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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Dichten von Fugen zwischen
vorgefertigten Bauwerksteilen von Bauwerken aus Stahl, Stahl- oder Spannbeton,
insbesondere zwischen Tübbingen bei der Herstellung von Tunneln, Stollen oder
dergleichen.
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Zur Auskleidung eines mittels einer Tunnelbohrmaschine aufgefahrenen Tunnels
verwendet man üblicherweise eine Vielzahl von in Ringfugen
aneinanderstoßenden Tübbingringen, die jeweils aus einzelnen Tübbingen
zusammengesetzt sind. Die Tübbinge können aus Stahl oder Stahlbeton
bestehen; sie können auch im Sinne von Spannbeton verspannt sein.
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Die einzelnen Tübbinge stützen sich in den Längs- und Ringfugen aufeinander ab;
in beiden Fugen müssen in der Regel Druckkräfte, in geringerem Umfang, nämlich
in Abhängigkeit von der konstruktiv ausgebildeten Steifigkeit, auch Biegemomente
und Querkräfte übertragen werden. Die Druckkräfte resultieren in den Ringfugen
vor allem aus den Vortriebskräften, in den Längsfugen aus der Belastung aus dem
Gebirgsdruck bzw. einer Hinterpressung und dem Grundwasser. Die
Kraftübertragung erfolgt üblicherweise über Kontakt der Tübbingaußenflächen
(Längsfugen) bzw. über eingelegte kraftverteilende Plättchen, zum Beispiel aus
Hartfaserwerkstoffen, Kaubit oder dergleichen.
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Bei den üblichen einschaligen Tübbingauskleidungen müssen die Tübbinge
darüber hinaus auch in besonderem Umfang die dauerhafte Wasserdichtigkeit der
Tunnelröhre gewährleisten. Hierzu werden üblicherweise in umlaufende Nuten
Profile aus elastischen Werkstoffen wie Gummi, Kunststoff oder dergleichen als
Zwischenelemente eingeklebt oder einbetoniert. Jeweils einander
gegenüberliegende Profile werden bei dem Einbau der Tübbingringe durch
Kraftausübung mittels des Erektors als zusätzliche Sicherung mittels temporärer
Verschraubung vorgespannt.
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Die Montage der Tübbingringe erfolgt regelmäßig im Schutz des Schildschwanzes
der Tunnelbohrmaschine. Nach dem Zusammenbau jeweils eines Tübbingringes
gerät dieser im Zuge des weiteren Vortriebs aus dem Bereich des
Schildschwanzes heraus; der dadurch entstehende Ringspalt zum Gebirge hin
wird mit einem geeigneten Verpressmittel hinterpresst. Diese
Ringspaltverpressung stellt eine primäre Belastung des Tübbingrings dar, die im
Endzustand noch durch Boden- und Wasserdrücke überlagert wird.
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Neuere Entwicklungen zielen darauf ab, den elastischen Zwischenelementen
zusätzlich zur Dichtfunktion auch eine Kraftübertragungsfunktion zuzuweisen
(EP 1 114 915 A1). Diese Zwischenelemente, die auch aus elastomeren
Werkstoffen bestehen können, werden dabei in Nuten angeordnet und wie üblich
werkmäßig an den Tübbingen angebracht oder einbetoniert.
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Bei allen bekannten Tübbingkonstruktionen treten beim Einbau Probleme auf, je
nach Konstruktionsprinzip und Belastungsniveau in unterschiedlichem Umfang.
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Beim Verlassen des Schildschwanzes wirken auf den gerade fertiggestellten
Tübbingring die bereits erwähnten äußeren Belastungen. Hierdurch kommt es zu
Verformungen, überwiegend einer "Ovalisierung" des geschlossenen
Tübbingringes. Diese Verformungen haben zur Folge, dass der bereits belastete
vorletzte Tübbingring "n", der gerade den Schildschwanz verlassen hat und der
gerade gebaute Ring "n + 1 ", der sich noch im Schutze des Schildschwanzes
befindet, nicht dieselbe Achslinie, sondern einen gegenseitigen Versatz
aufweisen.
