DE69010067T2

DE69010067T2 - Verfahren und Gerät zum Herstellen von Tunneln.

Info

Publication number: DE69010067T2
Application number: DE69010067T
Authority: DE
Inventors: Davide Trevisani
Original assignee: Trevi SpA
Current assignee: Trevi SpA
Priority date: 1989-04-28
Filing date: 1990-04-17
Publication date: 1994-10-13
Anticipated expiration: 2010-04-18
Also published as: EP0394806B1; JPH0762430B2; US5104260A; EP0394806A1; DE69010067D1; IT8903446A0; ES2057243T3; ATE107737T1; IT1234069B; JPH0363399A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Tunnelherstellung.
Das herkömmliche Verfahren zur Tunnelherstellung beinhaltet die Verwendung einer "Schildfräse", die den gesamten Querschnitt des Tunnels ausbohrt und die abschließende Stützstruktur des Tunnels hinter der Fräse gefertigt wird.
Dieses Verfahren besitzt Einschränkungen aufgrund des Bedarfs nach einem Schild, der exakt die Abmessungen des zu bohrenden Tunnels besitzt, und der daher in Tunneln mit unterschiedlicher Geometrie nicht verwendet werden kann.
Desweiteren ist eine beträchtliche Aushubkraft erforderlich. Ein weiterer Nachteil ist in der Tatsache zu sehen, daß bei lockerem Erdreich eine abwärts gerichtete Schubkomponente aufgrund des Gewichtes des Aushubwerkzeugs induziert wird, die schwer zu kontrollieren ist.
Weitere Verfahren und Vorrichtung zur Tunnelherstellung sind in DE-A-2264358 und DE-A-1008681 offenbart.
DE-A-2264358 offenbart ein Verfahren zur Tunnelherstellung, wobei ein Aushubwerkzeug axial in den Boden entlang einer abweichenden Richtung bezüglich der Tunnelachse vorgetrieben wird, um einen rechtwinkligen Hohlraum zu bilden. Nach Rückzug des Werkzeugs wird Beton in den Hohlraum eingespritzt, um einen Wölbstein zu bilden. Benachbarte Wölbsteine werden dann zum Aufbau eines Gewölbebogens mit einer Kegelstumpfform gebildet.
DE-A-1008681 zeigt eine Vorrichtung zum Aushub von Tunneln in Kohlengruben und umfaßt ein Aushubwerkzeug, das zur Rotation um eine Längsachse auf einer Vorschubeinheit angebracht ist und von dieser nach vorne vorsteht, um eine Hohlraum mit im wesentlichen rechtwinkligen Querschnitt auszuheben.
Die technische Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Tunnelherstellung bereitzustellen, das die Nachteile der herkömmlichen Verfahren vermeidet.
Diese Aufgabe wird gelöst mit dem in Anspruch 1 definierten Verfahren und der in Anspruch 2 definierten Vorrichtung.
Die Vorteile der Erfindung werden aus der Beschreibung der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens deutlich, die mit Hilfe nicht einschränkender Beispiele unter Bezugnahme der begleitenden Zeichnungen erläutert wird.
In diesen ist:
Fig.1 eine schematische Ansicht einer Auskleidung eines Tunnelbereichs;
Fig.2a eine Aufsicht auf die Auskleidung in Stirnschnitt;
Fig.2b eine schematische Ansicht dreier Gewölbebögen im Längs schnitt;
Fig.3 eine schematische Ansicht des zur Tunnelherstellung verwendeten Vorrichtung;
Fig.4 eine schematische Ansicht eines Aushubwerkzeuges mit Kettenausrüstung in Stirnschnitt;
Fig.5 eine Aufsicht auf einen Tunnel im Stirnschnitt mit einer Vorrichtung darin und mit dem Aushubwerkzeug in verschiedenen Arbeitspositionen;
Fig.6 eine schematische Ansicht zweier Bereiche einer abschließenden Stützstruktur;
Fig.7 eine schematische Ansicht eines weiteren Aushubwerkzeuges mit Kettenausrüstung in Stirnschnitt;
Fig.8 u. 9 schematische Ansichten zweier Aushubwerkzeuge, die mit einem Aushubdrehelement ausgestattet sind;
Fig.10 eine Vorderansicht eines Bereiches der Aushubwerkzeuge der Fig. 8 und 9;
Fig.11 eine Ansicht einer Vorrichtung zur Bereitstellung einer selbsttragenden Auskleidung;
Fig.12 eine Schnittansicht entlang der Ebene XII-XII der Fig. 11, und
