DE3802249A1 - Tunnelvortriebsverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vortreiben eines Tunnels unter Verwendung einer Vollschnitt-Tunnelmaschine mit vorderer Schneid- und Grabvorrichtung, bei welchem das im Schneidraum anfallende Abraummaterial unter Bildung einer breiigen Masse vermischt und in dieser Konsistenz weggefördert wird.

Es ist bereits bekannt, den beim Tunnelbau anfallenden Abraum mit Hilfe einer Pumpe aus dem Tunnel herauszufördern (DE-OS 31 35 644). Der Abtransport des Abraums im Pumpver­ fahren kann jedoch aus wirtschaftlichen Gründen nicht über beliebig lange Strecken erfolgen. Abgesehen davon muß auch dort der außerhalb des Tunnels zunächst auf Halden geschüt­ tete Abraum auf Kraftfahrzeuge verladen und abtransportiert werden.

Für kleine Tunnels sind bereits sog. "Bodenraketen" bekannt. Dort wird mit hoher Schlagenergie ein spitzer Kegel in meist weichen Boden getrieben, wobei das auf der Tunnel­ strecke vorhandene Erdmaterial radial nach allen Seiten ins Erdreich verdrängt wird. Auf diese Weise wird Raum geschaffen für ein nachgeschobenes Rohr oder Rohrabschnit­ te. Dieses Verfahren ist jedoch bei großen Tunneldurchmes­ sern in härterem Gestein nicht anwendbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, bei welchem auch beim Bau sehr langer Tunnel, insbesondere bei der Untertunnelung von Wasserläufen, Mee­ resarmen und dergleichen, der Abraum auf wirtschaftliche Weise und ohne Veränderung der tunnelnahen Landschaft unmit­ telbar beseitigt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden die im Patentanspruch angegebenen Merkmale vorgeschlagen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgedankens ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, daß Abraummaterial in flüssiger oder breiiger Konsistenz ähnlich wie flüssige Magma bei Überwindung des lokalen Bergdrucks in das umgeben­ de Erdreich gepreßt werden kann. Das Material wird dabei vorwiegend nach oben verdrängt, indem sich der darüber befindliche Erdboden anhebt. Dabei können durchaus ähnliche Vorgänge auftreten, wie wenn bei Vulkanausbrüchen Magma an die Erdoberfläche gepreßt wird und dort austritt. Bei eher zerklüftetem Gestein sucht sich das unter Hochdruck verdrängte breiige Material Spalten im Gestein und weitet diese zu Klüften aus, welche einen Abfluß des Materials prinzipiell in beliebige Richtungen erlauben.

Dementsprechend wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß die Flüssigkeit unter hohem Druck unmittelbar in den Schneidraum der Tunnelmaschine injiziert wird, während die Tunnelmaschine unter Betätigung der Schneid- und Grab­ vorrichtung vorgetrieben wird. Das sich hierbei mit der Flüssigkeit vermischende Abraummaterial wird beim Vortreiben der den Schneidraum vom Inneren des fertiggestellten Tunnels flüssigkeitsdicht trennenden Tunnelmaschine in das dem Schneidraum benachbarte Erdreich gepreßt und dorthin in der vorstehend beschriebenen Weise verdrängt. Vorteilhafter­ weise entspricht dabei der Injektionsdruck der Flüssigkeit mindestens dem Bergdruck am Ort der Tunnelmaschine.

Um eine ausreichende Zerkleinerung des Abraummaterials und Vermischung mit der Flüssigkeit zu gewährleisten, wird gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorge­ schlagen, daß die Schneid- und Grabvorrichtung im Zuge des Vortriebs der Tunnelmaschine in Vortriebsrichtung pil­ gerschrittartig hin- und herverschoben wird. Eine weitere Verbesserung in dieser Hinsicht wird mit einem rotierenden, mit axialen Durchbrüchen versehenen Schneidrad als Schneid- und Grabvorrichtung erzielt, das neben der Zerkleinerung des vor der Maschine befindlichen Gesteins durch eine geeig­ nete Formgestaltung, beispielsweise als Flügelrad, auch für eine intensive Durchmischung mit der Flüssigkeit sorgt.

Die Flüssigkeit wird zweckmäßig volumetrisch nach Maßgabe der beim Tunnelvortrieb anfallenden Abraummenge in den Schneidraum injiziert. Eine für die Verdrängung optimale Konsistenz erhält man, wenn das anfallende Abraummaterial mit einem Volumenanteil von 20 bis 50%, vorzugsweise 30 bis 40% Flüssigkeit vermischt wird, wobei als Flüssigkeit vorzugsweise Wasser oder Bentonit in Betracht kommen.