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Richtet man sich, wie allgemein üblich, bei der Montage des Ringes "n + 1" am
vorhergehenden Ring "n" aus, was in der Regel "zwangsweise" durch eine Nut-
Feder-Verbindung oder ähnliches geschieht, so wird diesem Ring "n + 1" auch im
unbelasteten Zustand fälschlicherweise eine gewisse Ovalisierung aufgezwungen.
Wenn dieser Fehler auch bei der Schlusssteinmontage teilweise ausgeglichen
werden kann, resultieren weitere Abweichungen von der Solllage aus
unvermeidlichen Montagetoleranzen. Jedenfalls erfährt dieser von der Ideallinie in
unbestimmter Form abweichende Ring "n + 1" beim Verlassen des
Schildschwanzes und Aufbringen der äußeren Lasten zusätzliche Verformungen,
die zu einem insgesamt undefinierten Verformungs- und
Zwangsspannungszustand führen; insbesondere die in der Ringfuge wirkenden
Koppelkräfte sind undefiniert. Diese Koppelkräfte werden üblicherweise über
Reibung der Zwischenplättchen in den Ringfugen, oft in Verbindung mit Nut-
Feder- oder Topf-Nocke-Verbindungen übertragen. Dabei erfolgt bis zum Anliegen
der einander gegenüberliegenden Koppelflächen noch keine Kraftübertragung,
allenfalls durch Reibung; nach Anliegen erfolgt dagegen ein nahezu
diskontinuierlicher Sprung zu einer weitgehend starren Verbindung, zumindest für
eine Vorzeichenrichtung der Koppelkräfte.
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Auch bei einer theoretisch möglichen Ausrichtung des Tübbingringes "n + 1" an der
Ideallinie, d. h. unabhängig vom vorherigen Tübbingring "n", führt der planmäßige
Versatz bei der Ringmontage in Kombination mit unvermeidlichen
Montagetoleranzen und vor allem den auftretenden Verformungen bei Belastung
zu einem undefinierten Zustand bezüglich der Koppelkräfte in der Ringfuge.
Jedenfalls ist es nicht möglich, die Geometrie der Koppelelemente (Nut-Feder-
oder Topf-Nocke-Verbindung) auf alle möglichen Verformungs- und gegenseitigen
Verdrehungszustände auszulegen und somit in der Ringfuge exakt definierte
Koppelkräfte zu erzeugen.
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Als Resultat dieser Problematik können verschiedene Schadensbilder auftreten:
- - Undichtigkeiten durch unzulässigen Versatz der elastischen Profile,
- - unzulässige Beanspruchungen der Nutflanken, die zu Abplatzungen und damit
Undichtigkeiten und reduzierten Steifigkeiten führen,
- - ungenügende Ringsteifigkeit durch mangelnde Kopplung der Tübbinge in der
Ringfuge, die zu Ringverformungen und Setzungen führen kann.
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Bei der Montage der Schlusssteine der Tübbingringe erfolgt eine gegenseitige
Relativverschiebung der elastischen Profile in den Längsfugen bei gleichzeitiger
Beanspruchung durch Normalkräfte. Dies führt zu unkontrollierten Verformungen
der Profile, insbesondere im kritischen Eckbereich und fernerhin ebenfalls zu
Undichtigkeiten.
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Schließlich wird die erforderliche Vorspannung der Profile oft durch temporäre
Verschraubungen aufgebracht. Die hierdurch wirkenden Vorspannkräfte
unterliegen einer großen Toleranzbreite und können nicht exakt bestimmt werden.
Ungenügende Vorspannung kann ebenfalls zu Undichtigkeiten führen.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine
Möglichkeit zu schaffen, um diese bei der Herstellung von Tübbingauskleidungen
auftretenden Probleme zu beherrschen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen
Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die Fugen zwischen den
einzelnen Tübbingen erst nach dem Zusammenbau der Tübbingringe,
zweckmäßig erst nach etwa aufgetretenen Primärverformungen infolge
Lastaufbringung nach Verlassen des Schildschwanzes mit Materialien zu
verfüllen, die zum Einbringen flüssig bis zähflüssig sind und erst nach dem
Verfüllen ein elastisches Verhalten annehmen.
