DE3443864C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die vorliegende Erfindung kann zur Errichtung von Transport- und Wasserbautunneln sowie von Ausrichtungsbauen im Bergbau unter Verwendung einer monolithischen Betonauskleidung oder einer Stahlbetonauskleidung verwendet werden, die in einem Abstand vom Abbaustoß gebaut wird, wodurch es möglich ist den Tunnelvortrieb und die Arbeiten zum Betonieren der Auskleidung getrennt voneinander durchzuführen.

Es ist ein Tunnelbauverfahren bekannt, das mittels eines provisorischen Ausbaues aus metallischen Bögen mit einem hölzernen Zugbalken und einer Hinterfüllung durchgeführt wird, welche außerhalb der Umrißlinie der endgültigen Auskleidung untergebracht werden. Die Tragfähigkeit dieses Ausbaues muß der Größe des Gesamtgebirgsdruckes entsprechen. Der Ausbau wird vor Ort montiert und kann sofort beansprucht werden.

Zu den Nachteilen dieser Art des provisorischen Ausbaues gehören die Notwendigkeit, den Tunnelraum von einem größeren Querschnitt, als es für eine endgültige Auskleidung erforderlich ist, vorzutreiben, sowie die Unmöglichkeit einer Wiederverwendung der Materialien, die für den Bau des provisorischen Ausbaues verwendet wurden, welcher nach der Errichtung der endgültigen Auskleidung seine Bedeutung einbüßt.

Bekannt ist ein Tunnelbauverfahren, das unter Anwendung eines provisorischen Anker-Spritzbetonausbaues durchgeführt wird, welcher unmittelbar nach dem Ausbruch des Tunnelraumes errichtet und danach als Bestandteil der endgültigen Auskleidung verwendet wird. Der Ausbau wird ebenfalls vor Ort montiert und kann bei Bedarf sofort beansprucht werden. Die Tragfähigkeit dieses Ausbaues hat dem Gesamtgebirgsdruck zu entsprechen.

Zu den Nachteilen dieses Verfahrens gehört ein großer Aufwand an manueller Arbeit, der für das Einebnen der Tunnelraumoberfläche und für die Herstellung eines Ausbaues mit einer hohen Tragfähigkeit erforderlich ist. Eine starke Verstaubung des Ortsbereichs erfordert außerdem die Einleitung von besonderen Maßnahmen zum Schutz der Beschäftigten.

Bekannt ist ein Tunnelbauverfahren, das unter Anwendung eines provisorischen Ausbaus aus Bögen durchgeführt wird, die eine Betonschale oder eine Spritzbetonschale eingebaut werden. Ein solcher Ausbau besitzt eine Tragfähigkeit, die dem Gesamtgebirgsdruck entspricht, und kann sofort nach dem Einbau der Bögen beansprucht werden. Gewöhnlich wird dieser Ausbau auch als Bestandteil der Auskleidung beansprucht.

Zu den Nachteilen einer solchen Auskleidung gehört, daß sich in der endgültigen Auskleidung die metallischen Bögen im Bereich der neutralen Achse befinden und nicht effektiv wirken.

Ein für alle erwähnten Verfahren gemeinsamer Nachteil bildet der hohe Verbrauch an Materialien, die für die Errichtung der endgültigen Auskleidung verwendet werden, weil diese für einen Grenzdruck des Gebirges berechnet wird, der nur in seltenen Fällen zur Geltung kommt.

In den letzten Jahren fand das Neue Österreichische Tunnelbauverfahren große Verbreitung. Das Wesen dieses Verfahrens besteht darin, daß nach dem Abbau des Bodens/Gesteins der Tunnelbau mit einem nachgiebigen Ausbau, z. B. einem Anker- Spritzbetonausbau, befestigt wird, der Prozeß des Gebirgsdruckanstiegs mittels eines Systems von Meßgeräten überwacht wird, wobei man bei Notwendigkeit den nachgiebigen Ausbau verstärkt, und nach der Stabilisierung des Gebirgsdruckes die Innenschicht der endgültigen Auskleidung betoniert. Dabei hat die Tragfähigkeit der ursprünglich zu errichtenden Auskleidung dem minimalen Gesteinsdruck zu entsprechen, weil bei einer Übersteigung dieses Druckes der Ausbau verformt wird. Für die praktische Durchführung dieses Verfahrens war die Ausarbeitung eines Systems zur ständigen Überwachung des Ausbauzustandes erforderlich. Nach den Angaben dieses Systems wird der Zustand des Gebirges und des Ausbaues eingeschätzt und die Notwendigkeit einer Verstärkung des Ausbaues beschlossen. Wie die Praxis zeigt, kann eine Verstärkung des Ausbaues 3 bis 4 Mal während der Bauzeit vorgenommen werden müssen.

