DE4028265A1 - Verfahren und vorrichtung zur kontinuierlichen erstellung von tunnel in alluvialen untergruenden nach dem verdraengungsprinzip - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft in erster Linie ein Verfahren, nach dem in mächtigen alluvialen Untergründen von einem konti­ nuierlich voranschreitenden Verdrängungsbohrgerät unter hohem Druck der Tunnelabraum ins seitliche Umfeld verdrängt und so verdichtet wird, daß eine tragende Tunnelwandung entsteht.

In zweiter Linie lehrt die Erfindung Vorrichtungen zur Ausübung des Verfahrens.

Die Erfindung zielt darauf ab, in mit dicken Ablagerungsschichten bedeckten Tief- und Hochebenen sowie Schelfgebieten mit hohem Bohrfortschritt und zu minimalen Kosten Transport- und Ver­ sorgungstunnel zu bauen, mit denen vier Fünftel der gesamten Erdbevölkerung zu erfassen sind und insbesondere die klima­ bedrohenden Verkehrsströme dieser Regionen über unterirdische Hochgeschwindigkeitsbahnen mit minimalem Energieaufwand zu bewältigen sind.

Bekannt sind Schmelzbohrverfahren, die das Tunnelprofil ganz oder teilweise ausschmelzen und ins angrenzende Gestein unter Nutzung des auftretenden Thermostresses und Litho-Fracs ver­ pressen und in jedem Untergrund einsetzbar sind.

Weiter sind Verdrängungsbohrverfahren mit kleinem Bohrlochdurch­ messer zur Kabel- oder Rohrverlegung bekannt, die mit Druckluft oder Explosivstoffen arbeiten.

Gegenüber den Schmelzbohrverfahren, die mit vergleichbar großem Bohrlochdurchmesser wie das erfindungsgemäße Verfahren arbeiten, hat das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, daß der gesamte Tunnelraum nicht aufgeschmolzen, sondern nur verdrängt zu werden braucht und die für den Aufschmelzprozeß notwendige Hoch­ temperaturtechnologie sowie Brenngashochdrucktechnik entfällt und lediglich die zur Verdrängung des Tunnelprofils notwendigen hydraulischen Kräfte vor Ort zur Verfügung zu stellen sind. Die Verdrängungsverfahren zur Rohr- oder Kabelverlegung unter Preßluft- oder Geschoßeinsatz sind für Bohrlochgrößen, wie im Tunnelbau erforderlich, nicht einsetzbar.

Die kontinuierliche Erstellung von Tunnel nach dem hydraulischen Verdrängungsverfahren wird dadurch gelöst, daß ein mit einer druckfesten Spitze versehenes Bohrgerät in Form des gewünschten Tunnelprofils unter hydraulischem Druck von über 1000 bar pro cm², z. B. in 100 m Tiefe, wie ein großer, langer kopfloser Nagel durch den alluvialen Untergrund getrieben wird. Die Oberfläche der Bohrgerätspitze (Verdrängungssbohrkopf) 1 und des Bohrgerät­ körpers 2 besteht aus extrem harten und glatten Material, wodurch die Reibung stark herabgesetzt wird und das Rauhwerden der Ober­ fläche verhindert wird. Das Längen-Durchmesserverhältnis des Verdrängungsbohrkopfs 1 wird so gestaltet, daß ein optimaler Wert von maximalem Bohrkopfspitzendruck und minimaler Mantel­ reibung erzielt wird. Die Form des Verdrängungsbohrkopfs 1 wird entsprechend des vorgegebenen Tunnelquerschnitts so gestaltet, daß sie beim Vortrieb richtungsstabilisierend wirkt. Der hohle Bohrgerätkörper 2 besitzt die Form des Tunnels. Mindestens ein Arbeitszylinder 3 mit einer maximalen Länge von vier Fünftel des Bohrgerätkörpers 2 arbeitet in seinem Innern und setzt mit einer optimalen Druckfläche von innen her am Boden des Verdrängungsbohrkopfs 1 an, wo er fest verankert ist. Das Druckzylindergehäuse 4, das dem Arbeitszylinder 3 Führung und hydraulische Druckbeaufschlagung sowohl zum Schieben als auch zum Ziehen gibt, ragt selbst in ausgefahrenem Zustand des Arbeitszylinders 3 noch etwa zu einem Fünftel seiner Länge in den unteren Teil des hohlen Bohrgerätkörpers 2 hinein, der dem Druckzylindergehäuse 4 über im Inneren des Bohrgerät­ körpers 2 vorhandene Geitschienen Führung gibt.

