DE3937676C2 - - Google Patents

Description

Der Erfindung betrifft einen bohrkopflosen Vortriebsschild zum bergmännischen Vortrieb eines Tunnels, Stollens oder dgl. in überwiegend feinkörnigen Böden nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Feinkörnige Böden treten insbesondere in Verlandungsgebieten von Küsten und Seeufern auf. In ihnen fehlen Kies, Steine und natürliche Holzreste. Sie bestehen aus tonigen und schluffig-feinsandigen Schichten mit Dicken von ca. 10^-3 bis 10 m, die sich unregelmäßig abwechseln, wobei die tonigen Partieen so wenig durchlässig sind, daß der Boden oft nicht auskonsolidiert ist und daher Porenüberdruck aufweist. Die schluffig-sandigen Partieen sind locker gelagert und Neigun­ gen daher bei Störungen zur Sackung und Verflüssigung, auch weil der Porenraum oft Gasblasen (zum Beispiel CH₄) enthält. Der Erddruck liegt im Boden nahe dem Druck einer schweren Flüssigkeit.

Aus der DE-PS 36 21 496 ist ein bohrkopfloser Vor­ triebsschild bekannt, der eine vordere Schildschneide zum Eingriff in den Boden und einen an die Schildschneide anschließenden sich teilweise konisch verjüngenden Einlaufraum zur Aufnahme des abzubauenden Bodens aufweist. Der Einlaufraum ist durch eine etwa parallel zur Ortsbrust liegende hintere Wand axial begrenzt, in der mindestens eine verschließbare Entnahmeöffnung zum Abzug des Bodens ange­ ordnet ist. Mit dem axialen Vorrücken des Schildes wird durch die Entnahmeöffnungen Boden abgezogen, wobei im Einlaufraum ein ausreichender Erddruck zur Stüt­ zung der Ortsbrust eingestellt ist. Beim Vortrieb wird der Schild jedoch durch ungleiche Erddrücke, auftretende Widerstände usw. aus der Richtung abgedrängt, weshalb Rich­ tungskorrekturen notwendig werden. Diese werden dadurch be­ wirkt, daß der über den Umfang ansonsten gleichmäßige Vor­ triebsdruck verändert wird, um an der Schildschneide eine der Richtungsänderung entsprechende Druckverteilung zu er­ zielen. Dabei besteht die Gefahr, daß der durch den Vortrieb an sich schon stark druckbeaufschlagte, sensitive Boden auf­ grund auftretender Druckgefälle zum Fließen neigt, wodurch es zu Einbrüchen an der Ortsbrust kommen kann, die nachtei­ lige, oft gefährliche Setzungen im Boden nach sich ziehen.

Auch ist bekannt, bei einem Rohr- oder Schildvortrieb in feinkörnigen Böden das Grundwasser durch Druckluft von der Ortsbrust fernzuhalten. Da der Luftdruck mindestens den Was­ serdruck an der Rohrsohle erreichen muß, wandert die Sätti­ gungsfront mit der Zeit nach vorn und zu den Seiten ab. Da­ durch erhält der körnige Boden zwar vor der Ortsbrust eine bodenfestigende Kapillarkohäsion, körnige Linsen und tonige Partieen werden aber nicht fester, so daß Einbrüche vorkom­ men können. Sättigt sich der Boden nach dem Durchfahren des Schildes wieder mit Grundwasser, führt dies zwingend zu einer Verdichtung und damit verbundenen Setzungen im Erd­ reich.

Bei bergmännischen Vortrieben mit Schilden, bei denen ein Bohrkopf oder ähnliches Schneidwerkzeug zum Abtragen der Ortsbrust vorgesehen ist (GB-A 20 29 477, DE-A 32 20 382, DE-U 82 05 543), nimmt der Druck im Boden vor und neben der Ortsbrust stark zu, was bei sensitiven, feinkörnigen Böden zur Verflüssigung des Bodens und zu Einbrüchen führen kann. Ferner können beim Abbau des Porenüberdruckes Setzungen in dem umgebenden Erdreich nicht ausgeschlossen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen bohrkopflo­ sen Vortriebsschild nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 derart weiterzubilden, daß ohne wesentliche Änderung des Sättigungsgrades im Boden in jedem Betriebszustand des Schildes auch bei vorzunehmenden Richtungsänderungen der to­ tale Erddruck an der Ortsbrust etwa im Bereich des Ruhe­ druckes gehalten werden kann.

