprechendes Bohrgerät mit einer oder mehreren "über Kopf" angeordneten Bohrstangen treibt dazu vom oberen Rand des aufgefahrenen Tunnels Injektionsbohrungen nach vorne voran. Da sich das Bohrgerät in dem frisch aufgefahrenen Tunnelbereich befindet, und ausgehend von der Höhe der bereits vorhandenen Tunnelfirste ein Bereich oberhalb dieser Höhe gesichert werden muß, um die Höhe des Tunnels beizubehalten, müssen die Injektionskörper leicht schräg nach oben verlaufend ausgebildet werden.

Dies hat zur Folge, daß die Injektionskörper nicht beliebig lange ausgebildet werden können, da sonst in einem weit entfernten Bereich keine Sicherung der zukünftigen Tunnelfirste erreicht werden kann. Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, daß sich die für die Injektionsbohrungen erforderlichen Geräte in dem Tunnel selbst befinden, so daß sie die übrigen Arbeiten zur Auffahrung des Tunnels behindern und die Fertigstellung des Tunnels verzögern.

Dieser Nachteil wird bei einer anderen Methode zur Firstsicherung dadurch behoben, daß die Injektionskörper durch geradlinige Injektionsbohrungen von der Erdoberfläche über dem Tunnel ausgebildet werden. In diesem Fall verläuft die Bohrrichtung der Injektionsbohrungen weitgehend senkrecht zur Richtung des Tunnels, so daß die Injektionskörper als eine Vielzahl von nebeneinanderliegenden kurzen Säulen oder Scheiben auszubilden sind. Dieses Verfahren ermöglicht zwar das gleichzeitige Vorantreiben der Tunnelauffahrung, erfordert jedoch eine Vielzahl von einzelnen Injektionsbohrungen zur Firstsicherung, es kann nur bei geringer Gebirgsüberdeckung eingesetzt werden und ist aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten ebenfalls nicht zufriedenstellend.

Die österreichische Patentschrift 389 148 offenbart ein Verfahren zur vorauseilenden Firstsicherung, bei dem Bohrungen im gesamten Bereich rings um den Rand des Ausbruchs etwa in Tunnellängsrichtung geführt werden. Die Bohrungen werden als Über-Kopf-Bohrungen von der Tunnelauffahrung aus vorangetrieben. Nach dem Freiliegen der Bohrlöcher wird in jede einzelne dieser Bohrungen ein mit Ventilen versehenes Trägerrohr eingeführt, das außen mindestens einen Sack aus textilem Faserstoff aufweist. Eine chemische Konsolidierungsmischung wird in das Rohr injiziert, wobei sich der ausgefüllte Sack unter Druck an die Bohrungswände anlegt und die Mischung in das umliegende Erdreich eindringt, ohne daß dieses durch zu hohe Strahlgeschwindigkeiten ausgewaschen wird.

Die deutsche Offenlegungsschrift 43 05 423 beschreibt einen Bohrkopf, der durch seine Steuerfläche für Richtungsänderungen geeignet ist. Zusätzlich besitzt der Bohrkopf auf der der Steuerfläche abgewandten Seite Düsen, die das Erdreich seitlich von dem Bohrkopf auflockern, damit eine Drehung des Bohrkopfes zusätzlich erleichtert wird. Wie sich aus diesem Stand der Technik ergibt, kann ein voll verlaufsgesteuertes Bohrverfahren von der Erdoberfläche aus durchgeführt werden.

Die deutsche Offenlegungsschrift 23 20 366 offenbart ein Verfahren zur vorauseilenden Firstsicherung, bei dem von einem Anfahr- oder Zielschacht oder einer Kaverne aus vor Beginn des Hohlraumausbruches am Umfang des Hohlraumes in Richtung seiner Längsachse Bohrungen für die Aufnahme von Erdankern hergestellt werden. Das verwendete Bohrverfahren benutzt einen steuer- und ortbaren Bohrkopf. Bei unzureichender Kohäsion des Erdreichs in den Zwischenräumen der Anker kann ein geeignetes Injektionsgut wie beispielsweise Tonsuspensionen oder Kunstharzlösungen eingepreßt werden.

