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Verfahren zum Auffahren von Hohlräumen für die Herstellung unterirdischer
Bauwerke, insbesondere Tunnels. Stollen od. dgl.
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Zusatz zu Patent . ... ... (Patentanmeldung P 19 03 911.3-25) Gegenstand
der Erfindung ist eine anderweitige Ausbildung bzw. Verbesserung des Verfahrens
zum Auffahren von Hohlräumen für die Herstellung langgestreckter unterirdischer
Bauwerke, insbesondere Tunnels, Stollen od. dgl. in Kernbnuweise. In dem Hauptpatent
. ... ... (Patentanmeldung P 19 O3 911.3-25) ist ein Verfahren dieser Art beschrieben,
bei dem in bekannter Weise innerhalb des herzustellenden Hohlraumprofiles Richtstollen
vorgetrieben, dann zwischen diesen, sich an die Peripherie des Hohlraumprofils aningend
ein Teilhohlraum oder mehrere Teilhohlräume zum Ilerstellen der Bauwerkswandungen
in Form von den Gebirgsdruck aufnehmenden Wand- und Deckenteilen aus Ortbeton mit
oder ohne Bewehrung aufgefahren werden und schliesslich der zwischen den fertigen
Bauwerkswandungen verbliebene Erdkern weggenommen wird. Das Neue und Erfinderische
benteht bei dem Verfahren nach dem Hauptpatent
darin, daß zum Auffahren
des oder der Teilhohlräume eine das Erdreich im Profil des oder der Teilhohlräume
lösende bzw.
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abbauende Vorrichtung mit mindestens einem Ibbauwerkzeug auf einem
entsprechend den Profil der zu betonierenden Bauwerkswandungen geformten Führungsgestell
quer zur Längsrichtung des Bauwerks von einem zum anderen Rtchtstollen hin- und
herbewegt wird, wobei das Führungsgestell unter Längsführung seiner Enden in den
Richstollen in axialer Richtung des Bauwerkes mit der das Erdreich lösenden Vorrichtung
in dem oder den beim Lösen des Erdreichs entstehenden Teilhohlräumen vorwärts bewegt
wird und anschließend in dem oder den Teilhohlräumen, gegebenenfalls unter Einbringen
einer Bewehrung, die Bauwerkswandungen im Bauwerksquerschnitt gesehen, von mindestens
einem der Richtstollen aus durchgehend von Richtstollen zu Richtstollen betoniert
und hierbei auch die Bauwerksteile im Bereich der Richtstollen mitbetoniert werden.
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Bei Anwendung der Verfahrens nach dem Hauptpatent können im Vergleich
zu bekannten Verfahren langgestreckte unterirdische bauwerke, insbesondere solche
von großem Querschnitt, unter Verwendung von Richtstollen in erheblich einfacherer
Weise und in kürzerer Zeit unter Belassung eines im Querschnitt möglichst großen
Erdkerns hergestellt werden, der dann mit Hilfe bekannter Abbaumaschinen, wie z.
B. Bagger, im Schutze der Bauwerkswandungen ohne Gefahr schnell weggenommen werden
kann. Indessen wird hierbei zum lösen des Erdreiches für den oder die Teilhohlräume
auf dem Führungsgestell eine Fräsvorrichtung hin- und herbewegt, d h. eine mechanisch
arbeitende Vorrichtung, die zwar zum lösen bzw. Abbauen der meisten Bodenarten geeignet
ist, aber bei vorkommenden hartem Gestein kaum oder nur kangsam und damit unwirtschaftlich
arbeiten kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren nach der Hauptanmeldung
so zu gestalten, daß es bei Verwendung
einer Lösevorrichtung anderer
Art auch bei gesteinshaltigem harten Untergrund, mit den genannten Vorteilen anwendbar
ist, ohne daß wirtschaftliche Nachteile zur Änderung des Abbauverfahrens zwingen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung davon aus, daß aber den
konventionellen Verfahren zur Gesteinsserst5rung, die auf mechanischen Methoden
beruhend auch sogenannte "nichtmechanische" Verfahren vorgeschlagen bzw. bekannt
sind. Ein Überblick über solche Verfahren ist s. B. in der Zeitschrift "Bergakademie"
1969, Heft 1, Seite 15 bis 22 enthalten. Die ser Überblick sowie andere Veröffentlichungen,
wie s. 3. in der Zeitschrift "Bergbauwissenschaft" 14 (1967), Nr. 7, Seiten 274
bis 278, zeigen, daß nichtmechanische Verfahren, insbesondere wegen des hohen Aufwandes,
bisher im wesentlichen zum Schneiden von Gestein in Werksteinbrüchen oder im Bergbau
zum Herstellen von Sprenglöchern in Erwägung gezogen wurden.
