DE2329487A1 - Verfahren und vorrichtung zum exkavieren von felsgrund - Google Patents

Description

8. Juni 1973

A 188 73 Pi/ib

Firma NIPPON KOKUYU TETSUDO, 6-5, Marunouchi 1-Chome, Chiyoda-Ku, Tokyo-To, Japan

Verfahren und Vorrichtung zum Exkavieren von Felsgrund

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Exkavieren von Tunneln und dergleichen durch Gebrauch von Nuten, die in eine ^eisschicht an der Arbeitaselte eines Tunnels mittel· Was3erstrahlen von sehr hohem Druck eingebracht werden, und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens,

Wenn ein Tunnel durch Benutzung eines Exkavators mit einem rotierenden Sohneidkopf ausgehoben wird« ist der Verschleiß,der Sohneiden unzulässig groß, wenn die Härte des Felsens grofl 1st. Daraus ergeben sich große Aushubkosten und eine Verringerung der Aushubgeschwindigkeit.

U» die vorstehend erwähnten Nachteile zu vermelden, sind verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden zu» Ein-

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schneiden von Nuten in den Fels mittels Wasserstrahlen von sehr hohem Druck oder Abbauen (Schwächen) des Felsen durch Benutzung eines Flammenstrahls, Laserstrahls oder durch Mikrowellenstrahlung auf dem Fels.

Unter diesen Verfahren ist eins, bei dem eine Vielzahl von durch Superhochdruck-Wasserstrahlen in den Fels geschnittenen Nuten in Kombination mit der Schneidwirkung einer Vielzahl von Schneidmeißeln verwendet wird, die an einem Schneidkopf angeordnet sind, als vorteilhaft ermittelt worden, weil es eine wesentlich kleinere Kraft zum Vorschub des Schneidkopfes in der Exkavationsrichtung benötigt als die anderen. Der Grund dafür ist, daß, wenn jeder der an dem Schneidkopf angeordneten Schneidmeißel geawungen ist, in den Zwischenraum zwischen benachbarten Nuten zu wirken, die vorher in den Pels durch Hochdruckwasserstrahlen erzeugt worden sind, der Fels in der Hauptsache unter Sch^erbeanspruchung gebrochen wird, und die Sch^erbeanspruchung des Felsen etwa in der Größenordnung von 1/5 bis 1/10 der Druckspannung des Felsen liegt.

Bei solch einem konventionellen Verfahren muß, wenn es gewünscht wird, ein solch vorteilhaftes Merkmal der erforderlichen wesentlich verringerten Kraft zum Vortreiben des Schneidkopfes zu erreichen, die Anzahl der Nuten in sol-

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ehern Ausmaß vergrößert werden, daß jede Schneide zwischen zwei benachbarten Nuten arbeitet, so daß der Fels unter Scherbeanspruchung längs der von der Schneidenposition zu den Nuten verlaufenden Linien zerbrochen wird. Bei dem gebräuchlichen Schneidkopf muß, da viele Schneidmeißel in einer einzigen Ebene parallel zu der Stirnfläche des Schneid kopfes angeordnet sind, die erforderliche Anzahl der Nuten groß sein, falls die oben beschriebene relative Verteilung der Schneiden und der Nuten aufrechterhalten werden soll, und daher ist die benötigte Kraft zur Anwendung von Hochdruckwasserstrahlen für das Ausbilden einer großen Anzahl von Nuten extrem hoch, wenn der auszuhebende Bereich beträchtlich groß ist. Das bedeutet nicht nur ein Verlust an Kraft, sondern auch eine Schwierigkeit zum Auffinden eines Raumes für das den sehr hohen Druck erzeugenden Gerätes in dem engen Tunnelausschätungsbereich oder dergleichen.

Daher ist es ein erstes Ziel der Erfindung, eiii verbessertes Exkavationsverfahren zu schaffen durch Anordnung von Nuten, die in den Fels durch Wasserstrahl eingebracht werden, bei dem alle die oben beschriebenen Nachteile der konventionellen Verfahren im wesentlichen überwunden sind.

Spezieller gesagt, ist es ein Zlfel der Erfindung, ein Exkavationsverfahren, bei dem Nuten in den Felsen durch

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Wasserstrahlen eingebracht werden, so zu gestalten, daß die Anzahl der Nuten wesentlich vermindert werden kann.

Ein anderes Ziel der Erfindung ist, ein Exkavationsverfahren, bei dem Nuten in den Fels durch Wasserstrahl eingebracht werden, unter Benutzung eines Schneidkopfes derart zu gestalten, daß die Kraft zum Vorschieben des Schneidkopfes wesentlich reduziert ist.

