DE19616143C1 - Tunnelauskleidung mit in Tunnellängsrichtung hintereinander angeordneten Tübbingringen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Tunnelauskleidung mit in Tunnel­ längsrichtung hintereinander angeordneten Tübbingringen, die jeweils aus in Tunnelumfangsrichtung hintereinander angeordne­ ten segmentförmigen Tübbingen aus Stahlbeton aufgebaut sind, wobei die zwischen den Tübbingen eines Tübbingringes verlau­ fenden Längsfugen zu den Längsfugen der benachbarten Tübbing­ ringe versetzt zueinander angeordnet sind und die Tübbinge an ihrer einen Ringstirnfläche mit Nutausnehmungen und an ihrer anderen Ringstirnfläche mit in die Nutausnehmungen der Tübbin­ ge eines benachbarten Tübbingringes einfassenden Federerhebun­ gen versehen sind, welche in radialer Richtung kleinere Abmes­ sungen als die Nutausnehmungen und bei unverformtem Tübbing­ ring in radialer Richtung von den beiden Mantelflanken der zu­ geordneten Nutausnehmung einen Abstand aufweisen.

Solche Tunnelauskleidungen sind aus der Praxis hinlänglich be­ kannt (US-PS 1 969 810; DE-Z. Bautechnik 69 (1992), Heft 1, S. 11 bis 13) und zeichnen sich dadurch aus, daß die Mantel­ flanken der Federerhebungen bei einer Deformation der Tübbing­ ringe in Umfangsrichtung punktförmig an den Mantelflanken der Nutausnehmungen anliegen, wobei Überbeanspruchungen des Mate­ rials auftreten können. Im einzelnen ist zum Stand der Technik folgendes auszuführen:

Eine sehr gebräuchliche Art der Tunnelauskleidung hinter Schildvortriebsmaschinen ist der Tübbingausbau mit versetzten Längsfugen. Die Verformung eines Tübbingausbaus ist unter anderem abhängig von der Anzahl, der Anordnung und der Ausbil­ dung der Fugen. Die Anordnung versetzter Längsfugen hat zwei Ziele, nämlich Beschränkung der Versätze in der Ringspiegel­ fläche und Stabilisierung der Ringsysteme. Eine statisch wirk­ same Verbindung der benachbarten Tübbingringe in der Ringfuge, z. B. über Nut-Feder, führt zu einer gegenseitigen Stabilisie­ rung, da eine Verformungsbehinderung der beiden Tübbingringe untereinander eintritt. Dadurch entstehen aber sogenannte Koppelkräfte, die über die Ringfuge übergetragen werden müssen. Darüber hinaus wird durch eine geringere gegenseitige Verdrehung in den Längsfugen die Wirksamkeit umlaufender Dichtungsprofile erhöht. Um eine Stabilisierung tatsächlich aber auch zu erreichen, ist eine kraftschlüssige Kopplung der einzelnen Ringe in der Ringfuge erforderlich.

Bisher wurde die Ringfuge üblicherweise als Nut und Feder aus­ gebildet, um eine ausreichende Kopplung zu erreichen. Zur Übertragung der Quer- oder Koppelkräfte werden üblicherweise schmale, sogenannte Kaubitstreifen, in die Fuge eingelegt. Zum einen erlauben diese Streifen eine gewisse Lastverteilung und zum anderen sorgen sie für eine Kraftübertragung an definier­ ten Punkten entlang der Umfangslinie. Um Abplatzungen der Nut­ flanken zu vermeiden, wird die Feder an den Endbereichen und, da die Tübbingringe um einen halben Stein versetzt zueinander eingebaut werden, im Mittelbereich eines Tübbings leicht ange­ fast. Die Lasteintragungsbreite für die Koppelkräfte ist bei dieser Konstruktionsform sehr begrenzt, so daß nur relativ geringe Koppelkräfte übertragen werden können. Auch treten in der Praxis immer wieder Abplatzungen im Bereich der Nutflanken auf. Ursachen hierfür sind Spannungskonzentrationen in punk­ tuell belasteten Bereichen: Die Systemlinien von Nut und Feder verlaufen im idealen, nicht verformten System parallel zuein­ ander. Wenn nun eine Verformung des gekoppelten Ringsystems und damit eine Verdrehung in der Längsfuge eintritt, kommt es zu gegenseitigen Verschiebungen von Nut und Feder. Sobald das Spiel zwischen Nut und Feder aufgebraucht ist, kommt es zu einem unmittelbaren Kontakt von Nut und Feder. Aufgrund der geometrischen Verhältnisse handelt es sich hierbei nur um einen nahezu punktuellen Bereich, der die entstehenden Koppel­ kräfte übertragen muß. Dabei kommt es in diesen Bereichen zu örtlichen Spannungskonzentrationen, die zu einer Überbean­ spruchung des Materials an dieser Stelle führen können. Bekannt ist auch, daß die Konstruktionshöhe von Nut und Feder in Tunnellängsrichtung relativ gering ist.

Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine Tunnelauskleidung mit in Tunnellängsrichtung hintereinander angeordneten Tübbingringen der gattungsgemäßen Art anzugeben, bei der bei Verformung des gekoppelten Tübbingringsystems hohe Beanspruchungsspitzen aus Koppelkräften vermieden werden und ein gleichmäßigeres Abtra­ gen der Koppelkräfte über die Nut-Federverbindung ohne Überbe­ anspruchung des Materials ermöglicht werden.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß bei unverformten Tübbingringen die Mantelflanken der Federer­ hebungen von den beiden Mantelflanken der zugeordneten Nutaus­ nehmung in radialer Richtung veränderliche Abstände aufweisen, die durch das festlegbare Maß der gegenseitigen Deformation angrenzender Tübbingringe bestimmt sind, und daß bei Erreichen der festlegbaren gegenseitigen Deformation der angrenzenden Tübbingringe in Umfangsrichtung linienförmig an zugeordneten Teilen der Mantelflanken der Nutausnehmungen anliegen. - Wei­ tere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Anordnung versetzter Längsfugen und das Spiel zwischen Nut und Feder lassen gewisse gegenseitige Verformungen benach­ barter Ringe zu. Beanspruchungen resultieren aus dem Bau- und dem Endzustand. Im Endzustand wirken Kräfte wie Boden- bzw. Gebirgsdruck, Eigengewicht, Verkehrslasten und gegebenenfalls Wasserdruck auf die Tunnelröhre. Durch den Bauzustand ent­ stehen jedoch zusätzliche ungewollte Verformungen des Ring­ systems, z. B. infolge von Montageungenauigkeiten beim Ringbau, Beanspruchungen aus der Ringspaltverpressung oder durch die Schildschwanzdichtung. Grundgedanke ist dabei eine spezielle Nut- und Federkonstruktion, die so beschaffen ist, daß sich Bereiche der Mantelflanken von Nutausnehmung und Federer­ hebung, in Umfangsrichtung gesehen, im verformten System mög­ lichst linienförmig einander anpassen. Durch eine spezielle Konturierung von Nutausnehmung und/oder Federerhebung ergeben sich linienförmige Kontakt- bzw. Lastübertragungsbereiche. Im Gegensatz zu der herkömmlichen Nut- und Federkonstruktion ver­ ringert sich in diesen Bereichen bei gleicher Koppelkraft­ wirkung die Schubbeanspruchung. Damit wird auch das erweiterte Einsatzgebiet dieser Tübbingkonstruktion ersichtlich: Durch die Möglichkeit, größere Koppelkräfte übertragen zu können, kann diese Tübbingkonstruktion z. B. auch in sehr weichen tonigen Böden eingesetzt werden, bei denen hohe Koppelkräfte zwischen den einzelnen Ringen entstehen und übertragen werden müssen. Mit einer herkömmlichen Nut- und Federkonstruktion ge­ lingt es meist nicht, die hohen resultierenden Spannungen im Bereich der Nutflanken nachzuweisen. Der vergrößerte Quer­ kraftübertragungsbereich läßt dies jedoch zu.

