DE69828811T2

DE69828811T2 - Schäumende zusammensetzung

Info

Publication number: DE69828811T2
Application number: DE69828811T
Authority: DE
Inventors: Peter Ellenberger
Original assignee: Construction Research and Technology GmbH
Current assignee: Construction Research and Technology GmbH
Priority date: 1997-10-02
Filing date: 1998-09-15
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2018-09-16
Also published as: JP4500440B2; ATE288023T1; DK1027528T3; EP1027528A1; DE69828811D1; AU742880B2; AU9540998A; JP2001519495A; ES2236945T3; WO1999018330A1; BR9812611A; EP1027528B1; US6485233B1; CN1272901A; GB9720846D0

Description

Diese Erfindung betrifft Tunnelbohren und Zusammensetzungen zur Verwendung dabei.
Die FR 2 690 709 A offenbart ein Verfahren zum Bohren eines Tunnels mit Hilfe einer Schildtunnelbauvorrichtung, wobei das Verfahren umfasst das Schäumen von einem wässrigen Material und seine Injektion in die Schicht auf der Schneidseite, wobei das wässrige Material ein Polyethylenoxid und ein Sulfat enthaltendes anionisches Tensid umfasst. Die WO 90 00 187 A offenbart ein Verfahren der Erhöhung der Fragmentierungsrate oder Zerteilungsgeschwindigkeit und Verlängerung der Lebensdauer von einem Meißel, Schneidwerkzeug, Mahlkörper oder Polierwerkzeug bei konstant angewendeter Beanspruchung während eines Bohrens, Vortriebs, Schneidens, Mahlens oder Reibens oder Schleifens oder Polierens, durch Zugabe von einem nicht ionischen Material zu einer Bohr-, Vortriebs-, Schneid-, Mahl- oder Schleif- oder Reib- oder Polierflüssigkeit in einer Menge, die ausreichend ist, um die Oberflächenladung von einem Feststoff zu neutralisieren, um einen Nullladungsoberflächenzustand zu erhalten. Die US 3 215 200 A offenbart ein Verfahren zum Anheben von Wasser aus einer unterirdischen Zone auf die Oberfläche, wobei das Verfahren umfasst ein Mischen einer Schaum produzierenden Menge von einem sulfatierten, polyoxyethylierten, einwertigen, höher aliphatischen Alkoholschäumungsmittel mit Wasser in der unterirdischen Zone. Die US 4 247 405 A offenbart eine wässrige Lösung, die einen nicht ionischen Polyalkylenoxidpolymerbestandteil, ein ionisches Tensid, Thioharnstoff und Wasser umfasst.
Schildtunnelbohrmaschinen werden zunehmend verwendet zum Bohren von Tunnel, da sie viele Vorteile bieten, wie die Möglichkeit, in einer großen Vielzahl von Schichten zu bohren. Eine Schildbohrmaschine umfasst einen kreisförmig rotierenden Schneidkopf, der befestigt ist auf einem zylindrischen Schild von ähnlichem Durchmesser, so dass seine Rotationsachse zusammenfällt mit der Längs- oder Longitudinalachse des Schilds. Innerhalb des Schilds sind Mittel enthalten, um den Schneidkopf mit Material zu versorgen oder dem Schneidkopf Material zu liefern und Mittel zum Ab- oder Wegfördern des Erdreichs oder Bodens. Solche Maschinen arbeiten gut, wenn die Schichten, durch die ein Tunnel gebohrt wird, relativ hart und fest sind, aber sie arbeiten nicht so gut in weichen und krümeligen Schichten, die eine Entfernung des Bodens oder der Erde sehr schwierig machen können. Ein Weg auf der Suche, dieses Problem zu überwinden, ist es, ein Verfestigungsmittel über den Schneidkopf auf die Erde oder den Boden anzuwenden oder aufzutragen. Dies stabilisiert die Erde oder das Erdreich, was es erlaubt, dass das Bohren einfacher bewirkt wird, und die Erde oder der Boden einfacher entfernt wird.
Bekannte Stabilisierungsmittel schlossen Bentonitaufschlämmungen und Polymersuspensionen ein. Diese können zu Problemen bei gewissen Böden oder Erdreichen führen, größtenteils, weil sie den Erd- oder Bodenwassergehalt zusehends erhöhen. Einige Böden oder Erden (wie Tone) können klebrig werden und schwierig zu entfernen und den Schneidkopf zuschmieren oder verstopfen, was zu einem beträchtlichen Verlust in der Wirksamkeit führt. Bei einer neueren Entwicklung wurden Polymerschäume vorgeschlagen. Diese weisen den Vorteil auf, dass beträchtlich weniger Flüssigkeit in die Erde pro gegebenes Volumen gegeben wird. Eine typische Schaumformulierung umfasst ein Schäumungsmittel und ein schaumstabilisierendes Mittel, wobei das letztere im Allgemeinen ein Tensid ist. Daher wird beim Betrieb der Schaum von Öffnungen oder Kanälen in dem Schneidkopf in die Fläche, in die gebohrt wird, injiziert.
Es wurde nun gefunden, dass ein besonderes Schaummaterial oder Aufschäummaterial besonders wirksame Ergebnisse erzielt. Die Erfindung stellt daher ein Verfahren bereit zum Bohren eines Tun nels durch eine Schicht mit Hilfe einer Schildtunnelbauvorrichtung, wobei das Verfahren umfasst die Injektion von einem wässrigen Material, umfassend