Die deutsche Offenlegungsschrift 43 05 423 stellt den nächstkommenden Stand der Technik dar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Firstsicherung von Tunnelauffahrungen zu schaffen, das die Arbeiten im Rahmen der Tunnelauffahrung nicht behindert und gleichzeitig eine statische Optimierung der zu schaffenden Firstsicherung wie auch eine gleichzeitige Materialreduzierung des verwendeten Injektionsguts ermöglicht.

Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 erreicht.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in einem ersten Schritt vollkommen verlaufsgesteuert von der Erdoberfläche aus in Richtung des Bereiches oberhalb der zukünftigen Tunnelfirste gebohrt. Im zweiten Schritt werden dann ausgehend von dieser ebenfalls vollkommen verlaufsgesteuert eine oder mehrere Injektionsbohrungen im Bereich der zukünftigen Tunnelfirste zur Ausbildung von Injektionskörpern durchgeführt. Unter vollkommen verlaufsgesteuertem Bohren wird dabei verstanden, daß der Bohrkopf derart steuerbar ist, daß zu jedem Zeitpunkt der Bohrung die Bohrrichtung von einem außerhalb der Bohrung befindlichen Bohrgerät aus festgelegt und gesteuert werden kann. Insbesondere ist durch den steuerbar gestalteten Bohrkopf das Bohren von nahezu beliebigen Kurven und Krümmungen möglich, wobei eine Überwachung des Bohrverlaufs von der Erdoberfläche aus erfolgt.

Das verlaufsgesteuerte Bohren von der Erdoberfläche aus zum Bereich oberhalb der zukünftigen Tunnelfirste ermöglicht erstmals eine zur Tunnelachse parallele, vorauseilende Firstsicherung von der Erdoberfläche aus, so daß die Tunnelauffahrung selbst nicht behindert ist. Die vorauseilende und kontinuierlich erfolgende Firstsicherung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bietet deshalb erhebliche Vorteile gegenüber der intermittierend, d. h. laufend unterbrochenen Firstsicherung aus dem Tunnel heraus nach dem herkömmlichen Verfahren (Firstsicherung, Gebirgslösung, Beräumarbeiten, Firstsicherung, Gebirgslösung, etc.).

Ferner kann durch das verlaufsgesteuerte Bohren der Bohrkopf im Bereich der zukünftigen Tunnelfirste in eine derartige Orientierung gebracht werden, daß die Ausbildung von länglichen Injektionskörpern parallel zur zukünftigen Tunnelfirste möglich ist. An dieser Stelle zeigen sich besonders deutlich die unerwarteten Vorteile, die sich aus der Verbindung des an sich bekannten, verlaufsgesteuerten Bohrens mit dem Injektionsbohren ergeben.

Das verlaufsgesteuerte Bohren ermöglicht nämlich die Erstellung einer Zuführbohrung von einer beliebigen Stelle in der Umgebung des Tunnels aus (beispielsweise oberhalb eines bereits erstellten Teilstücks), und gleichzeitig kann das Bohrgerät an der Stelle der erforderlichen Firstsicherung so ausgerichtet werden, daß Injektionsbohrungen praktisch in beliebigen Richtungen durchgeführt werden können. Bevorzugt wird das Injektionsbohren dabei oberhalb von und parallel zu der zukünftigen Tunnelfirste durchgeführt, so daß die Injektionsbohrungen theoretisch beliebig lange ausgeführt werden können, da sich die Injektionskörper nicht, wie beim herkömmlichen Verfahren, schräg nach oben erstrecken müssen. Ebenso kann die Firstsicherung in vorteilhafter Weise dadurch optimiert werden, daß die Injektionsbohrungen unmittelbar über der zukünftigen Tunnelfirste erfolgen und sich nicht von dieser entfernen, so daß direkt unter den Injektionskörpern die Tunnelfirste ausgebildet werden kann.

Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens finden sich in den Unteransprüchen.

