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Die
vorliegende Erfindung betrifft den Bereich der Vorrichtungen zur
Tunnelauskleidung.
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Die
Auskleidung eines durch eine Tunnelvortriebsmaschine gegrabenen
Tunnels wird im allgemeinen durch kreisförmige Ringe gebildet, die im Verlauf
des Vortriebs nach und nach aufeinanderfolgend angeordnet werden
(siehe US-A 4 397 583) (tatsächlich
nach jeder Vortriebsphase in der Größenordnung von 1 bis 2 Meter
Länge).
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Jeder
Ring ist seinerseits aus mehreren vorgefertigten „Gewölbeformteilen" gebildet (jedes
mit der Form eines Kreisausschnitts), die innerhalb der Tunnelvortriebsmaschine
zusammengesetzt werden. Sobald ein Ring derart zusammengebaut ist,
dient er als Abstützung
für Vorschubzylinder,
die es der Tunnelvortriebsmaschine gestatten, ihr Vordringen fortzuführen, indem
sie sich durch den Boden gräbt.
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Sobald
ein Ring die „Schürze" der Tunnelvortriebsmaschine
verläßt, wird
der sich zwischen dem Ring und dem Boden befindliche Leerraum durch
das Einbringen eines Materials unter Druck in der Weise aufgefüllt, daß auf den
Ring sofort ein Kompressionsdruck einwirkt.
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Später kann
dieser Kompressionsdruck unter Umständen durch denjenigen ersetzt
werden, der durch die Wechselwirkung mit dem Boden entsteht.
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In
jedem Fall gibt es einen Konsens, daß der Ring, isoliert betrachtet,
durch radiale Drücke
insgesamt immer unter Kompressionsdruck bleibt.
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Dadurch
kann, unter dem Einsatz einer geeigneten Konzeption, die Unversehrtheit
eines Rings als solchem lediglich durch die Reibung im Bereich der
Längsfugen
zwischen Gewölbeformteilen
eines einzelnen Rings sichergestellt werden.
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In
Längsrichtung
ist dies nicht notwendigerweise genauso der Fall (wenigstens herrscht
in diesem Punkt kein Konsens).
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Tatsächlich kann
sich der durch die beim Fortschreiten der Tunnelvortriebsmaschine
durch die Vorschubzylinder erzeugte Kompressionsdruck in Längsrichtung
teilweise entspannen, insbesondere durch Bewegungen der Materialien
(Beton, Dichtungen, Boden) oder Betonschwindung (wäßrig oder
sogar thermisch).
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Dadurch
kann sich die verfügbare
Reibung auf der Oberfläche
der Verbindungsstellen zwischen Ringen langfristig verringern.
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Hierdurch
kann die Unversehrtheit der Auskleidung, die als eine horizontale
Röhre angenommen
wird, in Frage gestellt werden (beispielsweise unter dem Einfluß einer
Schereinwirkung oder einer lokalen Störung der Bodenkräfte), wenn
die Festigkeit gegenüber
einer Verschiebung zwischen Ringen nur von der Reibung zwischen
ihnen herrührt.
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Aus
diesen Gründen
sorgen manche Bauleiter für
eine Blockierung (jenseits einer bestimmten Toleranz) der relativen
Querverschiebungen zwischen aneinandergrenzenden Ringen.
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Eine
solche Querverschiebung, die blockiert werden soll, ist schematisch
in 1 dargestellt. In dieser sind drei Ringe zu sehen,
n–1, n
und n+1, die in Längsrichtung
entlang einer Achse O-O nebeneinander liegen. Die zwei Ringe n–1 und n+1
sind auf der Achse O-O zentriert, während der zwischen diesen liegende
Ring n einer quer zur Achse O-O wirkenden Kraft F ausgesetzt ist,
wobei diese Einwirkung versucht, ihn in Bezug zur Achse O-O zu dezentrieren
und seine Ausrichtung mit den ihn einrahmenden Ringen n–1 und n+1
aufzuheben.