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In der letztgenannten Zeitschrift ist auf Seite 278 aber auch eine
Streckenvortriebsmaschine dargestellt und beschrieben1 die das Hartgestein auf elektromagnetisch
thermischem Wege zerstört und illr die auch vorgeschlagen ist, sie z. B. im Tiefbau
zum Auffahren einer Strecke oder im Tunnelbau einzusetzen.
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Diese Streckenvortriebsmaschine bearbeitet aber mit der verhältnismäßig
aufwendigen elektromagnetisch-thermischen Methode den gesamten Ausbruchquerschnitt
und kommt daher zum Auffahren von Hohlräumen großen Querschnitts, wie sie z. B.
bei der Herstellung von Tunnels von Untergrundbahnen, insbesondere im Bereich von
U-Bahnhöfen, notwendig sind, schon aus wirtschafthohen GrUnden nicht in Betracht.
Aber auch die Anwendung anderer elektrothermischer Verfahren oder von thermischen
Verfahren, von denen insbesondere das Flamm- oder Brennstrahlverfahren und das Plasmabrennverfahren
in Betracht kommen, oder von sonstigen nichtmechanischen Verfahren, wie das Laserstrahlverfahren
und die Gesteinszerstörung mit Wasserstrahlen hoher
Geschwindigkeit,
würden in Solchen Fällen einen zu hohen Aufwand erfordern.
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Die vorliegende Zusatzerfindung ermöglicht die Anwendung solcher nichtmechanischer
Verfahren zur Gesteinszerstörung auch im Tunnelbau in wirtschaftlicher Weise, indem
bei dem Verfahren nach dem Hauptpatent zur lösung der angegebenen Aufgabe in dem
oder den zu bildenden Teilhohlräumen anstehendes Gestein oder sonstiges hartes Bodenmaterial
mittels eines an sich bekannten "nichtmechanischen" Verfahrens zerstört oder gelöst
wird, das von dem Füiirungsgestell aus entsprechend dem Profil der herzustellenden
Bauwerkswandung durchgefülirt wird.
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Das "nichtmechanische" Verfahren kann dabei als thermisches Verfahren,
vorzugsweise in ri-orm des Plamm- oder Brennatrahlverfahrens uuter Verwendung von
Druckluft oder Sauerstoff oder in Form des Plasmabrennverfahrens durchgeführt werden,
bei dem ein hocherhitzter Gasstrahl von einem elektrischen Plasmabrenner erzeugt
wird. Es kann aber auch als elektrothermisches Verfahren durch direkte Einwirkung
von elektrischem Strom bzw.
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elektromagnetischen Wellen in Form des Kontaktverfahrens mit Hoch-
und Niederfrequenz oder in Form des Hochfrequenz-Induktionsverfahrens durchgeführt
werden. Schliesslich können auch sonstige "nichtmechanische" Verfahren, insbesondere
mit laserstrahlen arbeitende Verfahren oder solche Verfahren angewendet werden,
bei denen das Gestein durch Einwirkung von Wasserstrahlen mit hoher Geschwindigkeit
oder durch Einwirkung von Chemikalien zerstört bzw. die Festigkeit des Gesteins
verringert wird.
