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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausbau von Hohlräumen unter Tage, insbesondere von Hohlräumen mit Ausbruchs-Querschnitten von mindestens 5 Quadratmetern (im Folgenden: m2).
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Stand der Technik
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Im Untertagebau gibt es verschiedene Methoden, Bauwerke in druckhaften oder quellfähigem Gebirge zu erstellen.
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Ein Bauwerk kann nach dem Widerstandsprinzip erstellt werden, wenn die auftretenden Gebirgsdrücke mit den heute bekannten, starren Ausbausystemen zu beherrschen sind. Ein starres Ausbausystem hält dem Gebirgsdruck ohne wesentliche Verformungen stand.
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Der Ausbaustärke und damit auch der Anwendung des Widerstandsprinzips sind jedoch vor allem bei grösseren Bauwerkdurchmesser in Kombination mit grosser Überdeckung Grenzen gesetzt. Der Platzbedarf nimmt für einen hohen Ausbauwiderstand stark zu, so dass große Ausbruchsdurchmesser notwendig werden. In druckhaftem oder quellfähigem Fels mit hohen Gebirgsdrücken und grossen Durchmessern sind Bauwerke nach dem Widerstandsprinzip technisch sehr schwierig und nur mit grossem Aufwand oder gar nicht zu realisieren und sind folglich in der Regel auch nicht wirtschaftlich.
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Sind die Gebirgsdrücke und die damit verbundenen Verformungen mit einem starren Ausbau nicht mehr beherrschbar oder wirtschaftlich, werden verschiedene Varianten eines deformierbaren Ausbaues angewandt. Beim deformierbaren Ausbau wird eine Verformung des Gebirges zugelassen und in der Folge die resultierende Spannung auf den Ausbau vermindert.
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Für den konventionellen, sequenziellen Vortrieb gibt es verschiedene, deformierbare Ausbausysteme in Kombination mit Spritzbeton. Stauchelemente, welche parallel zur Tunnelachse an der Tunnelwand installiert sind und mit Spritzbeton ausgefacht sind, nehmen die Deformation auf. Die Lastaufnahme und Deformation in den Stauchelementen erfolgt tangential zum Tunnelprofil.
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Für den maschinellen, kontinuierlichen Vortrieb eignen sich die oben erwähnten Systeme nicht, da sie nicht mit Tübbingsegmenten kompatibel sind. Weiterhin weisen die oben beschriebenen Systeme mit tangentialer Verformungsmöglichkeit keine deformierbare Schicht zwischen Fels und Innenschale mit radialer Deformationsmöglichkeit auf. Solche Systeme mit radialer Deformationsmöglichkeit werden auch flächenhafte Systeme genannt. Verschiedene flächenhafte Systeme sind bekannt und werden eingesetzt:
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- • Flächenhafte Sandwich-Tübbingelemente, z.B. Solexperts hiDCon-F, Andra Bure: auf dem Tübbingsegment wird eine deformierbare Schicht aus gebrannten Tonröhrchen hinzugefügt.
- • Komprimierbarer Spritzbeton: ein deformierbarer Mörtel oder Beton wird pneumatisch an die Ausbruchsfläche gespritzt.
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Diese flächenhaften Systeme sind zwar für den maschinellen Vortrieb von Tunnelröhren geeignet. Im Bereich von Kreuzungsbauwerken oder bei Querschlägen sind diese Systeme allerdings nur bedingt geeignet. Kreuzungsbauwerke erfordern komplexere Geometrien des Ausbaus als gleichbleibende Tunnelquerschnitte.
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Zum Verpressen von komprimierbarem Mörtel ist ein Ringspalt notwendig. Deshalb eignet er sich nur für den TBM-Vortrieb, wo ein Ringspalt zwischen Fels und Tübbing vorhanden ist. In Abzweig- oder Kreuzungsbauwerken sind aufwändige Schalkonstruktionen für die Verpressung von komprimierbarem Mörtel notwendig.
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Wegen der komplexen Geometrie ist die Herstellung von Tübbingsegmenten mit einer zusätzlichen, deformierbaren Schicht für Kreuzungs- und Abzweigebauwerke extrem aufwändig.
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Stand der Technik ist es, die Innenschale in eine Richtung fertig zu stellen und zu einem späteren Zeitpunkt die Kreuzung oder den Querschlag konventionell zu erstellen. Die Innenschale wird dann oftmals mit speziellen Schalwagen erstellt.
