DE2737330A1

DE2737330A1 - Verfahren zum bohren und ausbauen eines tunnels und tunnelbohrvorrichtung

Info

Publication number: DE2737330A1
Application number: DE19772737330
Authority: DE
Inventors: Isamu Itoh; Yasuyuki Morita; Toshiyuki Ueno
Original assignee: FAR EAST MERCANTILE CO; IHI Corp; Japan National Railways
Current assignee: FAR EAST MERCANTILE CO; IHI Corp; Japan National Railways
Priority date: 1976-08-20
Filing date: 1977-08-18
Publication date: 1978-02-23
Also published as: GB1590346A; GB1590347A; FR2362266A1; JPS5544238B2; FR2362266B1; US4139320A; DE2737330C2; JPS5325038A

Description

Verfahren zum Bohren und Ausbauen eines Tunnels und Tunnelbohrvorrichtung

Für die Herstellung kleinerer Tunnel, beispielsweise Bahnoder Straßenunterführungen, sind verschiedene Verfahren bekanntgeworden, so beispielsweise ein Schildverfahren oder ein solches, bei welchem Stahlrohre oberhalb des zu erstellenden Tunnels in dessen Längsrichtung horizontal in den Boden hineingetrieben werden, unter welchen dann das Erdreich entfernt wird, um so in dem entstandenen Hohlraum den Tunnel mit Tunnelauskleidung errichten zu können.

Das erstgenannte Verfahren hat den Nachteil, daß ein relativ großer Bagger erforderlich ist und daß es sowohl zeitaufwendig, als auch schwierig ist, die Tunnelauskleidung nach dem Ausbaggern der Tunnelröhre zu errichten. Das zweitgenannte Verfahren hat den Nachteil, daß relativ lange Stahlrohre in mitunter beachtlicher Tiefe horizontal in das Erdreich getrieben werden müssen, was zumeist einen relativ großen Platzbedarf vor der eigentlichen Tunnelzone bedingt. Außerdem ist es schwierig, die Stahlrohre exakt Seite an Seite auf vorbestimmten Wegen durch das Erdreich zu treiben, ohne daß sie dabei verlaufen. Auch treten beim Arbeiten nach diesem Verfahren während des Ausbaggerns des Tunnelhohlraums mitunter unerwünschte Bodensenkungen auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, welches eine verbesserte Maßhaltigkeit bei der Errichtung des Tunnels in der vorbestimmten Richtung und ein gefahrloseres und vereinfachtes Arbeiten ermöglicht.

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Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Tunnelbohrvorrichtung vorzuschlagen, welche zum maßgenauen Schaffen von Hohlräumen für die Aufnahme von Tunnelauskleidungen unter Durchführung des in Betracht kommenden Verfahrens geeignet ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 2 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der sich anschließenden UnteransprUche.

Die Erfindung ist nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt durch den Bahnkörper einer Eisenbahnlinie, durch welchen ein Tunnel gebohrt werden soll;

Fig. 2 bis 7 verschiedene Längsschnitte durch den Bahnkörper nach Fig. 1 bzw. Querschnitte durch die Tunnelkonstruktion während unterschiedlicher Herstellungsphasen des Tunnelbaus;

Fig. 8 eine Aufsicht auf bzw. einen Längsschnitt durch ein kastenförmiges Tunnelwandsegment der Tunnelkonstruktion nach den Fig.1 bis 7;

Fig. 9 einen Querschnitt durch das Tunnelwandsegment nach Fig. 8 längs der Linie X-X';

Fig. 10 und 11 eine Aufsicht auf die linke bzw. die rechte Seitenwand des Tunnelwandsegments nach Fig. 8 und 9;

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Fig. 12 einen Querschnitt durch mehrere zusammengeschraubte kastenförmige Tunnelwandsegmente nach Fig. 8 bis 11;

Fig. 13 eine Aufsicht auf die Stirnseite eines Bohrkopfes;

Fig. 14 einen Längsschnitt durch den Bohrkopf nach Fig. 13 längs der Linie Y-Y·;

Fig. IS einen Längsschnitt durch die Tunnelbohrvorrichtung in Richtung der Tunnelachse;

Fig. 16 eine Aufsicht auf die Tunnelbohrvorrichtung nach Fig. 1 und 15 von hinten in Richtung des zu bohrenden Tunnels.