Diese Aufgabe wird nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Durch die trichterförmige Verjüngung des Einlaufraums von der Schildschneide bis zu der hinteren Entnahmeöffnung ist ein kontrollierter Übergang vom ungestörten Bereich an der Ortsbrust bis zum Ort des Lösens an der Entnahmeöffnung ge­ geben. Die Einstellung des Erddrucks im Einlauftrichter erfolgt im wesentlichen durch Abstimmung des axialen Vor­ triebs des Schildes und der Öffnungsweite der Entnahme­ öffnung sowie ggf. Zufuhr von Druckluft. Notwendige Richtungsänderungen können durch Auf­ blasen oder Ablassen der Druckkissen im Einlauftrichter frühzeitig eingeleitet werden, wodurch der Einlauftrichter asymmetrisch verengt wird. Durch die Lage der Druckkissen nahe der Schildschneide wirken sie in einem Bodenbereich, der nur wenig verformt wurde und daher noch ausreichende Festigkeit aufweist, um asymmetrische Trichterdrücke aufzu­ nehmen. Einbrüche an der Ortsbrust oder Setzungen im umge­ benden Erdreich sind so auch bei der Durchführung von Rich­ tungsänderungen weitgehend vermieden.

Die Druckkissen dienen dabei nicht nur zur Ausübung eines Steuerdruckes auf den Boden im Einlauftrichter, sondern werden gleichzeitig als Sensoren zur Erfassung des anste­ henden Erddruckes genutzt.

In Weiterbildung der Erfindung ist die Wandung des Einlauf­ trichters metallisch ausgeführt und kann von einem Gleichstrom durchflossen werden. Dieser bewirkt durch Elektroosmose auf der Wandung des Einlauftrichters einen schmierenden Wasserfilm, wodurch beim Vortrieb auftretende Reibungskräfte minimiert sind.

Vorteilhaft ragt die Schildschneide in ihrem Bodenbereich weiter vor als in ihrem Dachbereich, wodurch der schwerebe­ dingte Unterschied der Erddrücke im Scheitel und in der Soh­ le des Schildes berücksichtigt wird.

Bei großen Durchmessern ist es vorteilhaft, den Vortriebs­ schild aus mehreren Einlauftrichtern mit zugeordneten Ent­ nahmeöffnungen auszubilden, die durch einen Flügelstern voneinander getrennt sind. Zur Erzielung einer genauen Füh­ rung kann es zweckmäßig sein, daß der Flügelstern auf der Längsmittelachse des Schildes axial vorsteht.

In Weiterbildung der Erfindung schließt an die Entnahmeöff­ nung eine Förderschnecke an, über die das aus dem Einlauf­ trichter abgezogene Volumen gleichzeitig kontrollierbar ist. Vorteilhaft ragt die Förderschnecke bis in den Einlauf­ trichter und dient zugleich als steuerbarer Verschluß der Entnahmeöffnung.

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachfolgend anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Vortriebsschild sowie eine Stirnansicht auf den Vortriebsschild,

Fig. 2 in schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch einen Vortriebsschild mit mehreren Einlauf­ trichtern sowie eine Stirnansicht auf den Vor­ triebsschild,

Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt durch einen Vortriebsschild in einer anderen Ausführungsform sowie eine Stirnansicht auf den Vortriebsschild,

Fig. 4 einen schematischen Längsschnitt durch ein Aus­ führungsbeispiel eines gezogenen Vortriebs­ schildes,

Fig. 5 einen schematischen Längsschnitt durch einen gezogenen Vortriebsschild mit mehreren Einlauf­ trichtern,

Fig. 6 einen schematischen Längsschnitt durch den Vortriebsschild gemäß Fig. 1 mit in den Ein­ lauftrichter ragender Förderschnecke sowie eine Stirnansicht auf diesen Vortriebsschild.