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Für die Funktion eines deformierbaren, flächenhaften Systems sind die Schichtdicke und deren Verformungseigenschaften wichtige Parameter. Bei der Verwendung von deformierbarem Spritzbeton sind beide Parameter in der Praxis mit vergleichsweise grossen Unsicherheiten behaftet. Die Verformungseigenschaften und die Mächtigkeit der aufgebrachten Schicht sind sehr schwierig in einem engen Toleranzbereich zu garantieren und sind stark vom Maschinenführer und der Applikationsmethode abhängig.
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Aus der
EP 0 557 269 A1 ist ein System für den Tunnelausbau in Tübbingbauweise bekannt, welches eine geplante Nachgiebigkeit gegenüber Gebirgsdruck durch den Einsatz von Federn erreicht.
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Eine 3D-Druck-Methode für Beton ist in der
EP 3 147 269 A1 erläutert, bei welcher BCT-Zement verwendet wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Vorrichtungen und Verfahren zum Ausbau von Hohlräumen unter Tage, insbesondere von Hohlräumen mit Ausbruchs-Querschnitten von mindestens 5 m2.
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Die Aufgabe wird mit einem Verfahren nach dem Anspruch 1 und einem weiteren Verfahren sowie einer Vorrichtung nach den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausbau von Hohlräumen unter Tage, insbesondere von Hohlräumen mit Ausbruchs-Querschnitten von mindestens 5 Quadratmetern, mit Herstellen zumindest einer im Ausbauzustand unter Auftreten von Gebirgsdruck geplant deformierbaren bzw. geplant nachgiebigen Schicht an einer Innenseite eines untertägigen Hohlraums, wobei die deformierbare Schicht mittels 3D-Druck hergestellt wird. Dabei kann typischerweise eine oder jede der mindestens einen deformierbaren Schichten mehrere Druckschichten aufweisen, d.h. es werden mehrere Druckschichten für eine deformierbare Schicht gedruckt.
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Der kleinste Durchmesser des Hohlraums beträgt typischerweise 2m, bei Ausführungsformen mindestens 3 m oder mindestens 4 m. Der kleinste Durchmesser ist der geringste gegenüberliegende Abstand zweier Ausbruchsflächen eines Querschnitts. Typische Mindestgrößen von Hohlräumen weisen einen Querschnitt von mehr als 5 m2 oder typischerweise mehr als 10 m2 auf oder typischerweise weniger als 300 m2. Typische Ausführungsformen umfassen eine geplant deformierbare Schicht. An sich sind solche geplant deformierbaren oder nachgiebigen Schichten aus dem Stand der Technik bekannt, um Verformung des umgebenden Gebirges aufzunehmen und auf diese Weise Spannungen abzubauen.
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Die Deformierbarkeit kann typischerweise als eine plastische Mindestverformung definiert sein, typischerweise im Bereich einer plastischen Verformung von mindestens 10% oder mindestens 20% oder mindestens 30% im ausgebauten Zustand. Typischerweise ist die Deformierbarkeit der zumindest einen deformierbaren Schicht mindestens 40% oder höchstens 80% oder höchstens 90%. Die Deformierbarkeit gibt dabei typischerweise die Verringerung des Volumens an, welche mit einer plastischen Verformung erreichbar ist, bevor der Widerstand der Schicht auf das Doppelte der Stauchungsgrenze, also dem Übergang von einer elastischen zur plastischen Verformung angestiegen ist.
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Die zumindest eine deformierbare Schicht kann auch dadurch definiert sein, dass die zumindest eine deformierbare Schicht einen vergleichsweise für Beton geringen E-Modul aufweist. Die zumindest eine deformierbare Schicht weist typischerweise eine Festigkeit von höchstens 20 MPa oder höchstens 10 MPa oder höchstens 5 MPa aufweist. Die zumindest eine deformierbare Schicht weist typischerweise eine Festigkeit von mindestens 0,1 MPa oder mindestens 0,2 MPa auf.
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Bei typischen Ausführungsformen von Verfahren der Erfindung wird zusätzlich eine starre Schicht radial innerhalb der zumindest einen deformierbaren Schicht hergestellt. Typischerweise wird die starre Schicht ebenfalls durch 3D Druck hergestellt. Auf diese Weise kann mit einem Gerät für beide Schichttypen, starre und deformierbare, gearbeitet werden. Bei weiteren Ausführungsformen werden für die starre Schicht vorgefertigte Elemente oder Ortbeton mit Schalungselementen verwendet.