Um einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten, wird gemäß der Erfindung weiter vorgeschlagen, daß die Konsistenz des mit der Flüssigkeit vermischten Abraummaterials im Schneidraum, insbesondere im Hinblick auf die vorhandene Viskosität und Körnigkeit des Gemischs, kontinuierlich überwacht und der Tunnelvortrieb und/oder die Flüssigkeits­ zugabe nach Maßgabe der gemessenen Konsistenz gesteuert wird.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zweckmäßig eine Tunnelmaschine mit einem der Tunnelform angepaßten und gegenüber der fertiggestellten Tunnelröhre verschiebbaren, an den Anschlußstellen über den gesamten Tunnelumfang abdichtbaren Mantelgehäuse verwendet, bei welcher gemäß der Erfindung der Schneidraum durch Trennwände wasserdicht von der fertiggestellten Tunnelröhre getrennt und unter hohem Druck mit einer Flüssigkeit beaufschlagbar ist, und bei welcher weiter in den Trennwänden des Mantel­ gehäuses ein an seiner in den Schneidraum ragenden Stirn­ seite einen rotierenden Schneidkopf tragender, einen kleine­ ren Durchmesser als das Mantelgehäuse aufweisender Teleskop­ stempel druckdicht und mit hydraulischen Mitteln axial verschiebbar angeordnet ist.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Schneidkopf ein axial durchbrochenes, mit Meißeln be­ stücktes, kegelförmiges Schneidrad auf. Das Schneidrad kann entweder stumpf- oder spitzkegelig ausgebildet sein. Insbesondere kann über die Mitte des Schneidrads ein axial überstehender, im wesentlichen zylindrischer Vorschneider angeordnet sein, der eine besonders gute Führung der Tunnel­ maschine beim Vortrieb gewährleistet. Durch die Anordnung eines radial überstehenden Überschneiders am Schneidrad wird außerhalb des Mantelgehäuses ein ringförmiger Spielraum erzeugt, der sich mit flüssigem Abraum füllen kann und dadurch die Reibung beim Vortrieb der Tunnelmaschine verrin­ gert. Der Ringspielraum eröffnet zusätzlich die Möglichkeit, daß die Tunnelmaschine durch asymmetrisches Vortreiben ihrer Stützzylinder in beliebige Richtungen gelenkt werden kann. Darüber hinaus eignet sich der Ringspielraum zur Aufnahme von nicht zerkleinerten, besonders harten Felskör­ pern, die mit der erfindungsgemäßen Methode nicht ohne weiteres in das umgebende Erdreich gepreßt werden könnten.

Im folgenden wird die Erfindung anhand des in der Zeichnung in schematischer Weise dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt einen Schnitt durch eine Tunnelma­ schine mit verschiedenen Schneidrad-Varianten.

Die Tunnelmaschine weist ein vorzugsweise zylindrisches Mantelgehäuse 1 auf, das über eine sich über den gesamten Umfang erstreckende Dichtung 15 gegenüber der in der Regel aus Tübbingen bestehenen fertigen Tunnelwand 14 nach innen wasserdicht abgedichtet ist und an seiner Außenseite über Zentriernocken 21 in der Bohrung 30 des Erdreichs 31 geführt ist.

Die Tunnelmaschine weist ein über die Welle 7 angetriebenes mit axialen Durchbrüchen versehenes Schneidrad 3 auf. Das Schneidrad 3 löst und zerkleinert das vor der Maschine befindliche Gestein aus dem Erdreich und vermischt dieses durch seine Rotation und spezielle Formgestaltung im Bereich der Flügel 33 mit einer durch die Druckleitung 10 in den Schneidraum 11 eingepreßten Flüssigkeit zu einer mehr oder weniger weichen breiigen Abraummasse.

