DE19739838C1 - Einrichtung zur Sicherung des Bodens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Sicherung des Bodens gegen unkontrol­ liertes Entweichen von Druckluft (Ausbläser) beim Vortrieb eines Tunnels im Druck­ luftbetrieb unter offenen Gewässern.

Beim Vortrieb eines Tunnels unter einem offenen Gewässer muß verhindert werden, daß das an der Ortsbrust anstehende Wasser in den Tunnel eindringt. Dazu wird üb­ licherweise Druckluft in den Boden an der Ortsbrust gepreßt. Diese durchströmt unter gleichzeitiger Verdrängung des Wassers den Porenraum des Bodens und tritt an der Bodenoberfläche, d. h. der Sohle des Gewässers aus.

Mit dem voranstehend beschriebenen Verfahren kann das Eindringen von Wasser in den Tunnel allerdings nur dann wirkungsvoll verhindert werden, wenn ein bestimmtes Verhältnis zwischen dem Druck, unter dem die an der Ortsbrust in den anstehenden Boden eindringende Luft steht, und dem auf dieser Luftsäule lastenden Gewicht des Bodens gewahrt bleibt. Ist der Bodendruck erheblich kleiner als der Druck der auf­ steigenden Luft, so besteht die Gefahr, daß sich der Boden abhebt. Dabei vergrößert sich der Porenraum, so daß die Luft nicht mehr in der Lage ist, das Wasser zu ver­ drängen. In diesem Falle bewegt sich die Luft unkontrolliert aufwärts, während sich das Wasser ebenso unkontrolliert abwärts bewegt, mit dem Bodenmaterial vermischt und in den Schildraum des Tunnels eindringt. Diesen Effekt nennt man "Ausbläser".

Es ist bekannt, daß sich durch Einhalten einer geeigneten Überdeckungshöhe, d. h. einer Mindestdicke der Bodenschicht oberhalb des Tunnelbauwerks, das Auftreten von Ausbläsern verhindern läßt. Um die erforderliche Überdeckungshöhe zu ge­ währleisten bzw. die entsprechenden statischen Erfordernisse auch bei ungünstigen Baugrundverhältnissen zu erfüllen, wird die Gewässersohle in kritischen Bereichen einfach mit einem geeigneten Material, in der Regel Sand und Schwerstoffe, wie z. B. Kupferschlacke oder Schwerspat, aufgefüllt.

Ein solches Verfahren wird bspw. in der DE 37 33 520 A1 beschrieben. Hier wird über der geplanten Vortriebsstrecke des Tunnels zwischen entsprechend angeord­ neten Spundwänden ein Damm aufgeschüttet, der nach dem Vortrieb wieder entfernt wird.

Das bekannte Verfahren erweist sich in der Praxis in mehrerlei Hinsicht als proble­ matisch.

Beim Vortrieb eines Tunnels unter einem Gewässer kommt im Lockergestein mei­ stens ein Schild mit flüssigkeitsgestützter Ortsbrust zur Anwendung. Bei dieser Technik müssen die voranstehend beschriebenen statischen Anforderungen eigent­ lich nur dann erfüllt sein, wenn eine Begehung des Schildraumes unter Druckluft er­ forderlich ist, wie z. B. zum Werkzeugwechsel oder zur Hindernisbeseitigung. Diese Ereignisse treten bei den heutigen Tiefbaumaßnahmen relativ selten ein. Da die je­ weilige Schildposition jedoch im voraus nicht bekannt ist, erstreckt sich der Damm in der Regel über die gesamte Vortriebsstrecke des Tunnels. Dieser Aufwand ist mit er­ heblichen Kosten verbunden.

Aber selbst wenn ein sich über die gesamte Vortriebsstrecke erstreckender Damm erforderlich wäre, so ist diese Art der Sicherung des Bodens oberhalb des Tunnels immer mit größeren Baumaßnahmen, nämlich dem Installieren der Spundwände und dem Aufschütten und Abtragen von Damm-Material verbunden, so daß das bekannte Verfahren insgesamt relativ aufwendig ist. Hinzu kommt, daß die Anwendung des bekannten Verfahrens in der Regel mit einer erheblichen Behinderung des Schiffver­ kehrs verbunden ist. Schließlich ist das bekannte Verfahren auch unter ökologischen Gesichtspunkten kritisch, da das Aufschütten eines künstlichen Damms und das an­ schließende Wiederabtragen des Damm-Materials mit einer deutlichen Beeinträchti­ gung der Gewässerflora und -fauna verbunden ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Si­ cherung des Bodens gegen unkontrolliertes Entweichen von Druckluft (Ausbläser) beim Vortrieb eines Tunnels im Druckluftbetrieb unter offenen Gewässern anzuge­ ben, die mobil ist und mit geringem Aufwand und konstruktiv einfachen sowie ökolo­ gisch gut verträglichen Mitteln eine Sicherung des Bodens beim Vortrieb eines Tun­ nels unter offenen Gewässern ermöglicht.