Die erfindungsgemäße Lösung kann durch die drei folgend be­ schriebenen Konstruktionsvarianten verwirklicht werden:

• (1) Die Mantelflanken der Federerhebungen werden so kontu­ riert, daß sie sich bei einer vorgegebenen, gegenseitigen Verdrehung der Tübbinglängsfugen linienförmig an zugeord­ neten Teilen der Mantelflanken der Nutausnehmungen eines benachbarten Ringes anlegen.
• (2) Die Mantelflanken der Nutausnehmungen werden so kontu­ riert, daß sie sich bei einer vorgegebenen, gegenseitigen Verdrehung der Tübbinglängsfugen linienförmig an zuge­ ordneten Teilen der Mantelflanken der Federerhebung eines benachbarten Ringes anlegen.
• (3) Eine Kombination der beiden zuvor beschriebenen Konstruk­ tionsvarianten, d. h. die Mantelflanken von Nutausnehmung und Federerhebung benachbarter Ringe werden so kontu­ riert, daß Kontaktbereiche in Umfangsrichtung bei einer vorgegebenen, gegenseitigen Verdrehung der Tübbinglängs­ fugen linienförmig aufeinander zu liegen kommen.

Bei der ersten Alternative sind also die Federerhebungen im ausgelenkten System geometrisch an die Mantelflanken der Nut­ ausnehmungen des benachbarten Ringes angepaßt. Sinngemäß ist dies auch für die beiden anderen Konstruktionsvarianten zu­ treffend. Die konstruktive Ausbildung der Nut bleibt für die erste Variante unverändert zu den bisherigen Konstruktions­ varianten, d. h. die Nutausnehmung wird im unverformten System in Umfangsrichtung durch Kreise gleichen Mittelpunktes be­ stimmt. Die konstruktive Ausbildung der Feder wird, basierend auf den zu erwartenden Verformungen, am ausgelenkten Ring­ system ermittelt. Die Konstruktion ist dadurch gekennzeichnet, daß die Radien der Mantelflanken von Nut und Feder am unver­ formten Ring in Umfangsrichtung zum Teil exzentrisch ange­ ordnet sind, d. h. keinen gemeinsamen Mittelpunkt aufweisen und daß der Radius der Federflanke in Umfangsrichtung nicht konstant ist. In Abhängigkeit einer gegenseitigen Verdrehung zweier Tübbingsteine in der Längsfuge und einem Spiel zwischen Nut- und Federflanke entstehen an einer Federerhebung eines Tübbingsteines und an der Nutausnehmung eines benachbarten Tübbingsteines vier linienförmige Kontaktbereiche, an denen die Mantelflanken von Nut und Feder geometrisch anliegen. Bezogen auf eine Federerhebung liegen immer zwei Kontakt­ bereiche in Federmitte nebeneinander, entweder - je nach Ver­ drehungsrichtung in der Längsfuge des benachbarten Ringes - auf der Federinnen- oder -außenseite. Die beiden anderen Kontaktbereiche liegen diagonal versetzt auf der dement­ sprechend anderen Flanke der Feder. Es bilden sich auf diese Weise je Federelement zwei Kräftepaare aus, über die die Koppelkräfte weitergeleitet werden. Um den linienförmigen Kontakt zwischen Nut und Feder im verformten System gewähr­ leisten zu können, muß der Radius der Federflanke an der Außen- bzw. Innenseite gleich dem Radius der zugehörigen Nut­ ausnehmung sein, d. h. bei Kontakt von Nut- und Federflanke haben sowohl das entsprechende Nut- und das zugehörige Feder­ segment den gleichen Mittelpunkt, während sie ansonsten verschiedene Mittelpunkte haben. Der Bereich zwischen den Kontaktstellen auf beiden Federflanken kann auf verschiedene Arten ausgebildet werden. So besteht die Möglichkeit, diesen Bereich wie bisher bekannt auszubilden, d. h. im unverformten System liegen die Mittelpunkte der Radien von Nut- und Feder­ flanken auf geometrisch gleicher Stelle. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, jede andere denkbare geometrisch mög­ liche Verbindung zwischen zwei Kontaktbereichen herzustellen, solange sie die Wirksamkeit der Konstruktion nicht beein­ trächtigt.

Eine Ausgestaltung der Erfindung ist eine in Umfangsrichtung unterbrochene Nut/Federkonstruktion, bei der Bereiche der Nut- und Federkonstruktion, die weniger stark beansprucht bzw. nicht zur Querkraftübertragung benötigt werden, ausgespart bleiben. Die Form und die Konstruktion der Nut- und Feder­ bereiche in den verbleibenden Bereichen entspricht im wesent­ lichen der neuartigen Form der umlaufenden Nut- und Federkon­ struktion in allen zuvor beschriebenen Ausführungsvarianten. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, daß die Ring­ spiegelflächen an den entsprechenden Steinseiten keine umlau­ fende Nutausnehmung bzw. Federerhebung aufweisen, sondern nur sogenannte Nutöffnungen bzw. Federerhebungen. Die zwischen diesen Bereichen verbleibende Fläche kann eben ausgebildet werden, so daß sie als Auflagefläche für die Vortriebspressen dienen kann.