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Diese
Blockierfunktion wird im allgemeinen durch Systeme aus Zapfen und
Zapfenlöchern
zwischen Ringen bereitgestellt, die, wie in 2 dargestellt,
parallel zum Umfang des Rings angeordnet sind.
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In
dieser 2 ist mit dem Bezugszeichen T ein vorstehender
Zapfen, der auf einer ersten Seitenfläche jedes Gewölbeformteils
angeordnet ist, und mit dem Bezugszeichen M ein komplementäres vertieftes
Zapfenloch, das auf der zweiten Fläche jedes Gewölbeformteils
ausgebildet ist, dargestellt.
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Es
stellt sich jedoch heraus, daß diese
bekannten Anordnungen nicht immer vollständig zufriedenstellend sind.
Insbesondere bewirken diese bekannten Anordnungen beim Bau manchmal
bestimmte Schäden
(Aufbrechen des Betons, Verlust an Dichtigkeit), da sie sich jedem
Unrundwerden des Rings und jedem Ausrichtungsfehler (Versatz) eines Gewölbeformteils
in Bezug auf denjenigen des vorhergehenden Rings widersetzen (es
sei denn, es wird ein so großes
Spiel vorgesehen, daß die
tatsächliche
Wirksamkeit der Blockierung dadurch langfristig in Frage gestellt
wird).
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Die
vorliegende Erfindung hat daher zum Ziel eine neue Vorrichtung zur
Tunnelauskleidung vorzuschlagen, die Eigenschaften aufweist, die
denjenigen der aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen überlegen
sind.
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Dieses
Ziel wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung durch eine Vorrichtung
zur Tunnelauskleidung erreicht, die aneinandergereihte ringförmige Ausbauelemente
umfaßt
und dadurch gekennzeichnet ist, daß sie im Bereich sich gegenüberliegender Seitenflächen nebeneinanderliegender
Ringe Mittel umfaßt,
die eine Blockierung in Umfangsrichtung mit radialer oder beinahe
radialer Verschiebungsfreiheit bereitstellen.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Eigenschaft der vorliegenden Erfindung umfassen
die Blockiermittel radial ausgerichtete Nuten.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Eigenschaft der vorliegenden Erfindung umfassen
die Blockiermittel radial ausgerichtete Zapfen, die in ihrer Umfangsrichtung
komplementär
zu Nuten sind, die dazu bestimmt sind, gegenüberliegend angeordnet zu werden.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Eigenschaft der vorliegenden Erfindung umfassen
die Blockiermittel Einsatzteile, die dazu bestimmt sind, in Nuten
mit radialer Ausrichtung eingesetzt zu werden, die in den sich gegenüberliegenden
Seitenflächen der
Ringe ausgebildet sind.
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Andere
Eigenschaften, Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
beim Lesen der nachfolgenden detaillierten Beschreibung deutlich werden
sowie mit Bezug auf die beigefügten
Figuren, in denen:
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1 wie
bereits beschrieben, schematisch eine Ansicht im Längsschnitt
von drei nebeneinanderliegenden Ringen entsprechend dem Stand der Technik
darstellt;
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2 wie
ebenfalls zuvor beschrieben ein schematisches perspektivisches Explosionsbild zweier
Gewölbeformteile
darstellt, die dafür
vorgesehen sind zusammengesetzt zu werden, wobei jedes entsprechend
dem Stand der Technik jeweils auf seiner Seite ein Zapfenloch und
einen Zapfen, die in Umfangsrichtung verlaufen, umfaßt;
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3 eine
schematische perspektivische Ansicht zweier Gewölbeformteile entsprechend der vorliegenden
Erfindung darstellt, die dafür
vorgesehen sind zusammengesetzt zu werden;
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4 und 5 zwei
Ausführungsvarianten der
Blockiermittel entsprechend. der vorliegenden Erfindung entlang
einer Schnittebene zeigen, die, wie schematisch mit dem Bezugszeichen
IV–IV
in 3 dargestellt, in Umfangs- oder Tangentialrichtung
verläuft;
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6 eine
Ansicht von Blockiermitteln entsprechend der vorliegenden Erfindung
im Radialschnitt entlang der in 3 mit VI–VI bezeichneten Schnitteben
darstellt;
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7 eine
perspektivische Ansicht eines Gewölbeformteils entsprechend einer
Variante der Erfindung darstellt;
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8 eine
schematische Ansicht im Umfangs- oder Tangentialschnitt ähnlich der
Schnittebene IV–IV
einer weiteren Ausführungsvariante
entsprechend der vorliegenden Erfindung darstellt.