Die erfindungsgemäße Einrichtung löst die voranstehende Aufgabe durch die Merk­ male des Patentanspruches 1. Danach umfaßt sie mindestens ein Abdeckungsele­ ment zum Abdecken und Belasten des zu sichernden Bodens, das als Belastungs­ filter mit luft- und wasserdurchlässigem Aufbau ausgebildet ist und das mit min­ destens einem Schwimmkörper verbunden ist, der für das wahlweise Absenken und Aufschwimmen des Abdeckungselements Mittel zum Fluten und Lenzen aufweist.

Ausgehend von der Erkenntnis, daß beim Tunnelvortrieb unter offenen Gewässern eine bestimmte Auflast für die an der Ortsbrust in den Boden gepreßte Luft gewähr­ leistet sein muß, um ein Abheben des Bodens über dem Schildbereich zu verhindern, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, diese Auflast durch einen mobilen Bela­ stungsfilter zu erhöhen. Dieser mobile Belastungsfilter soll nur dann eingesetzt wer­ den, wenn dies aus Stabilitätsgründen erforderlich ist. Ansonsten kann der erfin­ dungsgemäße Belastungsfilter in einiger Entfernung geparkt werden.

Den Abdeckungselementen der erfindungsgemäßen Einrichtung kommen im wesent­ lichen zwei Funktionen zu. Zum einen erhöhen sie durch ihr Eigengewicht die Auflast auf die Luftsäule, und zum anderen überdecken sie den zu sichernden Bodenbereich vollständig, so daß auch ein nur stellenweises Anheben des Bodens wirkungsvoll verhindert wird. Erfindungsgemäß ist das Abdeckungselement bzw. die Anordnung der Abdeckungselemente mit einem oder mehreren Schwimmkörpern verbunden. Außerdem sind noch Mittel zum wahlweisen Fluten und Lenzen der Schwimmkörper vorgesehen. Damit kann der erfindungsgemäße Belastungsfilter gezielt abgesenkt und zum Schwimmen gebracht werden, was das Manövrieren und Positionieren des Belastungsfilters enorm vereinfacht. So kann der erfindungsgemäße Belastungsfilter im schwimmenden Zustand beispielsweise mit Hilfe eines Schleppschiffs einfach in eine gewünschte Position, z. B. über den zu sichernden Bodenbereich, gebracht wer­ den. Durch Fluten der Schwimmkörper kann der Belastungsfilter dann abgesenkt und auf der Oberfläche des zu sichernden Bodenbereichs angeordnet werden. Zum Ent­ fernen bzw. Bewegen des Belastungsfilters werden die Schwimmkörper ausgepumpt, wodurch der Belastungsfilter insgesamt von der Gewässersohle abhebt und auf­ steigt, so daß er dann weitergeschleppt werden kann.

Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Einrichtung auf ganz unterschiedliche Art und Weise realisiert werden. Variationsmöglichkeiten bestehen sowohl hinsichtlich des Aufbaus als auch hinsichtlich der konkreten Ausgestaltung der einzelnen Kom­ ponenten. Außerdem kann die erfindungsgemäße Einrichtung auch um zusätzliche Konstruktionselemente ergänzt werden.

Bei der konstruktiven Ausgestaltung des oder der Abdeckungselemente muß berück­ sichtigt werden, daß die von dem oder den Abdeckungselementen gebildete Schicht eine gewisse Auflast für den zu sichernden Boden bzw. die darin aufsteigende Luft­ säule darstellen soll.

Diese Funktion könnte von einer Betonplatte, beispielsweise aus Schwerbeton, erfüllt werden. Umfaßt der Belastungsfilter nur ein einziges Abdeckungselement in Form ei­ ner Betonplatte, so müßte diese allerdings mit Durchgangsöffnungen versehen sein, die zwar den Durchtritt von Luft und Wasser ermöglichen, jedoch ein bereichsweises Ausblasen verhindern.