Die Notwendigkeit der Verwendung von teueren und komplizierten Meßgeräten, die von entsprechenden Fachkräften zu bedienen sind, die Durchführung einer ständigen Überwachung der Verformungen und Spannungen des Gebirges und des Ausbaues, sowie eine sachkundige Einschätzung des Zustandes dieser Elemente, die Organisierung der Arbeiten zur operativen Verstärkung des Ausbaues erschweren stark den technologischen Prozeß des Tunnelbaues, obwohl die Gesamtbaukosten bei der Errichtung des Tunnels nach diesem Verfahren geringer als bei den oben dargelegten Verfahren sind, weil der Materialverbrauch für die Errichtung der endgültigen Auskleidung niedriger ist.

Da aber die Tragfähigkeit des provisorischen Ausbaues immer unter der der Größe des Gesamtgebirgsdruckes liegt, kann ein Havariezustand, z. B. infolge einer mangelhaften Qualifikation des Bedienungspersonals eintreten.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Tunnelbauverfahren zu schaffen, das eine gefahrlose Ausführung der Arbeiten bei gleichzeitiger Vereinfachung derselben gewährleistet und es ermöglicht, die notwendige Ausbaustärke verbessert den tatsächlichen Erfordernissen anzupassen.

Die gestellte Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Es ist vorteilhaft, vor dem Betonieren der Innenschicht der endgültigen Auskleidung einen vollständigen oder teilweisen Abbau der Bögen in Abhängigkeit von der ermittelten Größe des Gesamtgebirgsdruckes und der Tragfähigkeit der Außenschicht der endgültigen Auskleidung vorzunehmen.

Eine solche Ausführungsform des Tunnelbauverfahrens gewährleistet eine gefahrlose Ausführung der Arbeiten unter dem Schutz eines zuverlässigen provisorischen Ausbaues und gleichzeitig einen minimalen Materialaufwand für die Errichtung der endgültigen Auskleidung, weil ein nachgiebiger Ausbau während des Gebirgsdruckanstiegs verwendet wird.

Das Wesen der Erfindung besteht in folgendem.

Aus der Tiefbaupraxis ist es bekannt, daß der vor Ort montierte Ausbau in der anfänglichen Periode nach der Aufstellung desselben besonders intensiv belastet wird. Durch die Verwendung eines nachgiebigen Bogenausbaues mit einer unzureichenden Tragfähigkeit in der anfänglichen Zeitperiode wird eine maximale Belastung des Gebirges und eine minimale Belastung des Ausbaues gewährleistet, der, da er eine größere Nachgiebigkeit aufweist, der Belastung "ausweicht", jedoch das Gebirge unterstützt und dessen Zerstörung verhindert. Entsprechend der Betonhärtung nehmen die Steifigkeit und die Tragfähigkeit des Ausbaues zu, jedoch wird der Gebirgsdruckanstieg zu dieser Zeit in der Regel langsamer. Wie die Ergebnisse von Untersuchungen der Spannungen in Beton und Bögen zeigen, sind die Größen dieser Spannungen bedeutend kleiner als die Grenzbelastungen für entsprechende Materialien, wobei die Rolle der Betonaußenschicht vorwiegend in einer Verfestigung des den Tunnelraum umgebenden Gebirges besteht, damit dieses größere Spannungen aufnehmen kann, ohne dabei zerstört zu werden. Wenn der Gebirgsdruck einen Grenzwert übersteigt, bleiben die Bögen im Betonkörper, und die endgültige Auskleidung kann bewehrt werden. Auf diese Weise bilden die Bögen zusammen mit Beton eine mächtige Stahlbetonkonstruktion und unter dem Schutz dieser Konstruktion werden mit garantierter Sicherheit alle übrigen Arbeiten zur Errichtung des Tunnels, einschließlich der Aufstellung der endgültigen Auskleidung ausgeführt. Die Messungen der Verformungen des provisorischen Ausbaues, die vor dem Betonieren der Innenschicht der endgültigen Auskleidung vorgenommen werden, gestatten es, mittels der speziell ausgearbeiteten Computer-Programme, welche verschiedene Modelle des Gebirges benutzen, den Istwert des Gebirgsdruckes zu ermitteln.

