EP0590527A1 - Verfahren zum Vortrieb eines Tunnels und für die Durchführung des Verfahrens eingerichtete Tunnelvortriebsmaschinen - Google Patents

Verfahren zum Vortrieb eines Tunnels und für die Durchführung des Verfahrens eingerichtete Tunnelvortriebsmaschinen Download PDF

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EP0590527A1
EP0590527A1 EP19930115406 EP93115406A EP0590527A1 EP 0590527 A1 EP0590527 A1 EP 0590527A1 EP 19930115406 EP19930115406 EP 19930115406 EP 93115406 A EP93115406 A EP 93115406A EP 0590527 A1 EP0590527 A1 EP 0590527A1
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Friedrich Wilhelm Paurat
Roland Dipl.-Ing. Paurat
Ernst Dr. Lill
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Friedrich Wilhelm Paurat
Roland Dipl.-Ing. Paurat
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    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E21EARTH DRILLING; MINING
    • E21DSHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
    • E21D9/00Tunnels or galleries, with or without linings; Methods or apparatus for making thereof; Layout of tunnels or galleries
    • E21D9/10Making by using boring or cutting machines
    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E21EARTH DRILLING; MINING
    • E21CMINING OR QUARRYING
    • E21C37/00Other methods or devices for dislodging with or without loading
    • E21C37/005Other methods or devices for dislodging with or without loading by projectiles

Abstract

Bei einem Verfahren zum Vortrieb eines Tunnels in geologischen Formationen eines Gesteins mit Hartgesteinshindernissen wird die Ortsbrust richtungsgebend durch spanendes Abtragen des Gesteins mit Hilfe einer selbstfahrenden Tunnelvortriebsmaschine, die eine Gesteinsabfördereinrichtung (4) aufweist, vorgetrieben. Die Tunnelvortriebsmaschine trägt zumindest eine Hohlladungslafette (7), die mit Hohlladungen beschickt wird. Bei Auftauchen eines Hartgesteinshindernisses in der Ortsbrust wird die Hohlladungslafette (7) auf das Hartgesteinshindernis gerichtet, das durch Hohlladungsbeschuß zertrümmert wird. Die Hohlladungen, der Abstand der Hohlladung von dem Hartgesteinshindernis bei der Detonation der Hohlladung (Sprengung) und die Hohlladungsdetonation werden so eingerichtet, daß das zertrümmerte Hartgestein mit Hilfe der Gesteinsabfördereinrichtung (4) der Tunnelvortriebsmaschine abförderbar ist. Für das Verfahren eingerichtete Tunnelvortriebsmaschinen werden ebenfalls beschrieben.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vortrieb eines Tunnels in geologischen Formationen eines Gesteins mit Hartgesteinhindernissen. Dabei wird der Tunnelvortrieb richtungsgebend durch spanendes Abtragen des Gesteins der Ortsbrust des vorzutreibenden Tunnels mit Hilfe einer selbstfahrenden Tunnelvortriebsmaschine durchgeführt, die eine Gesteinsabfördereinrichtung aufweist. Die Erfindung betrifft fernerhin für die Durchführung des Verfahrens eingerichtete Tunnelvortriebsmaschinen. Tunnel bezeichnet im Rahmen der Erfindung auch Strecken des untertägigen Bergbaus. Gestein bezeichnet alle beim Tunnelvortrieb auftretenden geologischen Formationen. Zum Tunnelvortrieb durch spanendes Abtragen des Gesteins der Ortsbrust des vorzutreibenden Tunnels sind die verschiedensten Tunnelvortriebsmaschinen bekannt. So kennt man Tunnelvortriebsmaschinen in Form von Teilschnitt-Tunnelvortriebsmaschinen mit Schwenkauslegern und axialen oder quer zum Ausleger rotierenden Schneidköpfen. Man kennt auch Teilschnittmaschinen in Form von Schildmaschinen. Als Tunnelvortriebsmaschinen sind aber auch Continuousminer-Tunnelvortriebsmaschinen bekannt, die zumeist mit einem quer zur Vortriebsrichtung sich erstreckenden Schrämwalzenaggregat ausgerüstet sind. Endlich kennt man Vollschnittmaschinen, die mit einem geeigneten Schneidkopf den gesamten Streckenquerschnitt auffahren, wobei mit Rollmeißeln und Schrämmeißeln gearbeitet wird.