Der Vortriebsschild 1 weist einen trichterartigen Einlauf­ raum 15 auf, der als Ausgang eine hintere Entnahmeöffnung 3 zeigt. Nahe dem als Schildschneide 2 ausgebildeten vorderen Rand des Vortriebsschildes 1 sind in der Innenwand 18 des Einlauftrichters 15 an mehreren Stellen Druckkissen 17 an­ geordnet, die hydraulisch oder pneumatisch angesteuert wer­ den und mittels Ventilgebern die totalen Erddrücke unmit­ telbar vor dem Vortriebsschild erfassen. Dieselben oder an­ dere Druckkissen werden mechanisch, pneumatisch oder hydrau­ lisch ausgefahren, um den Trichter zur Steuerung der Rich­ tung des Vortriebs asymmetrisch zu verengen. Die Druckkissen wirken in der Nähe der Schildschneide nahe dem Trichterrand, wo der einlaufende Boden noch nicht durch starke Verformung seine Festigkeit verloren hat und daher asymmetrische Trich­ terdrücke aufnehmen kann, die zu einer gewünschten Kursände­ rung führen.

In der Innenwand 18 des Einlauftrichters 15 sind ferner Ven­ tile 19 angeordnet, über die Druckluft eingeblasen werden kann. Falls erforderlich, werden zur Aufrechterhaltung eines gemessenen totalen Erddruckes entsprechende Mengen an Druck­ luft zugeführt. Durch die Einspeisung der Druckluft wird der Boden auch fließfähig gemacht, was die Abfuhr erleichtert.

Die Schildschneide ragt zum Beispiel in Fig. 1 im Bereich der Sohle axial weiter vor als im Dachbereich des Vortriebs­ schildes. Hierdurch kann dem schwerebedingten Unterschied der Erddrücke im Scheitel und in der Sohle des Vortriebs­ schildes entgegengewirkt werden. Eine entsprechende Wirkung könnte zweckmäßig auch durch eine Exzentrizität des Einlauf­ trichters erzielt werden.

Die Entnahmeöffnung 3 ist durch einen Verschluß 16 steuer­ bar; an die Eintrittsöffnung 3 schließt eine Förderschnecke 5 mit einer Transportleitung 4 an. Bis zur Entnahmeöffnung 3 wird der Boden dermaßen verformt, daß er wegen seiner Struk­ tur zum Fließen neigt und sich einfach abfördern läßt. An der Entnahmeöffnung 3 wird der Boden mittels der Schnecke 5 sowie durch stetiges oder stoßartiges Einblasen von Druck­ luft ohne Wasserzugabe zutage gefördert. Um die zugeführten Druckluftmengen angepaßt zu dosieren, wird zwischen der Ent­ nahmeöffnung 3 und der Transportleitung 4 eine Volumenkon­ trolle der abgeförderten Materialmenge vorgesehen, was zweckmäßig durch die Förderschnecke 5 selbst erfolgen kann.

Um die Schubspannungen zwischen dem Vortriebsschild und dem Boden zu minimieren, ist vorgesehen, den Schildmantel 6 und die Innenwand 18 des Einlauftrichters 15 glatt, insbesondere metallisch auszubilden. Durch den Schildmantel 6 und/oder die Innenwand 18 wird ein Gleichstrom geführt, der über eine im Boden angeordnete Elektrode abgeleitet wird. Durch Elek­ troosmose wird so auf dem Mantel 6 bzw. der Innenwand 18 ein schmierender Wasserfilm erzeugt, der die Reibung zwischen dem Boden und dem Vortriebsschild senkt. Da der Wasserfilm Normalspannungen auf den Vortriebsschild ausübt, bleibt die­ ser hinreichend geführt und kann mit großen Krümmungsradien vorgetrieben werden. Für größere Kurvenkrümmungen ist der Vortriebsschild mit einem Gelenk 21 versehen.

Der Vortriebsschild hat eine derartige Länge, daß der Ein­ lauftrichter 15 und eine Einbauvorrichtung für eine Ausklei­ dung 8 Platz finden. Zwischen der Auskleidung 8 und dem Bo­ den verbleibt ein Ringspalt 7, der durch den größeren Durch­ messer des Vortriebsschildes 1 bedingt ist. Durch nicht ge­ zeigte Löcher in der Auskleidung 8 (Tübbings oder vorgepreß­ te Rohrschüsse) wird der Ringspalt 7 verpreßt. Beim Rohr­ vorpressen dienen die injizierten Verpreßmittel während des Vorpressens auch als Schmiermittel; beim Stillstand wird durch Druckluft die Suspensionshaut kontrolliert gegen den Boden gepreßt. Die Injektionsmittel sind so aufbereitet, daß sie nicht in den Boden eindringen und im späteren endgülti­ gen Einbauzustand in ihren Eigenschaften denen des umgeben­ den Bodens etwa entsprechen. Die in den Ringspalt 7 einge­ preßte Menge an Injektionsmittel wird dem Vortrieb entspre­ chend angepaßt, zweckmäßig durch eine entsprechende Volumen­ steuerung. Anstelle von Tübbings bzw. anderer Fertigteile kann die Auskleidung 8 auch aus Stahlfaserbeton bestehen, der kontinuierlich entsprechend dem Vortrieb am Schwanz des Schildes extrudiert wird, wodurch eine nahtlose Auskleidung 8 erzielt ist.

