DE3821754C3 - Verfahren zum Auffahren eines röhrenförmigen unterirdischen Hohlraumes, insbesondere in großer Teufe sowie Vortriebsschild zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auffahren eines röhrenförmigen unterirdischen Hohlraumes, insbesondere in großer Teufe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie einen Vortriebsschild zum Durchführen des Verfahrens.

Mit der fortschreitenden Wanderung des Steinkohlebergbaues im Ruhrgebiet in nördlicher Richtung werden immer größere Tiefen erreicht; die Abbauteufen liegen derzeit bei ca. 1100 m. Da im Zuge der Auffahrung große Auflockerungszonen im Gebirge entstehen, bereitet die Aufrechterhaltung der Standsicherheit der Erschließungsstellen immer größere Schwierigkeiten. Hohe Konvergenzen verengen die Nutzquerschnitte und führen oft dazu, daß die Vortriebseinheit sich festfährt, noch bevor der den Gebirgsdruck haltende Ausbau eingebracht werden kann. Dies hat dann zur Folge, daß weder der Vortrieb weitergeführt, noch die Vortriebseinheit geborgen werden können. Diese Probleme nehmen mit der Teufe zu.

Es ist bereits ein Tunnelbauverfahren bekannt, mit dem die Gefahr einer Immobilisierung des Vortriebsschildes infolge hohen Gebirgsauflockerungsdrucks reduziert werden soll (DE 35 45 084 A1). Bei diesem gattungsgemäßen Verfahren wird ein Vortriebsschild verwendet, der im vorderen Bereich des Schildmantels Öffnungen zum Einpressen von Hinterfüllmaterial in den Ringraum zwischen Schildmantel und Hohlraumwandung aufweist. Als Hinterfüllmaterial wird hier ein sich ausdehnendes, aushärtendes und dann deformierbares Material, wie z. B. Polyurethanschaum, verwendet, das an bestimmte Tunnelbauzustände angepaßt werden kann, verformbar sein und somit nur einen Teil der vom Gebirge ausgehenden Last auf den Vortriebsschild bzw. die Tunnelauskleidung übertragen soll.

Zur Verbesserung der Schmierung zwischen dem Schildschwanz und einer Innenschalung für eine Tunnelauskleidung aus Ortbeton ist es auch bekannt geworden, in den Ringraum zwischen dem Schildmantel und der Hohlraumwandung eine Bentonitsuspension einzupressen, die beim Vorpressen des Vortriebsschildes und Fortschreiten des Ausbaus durch den Verpreßmörtel verdrängt werden soll (DE 31 25 607 A1). So soll ein Bentonitpfropfen gebildet werden, der den Verformungsraum hinter der Dichtung von erhärtendem und die Dichtung etwa angreifendem Verpreßmörtel freihalten soll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und einen zur Durchführung dieses Verfahrens geeigneten Vortriebsschild der gattungsgemäßen Arten anzugeben, die unter Aufrechterhaltung der Stützung des Gebirges in jedem Fall, auch nach Stillständen der Vortriebseinheit, ein Einklemmen des Vortriebsschildes verhindern.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Verfahren mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst. Ein Vortriebsschild zur Durchführung des Verfahrens ist in den Patentansprüchen 5 und 8 angegeben.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht in einer kontinuierlichen Stützung des Ausbauquerschnitts im Bereich des Schildmantels der Vortriebseinheit durch ein pastöses Material mit hohem Feststoffgehalt und geringem inneren Reibungsbeiwert, das in dem Ring­ raum unter einem auf den jeweils notwendigen Ausbau­ druck einstellbaren Druckzustand gehalten werden kann. Dieses Material ist eine Mischung aus einem Tonmineral, wie z. B. Montmorillonit oder Bentonit, und Wasser, der aus Gründen der Einsparung auch ein Füllmittel, wie z. B. Gesteinsmehl, zugegeben werden kann. Diese Mischung weist einen, bezogen auf den Wassergehalt vergleichsweise hohen Feststoffanteil auf (etwa 500 bis 750 g/l) und verhält sich in dem abgeschlossenen Ringraum, in den sie unter Druck eingepreßt wird, wie ein Feststoff. Sie ist in der Lage, den Gebirgsdruck in vollem Umfang auf den Schildmantel der Vortriebseinheit zu übertragen, hat aber einen sehr geringen Winkel der inneren Reibung, so daß die Vortriebskräfte vom Gebirgsdruck weitestgehend unabhängig sind. Beim Vortrieb des Schildes bildet sich in diesem Material eine parallel zur Hohlraumwand verlaufende Gleitfläche aus, so daß ein Festfahren der Vortriebseinheit auch bei längerem Stillstand verhindert wird.