  • Beim Vortrieb eines Tunnels in geologischen Formationen eines Gesteins mit Hartgesteinhindernissen treten Probleme auf, wenn die Werkzeuge, mit denen das spanende Abtragen des Gesteins erfolgt, auf ein Hartgesteinhindernis stoßen. Hartgesteinhindernis bezeichnet Bereiche in den geologischen Formationen, die von den Werkzeugen nicht oder kaum abgetragen werden können. Stößt der Tunnelvortrieb in der Ortsbrust auf ein oder in ein Hartgesteinhindernis, so müssen die Vortriebsarbeiten, für die die Tunnelvortriebsmaschine eingerichtet ist, unterbrochen werden, z.B. muß die Tunnelvortriebsmaschine aufwendig von der Ortsbrust zurückgenommen werden, und muß jedenfalls das Hartgesteinhindernis mit fremden Mitteln, die in die Tunnelvortriebsmaschine nicht integriert sind und mit dieser nicht in funktioneller Verschmelzung arbeiten, aufwendig entfernt werden.
  • In anderen Bereichen der Technik, ursprünglich in der Waffentechnik, kennt man sogenannte Hohlladungen (vgl. Zeitschrift "Glückauf" 128 (1992), Nr. 8, S. 623 bis 626). Hohlladungen werden auch zum Zertrümmern von Gesteinhindernissen eingesetzt, jedoch eher spärlich. Eine Integration der Hohlladungstechnologien in den Tunnelvortrieb ist nicht bekannt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Vortrieb eines Tunnels in geologischen Formationen eines Gestein mit Hartgesteinhindernissen anzugeben, welches auftauchende Hartgesteinhindernisse ohne großen Aufwand überwindet. Der Erfindung liegt fernerhin die Aufgabe zugrunde, Tunnelvortriebsmaschinen anzugeben, die für ein solches Verfahren besonders geeignet sind.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zum Vortrieb eines Tunnels in geologischen Formationen eines Gesteins mit Hartgesteinhindernissen, wobei die Kombination der folgenden Merkmale verwirklicht ist:
    • a) der Tunnelvortrieb wird richtungsgebend durch spanendes Abtragen des Gesteins der Ortsbrust des vorzutreibenden Tunnels mit Hilfe einer selbstfahrenden Tunnelvortriebsmaschine durchgeführt, die eine Gesteinsabfördereinrichtung aufweist,
    • b) die Tunnelvortriebsmaschine trägt zumindest eine Hohlladungslafette, die mit Hohlladungen beschickt wird,
    • c) bei Auftauchen eines Hartgesteinhindernisses in der Ortsbrust wird die Hohlladungslafette auf das Hartgesteinhindernis gerichtet und das Hartgesteinhindernis wird durch Hohlladungsbeschuß zertrümmert,
    wobei die Hohlladungen, der Abstand der Hohlladung von dem Hartgesteinhindernis bei der Detonation der Hohlladung (Sprengung) und die Hohlladungsdetonation so eingerichtet werden, daß das zertrümmerte Hartgestein mit Hilfe der Gesteinsabfördereinrichtung der Tunnelvortriebsmaschine abförderbar ist.
  • Die Erfindung nutzt die bekannte Tatsache, daß mit Hohlladungen sehr unterschiedliche Wirkungen erzielt werden können (vgl. Zeitschrift "Glückauf" l.c.). Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß durch geeignete Einstellung einer Hohlladung eine sehr definierte Zertrümmerung des Hartgesteins von Hartgesteinhindernissen so erreicht werden kann, daß das zertrümmerte Hartgestein mit Hilfe der ohnehin vorhandenen Gesteinsabfördereinrichtung der bei dem Tunnelvortrieb arbeitenden Tunnelvortriebsmaschine abgefördert werden kann. Die erforderliche, von der Gesteinshärte abhängige Einstellung der Hohlladung kann leicht experimentell ermittelt oder errechnet werden (vgl. Journal of Explosives and Propellants, R.O.C. - Taiwan 7, 9-24, 1991). Überraschenderweise kann stets so gearbeitet werden, daß das zertrümmerte Gestein mit Hilfe der ohnehin bei der Tunnelvortriebsmaschine verwirklichten Gesteinsabfördereinrichtung abgefördert werden kann. Im übrigen geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, daß die Tunnelvortriebsmaschine selbst das Einrichten der Hohlladungslafette auf das Hartgesteinhindernis bewirken oder zu diesem Einrichten beitragen kann, sei es mit dem Ausleger, sei es mit der gesamten Maschine.
  • Im einzelnen bestehen im Rahmen der Erfindung mehrere Möglichkeiten zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie zu dessen Optimierung. So kann mit einer Teilschnitt-Tunnelvortriebsmaschine gearbeitet werden, die zumindest einen verstellbaren Ausleger und an diesem einen Schneidkopf aufweist, wobei die Hohlladungslafette an dem Ausleger befestigt wird, und wobei die Hohlladungslafette mit Hilfe des Auslegers und erforderlichenfalls durch Umsetzen der Tunnelvortriebsmaschine auf das Hartgesteinhindernis gerichtet wird. Der Ausleger kann um eine horizontale und/oder um eine vertikale Achse verstellbar sein. Es versteht sich, daß die Hohlladungslafette auch an dem Ausleger verstellbar sein kann, beispielsweise um alle drei räumlichen Achsen. Auf diese Weise kann die Hohlladungslafette einfach und genau auf das Hartgesteinhindernis gerichtet werden. Außerdem besteht bei dieser Verfahrensweise die Möglichkeit, zumindest eine einseitig an der Tunnelvortriebsmaschine angeordnete Hohlladungslafette auf das Hartgesteinhindernis zu richten. Es kann aber auch mit einer Continuousminer-Tunnelvortriebsmaschine gearbeitet werden und zumindest eine einseitig an der Tunnelvortriebsmaschine angeordnete Hohlladungslafette auf das Hartgesteinhindernis gerichtet werden. Auch hier kann die Hohlladungslafette um alle drei räumlichen Achsen verstellbar sein. Sie kann außerdem durch Versetzen der Continuousminer-Tunnelvortriebsmaschine auf das Hartgesteinhindernis gerichtet werden. Im Rahmen der Erfindung kann fernerhin mit einer Vollschnitt-Tunnelvortriebsmaschine gearbeitet werden, die im Vollschnitt-Schneidkopf zumindest eine Abschußöffnung für eine Hohlladung und im Maschinengestell eine Hohlladungslafette aufweist, der die Abschußöffnung vorsetzbar ist, und wobei die Hohlladungslafette, bei gestopptem Schneidkopf, durch die Abschußöffnung auf das Hartgesteinhindernis gerichtet wird. - Die für das Einrichten der Hohlladungslafette erforderlichen Maßnahmen lassen sich mit den Hilfsmitteln der modernen Antriebs-, Getriebe- und Steuerungstechnik unschwer verwirklichen.
  • In allen Fällen ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß mit einer Tunnelvortriebsmaschine gearbeitet wird, die eine Einrichtung aufweist, mit der in der Ortsbrust erscheinende Hartgesteinhindernisse geortet werden können, wobei die Hohlladungslafette nach Maßgabe der Ortungsergebnisse gesteuert wird. Dabei können die Ortungsergebnisse einem Rechner zugeführt werden und von dem Rechner kann die Hohlladungslafette gesteuert werden. Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung werden von dem Rechner nach Maßgabe eines gesteinsabhängigen Programms die Hohlladungen, der Abstand der Hohlladungen von dem Hartgesteinhindernis bei der Detonation und die Hohlladungsdetonation eingerichtet. Die Hohlladungen werden der Hohlladungslafette zweckmäßigerweise automatisch zugeführt. Es versteht sich, daß die Hohlladungslafette nach Maßgabe des Gesteins des Hartgesteinhindernisses mit unterschiedlichen Hohlladungen beschickt wird.
  • Gegenstand der Erfindung sind auch Tunnelvortriebsmaschinen, die für das erfindungsgemäße Verfahren besonders geeignet sind. Diese werden im folgenden anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung
  • Fig. 1
    die Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Tunnelvortriebsmaschine in Form einer Teilschnitt-Tunnelvortriebsmaschine,
    Fig. 2
    eine Draufsicht auf den Gegenstand nach Fig. 1,
    Fig. 3
    in Seitenansicht eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Teilschnitt-Tunnelvortriebsmaschine,
    Fig. 4
    eine Draufsicht auf den Gegenstand nach Fig. 3,
    Fig. 5
    in Seitenansicht eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Teilschnitt-Tunnelvortriebsmaschine,
    Fig. 6
    eine Draufsicht auf den Gegenstand nach Fig. 5,
    Fig. 7
    die Seitenansicht einer Teilschnitt-Tunnelvortriebsmaschine entsprechend der Fig. 1, abgewandelt,
    Fig. 8
    eine Draufsicht auf den Gegenstand nach Fig. 7,
    Fig. 9
    eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Tunnelvortriebsmaschine in Form einer Continuousminer-Tunnelvortriebsmaschine,
    Fig. 10
    eine Draufsicht auf den Gegenstand nach Fig. 9,
    Fig. 11
    entsprechend der Fig. 8 eine Seitenansicht einer anderen Continuousminer-Tunnelvortriebsmaschine,
    Fig. 12
    eine Draufsicht auf den Gegenstand der Fig. 11,
    Fig. 13
    die Stirnseite einer Vollschnitt-Tunnelvortriebsmaschine und
    Fig. 14
    einen Schnitt in Richtung A-A durch den Gegenstand der Fig. 13.