Der Schneidraum 11 ist durch die Trennwand 5 und die Dich­ tung 8 hermetisch gegenüber dem Innenraum der Tunnelma­ schine und damit auch gegenüber dem Innenraum des fertigen Tunnels 14 abgedichtet. Dadurch wird der Abraumbrei beim Vortrieb der Tunnelmaschine in die dem Schneidraum 11 benachbarte Umgebung des Erdreichs 31 verdrängt. Etwa vor­ handene Spalte 17 im benachbarten Gestein werden durch den Abraumbrei erweitert und gewährleisten so einen Abfluß des Materials prinzipiell in beliebige Richtungen. Vorwie­ gend gelangt das Abraummaterial jedoch nach oben unter Anheben des darüber befindlichen Erdbodens. Durch entspre­ chende Bestückung des Schneidkopfs 3 mit Meißeln 32 wird eine definierte und ausreichende Zerkleinerung des Materials erreicht. Einzelne große Steine werden bei fortschreiten­ dem Betrieb zunehmend zerkleinert, um schließlich mit dem Abraumbrei verdrängt werden zu können.

Um für den Vortrieb in relativ hartem Gestein auch hohe hydraulische Drücke im Schneidraum 10 erzeugen zu können, ist in der Tunnelmaschine ein zylindrischer Teleskopstem­ pel 2 in den Trennwänden 5 und 6 druckdicht geführt. An seiner vorderen Stirnseite ist ein Schneidrad 3 angeordnet. Wird der Teleskopstempel 2 mit den Teleskopzylindern 4 vorgepreßt, so daß das Schneidrad 3 in die mit der Bezugs­ zahl 3′ gekennzeichnete Position gelangt, so entsteht in­ folge des kleineren Durchmesserverhältnisses zwischen Tele­ skopstempel 2 und Tunnelmaschine 1 bei gleichem Hydraulik­ druck ein höherer spezifischer Druck als beim Vorschub der gesamten Tunnelmaschine über die Stützzylinder 13. Vorzugsweise wird das Schneidrad 3 durch den Teleskopstem­ pel 2 und die Teleskopzylinder 4 pilgerschrittartig hin- und herverschoben, um auf diese Weise eine bessere Zer­ kleinerung des Abraummaterials und eine intensivere Durch­ mischung mit der Flüssigkeit zu erzielen.

Darüber hinaus kann nach jedem Vorwärtshub der Zylinder 4 der Mittelteil der Tunnelmaschine durch kurzzeitige Entla­ stung der Zylinder 4 mittels der Stützzylinder 13 vor­ geschoben werden. Letztere stützen sich dabei an der bereits fertiggestellten Tunnelwand 13 axial ab.

Wie in der Zeichnung durch das gestrichelt eingezeichnete Teil 3′′ angedeutet ist, kann das Schneidrad auch spitz­ kegelig ausgeführt sein. Wahlweise kann dann auch noch ein mehr oder weniger zylindrischer Vorschneider 20 vor­ montiert werden. Beide Maßnahmen dienen dazu, eine größere Schneidfläche zum besseren Zerkleinern des Abraummaterials zu erhalten und eine bessere Verdrängungs- und Zentrier­ wirkung zu erzielen.

Durch die Anordnung eines aus Meißeln bestehenden Über­ schneiders 16 am Umfang des Schneidrads wird ein gegenüber dem Mantelgehäuse 1 vergrößerter Durchmesser und damit ein ringförmiger Spielraum 18 erzeugt, der sich mit Abraum füllt. Außerdem können dorthin nichtzerkleinerte, beson­ ders harte Felskörper gelangen, die sonst nicht in das benachbarte Erdreich verdrängt werden könnten. Der Ring­ spielraum ermöglicht es, durch asymmetrisches Vortreiben der Stützzylinder 13 die Tunnelmaschine 1 in eine vorgegebe­ ne Richtung zu lenken. Die Richtungslenkung wird zusätzlich durch die Zentriernocken 21 im hinteren Teil des Mantelge­ häuses 1 erleichtert.

Um die viskose Konsistenz und damit die Verdrängungsfähig­ keit des Abraummaterials kontinuierlich messen zu können, sind in der Tunnelvortriebswand 5 Konsistenzmeßgeräte 22 eingebaut, die mit einem Flügelrad 22′ in den Schneidraum 11 eingreifen.

Falls die Tunnelmaschine einzelne Geländepartien unter­ quert, in denen die oben beschriebene Abraumverdrängung unerwünscht ist, kann der Abraumbrei in bekannter Weise durch eine nicht dargestellte Druckleitung in das Tunnel­ innere abgeleitet und von dort aus abtransportiert werden. Erforderlichenfalls kann die Druckleitung mit zusätzlichen Kreiselpumpen zur Weiterförderung des Abraums bzw. Druck­ erhöhung bestückt werden.

Umgekehrt können auch mit Druckleitungen ausgestattete Tunnelmaschinen durch Absperren der Druckleitung temporär als Verdrängungs-Tunnelschilde in der oben beschriebenen Weise arbeiten.

