DE4003747A1

DE4003747A1 - Aro-leitungstunnelbau-rohrvortriebsverfahren zur rohrgrabenlosen rohrverlegung im stadtgebiet, zur unterirdischen herstellung von ver- und entsorgungsleitungen nicht begehbarer nennweiten

Info

Publication number: DE4003747A1
Application number: DE19904003747
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl Ing Armbruster
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-02-08
Filing date: 1990-02-08
Publication date: 1991-08-29

Description

Ein Wunschtraum der Rohrleitungsbauingenieure ist es, Rohre auf langen Strecken im Erdreich zu verlegen, ohne die Erdoberfläche zu zerstören. Da im Rohrleitungsbau in Straßen und Gehwegen die Tiefbaukosten stets überwiegen, führt die Absicht Kosten zu senken, zwangsläufig zur Entwicklung von Verfahren, die diesem Ziel so nah wie möglich kommen. Entscheidend muß die Kostensenkung sein und nicht die Erfüllung dieses Wunschtraumes.

Stand der Technik

Um eine Rohrleitung unterirdisch grabenlos zu verlegen, müssen die Rohre im Erdreich vorgetrieben werden. Dabei unterscheidet man zwei Verfahren:

a) das ungesteuerte Rohrvortriebsverfahren
b) das steuerbare Rohrvortriebsverfahren.

Zu den ungesteuerten Rohrvortriebsverfahren zählt man das Bodenverdrängungsverfahren mittels Erdraketen und das Bodenentnahmeverfahren.

Das Bodenverdrängungsverfahren kann mit Erfolg auf kurzen, geraden Strecken bis DN 200 eingesetzt werden. Auf langen Strecken ist das Verfahren nicht einsetzbar, weil das Wagnis, wegen Unsteuerbarkeit und Ortung der Rakete andere Versorgungsanlagen zu beschädigen, viel zu groß ist. Es sind relativ hohe Mindestüberdeckungen erforderlich. Es ist nicht einsetzbar in nicht verdrängungsfähigen Böden.

Beim Bodenentnahmeverfahren wird unterschieden zwischen

- Durchpressen oder und
- Durchbohren,

wobei beide Ausführungsarten ungesteuert oder gesteuert sein können.

Das ungesteuerte Bodenentnahmeverfahren wird bei Leitungsdurchmessern über DN 200 oder ungeeignetem Baugrund für das Verdrängungsverfahren eingesetzt. Das Verfahren ist einsetzbar in nahezu allen Bodenarten, jedoch nur auf geraden Strecken. Alle Verfahren erfordern den Einbau von Stahlrohren mit verschweißten Stößen. Der gravierende Nachteil der nichtsteuerbaren Bodenverdrängungs- und Bodenentnahmeverfahren liegt in der nicht kontrollierbaren und direkt nicht beeinflußbaren Richtungsstabilität sowie der daraus resultierenden relativ geringen Zielgenauigkeit im Mittel zwischen 1 bis 2% der Vortriebslänge. Die Anwendung wird sich somit auf relativ kurze Vortriebslängen mit geringen Ansprüchen an die Lagegenauigkeit beschränken. Daher scheiden diese Verfahren für die eigentliche Rohrverlegung der Versorgungsleitungen auf langen Strecken aus. Die steuerbaren Verfahren wurden aus der Erkenntnis der Einsatzgrenzen der nichtsteuerbaren Verfahren entwickelt. Es wird vorausgesetzt, daß die Lage aller Versorgungsleitungen und Hindernisse bekannt ist, um diese zu umfahren. Auch mit den steuerbaren Verfahren können nur relative kurze Strecken in den Durchmesserbereichen DN 200 bis DN 400 verlegt werden.

Die hohen Investitionskosten der steuerbaren Preßbohranlagen verhindern einen wirtschaftlichen Einsatz im Stadtgebiet bei geringer Rohrüberdeckung. Dieselben Schlußfolgerungen gelten auch für das Spülbohrverfahren. Als Literaturhinweis wird auf folgende Veröffentlichung hingewiesen: "Leitungstunnelbau", Dietrich Stein, Klemens Möllers, Rolf Bielecki, Ernst & Sohn Verlag, 1988.