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Je nach den vorliegenden Gesteins- und/oder Bodenzusammensetzungen
kann das jeweils in Betracht kommende "nichtmechanische" Verfahren für sich allein
oder auch in Verbindung mit einer mechanisch arbeitenden Abbauvorrichtung angewendet
werden, die insgesamt oder mit einzelnen mechanischen Abbauwerkzeugen der nichtmechanischen
Zerkleinerung des Hartmateriales folgt
und dies weiter zerkleinert
oder abräumt. In jedem Falle kann bei Anwendung der Zusatzerfindung das in dem oder
den zu bildenden Teilhohlräumen anstehende Gestein oder sonstige Hartm terial erschütterungsfrei
und unter Vermeidung von Setzungen im Untergrund zerstört bzw. zerkleinert werden.
Das "nichtmechanische" Verfahren wird dabei in durchaus wirtschaftlicher weise angewendet,
da mit seiner Hilfe das Gestein bzw. Hartmaterial nur im Bereich der Peripherie
des aufzufahrenden Hohlraumes, d. h. in einem im Vergleich zum gesamten Hohlraumquerschnitt
nur kleinen Querschnittsbereich zerstört bzw. zerkleinert zu werden braucht. Es
kommt dabei auch nicht darauf an, den der oder die zur Herstellung der Bauwerksanwendungen
dienenden Teilhohlräume nur mit einer radialen Weite aufgefahren werden, die etwa
der- Dicke der Bauwerkswandung entspricht.
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Vielmehr kann diese radiale Weite auch grösser als die Dicke der herzustellenden
Bauwerkswandung sein, da auch dann der Querschnittsbereich, in dem der oder die
Teilhohlräume unter Zuhilfenahme des "nichtmechanischen" Verfahrens aufgefahren
werden, nur einen geringen Teil des Gesamt-Hohlraumquerschnittes darstellt.
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Nachstehend ist eine Ausführungsform der Erfindung als Beispiel an
Hand der Zeichnung beschrieben.
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Fig. 1 zeigt das herzustellende Bauwerk bzw. die hierfür zu bildenden
Teilhohlräume im Querschnitt, und Fig. 2 zeigt den zugehörigen Längsschnitt im Bereich
des Firststollens.
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Gemäss Fig. 1 ist ein langgestrecktes unterirdisches Bauwerk mit einem
etwa hufeisenförmigen Querschnitt herzustellen, dessen Bauwerkswandung die Wände
und Decke umfasst und eine entsprechende hufeisenartige Profilform aufweist. Zur
Herstellung des Bauwerkes werden zunächst in an sich bekannter Weise drei Richtstollen
1, 2 und 3 z. B. im Messervortrieb oder unter Anwendung von ein kreisrundes Hohlprofil
bildenden Fräsmaschinen
vorgetrieben und erforderlichenfalls mit
t eincr nicht dargestellten abstützenden Auskleidung versehen. Von diesen Nichtstollen
aus werden, wie insbesondere aus der rechten Hälfte der Fig. 1 ersichtlich ist,
zwei Teilhohlräume 5 hergestellt und in diesen die Bauwerkswandung in Forn von zwei
Halbschalen 6 aus Beton oder Stahlbeton hergestellt, vgl.
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Fig. 1 linke Hälfte.
