DE19744146C1 - Verfahren zum Vortrieb und Ausbau eines Tunnels mit einer einen Vorlaufschild und einen Nachlaufschild aufweisenden Schildmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vortrieb und Aus­ bau eines Tunnels mit einer einen Vorlaufschild und einen Nachlaufschild aufweisenden Schildmaschine, wobei der Vor­ trieb schrittweise mit im Bereich des Vorlaufschildes über den Tunnelumfang verteilten Vortriebzylindern durchgeführt wird, wobei zum schrittweisen Ausbau des Tunnels im Bereich des Nachlaufschildes Ausbauringe eingesetzt werden, wobei im Anschluß an einen Vortriebsschritt und einen Ausbau­ schritt der Nachlaufschild nach Maßgabe des Bohrfort­ schritts nachgesetzt und dabei mit den Vortriebszylindern nachgezogen wird und wobei eine Mehrzahl von Tübbingzylin­ dern zur Druckbeaufschlagung eines Ausbauringes an den Nachlaufschild angeschlossen wird. - Vortrieb eines Tunnels meint im Rahmen der Erfindung insbesondere einen Vortrieb im Hartgestein bzw. im Fels. Schildmaschine meint insbeson­ dere Teleskopschildmaschinen oder Doppelschildmaschinen. Bei derartigen Schildmaschinen ist ein gleichzeitiges Bohren und Ausbauen des Tunnels möglich. Durch die Vor­ triebszylinder wird der Vortrieb der Schildmaschine sicher­ gestellt. Gleichzeitig mit dem Vortrieb erfolgt der Ausbau des Tunnels im Nachlaufschild im Schutze des Schild­ schwanzes des Nachlaufschildes. Der Ausbau des Tunnels erfolgt dabei zweckmäßigerweise mit Ausbauringen, den soge­ nannten Tübbingen, die aus Betonfertigteilen bestehen. Nach Beendigung beider Arbeitsvorgänge, d. h. des Vortriebs­ schrittes und des Ausbauschrittes muß der Nachlaufschild nachgezogen bzw. nachgesetzt werden.

Bei dem aus der Praxis bekannten Verfahren der eingangs genannten Art wird der Nachlaufschild zunächst mit Hilfe der sogenannten Gripper an die Bohrtunnelwand gepreßt. Nach Beendigung eines Vortriebsschrittes und eines Ausbau­ schrittes werden die Gripper gelöst. Der Nachlaufschild wird mit Hilfe der Tübbingzylinder vorgeschoben, welche Tübbingzylinder sich dabei auf dem zuletzt eingesetzten Ausbauring abstützen. Die Vortriebszylinder werden gleich­ zeitig dadurch eingefahren. Die durch das Nachsetzen bzw. das Verschieben des Nachlaufschildes auftretenden Kräfte werden in den Ausbauring, auf dem sich die Tübbingzylinder abstützen, eingeleitet. Durch die Gewichtskraft des Nach­ laufschildes wird der Nachsetzbewegung eine zwischen Bohrtunnelwandung und Nachlaufschild insbesondere im Bereich der Bohrtunnelsohle auftretende Reibungskraft ent­ gegengesetzt. Insoweit resultiert eine in bezug auf die Bohrtunnelachse bzw. Tunnelachse exzentrische Lage der Rei­ bungskraft bzw. des Reibungswiderstandes. Dadurch wird der Ausbauring, an dem sich die Tübbingzylinder abstützen, ent­ sprechend exzentrisch bzw. ungleichmäßig belastet. Dies vor allem auch deshalb, weil die Größe der Reibungskraft wäh­ rend der Nachsetzbewegung nicht konstant bleibt. In der Praxis kommt es daher aufgrund der unregelmäßigen Belastun­ gen des Ausbaus häufig zu Beschädigungen der Ausbauringe bzw. der Tübbinge.

Aus DE 25 27 599 C2 ist ein Verfahren zum Vortrieb und Aus­ bau eines Tunnels bekannt, bei dem mit hintereinander ange­ ordneten, teleskopisch verbundenen rohrförmigen Ausbau­ schilden gearbeitet wird. Die zur Durchführung des Verfahrens eingesetzte Schildvortriebsmaschine weist Aus­ bauzylinder auf, welche Ausbauzylinder durch doppelt wirkende Rückzylinder verbunden werden. Mit Hilfe dieser Rückzylinder kann durch Zugkraftbeaufschlagung ein Nach­ laufschild gegenüber einem vorderen Schild vorgeschoben werden. Auch bei diesem Verfahren ist eine funktionssichere und gleichmäßige Nachsetzbewegung des Nachlaufschildes nicht immer gewährleistet.