Fig.13 eine Schnittansicht ähnlich der Fig.12, aber bezogen auf einen kleineren Tunnel.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 - 5 wird eine selbstangetriebene Vorrichtung auf Schienen, die im allgemeinen mit 1 bezeichnet ist, zur Durchführung des Verfahrens verwendet. Die Vorrichtung 1 umfaßt eine Vortriebseinheit 2, auf der zwei Hubstempel 3 stirnseitig und rückseitig angebracht sind und von einem entsprechenden fünften Drehrad 4 gehalten werden, so daß sie um die gleiche Achse A drehbar sind. Die Hubstempel 3 sind zueinander parallel und deren Stangen stützen an ihrer Spitze mit einem Gelenk (Punkt B) ein Gerüst 5 zur gleitenden Lagerung eines Aushub- oder Bohrwerkzeugs 6, das durch das Gerüst 5 ausladend gehalten wird und mit einer Antriebseinheit 7 betätigt wird.
Das Aushubwerkzeug 6 (siehe Fig.4) besteht aus zwei parallelen Ketten 8 und 9, die jeweils zwei Reihen von nach außen vorstehenden Aushubzähnen 10 tragen.
Die Ketten 8 und 9 verlaufen zwischen einem Paar Antriebsscheiben 11 auf einer Seite und einem Paar Abtriebsscheiben 12 auf der anderen Seite. Die zwei Antriebsscheiben 11 sind koaxial, wogegen die zwei Abtriebsscheiben 12 axial beabstandet sind, so daß die Ketten gegenüber den Abtriebsscheiben versetzt sind. Auf diese Weise besitzt die Aushubfront des Werkzeugs 6, wie in Fig. 4 deutlicher gezeigt ist, eine im wesentlichen Z-förmige Anordnung in Bezug auf die Abtriebsscheiben. In Fig. 3 ist das Aushubwerkzeug 6 zur Klarstellung in einer Position gezeigt, die bezüglich der ursprünglichen, die in Fig. 5 gezeigt ist, um 90º gedreht ist.
Das Verfahren zur vorläufigen Verfestigung des Tunnelaushubs läuft wie folgt ab.
Die Vorrichtung 1 wird anfänglich koaxial zum Tunnel angeordnet, d. h. so, daß die Rotationsachse A des Aushubswerkzeuges mit der Längsachse des Tunnels zusammenfällt. Das Aushubwerkzeug 6 wird an dem Punkt der äußeren Gewölbefläche, die ausgehoben werden soll, angeordnet. Dann wird das Werkzeug mit Hilfe der Antriebseinheit 7 entlang des Gerüstes 5 so vorwärtsbewegt, daß die Ketten, die in das Erdreich eindringen, einen Hohlraum 13 bilden. Die Richtung des Aushubswerkzeuges wird zweckmäßigerweise leicht nach oben gegen die Abtriebsscheiben 12 bezüglich der Tunnelachse geneigt. Die zwei Ketten 8 und 9 führen eine Drehbewegung in entgegengesetzte Richtungen aus, wodurch die vorgegebene Richtung beibehalten wird und das Aushubmaterial nach außen entfernt wird. Aufgrund der abweichenden Anordnung der Ketten besitzt der Hohlraum 13 einen rechtwinkligen Querschnitt mit gegenseitig versetzten Vorsprüngen auf den gegenüberliegenden Schmalseiten des Rechtecks, wodurch eine Z-Form definiert wird.
Nach Vollendung des Hohlraumes 13 wird das Werkzeug 6 aus dem Hohlraum zurückgezogen und nach einer Drehung um einen bestimmten Winkel an einem neuen Aushubpunkt angeordnet.
Gleichzeitig wird der vorher ausgehobene Hohlraum mit Beton gefüllt, der gemäß der "Spritzbeton-Technik" eingespritzt wurde, so daß ein Wölbstein 14 gebildet wird, der komplementär zu dem Hohlraum 13 geformt ist. Die Aushubpunkte werden unter Berücksichtigung der Bodeneigenschaften ausgewählt, um ein Dekompressionsphänomen zu vermeiden. So ist es möglich, Hohlräume in regelmäßigen Abständen auszuheben, wie beispielsweise in Fig. 5 dargestellt ist und der eingespritzte Beton kann auch härten.
Die obigen Schritte werden wiederholt, bis ein vollständiger, durch Vereinigung der Wölbsteine 14 gebildeter Gewölbebogen 15 definiert ist, wonach die Vorrichtung 1 entfernt ist, um den Zugang einer zweckmäßigen Aushubvorrichtung zu ermöglichen, die das Erdreich in dem Gewölbebogen, d.h. innerhalb der Tunnelgewölbefläche entfernt. Dieser Aushub kann mit der gleichen herkömmlichen Vorrichtung durchgeführt werden, die für Bohrlöcher und Gräben verwendet wird. Die Tiefe des Aushubs erstreckt sich bis zu einem vorgegebenen Abstand von der Aushubrückwand des Gewölbebogens, um die teilweise Überlappung der aufeinanderfolgenden Gewölbebögen zu ermöglichen.