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Als Materialien für diesen Zweck erscheinen insbesondere thermoplastische
Elastomere (TPE) geeignet. Nach DIN 7724 handelt es sich hierbei um
mehrphasige Polymere (z. B. Polypropylenmatrix) mit Einbettung hochvernetzter
synthetischer Elastomere.
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Thermoplastische Elastomere verhalten sich im Gebrauchstemperaturbereich
entropieelastisch (gummielastisch), entsprechen also den üblicherweise
werkmäßig eingebauten Elastomeren, gehen mit zunehmender Temperatur aber
in einen flüssigen (thermoplastischen) Zustand über. Diese Zustandsänderung ist
reversibel. Die Fließtemperatur liegt beispielsweise bei thermoplastischen PUR-
Elastomeren in der Größenordnung von etwa 180°C.
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Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung wird also ein durch Erwärmung
verflüssigtes Elastomer in den Fugenzwischenraum eingepresst, der durch ein-
oder zweiseitige Anordnung von Nuten auch einen Hohlraum bilden kann, wobei
sich dieses Material einer beliebigen Form dieses Zwischenraums vollständig
anpasst. Nach Abkühlen in den Betriebszustand verbleibt das thermoplastische
Elastomer als Fugenzwischenelement und stellt dann das Kraftübertragungs-
und/oder Dichtelement der Tübbingfuge dar.
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Bei der Herstellung einer Tübbingfuge hat das erfindungsgemäße Verfahren den
Vorteil, dass die Montage des Tübbingringes "n + 1" ohne Berücksichtigung etwa
aufgetretener Verformungen am Tübbingring "n" erfolgen kann, d. h. dass eine
Ausrichtung der Tübbinge in "absolut richtiger" Lage möglich ist. Eine Ermittlung
der Verformungen des Tübbingrings "n" zur Positionierung ist nicht erforderlich.
Nach Verfestigung des in die Fugenzwischenräume eingepressten Materials sind
über dessen Eigenschaften exakt definierte und berechenbare Koppelkräfte
übertragbar.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist - unabhängig voneinander und auch
einzeln - sowohl für die Ringfugen als auch für die Längsfugen eines
Tübbingausbaus anwendbar. Nach der Montage eines vollständigen Tübbingrings
können auch die Längsfugen, diese allerdings zweckmäßig noch vor Verlassen
des Schildschwanzes, verfüllt werden. Hierdurch treten insbesondere bei der
Montage der Schlusssteine keine Relativverschiebungen der Dichtungen mehr
auf. Durch Dichtschotte können die Fugenhohlräume der Längs- und Ringfugen
gegeneinander abgetrennt werden, so dass eine unabhängig voneinander
erfolgende Verfüllung (zum Beispiel Längsfugen noch im Schildschwanz,
Ringfugen bei oder unmittelbar nach Verlassen des Schildschwanzes) möglich ist.
Über die Aufbringung eines Druckes auf das verflüssigte Material bis zum
Erhärten/Erkalten kann auch eine Vorspannung aufgebracht werden. Hierdurch
kann bei Bedarf auch eine geringfügige Spreizung eines Tübbingrings erzeugt
werden, beispielsweise um eine Kraftübertragung in den Längsfugen über das
Fugenmaterial und nicht wie sonst über Betonkontakt zu erzielen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
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Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Ringfuge eines Tübbingausbaus im
Einbauzustand,
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Fig. 2 den entsprechenden Querschnitt im Endzustand,
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Fig. 3 in entsprechender Weise einen Querschnitt durch eine Längsfuge und
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Fig. 4 eine teilweise geschnittene Ansicht einer Längsfuge.