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Typischerweise wird die deformierbare Schicht mit Mikroporen hergestellt. Typische Mikroporen weisen eine Größe von höchstens 16 mm oder höchstens 8 mm oder höchstens 4 mm auf. Typischerweise werden die Mikroporen in der deformierbaren Schicht durch Zugabe von porenhaltigem Granulat, Schaumbildner oder Schaum in ein Druckgut, welches bei dem 3D-Druck zur Herstellung der deformierbaren Schicht verwendet wird, erzeugt. Die Zugabe zum Druckgut erfolgt typischerweise vor dem Druckvorgang und ermöglicht so ein effizientes Arbeiten mit dem erfindungsgemäßen Verfahren.
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Bei typischen Verfahren wird die deformierbare Schicht mit Makroporen hergestellt. Dabei kann eine Steuerung verwendet werden, um die Makroporen entsprechend einer Vorgabe herzustellen. Die Makroporen können dabei auch so geformt sein, dass insbesondere Verformungen in Umfangsrichtung der deformierbaren Schicht ermöglicht werden, um ein Nachgeben der Schicht zu erleichtern.
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Typischerweise werden die Makroporen in der deformierbaren Schicht hergestellt, indem während des 3D-Drucks Aussparungen in ausgewählten Druckschichten vorgesehen werden. Auf diese Weise ist ein einfaches und effizientes Erstellen der Makroporen möglich.
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Typischerweise umfasst das für den 3D-Druck verwendete Druckgut Zement oder Kunststoff. Je nach Anforderung an die Schicht kann die Festigkeit des Druckgutes zwischen 0,2 und 5 MPa oder bis zu 20 MPa für die deformierbare Schicht oder bis zu 55 MPa oder bis zu 35 MPa für die nicht deformierbare Schicht gewählt werden. Das Druckgut selbst kann deformierbar oder steif sein, auch deformierbare Schichten lassen sich mittels Mikroporen oder Makroporen aus einem steifen Druckgut herstellen. Das Wort „steif“ bezieht sich dabei auf einen Zustand nach Aushärtung des Druckgutes. Der Grundstoff des Druckgutes kann Zement oder Kunststoff sein. Eigenschaften wie Verformbarkeit und Festigkeit des Druckgutes können mit Zuschlägen variiert werden. Mögliche Zuschläge sind Kalke, offen- und geschlossenporige Granulate z.B. Glasschaum, Polystyrol, Blähton, Metall- und Kunststoffschäume, Gasporen entweder als Resultat von Porenbildnern oder durch Zugabe von Schaum, Sand sowie Kunststoff-, Stahl-, Carbon- und Glasfasern. Typischerweise weist das Druckgut ein Bindemittel auf, typische Bindemittel sind auf zementöser oder auf Kunststoff-Basis.
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Typischerweise wird bei Verfahren der Erfindung vor oder während dem Aufbringen einer weiteren deformierbaren Schicht die Innenseite des Hohlraums oder die Innenseite einer bereits zuvor aufgetragenen deformierbaren Schicht mittels eines Laserscanners vermessen. Auf diese Weise kann die aufzutragende Schicht genau an die bestehenden Verhältnisse angepasst werden.
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Bei typischen Verfahren wird die Dicke der weiteren deformierbaren Schicht in Abhängigkeit der vermessenen Innenseite der zuvor aufgetragenen deformierbaren Schicht oder der Innenseite des Hohlraums angepasst. Bei typischen Verfahren wird während des Auftragens oder Druckens einer Schicht die bereits gedruckte Schichtdicke dieser in Druck befindlichen Schicht gemessen. Auf diese Weise kann die Dicke der Schicht möglichst genau entsprechend erstellt werden. Typischerweise wird bei Verfahren der Erfindung ein Muster des Drucks zur Erstellung von Hohlräumen, die Breite eines Druckstrahls oder die Mischung des Druckgutes in Abhängigkeit der Messung angepasst.
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Bei typischen Verfahren erfolgt das Aufbringen der zumindest einen deformierbaren Schicht oder der zumindest einen starren Schicht in Abhängigkeit von Referenzpunkten. Auf diese Weise kann zuverlässig ein bestimmtes Innenprofil der deformierbaren Schicht erreicht werden. Referenzpunkte können beispielsweise an einem bereits fertig gestellten Querschnitt angeordnet sein oder können Punkte sein, welche fortlaufend auf Verschiebungen gegenüber einem Fixpunkt, welcher sich auch außerhalb des Hohlraumes bzw. Tunnelquerschnittes befinden kann, überprüft.