Nach Vollendung des Gewölbebogens 15 wird ein darauffolgender Gewölbebogen 15' auf gleiche Weise ausgehend von einer neuen Aushubfront gefertigt.
Wie ersichtlich ist, besitzen die so gewonnenen Gewölbebögen eine Kegelstumpf form, die sich in Vorschubrichtung erweitert. Auf diese Weise ist es möglich, eine Auskleidung bereit zustellen, wobei die Gewölbebögen sich wie Dachziegeln überlappen. Es ist auch festzustellen, daß während des Aushubs des halbkreisförmigen Bereichs des Gewölbebogens das Aushubwerkzeug bezüglich der Hubstempel 3 radial fixiert bleibt. Jedoch ermöglichen die Gelenke B, daß das Aushubwerkzeug bezüglich der Hubstempel, insbesondere während der Fertigung vertikaler Mauerungsstrukturen der Auskleidung, wie in Fig. 5 gezeigt, ausgerichtet ist. Die Ausrichtung des Aushubwerkzeuges wird mit Hilfe weiterer Hubstempel 16 erreicht, die beispielsweise zwischen dem Gerüst 5 und den Hubstempeln 3 arbeiten.
Das beschriebene Verfahren ist weiter zur Bildung selbsttragender Auskleidungen anwendbar, auf die in den Fig. 6 und 11 - 13 Bezug genommen wird. Wie aus Fig. 6 abgeleitet werden kann, umfaßt der Tunnel kegelstumpfförmige Gewölbebögen 17, die in Abweichung von den offenen in Fig. 1, 2a und 2b gezeigten, in rohrartiger Weise geschlossen sind. Die Gewölbebögen können einen kreisförmigen Querschnitt oder multizentrische Geometrie besitzen, wie in Fig. 12 und 13 gezeigt ist.
Die Vorrichtung zur Ausführung dieser Ausführungsform des Verfahrens umfaßt eine Vortriebseinheit 18, die mit Hilfe von Schienen 19a, die mit der Einheit 18 durch vertikal ausziehbare Hubstempel 19 verbunden sind, auf dem Boden ruht.
Zwei entsprechende Hubstempel 20 sind an den gegenüberliegenden Enden der Vortriebseinheit 18 angeordnet und sind um die Horizontalachse A mit Hilfe drehbarer Halterungen 20a drehbar.
Die Hubstempel 20 halten schwenkbar ein Gerüst 21, auf dem das Aushubwerkzeug 22 gleitend angebracht ist. Das Aushubwerkzeug und die Bewegungsvorrichtung sind vollständig mit denen im vorstehenden Beispiel beschriebenen identisch.
Die Vortriebseinheit besitzt ferner an jedem Ende, aber stationär bezüglich der Hubstempel 20, eine Vielzahl von stirnseitigen und rückseitigen Teleskoparmen, die jeweils mit 23 und 24 bezeichnet sind, die radial angeordnet sind und die Verankerung der Vorrichtung an der Wand des Tunnelbereichs ermöglichen, der bereits ausgebohrt wurde.
Der Tunnel wird, wie vorstehend erklärt, ausgehoben, wobei sichergestellt wird, daß bei Betrieb des Aushubwerkzeugs vor einem vorderen Arm 23, dieser Arm zurückgezogen wird, so dar er den Vortrieb des Werkzeuges nicht behindert. In jedem Fall bleibt die Vorrichtung mit Hilfe des verbleibenden Arms fest verankert. Jedoch ist festzustellen, daß durch die Verankerung, die durch die Teleskoparme gewährleistet wird, die Gewinnung eines größeren axialen Schubs auf das Aushubwerkzeug ermöglicht wird und daher tiefere Hohlräume zur Aufnahme von Wölbsteinen mit bedeutend größeren Abmessungen sowie mit größerer Genauigkeit bei der Schaffung der Hohlräume zur Verfügung gestellt werden, da Bewegungen der Vorrichtung vermieden werden.
Die Vorrichtung kann vorteilhafterweise mit geeigneten Aushubwerkzeugen 25 ausgestattet sein, die auf beweglichen Armen 26 vor der Vortriebseinheit angebracht sind, wobei die beweglichen Arme 26 die Entfernung des Erdreichs innerhalb des geschaffenen Gewölbebogens ohne Rückzug der Vorrichtung ermöglicht. Die Art des Aushubwerkzeuges wird mit Rücksicht auf die zu entfernende Bodenart gewählt.
Beispielsweise kann das Erdreich vom Aushubbereich mit Hilfe rotierender Scheiben und einem unterhalb der Vorrichtung angeordneten Förderbandes (siehe Fig. 13) entfernt werden.
Es ist festzustellen, daß die Hubstempel 19 und die Fähigkeit zum Auszug der Teleskoparme 23 und 24 im Falle längerer Tunnel die Anordnung der Vortriebseinheit in derartige Höhe ermöglichen, daß darunter Rangierwagen 27 bewegt werden können (siehe Fig. 12).
In Alternativausführungen der Erfindung kann das Aushubwerkzeug zwei Kettenpaare (Fig. 7) und/oder zweckmäßige "Meißel" 28 anstelle der Aushubzähne 10 umfassen, welche sich um Schwenkarme drehen und bezüglich der Gleitrichtung der Ketten ausgerichtet werden können (Fig. 8-10). In diesem Fall kann das Aushubwerkzeug vom Typ mit Einzelkette (Fig.8) oder mit Doppelkette (Fig.9) sein.
Die Vorteile, die mit der beschriebenen Vorrichtung erhältlich sind, können somit zusammengefaßt werden:
- hohe Bau- und Betriebsökonomie in Bezug auf herkömmliche Vorrichtungen;
- die abschließende, selbstragende Auskleidungsstruktur wird eingespritzt, bevor der Tunnel selbst gebohrt wird;
- die Möglichkeit, die ursprüngliche Aushubposition des Aushubwerkzeugs abzuändern, ermöglicht die Verwendung der gleichen Vorrichtung für jede zu fertigende Tunnelgeometrie;
- die Möglichkeit, die Position des Rotationszentrums der Vorrichtung abzuändern, ermöglicht die Bildung der Stützstruktur unter Verwendung unterschiedlicher Rotationszentren, die denen einer multizentrischen Kurve entsprechen;
- der erste Aushubschritt zur Gewinnung lediglich der selbsttragenden Auskleidungsstruktur ermoglicht die Verwendung geringer Schub- und Schneidkraft und daher die Herstellung beträchtlicher Dicken für tiefere Bereiche;
- die angepaßten auswechselbaren Aushubwerkzeuge ermöglichen die einfache Bohrung jeder Art von Erdreich oder Steinen, wodurch bei jeder Bedingung die Gewinnung einer gleichmäßigen Stütz struktur mit herausragenden mechanischen Eigenschaften unabhängig von der Beschaffenheit des Erdreiches mit jeder Dicke und mit Vortriebsbereichen von beträchtlicher Länge gewährleistet werden;
- die unmittelbare Ausführung der abschließenden selbstragenden Auskleidungsstruktur vermeidet den Bedarf der Anpassung extrem teurer vorläufiger Konsolidierungsmanahmen, die lediglich temporär sind, in ihrer Wirkung von der Gleichförmigkeit des Erdreichs oder deren Fehlen abhängig sind und die Arbeitszeit bestimmen;
- in äußerst lockerem Erdreich beseitigt die Verwendung dieses Verfahrens die Umweltprobleme, die der Bedarf der Verwendung von stark durchdringenden Verfestigungsmischungen auf Basis von verunreinigenden Komponenten zur Durchführung der vorläufigen Verfestigungen mit sich brachte;
- der folgende Aushub des Tunnels selbst wird bei vollkommen sicheren Bedingungen durchgeführt, da es sich in der Praxis um das "Leeren" eines Tunnels handelt, dessen Konturen bereits gebohrt wurden und daher extrem kurze Arbeitszeiten auftreten;
- der folgende Aushub zur Entfernung des Erdreichs in dem Tunnel kann mit herkömmlichen Verfahren ausgeführt werden;
- nach dem Aushub des Tunnels selbst ist dieser praktisch vollständig, wenn nicht eine mögliche dekorative und/oder schalldämpfende vorgefertigte Auskleidung an den Seiten des Tunnels eingebaut wird oder ein mögliches "Sandstrahlen" der Wände der Wölbsteine durchgeführt wird, wobei eine kleine Ausgleichsschicht "Spritzbeton" zugegeben wird;
- die Überlappung verschiedener Kegelstümpfe, die die einzelnen Abschnitte ausmachen, kann jedoch für sich ein architektonischer Antrieb sein, neben der Verringerung des Lärms und des "Kolbeneffekts", den der Verkehr von Fahrzeugen mit sich bringt.

