DE4206831A1 - Verfahren fuer einen mechanischen schildvortrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für einen mechanischen Schildvortrieb.

Ein herkömmliches mechanisches Schildvortriebsverfahren ver­ wendet im allgemeinen eine mit Erddruckausgleich arbeitende Vortriebsschildmaschine, bei der das offene Ende eines Schnec­ kenförderers in eine zwischen einem Schrämkopf und einer Trennwand begrenzten Erddruckkammer eingesetzt ist, wobei vom Schrämkopf abgebauter Abraum in die Erddruckkammer gebracht und dann hieraus durch den Schneckenförderer entleert wird.

Beim Abbauen einer wasserführenden sandigen oder kiesigen Schicht kann jedoch beim obigen Verfahren das Bodenwasser im Schneckenförderer in einer Reihe von Arbeitsstufen nicht wirk­ sam abgedichtet oder abgehalten werden, die vom Abbauen am Schrämkopf bis zum Entleeren des Abraums reichen, wobei der Überlauf oder Ausfluß des Wassers manchmal den Zusammenbruch der Abbaufront herbeiführen kann. Ein Versuch, das Bodenwasser durch ein Ventil zu drücken, das an der Abraumauslaßöffnung des Schneckenförderers befestigt ist, um einen solchen Unfall zu verhindern, birgt ferner die Gefahr einer Aufwölberschei­ nung von Abraum in der Erddruckkammer, was das Entleeren des Abraums aus der Erddruckkammer unmöglich macht oder das Dreh­ moment des Schrämkopfs auf ein unzureichendes Niveau herab­ setzt.

Beim Abbauen von tonhaltigem Erdreich unter Verwendung des bekannten Verfahrens haftet oder klebt die tonhaltige Erde oft am Schrämkopf oder an den Innenwandflächen der Erddruckkammer. Folglich nimmt der Reibungswiderstand zwischen dem Vortriebs­ schild und dem umgebenden Erdreich zu und behindert ein ruck­ freies Abbauen.

Im Hinblick auf eine Lösung der obigen Probleme des Standes der Technik wurde bisher für das Abbauen einer sandigen oder kiesigen Schicht ein Verfahren angewendet, bei dem Bentonit oder andere Aufschlämmungen in die Erddruckkammer eingespritzt werden, um hierdurch die Fließfähigkeit von sandigem oder kie­ sigem Abraum zu erhöhen und gleichzeitig dessen Durchlässig­ keit herabzusetzen. Dieses Verfahren umfaßt jedoch das Ein­ spritzen einer großen Menge einer Aufschlämmung, erfordert daher primäre und sekundäre Behandlungen und weist daher ein Problem hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit auf. Hinsichtlich des Abbauens von tonhaltigem Erdreich wurden bisher keine wirksamen Maßnahmen vorgeschlagen.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines mechani­ schen Schildvortriebsverfahrens, das eine Verringerung der Reibung zwischen dem Schrämkopf und der Abbaufront herbei­ führt, die Fließfähigkeit des Abraums verbessert und dessen Durchlässigkeit herabsetzt, um die Aufwölberscheinung des Ab­ raums in der Erddruckkammer zu verhindern, und das die Notwen­ digkeit einer Nachbehandlung des entleerten Abraums aus­ schließt, wodurch eine hervorragende Verarbeitbarkeit herbei­ geführt wird.

Das mechanische Schildvortriebsverfahren nach der Erfindung umfaßt folgende Schritte: Beliefern wenigstens einer Abbau­ front und einer Erddruckkammer mit Schaum, der durch Schäumen einer ein Schäummittel enthaltenden Lösung erzeugt wird, Ver­ rühren und Mischen von Abraum und des Schaums in der Erddruck­ kammer zur Erzeugung von Abraum, der Luftblasen enthält und folglich eine erhöhte Fließfähigkeit und verringerte Durchläs­ sigkeit aufweist, Ausführen des Abbaus an der Abbaufront, wäh­ rend dem Erddruck und dem Grundwasserdruck an der Abbaufront mit dem die Luftblasen enthaltenden Abraum Widerstand gelei­ stet wird, und Entleeren des Abraums aus der Erddruckkammer.