Noch ein anderes Ziel der Erfindung ist es, ein Exkavationsverfahren unter Benutzung von durch Wasserstrahl in den Fels eingebrachte Nuten zu schaffen, bei dem der Fels im wesentlichen durch Zug- bzw. Zerreißbeanspruchung zerbrochen wird.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Durchführen des verbesserten Verfahrens nach der Erfindung zu schaffen, mit der alle die oben beschriebenen Merkmale bzw. Vorteile erreicht werden können.

Um das zu erreichen, weist das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren folgende Verfahrensschritte auf:

a) Einbringen wenigstens einer Nut in den Fels mittels eines Superhochdruck-Wasserstrahls;

b) Eintreiben eines ersten Schneidmeißels in den Fels an einem Punkt an wenigstens einer Seite und in Ab-

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stand von der Nut, während der Schneidmeißel gezwungen wird, längs einer Linie zu wandern, die im wesentlichen parallel zu der Nut ist, um dadurch in dem Fels Brüche zu schaffen, die von der besagten Linie zu der Nut verlaufen, hauptsächlich durch Zerreißkräfte, um ein ^eil des Felsen zu entfernen;

c) Vorschieben eines zweiten Schneidmeißels hinter dem ersten Schneidmeißel, um ihn in den Fels einzutreiben, und dabei den zweiten Schneidmeißel zu zwingen, sich längs einer Linie zu bewegen, die im wesentlichen parallel zu der Nut verläuft und weiter entfernt von ihr als die erste erwähnte Linie, um dadurch Brüche hervorzurufen, die von der zweiten erwähnten Linie zu der Region der ersten erwähnten Brüche verlaufen, um einen anderen Teil des Felsen abzuspalten;

d) aufeinanderfolgendes Vorschieben eines dritten und weiterer Schneidmeißel in gleicher oder ähnlicher Weise, um weitere Felsenteile von wenigstens einer Seite der Nut zu entfernen.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung weist eine Exkavationsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens einen Exkavatorkopf auf, der um eine Achse rotieren kann und eine vordere Fläche mit wenigstens einer koaxialen ringförmigen Nut hat, ferner Mittel zum Drehen des Kopfes, Mittel zum

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Vorschieben des Kopfes gegen den Felsen, der exkaviert werden soll, Düsen bzw. Mundstücke zum Auswerfen von Superhochdruck-Wasserstrahlen, die an der inneren und äußeren Peripherie der besagten Nut angeordnet sind, und eine Mehrzahl von Schneidmeißeln, die in der Nut in verschiedenen radialen Lagen angeordnet sind in einer solchen Anordnung, daß sie stufenweise in bezug auf den zentralen Teil der Nutbreite relativ zu der vorderen Fläche des Kopfes zurückgesetzt sind gegenüber der Vorschubrichtung des Kopfes.

Die Erfindung ist besser verständlich anhand der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen, in denen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Auf den Zeichnungen stellen dar:

Fig. IA, Teilschnitte, die das Prinzip des Zerbre-IB und IC chens von Fels bei einem konventionellen Exkavationsverfahren zeigen, wobei Nuten, die durch einei Superhochdruck-Wasserstrahl erzeugt werden, benutzt werden;

Fig. 2 eine schematische Stirnansicht, die das vordere Ende eines Exkavationskopfes eines Exkavators zeigt, der einen Teil der Erfindung bildet;

Fig. 3 einen Schnitt nach Linie IH-III der Fig.2;

Fig. 4 eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Fig. 3;

Fig. 5 Schnittschaubilder, die verschiedene Schrit-(A) bis (F)te beim Zerbrechen von Fels zeigen, und

Stellungen von dazugehörigen Schneidmeißeln;

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Fig. 6 Schnittschaubilder, die das Prinzip zum bis 8 Exkavieren von¹ Fels gemäß der Erfindung zeigen.

Zum vollen Verständnis der Erfindung wird zunächst das Prinzip eines konventionellen Verfahrens zum Ausheben von Felsschichten durch Anwendung eines Wasserstrahls, der Nuten ausbildet, unter Bezugnahme auf Fig. IA, IB und IC beschrieben.