Die Größe des tatsächlichen Gebirgsdruckes benutzt man bei der Beschlußfassung über die Möglichkeit des Abbaues von Bögen und zur Berechnung der Endstärke der endgültigen Auskleidung, wobei in Übereinstimmung mit dem angenommenen Rechenmodell alle zusätzlichen Einwirkungen berücksichtigt werden.

Auf diese Weise wird der Umfang der Messungen stark vermindert, indem man sich auf die anfänglichen Messungen nach dem Betonieren der Außenschicht und auf die Messungen vor dem Betonieren der Innenschicht einer endgültigen Auskleidung beschränkt. Falls es notwendig ist, z. B. eine Charakteristik des Kriechens des Gebirges zu erhalten, können die Messungen zu einem beliebigen Zeitpunkt vorgenommen werden.

Es erweist sich auch nicht mehr notwendig, eine operative Verstärkung des Ausbaues und eine ständige Überwachung des Zustandes des provisorischen Ausbaues auf der gesamten Baulänge des zu errichtenden Tunnels zwischen dem Abbauort und dem zu betonierenden Abschnitt der Innenschicht der endgültigen Auskleidung durchzuführen. Einer solchen Überwachung bedarf nur der Abschnitt der Innenschicht der Auskleidung, der unmittelbar zu betonieren ist.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Reihenfolge der Arbeitsgänge bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III der Fig. 1;

Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie IV-IV der Fig. 1;

Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V der Fig. 1.

Nach dem Ausbruch des Tunnelraumes wird der Ausbruch umrissen und das Gestein abtransportiert. Dann werden metallische Bögen 1, z. B. mit Doppel-T-Profil eingebaut und eine Verkeilung 2 derselben im Gestein vorgenommen, wie das in Fig. 2 dargestellt ist. Die Tragfähigkeit der Bögen 1 soll nur einen Teil der Grenzbelastung ausmachen, die vom Gebirge erzeugt wird. Dann werden zwischen den Bögen Schalungstafeln 3 eingebaut, und in den Raum hinter der Schalung wird eine Betonmischung 4 zugeführt. Die Stärke der Betonschicht wird derart bemessen, daß die Tragfähigkeit des Bogenbetonausbaues die vom Gebirge erzeugte Grenzbelastung übersteigt. Nach dem Einbringen des Betons werden primäre Messungen der Lage der Betonoberfläche wie das, z. B. in Fig. 3 dargestellt ist, zur anschließenden Bestimmung des Gebirgsdruckes vorgenommen. Je nach dem Vorrücken des Abbauortes um die Länge des technologischen Prozesses zum Betonieren (der beweglichen Schalung), werden sekundäre Messungen an dem zu betonierenden Abschnitt vorgenommen. Nach den Ergebnissen dieser Messungen wird der Gebirgsdruck eingeschätzt und die Bögen 1 des provisorischen Ausbaues werden vollständig oder teilweise abgebaut, wie das in Fig. 4 dargestellt ist. Dann wird die Innenschicht der endgültigen Auskleidung 5 betoniert, die mit einer Stärke errichtet wird, die der Differenz zwischen der erforderlichen Stärke der endgültigen Auskleidung und der Stärke der Betonschicht des Bogenbetonausbaues gleich ist, wie das in Fig. 5 dargestellt ist.

Nachstehend werden konkrete Durchführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens angeführt.

Beispiel 1

Ein zweigleisiger Eisenbahntunnel mit einem Querschnitt von 100 m² wurde in einem Abschnitt nach dem vorliegenden Verfahren gebaut. Die Gebirgsverhältnisse des Baues sind: klüftige Granite und stark klüftige Amphibolite, kein Grundwasser vorhanden, Erdbebenintensität des Gebietes -9 Grad.

Der Ausbruch des Tunnelraumes wurde über den Vollquerschnitt gebohrt, die Abschlagslänge betrug 2,5 m. Das Wegfüllen des Gesteins wurde mit einem Schaufellader und die Förderung mit Kippern durchgeführt. Sofort nach dem Wegfüllen des Gesteins wurden zwei Bögen aus Doppel-T-Profil mit einem Abstand von 1,25 m mittels der an der Bohrmaschine montierten Einrichtungen eingebaut. Die Tragfähigkeit der Bögen betrug 8 t/m². Im Zwischenraum zwischen den Bögen wurden hölzerne Schalungstafeln untergebracht. Nach den Berechnungen könnte eine Betonschicht mit einer Stärke von 10 cm ausreichen; aus technologischen Gründen verwendete man jedoch eine Betonschicht mit einer Stärke von 20 cm. Das Einbringen des Betons wurde mittels Autobetonmischern und pneumatischer Betonpumpen vorgenommen. Die Tragfähigkeit dieses provisorischen Bogenbetonausbaues im Alter des Betons von 28 Tagen betrug 35 t/m².