Da in die Abbaufront vor dem Schrämkopf und/oder in die Erd­ druckkammer der mit Erddruckausgleich arbeitenden Schildvor­ triebsmaschine Schaum eingespritzt wird, nimmt bei dem ein Schäummittel verwendenden mechanischen Schildvortriebsverfah­ ren nach der Erfindung der Reibungswiderstand zwischen dem Schrämkopf und der Abbaufront ab und ergibt eine Verringerung des Drehmoments des Schrämkopfs. Auch kann die erwähnte Auf­ wölberscheinung in der Erddruckkammer verhindert werden wegen der Verwendung von Abraum, der mit dem eingespritzen Schaum vermischt ist und demnach eine erhöhte Fließfähigkeit und herabgesetzte Durchlässigkeit aufweist, wodurch den Erd- und Grundwasserdrücken in der Kammer Widerstand geleistet wird. Darüber hinaus füllt der Abraum, der mit dem Schaum gemischt ist oder Luftblasen enthält, die Erddruckkammer und wird aus dieser und in den Schneckenförderer ruckfrei gebracht, während er die herabgesetzte Durchlässigkeit beibehält. Folglich wird die Wirtschaftlichkeit des Abbauens sehr hoch. Außerdem ver­ schwindet der Schaum im aus dem Schneckenförderer entleerten Abraum mit der Zeit allmählich und gestattet es dem Abraum, in seinen ursprünglichen Zustand zurückzukehren. Folglich er­ fordert der Abraum nach dem Entleeren keinerlei primäre oder sekundäre Behandlungen, anders als bisher bei dem Bentonit­ schlamm in große Mengen enthaltenden Abraum.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt einer mit Erddruckausgleich arbeitenden Schildvortriebsmaschine nach der Erfindung; und

Fig. 2 eine Vorderansicht der Schildvortriebsmaschine von Fig. 1.

Fig. 1 ist ein Schnitt einer hohlzylindrischen mit Erddruck­ ausgleich arbeitenden Schildvortriebsmaschine, die beim Ver­ fahren nach der Erfindung verwendet wird, während Fig. 2 deren Vorderansicht ist. Die mit Erddruckausgleich arbeitende Schildvortriebsmaschine 1 hat an ihrem vorderen Ende einen dem Abbau dienenden Schrämkopf 2. Der Schrämkopf 2 wird an seiner Rückseite von mehreren Trägern 3 gehalten und über ein Getrie­ be 4 von einem Antriebsmotor 5 angetrieben. Hinter dem Schräm­ kopf 2 befindet sich eine Trenn- oder Stützwand 6. Zwischen der Stützwand 6 und dem Schrämkopf 2 ist eine Erddruckkammer 7 gebildet. Ein Schneckenförderer 8 wird von einem nicht gezeig­ ten Antriebsmotor angetrieben. Der vordere Endteil des Schneckenförderers tritt durch die Stützwand 7 hindurch und mündet in der Erddruckkammer 7. Die Träger 3 haben die Funk­ tion von Umrührschaufeln. Gemäß Fig. 2 ist das Vorderteil des Schrämkopfs 2 durch drei Speichen 9 gebildet, von denen jede eine Vielzahl von daran befestigten Meißeln 19 trägt. Zwischen den Speichen 9 sind Spaltöffnungen 10 gebildet, durch die der Abraum in die Erddruckkammer 7 gebracht wird.

Ein Tank 11 speichert eine ein Schäummittel enthaltende Lö­ sung, die über eine vor dem Tank 11 angeordnete Einspritzpumpe 12 in einer gegebenen Menge zu einem Schaumerzeuger 13 gelie­ fert wird. Im Schaumerzeuger 13 sind eine Vielzahl von nicht gezeigten Diffusoren eingebaut, wodurch die auf diese Weise unter Druck zugeführte Lösung mit dem Schäummittel durch von einem Kompressor 14 gelieferte Luft verschäumt wird, um Schaum zu erzeugen. Der auf diese Weise erzeugte Schaum wird durch Schaumeinspritzrohre 15 und 16 in die Erddruckkammer 7 bzw. in die Abbaufront eingespritzt. Die an der Vorderseite des Schrämkopfs 2 mündenden Einspritzrohre 16 verzweigen sich in Schaumzufuhrrohre 16a mit kleinem Durchmesser, die an der Umfangsfläche des Schrämkopfs 2 münden, vergleiche Fig. 1 und 2.

Vorgesehen sind auch ein Antriebszylinder 17, ein Segment 18, ein Universalgelenk 20 und ein Ventil 21.

Es folgt nun die Beschreibung einer praktischen Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung. Als erstes übt die mit Erd­ druckausgleich arbeitende Vortriebsschildmaschine 1 auf das an ihrer Rückseite angebaute Segment 18 eine Reaktion aus und wird von dem an einem Ende der Vortriebsmaschine 1 befestigten Antriebszylinder 17 zur Abbaufront hin angetrieben. Gleichzei­ tig wird das Schäummittel, das mit Wasser auf eine gewünschte Konzentration verdünnt und im Tank 11 gespeichert ist, durch die Einspritzpumpe 12 unter Druck zum Schaumerzeuger 13 ge­ fördert. Die das Schäummittel enthaltende Lösung wird im Schaumerzeuger 13 durch dessen Diffusoren mit vom Kompressor 14 zugeführter Luft verrührt, wodurch die Schäumlösung ähnlich Rasierschaum in einen feinblasigen Schaum umgewandelt wird, der dann unter Druck in die Schaumeinspritzrohre 15 und 16 ge­ fördert wird. Der auf diese Weise geförderte Schaum wird durch das offene Ende des Schaumeinspritzrohrs 15 in die Erddruck­ kammer 7 eingespritzt und gleichzeitig durch die offenen Enden der Schaumeinspritzrohre 16 bzw. 16a zur Abbaufront und zur Umfangsfläche 2a des Schrämkopfs 2 geliefert. Als Ergebnis wird der Reibungswiderstand zwischen der Vorderseite des Schrämkopfs 2 und der Abbaufront sowie zwischen dem Mantel­ blech der Vortriebsmaschine 1 und dem umgebenden Erdreich ver­ ringert. Wenn das umgebende Erdreich tonhaltiger Boden ist, wird der Abraum durch den eingespritzten Schaum daran gehin­ dert, am Schrämkopf 2 oder am Mantelblech zu kleben, weshalb die Verringerung des Reibungswiderstandes noch ausgeprägter ist.

Andererseits fließt der vom Schrämkopf 2 abgebaute Abraum durch die Spaltöffnungen 10 zusammen mit dem eingespritzen Schaum in die Erddruckkammer 7. In der Erddruckkammer 7 werden der Abraum und der Schaum verrührt und durch die zusammen mit dem Schrämkopf 2 rotierenden Träger 3 gemischt, wodurch mit dem Schaum vermischter Abraum erzeugt wird, der folglich eine erhöhte Fließfähigkeit und verringerte Durchlässigkeit hat. Der die Erddruckkammer 7 füllende schaumhaltige Abraum bewegt sich darin und widersteht gleichzeitig dem Erddruck und dem Grundwasserdruck an der Abbaufront und wird in das offene Ende des Schneckenförderers 8 gebracht, wonach er aus der Erddruck­ kammer 7 herausgefördert wird. Der aus dem Schneckenförderer 8 entleerte Abraum wird durch einen Bandförderer, einen Förder­ wagen, eine Druckförderpumpe, eine Rohrleitung oder eine nicht gezeigte ähnliche Transporteinrichtung zur Erdoberfläche ge­ bracht. Der Schaum im auf diese Weise zur Erdoberfläche ge­ brachten Abraum verschwindet mit der Zeit allmählich, wobei der Abraum in seinen ursprünglichen Zustand vor dem Vermischen mit dem Schaum zurückkehrt.

Schäummittel der Proteinreihe und oberflächenaktive Mittel eignen sich bei der Erfindung als Schäummittel. Ein Beispiel der Schäummittel der Proteinreihe ist das harmlose tierische hydrolytische Protein, das eine hervorragende Schäumeigen­ schaft hat und einen stabilen Schaum liefert. Ein Beispiel der oberflächenaktiven Mittel ist höheres Alkylethersulfat, das ein anionisches oberflächenaktives Mittel ist, und Lauryl­ ethernatriumsulfat, das eine besonders gute Schäumwirkung hat. Als Schäummittel kann auch eine wäßrige Lösung von wasserlös­ lichem Celluloseether oder eine wasserlösliche hochmolekulare Substanz verwendet werden. Zur Verwendung als Schäummittel eignet sich zum Beispiel eine gemischte Lösung von Methylcel­ lulose und einem stark wasserabsorbierenden Harz als wasser­ lösliche hochmolekulare Substanz.

Beim Abbauen eines wasserhaltigen Erdreichs, bei dem die im Schaum enthaltenen Luftblasen leicht aufbrechen, können ins­ besondere Luftblasen mit festen Membranen erzeugt werden durch Versetzen des Schäummittels mit einer in Wasser dispergierba­ ren Flüssigkeit, die ein stark wasserabsorbierendes Harz ent­ hält.

Beim Abbauen von tonhaltigem Erdreich ist die Verwendung einer wäßrigen Lösung von Benzalconiumchlorid oder von Dodecyltrime­ thylammoniumchlorid erwünscht. Diese wäßrigen Lösungen können auch Methylcellulose oder einer ähnlichen wasserlöslichen hochmolekularen Substanz zugesetzt und hiermit vermischt werden.

Während bei der oben beschriebenen Ausführungsform die Ein­ spritzpumpe 12 und der Schaumerzeuger 13 von einer Bedie­ nungsperson entsprechend den Abbaubedingungen durch die Vor­ triebsmaschine 1 von Hand gesteuert werden, können sie auch so angepaßt werden, daß die Menge des eingespritzten Schaums und der Einspritzdruck von einem in die Vortriebsmaschine 1 einge­ bauten Rechner automatisch gesteuert werden.

Zum Überwachen der Abbaubedingungen sind zu diesem Zweck ein Schrämkopfdrehmomentfühler und in der Erddruckkammer 7 ein Erddruckfühler in der Schildvortriebsmaschine 1 vorgesehen. Die von diesen Fühlern in einer gegebenen Zeit gelieferten Meßwerte werden in eine aus einem CPU, einem Speicher, einer I/O-Schnittstelle usw. bestehende Steuereinrichtung eingege­ ben. Unter der Steuerung eines im Speicher gespeicherten Programms berechnet die Steuereinrichtung die Umlaufdrehzahl des Schneckenförderers 8 zum Herausfördern des Abraums aus der Erddruckkammer 7 und die Drehzahlen der Einspritzpumpe 12 so­ wie des Schaumerzeugers 13 zur Steuerung der Menge des in jede Abbaufront und die Erddruckkammer 7 einzuspritzenden Schaums und des Einspritzdrucks hierfür. Auf der Basis der berechneten Werte werden der Schneckenförderer 8, die Einspritzpumpe 12 und der Schaumerzeuger 13 über die I/O-Schnittstelle # so gesteuert, daß der Abbau mit dem auf geeigneten Werten gehal­ tenen Schrämkopfdrehmoment und Erddruck durchgeführt wird.

Die Erfindung ist nicht speziell auf die oben in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel erwähnte mit Erddruck ausgleichen­ de Schildvortriebsmaschine 1 beschränkt, sondern auch auf ver­ schiedene mechanische Schildvortriebsverfahren anwendbar, ohne daß dabei vom Bereich des neuartigen Konzepts der Erfindung abgewichen wird.

Claims (13)

1. Verfahren für einen mechanischen Schildvortrieb, gekennzeichnet durch Zuführen von Abraum in eine Abbaufront und/oder eine Erddruckkammer, wobei der Schaum durch Schäumen einer ein Schäummittel enthaltenden Flüssigkeit erzeugt wird, durch Verrühren und Mischen des Abraums und des Schaums in der Erddruckkammer zur Schaffung von Abraum, der Luftbla­ sen enthält und erhöhte Fließfähigkeit sowie verringerte Durchlässigkeit aufweist, durch Ausführen des Abbauens an der Abbaufront derart, daß mit Hilfe des Luftblasen enthaltenden Abraums dem Erddruck und dem Grundwasserdruck entgegengewirkt wird, und durch Entladen des Abraums aus der Erddruckkammer.

2. Abbauverfahren für eine mit Erddruckausgleich arbeitende Vortriebsschildmaschine, gekennzeichnet durch einen Schritt, bei dem eine ein Schäummittel ent­ haltende und in einem Tank gespeicherte Lösung durch einen Schaumerzeuger zusammen mit von einem Kompressor gelie­ ferter Luft zur Erzeugung von Schaum verrührt wird, wobei der Schaum über ein Lieferrohr zu einer Abbaufront und/oder einer Erddruckkammer geliefert wird, durch einen Schritt, bei dem in die Erddruckkammer durch eine Spaltöffnung in einem Schrämkopf eingeführter Abraum und der Schaum verrührt und miteinander gemischt werden zur Schaffung von Abraum, der Luftblasen enthält und erhöhte Fließfähigkeit sowie verringerte Durchlässigkeit aufweist, durch einen Schritt, bei dem während des Abbauens dem Erd­ druck und dem Grundwasserdruck an der Abbaufront mit Hilfe des Luftblasen enthaltenden Abraums Widerstand geleistet wird, und durch Entleeren des Abraums aus der Erddruckkammer durch einen Schneckenförderer.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schäummittel ein Schäummittel der Proteinreihe enthält.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schäummittel ein oberflächenaktives Mittel ent­ hält.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schäummittel eine wasserlösliche hochmolekulare Substanz enthält.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die wasserlösliche hochmolekulare Substanz wasserlös­ licher Celluloseether ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der wasserlösliche Celluloseether Methylcellulose ist.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der wasserlösliche Cellulose­ ether Ethylcellulose ist.

9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schäummittel ein stark wasserabsorbierendes Harz enthält.

10. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schäummittel Benzalconiumchlorid enthält.

11. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schäummittel Dodecyltrimethylammoniumchlorid enthält.

12. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Zuführen des Schaums in den Raum zwischen der Außen­ umfangsfläche der Schildvortriebsmaschine und dem umgeben­ den Erdreich.

13. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit und der Druck der Zuführung des Schaums durch eine in der Schildvortriebsmaschine angeordnete Steuereinrichtung automatisch gesteuert werden.