In eine Felsschicht R, die exkaviert werden soll, werden Nuten durch einen Superhochdruck-Wasserstrahl eingebracht, und ein Scheibenschneider C wird in den Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Schlitzen G eingetrieben, wobei ein Druck auf das Schneidwerkzeug ausgeübt wird in einer durch einen Pfeil angezeigten Richtung. In Fig. IA ist der Zustand vor Beginn des Exkavierens dargestellt. Wenn das Schneidwerkzeug C in den Fels R eingetrieben wird, wie in Fig. IB dargestellt, wirken Komponenten der Stoßkraft in den Pfeilrichtungen von dem Schneidwerkzeug C zu dem Fels R, wobei der Fels R längs linien 2 zerbrochen wird, die von unterhalb des Schneidwerkzeugs zu den Nuten G infolge von Zerreißbeanspruchungen verlaufen. Wenn der Schneidmeißel 6 weiter in den Fels R eingetrieben wird, wie in Fig. IC dargestellt, wird der Fels längs Linien 3 zerbrochen, die von dem

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Schneidmeißel zu den Wandungen der Nuten G verlaufen. Das oben beschriebene Verfahren wird fortlaufend wiederholt, so daß die Exkavation durch den Fels hindurch vollendet wird.

In Fig. 2 und 3 ist ein Beispiel eines Exkavatorkop» fes, der bei einem Exkavator nach der Erfindung gebraucht wird, dargestellt. Der Exkavatorkopf ist allgemein mit H bezeichnet und weist einen Hauptkörper 4 von scheibenahnlicher Gestalt auf. Der Hauptkörper 4 wird um seine Achse X-X durch eine nicht dargestellte Antriebsvorrichtung gedreht.

In der vorderen Stirnfläche 5 des Hauptkörpers sind zwei konzentrische ringförmige Nuten β und 7 von dreieckigem Querschnitt ausgebildet, und wenigstens eine Düse zum Liefern eines Superhochdruck-Wasserstrahls ist an jedem äußeren Umfangsrand der vorderen Stirnfläche 5 angeordnet, eine Zwischenkrone zwischen den Nuten 6 und 7, und eine zentrale Fläche, die von der inneren Nut 6 um-geben ist. Superhochdruckwasser kann durch nicht dargestellte Kanäle in dem Hauptkörper 4 den Düsen N zugeführt werden. Auch genügt nur eine einzige Düse N für jede der Flächen, die äußere Umfangsfläche, die Zwischenfläche und die zentrale Fläche zum Durchführen der Funktion. Diese Düsen sind in Fig. 3 zwecks übersichtli-

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eher Darstellung als in einer Schnittebene durch die Mittelachse X-X liegend dargestellt.

Fels-Schneidmeißel A₁, A₂, A,, A^, A₅ und B₁, B₂, B,, Bj,, Bj. sind starr an den beiden Seitenwänden der äußeren Nut 7 befestigt und mit einer einzigen abgeschrägten Schneide versehen anstatt einer doppelt abgeschrägten Schneide der in Fig. 1 dargestellten Schneidmeißel. Ferner sind die Schneidmeißel an den Seitenwänden in solcher Weise angeordnet, daß die Spitzen derselben aufeinanderfolgend gegenüber der vorderen Stirnfläche 5 des Hauptkörpers 4 zurückgesetzt sind. Vorzugsweise sind die Höhen der Spitzen der Schneidmeißel A₁, A₂, A^, Aj. und A_ gemessen von dem Boden der Nut 7* mit 1., I₂, 1,, I^ und 1,- gewählt, die in Fig. 4 dargestellt, die in diesem Maße aufeinanderfolgend verkleinert sind. Es wird bemerkt, daß bei der oben beschriebenen Anordnung der Schneidmeißel A₁ bis A- die Abstände der ZurUckversetzung der Schneidmeißel von der vorderen Stirnfläche 5 größer zu dem Boden der Nut 7 hin sind. Die gleiche Relation ist auch für die Schneidmeißel B₁ bis B,- anwendbar. In der inneren Nut 6 sind die Schneidmeißel C₁, Cg, C₅, C^ und D₁, D₂, D_, Djl in einer gleichen oder ähnlichen Art angeordnet wie sie oben für die Schneidmeißel A. bis A₁. und B₁ bis B₁. beschrieben ist. Wie dargestellt, können alle Schneidmeißel von den zunächstliegenden Schneidmeißeln weg geneigt angeordnet sein.

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In diesem Fall ist eine selbstschärfende Eigenschaft der Schneidmeißel gewährleistet, z.B. werden die Spitzen bzw. Blättchen der Schneidmeißel automatisch geschärft oder geformt, während sie den Fels schneiden.