Die Messungen der Verformungen des provisorischen Bogenbetonausbaues wurden mittels geodätischer Feinmeßinstrumente durchgeführt.

Die Verwendung dieses Verfahrens ermöglichte eine Betoneinsparung von 13 m³ und eine Metalleinsparung von 2 t pro laufendem Meter des Tunnels im Vergleich zu früher verwendeten Vortriebsverfahren, bei dem ein gewöhnlicher Bogenausbau mit hölzernem Zugbalken verwendet wurde und es mehrmals zu einem Einsturz des Ausbaues kam, was die Bauarbeiten verzögerte und zu einem hohen Materialmehrverbrauch führte. Die Verwendung des erfindungsgemäßen Vortriebsverfahrens schließt Steinfall und Einbrüche völlig aus.

Beispiel 2

Ein eingleisiger Eisenbahntunnel mit einem Querschnitt von 60 m² wurde in einem Abschnitt nach dem vorliegenden Verfahren gebaut. Die Gebirgsverhältnisse des Baues sind: Dauerfrostgranite und - andesite mit zahlreichen tektonischen Störungen und Schieferungszonen, kein Grundwasser vorhanden, Erdbebenintensität des Gebietes -9 Grad. In den Abschnitten des Tunnels mit festen Gesteinen wurde Ankerausbau mit Baustahlgewebe und in den Abschnitten mit Gesteinen, die durch tektonische Zonen geschwächt sind, teilweise Bogenausbau mit hölzernem Zugbalken bzw. Holzverzug, teilweise Bogenbetonausbau eingebracht, dessen Konstruktion in dem vorhergehenden Beispiel beschrieben ist. In einigen Abschnitten, die mit Bogenausbau unter Verwendung von hölzernen Zugbalken ausgebaut wurden, kam es zu Steinfall und Einbrüchen nach dem Auftauen der Böden; die Abschnitte, die mit einem Bogenbetonausbau befestigt wurden, bewahrten ihre Standfestigkeit.

Es ist somit aus den oben dargelegten Beispielen zu ersehen, daß das erfindungsgemäße Verfahren im Vergleich zu den bestehenden Tunnelbauverfahren eine Reihe von Vorteilen besitzt. Das ist vor allem eine erhöhte Sicherheit, weil im Unterschied zu dem "Neuen Österreichischen Tunnelbauverfahren" die optimale Auskleidungsstärke in diesem Fall nicht durch eine allmähliche Verstärkung des Ausbaues, angefangen bei minimaler Tragfähigkeit desselben, sondern durch eine Abschwächung des Ausbaues infolge des Abbaues von Bögen und durch die Festlegung einer optimalen Stärke der Betoninnenschicht erhalten wird.

Claims (2)

1. Verfahren zur Errichtung eines Tunnels durch Auffahren einer Strecke, Errichten eines nachgiebigen Ausbaus durch Setzen von Bögen und Herstellung einer ersten Außenschicht aus Beton sowie zeitversetzt einer Innenschicht aus Beton einer nach Messungen vorberechneten endgültigen Auskleidung, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst der Ausbau aus Bögen (1) mit einer unter der vom Gebirgsdruck erzeugten vorberechneten Grenzbelastung liegenden Tragfähigkeit und einer die endgültige Außenschicht bildenden Betonschicht hergestellt wird, wobei zwischen den Bögen (1) Schalungstafeln (3) eingebaut werden, hinter die der Beton für die Außenschicht eingebracht wird, deren Tragfähigkeit, bezogen auf den erhärteten Zustand, zusammen mit der Tragfähigkeit der Bögen (1) die Grenzbelastung durch das Gebirge übersteigt,
daß Messungen über Verformungen jeweils unmittelbar nach dem Betonieren der Außenschicht und jeweils unmittelbar vor dem Betonieren der Innenschicht vorgenommen werden und daß dann in Abhängigkeit von den Meßergebnissen die erforderliche Tragfähigkeit der gesamten endgültigen Auskleidung und in Abhängigkeit davon die Stärke der noch aufzubringenden endgültigen Innenschicht berechnet und diese eingebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Einbringen der endgültigen Innenschicht in Abhängigkeit von der Größe des Gesamtgebirgsdrucks und der Tragfähigkeit der endgültigen Außenschicht die Bögen (1) ganz oder teilweise entfernt werden.