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Typischerweise weist die zumindest ein deformierbare Schicht eine Stärke von mindestens 5 mm, mindestens 10 mm oder mindestens 20 mm oder höchstens 500 mm oder höchstens 800 mm auf. Bei typischen Verfahren werden die Mikroporen oder die Makroporen in Abhängigkeit einer vorgegebenen Deformierbarkeit vorgesehen. Auf diese Weise kann durch Einstellung der Mikroporen oder der Makroporen ein gewünschtes makroskopisches Verformungsverhalten eingestellt werden.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausbau von Hohlräumen unter Tage, insbesondere von Hohlräumen mit Ausbruchs-Querschnitten von mindestens 5 m2, mit einem Herstellen zumindest einer im Ausbauzustand unter Auftreten von Gebirgsdruck geplant deformierbaren Schicht, wobei die deformierbare Schicht mittels 3D-Druck hergestellt wird und wobei die deformierbare Schicht in einer geometrischen Form in Abhängigkeit einer Innenseite eines untertägigen Hohlraums oder einer Innenseite einer bereits zuvor aufgetragenen deformierbaren Schicht hergestellt wird.
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Typischerweise wird vor dem Herstellen von einer Schicht, insbesondere einer deformierbaren Schicht oder einer Mehrzahl von übereinander gedruckten deformierbaren Schichten, die Innenseite des Hohlraums oder die Innenseite der bereits zuvor aufgetragenen deformierbaren Schicht mittels eines Laserscanners vermessen und das Ergebnis dieser Messung bei der Herstellung der folgenden deformierbaren Schicht verwendet. Auf diese Weise ist eine optimale Dickenanpassung an bestehende Verhältnisse möglich.
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Die Ausbruchsoberfläche kann vor dem Drucken der erstem deformierbaren Schicht der zumindest einen deformierbaren Schicht versiegelt werden oder unversiegelt belassen werden. Eine Versiegelung, auch Erstversiegelung genannt, kann dem Arbeitsschutz dienen. Durch die Erhöhung der Kohäsion durch die Versiegelung kann bei Ausführungsformen die Oberfläche stabilisiert und das Risiko von Nachbrüchen gesenkt werden. Bei typischen Ausführungsformen wird ein Netz mit eingespritzt, welches als Kopfschutz Vorteile bieten kann.
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Bei typischen Ausführungsformen werden starre und komprimierbare Schichten kombiniert, beispielsweise im Wechsel angeordnet. Typischerweise werden zunächst auf der Ausbruchsfläche mehrere deformierbare Schichten angeordnet oder gedruckt und anschließend innenseitig eine starre Schicht aufgebracht.
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Zum Drucken wird typischerweise eine 3D Druckeinheit verwendet, welche ein Pumpsystem zum Pumpen des Druckgutes und einen Roboter umfasst, an dessen Arm sich ein Druckkopf befindet mit dem das Druckgut aufgetragen wird.
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Für beliebige Ausbruchgeometrien können mit typischen Verfahren der Erfindung sowohl deformierbare Schichten mit vorgegebener Ausdehnung und definierten Deformationseigenschaften als auch relativ starre Schichten oder Kombinationen von deformierbaren und starren Schichten auf die Ausbruchsoberfläche, die versiegelt oder unversiegelt sein kann, aufgebracht werden. Die erste Schicht, typischerweise eine deformierbare Schicht, kann sowohl auf versiegelte Ausbruchsoberflächen, z.B. eine Spritzbetonschicht, oder direkt auf den unversiegelten Fels aufgebracht werden. Die Schichten können aus einer oder mehreren Lagen oder Druckschichten bestehen. Eine Lage bezeichnet typischerweise eine Druckschicht. Typische Ausführungsformen können im konventionellen, sequenziellen oder im maschinellen, kontinuierlichen Vortrieb, bspw. mit Tunnelbohrmaschinen, eingesetzt werden.