Als Abdeckungselement könnte aber auch ein mit einem geeigneten Füllmaterial be­ fülltes Textilkissen dienen. Je nach Befüllungsgrad könnte das Textilkissen dann selbst noch eine gewisse Flexibilität aufweisen, so daß es sich gut an etwaige Un­ ebenheiten in der Oberfläche des zu sichernden Bodenbereichs anpassen kann. In der Regel ist ein solches Textilkissen mit einem granulatartigen Füllmaterial befüllt, so daß das Textilkissen auch luft- und wasserdurchlässig ist. Als Füllmaterialien kommen bspw. Sand, Kupferschlacke, Schwerspat und/oder gebrochener Schwer­ beton in Frage.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Einrichtung umfaßt der Aufbau mehrere flächig nebeneinander angeordnete und miteinander verbundene Abdeckungselemente. Ein derartiger Belastungsfilter kann einfach an die jeweiligen Gegebenheiten einer Baustelle angepaßt werden, indem eine geeignete Anzahl von Abdeckungselementen entsprechend der Geometrie des zu sichernden Bodenbe­ reichs miteinander verbunden werden. Auf diese Weise können auch größere Bo­ denbereiche einfach, d. h. mit vertretbarem Installationsaufwand, abgesichert werden.

Für bestimmte Anwendungen kann es vorteilhaft sein, wenn der Aufbau des Bela­ stungsfilters mehrere in Schichten übereinander angeordnete Abdeckungselemente umfaßt. Auf diese Weise läßt sich die Auflast gezielt erhöhen.

Wie bereits erwähnt, werden die Abdeckungselemente auf der Gewässersohle ange­ ordnet. In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn die durch die Abdeckungselemente gebildete Überdeckung derart flexibel ist, daß sie sich zumin­ dest bis zu einem gewissen Grade an die stets vorhandenen Unebenheiten in der Oberfläche des zu sichernden Bodens anpaßt. Wird die Überdeckung aus mehreren miteinander verbundenen Abdeckungselementen gebildet, so kann die erforderliche Flexibilität entweder dadurch erreicht werden, daß die Abdeckungselemente selbst flexibel sind, oder auch dadurch, daß die Abdeckungselemente flexibel miteinander verbunden sind. Selbstverständlich können auch flexible Abdeckungselemente flexi­ bel miteinander verbunden sein.

Wesentlich ist, daß die von dem oder den Abdeckungselementen gebildete Schicht luft- und wasserdurchlässig ist. Umfaßt der Aufbau des Belastungsfilters mehrere flä­ chig angeordnete und jeweils undurchlässige Betonplatten als Abdeckungselemente, so kann die Durchlässigkeit für Luft und Wasser dadurch gewährleistet werden, daß beim Verbinden der Abdeckungselemente jeweils ein geringer Spalt zwischen be­ nachbarten Abdeckungselementen belassen wird.

Der oder die Schwimmkörper der erfindungsgemäßen Einrichtung können je nach den Erfordernissen des konkreten Anwendungsfalls sowohl in einer Ebene mit der flächigen Anordnung des oder der Abdeckungselemente, also bspw. an den Seiten dieser Anordnung, positioniert werden, als auch auf der flächigen Anordnung der Ab­ deckungselemente. Wesentlich in diesem Zusammenhang ist, daß der Durchtritt von Wasser und Luft durch den Aufbau der erfindungsgemäßen Einrichtung nicht durch die Anordnung der Schwimmkörper behindert wird. Außerdem müssen die Anzahl, die Anordnung und Dimensionierung der Schwimmkörper so gewählt werden, daß der Belastungsfilter insgesamt beim Lenzen der Schwimmkörper einen hinreichen­ den Auftrieb erfährt, so daß er von der Gewässersohle abhebt.

Unter Berücksichtigung dieser Erfordernisse können Schwimmkörper aus Metall, vor­ zugsweise aus Stahl, oder auch aus Beton verwendet werden. In einer besonders einfachen Variante dienen beidseitig geschlossene Röhren, wie z. B. Hohlzylinder, als Schwimmkörper. Diese können beispielsweise mit der Zylinderachse parallel zur flä­ chigen Anordnung der Abdeckungselemente auf deren Oberseite angeordnet wer­ den. In diesem Falle wäre der ungehinderte Durchtritt von Wasser und Luft durch den Aufbau des Belastungsfilters gewährleistet.