Es ergeben sich besondere Vorteile bei der vorauseilenden Firstsicherung von Tunnelauffahrungen, wenn die Injektionskörper gemäß einer bevorzugten Ausführungsform gekrümmt ausgebildet werden. Dies ermöglicht im deutlichen Gegensatz zu den herkömmlichen Verfahren ein Nachbilden des zukünftigen Tunnelgewölbes durch Injektionskörper, die derart gekrümmt verlaufen, daß sie sich nicht nur in Längsrichtung des Tunnels erstrecken, sondern auch zumindest teilweise in Umfangsrichtung um das Tunnelgewölbe herum. Eine derart gekrümmte oder kurvenförmige Gestalt der Injektionskörper kann nur durch das vollkommen verlaufsgesteuerte Injektionsbohren erreicht werden. Die wesentlichen Vorteile einer solchen Ausbildung der Injektionskörper liegen in der Möglichkeit der statischen Optimierung der zu schaffenden Firstsicherung und in der gleichzeitigen Materialreduzierung und Optimierung der Form der Injektionskörper.

Bevorzugt werden bei dem Verfahren zur vorauseilenden Firstsicherung von Tunnelauffahrungen gleichzeitig mit oder nach den Injektionsbohrungen Armierungselemente und/oder vorgespannte Elemente, z. B. Bewehrungsglieder, in die Bohrung eingebracht. Derartige Elemente sorgen in vorteilhafter Weise für eine Verbesserung der statischen Eigenschaften der Injektionskörper und optimieren dadurch die Firstsicherung von Tunnelauffahrungen ebenso wie die Sicherungsmaßnahmen bei sonstigen Anwendungen.

Ausgehend von einer Zuführbohrung können ferner mehrere Injektionskörper fächerartig, z. B. von einem zentralen Injektionskörper im Scheitel des zukünftigen Tunnelgewölbes ausgehend ausgebildet werden.

In vorteilhafter Weise ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren außerdem die Ausbildung von Injektionskörpern, die sich zu beiden Seiten einer Zentralbohrung, z. B. im Scheitel des Tunnels, um die benachbarten Abschnitte des Tunnels herum erstrecken. Ferner können durch gekrümmte oder kurvenförmige Injektionskörper auch die Injektionsbohrungen zur Sicherung und Abdichtung von Gründungen und Baugelände verbessert werden, indem das erforderliche Volumen von bislang aneinandergereihten Injektionskörpern dadurch verringert wird, daß statisch äquivalente Injektionskörper in gekrümmter Form ausgebildet werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der fächerförmigen Anordnung der Injektionskörper ist vorgesehen, daß mehrere nebeneinanderliegende und sich abschnittsweise überlappende Injektionskörper ausgebildet werden. Durch die nebeneinanderliegenden Injektionskörper kann eine praktisch fugenlose Sicherung des Erdreichs oder Gesteins erreicht werden. Die abschnittsweise Überlappung der Injektionskörper insbesondere bei der fächerförmigen Anordnung gewährleistet eine zuverlässige Sicherung in Verbindung mit einer Optimierung des Gesamtvolumens der Injektionskörper.

Auch in dem Fall, daß ein vollkommen verlaufsgesteuertes Bohren von der Erdoberfläche aus zu dem Bereich der zukünftigen Tunnelfirste aufgrund der Gebirgsverhältnisse über dem aufzufahrenden Tunnel nicht möglich ist, bietet ein entsprechend modifiziertes Verfahren zur Firstsicherung große Vorteile. Wenn nämlich eine Behinderung der Arbeiten im Rahmen der Tunnelauffahrung nicht zu befürchten ist oder in Kauf genommen werden kann, so können ausgehend von einem Bohrgerät, das sich in dem bereits aufgefahrenen Tunnel befindet, Injektionsbohrungen durchgeführt werden, die trotz der Arbeit aus dem Tunnel heraus parallel zur zukünftigen Tunnelfirste verlaufen können.

Dadurch verlaufen die Injektionskörper im Gegensatz zum herkömmlichen Verfahren nicht schräg nach oben und können theoretisch beliebig lange ausgeführt werden, ohne die Sicherung des Erdreichs zu beeinträchtigen. Außerdem ergeben sich ganz erhebliche wirtschaftliche Vorteile daraus, daß in einem Arbeitsgang ein weitaus größerer Bereich gesichert werden kann als mit dem herkömmlichen Verfahren.