Zum besseren Verständnis der Erfindung sind nachstehend zunächst die Tunnelwandsegmente 30 nach den Fig. 8 bis näher erläutert.

Die Tunnelwandsegmente 30 bestehen aus hohlen Kästen, deren Querschnittsform und konstruktiver Aufbau aus den Fig. 8 bis 12 ersichtlich ist. Die miteinander verbundenen Segmente bilden die Tunnelwände und die Tunneldecke und stützen das den Tunnel umgebende Erdreich gegen den Tunnelinnenraum ab. Die Tunnelwandsegmente 30 sind in ihrem Innern mit Zwischenwänden 31, 31' versehen, in welchen sich Löcher befinden können. Die Zwischenwände der kastenförmigen Tunnelwandsegmente bilden einen längs durchlaufenden mittleren Hohlraum 32. In der einen, linken Seitenwand 33 sind in regelmäßigen Abständen Löcher 33' angeordnet. Die gegenüberliegende, rechte Seitenwand 34 weist einen längs durchlaufenden Schlitz 34* auf. Mit Hilfe dieser Löcher 33',

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des Schlitzes 34· und der Schraubbolzen 58 können nebeneinander anzuordnende kastenförmige Tunnelwandsegmente an ihren Platz in der Tunnelwand verbracht und dann miteinander verbunden werden. In dem Tunnelwandsegment 30 ist der mit dem Schlitz versehenen Seitenwand 34 benachbart eine Verstärkungswand 35 angeordnet, welche mit Löchern 35* versehen ist, um das Verschrauben zweier kastenförmiger Tunnelwandsegmente zu ermöglichen. Weiterhin sind zum gleichen Zweck im Boden der Tunnelwandsegmente mehrere Löcher 36 vorgesehen, damit die Verbindungsschrauben bzw. -bolzen leicht zugänglich sind. In den Stirnwänden 37, 37' , 38, 38' der kastenförmigen Tunnelwandsegmente 30 sind Schraubenlöcher 39, 39', 40, 40· vorhanden, um zwei hintereinander liegende Segmente miteinander verschrauben zu können.

Aus Fig. 12 geht hervor, wie drei kastenförmige Tunnelwandsegmente mittels Bolzen 58 und Muttern 59 miteinander verbunden sind.

Die Fig. 13 und 14 zeigen den Bohr- oder Fräskopf der Tunnelbohrmaschine. Der Querschnitt des Bohrkopfes 41 stimmt mit der Querschnittsform eines ihm nachgeschobenen Tunnelwandsegments 30 überein. Vorder- und Rückseite sind in ganzer Breite und Höhe offen; während die Vorderseite des Bohrkopfes 41 in ihrer ganzen Breite offen ist, befindet sich an dessen Rückseite 43 nur eine Mittenöffnung 44, zu welcher hin sich Leitwände 45 von Seitenwänden aus erstrecken. Die Rückwand 43 ist mit Bolzenlöchern 46 versehen, welche zum Anschließen eines der vorerwähnten kastenförmigen Tunnelwandsegmente 30 bestimmt sind. Durch die Öffnung 44 hindurch erstreckt sich eine Förderschnecke 29, um den Abraum aus dem Bohrkopf 41 nach hinten zu fördern. Die Welle 48 der Förderschnecke 29 ist mit ihrem vorderen Ende im Bohrkopf 41 gelagert und trägt dort eine beide

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Zahnräder 50 und 50' antreibende Schnecke 47. Das Schneckengetriebe mit Lagern 47, 48, 49, 50 und 50* ist in einem Getriebegehäuse 56 untergebracht. Die Zahnräder 50 bzw. 50' sitzen auf den im Boden und im Deckel des Bohrkopfes 41 in Lagern 52, 52* bzw. 53, 53* gelagerten Wellen 51 bzw. 51*. Ober- und unterhalb der beiden Zahnräder 50, 50* sind die Tragarme der Bohrmeißel 54, 54* bzw. 55, 55* an der Welle 51 bzw. 51 * befestigt.