Die Anordnung der Schwimmkörper muß mit der Anordnung der Abdeckungsele­ mente verbunden sein. Dazu können die Schwimmkörper einzeln mit dem oder den Abdeckungselementen verbunden sein. Aus Stabilitätsgründen ist es vorteilhaft, wenn die Schwimmkörper auch untereinander verbunden sind. Dabei empfiehlt es sich im Hinblick auf einen insgesamt flexiblen Aufbau des erfindungsgemäßen Bela­ stungsfilters auch diese Verbindungen flexibel auszugestalten.

In einer besonders vorteilhaften Variante umfaßt die erfindungsgemäße Einrichtung neben den Abdeckungselementen und den Schwimmkörpern noch zusätzliche Balla­ stelemente, die einerseits der zusätzlichen Ballastierung andererseits aber auch der Stabilisierung des erfindungsgemäßen Belastungsfilters dienen. Neben einfachen Zusatzgewichten können auch Behälter für Ballastmaterial als Ballastelemente ver­ wendet werden. Dies hätte den Vorteil, daß die zusätzliche Ballastierung und Stabili­ sierung des Belastungsfilters dynamisch, angepaßt an den jeweiligen Anwendungs­ fall, vorgenommen werden könnte. In diesem Zusammenhang wäre es vorteilhaft, wenn zusätzlich auch noch Mittel zum wahlweisen Befüllen und Entleeren der als Ballastelemente dienenden Behälter vorgesehen wären. Als Ballastmaterial könnte bspw. Wasser verwendet werden, was sich schon aufgrund des Einsatzortes im offe­ nen Gewässer anbietet. In Frage kommen aber auch andere ökologisch unbedenkli­ che Materialien, wie z. B. Sand und/oder gebrochener Schwerbeton.

Zur Überwachung der Baumaßnahme kann es vorteilhaft sein, wenn der Belastungs­ filter auch mit einer begehbaren Bedienungsplattform ausgestattet ist.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfol­ gende Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen.

In Verbindung mit der Erläuterung dieses Ausführungsbeispiels wer­ den auch im allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert.

Die einzige Figur zeigt in der linken Bildhälfte eine erfindungsgemäße Einrichtung in schwimmendem Zustand und in der rechten Bildhälfte die erfindungsgemäße Einrichtung in abgesenktem Zu­ stand.

Die in der einzigen Figur dargestellte Einrichtung 1 dient zur Sicherung des Bodens beim Vortrieb eines hier lediglich angedeuteten Tunnels 2 unter einem offenen Ge­ wässer. Der Wasserspiegel ist in beiden Bildhälften jeweils mit 3 bezeichnet, wäh­ rend die Gewässersohle jeweils mit 4 bezeichnet ist.

Die erfindungsgemäße Einrichtung 1 weist einen luft- und wasserdurchlässigen Auf­ bau auf, der im vorliegenden Falle eine aus Abdeckungselementen 5 gebildete Schicht 6 umfaßt, die zumindest in der rechten Bildhälfte auf der Gewässersohle 4 angeordnet ist. Auf der Oberseite des Schicht 6 sind Schwimmkörper 7 angeordnet. Außerdem sind noch hier nicht dargestellte und daher auch nicht näher bezeichnete Mittel zum wahlweisen Fluten und Lenzen der Schwimmkörper 7 vorgesehen. Diese Mittel können beispielsweise in Form von Flutventilen und einer geeigneten Pumpen­ einrichtung realisiert sein.

Die hier dargestellte Einrichtung umfaßt mehrere flächig nebeneinander und in Schichten übereinander angeordnete Abdeckungselemente 5. Als Abdeckungsele­ mente 5 dienen hier Textilkissen, die mit einem geeigneten granularen Füllmaterial, bspw. Sand, Kupferschlacke, Schwerspat und/oder gebrochenem Schwerbeton, be­ füllt sind. Die Abdeckungselemente 5 sind je nach Füllungsgrad für sich gesehen mehr oder weniger flexibel und zusätzlich auch flexibel miteinander verbunden, so daß sich die Schicht 6 insgesamt gut an die Unebenheiten in der Gewässersohle 4 anpaßt.

Wie bereits erwähnt sind auf der Schicht 6 Schwimmkörper 7 angeordnet, die hier in Form von Hohlzylindern realisiert sind. Diese sind parallel zueinander und mit den Zylinderachsen jeweils parallel zur Oberfläche der Schicht 6 angeordnet und mit die­ ser verbunden. Die Schwimmkörper 7 sind außerdem noch miteinander verbunden, wozu ein flexibles Verbindungselement 8 durch die Schwimmkörper 7 geführt ist.

Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel umfaßt die erfindungsgemäße Einrichtung 1 zusätzlich noch Ballastelemente in Form von Behältern 9, die auf einer oberhalb der Schwimmkörper 7 montierten Tragekonstruktion 10 angeordnet sind. Die Behäl­ ter 9 können wahlweise mit einem geeigneten Ballastmaterial - hier Wasser - befüllt oder auch entleert werden. Dazu sind jeweils ein Flutventil 11 und eine Lenzpumpe 12 vorgesehen.

Schließlich ist die hier dargestellte Einrichtung 1 noch mit einer Bedienungsplattform 13 ausgestattet, die sich über die gesamte Breite des Belastungsfilters erstreckt. Von hier aus lassen sich die Baumaßnahmen überwachen aber auch der Maßnahmen zur Regelung des Schiffverkehrs treffen, indem beispielsweise geeignete Fahrstörungs­ zeichen 14 gesetzt werden.

Die hier dargestellte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Belastungsfilters kann nach Eintritt des Vortrieb-Ereignisses - d. h. der Vollabsenkung der Stützflüssig­ keit und dem Druckluftbetrieb - während der vorbereiteten Arbeiten am Schild - näm­ lich dem Flüssigkeitsaustausch und ggf. der Abstützung der Ortsbrust - mit Hilfe ei­ nes Schleppers zum Einsatzort geschleppt und durch Fluten der Schwimmkörper über der Ortsbrust abgesenkt werden. Nach Beendigung der Arbeiten an der Orts­ brust kann der Belastungsfilter einfach durch Lenzen der Schwimmkörper zum Auf­ schwimmen gebracht und wieder in eine Parkposition geschleppt werden.

Claims (19)

1. Einrichtung (1) zur Sicherung des Bodens gegen unkontrolliertes Entweichen von Druckluft (Ausbläser) beim Vortrieb eines Tunnels (2) im Druckluftbetrieb unter offe­ nen Gewässern, die mindestens ein Abdeckungselement (5) zum Abdecken und Belasten des zu si­ chernden Bodens umfaßt, das als Belastungsfilter mit luft- und wasserdurchlässigem Aufbau ausgebildet ist und das mit mindestens einem Schwimmkörper (7) verbunden ist, der für das wahlweise Absenken und Aufschwimmen des Abdeckungselements (5) Mittel zum Fluten und Lenzen aufweist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Betonplatte als Abdeckungselement dient.

3. Einrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abdec­ kungselement (5) flexibel ist.

4. Einrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit einem geeigneten Füllmaterial befülltes Textilkissen als Abdeckungselement (5) dient.

5. Einrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Sand, Kupfer­ schlacke, Schwerspat und/oder gebrochener Schwerbeton als Füllmaterial dient.

6. Einrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufbau mehrere flächig nebeneinander angeordnete und miteinander verbun­ dene Abdeckungselemente (5) umfaßt.

7. Einrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufbau meh­ rere in Schichten übereinander angeordnete Abdeckungselemente (5) umfaßt.

8. Einrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckungselemente (5) flexibel miteinander verbunden sind.

9. Einrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwimmkörper (7) aus Metall, vorzugsweise aus Stahl, gebildet ist.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwimmkörper aus Beton gebildet ist.

11. Einrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine beidseitig geschlossene Röhre als Schwimmkörper (7) dient.

12. Einrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Schwimmkörper (7) an der Oberseite des Aufbaus angeordnet sind.

13. Einrichtung (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwimm­ körper (7) flexibel miteinander verbunden sind.

14. Einrichtung (1) nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwimmkörper (7) flexibel mit dem Abdeckungselement (5) verbunden sind.

15. Einrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein zusätzliches Ballastelement (9) vorgesehen ist.

16. Einrichtung (1) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Ballaste­ lement in Form eines Behälters (9) für Ballastmaterial realisiert ist.

17. Einrichtung (1) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (11, 12) zum wahlweisen Befüllen und Entleeren des Behälters (9) vorgesehen sind.

18. Einrichtung (1) nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß Wasser, Sand und/oder gebrochener Schwerbeton als Ballastmaterial dient.

19. Einrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine begehbare Bedienungsplattform (13) vorgesehen ist.