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In 3 sind
zwei Gewölbeformteile 10, 20 aus
Beton dargestellt, die jeweils einen Abschnitt zweier Ringe bilden,
die dafür
vorgesehen sind nebeneinander angeordnet zu werden.
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Die
Breite in Längsrichtung
L1, die Dicke in Radialrichtung e und die Winkelöffnung OA der beiden in 3 dargestellten
Gewölbeformteile 10, 20 sind
rein illustrativ und beispielhaft und sind in keiner Weise als einschränkend anzusehen,
wobei darin auch deren Verhältnisse
eingeschlossen sind.
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In
der beigefügten 3 ist
auf jedem der Gewölbeformteile 10, 20 auf
einer ersten Seitenfläche 12, 22 eine
Nut 14, 24 zu sehen, die in Bezug auf die Achse
O– O der
Gewölbeformteile
und Ringe radial orientiert ist.
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In
der beigefügten 3 ist
außerdem
auf der zweiten Seitenfläche 16, 26 jedes
Gewölbeformteils 10, 20 ein
Zapfen 18, 28 mit radialer Ausrichtung zu sehen.
Die Zapfen 18, 28 sind auf den Gewölbeformteilen 10, 20 aus
dem Betonblock gearbeitet.
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Die
Seitenflächen 12, 22, 16 und 26 entsprechen
den Flächen
der Gewölbeformteile 10, 20,
die senkrecht zur Achse O-O der Ringe orientiert sind.
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Die
Zapfen 18, 28 sind dafür vorgesehen in eine gegenüberliegend
angeordnete, radial verlaufende Nut 14, 24 einzudringen.
Hierfür
sind die Zapfen in ihrer Umfangsrichtung komplementär zu den Nuten 14, 24.
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Allerdings
behalten die Zapfen 18, 28, wenn sie in die Nuten 14, 24 eingreifen,
zwischen benachbarten Gewölbeformteilen 10, 20 eine
Verschiebungsfreiheit in radialer Richtung.
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In
anderen Worten ist die Ausdehnung der Zapfen 18, 28 in
Umfangsrichtung komplementär, das
heißt
bis auf das durch das Eingreifen und die Toleranzen bei der Herstellung
und beim Zusammenbau notwendige Spiel gleich, der Ausdehnung der Nuten 14, 24 in
Umfangsrichtung.
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Dagegen
ist die Länge
der Nuten 14, 24 so angepaßt, daß keine Zwänge ausgeübt werden, die die radiale
Verschiebung der Zapfen 18, 28 einschränken. Hierfür können die
Nuten 14, 24 zu einer Seite oder sogar zu den
beiden Umfangsseiten 11, 13, 21, 23 der
Gewölbeformteile 10, 20,
die radial innen beziehungsweise radial außen liegen, offen sein. Wie
beispielsweise in 6 dargestellt ist, können die
Nuten 14, 24 entsprechend einer anderen Variante
an ihren radial innen und radial außen liegenden Enden verschlossen
sein.
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In
diesem Fall sollte die Länge
der Nut 14, 24 in radialer Richtung größer als
die entsprechende Länge
der Zapfen 18, 28 sein.
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Die
in radialer Richtung orientierten Seitenflächen der Zapfen 18, 28 ebenso
wie der komplementären
Nuten 14, 24 können,
wie in 3 dargestellt, geradlinig sein.
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In
einer Variante können
diese Seitenflächen dagegen,
wie in 7 dargestellt, gekrümmt sein, beispielsweise konvex
oder konkav oder sogar polygonal.
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Außerdem können diese
Seitenflächen
der Zapfen 18, 28 und der Nuten 14, 24 wie
in 5 dargestellt in einer radial liegenden Ebene,
die die Achse O-O der Ringe einschließt, liegen oder im Gegenteil, wie
in der 4 dargestellt, gegenüber einer radial liegenden
Ebene geneigt sein.
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In
den 4 und 5 sind die Seitenflächen der
Zapfen und der komplementären
Nuten mit f bezeichnet.
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Die
radialen Enden der Zapfen 18, 28 und Nuten 14, 24 können verschiedene
Formen aufweisen.
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Das
in radialer Richtung eingeplante Spiel für jeden in einer Nut 14, 24 angeordneten
Zapfen 18, 28 sollte sehr viel größer sein,
als die möglichen
Positionierungsfehler und derart, daß es eine eventuelle relative
Verschiebung zwischen den Ringen nicht blockiert bevor nicht eine
der so gebildeten radialen Gleitflächen in Anschlag kommt.
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In 6 ist
das derart eingerichtete Spiel auf beiden Seiten eines Zapfens 18 mit
j bezeichnet.
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Entsprechend
noch einer weiteren Variante, die in 8 schematisch
dargestellten ist, kann die Blockierung in Umfangsrichtung mit radialer
Verschiebungsfreiheit zwischen zwei Gewölbeformteilen 10, 20 mittels
Einsatzteilen 30 erreicht werden, die dafür ausgestaltet
sind, in Nuten mit radialer Ausrichtung 14, 24 eingeführt zu werden,
die in den sich gegenüberliegenden
Seitenflächen
der Gewölbeformteile
oder Ringe ausgebildet sind.
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Solche
Einsatzteile können
zahlreiche Formen aufweisen.
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Sie
können
entweder bei der Herstellung der Gewölbeformteile, bei der Montage
oder nach der Montage der Ringe eingesetzt werden.
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Entsprechend
noch einer weiteren Variante können
die Einsatzteile durch Materialeinbringungen ersetzt werden.
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Unter
dem Vorbehalt, daß im
folgenden genauer beschriebene innere Spiele eingerichtet werden,
widersetzt sich das der vorliegenden Erfindung entsprechende System
weder dem Unrundwerden der Ringe noch dem Versatz.
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Es
weist daher keine Schwierigkeiten bei der Konstruktion auf.
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Sobald
auf einen Ring, der die Schürze
der Tunnelvortriebsmaschine verlassen hat, Querkräfte in eine
beliebige Richtung einwirken, werden dagegen automatisch mehrere
der so gebildeten radialen Verbindungen mobilisiert (tatsächlich all
diejenigen, deren mögliche
Verschiebungsachse nicht zu parallel zur Einwirkung ist).
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Der
Ring als Ganzes ist dadurch blockiert, da, wie zuvor gesagt, die
Unversehrtheit jedes Rings durch seine Kompression sichergestellt
ist (unter der Wirkung des Auffüllmaterials
und/oder des Bodens).
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Die
Vorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung garantiert außerdem eine
langfristige Wirksamkeit.
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Das
für die
Blockiermittel entsprechend der vorliegenden Erfindung erforderliche
Spiel kann insgesamt wie folgt berechnet werden.
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Wir
bezeichnen mit R+ΔR
die Amplitude des Unrundwerdens eines ellipsenförmigen Rings in horizontaler
Richtung und mit R-ΔR
die Amplitude in vertikaler Richtung.
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Stellt
man einen solchen Ring gegen einen perfekt kreisförmigen Ring
mit Radius R, kann gezeigt werden, daß der maximale Winkelabstand
(in Radian ausgedrückt)
zwischen sich entsprechenden Normalen auf dem Kreis und der Ellipse ΔR/R beträgt.
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Daher
sollte eine „radiale" Verbindung entsprechend
der vorliegenden Erfindung mit einem Spiel (in tangentialer Richtung)
von eΔR/R
versehen sein, wobei e die Dicke der Auskleidung bezeichnet.
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Unter
denselben Umständen
muß ein
herkömmliches
Blockiersystem, wie ein System aus parallel zum Kreis verlaufenden
Zapfen und Zapfenlöchern,
ein Spiel von wenigstens ΔR
aufweisen, damit keine echten Probleme beim Einbau auftreten.
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Mit
e/R in der Größenordnung
von 10%, versteht der Fachmann, daß beim herkömmlichen System ein 10 mal
größeres Spiel
eingerichtet werden muß als
mit dem System entsprechend der vorliegenden Erfindung.
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Die
langfristige Wirksamkeit der Blockierung von Querverschiebungen
ist daher durch die Erfindung um einen Faktor 10 verbessert.
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Die
Dichtung kann durch das System hindurch verlaufen oder nach außen verlaufen
(auf der Bogeninnenseite oder der Bogenaußenseite), falls, wie zuvor
erwähnt,
die im Rahmen der vorliegenden Erfindung ausgebildete radiale Gleitfläche auf
einen Abschnitt der Dicke des Gewölbeformteils beschränkt ist.
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Die
Anzahl der Blockiervorrichtungen entsprechend der Erfindung, mit
der jedes Gewölbeformteil
ausgestattet ist kann beliebig sein (auf bestimmten den Ring bildenden
Gewölbeformteilen
sogar Null). Wesentlich ist es, daß für beliebige Richtungen der
zwischen Ringen auftretenden Querkräfte eine ausreichende Anzahl
zur Verfügung
steht, um sich jenseits einer bestimmten Schwelle der Verschiebung
zu widersetzen. Die Anzahl und Lage der Nuten auf jedem Gewölbeformteil
sollte derart sein, daß die
Anzahl sich gegenüberliegender
Nuten für alle
erlaubten Positionen des Einbaus ausreichend ist.
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Unabhängig vom
ausgewählten
System entsprechend der vorliegenden Erfindung (Zapfen-Zapfenloch
aus Beton, Materialeinbringung, Einsatzteil etc.) sorgt der radiale
Verlauf der Nuten 14, 24 dafür, daß unter einer Einwirkung, die
versucht einen Ring gegen den anderen zu verschieben, die daraus
resultierenden Anschlagkräfte
im Beton tangential sind und nicht radial, wie im Fall der herkömmlichen
Konzeption, wie sie in 2 dargestellt ist. Außerdem können die
Seitenflächen
der Nut entsprechend der vorliegenden Erfindung leichter als in
der herkömmlichen
Konzeption armiert werden. Dadurch ist bei der Erfindung die End-Widerstandsfähigkeit
größer und das
Risiko des Betonaufbrechens geringer.
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Die
vorliegende Erfindung gestattet es somit die Widerstandsfähigkeit
der Gewölbeformteile
sehr erheblich zu verstärken.
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Selbstverständlich ist
die vorliegende Erfindung nicht auf die gerade beschriebenen bestimmten Ausführungsformen
beschränkt,
sondern sie erstreckt sich auf alle ihrem Geist entsprechenden Varianten.
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Insbesondere
schließt
die vorliegende Erfindung auch den Fall ein, daß die Nuten 14, 24 und
die Zapfen 18, 28 nicht genau radial ausgerichtet
sind, sondern lediglich in einer in etwa radialen Richtung verlaufen.