LU601241B1 - Ein Verfahren zur schadensfreien Gefrierbildung in einer druckneutralen Wartungsumgebung für Unterwasser-Schildvortriebsmaschinen - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart ein zerstörungsfreies Verfahren zur Bildung eines drucklosen Wartungsraums für eine Schildmaschine unter Wasser, das sich für Notfallreparaturen eignet, wenn keine baulichen Maßnahmen an der Oberfläche möglich sind. Wenn während des Schildvortriebs unvorhergesehene Ereignisse eintreten, die einen normalen Vortrieb unmöglich machen, und sich die Maschine in einer Umgebung ohne oberirdische Baufreiheit – wie z. B. unter Wasser – befindet, werden mehrere annähernd horizontale Gefrierrohre im Inneren der Schildmaschine verlegt. Diese nutzen die Injektionsöffnungen im Schildmantel sowie die in der Trennwand vorgesehenen Öffnungen und Ventile. Durch Zirkulation eines kryogenen Kältemittels entsteht vor dem Schneidkopf der Maschine ein Gefriervorhang.Dieser Gefriervorhang schützt gegen äußeren Wasser- und Bodendruck und gewährleistet die Abdichtung. Unter seinem Schutz werden die gefrorenen Böden im Bentonitlagerraum der Schildmaschine sowie im Bereich vor und hinter dem Schneidkopf entfernt, sodass ein druckloser Wartungsraum entsteht. Bei Bedarf können in dem freigelegten Wartungsbereich temporäre Stützkonstruktionen installiert werden, um die langfristige Stabilität der Wartungsumgebung sicherzustellen und damit eine ausreichend lange Wartungsdauer zu ermöglichen.

Description

Ein Verfahren zur schadensfreien Gefrierbildung in einer druckneutralen LU601241

Wartungsumgebung für Unterwasser-Schildvortriebsmaschinen

Technischer Bereich

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schaffung einer druckneutralen

Wartungsumgebung für Notfallreparaturen von Schildvortriebsmaschinen und ist im

Bereich des Schildvortriebs in wassergesättigten Weichbodenschichten anwendbar.

Technologie im Hintergrund

Beim Bau städtischer ~~ unterirdischer Infrastrukturen ist das

Schildvortriebsverfahren eine der am häufigsten verwendeten Methoden zum Bau von

Tunneln. Wenn während des Vortriebs Wartungsarbeiten an der Schildmaschine erforderlich sind, werden in der Regel Bodenverfestigungsmaßnahmen von der

Oberfläche oder Druckluftzugänge eingesetzt. Tritt jedoch eine unerwartete Störung auf, sodass die Maschine nicht an einem zuvor geplanten Haltepunkt angehalten werden kann, stehen an der Stelle des Stillstands häufig keine geeigneten

Bedingungen für oberirdische Bodenverfestigungen zur Verfügung — beispielsweise wenn sich der Haltepunkt unter Wasser befindet, etwa unter einem Meer oder Fluss.

In solchen Fällen ist eine Bodenverfestigung von der Wasseroberfläche aus nicht möglich. Gleichzeitig können für die Wartung erforderliche Arbeiten wie Schneiden oder Schweißen unter Druckbedingungen nicht über längere Zeiträume sicher durchgeführt werden. Daher ist es bei einem ungeplanten Stillstand der

Schildmaschine unter Wasser äußerst schwierig, eine druckneutrale

Wartungsumgebung zu schaffen — ein zentrales Problem im Schildvortriebsverfahren.

Inhalt der Erfindung

Um den Anforderungen der bestehenden Technik gerecht zu werden, wird ein beschädigungsfreies Gefrierverfahren zur Herstellung eines druckneutralen

Wartungsraums für Schildvortriebsmaschinen unter Wasser vorgeschlagen. Dabei werden vorhandene Reserveschächte wie Injektionsöffnungen, geologische

Sondierbohrungen oder Ventile im Inneren der stillgelegten Schildmaschine genutzt, um nahezu horizontale Gefrierrohre einzubauen. Durch die Zirkulation eines

Kältemittels mit niedriger Temperatur in den Gefrierrohren wird der umgebende

Boden vor dem Schneidkopf der Schildmaschine eingefroren, wodurch ein geschlossener Frostvorhang entsteht, der das Grundwasser vom Arbeitsraum isoliert.