Wie zuvor beschrieben, ist die Querschnittsform des Bohrkopfes 41 derjenigen der kastenförmigen Tunnelwandsegmente 30 angepaßt. Mit diesen wird das erfindungsgemäße Verfahren wie nachfolgend beschrieben durchgeführt.

Wenn, wie aus Fig. 1 ersichtlich, ein Tunnel durch einen Bahnkörper A hindurchgebohrt werden soll, dann werden zunächst zu beiden Seiten des Bahnkörpers A Gruben 1, 1' geeigneter Abmessungen ausgehoben. Die Tunnelbohrvorrichtung wird dann in einer der Gruben aufgebaut.

Wie aus den Fig. 15 und 16 ersichtlich, sind auf dem Boden der Grube 1 Fundamente 2, 2* in vorgegebenem Abstand voneinander errichtet, die das Gestell der Tunnelbohrvorrichtung tragen. Auf diesen Fundamenten 2 und 2' sind die unteren Enden der vertikalen Gewindespindeln 3, 3' der Bohrvorrichtung drehbar gelagert. An den oberen Enden der Gewindespindeln 3 und 3¹ sind Kegelräder 4, 4' befestigt, welche mit den Kegelrädern 5, 5* auf der Antriebswelle 6, welche über ein Zahnradgetriebe 7, 9, 10 von dem Motor 8 in verschiedenen Drehrichtungen angetrieben werden können, in Eingriff stehen. Auf den Gewindespindeln 3, 3* sitzen Gewindemuffen 11, II¹, die sich an den Enden eines Querträgers 12 befinden. An dem Querträger 12 ist ein Scheibenhalter 13 gelagert, welcher längs des Querträgers 12 verschiebbar ist. An dem Scheiben-

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halter 13 ist eine Scheibe 15 drehbar gelagert, an welcher das hintere Ende einer Konsole 14 befestigt ist. Die Welle der Scheibe 15 trägt ein Zahnrad 17, das mit einer von einem drehrichtungsumkehrbaren Motor 19 angetriebenen Antriebsschnecke 18 in Eingriff steht.Mit Hilfe des Motors 19 läßt sich die Konsole 14 um die Achse ihrer Welle 16 verschwenken.

Auf der Konsole 14 sitzt ein Schlitten 21, welcher einen drehrichtungsumkehrbaren Motor 20 trägt und welcher auf der Konsole 14 in Längsrichtung verschiebbar ist. Am vorderen Ende der Motorwelle 20' ist eine Kupplung 22 für die Förderschnecke 29 angeordnet. Die Motorwelle 20' treibt über die Zahnräder 23 und 25 die Antriebswelle 24* der Wickeltrommel 24 an. Die Wickeltrommel 24 dient zum Aufwickeln eines Drahtseiles 28, mit dessen Hilfe der Schlitten 21 gegen das zu durchbohrende Erdreich bewegt werden kann. Das Drahtseil ist über die Umlenkrollen 26, 26· und 27, 27' geführt und mit seinem freien Ende am Schlitten 21 befestigt.

Zu Beginn des Bohrens mit Hilfe dieser erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung wird der Querträger 12 mittels der Gewindespindeln 3 und 3* zunächst auf eine Höhe gebracht, die der Scheitelhöhe der Tunnelauskleidung entspricht. Sodann wird ein erstes kastenförmiges Tunnelwandsegment mit der Förderschnecke 29 im mittleren Hohlraum an dem Schlitten 21 befestigt; an seinem vorderen Ende sitzt der Bohrkopf 41, dessen Antriebswelle 48 an die Welle der Schnecke 29 angekuppelt ist. Der Bohrkopf 41 wird dann vor der in Betracht kommenden Wand der Grube 1 in Stellung gebracht. Nach Einschalten des Motors 20 treibt er die Förderschnecke 29 und Ober die Antriebswelle 48 die Bohrmeißel 54, 54·, und 55'. Das von diesen abgeräumte Erdreich gelangt durch die Öffnung 44 zur Förderschnecke 29 und wird von dieser im mittleren Hohlraum 32 des kastenförmigen Tunnelwandsegments 30 nach hinten abgefördert. Gleichzeitig wird mittels der Vorschubeinrichtung der Schlitten 21 und mit

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ihm das kastenförmige Tunnelwandsegment 30 und der Bohrkopf 41 langsam nach vorn bewegt.