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Zur Bildung der Weilhohlräume 5 und der Bauwerkswandung wird gemäss
der Erfindung an einer den Bauwerkanfang erschliessenden Einsatzstelle, z. B. in
einem Erschliessungsschacht oder an einer senkrechten Stirnwand an einem Böschungsfuss,
ein entsprechend der Profilform der Bauwerkswandung ge-bogenes Führungsgestell 4
aufgestellt, das von dem unteren Richtstollen 1 über den Firststollen 3 bis in den
Bereich des anderen unteren Richtstollens 2 reicht und innerhalb des Profils der
herzustellenden Bauwerkswandung verläuft. Auf dem Führungsgestell 4 ist tuer zur
Längsrichtung des hersustellenden Bauwerkes eine in Fig. 1 und 2 jeweils durch ein
Rechteck angedeutete Abbauvorrichtung 37 in Richuntg der in Fig. 1 eingetragenen
Pfeile bewegbar. Die Abbauvorrichtung 37 kann in beliebiger Weise so ausgebildet
sein, dass mit ihr ein n sich bekanntes "nichtmechanisches" Verfahren zur Zerstörung
bzw.
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Zerkleinerung von in den Teilhohlräumen 5 anstehenden Gestein oder
sonstigen harten Bodenmaterial durchgeführt werden kann.
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Hierzu kann die Vorrichtung 37 z. B. zum Abbau von Gestein, das, wie
Granit, Quarzit, Syenit und Sandatein unter Hitzeeinwirkung absplittert, als Flamm-
oder Brennstrahl-Brennkopf mit einem oder mehreren Brennern ausgebildet seint bei
dem der oder die Brennstrahlen mit mehrfacher Schallgeschwindigkeit und einer temperatur
von etwa 30000 C austreten. Bei Anwendung einer solchen Abbauvorrichtung, die verhältnismässig
geräuscharm arbeitet, wird das Gestein durch unmittelbare Flammeneinwirkung an der
Oberfläche jeweils ao erhitzt, dass Wärmespannungen hervorgerufen werden, die das
Gestein zum Absplittern bringen und hierdurch zerkleinern. In Verbindung
mit
einer auf diese Weise eine thermische Zerkleinerung des Gesteins herbeiführenden
Vorrichtung können auch Mittel zum Erzeugen von Wasserstrahlen angeordnet sein,
die zum Abschrecken des erhitzten Gesteins dienen, wodurch das Absplittern bz-;.
Zerbröckeln des Gesteins begünstigt wird. Gegebenen fr'll; kCnn hierbei der Druck
der Verbrennungsgase und des cutstehenden Wasserdampfes ausgenutzt werden, um das
gelöste Gestein abzubefördern, während das Wasser zugleich zum Kühlen des Brennkopfes
verwendet werden kann. Die Flamm- oder Brennstrahlen werden z. B. durch Petroleum
oder Leichtöl und flüssigen Sauerstoff gespeist, die der Vorrichtung durch an dem
Fährungsgestell angeordnete bewegliche Leitungen zugeführt werden.
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Die Vorrichtung 37 kann aber auch als elektrische Abbauvorrichtung
ausgebildet sein, mittels der zum Zerstörung bzw.
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Zerkleinerung des Gesteins oder sonstigen Hartmateriales elektr scher
Strom bzw. elektromagnetische Wellen zur direkten Einwirk-ung auf das abzubauende
Material gebracht werden. Hierzu kann die Abbauvorrichtung vorzugsweise mit einer
oder mehreren elektrischen Leiterschleifen versehen sein, die zur direkten B Berührung
mit dem Gestein gebracht werden können. Diese Leiterschleifen können eine oder mehrere
von hochfrequentem Strom durchflossene Induktionsspulen bilden, in deren magnetischen
Feld zur Erhitzung des abzubauenden Materials Wirbeltröne induziert werden, die
eine Wärmeausdehnung der gesamten Erhitzungszone oder Je nach dem meist unterschiedlichen
Energieabsorptionsvermögen der Gesteinsteile diese unterschiedlich stark erhitzen
und so den Zerstörungsvorgang herbeiführen. Derartige Abbauvorrichtungen arbeiten
völlig geräuschlos.
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Weiterhin kann die Abbauvorrichtung 97 als Vorrichtung zur Erzeugung
und zum Ausstrahlen eines oder mehrerer z. B. ungebündelter und ungerichteter: Laserstrahlen
ausgebildet sein, mittels der das Gestein oder sonstige Hartmaterial bestrahlt wird.