Demgegenüber liegt der Erfindung das technische Problem zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzuge­ ben, mit dem eine funktionssichere und gleichmäßige Nach­ setzbewegung des Nachlaufschildes gewährleistet ist und mit dem ungleichmäßige Belastungen sowie daraus resultierende Beschädigungen des Ausbaus bzw. der Ausbauringe nicht stattfinden.

Zur Lösung dieses technischen Problems lehrt die Erfindung ein Verfahren der eingangs genannten Art, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß die bei der Nachsetzbewegung des Nachlaufschildes erfolgende Druckbeaufschlagung des Aus­ bauringes durch die Tübbingzylinder einerseits und die Zug­ kraftbeaufschlagung des Nachlaufschildes durch Aktivierung ausgewählter Vortriebszylinder andererseits mit der Maßgabe abgestimmt werden, daß beim Nachsetzen des Nachlaufschildes zwischen Bohrtunnelwandung und Nachlaufschild auftretende Reibungskräfte kompensiert werden. - Erfindungsgemäß wird also die Nachsetzbewegung dadurch verwirklicht, daß einzelne Vortriebszylinder so betrieben werden, daß sie eine Zugkraft auf den Nachlaufschild ausüben und diesen somit in Vortriebsrichtung ziehen. Dabei werden zweck­ mäßigerweise die Vortriebszylinder für die Zugkraftbeauf­ schlagung eingesetzt, die sich im Bereich der Bohrtunnelwandungsabschnitte befinden, in denen zwischen Bohrtunnelwandung und Nachlaufschild Reibungskräfte auftreten.

Eine Ausführungsform der Erfindung, der besondere Bedeutung zukommt, ist dadurch gekennzeichnet, daß zu Beginn der Nachsetzbewegung des Nachlaufschildes die unteren im Bereich der Bohrtunnelsohle angeordneten Vortriebszylinder mit der Maßgabe aktiviert werden, daß durch die Zugkraft­ beaufschlagung des Nachlaufschildes zwischen Bohrtunnel­ sohle und Nachlaufschild auftretende Reibungskräfte kompen­ siert werden. Zweckmäßigerweise werden zunächst aktivierte Vortriebszylinder beim Nachlassen von Reibungskräften wieder passiviert. Passiviert bedeutet in diesem Zusammen­ hang, daß die betreffenden Vortriebszylinder keine Zugkraft mehr auf den Nachlaufschild ausüben.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß zur Aktivierung eines Vortriebszylinders der die Zylinderkolbenstange umgebende Ringraum des Vortriebszylinders durch von einer Hydraulik­ pumpe zugeführtes Druckmedium beaufschlagt wird. Zweck­ mäßigerweise werden die ausgewählten zu aktivierenden Vor­ triebszylinder über ein Mehrwegeventil mit Druckmedium versorgt. Vorzugsweise werden die Kolbenräume bzw. Zylinderräume der Vortriebszylinder durch eine Ringleitung miteinander verbunden. Auf diese Weise kann ein gleicher konstanter Druck in allen Kolbenräumen eingestellt werden. Nach bevorzugt er Ausführungsform der Erfindung werden die Kolbenräume von über den Schildumfang verteilten, am Nach­ laufschild angeschlossenen und einen Ausbauring beaufschla­ genden Tübbingzylindern durch eine Ringleitung mit einem Druckregelventil miteinander verbunden. Auf diese Weise kann eine über den Umfang des Bohrloches gleichmäßige Durckbeaufschlagung des Nachlaufschildes gewährleistet werden.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß durch die Abstimmung der Druckbeaufschlagung des Ausbauringes durch die Tübbingzylinder einerseits und die Zugbeaufschlagung des Nachlaufschildes durch ausgewählte aktivierte Vor­ triebszylinder andererseits eine sehr funktionssichere und gleichmäßige Nachsetzbewegung des Nachlaufschildes erreicht wird. Auf diese Weise werden ungleichmäßige Belastungen der Ausbauringe überraschenderweise sehr effektiv vermieden. Insoweit erfährt der Ausbau bzw. der Ausbauring, an dem sich die Tübbingzylinder abstützen, eine konstante und kontrollierbare Belastung während der Nachsetzbewegung. Die im Rahmen des eingangs erläuterten bekannten Verfahrens auftretenden Beschädigungen des Aufbaus bzw. der Tübbinge können vollständig vermieden werden. Von daher zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren durch beachtliche Vorteile aus, zumal das Verfahren auf wenig aufwendige Weise und im Vergleich zu den bekannten Maßnahmen mit lediglich geringem apparativem Mehraufwand durchführbar ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt in schematischer Darstellung eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die in der Figur dargestellte Vorrichtung bzw. Schild­ maschine zur Durchführung des Verfahrens zum Vortrieb und Ausbau eines Tunnels wird auch als Tunnelbohrmaschine oder Tunnelvortriebsmaschine bezeichnet. Die dargestellte Schildmaschine weist im vorderen Vortriebsbereich einen Vorlaufschild 1 sowie im hinteren Ausbaubereich einen Nach­ laufschild 2 auf. Der Nachlaufschild 2 kann mit Hilfe von Grippern 3 an die Bohrtunnelwandung 4 angepreßt werden. Der Vorlaufschild 1 kann mit Hilfe der Stabilisatoren 5 gegen die Bohrtunnelwandung 4 verspannt werden. Im Vortriebs­ bereich sind fernerhin schematisch dargestellt ein Bohrkopf 6 mit einem Bohrkopfantrieb 7.