Um eine optimale geometrische Anpassung von Nut und Feder am ausgelenkten System gewährleisten zu können, wird eine zwischen Nut und Feder befindliche umlaufende nachgiebige Auflage vorgesehen. Diese Auflage hält zwei grundsätzliche Funktionen, nämlich Vergleichmäßigung der Spannungen durch eine relativ große Nachgiebigkeit und Ausgleich von Toleranzen (z. B. Schal- und Materialungenauigkeiten, Übergänge von Kontaktbereich zu dazwischenliegendem Bereich). Diese Auflage kann entweder in/auf der Mantelflanke der Nut und/oder in/auf der Mantelflanke der Feder angebracht werden.

Als eine zusätzliche Neuerung wird eine in Tunnellängsrichtung stärker als bisher ausgebildete Nut- und Federkonstruktion vorgeschlagen, um eine sinnvolle Konsolkonstruktion im Hin­ blick auf Koppelkraftübertragung, Betondeckung, Bewehrungs­ führung etc. zu gewährleisten. Durch diese Ausgestaltung entsteht, in Tunnellängsrichtung gesehen, zusätzlich ein größerer Querkraftübertragungsbereich, der es ermöglicht, ebenfalls höhere Koppel- bzw. Querkräfte über die Ringfuge weiterleiten zu können, als dies bei einer relativ kurzen Konstruktionslänge von Nut und Feder der Fall ist. In Verbin­ dung mit der konturierten Nut und Feder entsteht auf diese Weise eine Ringfugenkonstruktion, bei der eine flächenhafte Übertragung von Koppelkräften möglich ist. Diese stärkere Ausbildung der Nut- und Federkonstruktion in Tunnellängs­ richtung ist aber nicht zwingend mit der neuartigen Kontu­ rierung von Nut und Feder verbunden, d. h. sie kann auch für sich allein konstruktiv eingesetzt werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsbei­ spiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung

Fig. 1 eine Tunnelauskleidung,

Fig. 2 einen Schnitt A-A durch den Gegenstand der Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt B-B durch den Gegenstand der Fig. 2,

Fig. 4 und 5 in überhöhten Darstellungen einen Ausschnitt aus dem Gegenstand der Fig. 2 bei deformiertem Tüb­ bingring und

Fig. 6 den Gegenstand der Fig. 5 in einer anderen Aus­ führungsform.

Die in den Figuren dargestellte Tunnelauskleidung besteht zunächst aus in Tunnellängsrichtung hintereinander angeord­ neten Tübbingringen 1. In den Fig. 3 bis 6 erkennt man, daß zwischen der Außenseite der Tübbingauskleidung und der Tunnel­ wandung Verpreßmörtel 2 angeordnet ist. Die Tübbingringe 1 sind jeweils aus in Tunnelumfangsrichtung hintereinander ange­ ordneten segmentförmigen Tübbingen 3 aus Stahlbeton aufgebaut. Die zwischen den Tübbingen 3 eines Tübbingringes 1 verlau­ fenden Längsfugen 4 sind zu den Längsfugen 4 der benachbarten Tübbingringe 1 versetzt zueinander angeordnet. Darüber hinaus ist aus den Figuren deutlich ersichtlich, daß die Tübbinge 3 an ihrer einen Ringstirnfläche mit Nutausnehmungen 5 und an ihrer anderen Ringstirnfläche mit in die Nutausnehmungen 5 der Tübbinge 3 eines benachbarten Tübbingringes 1 einfassenden Federerhebungen 6 versehen sind. Diese Federerhebungen 6 weisen in radialer Richtung kleinere und über den Umfang ver­ änderliche Abmessungen als die Nutausnehmungen 5 und bei unverformten Tübbingring in radialer Richtung von den beiden Mantelflanken 7 der zugeordneten Nutausnehmung 5 einen Abstand auf. Fig. 2 zeigt in einem Querschnitt zur Tunnellängsachse die Kontur der Flanken einer Feder in stark erhöhter Form. Man erkennt eine Aneinanderreihung von Kreisabschnitten, deren Mittelpunkte gegenüber dem Mittelpunkt des kreisförmigen Tunnelquerschnittes versetzt sind. Bei den Ausführungsformen nach den Fig. 1 bis 5 bilden die Nutausnehmungen 5 jeder Ringstirnfläche eine umlaufende Nut und die Federerhebungen 6 jeder Ringstirnfläche eine umlaufende Feder, wie das im allgemeinen üblich ist. Bei der Ausführungsform nach der Fig. 6 ist dagegen eine unterbrochene Nut/Federkonstruktion vorge­ sehen, d. h. Bereiche 8, die weniger stark bzw. nicht zur Quer­ kraftübertragung benötigt werden, bleiben ausgespart. Somit können Vortriebspressen an den zwischen den Nutausnehmungen 5 verbleibenden Flächen der Bereiche 8 angreifen.

