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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der geologischen Lagerungsdichte
und zur Detektion von Hohlräumen
im Bereich eines Vortriebstunnels, der durch eine Mehrzahl von nacheinander angeordneten
Tunnelrohrabschnitten gebildet wird, die hinter einer Vortriebsmaschine
angeordnet sind.
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Beim
Vortrieb eines Tunnels, beispielsweise im Lockergestein oder sandigen
Böden,
können durch
das Abbauwerkzeug Hohlräume
unmittelbar über
der Vortriebsmaschine verursacht werden. Diese sind für das Bedienungspersonal
der Tunnelbohrmaschine nicht oder nur kaum erkennbar. Es entsteht hierdurch
ein erhebliches Risiko der Nachsackung oder Setzung des über dem
Vortriebstunnel befindlichen Geländes,
so dass eine erhebliche Einsturzgefahr der Bodenoberfläche und
den darauf gegebenenfalls befindlichen Baukörpern resultiert.
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Aus
dem Stand der Technik sind verschiedene Messvorrichtungen und -verfahren
zur Bestimmung der geologischen Lagerungsdichte und zum Auffinden
von Hohlräumen
im Erdreich bekannt. Diese nutzen direkte oder indirekte Messmethoden,
die zum einen von der Erdoberfläche
und zum anderen von einer Tunnelinnenseite aus eingesetzt werden können.
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Sondierungsbohrungen
sind eine sehr zuverlässige,
wenngleich kostenintensive und zeitaufwendige direkte Messmöglichkeit
der geologischen Bodenbeschaffenheit.
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Daneben
ermöglichen
indirekte Methoden wie Rammsondierungen, bei denen eine Sonde durch
einen Rammbären
mit gleichbleibender Fallhöhe
in den Untergrund getrieben wird, sowie Drucksondierungen, bei denen
ein Sondenstab durch eine statische Kraft mit möglichst gleichbleibender Geschwindigkeit
in den Boden eingedrückt
wird, eine Bodensondierung, von der Erdoberfläche aus. Innerhalb eines Tunnels
oder Bohrlochs ermöglichen
Breitendrucksondierungen die Bestimmung des Steifemoduls (Elastizitätsmoduls)
des umliegenden Erdreichs und Gesteins.
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Diese
mechanischen Sondierungsmethoden sind im Vortriebstunnelbau vor
dem Hintergrund einer genügend
hohen Sondierungsgenauigkeit nur mit einem erheblichen technischen
und wirtschaftlichen Aufwand einsetzbar und sind von der Erdoberfläche aus
angewendet oftmals nicht in der Lage, Hohlräume, Wassereinschlüsse, Lunker
oder Lockerungen oberhalb des Vortriebstunnels zu erkennen.
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Ferner
sind aus dem Stand der Technik geophysikalische Verfahren bekannt,
die eine indirekte Lagerungsdichtemessung und Hohlraumdetektion gestatten.
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Hierzu
zählen
seismische Methoden, die die Fortpflanzgeschwindigkeit oder die
Reflexion seismischer Wellen beim Durchgang durch das Erdreich messen.
Geoelektrische und geomagnetische Methoden beruhen auf der Analyse
der elektrischen oder magnetischen Eigenschaften des umliegenden Erdreichs
und Gesteins. Daneben kommen auch Radarsondierungsmethoden zum Einsatz,
die die geologische Beschaffenheit durch Abstrahlung elektromagnetischer
Impulse in den Untergrund und der Erfassung ihrer Reflexion analysieren.
Diese geophysikalischen Verfahren erfordern den Einsatz von kostspieligen
Messgeräten
und deren Bedienung durch fachkundiges Personal. Sie liefern im
allgemeinen nur globale Aussagen über die Bodenbeschaffenheit und
können
nur in seltenen Fällen
derart genaue Bodenanalysen liefern, wie sie für den Vortriebstunnelbau notwendig
sind.
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Aus
der
US 4 367 647 geht
ein statisches Penetrometer hervor, das in einem zylindrischen Teilbereich
der Spitze eines Bohrkopfs angeordnet ist. Dieses umfasst einen
horizontal angeordneten Sondierstab, der mittels eines Flüssigkeitszylinders
tangential vom Bohrkopf nach außen
gedrückt
werden kann, wobei eine Messvorrichtung zum einen die Ausfahrlänge des
Zylinders, zum anderen den Pressdruck erfassen kann.
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In
der
DE 2 131 471 A wird
eine Vorrichtung beschrieben, die auf der Oberseite eines Bodens
verankert wird, dessen Eigenschaften untersucht werden sollen. Die
Vorrichtung zur Bodensondierung umfasst eine Sonde, die als hydraulische
Sondierstange ausgebildet sein kann, und die mithilfe eines Druckzylinders
in den Boden hineingepresst werden kann.
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Die
DE 2 048 615 A offenbart
eine Vorrichtung zur Untersuchung der mechanischen Eigenschaften
des Erdbodens, wobei die Vorrichtung axial und in Bohrrichtung ein
Bohrwerkzeug oder Bohrmeißel
untergebracht ist. Diese Sondierungsvorrichtung ermöglicht die
Untersuchung von zu durchbohrendem Gestein, ohne dass das Bohrwerkzeug
aus dem Bohrloch herauszuziehen ist, in dem eine Sondierstange in
Bohrrichtung über
eine zentrale Bohrung des Bohrwerkzeugs in den Boden hineingetrieben werden
kann.
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Nachteilig
an den oben beschriebenen Sondiermethoden im Tunnelbau ist, dass
die Messvorrichtungen in den meisten Fällen sehr kostspielig sind,
sowie ihr Einsatz mit einem hohen Zeit und Kostenaufwand verbunden
ist. Darüber
hinaus können sie
zumeist die durch die Vortriebsmaschine verursachten Hohlräume nicht
oder nur ungenau erkennen. Ihr Einsatz ist in vielen Fällen so
zeitaufwendig, dass der Schaden durch die Hohlraumentstehung bereits
eingetreten ist, bevor die Messung zuverlässige Daten liefert.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik ist es daher die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem eine einfache kostengünstige,
zuverlässige
und zeitersparende Detektion von Hohlräumen und Untersuchung der geologischen
Lagerungsdichte im Vortriebstunnelbau ermöglicht wird.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren nach der Lehre des Anspruchs 1
gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Messung der geologischen Lagerungsdichte und zur Detektion von
Hohlräumen
umfasst die folgenden Verfahrensschritte:
- 1.
Ausfahren einer Sonde während
eines Vortriebsstillstandes der Vortriebsmaschine durch eine Sondenaustrittsöffnung in
der Wand eines Tunnelrohrabschnitts.
- 2. Ermittlung des von der Sonde zu überwindenden Widerstands, der
Presskraft und/oder des Verfahrwegs der Sonde mittelbar oder unmittelbar über eine
Messvorrichtung.
- 3. Einfahren der Sonde durch die Sondenaustrittsöffnung in
eine Position, in der die Sonde nicht über die Außenwand des Tunnelrohrabschnitts
hinausragt.
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Mit
anderen Worten kann das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren
bei jedem Vortriebsstillstand, der beispielsweise beim weiteren
Ansetzen eines Tunnelrohrabschnitts im Bauschacht erforderlich ist,
angewendet werden. Bei einem Vortriebsstillstand fährt die
Sonde aus und die Messeinrichtung bestimmt die notwendige Presskraft
und/oder den möglichen
Verfahrweg. Nach der Ermittlung der Messergebnisse wird die Sonde
mittels der Antriebsvorrichtung wieder eingefahren.
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Dieses
Verfahren ermöglicht
somit eine sequenzielle Abfolge von Messungen, die im Abstand des
Vortriebsstillstandes vorgenommen werden können. Bei Bedarf lässt sich
die Messungsgenauigkeit durch eine Verringerung der Vortriebsabstände erhöhen. Durch
das Einfahren der Sonde während
eines Vortriebs wird der Sondenkopf vor Beschädigungen geschützt.
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Eine
Messvorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens der Erfindung weist mindestens eine Sonde auf, die
im Wesentlichen in einem hinter der Vortriebsmaschine angeordneten
Tunnelrohrabschnitt angeordnet ist. Des Weiteren umfasst eine Vorrichtung
zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
eine Antriebsvorrichtung, mit der die Sonde durch mindestens eine
in der Außenwand
des im Tunnelrohrabschnitts angeordneten Sondenaustrittsöffnung in
das umgebende Erdreich oder Lockergestein verfahrbar ist, und eine
Messvorrichtung, mit welcher der von der Sonde zu überwindende
Widerstand, die Presskraft und/oder der Verfahrweg der Sonde mittelbar
oder unmittelbar erfassbar ist.
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Mit
anderen Worten dient diese Vorrichtung der Drucksondierung des umliegenden
Gesteins im Tunnelrohr. Hierbei kann die Sonde beispielsweise durch
eine statische Kraft, die von der Antriebsvorrichtung aufgebracht
wird, in möglichst
gleichbleibender Geschwindigkeit in das Erdreich oder Gestein gedrückt werden.
Die Messvorrichtung dient hierbei zur Messung des Druckwiderstands
bei Überwindung
eines definierten Verfahrwegs bzw. dem Verfahrweg bei Ausübung einer
definierten Presskraft. Der gemessene Sondierungsdruck bzw. Verfahrweg
dient der Charakterisierung der Lagerungsdichte und ermöglicht die
Detektion von Hohlräumen,
Wassereinschlüssen
oder Lunkern.
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Der
Ort, an dem die Sonde innerhalb des Tunnels angebracht wird, ist
grundsätzlich
beliebig wählbar.
Jedoch bietet sich die vorteilhafte Anordnung der Sonde unmittelbar
hinter der Vortriebsmaschine an, um Hohlräume, die von der Vortriebsmaschine
verursacht werden, direkt in räumlicher
Nähe ihrer
Verursachung zu detektieren, um rechtzeitig vor dem Nachsacken der
Geländeoberkante
Gegenmaßnahmen
einleiten zu können.
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Im
Allgemeinen entstehen durch das Abbauwerkzeug verursachte Hohlräume vor
allem im Firstbereich des Tunnels. Aus diesem Grund empfiehlt sich
eine bevorzugte Anordnung der Sondenaustrittsöffnung im Deckenbereich des
Tunnels. Grundsätzlich
und ohne den Boden der Erfindung zu verlassen sind jedoch auch Sondenaustrittsöffnungen
und damit Messungen in alle Richtungen des Tunnelmantels denkbar.
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Nach
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird die Sonde als Sondierstange ausgebildet, so dass eine einfache,
beispielsweise vertikale Antriebsvorrichtung zum Ausfahren der Sonde
verwendet werden kann. Solch eine Sondenausführung ermöglicht eine besonders einfache
und kostengünstige
Konstruktion der Sondenantriebs- und Messvorrichtung.
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Im
Allgemeinen weist das den Tunnel umgebende Gestein und Erdreich
eine hohe Feuchtigkeitskonzentration auf. Darüber hinaus kann in Hohlräumen Wasser
eingeschlossen sein. Um ein Eindringen von Feuchtigkeit, aber auch
von Sand oder Lockergestein durch die Sondenaustrittsöffnung zu
verhindern, ist im Bereich der Sondenaustrittsöffnung mindestens eine Dichtvorrichtung
vorgesehen. Diese Dichtvorrichtung schützt das Tunnelinnere vor dem Eindringen
von Grundwasser und Erdreich.
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Die
Ausformung dieser Dichtvorrichtung ist grundsätzlich beliebig. Jedoch lässt gerade
die Anwendung einer verschiebbaren Sonde eine vorteilhafte Ausformung
der Dichtvorrichtung als Lippendichtung zu.
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Die
Anordnung der Dichtvorrichtung und der Sondenaustrittsöffnung in
der Tunnelhülle
ist grundsätzlich
beliebig. Jedoch erzeugt der Vortrieb der Tunnelrohrabschnitte an
der Außenfläche des
Tunnels erhebliche Reibung und dadurch eine Abnutzung der Tunnelmanteloberfläche. Um
eine langlebige und zuverlässige
Abdichtung der Sondenaustrittsöffnung zu
gewährleisten,
ist eine radiale Versetzung der Dichtvorrichtung gegenüber der
Außenumfangsfläche des
Tunnelrohrabschnitts besonders vorteilhaft. Hierdurch wird der Vortriebs-
und Gesteinsdruck auf die Dichtvorrichtung erheblich vermindert.
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Eine
solche vorteilhafte Ausgestaltung der radial nach innen gerichteten
Versetzung der Dichtvorrichtung kann beispielsweise durch eine becher- oder rohrabschnittsförmige Buchse
erreicht werden, die in einer die Wand des Tunnelrohrabschnitts durchgreifende Öffnung angeordnet
ist. Solch eine Buchse lässt
sich leicht nach dem Fertigen der Tunnelrohrabschnitte nachträglich in
die Außenwand
eines Tunnelrohrabschnitts einsetzen.
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Die
Buchse kann nach einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel
in der Öffnung
entfernbar angeordnet werden. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit,
nach Detektion eines Hohlraums die Buchse zu entfernen und durch
die Öffnung
hindurch Füllmaterial,
z.B. Spritzbeton oder ähnliches
in den Hohlraum zu füllen
und ihn damit zu verschließen. Auch
lässt sich
nach Beendigung des Vortriebstunnelbaus die Buchse entfernen, sie
kann somit wiederverwendet werden und in die sie hinterlassende Öffnung kann
eine Abdichtung des Tunnelrohrabschnittes, beispielsweise ein Deckel,
eingesetzt werden.
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Nach
einem weiteren Ausführungsbeispiel kann
die Dichtvorrichtung in einer radialen Vertiefung angeordnet werden,
die in der Mantelfläche
des Tunnelrohrabschnitts eingelassen ist. Hierdurch ergibt sich
eine kostensparende Versenkmöglichkeit
der Dichtvorrichtung, wobei die Sondenaustrittsöffnung schon bei der Produktion
des Tunnelrohrabschnitts vorgesehen werden kann.
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Nach
Abschluss der Tunnelbauarbeiten ist beispielsweise eine Verschlussmöglichkeit
der Sondenaustrittsöffnung
bzw. der Buchsenöffnung
vorzusehen. Diese dichtet den Tunnelrohrabschnitt zuverlässig gegen
Feuchtigkeit oder dem Eindringen von Erdreich ab.
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Die
Antriebsvorrichtung zum Verfahren der Sonde kann prinzipiell beliebig
ausgeführt
werden. Nach einem ganz besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist die Antriebsvorrichtung als elektrischer, insbesondere elektromechanischer,
hydraulischer oder pneumatischer Antrieb ausgebildet. Hierdurch
lässt sich
das Verfahren der Sonde von einem Führungsstand steuern, wobei
die Antriebsvorrichtung mithilfe einer elektrischen, hydraulischen
oder pneumatischen Versorgungsleitung mit Energie versorgt werden
kann bzw. diese Energie aus der Energieversorgung des Vortriebsantriebs
entnommen werden kann. Solche Antriebe sind in solider Ausführung bereits
kostengünstig
auf dem Markt in jeder Ausführung
und Leistungsfähigkeit
erhältlich
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Nach
einem weiteren Ausführungsbeispiel können die
von der Messvorrichtung ermittelten Messwerte mittels einer elektrischen
oder elektronischen Auswerteeinrichtung ausgewertet werden. Eine
solche Ausgestaltung bietet neben einer einfachen Verarbeitbarkeit
von elektrischen Messsignalen den Vorteil einer einfachen Protokollierbarkeit
der Messergebnisse und einer einfachen Anschlussmöglichkeit
an ein optisches oder akustisches Warngerät.
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Generell
kann sich diese Auswerteeinrichtung an einer beliebigen Stelle befinden.
Nach einer vorteilhaften Ausführung
ist die Auswerteeinrichtung im Führungstand
der Vortriebsbohrmaschine angebracht. Sie kann dem Maschinenfahrer
unmittelbar wertvolle Hinweise auf die Beschaffenheit des Bodens
anzeigen, und hierdurch den weiteren Ablauf der Tunnelbauarbeiten
bestimmen.
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Das
Verfahren kann eine Übertragung
der Signale der Messvorrichtung über
Signalleitungen an eine außerhalb
des Tunnels angeordnete Auswerteeinrichtung vorsehen. Die Signalleitung
kann parallel zu den Versorgungsleitungen der Tunnelbohrmaschine
verlegt sein und gewährleistet
eine zuverlässige und
einfache Übertragung
der Messergebnisse.
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Das
Verfahren kann daneben auch eine modulierte Übertragung der elektrischen
Signale der Messvorrichtung über
die Versorgungs- oder Steuerleitungen der Vortriebsmaschine vorsehen.
Hierdurch sind keine zusätzlichen
Steuerleitungen notwendig, Daten der Messeinrichtung können über die bereits
vorhandenen elektrischen Leitungen der Tunnelbohrmaschine übertragen
werden. Dieses Übertragungsverfahren
minimiert die Störanfälligkeit
der Datenübertragung.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand lediglich Ausführungsbeispiele
zeigender Zeichnungen näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 in
schematischer Darstellung im Längsschnitt
durch einen Vortriebstunnel den Einsatz der Messvorrichtung im Tunnelbauvorhaben;
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2 in
einer der 1 entsprechenden Darstellung
den Vortriebstunnelkopf mit der Messvorrichtung;
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3 in
schematischer Darstellung einen Querschnitt entlang der Schnittlinien
B-B durch die in 2 gezeigte Messvorrichtung;
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4 in
vergrößerter Darstellung
die Sondenaustrittsöffnung
gemäß des Ausschnitts
C der 3;
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5 in
entsprechend der 4 gezeigten vergrößerten Darstellung
ein weiteres Ausführungsbeispiel
einer Sondenaustrittsöffnung
in Form einer Vertiefung der Mantelfläche des Tunnelrohrabschnitts
eingelassenen Sondenaustrittsöffnung.