Ist der Bohrkopf 41 ausreichend tief in das Erdreich eingedrungen, dann wird die Förderschnecke 29 von der Motorwelle 20* getrennt und der Schlitten 21 zurückgezogen. Danach wird ein weiteres Tunnelwandsegment 30 mit seiner Förderschnecke an das rückwärtige Ende des ersten, bereits weitgehend im Erdreich befindliche Tunnelwandsegment 30 angesetzt und das rückwärtige Ende der zweiten Förderschnecke 29 mit der Motorwelle 20 verbunden. Sodann wird der Bohrvorgang fortgesetzt.

Der vorbeschriebene Arbeitszyklus wird solange wiederholt, bis der Bohrkopf 41 den zu durchbohrenden Bahnkörper A durchstoßen hat. Dann wird er von dem vordersten Tunnelwandsegment 30 und von der Förderschnecke 29 abgenommen. Der Schlitten 21 mit dem Motor 20 und der Förderschnecke 29 wird zurückgezogen und die einzelnen Schüsse der Förderschnecke 29 werden nacheinander von der Motorwelle 20 bzw. voneinander getrennt.

Dann wird die Konsole 14 mit Hilfe der Scheibe 15 und deren Schwenkantrieb in eine neue Bohrposition gebracht, in welcher der Bohrkopf 41 unmittelbar neben den schon im Erdreich befindlichen Tunnelwandsegmenten 30 in das Erdreich eindringen kann, um die Tunnelauskleidung zu erstellen. Beim Instellungbringen der nächsten Reihe Tunnelwandsegmente werden diese mit Hilfe der Befestigungsbolzen 58 und Muttern 59 mit der Reihe der bereits in der Erde befindlichen Tunnelwandsegmente 30 verbunden. Dabei werden die Muttern 59 zunächst nicht fest angezogen, Dies geschieht erst, wenn nach Fertigstellung einer geschlossenen Segmentwand der Tunnelhohlraum ausgeräumt worden ist und die Schrauben und

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Muttern durch die Löcher 36 im Boden der kastenförmigen Tunnelwandsegmente 30 zugänglich sind. Es ist zu diesem Zweck günstig, wenn die kastenförmigen Tunnelwandsegmente 30 derjenigen Tunnelwandsegmentreihe, die längs der Scheitellinie des Tunnels liegen, beiderseits mit Schlitzen 34· versehen sind, damit das Vorschieben dieser Tunnelwandsegmente beim Bohren nicht durch vorstehende Muttern behindert wird.

Die übrigen Tunnelwandsegmentreihen werden in der bereits beschriebenen Weise neben den bereits plazierten in das Erdreich getrieben und mit den bestehenden Tunnelwandsegmentreihen in der beschriebenen Weise verbunden.

Die Tunnelwandsegmentreihen bilden die Auskleidung des Tunnels. Nach dessen Fertigstellung wird das im Hohlraum unter den Tunnelwandsegmenten liegende Erdreich und das in die kastenförmigen Tunnelwandsegmente eventuell eingedrungene Erdreich entfernt. Die Befestigungsmuttern 59 der Bolzen 58, welche durch die Löcher 36 und 34' zugänglich sind, werden festgezogen. Die unteren Tunnelwandsegmentreihen des Tunnelbogens können beispielsweise durch Stahlträger 60, die im Tunnelboden liegen, gegeneinander abgestützt werden.

Vor den Tunnelwandsegmenten 30 kann, wie aus Fig. 4 hervorgeht, eine mit einer Armierung 61 versehene Betonauskleidung angebracht werden. Hierzu wird Beton in den Zwischenraum zwischen den Tunnelwandsegmenten 30 und der Schalung 62 hineingepreßt (Fig. 6). Dabei dringt der Beton durch die Löcher 36 und 35 vollständig in die Innenräume der Tunnelwandsegmente 30 ein. Nach Entfernen der Schalung 62 (Fig. 7) ist der Tunnel fertiggestellt.