Bei allen Ausführungsformen ist die Anordnung so getroffen, daß die Mantelflanken 9 der Federerhebungen 6 bei einer festlegbaren gegenseitigen Deformation angrenzender Tübbing­ ringe 1, die von den auf zunehmenden Belastungen abhängig ist, in Umfangsrichtung linienförmig, insbesondere flächig, an zugeordneten Teilen der Mäntelflanken 7 der Nutausnehmungen 5 anliegen. In jedem Fall ist es aber günstig, wenn die Feder­ erhebungen 6 und/oder Nutausnehmungen 5 mit elastischen Auf­ lagen 10 versehen sind, um das flächige Anliegen der Mantel­ flanken 7, 9 zu gewährleisten.

Claims (6)

1. Tunnelauskleidung mit in Tunnellängsrichtung hintereinan­ der angeordneten Tübbingringen, die jeweils aus in Tunnel­ umfangsrichtung hintereinander angeordneten segmentförmigen Tübbingen aus Stahlbeton aufgebaut sind, wobei die zwischen den Tübbingen eines Tübbingringes verlaufenden Längsfugen zu den Längsfugen der benachbarten Tübbingringe versetzt zueinan­ der angeordnet sind und die Tübbinge an ihrer einen Ringstirn­ fläche mit Nutausnehmungen und an ihrer anderen Ringstirn­ fläche mit in die Nutausnehmungen der Tübbinge eines benach­ barten Tübbingringes einfassenden Federerhebungen versehen sind, welche in radialer Richtung kleinere Abmessungen als die Nutausnehmungen und bei unverformtem Tübbingring in radialer Richtung von den beiden Mantelflanken der zugeordneten Nut­ ausnehmung einen Abstand aufweisen, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei unverformten Tübbingringen (1) die Mantelflanken (9) der Federerhebungen (6) von den beiden Mantelflanken (7) der zugeordneten Nutausnehmung (5) in radialer Richtung veränderliche Abstände aufweisen, die durch das festlegbare Maß der gegenseitigen Deformation angrenzender Tübbingringe (1) bestimmt sind, und daß bei Erreichen der festlegbaren gegenseitigen Deformation der angrenzenden Tüb­ bingringe (1) in Umfangsrichtung linienförmig an zugeordneten Teilen der Mantelflanken (7) der Nutausnehmungen (5) anliegen.

2. Tunnelauskleidung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nutausnehmungen (5) jeder Ringstirnfläche eine um­ laufende Nut und die Federerhebungen (6) jeder Ringstirnfläche eine umlaufende Feder bilden.

3. Tunnelauskleidung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Nutausnehmungen (5) jeder Ringstirnfläche und die Federerhebungen (6) jeder Ringstirnfläche in Umfangs­ richtung mit Abstand voneinander angeordnet sind.

4. Tunnelauskleidung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Mantelflanken (9) der Federer­ hebungen (6) bei gegenseitiger Deformation angrenzender Tüb­ bingringe (1) in Umfangsrichtung flächig an den Mantelflanken (7) der Nutausnehmungen (5) anliegen.

5. Tunnelauskleidung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Radien der Mantelflanken (9 bzw. 7) der Federerhebungen (6) und/oder der Nutausnehmungen (5) am unverformten Tübbingring (1) teilweise exzentrisch angeordnet sind.

6. Tunnelauskleidung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Federerhebungen (6) und/oder Nutausnehmungen (5) mit elastischen Auflagen (10) versehen sind.