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In 1 ist
in schematischer Darstellung der Einsatz einer Messvorrichtung in
einem Tunnelbauvorhaben gezeigt. Die Vortriebsmaschine 05 ist über eine
Steuer- und Versorgungsleitung 07, die durch den Vortriebstunnel 04 verlegt
ist, über
eine Grube oder einen Schacht 01 an den Führungsstand 02 der Tunnelbohrmaschine
angeschlossen. Die Steuer- und
Versorgungsleitung 07 wird von der dargestellten Messvorrichtung
verwendet, um die gemessenen Sondendruckkräfte an die Auswerteeinrichtung 03 im Führungsstand 02 zu übermitteln.
Die Messvorrichtung befindet sich im Tunnelrohrabschnitt 06 direkt hinter
der Vortriebsmaschine 05. Hierbei ist die Sonde 09 als
vertikaler Sondierstab ausgebildet. Oberhalb des Firstbereichs 11 des
Vortriebstunnels sind Wassereinschlüsse, Lunker und Hohlräume 08 schematisch
dargestellt, wie sie typischerweise durch den Vortrieb des Abbauwerkzeugs
entstehen können.
Die Sonde 09 tritt aus der Sondenaustrittsöffnung 10 aus und
detektiert Hohlräume
durch ein Ausfahren des Sondierstabs.
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Der
Ausschnitt A der 1 ist in 2 vergrößert dargestellt.
Der Vortriebstunnelkopf besteht aus dem Abbauwerkzeug 18 und
dem Vortriebsantrieb 19. Unmittelbar hinter der Tunnelbohrmaschine befindet
sich die Messvorrichtung. Diese Messvorrichtung umfasst die Antriebsvorrichtung 15,
die Messeinrichtung 16 sowie die Gestängeführung 17 und eine
vertikal ausgebildete Sondierstange 12. Durch eine Sondenaustrittsöffnung,
die durch eine Dichtvorrichtung abgedichtet ist, verfährt die
Antriebsvorrichtung 15 mit Hilfe der Gestängeführung 17 die
Sondierstange 12 einen Verfahrweg 13. Die durch
die Messvorrichtung 16 aufgenommenen Messdaten über den
Verfahrweg bei definierter Presskraft oder Presskraft bei definiertem
Fahrweg werden mithilfe einer Signalleitung 14 an den Führungsstand 02 übermittelt.
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In 3 ist
ein transversaler Schnitt durch die Messvorrichtung, die in 2 dargestellt
ist, gezeigt. Die skizzenhafte Schnittdarstellung zeigt die räumliche
Anordnung der Antriebsvorrichtung 15 und der Messeinrichtung 16 sowie
der Gestängeführung 17 aus
einer geänderten
Perspektive. Die Sondenaustrittsöffnung 21 weist
dabei eine Dichtvorrichtung 20 auf, durch die die Sondierstange 12 ausgefahren werden
kann. Die Sondierstange ist hierbei im eingefahren Zustand 23 sowie
gepunktet im ausgefahren Zustand 22 gezeigt.
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4 zeigt
einen vergrößerten Ausschnitt der
Sondenaustrittsöffnung,
der in 3 mit C gekennzeichnet ist. Die vergrößerte Darstellung
der Sondenaustrittsöffnung
zeigt hierbei eine Sondenaustrittsbuchse 25, in der die
vertikale Sondierstange durch eine Buchsenabdichtung 24 austritt.
Die Zeichnung zeigt hierbei die Sondierstange 12 sowohl
im eingefahrenen Zustand 23 als auch im ausgefahrenen Zustand 22 (gepunktet).
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5 stellt
in einem weiteren Ausführungsbeispiel
einen vergrößerten Abschnitt
einer Sondenaustrittsöffnung
D der 3 dar, in der die Sonde aus einem vertieften Abschnitt
der Außenmanteloberfläche eines
Tunnelrohrabschnitts austritt. Innerhalb der Sondenaustrittsvertiefung 27 ist
eine Vertiefungsabdichtung 26 dargestellt, durch die die
Sondenaustrittsöffnung 12 abgedichtet
wird. Auch hier wird wiederum die Sonde im eingefahrenen Zustand 23 und
im ausgefahrenen Zustand 22 (gepunktet) dargestellt.