Da dieses pastöse Material mit regelbarem Druck in den Ringraum eingepreßt werden kann, kann durch entsprechende Wahl des Druckzustandes dem Gebirge auch eine gewisse Entspannungsmöglichkeit gegeben werden mit der Folge, daß infolge Umlagerung der Kräfte das Gebirge einen Teil des Gebirgsdruckes selbst trägt. Damit kann in gewissem Umfang die Eigentragfähigkeit des Gebirges ausgenutzt werden, während Lockerungen durch die Aufrechterhaltung der Stützung als solche vermieden werden.

Voraussetzung hierfür ist allerdings, daß im Bereich des Schildmantels der Vortriebseinheit ein geschlossener Ringraum gebildet wird. Da es sich bei dem erfindungsgemäß zu verwendenden Material um eine rheolog konsolidierende Masse handelt, die eine vergleichsweise große Kohäsion besitzt, können geringe Zwischenräume zwischen Schildmantel und Hohlraumwandung durch die Masse selbst dichtend überbrückt werden. Besonders zweckmäßig ist es aber, dem Schildmantel zwischen dem der Ortsbrust zugewandten Bereich und seinem rückwärtigen Bereich eine nach innen eingezogene Form zu geben, während die Entwicklungslängen der sich in unmittelbarer Nachbarschaft der Hohlraumwandung befindlichen Bereiche des Schildmantels so kurz sind, daß die Kohäsion des pastösen Materials dieses am Austritt hindert, so daß das Material selbst als Dichtung ausreicht. Gegebenenfalls können aber auch zusätzliche Dichtungen gegen die Hohlraumwand, z. B. Bürstendichtungen, vorgesehen werden.

Wird der herzustellende Stollen oder Tunnel aber, wie bekannt (DE 33 32 242 A1), mit einer den Gebirgsdruck aufnehmenden tragenden Auskleidung, z. B. aus Beton oder Stahlbeton, versehen und der Raum zwischen dieser Auskleidung und der Hohlraumwandung ebenfalls mit diesem pastösen Material ausgefüllt, dann wird die rückwärtige Dichtung des die Vortriebseinheit umgebenden Ringraumes durch den Anschluß an dieses Material bewirkt, so daß der Schildschwanz mit einer üblichen Schildschwanzdichtung an die Auskleidung angeschlossen werden kann.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch die Auffahrung eines Stollens mit einer Vortriebseinheit nach der Erfindung,

Fig. 2 ein Schubspannungs-Verschiebe-Diagramm des pastösen Materials,

Fig. 3 in einem Detail aus Fig. 1 in größerem Maßstab eine zweckmäßige Art der Auffahrung des Hohlraumes und

Fig. 4 ein der Fig. 1 entsprechendes weiteres Ausführungsbeispiel.

In Fig. 1 ist in einem schematischen Längsschnitt die Auffahrung eines Stollens 1 in einem Gebirge 2 durch eine Vortriebseinheit 3 dargestellt. Die Vortriebseinheit 3 besteht aus einem Schildmantel 4 aus einer Stahlkonstruktion, an dessen der Ortsbrust 5 zugekehrtem vorderen Ende 6 ein die Bohrwerkzeuge tragendes - nur schematisch dargestelltes - Abbaurad 7 angeordnet ist. An dem der Ortsbrust 5 abgewandten rückwärtigen Ende 8 sind Widerlagerflächen für Vortriebspressen 9 gebildet, die sich gegen ein umsetzbares Widerlager 10 abstützen. Im Anschluß an die Vortriebseinheit 3 wird ein den Gebirgsdruck haltender Ausbau 11 in an sich bekannter Weise eingebaut.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel besteht der Schildmantel 4 der Vortriebseinheit 3 an seinem vorderen Ende 6 aus einem parallel zur Hohlraumachse 12 verlaufenden Abschnitt 4a, an den sich ein sich nach innen verjüngender Abschnitt 4b anschließt. Auf diesen folgt ein wiederum parallel zur Hohlraumachse 12 verlaufender Abschnitt 4c, dem über ein schräg nach außen verlaufendes Zwischenstück 4d ein Schildschwanz 4e folgt, der, ähnlich wie der Abschnitt 4a parallel zur Hohlraumachse 12 und in geringem Abstand von der Hohlraumwand 13 verläuft. Im Bereich der Abschnitte 4a und 4b befinden sich über den Umfang des Schildmantels 4 verteilt eine Anzahl von Einpreßöffnungen 14, durch die ein pastöses Material 15 in den Ringraum 16 zwischen dem Schildmantel 4 und der Hohlraumwandung 13 eingepreßt wird.