Um mögliche Setzungen oder Absenkungen des Gesteins im Umfeld der Tunnelfirste zu registrieren, können im Umfeld der Injektionskörper Spannungsmeßeinrichtungen eingebracht werden. Bevorzugt werden dabei Druckmeßsonden verwendet, die in Folienform ausgebildet sein können, und an die zur Übertragung der aufgenommenen Signale vorzugsweise Lichtwellenleiter angeschlossen sind. Mit dieser modernen Technologie ist eine wirkungsvolle Überwachung der im Umfeld der Injektionskörper auftretenden Spannungen und damit eine zuverlässige Detektierung von Setzungen und Senkungen möglich.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann dazu benützt werden, die Spannungsmeßeinrichtungen mittels einer oder mehrerer Parallelbohrungen in das Umfeld der Injektionskörper einzubringen. Wenn ein gewisser Abstand zwischen den eingebrachten Spannungsmeßeinrichtungen und den Injektionskörpern eingehalten wird, ist die Beeinflussung der von den Spannungsmeßeinrichtungen aufgenommenen Signale durch die Injektionskörper ausgeschlossen. Gleichzeitig gewährleistet eine derartige Anordnung, daß Veränderungen der Spannungen im Umfeld der Injektionskörper und mögliche Setzungen und/oder Absenkungen zuverlässig registriert werden können.

Im folgenden soll das erfindungsgemäße Verfahren beispielhaft anhand der Figur beschrieben werden, die anhand eines Teilschnitts in perspektivischer Ansicht die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der vorauseilenden Firstsicherung von Tunnelauffahrungen zeigt.

Wie in der Figur gut zu erkennen ist, wird vorderhalb eines bereits aufgefahrenen Tunnels 10 eine Firstsicherung durchgeführt. Dazu wird bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens von einem Bohrgerät 20, das sich auf der Erdoberfläche 18 befindet, eine vollkommen verlaufsgesteuerte Bohrung 22 durch das Erdreich hindurch zu dem Bereich 14 oberhalb der Firste des zukünftigen Tunnels 12 durchgeführt. Parallel zu und unmittelbar über der zukünftigen Tunnelfirste wird eine vollkommen verlaufsgesteuerte Injektionsbohrung durchgeführt, um die gezeigten Injektionskörper 24 auszubilden. Die vorauseilende Firstsicherung von der Oberfläche aus behindert dabei nicht die Arbeiten der Vortriebsmaschine 30 im Rahmen der Tunnelauffahrung.

Ausgehend von der Bohrung 22 können mehrere Injektionsbohrungen durchgeführt werden. Dadurch können z. B. mehrere nebeneinanderliegende Injektionskörper oberhalb der zukünftigen Tunnelfirste ausgebildet werden, die sich abschnittsweise überlappen können. In Fällen, die dies erforderlich machen, können Injektionsbohrungen durchgeführt werden, durch die Injektionskörper ausgebildet werden, die sich nicht nur in Längsrichtung des Tunnels erstrecken, sondern auch in Umfangsrichtung um den Tunnel herum. In der gezeigten Darstellung sind derartige Injektionskörper 26 ausgehend vom Bereich 14 der zukünftigen Tunnelfirste nach unten verlaufend zu erkennen. Durch die perspektivische Ansicht ist ferner die durch das erfindungsgemäße Verfahren ermöglichte Krümmung des Injektionskörpers 26 um das zukünftige Tunnelgewölbe herum zu sehen.

Claims (4)

1. Verfahren zur vorauseilenden Firstsicherung von Tunnelauffahrungen durch Herstellen eines Injektionskörpers oberhalb der geplanten Tunnelfirste, wobei zumindest eine verlaufsgesteuerte Injektionsbohrung von einer Stelle außerhalb des Tunnels oberhalb der geplanten Tunnelfirste hergestellt und ein Injektionskörper oberhalb der Tunnelfirste ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet,
daß ausgehend von der von der Erdoberfläche hergestellten und über der Tunnelfirste verlaufenden Injektionsbohrung (22) weitere Bohrungen hergestellt werden, und
daß vom Injektionskörper (24) oberhalb der geplanten Tunnelfirste ausgehend weitere Injektionskörper (26) ausgebildet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Injektionskörper (24, 26) überlappen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Injektionskörper in Anpassung an das Tunnelprofil nach unten verlaufend ausgebildet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in die Injektionsbohrlöcher Armierungselemente und/oder vorgespannte Elemente, wie Bewehrungsglieder, eingebracht werden.