Der Vortrieb wird schrittweise mit im Bereich des Vorlauf­ schildes 1 über den Tunnelumfang verteilten Vortriebs­ zylindern 8, 8a durchgeführt. Die Vortriebszylinder 8, 8a sind an den Vorlaufschild 1 angeschlossen und übertragen im Zuge des Vortriebs Druckkräfte auf den Vorlaufschild 1. Die Vortriebszylinder 8, 8a sind fernerhin mit dem Nachlauf­ schild 2 verbunden und können erfindungsgemäß, wie weiter unten näher erläutert, Zugkräfte auf den Nachlaufschild im Zuge der Nachsetzbewegung des Nachlaufschildes übertragen. Beim Vortrieb insbesondere im Hartgestein wird im übrigen regelmäßig mit einem Überschnitt 9 zwischen Schildwandungen und Bohrtunnelwandung 4 gearbeitet, was in der Figur ange­ deutet wurde. Dieser Überschnitt 9 wird eingehalten, um ein Festsetzen der Schildmaschine auszuschließen und um ausrei­ chend Freiraum für die Steuerbewegungen der Schildmaschine zu gewährleisten. - Gleichzeitig mit einem Vortriebsschritt werden zum schrittweisen Ausbau des Tunnels im hinteren Bereich des Nachlaufschildes 2 Ausbauringe 10 bzw. Tübbinge zum Ausbau des Tunnels eingesetzt.

Im Anschluß an einen Vortriebsschritt und einen Ausbau­ schritt muß der Nachlaufschild 2 nach Maßgabe des Bohrfort­ schritts in Vortriebsrichtung nachgesetzt werden.

Im einzelnen wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfah­ rens vorzugsweise wie folgt gearbeitet: Die Tübbingzylinder 11 sind am Nachlaufschild 2 angeschlossen, so daß sie im Zuge der Nachsetzbewegung den Ausbauring 10 mit Druckkräf­ ten beaufschlagen können. Nach Beendigung eines Vortriebs­ schrittes und eines Ausbauschrittes werden die Kolbenräume 13 der Vortriebszylinder 8, 8a und die Kolbenräume 14 von über den Tunnelumfang verteilten Tübbingzylindern 11 mittels eines Druckmediums mit Druck beaufschlagt. Diese Drücke sind zweckmäßigerweise proportional der Haltekraft bzw. Abstützkraft FH am Ausbauring 10. Die Haltekraft FH ist in der Figur durch einen entsprechenden Pfeil symboli­ siert. Nachdem die Kolbenräume 13, 14 mit Druck beauf­ schlagt wurden, werden die den Nachlaufschild 2 an die Bohrtunnelwandung 4 pressenden Gripper 3 gelöst. Bei der anschließenden Nachsetzbewegung des Nachlaufschildes 2 übernimmt der Vorlaufschild 1 die Funktion eines Wider­ lagers.