Claims

1. Verfahren für den Tunnelbau, das die folgenden Schritte umfaßt:

a) drehbare Plazierung einer Vorrichtung (1), die ein Aushubwerkzeug (6) vom Kettentyp umfaßt, entlang einer mit der Längsachse des zu bohrenden Tunnels übereinstimmenden Achse (A),

b) Anordnung des Aushubwerkzeugs (6) an einem Punkt der Gewölbefläche des Tunnels,

c) axiale Vorwärtsbewegung des Werkzeugs (6) bis zur vorgegebenen Tiefe entlang einer abweichenden Richtung in Bezug auf die Tunnelachse, um einen im wesentlichen rechtwinkligen Hohlraum (13) zu bilden,

d) Rückzug des Werkzeugs (6) aus dem ausgehobenen Hohlraum (13),

e) Füllung des Hohlraumes (13) mit Beton, um einen Wölbstein (14) zu bilden,

f) Wiederholung der Schritte b) - e) bis ein kegelstumpfförmiger Gewölbebogen (15) vollendet ist, der aus benachbarten Wölbsteinen (14) besteht,

g) Aushub des Erdreichs innerhalb des so gebildeten Gewölbebogens mit einer Tiefe, die kleiner als die axiale Ausdehnung des Gewölbebogens (15) ist,

h) Vorwärtsbewegung der Vorrichtung, um eine Strecke, die im wesentlichen gleich der axialen Ausdehnung der Wölbsteine (14) ist und

i) Wiederholung der Schritte a) - h), um eine Auskleidung zu bilden, die aufeinanderfolgende Gewölbebogen umfaßt, wobei jeder Gewölbebogen (15) einen weiteren distalen Endbereich besitzt, der mit einem engeren ursprünglichen Endbereich eines darauffolgenden Gewölbebogens (15') überlappt,

dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume (13) eine im wesentlichen rechtwinklige Gestalt mit Vorsprüngen aufweisen, die sich entlang gegenüberliegenden Längs seiten erstrecken und in im wesentlichen Z-artiger Form voneinander abgesetzt sind, wobei die Reihenfolge der Hohlräume gemäß den Bodeneigenschaften gewählt wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Tunnelbau nach Anspruch 1, die aufweist eine Vortriebseinheit (2), ein Gerüst (5), eine Vorrichtung (3) zur drehbaren Halterung des Gerüstes (5) auf der Vortriebseinheit um eine mit der Längsachse des zu bohrenden Tunnels übereinstimmenden Achse (1), ein an dem Gerüst (5) angebrachtes Aushubwerkzeug (6), das in Längsrichtung auf diesem gleiten kann, eine Vorrichtung (7) zur Betätigung des Werkzeugs (6) entlang des Gerüstes (5), eine Vorrichtung (4,16) zur Ausrichtung des Gerüstes (5) in Bezug auf die Achse (A) des Tunnels, so daß sich das Aushubwerkzeug (6) in einer abweichenden Richtung in Bezug auf diese Achse bewegt, dadurch gekennzeichnet, daß das Aushubwerkzeug (6) mindestens ein Kettenpaar (8,9) umfaßt, das mit Aushubelementen (10) versehen ist, wobei jede Kette um eine entsprechende Antriebsscheibe (11) und um eine entsprechende Abtriebsscheibe (12) herumverläuft, wobei die Antriebsscheiben (11) koaxial zueinander sind und die Abtriebsscheiben (12) axial versetzt sind, so daß die Ketten (8,9) abweichende geradlinige Bereiche besitzen.