(a) von 0,005 bis 0,05 Gew.-% eines Polyethylenoxids mit einem Gewichtsmittel des Molekulargewichts von 2.000.000 bis 8.000.000 und
(b) von 0,05 bis 0,5 Gew.-% eines Sulfat enthaltenden anionischen Tensids gemäß Anspruch 1 in die Schicht auf der Schneidseite.

Die Erfindung stellt außerdem ein Schaummaterial bereit, umfassend

(a) von 0,005 bis 0,05 Gew.-% eines Polyethylenoxids mit einem Gewichtsmittel des Molekulargewichts von 2.000.000 bis 8.000.000 und
(b) von 0,05 bis 0,5 Gew.-% eines Sulfat enthaltenden anionischen Tensids gemäß Anspruch 5. Die Erfindung stellt außerdem die Verwendung bereit von einem Schaummaterial, wie oben definiert, bei der Beförderung von Erde von der Schneidseite einer Schildtunnelbauvorrichtung.

Polyethylenoxide (PEO) sind gut bekannte Wirtschaftsgüter und ein geeignetes Material kann ausgewählt werden aus dem zur Verfügung stehenden breiten Bereich. Typische Beispiele sind die "Polyox"(Marke)-Materialien von Union Carbide. Das anionische Tensid, ausgewählt aus einem beliebigen von solchen im Stand der Technik bekannten Sulfat enthaltenden Tensiden ist ein Polyoxyalkylenalkylethersulfat, bei dem die Polyoxyalkylenoxidkette eine mittlere Kettenlänge von 2 bis 3 Alkylenoxideinheiten aufweist. Typische kommerzielle Materialien schließen die "Alscope"(Marke)-Serie von Toho Chemical Industry Co. ein.
Vorzugsweise liegen die vorhandenen Mengen von PEO und Tensid vor von 0,02 bis 0,04 Gew.-% bzw. von 0,15 bis 0,4 Gew.-%. Besonders bevorzugt beträgt die PEO Menge von 0,03 bis 0,04 %.
Der Rest des wässrigen Materials ist im allgemeinen Wasser, aber andere im Stand der Technik anerkannte Inhaltsstoffe (wie Biozide und Komplexierungsmittel) können gemäß den im Stand der Technik anerkannten Mengen zugegeben werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das wässrige Material zusätzlich Harnstoff bis zu einem Ausmaß von 0,03 bis 0,8 Gew.-%, vorzugsweise 0,06 bis 0,25 Gew.-%. Die Erfindung stellt daher ein Tunnelschaumadditiv bereit, bestehend im wesentlichen aus Polyethylenoxid, Sulfat enthaltendem anionischem Tensid und Harnstoff und Wasser.
Ein weiterer besonders nützlicher Inhaltsstoff ist ein Schaumhilfsmittel. Schaumhilfsmittel sind Materialien, die in der Technik gut bekannt sind für ihr Vermögen, Schäume zu stabilisieren. Sie sind typischerweise Amine mit langen Fettsäureketten, die aus natürlichen Fetten und Ölen, z.B. Kokosnussöl, abgeleitet sind.
Das wässrige Material kann hergestellt und im Voraus als ein Einzelmaterial gelagert werden, aber es ist bevorzugt, es als zwei Komponenten bereitzustellen, die vor der Verwendung gemischt werden. In diesem Fall umfasst eine Komponente PEO und Tensid, und die andere ist eine verdünnte wässrige Lösung von PEO, typischerweise bei einer Gewichtskonzentration von 0,007 bis 0,015 %, vorzugsweise von 0,015 bis 0,06%. Beide enthalten natürlich ausreichend Wasser, um zu gewährleisten, dass sie ausreichend flüssig sind, und ausreichend der wesentlichen Inhaltsstoffe, um bei Mischverhältnissen der oben angegebenen Größe – geeignete Gemische in Bezug auf Molekulargewichte und Verhältnisse zu ergeben, und die Verhältnisse werden leicht bestimmt. Der Wassergehalt des wässrigen Materials sollte so sein, dass es eine Viskosität aufweist, wie gemessen durch den Bohlin System 3 Apparat, unter Verwendung der Spindel 1 von 600 bis 1200 mPa·s, und in dem Fall der Ausführungsform mit zwei Komponenten, die Wassergehalte der einzelnen Komponenten so sein sollten, um dies zu erreichen. Die Ausführungsform mit zwei Komponenten ist außergewöhnlich lagerstabil.
Beim Betrieb wird das wässrige Material zu der Maschine geliefert, wo es typischerweise zu einer 3 % Lösung des gesamten wässrigen Materials in Wasser verdünnt wird, und durch herkömmliche Mittel geschäumt und in die Tunnelfläche über Öffnungen in dem Schneidkopf injiziert. Außerdem kann Schaum auch aus Öffnungen oder Kanälen in dem Schild injiziert werden, um die Tunnelwände zu stärken.
Die Erfindung wird weiter beschrieben unter Bezugnahme auf die folgenden, nicht beschränkenden durchgearbeiteten Beispiele.
Beispiel 1
Die folgenden Materialien werden gemischt