In wenigen Sekunden wird hierbei die bestrahlte Fläche
von Rissen
durchzogen und hierdurch die Festigkeit des C7esteins durch Lockerung desselben
soweit herabgesetst, dass es leicht mittels eines mechanischen Werkzeuges abgearbeitet
werden kann.
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Die Abbauvorrichtung 37 kann ferner als Vorrichtung zur Brzeugung
eines oder mehrerer Wasserstrahlen ausgebildet sein, die mit solch hohem Druck und
solch hoher Geschwindigkeit auf das Gestein gerichtet werden, dass das Gestein durch
die hohe kinetische Energie des oder der Wasserstrahlen zerstört und durch die scharfe
Umlenkung des oder der Wasserstrahlen erodiert wird. Der oder die Wasserstrahlen
können dabei intermittierend oder kontinuierlich auf das Gestein gerichtet werden.
Der Druck des oder der Wasserstrahlen soll höher sein als die vermutete oder bekannte
Druckfestigkeit des Ges eines und kann s. B. etwa 2000 Kp/cm² bis einige Zehntausend
Kp/cm2 betragen, während die Strahlgeschwindigkeit einige hundert Meter/Sekunde
sein kann.
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Schliesslich kann die Abbauvorrichtung 37 auch derart ausgebildet
sein, dass durch sie auf das Gestein oder sonstiges Hartmaterial an sich bekannte
Chemikalien, vorzugsweise in wassriger Lösung, aufgebracht werden, die das Gestein
angreifen und seine Festigkeit verringern. Auch hierbei kann, wie bereits im Zusammenhang
mit der Gesteinsauflockerung durch Laserstrahllen erwähnt, das in seiner Festigkeit
verminderte Gestein oder sonstige Hartmaterial anschliessend durch mechanische Werkzeugt
abgeräumt werden.
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Eine oder mehrere mechanisch arbeitende Abbauvorrichtungen können
aber auch in Verbindung mit jeder anderen "nichtmechanischen" Zerstörung, Zerkleinerung
oder Auflockerung von Gestein oder sonstigem harten Bodenmaterial verwendet werden.
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Bei der in der Zeichnung dargestellten Anwendungsweise des Verfahrens
nach der Erfindung sind beide unteren Richtstollen
1 und 2 in Höhe
der Wandsockel 11 des Bauwerkes angelegt und enthalten ebenso wie der obere Richtstollen
3 Führungsbahnen 12, auf denen das Führungsgestell 4 für die Abbauvorrichtung 37
in der durch den Pfeil 13 in Fig. 2 angedeuteten Lngsrichtung des herzustellenden
Bauwerkes je nach dem Arbeitsfortschritt vorwärts bewegbar ist, mit dem das Gestein
oder sonstige harte Bodenmaterial gelöst und die Teilhohlräume aufgefahren werden.
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In den Teilhohlräumen 5, die Jeweils von Richtstollen zu Richtstollen
reichen, werden dem Vorwärtsrücken des Führungsgestelles 4 folgend die Halbschalen
6 bzw. Bauwerkswandung in der gleichen Weise wlP bei dem Verfahren nach dem Eauptpatent
in Längsabschnitten 25 betoniert.
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Gemäß der vorliegenden Zusatzerfindung können die Teilhohlräume 5
mit einer größeren radialen Dicke hergestellt werden, als es für die Stärke der
Bauwerkawandung erforderlich ist, wobei eine Innenschalung zum Herstellen des maßgerechten
Lichtraumprofils nachgeführt wird, vgl. linke Hälfte der Pig. 1.
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Die Teilhohlräume können im übrigen entweder mit gleicher oder von
Richtstollen zu Richtstollen mit veränderlicher Dicke ausgeführt werden.
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Ansprüche: