DE69009818T2 - Maschinelle Einrichtung zum Graben von Tunneln und zum Abstützen der Tunnelwände während der Herstellung. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zum Graben von Tunneln und zum Abstützen der Tunnelwände während der Tunnelarbeiten.
• In der letzten Zeit wurde eine Reihe von verschiedenen Techniken im Bau von Straßen- und Eisenbahnbahntunneln und für Einrichtungen wie Abwasserkanäle oder sonstige unterirdische Kanäle und für die Fertigung von Wasserläufen im allgemeneinen verwendet.
• Eine dieser Techniken sieht die Verwendung von mechanischen Vortriebschildern vor, um die Grabung vorwärtszutreiben, während die Anbringung von vorgefertigten (rohrförmigen oder aus Segmenten gebildeten) Auskleidungselementen erfolgt, während die Grabung fortschreitet. Diese Vortriebschilder können durch hydraulische Winden von außen vorgetrieben werden, wobei die bereits installierte vorgefertigte Tunnelauskleidung als Zwischenelement in einer wachsenden Kette benutzt wird.
• Die mit diesem Hilfsmittel zu erzielenden Entfernungen sind nicht sehr groß, da die Reibung mit der zunehmenden Länge wächst und mit der Anwendung von immer größerer Schubwirkung werden an die Tunnelauskleidung unmögliche Anforderungen gestellt. Das Vortriebschild kann auch vorgetrieben werden, indem das vorher angebrachte Element der Tunnelauskleidung (aus vorgefertigten oder aus vor Ort gefertigten Elementen) als festes Lager verwendet wird.
• In diesem Fall werden dem Vortrieb durch die Fähigkeit der Auskleidung, der Schubkraft der hydraulischen Winde zu widerstehen, Grenzen gesetzt; genauer gesagt, wenn ein Grad von Seitenreibung oder Durchdringungswiderstand erreicht wird, der größer als die mechanische Festigkeit der Auskleidung ist, dann kann der Vortriebschild nicht mehr arbeiten, da die zum weiteren Vortrieb erforderliche Schubkraft die Auskleidung zerstören würde.
• Dieser Nachteil wird in den meisten Fällen teilweise dadurch behoben, daß Zwischenstationen eingerichtet werden, gegen die die benötigte Schubkraft ausgeübt wird, doch die Rückwirkungskraft dieser Stationen wird gleicherweise auf die anliegenden Elemente geleitet, die nicht dazu konzipiert sind, diesem hohen Druck standzuhalten und die daher Gefahr laufen zu brechen, oder aber auf vor Ort gefertigte Auskleidungselemente, die auf diese Weise einer beträchtlichen Belastung ausgesetzt werden.
• Außerdem muß eine gesteigerte Reibung bewältigt werden, wenn die Bohrung einer leichten Krümmung folgen muß; in diesem besonderen Fall fällt darüber hinaus die Richtung der Schubkraft nicht mehr mit der Bohrungsachse zusammen, und daher besteht keinerlei Möglichkeit der Richtungsänderung außer durch Winden, die sich von dem Teilabschnitt entfernt befinden, der zur Richtungsänderung erforderlich ist.
• Wo der zu tunnelnde Boden lehmig ist oder aus einem anderen losen Erdreich besteht, sehen die herkömmlichen Methoden nach dem Stand der Technik manuelles oder mechanisches Graben, Abstützen und die Anbringung von zweitweiligen Stützen, dann Vortrieb, Verfestigung der ungeschützten Wand und abschließend die Auskleidung des Tunnels vor.
• Bei dieser Verfahrensweise besteht die Verfestigung im allgemeinen darin, daß Pfähle eingetrieben und daß die gesamte Stützfläche der Tunnelwand eingespritzt wird; es muß nicht eigens gesagt werden, daß die Pfähle dabei eingebettet werden und hinter der Tunnelauskleidung bleiben. Methoden der fraglichen Art sind also mit gewissen Begrenzungen und Nachteilen behaftet, namentlich:
• - hohe Kosten aufgrund des langsamen Vortriebs und hoher Personalanforderungen, die jeden Schritt des Vorgangs begleiten;
• - gefährliche Arbeitsbedingungen (Gefahr des Zusammenbruchs während der Arbeiten), für die bei der Grabung und der zweitweiligen Abstützung Beschäftigten;
• - Verschwendung von Material bei Errichtung zeitweiliger Strukturen bei Anbringung der endgültigen Auskleidung.
• US-A-3,613,384 stellt eine Methode und eine Vorrichtung zum Vortrieb von Tunnelstützen dar, bei der eine Vielzahl von Schalen unmittelbar hinter dem vorderen Ende der Vorrichtung fest in die Tunnelwand eingreifen und die gemeinsame Wirkung des Eingreifens der Vielzahl dieser Schalen verankert die Maschine in ausreichender Weise und erlaubt es der Vorrichtung, mit ausreichendem Druck vorgetrieben werden zu können.
• Die Verankerung erfordert regelmäßige Ausdehungen und Zusammenziehungen der Schalen zum Greifen und zum Lösen der Bohrung.
• GB-A-2 180 867 stellt eine Vorrichtung zum Bohren von Tunneln in weichen Schichten dar und weist auf: einen Gehäuse-Teil, der eine Vielzahl von zylindrischen Gliedern aufweist, die untereinander befestigt sind und einander teilweise überlappen und so eine Teleskop-Struktur bilden; einen Kopf-Teil, der an einem Ende von einem der zylindrischen Glieder befestigt ist; eine Vielzahl von Pneumatikzylindern, die sich jeweils zwischen zwei zylindrischen Gliedern befinden und die dazu dienen, die zylindrischen Glieder vorzutreiben und das Gehäuse-Teil auszudehnen.
• Die Vorrichtung bewegt sich aufgrund einer Reaktion vor, die wie in anderen herkömmlichen Strukturen durch die Verwendung von Beton erzeugt wird.
• Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, das Graben von Tunneln mit jedem beliebigen Durchmesser oder Querschnitt, mit einer gegebenen Länge zu gestattet, ohne das die vorgefertigten Auskleidungselemente hohen Schubbelastungen unterliegen.
• Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Erzielung einer beträchtlichen Reduzierung der Kosten für das Abstützen der Tunnelwände während der Grabung.
• Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, während des Grabens und den nachfolgenden Arbeiten zum Auskleiden eine zweitweilige Vortriebschildstruktur zur Verfügung zu stellen, die eine maximale Sicherheit beim Bau von Tunneln von einer gegebenen Größe und Länge in losem und unstabilem Boden zu gewährleistet.
• Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es außerdem, den Tunnelbau mit herkömmlichen und bereits verfügbaren Grabungsgeräten durchführen zu können, denn dies führt zu den Vorteilen niedriger Betriebskosten und der Möglichkeit der Variation der Abbau- und Abraum- Abtransportmethoden je nach den Gegebenheiten des Bodentyps, der beim Tunnelbau vorgefunden wird.
• Ein zusätzliches Ziel der vorliegenden Erfindung liegt darin, die verschiedenen Schritte Graben, Vortrieb und Auskleiden voneinander unabhängig zu machen.
• Die genannten Ziele werden von der Anlage gemäß der Erfindung vollkommen erreicht; sich besteht aus einem Vortriebschild, wie sie für den Tunnelbau verwendet werden, und ist gekennzeichnet durch die Merkmale, die in den folgenden Ansprüchen darstellt werden.
• Die Erfindung wird nun im Detail an einem Beispiel und unter Verwendung der begleitenden Zeichnungen beschrieben, bei denen:
• - Abbildung 1 die Anlage im Längsschnitt in Anfangsstadien des Tunnelbaus zeigt;
• - Abbildung 2 die Anlage in dem gleichen Schnitt, wie Abbildung 1 zeigt, jedoch vollständig im Tunnel;
• - Abbildung 3 ein Detail der Anlage in vergrößertem Maßstab zeigt.
• Mit Bezug auf die Zeichnungen besteht die Anlage gemäß der Erfindung aus einer Vielzahl von Modular-Strukturen oder zylindrischen Elementen (1), von denen die Tunnelwand (2) vollkommen abgedeckt wird.
• Jedes Modularelement (1) besteht im wesentlichen aus einem ersten Ring (3b) mit "I" Durchschnitt, an den die Rückenden einer Vielzahl von hydraulischen Zylindern (4) befestigt sind, und einem zweiten Ring (3a), durch den die Schaftenden der Zylinder geführt sind, wobei die Schäfte (5) selbst durch entsprechende Drehzapfen (6) an den ersten Ring (3b) des angrenzenden Elements befestigt sind.
• Die hydraulischen Zylinder werden durch ein inneres ringförmiges Blechglied (7) und ein äußeres ringförmiges Blechglied (8) eingeschlossen, wobei das äußere Element in direktem Kontakt mit der ergrabenen Bohrung steht. Der Vortrieb der Struktur erfolgt durch die Zylinder, wobei jedes Modularelement durch die an dem hinteren Element verankerten Zylinder vorgetrieben wird.
• Die zum Vortrieb benötigte Reaktion wird so durch das Führungselement und die in einer Kette angeschlossenen folgenden Elemente und die erzeugte Reibung mit der Tunnelwand gewährleistet; hinsichtlich der Entwicklung der Schubkraft kann kurzgefaßt gesagt werden, das die Struktur selbstverankernd ist: demgemäß werden die ersten Elemente der Reihe, zum Beispiel jene, die von der Arbeitsstelle am weitesten entfernt sind, zur Grabungszone gezogen, und die gesamte Struktur fährt aufgrund der gesamten am Führungsende erzeugten Schubkraft und dem am hinteren Ende ausgeübten Zug vor.
• In einer bevorzugten Realisierungsform hat jedes der Modularelemente eine Länge von ungefähr 2 Metern und die Anzahl der verwendeten Elemente ist derart, daß die Länge der zusammengebauten Struktur im wesentlichen dem Durchmesser als Minimum und dem Doppelten des Durchmessers als Maximum entsprecht.
• Vorausgesetzt, daß das Betreiben der Zylinder eines Modularelements den Effekt hat, daß das Element nach vorne verschoben wird, öffnet sich zwischen einem Element und dem nächsten ein Raum, der den Zylinderschaft ausgesetzt läßt. Zur Vermeidung dieser Eventualität und zur Gewährleistung der Kontinuität des Vortriebschilds weist die Struktur außerdem fest mit den ringförmigen Blechgliedern (7 und 8) eines Elements verbundene und über das nächste schiebbare Platten (9) auf, wodurch der Raum, der von den ausgefahrenen Schäften (5) eingenommen wird, eingeschlossen wird, wie in Abbildung 3 gezeigt.
• Die Anlage trägt eine Arbeitsplattform (11), von der aus Bagger (12) Zugang zur Abbaufront haben; der Abraum kann durch gewöhnliche Lastwagen (13) abtransportiert werden, die über ein schrägstellbares Rampenteil (14) ein- und ausfahren, das die Plattform (11) mit dem bereits ausgekleideten oder sonstwie vorbereiteten Tunnel verbindet, der mit (10) bezeichnet ist. (15) und (16) bezeichnen den Führerstand und die hydraulische Krafteinheit.
• Die Anlage stellt in dieser Realisierungsform eine selbstvortreibende und ausfahrbare zeitweilige Stützstruktur zur Verfügung, die sich über die gesamte Länge zieht und bis zum äußersten Ende reicht.
• Es werden ein Modularelemente mit einem Querschnitt verwendet, der gleich oder größer ist als der des fertigen Tunnels, und mit der Länge l, wobei n und l je nach den Abmessungen der Bohrung und dem Typ des Erdreiches, durch die sie getrieben wird, variabel sind. Die Elemente sind durch die hydraulischen Zylinder befestigt und/oder aneinander aufgehängt, wie illustriert, und/oder durch andere geeignete Vortrieb- und Steuerungsvorrichtungen.
• Die ausfahrbare Struktur nimmt die gesamte Grabungs- und Transportausrüstung auf und trägt sie mit, wenn sie sich vorbewegt;darüber hinaus bewegt sich die Anlage ohne die Hilfe eines festen, weder externen noch rückseitigen Lagers vor und schiebt sich durch das Erdreich, da die hydraulischen Zylinder (oder andere geeignete Vortriebsvorrichtungen wie Schneckenantriebe) dazu in der Lage sind, eine Bewegung zu erzeugen und die Durchdringung eines oder mehrerer Elemente ohne andee Hilfsmittel für die Gegenwirkung zu erzeugen, als die Masse der einzelnen Elemente und/oder die seitliche Reibungswirkung. Außerdem ist es durch gleichmäßige und/oder geeignet proportionierte Kontrolle der hydraulischen Zylinder oder anderer die Ringe verbindenden Vortriebsvorrichtungen möglich, die Struktur sorgfältig durch Krümmungen zu lenken, deren Radius von der Anzahl der verwendeten Elemente und ihrer individuellen Länge abhängt.
• Die Erfindung weist somit verschiedene Vorzüge auf:
• - das Graben wird sicher gemacht, da das Graben selbst und das Auskleiden in der Struktur erfolgt, die als Vortriebsschild dient und die gegrabenen Wände abstützt; jeder Zusammenbruch des Erdreichs an der Abbaufront kann vermieden oder abgeschwächt werden, indem das Führungsende weiter eindringt, da die Struktur auf eine Entfernung von Metern m (abhängig von der Anzahl n der verwendeten Elemente und dem jedem Element gestatteteten Bewegungsweg) ausfahren kann und daher ausreichend tief in das Erdreich an der Abbaufront eindringen kann, während das Endteil an seinem Ort bleibt, bis die entsprechende Auskleidung angebracht ist;
• - ein ausfahrbares Vortriebschild bringt operationale flexibilität, da Graben, Abraum- Abtransport und Auskleidung voneinander unabhängig werden;
• - die Möglichkeit der Anlage, als zeitweilige Abstützstruktur zu dienen, macht herkömmliche Abstützungs- und Sicherungsarbeiten überflüssig, und dies bedeutet eine beträchtliche Zeit- und Kostenersparnis;
• - der Vortrieb erfolgt ohne zusätzliche feste Lager zur Aufnahme der Schubkraft und gestattet so unbegrenzten Vortrieb in jeder Art von Boden;
• - der Vortriebschild läßt sich leicht in Bewegung setzen und erfordert keine Reaktionspfeiler oder - abschnitte, sondern lediglich die Verlegung von Blöcken und die Vorbereitung des Start-Rings an der Tunnelöffnung;
• - mit dem Zusammenbau der Modularelemente, die als selbstvortreibende Struktur arbeitet und da eine Ausschachtung der angebrachten Tunnelauskleidung als Reaktionslager für Vortriebswinden nicht erforderlich ist, kann die Auskleidung ohne zusätzliches Laden erfolgen.

Claims (3)

1. Eine maschinelle Einrichtung zum Graben von Tunneln, und zum Abstützen der Tunnelwände während der Herstellung, einschließlich einer Struktur zum zeitweiligen Abstützen der gegrabenen Tunnelwände und zum Vortrieb durch das Erdreich, wobei die genannte Struktur koaxiale zylindrische Elemente aufweist, um die Tunnelwände und die hydraulischen Zylinder, die sich zwischen den genannten zylindrischen Elementen befindet, abzugrenzen, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um eine selbstvortreibende ausfahrbare Modularstruktur handelt, die die Grabungsausrüstung und die Ausrüstung für den Abtransport des Abraums mitträgt und die sich ohne die Hilfe von extern oder rückseitig angebrachten festen Lagern unter der Ausnutzung der eigenen Masse und der seitlichen Reibung als der Reaktionskraft vortreibt, die zwischen jedem zylindrischen Element und der angrenzenden Tunnelwand entsteht, wobei jedes zylindrische Element (1) einen ersten Ring (3b) und einen zweiten Ring (3a) aufweist, die durch zwei Metallglieder (7 und 8) fest miteinander verbunden sind, eine Vielzahl von hydraulischen Zylindern (4), die an dem ersten Ring (3b) befestigt sind und die in den zweiten Ring (3a) eingeführt sind, wobei die genannten Zylinder (4) von zumindest einem ringförmigen Blechglied umgeben sind und ausfahrbare Schäft (5) aufweisen, die an dem ersten Ring (3b) des nächstfolgenden modularen Zylinderelements befestigt sind.

2. Eine maschinelle Einrichtung zum Graben von Tunneln und zum Abstützen der Tunnelwände während der Herstellung, die koaxiale zylindrische Elemente aufweist, um die Tunnelwände und die hydraulischen Zylinder, die zwischen den genannten zylindrischen elementen liegen, abzugrenzen,

dadurch gekennzeichnet, daß

- jedes der zylindrischen Elemente (1), das Masse bietet und Reibung in der Tunnelwand für den Vortrieb erzeugt, eien ersten Ring (3b) und einen zweiten Ring (3a) aufweist:

- jeder der hydraulischen Zylinder (4) einen entsprechenden ausfahrbaren Schaft (5) aufweist und ein hinteres Ende und ein Schaftende aufweist, wobei das genannte hintere Ende des genannten Zylinders an den ersten Ring (3b) und das genannte Schaftende eines jeden der genannten Zylinder in den genannten zweiten Ring (3a) eingeführt ist; und die umfaßt:

- ein inneres ringförmiges Blechglied (7) und ein äußerses ringförmiges Blechglied (8), wobei die genannten Glieder den hydraulischen Zylinder (4) umgeben und den genannten ersten Ring (3b) und den genannten zweiten Ring (3a) miteinander verbinden, wobei das genannte äußere ringförmige Blechglied (8) in direktem Kontakt mit der genannten Wand des Tunnels steht;

- eine Vielzahl von Platten (9), wobei jede Platte fest mit den genannten inneren und äußeren Gliedern verbunden ist und die den Raum einnehmen , den die ausgefahrenen Schäfte (5) der genannten Zylinder erzeugen.

3. Eine maschinelle Einrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schäfte (5) auf zumindest einem Drehlager montiert sind.