  • Die in den Figuren dargestellten Tunnelvortriebsmaschinen besitzen stets ein Fahrwerk 1 und ein Maschinengestell 2, eine Schneidvorrichtung 3 zum Hereingewinnen des Gesteins und eine Gesteinsabfördereinrichtung 4. Diese besteht aus einer Ladeeinrichtung und dem eigentlichen Förderer.
  • Bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 bis 8 ist die Tunnelvortriebsmaschine eine Teilschnittmaschine und besitzt die Teilschnittmaschine ein selbstfahrendes Maschinengestell 2, zumindest einen verstellbaren Ausleger 5 und an diesem einen Schneidkopf 6, wobei an dem Ausleger 5 zumindest eine Hohlladungslafette 7 befestigt ist und wobei die Hohlladungslafette 7 mit Hilfe des Auslegers 5 auf das Hartgesteinhindernis einrichtbar ist. Durch Pfeile wurden die Bewegungsfreiheitsgrade der Hohlladungslafette 7 angedeutet, die das zielende Ausrichten der Hohlladungslafette 7 und damit der Hohlladung 8 ermöglicht. Bei der Ausführungsform nach den Fig. 7 und 8 sind zusätzlich an beiden Seiten des Maschinengestells 2 Hohlladungslafetten 7 angeordnet, die auf das Hartgesteinhindernis ausrichtbar sind, gegebenenfalls unter gleichzeitigem Umsetzen der Tunnelvortriebsmaschine.
  • Die Fig. 9 bis 12 zeigen Continuousminder-Vortriebsmaschinen, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders eingerichtet sind. An dem Maschinengestell 2 ist an beiden Seiten eine Hohlladungslafette 7 angeordnet und diese ist in der schon beschriebenen Weise auf das Hartgesteinhindernis ausrichtbar, erforderlichenfalls unter gleichzeitigem Umsetzen der Maschine.
  • In den Fig. 13 und 14 erkennt man eine Vollschnitt-Tunnelvortriebsmaschine. Hier ist im Vollschnitt-Schneidkopf 9 eine Abschußöffnung 10 für eine Hohlladung 8 angeordnet. Im Maschinengestell 2 befindet sich eine Hohlladungslafette 7, der die Abschußöffnung 10 vorgesetzt werden kann. Die Hohlladungslafette 7 kann durch die Abschußöffnung 10 auf das Hartgesteinhindernis gerichtet werden, und zwar nach Maßgabe des Spielraumes, den die Abschußöffnung 10 freigibt. Um die gesamte Ortsbrust mit Hohlladungen beschießen zu können, besteht die Möglichkeit, dem Vollschnitt-Schneidkopf 9 mehrere der Abschußöffnungen 10 und diesen Hohlladungslafetten 7 anzuordnen, und zwar so, daß praktisch jeder Punkt der Ortsbrust erreichbar ist. Nur angedeutet wurde, daß es möglich ist, Einrichtungen 11 vorzusehen, mit denen in der Ortsbrust erscheinende Hartgesteinhindernisse geortet werden, wobei die Hohlladungslafette 7 nach Maßgabe der Ortungsergebnisse steuerbar ist.

Claims (15)

  1. Verfahren zum Vortrieb eines Tunnels in geologischen Formationen eines Gesteins mit Hartgesteinhindernissen, wobei die Kombination der folgenden Merkmale verwirklicht ist:
    a) der Tunnelvortrieb wird richtungsgebend durch spanendes Abtragen des Gesteins der Ortsbrust des vorzutreibenden Tunnels mit Hilfe einer selbstfahrenden Tunnelvortriebsmaschine durchgeführt, die eine Gesteinsabfördereinrichtung aufweist,
    b) die Tunnelvortriebsmaschine trägt zumindest eine Hohlladungslafette, die mit Hohlladungen beschickt wird,
    c) bei Auftauchen eines Hartgesteinhindernisses in der Ortsbrust wird die Hohlladungslafette auf das Hartgesteinhindernis gerichtet und das Hartgesteinhindernis wird durch Hohlladungsbeschuß zertrümmert,
    wobei die Hohlladungen, der Abstand der Hohlladung von dem Hartgesteinhindernis bei der Detonation der Hohlladung (Sprengung) und die Hohlladungsdetonation so eingerichtet werden, daß das zertrümmerte Hartgestein mit Hilfe der Gesteinsabfördereinrichtung der Tunnelvortriebsmaschine abförderbar ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei mit einer Teilschnitt-Tunnelvortriebsmaschine gearbeitet wird, die zumindest einen verstellbaren Ausleger und an diesem einen Schneidkopft aufweist, wobei die Hohlladungslafette an dem Ausleger befestigt wird, und wobei die Hohlladungslafette mit Hilfe des Auslegers (und erforderlichenfalls durch Umsetzen der Tunnelvortriebsmaschine) auf das Hartgesteinhindernis gerichtet wird (Fig. 1 bis 8).