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Typische Verfahren der Erfindung können mit mobilen oder stationären Druckeinheiten betrieben werden. Die Druckeinheit besteht bei typischen Ausführungsformen unter anderem aus einem Pumpsystem und einem Roboter bzw. Industrieroboter, wobei typische eingesetzte Roboter wenigstens 4, wenigstens 5 oder wenigstens 6 Achsen aufweisen. Der Roboter umfasst einen Arm mit einer Mehrzahl von Freiheitsgraden, bspw. mindestens 5 oder 6, an dessen letztem Element ein Druckkopf angeordnet ist, mit welchem das Druckgut auf die Ausbruchsoberfläche aufgetragen wird. Die Druckeinheit ist typischerweise auf einer Plattform montiert. Bei typischen mobilen Druckeinheiten von Ausführungsformen wird die Plattform mit Raupenlafetten, Radfahrwerken oder schienengebunden bewegt.
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Bei typischen Verfahren sind die mechanischen Eigenschaften wie Festigkeit und plastische Deformierbarkeit einer gedruckten Schicht nicht nur von den Eigenschaften des Druckgutes abhängig. Die mechanischen Eigenschaften werden bei typischen Verfahren auch durch die Wahl der Muster der Druckschichten einer Schicht bestimmt.
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Die Porosität einer Druckschicht mit Mustern besteht typischerweise einerseits aus den Mikroporen im Druckgut selbst, sowie aus den Makroporen des Musters der Druckschicht. Mit der Variation dieser Doppelporosität lassen sich Schichten in einem sehr grossen Bereich an Deformierbarkeit (bspw. von 0% bis 85%) und Festigkeit (bspw. 0,2 bis 60 MPa) herstellen.
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Mit typischen Verfahren kann sowohl die Breite als auch die Stärke einzelner Druckschichten in einem grossen Bereich variiert werden. Dies ermöglicht die Herstellung von glatten oder gleichmäßigen Oberflächen für die Innenschale unabhängig ob sie mit Ortsbeton hergestellt wird oder aus Tübbingsegmenten hergestellt wird. Dies ist insbesondere bei Abzweige- oder Kreuzungsbauwerken mit typischerweise komplexen Oberflächengeometrien vorteilhaft, kann jedoch auch bei geraden Strecken große Vorteile bieten.
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Mit typischen Verfahren können vorfabrizierte deformierbare flächenhafte oder linienförmige Elemente mit den hierin beschriebenen Eigenschaften für deformierbare Schichten hergestellt werden. Solche vorfabrizierte Elemente können direkt auf der Ausbruchsfläche angebracht werden oder in Kombination mit Tübbingsegmenten oder Stahlbögen verwendet werden. Die Vorfabrikation kann auch außerhalb des untertätigen Hohlraums, bspw. eines Tunnels, erfolgen.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung an Hand der beiliegenden Figuren erläutert, dabei zeigen:
- 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung, mit welcher typische Verfahren der Erfindung durchgeführt werden können;
- 2 zeigt schematisch ein Detail der Vorrichtung der 1 genauer beim Durchführen eines typischen Verfahrens;
- 3 zeigt schematisch ein Detail der Vorrichtung der 1 genauer beim Durchführen eines weiteren typischen Verfahrens;
- 4 bis 8 zeigen schematisch Muster, welche mit typischen Verfahren der Erfindung herstellbar sind;
- 9 zeigt in einem schematischen Ablaufdiagramm den vereinfacht dargestellten Ablauf eines typischen Verfahrens; und
- 10 zeigt schematisch verschiedene Kreuzungssituationen von Tunnelquerschnitten.
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Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
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Nachfolgend werden typische Ausführungsbeispiele beschrieben, wobei für gleiche oder ähnliche Teile teilweise gleiche Bezugszeichen verwendet werden, teilweise auch für mehrere verschiedene Ausführungsformen. Grundsätzlich ist die Anmeldung nicht auf die verschiedenen Ausführungsformen beschränkt, der Umfang wird vielmehr durch die Ansprüche bestimmt. Teilweise werden Einzelteile lediglich im Zusammenhang mit einer Figur erläutert, soweit diese Teile in weiteren Figuren dargestellt sind, werden sie nicht unbedingt noch einmal beschrieben.
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1 zeigt schematisch eine Vorrichtung, mit welcher typische Verfahren der Erfindung durchgeführt werden können. Zum Drucken wird typischerweise eine 3D Druckeinheit 12 verwendet, wie sie schematisch in der 1 dargestellt ist.