Gewichtsteile

Polyalkylenalkylethersulfat 8,58

Harnstoff 5,00

Polyethylenoxid 1,20

Biozid 0,02

Komplexierungsmittel 0,02

Wasser 85,18
Diese Zusammensetzung stellt ein Konzentrat zur Verwendung bereit, dessen Verwendung in Beispiel 2 gezeigt ist.
Beispiel 2
Test der Zusammensetzung von Beispiel 1 an einer Erde.
Die Erde, die verwendet wird, wird aus Madrid genommen, wo der Tunnelbau für die neue Metro besonders schwierig war. Das Experiment besteht aus der Entnahme von vier Proben mit einer Größe von 1000 g von dieser Erde oder diesem Boden (einem schweren Ton), einem Zugeben eines Materials zu drei von diesen bei einem Versuch, es entfernbar zu machen, Rühren des Gemischs in einem Hobart Mischer über 3 min und dann Messen der Viskosität mit Hilfe eines Haake VT02 Viskometers. Die Klebrigkeit des Materials in der Hobart Mischschale wird auch untersucht.
Zu jedem der drei 1000 g Proben wird eines der folgenden Mittel gegeben:

(a) 65 g Wasser
(b) 65 g von einer 3 % Lösung von einem Schaummittel "Rheocell" (Marke), geschäumt 1:10 mit Luft (1 Volumen Lösung zu 9 Volumen Luft)
(c) 65 g von einer 3 % Lösung von der Zusammensetzung von Beispiel 1 geschäumt 1:10 mit Luft

Zusätzlich zu der Viskosität (die einen Hinweis gibt auf die Erleichterung der Erdentfernung aus einem Schneidkopf), wird die Klebrigkeit des Materials untersucht im Vergleich, wenn die Mischschüsseln gereinigt werden. Die Bewertungen oder Beurteilungen für die Klebrigkeit sind:

1 – sehr klebrig, die Erde lässt sich nicht aus der Schüssel gießen und ist nur mit Schwierigkeit entfernbar
2 – klebrig, die Erde ist nicht aus der Schüssel gießbar, kann aber relativ leicht entfernt werden
3 – nicht klebrig, das meiste der Erde kann aus der Schüssel gegossen werden, und der geringe Rückstand, der zurückbleibt, wird leicht entfernt.

Die Ergebnisse sind wie folgt:
Es ist ersichtlich, dass die Zusammensetzung gemäß der Erfindung beträchtliche Verbesserung ergibt sowohl bei der Viskosität als auch Klebrigkeit, selbst wenn eine größere Spindel (die normalerweise eine höhere Viskosität ablesen lässt als eine kleinere) verwendet wurde.
Beispiel 3
Beispiel eines Zwei-Komponenten-Systems
Ein zweiteiliges System wird gebildet unter Verwendung von 1 Teil der Zusammensetzung von Beispiel 1 mit bis zu 10 Teilen von Wasser, das 1 Gew.-% enthält von "Polyox" WSR-301. Das Verhältnis von dieser Polyethylenoxidlösung wird eingestellt, in Abhängigkeit von dem Wassergehalt des eingesetzten Schlamms oder Schlicks.
Die Zusammensetzung ergibt die gleichen hervorragenden Ergebnisse, wie die der Zusammensetzung von Beispiel 1, wenn sie gemäß dem Verfahren von Beispiel 2 getestet wird.
Beispiele 4 bis 7
Eine Anzahl von Zusammensetzungen gemäß der Erfindung werden hergestellt und gemäß dem Verfahren, das in Beispiel 2 gezeigt ist, getestet.
Die Zusammensetzungen sind in der folgenden Tabelle gezeigt:
Die verwendeten Materialien sind wie folgt:
"Zetesol" (Marke) NL2 (von Zschimmer & Schwarz) – Natriumlaurylethersulfat.
"Sulfetal" (Marke) Cjot 60 (von Zschimmer & Schwarz) – Monoisopropanolammoniumlaurylsulfat.
"Hostaspur" (Marke) OS-1 (von Clariant) – Natriumoleylsulfonat.
"Empicol" (Marke) LX 42 (von Albright & Wilson) – Natriumlaurylsulfat.
"Polyox" (Marke) WSRN-60K (von Union Carbide) – Polyethylenoxid, Molekulargewicht (Gewichtsmittel) etwa 2 Millionen.
"Polyox" WSR-301 – Polyethylenoxid, Molekulargewicht (Gewichtsmittel) etwa 4 Millionen.
"Cublen" (Marke) K2523 (von Zschimmer & Schwarz) – Trikaliumhydroxyethandiphosphonsäure.
"Masquol" (Marke) P 430 Na (von Protex) – Hexanatriumethylendiamintetramethylenphoponsäure.
"Sequion" (Marke) 50 K 33 (von Bozzetto) – Hexakaliumethylendiamintetramethylenphosphonsäure.
"Aromox" (Marke) C/12-W (von Akzo-Nobel) – Coco-bis-(2-hydroxyethyl)aminoxid.
"Aromox" MCD-W – Cocodimethylaminoxid.
"Quiminox" (Marke) QL (von Qimidroga) – Cocodimethylaminoxid.
Die erhaltenen Testergebnisse werden mit 3 bewertet so wie die von den Zusammensetzungen der Beispiele 1 und 3.

Claims

Verfahren zum Bohren eines Tunnels durch eine Schicht mit Hilfe einer Schildtunnelbauvorrichtung, wobei das Verfahren umfasst die Injektion von einem wässerigen Material, umfassend (a) von 0,005 bis 0,05 Gew.-% eines Polyethylenoxids mit einem Gewichtsmittel des Molekulargewichts von 2.000.000 bis 8.000.000, (b) von 0,05 bis 0,5 Gew.-% eines Sulfat enthaltenden anionischen Tensids, wobei das Sulfat enthaltende anionische Tensid ein Polyoxyalkylenalkylethersulfat ist, bei dem die Polyalkylenoxidkette eine mittlere Kettenlänge von 2 bis 3 Alkylenoxideinheiten aufweist, in die Schicht auf der Schneidseite.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die Mengen von Polyethylenoxid und Tensid, die in dem wässerigen Material vorliegen, von 0,02 bis 0,04 Gew.-% bzw. von 0,15 bis 0,4 Gew.-% betragen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das wässerige Material zusätzlich Harnstoff umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das wässerige Material zusätzlich einen Schaumverstärker umfasst.
Schaummaterial, umfassend (a) von 0,005 bis 0,05 Gew.-% eines Polyethylenoxids mit einem Gewichtsmittel des Molekulargewichts von 2.000.000 bis 8.000.000, (b) von 0,05 bis 0,5 Gew.-% eines Sulfat enthaltenden anionischen Tensids, wobei das Sulfat enthaltende anionische Tensid ein Polyoxyalkylenalkylethersulfat ist, bei dem die Polyalkylenoxidkette eine mittlere Kettenlänge von 2 bis 3 Alkylenoxideinheiten aufweist.
Verwendung eines Schaummaterials gemäß Anspruch 5 bei der Beförderung von Erde von der Schneidseite einer Schildtunnelbauvorrichtung.