Nach dem Ausheben des Raums innerhalb des Frostvorhangs entsteht ein druckneutraler Wartungsbereich im Inneren der Schildmaschine, der die

Durchführung von Wartungsarbeiten wie SchweiB- oder Schneidearbeiten an

Schneidkopf und interner Struktur über längere Zeit ermöglicht.

Zur Umsetzung des technischen Ziels wurde ein zerstorungsfreies

Gefrierverfahren zur Herstellung eines druckneutralen Wartungsumfelds für

Unterwasser-Schildvortriebsmaschinen entwickelt. Das Verfahren nutzt mehrere nahezu horizontale Gefrierrohre, die durch vorhandene Öffnungen im Schild (z. B.

Injektionsöffnungen, geologische Sondierbohrungen oder Durchgangsventile) installiert werden. Durch Zirkulation eines Kältemittels in den Rohren wird das umgebende Erdreich eingefroren und ein geschlossener Frostvorhang vor dem

Schneidkopf der Schildmaschine gebildet, der dem Boden- und Wasserdruck standhält.

Nach dem Entfernen der gefrorenen Erde vor und hinter dem Schneidkopf entsteht ein LU601241 geschützter Wartungsraum im Normaldruckbereich, der es dem Wartungspersonal erlaubt, Reparaturen wie Werkzeugwechsel, Getriebewartung, Demontage interner

Komponenten oder Dichtungserneuerung am Hauptantrieb durchzuführen — alles unter atmosphärischen Bedingungen mit Anwendung von offenen Flammen.

Darüber hinaus wird das gesamte Gefriersystem intern montiert, ohne dass

Bauarbeiten an der Oberfläche erforderlich sind. Die Positionierung der Gefrierrohre erfolgt ausschließlich über bereits vorhandene Öffnungen wie Injektionskanäle am

Schildkörper, geologische Bohrungen oder Durchgangsventile an den Trennwänden, sodass keine strukturellen Schäden an der Maschine verursacht und die

Vortriebseigenschaften nach der Wartung nicht beeinträchtigt werden.

Zusätzlich kann die Anzahl der eingesetzten Gefrierrohre durch Nutzung aller verfügbaren Öffnungen maximiert werden, um den Abstand zwischen den Rohren zu verringern. Dies beschleunigt den Gefrierprozess und verkürzt die Zeit zur Bildung eines geschlossenen Frostvorhangs. Falls nur wenige Öffnungen vorhanden sind und somit größere Rohrabstände bestehen, kann die Gefrierzeit verlängert oder auf besonders tiefe Gefrierverfahren wie Flüssigstickstoff zurückgegriffen werden, um die notwendige Frostsicherheit zu erreichen. Alternativ können auch zusätzliche

Gefrierrohre durch Modifikation von Trennwänden innerhalb der Maschine installiert werden, um die Gefrierrohrabstände weiter zu reduzieren und die Gefrierzeit zu verkürzen.

Darüber hinaus besteht die Hauptfunktion des vor dem Schildkopf gebildeten

Frostvorhangs darin, den äußeren Wasser- und Erddruck aus dem umgebenden

Baugrund auszugleichen und das Eindringen von Wasser zu verhindern, um somit einen druckneutralen Wartungsraum zu schaffen. Der Umfang des Frostvorhangs sollte daher in Abhängigkeit vom hydrostatischen und geostatischen Druck im Boden dimensioniert werden. Gegebenenfalls können temporäre Stützkonstruktionen rund um den Wartungsraum errichtet werden, um Verformungen des Frostvorhangs zu kontrollieren und ein langandauerndes druckneutrales Wartungsumfeld zu gewährleisten.

Die konkreten Verfahrensschritte lauten wie folgt: a. Nach dem Stillstand der Schildmaschine werden mehrere nahezu horizontale

Gefrierrohre über die vorhandenen Öffnungen im Inneren der Maschine eingebaut. b. In den Gefrierrohren wird ein Kältemittel wie Salzlösung oder flüssiger

Stickstoff zirkuliert, um das umgebende Erdreich einzufrieren und so vor dem

Schildkopf einen geschlossenen Frostvorhang zu bilden. c. Unter dem Schutz des Frostvorhangs wird der gefrorene Boden vor und hinter dem Schneidkopf ausgehoben, wodurch ein druckneutraler Wartungsraum entsteht. d. In den Wartungsraum können anschließend Arbeiter eintreten und Reparaturen an den internen Komponenten der Schildmaschine durchführen. e. Nach Abschluss der Wartungsarbeiten wird der Kühlkreislauf gestoppt, die

Gefrierrohre werden entfernt, und der normale Vortrieb der Schildmaschine kann wieder aufgenommen werden.