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Die Druckeinheit 12 weist ein Pumpsystem 9 zum Pumpen des Druckgutes und einen Roboter 5 auf, an dessen Arm sich ein Druckkopf 7 befindet, mit dem das Druckgut aufgetragen wird. Das Druckgut wird über eine nicht dargestellte Leitung von einem Mischer oder Reservoir zu dem Pumpsystem befördert.
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Weiterhin weist die Druckeinheit 12 einen Scanner 8 auf, welcher als Echtzeit-Scannersystem mit einem Laserscanner ausgebildet ist. Weiterhin umfasst die Druckeinheit ein auf einem Fahrwerk 4 aufgebaute Grundplattform 6, welche den Roboter 5 und einen Steuerrechner 10 mit einer GUI und einer drahtlosen Schnittstelle zum Übertragen von Daten trägt.
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Mit dem Druckkopf 7 wird das Druckgut auf eine Ausbruchsoberfläche 11 eines Haupttunnels 1, welche eine Innenseite eines untertägigen Hohlraums darstellt, aufgetragen. Das Druckgut kann bei Ausführungsformen an der Ausbruchsfläche 11 unmittelbar auf eine Oberfläche eines Felsgesteins 3 aufgetragen werden.
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In der 1 ist außerdem noch ein Querschlag 2 des Haupttunnels 1 gezeigt, wobei ein Herstellen einer Innenschalung mit der Druckeinheit 12 im Kreuzungsbereich des Haupttunnels 1 mit dem Querschlag 2 besondere Vorteile bieten kann, da eine flexible Anpassung an unterschiedliche Geometrien möglich ist.
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Die 2 zeigt, wie mit der Druckeinheit 12 des Ausführungsbeispiels der 1 Druckschichten 16, 17 und 18 variabler Dicke erzeugt werden. Die Ausbruchsoberfläche 11 weist eine unregelmäßige Kontur auf.
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Beispielsweise um eine gleichmäßige Innenschale für einen gleichmäßigen Tunnelquerschnitt herstellen zu können, können Unregelmäßigkeiten der Ausbruchsoberfläche mit erfindungsgemäßen Verfahren oder typischen 3D Druckeinheiten automatisiert ausgeglichen werden. Typische Ausführungsformen der Erfindung, beispielsweise typische 3D Druckeinheiten umfassen einen Druckkopf mit einer Dickenansteuerung. Die Dickensteuerung umfasst beispielsweise eine Klappe oder eine Blende an dem Druckkopf der 3D Druckeinheit. Die Dickensteuerung ist dazu eingerichtet, eine Dicke der gedruckten Schicht zu beeinflussen. Typische Ausführungsformen von 3D Druckeinheiten umfassen eine Fördermengensteuerung oder eine Geschwindigkeitssteuerung. Die Fördermengensteuerung, die Dickensteuerung oder die Geschwindigkeitssteuerung werden einzeln oder gemeinsam bei typischen Verfahren der Erfindung dazu eingesetzt, die Menge des aufgebrachten Druckmaterials oder die Dicke einer Druckschicht anzupassen.
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Die Druckschichten 16, 17 und 18 der 2 sind Lagen einer deformierbaren Schicht mit einer Festigkeit in diesem Beispiel von 1,5 MPa und einer Deformierbarkeit von 50%. Durch die Dickenanpassung der Druckschichten 16, 17 und 18 gleicht die so entstandene Schicht die Unregelmäßigkeiten der Ausbruchsfläche nahezu vollständig aus. Durch Aufbringen einer weiteren Schicht mit variablen Dicken der einzelnen Druckschichten der weiteren Schicht ist eine weitere Vergleichmäßigung erreichbar.
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In der 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines mehrschichtigen Tunneleinbaus gezeigt, welcher mit typischen Verfahren und Vorrichtungen der Erfindung herstellbar ist. Auf eine Ausbruchsfläche 11 wurden bei diesem Beispiel im Gegensatz zu dem Beispiel der 2 zunächst mehrere nicht deformierbare, zum Ausgleich vorgesehene, Schichten 16 - 19 aufgebracht. Die Schichten 16 - 19 weisen eine Festigkeit von 30 MPa und zumindest im Wesentlichen keine Deformierbarkeit auf und dienen dazu, Unregelmäßigkeiten der Ausbruchsfläche 11 auszugleichen.