Dieses pastöse Material 15 besteht aus einer Mischung aus einem Tonmineral, wie z.B. Montmorillonit, Bentonit oder dergleichen, und Wasser, dem gegebenenfalls Füllstoffe, wie z.B. Gesteinsmehl, zugesetzt sein können. Dieses Material füllt den Ringraum 16 vollständig aus und ist darin so eingeschlossen, daß es über die zum Einpressen erforderlichen Vorrichtungen, wie z.B. Schneckenpressen oder dergleichen unter einen bestimmten Druckzustand gesetzt werden kann. Das Material verhält sich somit für den Gebirgsdruck, dessen Stützung es gewährleisten muß, wie ein fester Stoff. Bezüglich der rechtwinklig zum Gebirgsdruck wirkenden Vortriebskräfte verhält sich aber dieses Material, wie das Schubspannungs-Verschiebe-Diagramm nach Fig. 2 zeigt, nach anfänglich elastischer Verformung in einem Bereich I wie ein Gleitmittel, d.h. es bildet sich in diesem Material, ohne daß die erreichte Schubspannung τ abfällt, eine Gleitfuge 17 aus. Dieser Bereich plastischer Verformung ist in Fig. 2 mit II bezeichnet. Bei einem Stillstand der Vortriebseinheit 3 tritt eine Entlastung (Bereich III) ein, bis bei erneutem Anfahren der Vortriebspressen der gleiche Vorgang wieder abläuft.

Um in den Abschnitten des Schildmantels, die am dichtesten bei der Hohlraumwandung liegen, also in dem der Ortsbrust 5 zugewandten Abschnitt 4a und im Schildschwanz 4e eine einwandfreie Dichtung des Ringraumes 16 zu erzielen, dennoch aber genügend Material zur Verfügung zu haben, um die Gleitfuge 17 mit Sicherheit ausbilden zu können, ist es möglich, wie in Fig. 3 dargestellt, die Abbauwerkzeuge vor der Vorderkante 18 des Schildmantels 4 im Vorschnitt und zumindest über Teilbereiche des Hohlraumumfanges im Überschnitt arbeiten zu lassen. Damit werden in der Hohlraumwand 13 nutenartige Vertiefungen 19 erzeugt, die von dem pastösen Material ausgefüllt werden, so daß dieses Material in genügender Menge vorhanden ist und die Teilflächen der Hohlraumwandung 13, die auf den Schildmantel 4 drücken könnten, auf ein Minimum redu­ ziert werden.

In Fig. 4 ist in einer der Fig. 1 ähnlichen Ausführungsform noch dargestellt, wie der Schildmantel 4′ ausgebildet sein kann, wenn anstelle eines bergmännischen Ausbaus 11, wie in Fig. 1 gezeigt, eine tragende Stollen- oder Tunnelauskleidung 20, z.B. aus Stahlbeton-Fertig­ teiltübbings 21 eingebaut werden soll. Hier bildet der an den sich nach innen verjüngenden Abschnitt 4b′ des Schildmantels 4′ anschließende, parallel zur Hohlraumachse 12 verlaufende Abschnitt 4c′ den Schildschwanz, in dessen Schutz die Auskleidung 20 eingebaut werden kann, gegen die er in an sich bekannter Weise durch eine Schildschwanzdichtung 22 gedichtet ist. Die Vortriebspressen 9 stützen sich in diesem Fall gegen die Stirnseite der Auskleidung 20 ab.

In diesem Fall kann auf eine rückwärtige Dichtung des Ringraumes 16 zwischen Schildmantel 4′ und Hohlraumwandung 13 verzichtet werden, da auch der Ringraum zwischen der Auskleidung 20 und der Hohlraumwandung 13 mit dem pastösen Material 15 ausgefüllt wird. Auch hier bildet sich beim Vortrieb der Vortriebseinheit 3′ in dem pastösen Material 15 eine Gleitfuge 17 aus.

Claims (10)

1. Verfahren zum Auffahren eines röhrenförmigen unterirdischen Hohlraumes, insbesondere in großer Teufe, mittels eines Vortriebsschildes, der im vorderen Bereich eines den Auflockerungsdruck aufnehmenden Schildmantels Werkzeuge zum Abbau des Gebirges an der Ortsbrust aufweist und der einen der Ortsbrust zugewandten vorderen, parallel zur Hohlraumachse und in geringem Abstand von der Hohlraumwandung und zumindest einen weiteren, parallel zur Hohlraumachse verlaufenden Abschnitt mit geringerem Durchmesser sowie im vorderen Bereich des Schildmantels Öffnungen zum Einpressen von Hinterfüllmaterial aufweist, wobei das Hinterfüllmaterial zur Abstützung des Gebirges zwischen dem Schildmantel und der Hohlraumwandung eingepreßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Hinterfüllmaterial ein pastöses Material (15) mit hohem Feststoffgehalt und geringem inneren Reibungsbeiwert, nämlich eine Mischung aus einem Tonmineral, wie Montmorillo­ nit oder Bentonit, und Wasser, verwendet wird und daß das pastöse Material (15) in dem Ringraum (16) zwischen dem Schildmantel (4) und der Hohlraumwandung (13) durch geregelte Zuführung unter einem in Abhängigkeit vom Auflockerungsdruck gewählten Druckzustand gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischung ein Füllmittel, z. B. Gesteinsmehl, zugegeben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trockensubstanz der Mischung zu etwa 15 bis 40% aus Tonmineral, im übrigen aus Füllmittel besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbauwerkzeuge beim Auffahren des Hohlraumes (1) im Vorschnitt vor der Vorderkante des Schildmantels (4) und zur Erzeugung einer sich zumindest über einzelne Bereiche ihres Umfanges erstreckenden wellblechartigen Profilie­ rung (19) der Hohlraumwand (13) abwechselnd im Normalschnitt und Überschnitt geführt werden.

5. Vortriebsschild zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, bestehend aus einem Schildmantel mit darin angeordneten Abbauwerkzeugen, der über Vortriebspressen gegenüber einer Auskleidung abgestützt ist und der einen der Ortsbrust zugewandten, vorderen, parallel zur Hohlraumachse und in geringem Abstand von der Hohlraumwandung und zumindest einen weiteren, parallel zur Hohlraumachse verlaufenden Abschnitt mit geringerem Durchmesser sowie im vorderen Bereich des Schildmantels in den Ringraum zwischen Schildmantel und Hohlraumwandung mündende Öffnungen zum Einpressen von Hinterfüllmaterial aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schildmantel (4) im Anschluß an den vorderen, parallel zur Hohlraumachse verlaufenden Abschnitt (4a) einen sich stetig nach innen verjüngenden Abschnitt (4b) aufweist, der in den parallel zur Hohlraumachse verlaufenden Abschnitt (4c) übergeht, daß die Einpreßöffnungen (14) für das Einpressen von pastösem Material (15) mit hohem Feststoffgehalt ausgelegt sind, und daß der Schildmantel (4) an den verjüngten Abschnitt (4c) anschließend einen weiteren parallel zur Hohlraumachse und in geringem Abstand von der Hohlraumwandung verlaufenden rückwärtigen Abschnitt (4e) aufweist.

6. Vortriebsschild nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem verjüngten Abschnitt (4c) und dem rückwärtigen Abschnitt (4c′) eine sich stetig erweiternde Übergangsstrecke (4d) vorgesehen ist.

7. Vortriebsschild nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schildmantel (4) im Bereich des rückwärtigen Abschnitts (4e) und gegebenenfalls der Übergangsstrecke (4d) radial veränderlich ausgebildet ist.

8. Vortriebsschild zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, bestehend aus einem Schildmantel mit darin angeordneten Abbauwerkzeugen, der über Vortriebspressen gegenüber einer Auskleidung abgestützt ist und der einen der Ortsbrust zugewandten, vorderen, parallel zur Hohlraumachse und in geringem Abstand von der Hohlraumwandung und zumindest einen weiteren, parallel zur Hohlraumachse verlaufenden Abschnitt mit geringerem Durchmesser sowie im vorderen Bereich des Schildmantels in den Ringraum zwischen Schildmantel und Hohlraumwandung mündende Öffnungen zum Einpressen von Hinterfüllmaterial aufweist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Schildmantel (4′) im Anschluß an den vorderen, parallel zur Hohlraumachse verlaufenden Abschnitt (4a′) einen sich stetig nach innen verjüngenden Abschnitt (4b′) aufweist, der in den parallel zur Hohlraumachse verlaufenden Abschnitt (4c′) übergeht, daß die Einpreß­ öffnungen (14) für das Einpressen von pastösem Material (15) mit hohem Feststoffgehalt ausgelegt sind und daß der Schildmantel (4′) an den sich verjüngenden Abschnitt (4b′) anschließend einen parallel zur Hohlraumachse verlaufenden und in an sich bekannter Weise mittels einer Schildschwanzdichtung (22) an eine Tunnelauskleidung (20) anschließenden rückwärtigen Abschnitt (4c′) aufweist.

9. Vortriebsschild nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß am vorderen (6) und/oder rückwärtigen (8) Ende des Schildmantels (4) eine zur Hohlraumwandung (13) hin dichtende Dichtung vorgesehen ist.

10. Vortriebsschild nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung als Bürstendichtung ausgebildet ist.