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei außerdem zumindest eine einseitig an der Tunnelvortriebsmaschine angeordnete Hohlladungslafette auf das Hartgesteinhindernis gerichtet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei mit einer Continuousminer-Tunnelvortriebsmaschine gearbeitet wird und zumindest eine einseitig an der Tunnelvortriebsmaschine angeordnete Hohlladungslafette auf das Hartgesteinhindernis gerichtet wird (Fig. 9 bis 12).
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei mit einer Vollschnitt-Tunnelvortriebsmaschine gearbeitet wird, die im Vollschnitt-Schneidkopf zumindest eine Abschußöffnung für eine Hohlladung und im Maschinengestell eine Hohlladungslafette aufweist, der die Abschußöffnung vorsetzbar ist, und wobei die Hohlladungslafette durch die Abschußöffnung auf das Hartgesteinhindernis gerichtet wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei mit einer Tunnelvortriebsmaschine gearbeitet wird, die eine Einrichtung aufweist, mit der in der Ortsbrust erscheinende Hartgesteinhindernisse geortet werden, und wobei die Hohlladungslafette nach Maßgabe der Ortungsergebnisse gesteuert wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Ortungsergebnisse einem Rechner zugeführt werden und von dem Rechner die Hohlladungslafette gesteuert wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei von dem Rechner nach Maßgabe eines gesteinsabhängigen Programms die Hohlladungen, der Abstand der Hohlladungen von dem Hartgesteinhindernis bei der Detonation und die Hohlladungsdetonation eingerichtet werden.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Hohlladungen der Hohlladungslafette automatisch zugeführt werden.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Hohlladungslafette nach Maßgabe des Gesteins des Hartgesteinhindernisses mit unterschiedlichen Hohlladungen beschickt wird.
  11. Teilschnitt-Tunnelvortriebsmaschine zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und unabhängig davon, die ein Fahrwerk (1), ein selbstfahrendes Maschinengestell (2), eine Schneidvorrichtung (3), eine Gesteinsabfördereinrichtung (4), einen verstellbaren Ausleger (5) und an diesem einen Schneidkopf (6) aufweist, wobei an dem Ausleger (5) zumindest eine Hohlladungslafette (7) befestigt ist und wobei die Hohlladungslafette (7) mit Hilfe des Auslegers (5) auf das Hartgesteinhindernis ausrichtbar ist.
  12. Teilschnitt-Tunnelvortriebsmaschine nach Anspruch 11, wobei an zumindest einer Seite des Maschinengestells (2) zusätzlich eine Hohlladungslafette (7) angeordnet und diese auf das Hartgesteinhindernis ausrichtbar ist.
  13. Continuousminer-Tunnelvortriebsmaschine zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und unabhängig davon, wobei an dem Maschinengestell (2) zumindest an einer Seite eine Hohlladungslafette (7) angeordnet und diese auf das Hartgesteinhindernis ausrichtbar ist.
  14. Vollschnitt-Tunnelvortriebsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und unabhängig davon, wobei im Vollschnitt-Schneidkopf (9) zumindest eine Abschußöffnung (10) für eine Hohlladung (8) und im Maschinengestell (2) eine Hohlladungslafette (7) angeordnet sind, welcher Hohlladungslafette (7) die Abschußöffnung (10) vorsetzbar ist, und wobei die Hohlladungslafette (7) durch die Abschußöffnung (10) auf das Hartgesteinhindernis ausrichtbar ist.
  15. Tunnelvortriebsmaschine nach einem der Ansprüche 11 bis 14, die eine Einrichtung (11) aufweist, mit der in der Ortsbrust erscheinende Hartgesteinhindernisse geortet werden, wobei die Hohlladungslafette (7) nach Maßgabe der Ortungsergebnisse steuerbar ist.
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