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Die Schichten 16 - 19 des Ausführungsbeispiels der 3 sind jeweils zumindest im Wesentlichen ähnlich dick, allerdings werden wie in der 3 schematisch dargestellt nicht alle Schichten an jeder Stelle aufgetragen, um einen Höhenausgleich zu erreichen. Auf diese Weise kann, jedoch nicht zwingend, mit einem Druckkopf gearbeitet werden, welcher keine mechanische Dickensteuerung am Druckkopf aufweist.
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Auf die letzte Schicht 19 wurden bereits vier hochgradig deformierbare Schichten 21 - 24 aufgetragen, welche eine Festigkeit von lediglich 1,5 MPa und eine Deformierbarkeit von 70% aufweisen. Die hohe Deformierbarkeit wird durch Makro- und Mikroporen in den hochgradig deformierbaren Schichten 21 - 24 erreicht.
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Typische Ausführungsbeispiele umfassen Kombinationen von deformierbaren Schichten mit unterschiedlichen Materialeigenschaften. Beispielweise können außen liegende Ausgleichs-Schichten eine geringere oder höhere Deformierbarkeit als weiter innen liegende Schichten aufweisen.
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Als abschließende Schicht wird eine starre Schicht 25 auf die innerste hochgradig deformierbare Schicht 24 aufgebracht. Die starre Schicht 25 weist eine Festigkeit von 30 MPa und eine Deformierbarkeit von weniger als 5% auf oder ist im Wesentlichen nicht deformierbar.
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In der 4 ist gezeigt, wie das Druckmuster eines Teil einer aufgebrachten Druckschicht bei typischen Verfahren aussehen kann. Die Druckschicht der 4 wird mit einem vergleichsweise einfachen parallelen Druckmuster mehrerer Druckschlangen 32 erstellt. Die Druckschlangen 32 werden parallel in einem Zug mit einer typischen Druckeinheit gedruckt, wobei am Ende einer Geraden eine Wende 33 vorgenommen wird. Es entstehen kaum oder keine Makroporen in der Schicht, welche mehrere Druckschichten entsprechend der 4 umfasst, insbesondere können Makroporen durch Versetzen der einzelnen, übereinander angeordneten Bahnen um eine halbe Bahnbreite vermieden werden. Das Muster der 4 eignet sich insbesondere für starre aber auch für deformierbare Schichten mit lediglich geringer Deformierbarkeit.
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In der 5 ist ein weiteres Druckmuster, welches mit typischen Verfahren, herstellbar ist, gezeigt. Das Druckmuster der 5 umfasst einzelnen Druckschlangen 32, welche geringfügig mäandrieren, so dass kleine Zwischenräume 36 entstehen, welche in der fertigen Schicht mit mehreren Druckschichten entsprechend dem Druckmuster der 5 sich zu Makroporen ausbilden.
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In der 6 ist ein Druckmuster mit stärker mäandrierenden Druckschlangen 32 gezeigt, so dass große Zwischenräume 37 entstehen. Hinzu kommt, dass übereinanderliegende Druckschichten mit unversetztem und identischem Muster (einfache Stapelung) gedruckt werden, so liegt die Druckschlange 38 der nachfolgenden Druckschicht genau über der Druckschlange 32 der ersten Druckschicht. Beide Druckschichten sind wie bei allen 4 bis 8 lediglich schematisch ausschnittsweise dargestellt.
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In der 7 ist ein Druckmuster gezeigt, welches ähnliche oder identische Druckschlangen 32 und 38 wie das Druckmuster der 6 verwendet, allerdings werden die Druckschichten 32 und 38 versetzt angeordnet (versetzte Stapelung). Es kommt zu sehr großen Zwischenräumen, welche eine große Deformierbarkeit sicherstellen.
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In der 8 ist ein Druckmuster gezeigt, welches ähnliche oder identische Druckschlangen 32 und 38 wie die Druckmuster der 6 und 7 verwendet, allerdings werden die Druckschichten 32 und 38 um 90° gedreht angeordnet (versetzte und gekreuzte Stapelung). Es kommt zu großen Zwischenräumen, welche eine große Deformierbarkeit sicherstellen, wobei jedoch eine vergleichsweise noch hohe Festigkeit erreichbar ist.
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Ein typisches Verfahren der Erfindung ist in der 9 schematisch gezeigt. Das Verfahren kann verwendet werden, um eine Mehrzahl von Schichten, insbesondere mehrere deformierbare Schichten und eventuell mindestens eine starre Schicht, zu erstellen. Bei dem Verfahren können weitere hierin beschriebene typische Merkmale Verwendung finden.
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Neben den mit 3D Druck herstellbaren Druckmustern der 4 - 8 können zahlreiche weitere Druckmuster verwendet werden. Insbesondere sind die Druckmuster mit Druckgut herstellbar, welches Mikroporen aufweist. So ist beispielsweise das Druckmuster der 8 gut mit Mikroporen kombinierbar, um bei einer annehmbaren Festigkeit die Deformierbarkeit weiter zu erhöhen.
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Zunächst erfolgt in einem Block 110 eine Positionierung der Druckeinheit mittels konventioneller Vermessung oder durch Positionserkennung anhand von zuvor installierten Referenzpunkten. In einem Block 120 erfasst ein Echtzeit-Scannersystem die Geometrie der Ausbruchsoberfläche oder von zuvor mittels Drucken bereits aufgetragener deformierbarer oder starrer Schichten. Das Echtzeit-Scannersystem kann mit einem zentralen Laserscanner oder auch mit einem System aus verschiedenen Scanmodulen realisiert werden.
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In einem Block 130 erfolgen eine Erfassung des Istzustandes und eine Planung des folgenden Ausbaus, typischerweise der nun folgenden aufzubringen deformierbaren oder starren Schicht, wobei ein dreidimensionales virtuelles Modell der Ausbruchsgeometrie mit den Scannerdaten erstellt wird. In dieses Modell wird der gewünschte Tunnelausbau, d.h. die nächste zu erstellende deformierbare Schicht und starre Schichte integriert. Dabei werden auch die Anordnung, die Dimension und die Eigenschaften der einzelnen Druckschichten für die nächste zu erstellende Schicht definiert.
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Nach einer Verifizierung des geplanten Ausbaus durch einen Benutzer in Block 140 wird das Druckprogramm entsprechend der Vorgaben aus dem Block 130 erstellt und das Druckgut wird vorbereitet. In einem Block 150 werden die verschiedenen Schichten auf die Ausbruchoberfläche aufgebracht. Der Druckkopf bringt entweder einen zement- oder kunststoffbasierten Mörtel streifenweise in Lagen auf die Oberfläche auf. Mit schnellerhärtendem Mörtel kann auch über Kopf appliziert werden.
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Das dreidimensionale Modell wird in einem Block 160 mit erfassten Scannerdaten aktualisiert und mit dem Sollmodell des Ausbaus in Block 170 verglichen.
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Wird in einem Block 170 festgestellt, dass die jeweilige Schicht bereits fertig ist, springt das Verfahren zu Block 180, in welchem überprüft wird, ob noch eine Schicht zu drucken ist. Ist dies der Fall, springt das Verfahren zu Block 130, in welchem dann die nächste Schicht, eine deformierbare oder eine starre Schicht, geplant wird.
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Wird im Block 170 hingegen festgestellt, dass die derzeit hergestellte Schicht noch nicht fertig gestellt ist, springt das Verfahren zum Block 150 zurück, so dass mit dem aktualisierten Modell das weitere Drucken erfolgt. Bei typischen Ausführungsformen wird eine gerade in Block 150 gedruckte Druckschicht sofort im Schritt 160 erfasst und im Modell dargestellt und beeinflusst somit das Drucken der nächsten Druckschicht der jeweils gerade in Druck befindlichen deformierbaren oder starren Schicht.
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Falls in Block 180 festgestellt wird, dass alle Schichten gedruckt sind, wird das Verfahren in Block 190 beendet.
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In der 10 sind zur Erläuterung Kreuzungssituationen jeweils eines Haupttunnels 1 mit jeweils einem Querschlag 2 in einer schematischen Schnittansicht von oben gezeigt. Die linke Abbildung zeigt ein Abzweigebauwerk, mit welchem der Querschlag 2 von dem Hauptschlag 1 abzweigt. In der rechten Abbildung der 10 ist eine Nische mit einem Ansatz 50 für zukünftige Erweiterungen gezeigt. Insbesondere bei nicht kreisförmigen Tunnelquerschnitten kommt es in solchen Kreuzungsbereichen zu komplexen Geometrien, welche beim Tunnelausbau zu berücksichtigen sind. Mit den erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen lassen sich angepasste Segmente für solche Geometrien flexibel erstellen.
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Die Erfindung ist nicht auf vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiele beschränkt. Der Umfang der Erfindung wird vielmehr von den Ansprüchen definiert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0557269 A1 [0013]
- EP 3147269 A1 [0014]