Falls die Zerkleinerungswirkung des Schneidrades 3 nicht ausreichen sollte, können im Schneidraum 11 weite­ re, in der Zeichnung nicht dargestellte Brech- und Mischeinrichtungen angeordnet werden. Ebenso kann die Rückseite des Schneidrads 2 mit zusätzlichen Zerkleine­ rungswerkzeugen versehen werden.

Claims (13)

1. Verfahren zum Vortreiben eines Tunnels unter Ver­ wendung einer Vollschnitt-Tunnelmaschine mit vorde­ rer Schneid- und Grabvorrichtung, bei welchem das im Schneidraum anfallende Abraummaterial mit Flüssigkeit unter Bildung einer breiigen Masse vermischt und in dieser Konsistenz weggefördert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit unter hohem Druck unmittelbar in den Schneidraum injiziert wird, während die Tunnelmaschine unter Betätigung der Schneid- und Grabvorrichtung vorge­ trieben wird, und daß das sich hierbei mit der Flüssigkeit vermischende Abraummaterial beim Vor­ treiben der den Schneidraum vom Inneren des fertig­ gestellten Tunnels flüssigkeitsdicht trennenden Tunnelmaschine in das dem Schneidraum benachbarte Erdreich gepreßt und dorthin verdrängt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Injektionsdruck der Flüssigkeit minde­ stens dem Bergdruck am Ort der Tunnelmaschine entspricht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die durch ein rotierendes mit axialen Durchbrüchen versehenes Schneidrad gebildete Schneid- und Grabvorrichtung im Zuge des Vortriebs der Tunnelmaschine in Vortriebsrichtung pilger­ schrittartig hin- und herbewegt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit volumetrisch nach Maßgabe der beim Tunnelvortrieb anfallenden Abraummenge in den Schneidraum inji­ ziert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß das anfallende Abraummaterial mit einem Volumenanteil von 20 bis 50%, vorzugsweise von 30 bis 40% Flüssigkeit vermischt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die injizierte Flüs­ sigkeit aus Wasser oder Bentonit besteht.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Abraummaterial durch das rotierende Schneidrad zerkleinert und zugleich mit der Flüssigkeit vermischt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Konsistenz des mit der Flüssigkeit vermischten Abraummaterials im Schneidraum, insbesondere im Hinblick auf die vorhandene Viskosität und Körnigkeit, konti­ nuierlich überwacht und der Tunnelvortrieb und/ oder die Flüssigkeitszufuhr nach Maßgabe der gemessenen Konsistenz gesteuert wird.

9. Tunnelmaschine mit vorderer Schneid- und Grab­ vorrichtung, mit einem der Tunnelform angepaßten und gegenüber der fertiggestellten Tunnelwand verschiebbaren und an den Anschlußstellen mit der Tunnelwand über den gesamten Tunnelumfang abdichtbaren Mantelgehäuse, und mit einem auf der Seite der Schneid- und Grabvorrichtung des Mantelgehäuses angeordneten Schneidraum, dadurch gekennzeichnet, daß der Schneidraum (11) durch Trennwände (5, 6) vom Inneren der Tunnelmaschine bzw. der fertiggestellten Tunnelwand (14) getrennt und unter hohem Druck mit einer Flüssigkeit beauf­ schlagbar ist, und daß in den Trennwänden (5, 6) des Mantelgehäuses (1) ein an seiner in den Schneidraum (11) ragenden Stirnseite einen rotie­ renden Schneidkopf (3) tragender, einen kleineren Durchmesser als das Mantelgehäuse (1) aufweisender Teleskopstempel (2) druckdicht und mit hydrauli­ schen Mitteln (4) axial verschiebbar angeordnet ist.

10. Tunnelmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schneidkopf ein axial durch­ brochenes, mit Meißeln (32) bestücktes kegeliges Schneidrad (3, 3′′) aufweist.

11. Tunnelmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schneidkopf ein spitzkegeliges Schneidrad (3′′) aufweist.

12. Tunnelmaschine nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schneidkopf einen über die Mitte des Schneidrads (3′′) axial überste­ henden, im wesentlichen zylindrischen Vorschnei­ der (20) aufweist.

13. Tunnelmaschine nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Schneidrad (3) einen dem Durchmesser des Mantelgehäuses (1) entsprechenden Durchmesser aufweist, und daß am Umfang des Schneidrads (3) radial überstehende Überschneider (16) angeordnet sind.