Die Verspannungs- und Steuerhydraulik 6 ist starr Mit dem Druck­ gehäuse der Arbeitszylinder verbunden. Die Zylinder der Ver­ spannungs- und Steuerhydraulik 6 verspannen das Verdrängungsbohr­ gerät im Tunnelschacht, so daß der Arbeitszylinder seine volle Druckkraft entwickeln kann und den Verdrängungsbohrkopf 1 samt Bohrgerätkörper 2 durch die alluvialen Massen drückt und sie verdrängt und als Tunnelwandung verfestigt. Bei Ablenkung des Verdrängungsbohrkopfs 1 aus der vorgegebenen Bahn durch Hinder­ nisse oder unterschiedliche Schichtungen treten die Hydraulik­ zylinder der verspannungs- und Steuerhydraulik zur Richtungs­ korrektur in Funktion.

Nachdem der Arbeitszylinder über seine volle Länge ausgefahren ist und den Tunnel über diese Länge erweitert hat, werden die Druckzylinder der Verspannungshydraulik eingefahren. Durch Einfahren des Arbeitszylinders wird die Verspannungs- und Steuerhydraulik 6 samt angekoppelter Druckerzeuger 7 nachgeführt bzw. die in Reihe geschalteten, nachgeführten, selbstfahrenden Druckerzeuger rücken im gleichen Takt nach.

Bei einem beispielsweise zylindrischen Bohrgerät von 10 m Durch­ messer und einem Andruck von etwa 1300 bar pro cm² wirkt die Bohrgerätspitze mit einem Duchmesser von 10 cm mit einem Druck von 100 000 bar auf den zu durchörternden, anstehenden alluvialen Untergrund. In 100 m Tiefe beträgt der Überlagerungsdruck der abgelagerten Sedimentmasse jedoch nur etwa 20 bar, so daß die zum Einsatz kommenden hydraulischen Druckkräfte um das 5000fache höher sind als die an der Bohrkopfspitze entgegenstehenden Kräfte Auch im Übergangsbereich vom Verdrängungsbohrkopf 1 zum maßhal­ tigen Bohrgerätkörper 2, sind die über den Arbeitszylinder 3 auf den Verdrängungsbohrkopf 1 übertragenen Druckkräfte noch um den Faktor 100 höher als die Überlagerungskräfte.

Durch den kegelförmigen Bohrkopf setzen die Druckkräfte des erfindsgemäßen verdrängungsbohrgeräts bei den relativ schwachen Scherkräften des alluvialen Gemenges an. Unter dem hohen Druck des Bohrgeräts werden die Porenluft und das Porenwasser ausge­ trieben und die freiwerdenden Hohlräume des Gemenges aus Sand, Geröll, Lehm und Ton zu einem kompakten, gesteinsartigen Konglomerat verfestigt, aus dem die Bohrlochwandung aufgebaut und wodurch verhindert wird, daß die an der Bohrgerätspitze wirkenden Druckkräfte sich negativ durch Tunnelwand- oder Wasser­ einbruch im Tunnelbereich hinter dem Bohrgerät bemerkbar machen. Die Stabilisierung der druckverpreßten Bohrlochwandung kann noch dadurch erhöht werden, daß aushärtendes Gleitmittel, wie z. B. Wasserglas, aus dem Bereich des Verdrängungsbohrkopfs 1 in die zu verdrängende Tunnelmasse eingepreßt wird.

Ziel des erfindungsgemäßen Verdrängungsbohrgeräts ist es, groß­ kalibrige Tunnel in alluvialen Untergründen unter hohen hydrau­ lischen Drücken aufzufahren, wobei gleichzeitig eine feste Tunnelwandung erstellt wird, ohne Abraum fördern zu müssen und ohne daß an der Oberfläche Aufwölbungen oder Gebäudeschäden entstehen. Ideale Vorausetzungen dafür sind um 100 m starke alluviale Ablagerungsschichten, wie sie gerade in den bevölkerungsstarken Gebieten der USA, SU, Chinas, Indiens, Ausstraliens, Europas und Südamerikas auftreten.

Außerdem sind die Kontinente, mit Außnahme weniger Steilküsten­ abschnitte, rundum mit ausgedehnten Schelfgebieten umgeben.

Durch diese weite Verbreitung alluvialer Ablagerungsschichten auf den Kontinenten ergibt sich ein weites Anwendungsfeld für das erfindungsgemäße Verdrängungsbohrverfahren und für die kostengünstige Erstellung eines neuartigen Hochgeschwindigkeit- Tunneltransportsystems mit Überschallgeschwindigkeit, mit dem z. B. eine Strecke vom Mittelmeer aus Marseille über Bordeaux, Paris, Brüssel, Amsterdam, Berlin, Warschau, Moskau bis zur Krim, am Schwarzen Meer, in 2 Stunden zu bewältigen wäre.

Das erfindungsgemäße hydraulisch betriebene Verdrängungsbohrgerät zum kontinuierlichen Bohrvortrieb wird anhand der beiliegenden Zeichnung dargestellt. Seine wichtigsten Funktionsteile sind durch Nummern gekennzeichnet.

Besonders vorteilhafte Ausführungen des Verfahrens sowie besonders vorteilhafte Verfahrensvarianten und Vorrichtungen zur Ausübung des Verfahrens gehen aus den anhängigen Patent­ ansprüchen hervor bzw. wurden in der vorangehenden Beschreibung erläutert.

Zeichnung

Die beiliegende Skizze des Verdrängungsbohrgeräts zeigt eine beispielhafte Ausführung der Erfindung in einfacher, zylindrischer Form.

Claims (9)

1. Verfahren zur kontinuierlichen Erstellung von Tunnel­ röhren in alluvialen Untergründen, dadurch gekennzeichnet, daß ein der gewünschten Tunnelform entsprechender Bohrkörper (1, 2) lediglich über seine Geometrie, seine reibungsarme, kratzfeste Oberfläche und über seine von innen auf die Bodenfläche des Verdrängungsbohrkopfes (1) wirkende enorme hydraulische Kraft die im Tunnelquerschnitt entgegenstehenden alluvialen Massen verdrängt und zu einer festen, selbsttragenden Tunnelwandung verdichtet, ohne daß Bohrgut zu fördern ist.

2. Verfahren zur kontinuierlichen Erstellung von Tunnelröhren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der verdrängungsbohrkopf (1) entsprechend der Bohrkörperform so ausgebildet ist, daß bei Einhaltung der gewünschten Tunnel­ linienführung die Porenluft und das Porenwasser aus dem anstehenden Tunnelquerschnittsmaterial und dem des Umfeldes optimal ausgetrieben werden und ein schnelles Abgleiten der zu verdrängenden Massen ins Umfeld des zu erstellenden Tunnel­ raums zu einer dichten Tunnelverschalung ermöglicht wird.

3. Verfahren zur kontinuierlichen Erstellung von Tunnel­ röhren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Gleitmittel konzentrisch aus dem Bereich des Verdrängungsbohr­ kopfes (1) unter Hochdruck in die zu verdrängende Tunnelraummasse gepreßt werden und sich bis zum Passieren des maßhaltigen Bohrgerätkörpers so verfestigen, daß ein Durchbruch der vorne am Bohrkopf wirkenden Druckkräfte zum Tunnelraum hinter dem Bohrgerätkörper (2) unterbunden wird.

4. Verfahren zur kontinuierlichen Erstellung von Tunnelröhren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Zusammenspiel der hydraulisch betriebenen und gesteuerten Hauptelemente der Verdrängungsbohranlage - wie Verdrängungs­ bohrkopf (1) mit Bohrgerätshohlkörper (2), Vortriebs- und Einholzylinder (Arbeitszylinder) (3), Arbeitszylinder- Druckgehäuse (4), Verspannungs- und Steuerhydraulik (6) sowie die in Reihe geschalteten, nachgeführten Druckerzeuger (7) - der kontinuierlich fortschreitende Verdrängungsprozeß folgende Prozeßschritte von hinten nach vorn durchlaufen werden:

a. Erzeugung von ausreichender Druckleistung der in Reihe geschalteten Druckerzeugereinheiten (7) über Elektromotoren und über im Tunnel nachgeführte Starkstromkabel, wobei die Einzeldruckerzeuger kontinuierlich in einen Hydraulik- Hochdruckspeicher arbeiten, der die Arbeitseinheiten (7) selbst, die Verspannungs- und Steuer-hydraulik (6) sowie die Vortriebs­ und Einholzylinder (3) versorgt.

b. Schubleistung der auf Schienen oder Ketten selbst­ fahrenden, in Reihe geschalteten Druckerzeugereinheiten (7), die nach Vortriebshub des Arbeitszylinders (3) und dem Einfahren der Verspannungszylinder der Verspannungs- und Steuerhydraulik­ anlage (6) den Arbeitszylinder (3) bei seiner Einholarbeit, das Arbeitszylinder-Druckgehäuse (4) und die starr mit ihm gekoppelten Verspannungs- und Hydraulikanlage (6) nachzuziehen, unterstützen, wobei das Arbeitszylinder-Druckgehäuse in den Bohrgeräthohlkörper bis zum Ansatzpunkt des Vortriebs- und Einholzylinders (3) an der Verdrängungsbohrkopf-Grundfläche herangezogen bzw. geschoben wird.

c. Verspannen der Verdrängungsbohranlage durch Aus­ fahren der Verspann- und Steuer-Hydraulikzylinder der Verspannungs- und Steuerhydraulik (6) in dem aufgefahrenen Tunnelschacht, wobei diese als Widerlager für den Verdrängungs­ bohrkopf (1) dienen, damit dieser samt des zugehörigen Bohrgerät­ hohlkörpers (2) seinen Verdrängungsschub nach vorn ausführen kann, womit der komplette Arbeitsrythmus von Verspannen im Mittelteil, Verdrängen im Vorderteil, Einfahren der Verspannungs­ zylinder im Mittelteil sowie Einfahren des Arbeitszylinders im Vorderteil bei gleichzeitigem Nachziehen des mittleren und hinteren Teils der Verdrängungsanlage bzw. durch Nachschieben der selbstfahrenden, gekoppelten Druckerzeugereinheiten (7) am hinteren Ende der Verdrängungsbohranlage bis zum Einfahren des Arbeitszylinders (3) in Arbeitsposition zum erneuten Verdrängungsschub vollzogen ist.

5. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrgeräthohl­ körper (2) den Arbeitszylinder (3) vor Verschmutzung schützt und dem Arbeitszylinder-Druckgehäuse (4) als Führung dient, wobei die Führung über im Bohrgeräthohlkörper (2) vorhandene Führungsschienen (5) läuft, oder dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitszylinder-Druckgehäuse (4) selbst unter Einsparung des Arbeitzylinders (3) zum Einweg-Druckzylinder wird und unter Nutzung des Bohrgeräthohlkörpers, als hydraulische Hochdruck­ kammer, die Rückführung des Zylinders in Arbeitsposition und das drucklose Vorrücken der mittleren und hinteren Teile der Verdrängungsbohranlage voll von den selbstfahrenden Druck­ erzeugereinheiten (7) am Ende der Verdrängungsbohranlage übernommen wird.

6. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß neben der einfachsten zylindrischen Form des Verdrängungskörpers (1, 2) auch beliebige andere Konfigurationen gewählt werden können, womit der Tunnel­ raum frei vorgestaltet werden kann und die optimale Ausnutzung des Tunnelraums ermöglicht wird.