Vorteile dieses Verfahrens:

Durch den durch das Einfrieren geschaffenen Frostvorhang kann ein druckfreier LU601241

Raum zur Verfügung gestellt werden, der langfristige Wartungsarbeiten ermöglicht und in dem auch Schweiß- oder Schneidarbeiten (also Arbeiten mit offener Flamme) unter Normaldruck durchgeführt werden können. Der gesamte Prozess — Bohren,

Gefrieren, Wartung — findet vollständig im Inneren der Schildmaschine statt, ohne dass eine externe Baustelleninfrastruktur notwendig ist. Dies macht das Verfahren besonders geeignet für Reparaturarbeiten bei Stillstand unter Wasser.Zudem erfolgt die Installation der Gefrierrohre über bereits vorhandene Öffnungen, sodass die

Struktur und Funktion der Schildmaschine nicht beeinträchtigt werden. Nach

Abschluss der Wartung kann der reguläre Vortrieb sofort wieder aufgenommen werden, ohne dass zusätzliche Maßnahmen an der Maschine erforderlich sind.

Dadurch werden Baukosten gespart und die Wiederaufnahme des Schildvortriebs erheblich beschleunigt — mit entsprechend positiven sozialen und wirtschaftlichen

Effekten.

Beschreibung der beigefügten Zeichnungen

Bild 1 zeigt eine schematische Darstellung des Prozesses zur zerstörungsfreien

Bildung einer druckneutralen Wartungsumgebung bei einer Schildvortriebsmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.Bild 2 zeigt die

Anordnung der Gefrierrohre auf dem Querschnitt der Bohröffnungen.

Legende: 1 — Schildvortriebsmaschine, 2 — Gefrierrohr, 3 — Innere Trennwand, 4 — Schneidkopf der Schildmaschine, 5 — Wartungsraum, 6 — Gefrierfront, 11 —

Schildgehäuse, 21 — Gefrierrohr, angeordnet in den vorderseitigen

Injektionsoffnungen des Schildgehäuses, 22 — Gefrierrohr, angeordnet in den vorgesehenen Offnungen der inneren Trennwand, 23 — Gefrierrohr, angeordnet an den

Ventilpositionen der inneren Trennwand.

Detaillierte Beschreibung

Nachstehend wird in Verbindung mit den Zeichnungen ein weiteres detailliertes

Beispiel für die Ausführungsform der Erfindung erläutert:

Wie in Bild 1 dargestellt, betrifft die Erfindung ein Zerstôrungsfreies

Gefrierverfahren zur Bildung eines drucklosen Wartungsraums für Schildmaschinen unter Wasser. Es ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Schildmaschine (1) aufgrund eines vorübergehenden Ausfalls stoppt, wobei sich die Stillstandsposition unter

Wasser befindet — etwa unter einem Fluss oder Meer — und keine Möglichkeit für eine oberirdische Bodenkonsolidierung besteht. In solchen Fällen kann nur eine

Druckluft-Vorkammer genutzt werden, um die interne Struktur der Schildmaschine zu überprüfen. Sobald jedoch Schneid-, SchweiB- oder Demontagearbeiten erforderlich sind, ist dies in einem unter Druck stehenden geschlossenen Raum nicht môglich — daher ist das in der Erfindung vorgeschlagene Verfahren notwendig.

Nach dem Stillstand der Schildmaschine (1) werden mehrere nahezu horizontale

Gefrierrohre (2) durch vorhandene Öffnungen in der inneren Trennwand (3) der

Maschine verlegt. Die Länge der Gefrierrohre richtet sich nach dem erforderlichen

Gefrierbereich, ihre Anzahl nach den verfügbaren Öffnungen in der

Schildmaschine (1). Je mehr Gefrierrohre (2) verlegt werden, desto geringer ist der

Abstand zwischen ihnen und desto schneller bildet sich die Gefrierfront — was dem gesamten Bauablauf zugutekommt. LU601241

In den Gefrierrohren (2) wird eine niedrigtemperierte Kühlflüssigkeit wie Sole oder Flüssigstickstoff zirkuliert. Diese entzieht dem Erdreich Wärme und gefriert den

Boden. Dadurch entsteht vor dem Kopf der Schildmaschine (1) eine geschlossene

Gefrierfront (6), die den hydraulischen Kontakt zwischen dem Inneren der

Schildmaschine und dem umliegenden Erdreich unterbindet.