In Fig. 3 sind alle Schneidmeißel in einer einzigen Schnittebene dargestellt, die durch die Rotationsachse des Exkavatorkopfes H verläuft, zum Zwecke der Klarheit- Jedoch werden diese Schneidmeißel in Wirklichkeit längs vier Radien verteilt, die senkrecht zueinander liegen, wie am besten in Fig. 2 zu ersehen. Ferner ist in Fig. 2 auch sichtbar, daß alle Schneidmeißel derart angeorndet sind, daß sie in der gleichen Nut an unterschiedlichen Stellen angeordnet sind, z.B. liegt die Stelle für den Schneidmeißel A, weiter aussen als die Stelle für den Schneidmeißel Bp.

Ferner ist ein konischer Schneidmeißel 8 im Mittelschrägen
punkt der vorderen/Fläche 5 des Hauptkörpers 4 angeordnet, der als FUhrungsschneidmeißel wirkt, der zuerst in die Frontseite des Felsen eingetrieben wird, wenn der Exkavatorkopf H in Richtung der Pfeile T vorgeschoben wird (Fig. 3).

Anschließend wird die Arbeitsweise der Exkavatorvorrichtung, die mit einem Kopf versehen ist, wie vorstehend

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beschrieben ist, mehr im einzelnen beschrieben im Hinblick auf ein Beispiel, bei dem ein Tunnel uurch das Exkavatorgerät ausgehoben wird.,

Zunächst wird das Exkavatorgerät an einem geeignetem Platz nahe der Bearbeitungsfläche des Tunnels aufgestellt, und der Exkavatorkopf wird in derjin Fig. 2 und j5 eingezeichneten Pfeilrichtung gedreht, mit seiner vorderen Stirnfläche der Felsfläche gegenüberliegend Gleichzeitig wird Super-Hochdruckwasser aus den Düsen N auf die Felsfache des Tunnels ausgestoßen, so daß z.B. drei ringförmige Nuten von einigen Zentimetern Tiefe in den Fels eingebracht werden. Wegen des Vorhandenseins der ringförmigen Nuten wird der freie Oberflächenbereich des Felsen R vergrößert. Wenn der Exkavaterkopf H vorwärts getrieben wird, wird der in der Mitte des Exkavaterkopfes H angeordnete konische Schneidmeißel 8 in den Fels R eingetrieben, und danach werden die Schneidmeißel A, bis A^, B₁ bis B₁-, C₁ bis C^ und D₁ bis D^ nacheinander in Eingriff mit dem Fels gebracht, so daß letzterer durch Zerreißbeanspruchung zerbrochen wird.

In Fig. 6,7-und 8 sind verschiedene Stufen des Arbeitsvorganges beim Felszerbrechen im Hinblick auf die Schneidmeiflel A₂* A^ und C₁, C, dargestellt. Wenn die Nut G in den Fels R mittels eines aus der Düse N ausgestoßenen

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Wasserstrahls eingebracht ist, und der Schneidmeißel C₁ in Bewegung gesetzt ist, um in den Fels R eingetrieben zu werden, werden Brüche 10 hervorgerufen, die von der Schneidmeißelposition ausgehen und die Nut G erreichen unter Zerreißbeanspruchung, wie in Fig. 6 dargestellt, und ein Teil R. des Felsen wird dadurch abgetrennt.

Bei einem weiteren Vorrücken des Exkavatorkopfes wird der Schneidmeißel C. weiter in den Fels getrieben und ruft Brüche 12 hervor, die ebenfalls die Nut G in dem Fels erreichen. Gleichzeitig werden die Schneidmeißel Ap und C-. aufeinanderfolgend in den Fels R vorgetrieben, wodurch Brüche 11 hervorgerufen werden an der Seite der Nut G gegenüber dem Schneidmeißel C,, und Brüche 1J> werden hervorgerufen außerhalb der Brüche 10.

Während dieses Arbeitsvorganges ist die Düse N ebenfalls vorgeschritten und schneidet die Nut G tiefer, und wenn der Exkavaterkopf vorgeschoben ist wie in Fig. 8 dargestellt, erzeugen die Schneidmeißel C , Ap und C, weitere Brüche 15, 16 und 17, während noch ein anderer Schneidmeißel A₂, dem Schneidmeißel C, folgend beginnt, in den Fels R eingetrieben zu werden, und dadurch Brüche 14 hervorgerufen werden.

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Als Ergebnis der oben beschriebenen Arbeitsweise wird der Fels stufenweise ausgehöhlt, wie bei (A) bis (E) in Fig. 5 dargestellt, durch die stufenweise an beiden Seiten der Nut G angeordneten Schneidmeißel, und die zugehörigen Querschnitte des so ausgehöhlten Felsen und die Stellung der Schneidmeißel sind in Fig. 5 (F) dargestellt.

Wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich ist, wird nach der Erfindung von einer charakteristischen Eigenschaft von Fels Gebrauch gemacht, wonach die Bruch- bzw. Zerreißfestigkeit derselben im Bereich von etwa. 1/10 bis 1/20 seiner Druckfestigkeit liegt, und der Fels wird daher in der Hauptsache durch Zerreißkräfte zerbrochen. Aus diesem Grund kann die für das Eintreiben eines Schneidwerkzeuges in den Fels benötigte Kraft annähernd um 60 % bis 80 % gegenüber der bei der konventionellen Arbeitsweise benötigten Kraft reduziert werden, bei der ein Druckbrechen oder Scherbrechen angewendet wird, und die Anzahl der Schneidmeißel und Nuten, die für das Aushöhlen to η felsigen Schichten benötigt werden,kann wesentlich verringert werden. Als Folge davon kann die Aushöhlgeschwindigkeit um 20 bis 30 % über die bei dem konventionellen Verfahren gesteigert werden und die Kosten für das Auswechseln oder die Reparatur der Schneidmejssel können um 30 % oder mehr gesenkt werden.

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Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE

   Verfahren zur Exkavation eines Felsen, dadurch ge kennzeichnet« daß es folgende Schritte aufweist:

   a) Einbringen wenigstens einer Nut in den Fels mittels eines Superhochdruck-WasserStrahls;

   b) Eintreiben eines ersten Schneidmeißels in den Fels an einem Punkt an wenigstens einer Seite und in Abstand von der Nut, während der Schneidmeißel gezwungen wird, längs einer Linie zu wandern, die im wesentlichen parallel zu der Nut ist, um dadurch in dem Fels Brüche zu schaffen, die von der besagten Linie zu der Nut verlaufen, hauptsächlich durch Zerreiß-kräfte, um einen Teil des Felsen zu entfernen;

   c) Vorschieben eines zweiten Schneidmeißels hinter dem ersten Schneidmeißel, um ihn in den Fels einzutreiben, und dabei den zweiten Schneidmeißel zu zwingen, sich längs einer Linie zu bewegen, die im wesentlichen parallel zu der Nut verläuft und weiter entfernt von ihr als die erste erwähnte Linie, um dadurch in im Fels Brüche hervorzurufen, die von der zweiten erwähnten Linie zu der Region der ersten erwähnten Brüche verlaufen, um

   einen anderen Teil des Felsen zu entfernen; 309881/0442

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   d) aufeinanderfolgendes Vorschieben eines dritten und weiterer Schneidmeißel in gleicher oder ähnlicher Weise, um weitere Felsenteile von wenigstens einer Seite der Nut zu entfernen.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (G) als Ringnut in den Fels eingebracht wird, und die aufeinanderfolgenden Schneidmeißel längs aufeinanderfolgenden Kreisen umlaufen, die konzentrisch zu der Ringnut sind.

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   5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Exkavatorkopf (H) aufweist, der um eine Achse (X-X) rotieren kann und eine vordere Stirnfläche (5) mit wenigstens einer ringförmigen Nut hat und einen Zentrieransatz auf der Achse (X-X), einen Drehantrieb für den Kopf (H), Mittel zum Vorschieben des Kopfes gegenüber dem Fels, Düsen (N) zum Ausstoßen von Superhochdruck-Wasserstrahlen, die an der inneren und äußeren Peripherie der Nut angeordnet sind, und eine Mehrzahl von Schneidmeißeln, die in der Nut in radial unterschiedlichen Lagen verteilt angeordnet sind in einer solchen Anordnung, daß sie stufenweise zurückgesetzt sind relativ zu der vorderen Stirnfläche (5) des Kopfes (H).

   4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Je eine der Düsen (N) zum Auswerfen von Superhochdruck-Wasserstrahlen für jede der Umfangsfläche der besagten Nut vorgesehen ist.

   5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidmeißel an der Stirnseite des Exkavatorkopfes längs vier Radien, die im Winkel von 90° zueinander liegen, angeordnet sind.

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   6. Vorrichtung nach Anspruch 5# dadurch gekennzeichnet, daß ein konischer Schneidmeißel (8) in der Mitte der vorderen Fläche des Exkavatorkopfes (H) angeordnet ist.

   7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß alle Schneidmeißel außer dem zentralen konischen Meißel einseitig abgeschrägte Schneiden haben.

   8. Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidmeißel relativ zu einer Richtung parallel

   zu der Achse des Exkavatorkopfes weg von deh Düsen, die
   ihnen am nächsten sind, geneigt sind.

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