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Es ist aber auch möglich, lediglich die Hohlräume der Tunnelwandsegmente mit Beton auszufüllen und so zu versteifen, daß es keiner weiteren inneren Stahlbetonschale bedarf.

Wie aus der vorangegangenen Beschreibung ersichtlich ist, liegt der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens darin, daß es durch dieses nahezu ausgeschlossen ist, daß während des Tunnelbohrens Einbrüche von Erdreich auftreten können, da der von dem Bohrkopf 41 geschaffene Hohlraum im Erdreich sofort von dem nachgeschobenen kastenförmigen Tunnelwandsegment ausgefüllt wird, welches nach dem Bohren nicht mehr aus der Bohrung entfernt wird und später als Auskleidung dient, die während des Ausräumens des Tunnels Erdreicheinbrüche verhindert.

W/KÖ/Hi

Claims

O-β MÜNCHEN S3 · WIOENUAYERSTRASSE 4β D-I BERLIN-DAHLEM 33 · PODBIELSKIALLEE ββ BERLIN: DIPL.-INO. R. MÜLLIR-BÖRNIR MÜNCHEN! DIPL.-INa. HANS-HKINRICH WKV DIPL.-INS. KKKCHARO KÖRNKR 28 815/6 JAPANESE NATIONAL RAILWAYS, Tokyo/Japan ISHIKAWAJIMA-HARIMA JUKOGYO KABUSHIKI KAISHA, Tokyo/Japan KYOKUTO BOEKI KAISHA LTD., Tokyo/Japan Ansprüche

1. Verfahren zum Bohren und Ausbauen eines Tunnels, dadurch gekennzeichnet, daß ein kastenförmiger Bohrkopf verwendet wird, welcher einen Querschnitt aufweist, der dem Querschnitt der Segmente der die Tunnelwand bildenden Tunnelauskleidung entspricht, daß unmittelbar hinter dem Bohrkopf wenigstens ein die gleiche Querschnittsform aufweisendes kastenförmiges Tunnelwandsegment dem Bohrgestänge nachgeschoben wird, durch dessen Innenraum hindurch der Abraum des Bohrkopfes nach hinten weggefördert wird, daß nach Durchstoßen des zu durchtunnelnden Erdreichs der Bohrkopf vom Bohrgestänge abgenommen und das Bohrgestänge zurückgezogen wird, daß neben dem im Erdreich belassenen kastenförmigen Tunnelwandsegment die nächstfolgende Bohrung auf gleiche Weise wiederholt wird, und daß nach Fertigstellung der aus Segmenten zusammengesetzten Tunnelwand

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der von dieser umfaßte bzw. überspannte Raum von Erdreich befreit wird und daß gegebenenfalls die Hohlräume der Tunnelwandsegmente mit Beton ausgefüllt werden, nachdem gegebenenfalls eine zusätzliche Bewehrung in die Tunnelwandsegmente eingebracht worden ist.

2. Tunnelbohrvorrichtung, gekennzeichnet durch ein Gestell mit zwei im Abstand voneinander und parallel zueinander und im Abstand vor dem zu durchtunnelnden Erdreich vertikalen, mit einem Drehantrieb (4 - 10) versehenen Gewindespindeln (3, 3¹), auf welchen je eine Gewindemuffe (11, 11") angeordnet ist, mittels welcher ein horizontal am Gestell gelagerter Querträger (12) auf- und abwärts bewegbar ist, an welchem eine um eine horizontal und rechtwinklig zum Querträger (12) verlaufende, mit einem Stellmotor (17, 18, 19) gekuppelte schwenkbare Welle (16) mit einer Konsole (14) gelagert ist, welche die Bohrvorrichtung trägt, und die aus einem auf der Konsole (14) horizontal verschiebbaren Bohrkopf (41), einer Abraumfördereinrichtung (29), einer Antriebs- und Vorschubeinrichtung (20 - 28) und an den Bohrkopf (41) ankuppelbaren, kastenförmigen Tunnelwandsegmenten (30) mit Abraumfördereinrichtung (29) besteht.

3. Tunnelbohrvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (16) mit der Konsole (14) entlang dem Querträger (12) verschiebbar gelagert ist.

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