Der Innovation liegt die Aufgabe zugrunde, mit den vorhandenen Baumaschinen und deren zugehörigen neuesten Technologien ein Verlegeverfahren zu entwickeln, das folgenden Ansprüchen gerecht wird:

- eine wesentlich wirtschaftlichere Bauausführung als die zur Zeit in offener Bauweise übliche
- die Qualität des Bauwerks muß gesichert und gesteigert werden
- die Belastung im städtischen Straßenverkehr muß wesentlich verringert und bei einer Leitungsverlegung im Bürgersteig/Radweg auf ein Minimum beschränkt werden, besonders im Hinblick auf die neuen Richtlinien für die Sicherung von Arbeitsstellen auf Straßen innerorts, erlassen vom Bundesminister für Verkehr
- das Verlegeverfahren soll den Anforderungen des Umweltschutzes gerecht werden.

Die gestellte Aufgabe wird innovativ wie folgt gelöst:

Es wird eine Verlegestrecke "L" bis ca. 200 m festgelegt. An dem einen Ende wird eine Startgrube und an dem anderen eine Zielgrube erstellt (Fig. 1). Im Bereich des Trassenverlaufes der Rohrleitung werden soweit wie möglich alle fremden Versorgungsanlagen geortet. Unter Berücksichtigung der vorhandenen und angenommenen Versorgungsanlagen wird der Trassenverlauf der neuen Versorgungsleitung mit einer Überdeckungstiefe entsprechend den DVGW-Vorschriften festgelegt. In der geplanten Rohrachse wird mit einem auf dem Markt vorhandenen Verfahren eine Pilotbohrung bis ca. 9 cm Durchmesser erstellt. Das Bohrloch wird durch das Verdrängungsverfahren hergestellt und kann somit auch in einer Tiefe ab 90 cm erstellt werden. Gas- und Wasserleitungen liegen mit Überdeckungstiefe von ca. 100 cm im Erdreich. Da im Verdrängungsverfahren die Überdeckungshöhe 10 × Außendurchmesser nicht unterschritten werden sollte, scheidet dieses Verfahren für die Gas- und Wasserhauptrohrleitungen ab DN 100 mit der üblichen Überdeckungstiefe von ca. 100 cm aus.

Aus dieser Gegebenheit heraus wird ein kombiniertes Rohrvortriebsverfahren entwickelt.

1. Erstellung einer gesteuerten Pilotbohrung kleinen Durchmessers.
2. Einziehen eines Zugseiles in Rohrachse mit oder ohne Schutzrohr.
3. Anwendung des ungesteuerten Bodenentnahme- und Verdrängungsverfahrens mit Hilfe einer Rohrvortriebsmaschine und Erdrakete, das bedingt durch die Zugkraft auf dem Zugseil an dem Erdverdrängungshammer und am Vortriebkonus zu einem gesteuerten Bodenentnahme- und Verdrängungsverfahren auf langen Strecken wird.

Die Ausführung des Rohrverlegeverfahrens wird wie folgt beschrieben:

Durch die Kombination von gleichzeitiger Bodenverdrängung und Bodenentnahme mit dem Vortriebskonus mit der Zugkraft einer Winde und Schlagkraft einer Erdrakete, sowie einer Druckkraft und Schlagdruckkraft aus der Startgrube wird es möglich, Rohre mit Normalwanddicken auf langen Strecken mit geringer Überdeckung unterirdisch zu verlegen. Die Pilotbohrung wird über die Länge "L" in Rohrachse mit Hilfe eines bekannten Verfahrens erstellt. In das Bohrloch wird ein Zugseil eingezogen, das an dem Erdverdrängungshammer befestigt ist. Dieser wiederum ist durch eine Teleskopverbindung an dem Vortriebskonus, wie in Fig. 3 dargestellt, befestigt.

Die kontinuierliche Kraft "Z1" am Zugseil kann entweder durch Greifzüge, Hydraulikpressen oder das Gestänge des Pilotbohraggregats bewirkt werden. Die Luftzufuhr zur Erdrakete erfolgt von vorne. Die vorwärtstreibende Erdrakete bewirkt eine Schlagkraft "R1" in Richtung der Zugkraft "Z1".

In der Rohrverlegegrube können zwei Kräfte auf die Vortriebsrohre gebracht werden. Eine kontinuierliche Druckkraft "Z2" über eine Seilwinde o. ä. und eine Schlagkraft "R2" über eine Rohrvortriebsmaschine im Falle von Stahlrohren. Durch diese Kräfte wird der Vortriebskonus im Erdreich vorangetrieben (Fig. 3). Der größere Durchmesser "D3" des Vortriebskonus als des nachfolgenden Produkten- bzw. Schutzrohres "D2" bewirkt, das die Isolierung oder Mantel dieses gegen Beschädigungen geschützt wird. Die Öffnungen im Vortriebskonus erlauben, daß der überwiegende Teil des Erdreiches der Tunnelröhre in das Innere des Vortriebsrohres entnommen wird. Bedingt durch den Flächenanteil der Zwischenstege des Vortriebskonus wird ein Teil des Erdreiches verdrängt. Bedingt durch den geringen Anteil des verdrängten Erdreiches der Tunnelröhre können Versorgungsleitungen mit Normalwandstärke größeren Durchmessers mit geringen Überdeckungshöhen auf relativ langen Strecken vorgetrieben werden. Die Entleerung des Erdreiches aus dem Rohr erfolgt mit Druckluft oder durch das Spülverfahren. Bei gut verdrängbaren Böden mit geringeren Reibungskräften wird die Pilotbohrung über die gesamte Länge aus der Start- zur Zielgrube ausgeführt (Fig. 1). Der Vortriebskonus ist ein teils offenes Rohr mit der Wirkung der Bodenentnahme, teils ein geschlossenes Rohr mit der Wirkung der Bodenverdrängung. Bei schweren Böden mit hohen Reibungskräften bzw. größeren Steinen als Hindernissen wird in der Rohrtrasse ein Kabelgraben bis etwa 10 cm unter Rohrunterkante ausgehoben, Breite b=15-20 cm.

Im Bereich von querenden Hindernissen, Hausanschlüssen, Kabel usw. wird der Kabelgraben unterbrochen und nur in Rohrachse eine kurze Pilotbohrung erstellt. Danach wird aus der Zielgrube bis in die Startgrube das Zugseil verlegt (Fig. 2). Danach wird der Kabelgraben bis ca. 10 cm über Rohrscheitelhöhe des zu verlegenden Rohres mit Sand aufgefüllt, um das Einfallen des Kabelgrabens zu verhindern. Anschließend wird die Erdrakete, Vortriebskonus mit dem Produktenrohr bzw. Schutzrohr wie beschrieben aus einer Grube in die andere durchgezogen bzw. gedrückt. Im Anschluß erfolgt die Verfüllung, Verdichtung und Oberflächenwiederherstellung.

Zusammenfassend wird das ARO-Leitungstunnelverfahren wie folgt beschrieben:

Die Innovation betrifft ein Rohrvortriebsverfahren in geschlossener unterirdischer Bauweise, das die preiswerten Vorteile nichtgesteuerter Bodenverdrängungsverfahren nutzt, deren Nachteile durch das nicht gesteuerte Bodenentnahmeverfahren aufhebt und bei gleichzeitiger Wirkung dieser beiden ungesteuerten Bodenverdrängungs- und Entnahmeverfahren aufgrund einer Führung an einem Zugseil diese in gesteuerte Vortriebsverfahren umwandelt. Dadurch wird es möglich, Rohre größeren Durchmessers bei geringen Überdeckungshöhen auf lange Strecken in geschlossener unterirdischer Bauweise zu verlegen. Durch die gesteuerte Pilotbohrung oder aber ganz oder teilweise erstelltem Kabelgraben kann der Rohrvortrieb in Phase 2 mit den zulässigen elastischen Radien der Stahlrohre ausgeführt werden, so daß nicht nur gerade Strecken verlegt werden können.

Der Vortrieb erfolgt in zwei Phasen. Je nach Beschaffenheit des Bodens und der Oberfläche unterscheiden wir drei Varianten mit je zwei Phasen.

Variante 1 - bei gut verdrängbaren Böden Phase 1

Erstellung einer gesteuerten Pilotbohrung in Rohrachse aus dem Start zur Zielgrube. Einzug eines Zugseiles oder Verwendung des Bohrgestänges als Zugkraft oder Greifzüge (Fig. 1).

Phase 2 - für alle 3 Varianten gleich

Befestigung des Zugseiles an einer Erdrakete oder Vortriebsmaschine, die in Zugrichtung wirkt und mit dem Vortriebskonus teleskopisch verbunden ist, damit alle wirksamen Kräfte auf den Vortriebskonus ohne gegenseitige Störung wirksam werden können. Der Vortriebskonus arbeitet durch seine Öffnungen nach dem Verdrängungs- und Entnahmeprinzip. Der Vortriebskonus ist in Fig. 3 dargestellt. Durch den größeren Durchmesser des Vortriebskonus als das nachfolgende Produkten- oder Schutzrohr wird der Mantel bzw. Isolierung geschützt. Durch die kontinuierlichen Kräfte aus der Zielgrube "Z1" und der Startgrube "Z2" sowie der Schlagzugkraft "R1" der Erdrakete bzw. Vortriebsmaschine und der Schlagdruckkraft "R2" einer Vortriebsmaschine in der Startgrube wird der Vortriebskonus, an dem das Produktenrohr bzw. Schutzrohr befestigt ist, durch das Erdreich in der Richtung des Zugseiles vorangetrieben. Das Erdreich aus dem Rohr wird mit Hilfe von Druckluft oder Spülverfahren entfernt.

Variante 2 - bei schwer verdrängbaren bzw. schnittfähigen Böden Phase 1

Entlang der Rohrtrasse wird ein schmaler Kabelgraben ausgehoben. Sohlentiefe 10 cm unter Rohrunterkante. Danach wird das Zugseil zwischen der Start- und der Zielgrube verlegt, um im Anschluß daran den Graben mit Sand bis ca. 10 cm über Rohrscheitel aufzufüllen, darüber hinaus mit geeignetem verdichtungsfähigen Material. Der Außendurchmesser des Rohres kann in Abhängigkeit des Bodens:

- bei sehr schweren Böden sollte Dab sein
- bei mittelschweren Böden kann Da<b sein (Fig. 2).

Phase 2 - wie bei Variante 1

Variante 3 - ist eine Mischung von Variante 1 und 2 - wobei im Bereich von querenden Fremdleitungen Variante 1 angewendet wird und in anderen Bereichen mit z. B. großen Steinen, Bauschutt usw. Variante 2 (Fig. 2). Werden die Länge "A" gleich Null=Variante 1; Längen "B" gleich Null=Variante 2.

Durch die Anwendung des "ARO-Leitungstunnelverfahrens" ergeben sich folgende Vorteile:

- In allen 3 Varianten werden die preiswerten ungesteuerten unterirdischen Bodenentnahme- und Verdrängungsverfahren in ein gesteuertes Verfahren umfunktioniert und gleichzeitig angewendet.
- Die Anwendung des "ARO-Leitungstunnelverfahrens" bietet wesentliche preisliche Vorteile gegenüber der offenen Bauweise.
- Durch die Kombination des Verdrängungs- und Entnahmeverfahrens können größere Rohrdurchmesser mit geringer Überdeckung auf langen Strecken verlegt werden.
- Durch die drei aufgezeigten Varianten ist die Anwendung in allen Bodenarten möglich.
- Der unterirdische Vortrieb ist nicht nur auf geraden Strecken möglich, sondern kann mit den zulässigen elastischen Radien erfolgen.
- Entspricht höheren Anforderungen des Umweltschutzes.
- Die Qualität des Bauwerkes Versorgungsleitung wird gesichert und gesteigert.
- Beinhaltet alle übrigen Vorteile der geschlossenen Bauweise.

Figurenliste

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Bodenabschnitt, in dem ein Produktrohr verlegt werden soll,

Fig. 2 einen Vertikalschnitt durch den Gegenstand nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt A-A durch den Gegenstand nach Fig. 2,

Fig. 4 eine andere Ausführung nach Fig. 1,

Fig. 5 einen Vertikalschnitt durch den Gegenstand nach Fig. 4,

Fig. 6 einen Schnitt A-A durch den Gegenstand nach Fig. 5,

Fig. 7 eine andere Ausführung des Gegenstandes nach Fig. 6,

Fig. 8 einen Längsschnitt durch einen Vortriebskonus,

Fig. 9 einen Schnitt A-A durch den Gegenstand nach Fig. 8,

Fig. 10 eine andere Ausführung des Gegenstandes nach Fig. 8,

Fig. 11 einen Schnitt A-A durch den Gegenstand nach Fig. 10.

Bezugszeichenliste

1. Startgrube
2. Zielgrube
3. Pilotbohrung
4. Produktrohr
5. Kabelgraben
6. Vortriebskonus
7. Öffnungen
8. Teleskopverbindung
9. Erdrakete

d₁ Durchmesser der Pilotbohrung
d₂ Durchmesser der Erdrakete
D₁ Durchmesser des Produktrohres
D₂, D₃ Durchmesser des Vortriebskonus
Z₁ Zugkraft, kontinuierlich
Z₂ Druckkraft, kontinuierlich
R₁ Zugkraft, schlagend
R₂ Druckkraft, schlagend
α Konuswinkel
L, L₁, L₂ Länge des Vortriebskonus
L₃ Länge des Produktrohres

Claims

1. "ARO-Leitungstunnelbau-Rohrvortriebsverfahren" zur rohrgrabenlosen Rohrverlegung im Stadtgebiet, zur unterirdischen Herstellung von Ver- und Entsorgungsleitungen nicht begehbarer Nennweiten.

2. Verfahren nach 1, gekennzeichnet dadurch, daß ein Vortriebskonus mit Öffnungen mit gleichzeitiger Wirkung nach dem Bodenentnahme- und Verdrängungsverfahren in der Rohrachse der zu verlegenden Rohrleitung unterirdisch durch das Erdreich an einem Zugseil und einer Erdrakete gezogen wird (Fig. 3 und Fig. 1). Der Vortriebskonus ist ein teils offenes Rohr, mit der Wirkung der Bodenentnahme, teils ein geschlossenes Rohr mit der Wirkung der Bodenverdrängung.

3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß an der Spitze des Vortriebskonus mit Öffnungen eine an einem Zugseil geführte Erdrakete bzw. Vortriebsmaschine über eine teleskopische Verbindung direkt zieht.

4. Verfahren nach Anspruch 2 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß der Vortriebskonus einen größeren Durchmesser hat als das nachgezogene Rohr (Fig. 3).

5. Verfahren nach Anspruch 2 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß über die einzuziehende Rohrleitung noch weitere Druckkräfte aus der Startgrube einwirken können, die den Vortriebskonus und das einzuziehende Rohr unterirdisch vorantreiben.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß Erdrakete, Vortriebskonus mit Öffnungen mit der Funktion eines teils offenen, teils geschlossenen Vortriebsrohres gefolgt vom Produkten- bzw. Schutzrohr im Schutze eines schmalen unverbauten Kabelgrabens bDa entlang der Rohrachse unterirdisch vorangetrieben wird (Fig. 2).