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung in Anwendung auf eine
Tunnelauskleidung aus Stahlbetontübbingen erläutert. Wenn dies auch das
Hauptanwendungsgebiet der Erfindung darstellt, so ist eine Ausweitung der
Anwendung auf andere Baustoffe, wie zum Beispiel Stahl und andere
Fugenkonstruktionen im Bauwesen mit Kraftübertragungs- und
Dichtigkeitsanforderungen zum Beispiel im Behälterbau, Silobau oder dergleichen
selbstverständlich möglich.
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In den Fig. 1 und 2 sind jeweils Ausschnitte aus einem Querschnitt durch eine
Tübbingauskleidung eines Tunnels in unterschiedlichen Einbaustadien dargestellt,
nämlich in Fig. 1 im Einbauzustand und in Fig. 2 im Endzustand.
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Die Tübbingauskleidung, die insgesamt mit 1 bezeichnet ist, besteht aus einzelnen
Tübbingen 2 und 3, die jeweils zu einem Ring zusammengesetzt sind. Die
Tübbingringe, die jeweils nach ihrem Einbauzustand als Ring "n" und "n + 1"
bezeichnet sind, stoßen in einer Ringfuge 4 zusammen, deren Abdichtung
Gegenstand der Erfindung ist.
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Der Einbau der Tübbinge 2, 3 erfolgt in an sich bekannter Weise im Schutze des
Schildschwanzes 5 einer Tunnelbohrmaschine, der sich in eine
Schildschwanzdichtung 6 fortsetzt. Der Ringspalt zwischen dem Schildschwanz 5
bzw. der Auskleidung 1 und dem Gebirge 7 ist mit einem Verpressmaterial 8
verpresst.
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In dem in Fig. 1 dargestellten Einbauzustand hat der Tübbingring n gerade den
Schildschwanz 5 verlassen; auf ihn wirken bereits die äußeren Lasten, unter deren
Wirkung er sich ovalisiert hat. Der Tübbingring n + 1 wurde gerade montiert; er hat
noch die "absolut richtige" Lage mit der Längsachse Sn + 1. Dabei ist deutlich ein
Versatz V zwischen der Achse S" des Tübbingringes n und der Achse Sn + 1 des
Tübbingringes n + 1 zu erkennen.
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Die die Ringfuge 4 bildenden Stirnseiten der Tübbinge 2 und 3 umfassen eine Art
Nut-Feder-Verbindung. In der Stirnfläche des Tübbings 3 befindet sich eine
Ringnut 9, während die gegenüberliegende Stirnfläche des Tübbings 2 eine
ringförmige Leiste 10 als Feder aufweist. Die Ringnut 9 hat eine größere
Ausdehnung als die Ringleiste 10, so dass im fertig montierten Zustand ein
zweikammeriger Hohlraum verbleibt, in den ein von der Innenseite der
Auskleidung 1 her zugänglicher Einpresskanal 11 mündet. Die Stirnseiten der
Tübbingringen bzw. n + 1 können sich in der Ringfuge 4 unmittelbar berühren oder
zur Luft- bzw. Erdseite hin durch Dichtungen 12 abgeschlossen sein. Ebenso kann
an der Stirnseite der Ringleiste 10 gegebenenfalls eine Gleitmöglichkeit 20
vorgesehen sein.
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Während Fig. 1 den Einbauzustand der beiden die Ringfuge 4 bildenden
Tübbingringen bzw. n + 1 zeigt, in der der Fugenversatz V der Ringachsen S~ bzw.
Sn + 1 auftritt, zeigt Fig. 2 den Endzustand, in dem sich auch der Tübbingring n + 1
durch die inzwischen auf ihn wirkende äußere Belastung der ovalisierten Form des
Tübbingrings n angepasst hat. In diesem Zustand wird die Ringfuge 4
einschließlich der Hohlräume zwischen Ringnut 9 und Ringleiste 10 in
erfindungsgemäßer Weise verpresst; das Verpressmaterial ist bei 13 angedeutet.