Die Kolbenräume 14 der Tübbingzylinder 11 sind über eine Ringleitung 15 verbunden, um in allen Tübbingzylindern 11 einen gleichen konstanten Druck sicherzustellen. Mit dem Druckregelventil 16 wird erreicht, daß der Druck in der Ringleitung 15 stets einen konstanten Wert zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert bezüglich der Haltekraft annimmt. Maximalwert und Minimalwert sind dabei vorzugs­ weise stufenlos einstellbar. Die die Tübbingzylinderkolben­ stangen 17 umgebenden Ringräume 18 werden mit einem Druck­ mediumtank 28 verbunden. Vorzugsweise sind auch die Kolbenräume 13 der Vortriebszylinder 8, 8a über eine Ringleitung 19 verbunden, um einen gleichen konstanten Druck in allen Kolbenräumen 13 zu gewährleisten. Zweck­ mäßigerweise ist die Ringleitung 19 über eine Druckbegren­ zungseinrichtung 20 an einen Druckmediumtank 28 angeschlos­ sen. Mit der Druckbegrenzungseinrichtung 20 wird ein Mindestdruck in den Kolbenräumen 13 der Vortriebszylinder 8, 8a sichergestellt.

Bei der Nachsetzbewegung des Nachlaufschildes 2 treten Reibungskräfte zwischen Nachlaufschild 2 und Bohrtunnel­ wandung 4 auf. Insbesondere aufgrund der Gewichtskraft F_G des Nachlaufschildes 2, welche Kraft in der Figur durch einen Pfeil angedeutet wurde, entsteht eine Reibungskraft F_R zwischen Nachlaufschild 2 und Bohrtunnelsohle 21. Auch die Reibungskraft F_R ist in der Figur durch einen Pfeil symbolisiert. Diese Reibungskraft F_R wirkt der Nachsetz­ bewegung des Nachlaufschildes 2 entgegen. Erfindungsgemäß werden durch Aktivierung ausgewählter Vortriebszylinder 8, 8a Zugkräfte auf den Nachlaufschild 2 mit der Maßgabe aus­ geübt, daß durch die Zugkraftbeaufschlagung beim Nachsetzen des Nachlaufschildes 2 bereichsweise zwischen Bohrtunnel­ wandung 4 und Nachlaufschild 2 auftretende Reibungskräfte F_R kompensiert werden. Aktivierung eines Vortriebszylinders 8, 8a meint, daß der die Zylinderkolbenstangen 12 umgebende Ringraum 22 durch ein, zweckmäßiger von einer Hydraulik­ pumpe 27 zugeführtes Druckmedium mit Druck beaufschlagt wird. Dadurch wird ein Einfahren der Zylinderkolbenstangen 12 in die Kolbenräume 13 der Vortriebszylinder 8, 8a erreicht, wodurch der Nachlaufschild 2 mit einer Zugkraft beaufschlagt wird. Zweckmäßigerweise wird mit Hilfe von Druckbegrenzungsventilen 23 ein maximaler Druck in den Ringräumen 22 der Vortriebszylinder 8, 8a eingehalten. Die Auswahl der zu aktivierenden Vortriebszylinder 8, 8a erfolgt vorzugsweise über Mehrwegeventile 24.

Nicht aktivierte bzw. passivierte Vortriebszylinder 8, 8a sind zweckmäßigerweise über ein Nachsaugventil 25 mit dem Druckmediumtank 28 verbunden.

Vorzugsweise werden zu Beginn der Nachsetzbewegung des Nachlaufschildes 2 die unteren im Bereich der Bohrtunnel­ sohle 21 angeordneten Vortriebszylinder 8a mit der Maßgabe aktiviert, daß durch die Zugkraftbeaufschlagung des Nach­ laufschildes 2 zwischen Bohrtunnelsohle 21 und Nachlauf­ schild 2 auftretende Reibungskräfte kompensiert werden. In der Figur ist lediglich ein zu aktivierender unterer Vor­ triebszylinder 8a dargestellt. Die der Reibungskraft F_R entgegenwirkende Zugkraft F_Z ist in der Figur durch einen entsprechenden Pfeil symbolisiert. Wenn nach Aktivierung der unteren Vortriebszylinder 8a die Nachsetzbewegung des Nachlaufschildes 2 noch nicht erreicht wird, werden ent­ sprechend weitere Vortriebszylinder 8, 8a aktiviert. Wenn sich im Zuge der Nachsetzbewegung die Reibungskräfte und somit die erforderlichen Zugkräfte wieder verringern, so daß ein Minimalwert des Druckes in den Vortriebszylindern 8, 8a unterschritten wird, können zuvor aktivierte Vor­ triebszylinder 8, 8a zweckmäßigerweise stufenweise wieder passiviert werden. - Die aktivierten Vortriebszylinder 8, 8a ziehen den Nachlaufschild 2 im Zuge der Nachsetzbewegung nach, wobei der Vorlaufschild 1 als Widerlager dient. Zweckmäßigerweise ist der Vorlaufschild 1 hierzu zusätzlich mit den Stabilisatoren 5 an der Bohrtunnelwandung 4 verspannt.

Die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens erforder­ liche Steuerung kann ohne weiteres manuell durchgeführt werden. Vorzugsweise übernimmt aber ein elektronisches Steuergerät 26 die Steuerung und/oder Regelung im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Mit dem elektronischen Steuergerät 26 werden zweckmäßigerweise die Vortriebs­ zylinder 8, 8a aktiviert bzw. passiviert, die Drucküber­ wachung durchgeführt und der Minimalwert und Maximalwert des Druckes in den Kolbenräumen 14 der Tübbingzylinder 11 eingestellt.

Im Ergebnis wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine sehr funktionssichere und gleichmäßige Nachsetzbewegung des Nachlaufschildes 2 gewährleistet. Verklemmungen des Nach­ laufschildes 2 bei der Nachsetzbewegung werden vollständig vermieden. Auch Beschädigungen der Ausbauringe 10 werden ausgeschlossen.

Claims (6)

1. Verfahren zum Vortrieb und Ausbau eines Tunnels mit einer einen Vorlaufschild (1) und einen Nachlaufschild (2) aufweisenden Schildmaschine,
wobei der Vortrieb schrittweise mit im Bereich des Vorlauf­ schildes (1) über den Schildumfang verteilten Vortriebs­ zylindern (8, 8a) durchgeführt wird, wobei zum schritt­ weisen Ausbau des Tunnels im Bereich des Nachlaufschildes (2) Ausbauringe (10) eingesetzt werden,
wobei im Anschluß an einen Vortriebsschritt und einen Aus­ bauschritt der Nachlaufschild (2) nach Maßgabe des Bohr­ fortschritts nachgesetzt und dabei mit den Vortriebs­ zylindern (8, 8a) nachgezogen wird und wobei eine Mehrzahl von Tübbingzylindern (11) zur Druckbeaufschlagung eines Ausbauringes (10) an den Nachlaufschild (2) angeschlossen wird, dadurch gekennzeichnet,
daß die bei der Nachsetzbewegung des Nachlaufschildes (2) erfolgende Druckbeaufschlagung des Ausbauringes (10) durch die Tübbingzylinder (11) einerseits und die Zugkraftbeauf­ schlagung des Nachlaufschildes (2) durch Aktivierung ausge­ wählter Vortriebszylinder (8a) andererseits mit der Maßgabe abgestimmt werden, daß beim Nachsetzen des Nachlaufschildes (2) zwischen Bohrtunnelwandung (4) und Nachlaufschild (2) auftretende Reibungskräfte kompensiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu Beginn der Nachsetzbewegung des Nachlaufschildes (2) die unteren im Bereich der Bohrtunnelsohle (21) angeordneten Vortriebszylinder (8a) mit der Maßgabe aktiviert werden, daß durch die Zugkraftbeaufschlagung des Nachlaufschildes (2) zwischen Bohrtunnelsohle (21) und Nachlaufschild (2) auftretende Reibungskräfte kompensiert werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß aktivierte Vortriebszylinder (8a) beim Nachlassen von Reibungskräften wieder passiviert werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aktivierung eines Vortriebs­ zylinders (8, 8a) der die Zylinderkolbenstange (12) umge­ bende Ringraum (22) des Vortriebszylinders (8, 8a) durch von einer Hydraulikpumpe (27) zugeführtes Druckmedium beaufschlagt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenräume (13) der Vortriebs­ zylinder (8, 8a) durch eine Ringleitung (19) miteinander verbunden werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenräume (14) von über den Schildumfang verteilten, am Nachlaufschild (2) angeschlos­ senen und einen Ausbauring (10) beaufschlagenden Tübbing­ zylindern (11) über eine Ringleitung (15) mit einem Druck­ regelventil (16) miteinander verbunden werden.