Unter dem Schutz der Gefrierfront (6) wird der gefrorene Boden vor und hinter dem Schneidkopf (4) entfernt, wodurch ein Wartungsraum (5) für die Schildmaschine geschaffen wird. Da die Gefrierfront (6) den äußeren Wasser- und Bodendruck ausgleicht, herrscht im Wartungsraum ein druckloser Zustand. Arbeiter können somit durch die Einstiegsöffnung der Schildmaschine sicher in den Innenraum gelangen und dort über längere Zeit Schweiß- oder Schneidarbeiten durchführen. Wenn die Wartung längere Zeit in Anspruch nimmt, können im Bereich des Wartungsraums (5) temporäre Stützen errichtet werden, um die Gefrierfront (6) zu stabilisieren,

Verformungen zu kontrollieren und deren strukturelle Integrität sicherzustellen.

Unter Ausnutzung der drucklosen Wartungsbedingungen im Wartungsraum (5), wird nach Abschluss der Wartung an der Schildmaschine (1) die Zirkulation des

Kühlmittels in den Gefrierrohren (2) gestoppt und die Gefrierrohre (2) werden entfernt, sodass der normale Vortrieb der Schildmaschine wieder aufgenommen werden kann.

Während der Bauarbeiten können die Verlegeparameter der Gefrierrohre je nach den tatsächlichen Bedingungen angepasst werden. Falls erforderlich, können zusätzliche Bohrungen in der inneren Trennwand (3) der Schildmaschine (1) vorgenommen werden, um weitere Gefrierrohre zu installieren, die die Gefrierzeit verkürzen und die Gefrierbarkeit des umliegenden Bodens verbessern. Nach

Abschluss der Gefrierarbeiten wird die Trennwand durch SchweiBarbeiten instandgesetzt, sodass die normale Funktion des Schildvortriebs wiederhergestellt wird. Das gesamte Verfahren zur zerstôrungsfreien Bildung eines drucklosen

Wartungsraums für die Schildmaschine erfolgt vollständig innerhalb der Maschine selbst. Es ist nicht notwendig, die Umgebung zu berücksichtigen oder die Arbeiten im

Voraus zu planen. Diese Methode eignet sich daher besonders zur Lösung von

Notfällen, die während des Schildvortriebs unerwartet auftreten. Zudem beeinträchtigt der gesamte Prozess nicht die strukturelle Integrität der Schildmaschine, was bedeutende wirtschaftliche und gesellschaftliche Vorteile mit sich bringt.

Claims (1)

Ansprüche LU601241

1.Ein zerstörungsfreies Verfahren zur Bildung eines drucklosen Wartungsraums für eine Schildmaschine (1) unter Wasser, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere 5 annähernd horizontale Gefrierrohre (2) im Inneren der Schildmaschine (1) unter Ausnutzung der in der inneren Trennwand (3) der Schildmaschine (1) vorgesehenen Öffnungen und Ventile verlegt werden; durch die Zirkulation von flüssigem Stickstoff oder anderen kryogenen Kältemitteln in den Gefrierrohren (2) wird vor der Schildmaschine (1) ein Gefriervorhang (6) gebildet, der den Kopfbereich der Schildmaschine (1) umschließt; mithilfe des Gefriervorhangs (6) wird der äußere Wasser- und Bodendruck abgefangen, und nach dem Entfernen des gefrorenen Bodens vor und hinter dem Schneidrad (4) der Schildmaschine entsteht ein druckloser Wartungsraum (5) der Schildmaschine (1); nach Durchführung der Wartungsarbeiten an den internen Strukturen der Schildmaschine (1) wird das Einfrieren beendet, die Gefrierrohre (2) werden entfernt und der normale Vortrieb der Schildmaschine (1) wird wieder aufgenommen. Die Verlegung der Gefrierrohre im Inneren der Schildmaschine erfolgt unter Nutzung der vorgesehenen Öffnungen und Ventile, sodass die Bohrarbeiten die Struktur der Schildmaschine (1) nicht beschädigen. Anzahl, Abstand, Position und Länge der Gefrierrohre (2) werden entsprechend dem erforderlichen Umfang des Gefriervorhangs (6) angepasst. Die Größe des Wartungsraums (5) vor dem Schneidrad (4) richtet sich nach dem Wartungsbedarf der Schildmaschine (1), während der Umfang des Gefriervorhangs (6) gemäß dem Durchmesser, der Einbautiefe und dem geplanten Umfang des Wartungsraums (5) der Schildmaschine (1) bestimmt wird.