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Als Verpressmaterial 13 dient vorzugsweise ein thermoplastisches Elastomer
(TPE), das in einem - nicht dargestellten - Heizwerkzeug plastifiziert und mit einem
entsprechenden Press-Pump-Werkzeug, das ebenfalls nicht Gegenstand der
Erfindung ist, durch die Einpresskanäle 11 in die Hohlräume der Ringfugen 4
eingespritzt wird. Je nach Zusammensetzung des Materials sind für die
Plastifizierung Temperaturen bis zu etwa 200°C erforderlich, die für den
Tübbingbeton unschädlich sind. Nach Erkalten des Materials stellt sich ein
gummielastischer Zustand ein, der nicht nur die Dichtigkeit der Ringfuge 4,
sondern gegebenenfalls auch die Übertragung von Kräften gewährleistet. Zur
Optimierung der Verankerung im Tübbing kann bei Erfordernis die Formgebung
des Fugenhohlraumes entsprechend ausgebildet werden.
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Während die Fig. 1 und 2 sich auf die Dichtung der Ringfugen zwischen
Tübbingringen einer Tübbingauskleidung eines Tunnels beziehen, zeigen die
Fig. 3 und 4 die entsprechende Dichtung der Längsfugen. So zeigt Fig. 3 einen
Ausschnitt aus einem Querschnitt durch eine Tunnelauskleidung 1, in der die zu
einem Tübbingring zusammengesetzten Tübbinge 2a, 2b eine Längsfuge 14
bilden. Diese Längsfuge kann grundsätzlich in gleicher Weise ausgebildet sein wie
die Ringfugen, d. h. in den Stirnseiten der einzelnen Tübbinge können
Vertiefungen angeordnet sein, die nach dem Zusammenfügen zweier
benachbarter Tübbingen einen ein- oder mehrkammerigen Hohlraum bilden. In der
Zeichnung sind die Vertiefungen 15 durch eine Rippe 16 voneinander getrennt.
Auch hier führt ein Einpresskanal 17 von der Luftseite der Tunnelauskleidung 1
her in die Hohlräume zum Einpressen des erfindungsgemäßen Materials.
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Die Längsfugen werden nach Montage eines vollständigen Tübbingrings,
zweckmäßig noch vor Verlassen des Schildschwanzes, in erfindungsgemäßer
Weise verfüllt. Hierdurch treten insbesondere bei der Montage des Schlusssteins
keine Relativverschiebungen der Dichtungen auf. Durch eine Abschottung 18 in
Verbindung mit provisorischen Dichtungen 19 können hier die Fugenhohlräume
der Längs- und Ringfugen 14 bzw. 4 gegeneinander abgegrenzt werden, so dass
eine unabhängig voneinander erfolgende Verfüllung möglich ist. Durch
Kammerbildung kann eine Mehrfachdichtung erzeugt werden.
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Durch die erfindungsgemäße Ausbildung und Einbringung der Dichtung von Ring-
und Längsfugen können alle wesentlichen Probleme des konventionellen
Tübbingausbaus behoben werden. Folglich wird eine deutlich verbesserte Qualität
des Tübbingausbaus erzielt und der Nachbesserungsaufwand deutlich verringert.
Durch die vereinfachte Montage der Tübbingringe ergeben sich auch Kosten- und
Zeitvorteile im Tübbingausbau.
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Durch weitgehend mittige Anordnung des Zwischenelements, das sowohl der
Dichtung als auch der Kraftübertragung dienen kann, ist eine günstigere
Krafteinleitung in den Tübbingbeton gegeben, so dass grundsätzlich auch eine
Reduzierung der Tübbingdicke gegenüber herkömmlichen Fugenkonstruktionen
realisiert werden kann.
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Wenn als Fugenverpressmaterial thermoplastische Elastomere verwendet werden,
kann infolge des reversiblen Verhaltens solcher Materialien eine undicht
gewordene Fuge durch Erwärmen, ausfließen lassen des Materials und erneutes
Einspritzgießen, bei Bedarf sogar mehrfach, erneuert werden. Auch nach
Havariesituationen, zum Beispiel Brandbelastung, ist eine Erneuerung des
Fugenmaterials ohne weiteres möglich.