Der Vortriebsschild wird kontrolliert vorgetrieben, wobei durch Steuerung des Verschlusses 16 und ggf. durch Zufuhr von Druckluft über die Ventile 19 der totale Erddruck unmit­ telbar vor dem Vortriebsschild weitgehend unverändert auf dem Erdruhedruck gehalten werden kann. Angeordnete Steue­ rungsvorrichtungen dienen so gleichzeitig der Erddruck­ steuerung sowie der Vortriebs- und Richtungssteuerung des Schildes.

Bei großen Durchmessern und damit großen Ausbruchquerschnit­ ten wird der Boden an der Ortsbrust vorteilhaft über mehrere Einlauftrichter 15 abgebaut. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind vier Einlauftrichter 15 vorgesehen, die durch ein Flügelkreuz 20 getrennt sind, welches auch verstellbare Druckkissen 17 und ggf. eine Elektrode tragen kann. Die Ver­ schlüsse 16 der Entnahmeöffnungen 3 sind unabhängig vonein­ ander steuerbar, wodurch sich in den einzelnen Trichtern 15 individuelle Erddrücke einstellen lassen. Die Schildschneide 2 braucht daher - entgegen der Ausführung nach Fig. 1 - im Sohlenbereich nicht vorzukragen. Zur präziseren Steuerung ist vorgesehen, daß die auf der Längsmittelachse des Vor­ triebsschildes 1 liegende Mitte des Flügelkreuzes axial vor­ ragt. Bei sehr großen Ausbruchquerschnitten können auch mehr als vier Einlauftrichter vorgesehen sein.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 entspricht im Grundauf­ bau dem nach Fig. 1. Anstelle der Förderschnecke 5 ragt in Fig. 3 durch die Entnahmeöffnung bis in den Einlauftrichter 15 eine sich drehende Lanze mit am vorderen Ende angeordne­ ten Düsen 13. Aus den Düsen 13 treten Suspensionsstrahlen 12 aus, die den Boden schneiden, so daß dieser in einen der Entnahmeöffnung nachgeordneten Speicherraum 14 fällt, aus dem er über die Transportleitung 4 zutage gefördert wird. Durch die Anordnung des Speicherraums 14 ist ein gesonderter Verschluß für die Entnahmeöffnung nicht notwendig.

Muß im Boden mit festen Hindernissen gerechnet werden, die zu Verstopfungen führen könnten, ist zweckmäßig eine Trenn­ wand 22 vorgesehen, um unter Druckluft die Hindernisse manuell zu beseitigen.

In den Ausführungbeispielen nach den Fig. 4 und 5 wird der Vortriebsschild mittels eines Querhauptes 10 gezogen, an das eine Zugstange 9 angeschlossen ist. Die Zugstange 9 wird in einer Vorbohrung gerade oder auch gekrümmt zum Ziel hin ver­ legt. Bei einem gekrümmten Verlauf gleichen sich während des Ziehens kleine einbaubedingte Wellen in der Stange aus, wäh­ rend große, vorgegebene Krümmungen wegen des im Boden geweckten Seitendruckes erhalten bleiben. Die Druckkissen 17 werden beim Vortrieb zum Ausgleich ungleichmäßiger Boden­ widerstände ausgefahren. Wie die Zeichnungen zeigen, durch­ dringt die Stange 9 im Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 den Verschluß 16 der Entnahmeöffnung, während sie beim Ausfüh­ rungsbeispiel nach Fig. 5 genau durch die Mitte des Flügel­ kreuzes 20 verläuft. Ist eine Förderschnecke bzw. eine Dü­ senlanze angeordnet, wird die Zugstange 9 auf der Längs­ mittelachse des Vortriebsschildes durch die Förderschnecke bzw. die Düsenlanze geführt.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 entspricht im Grundauf­ bau dem nach Fig. 1. Die Förderschnecke 5 ragt jedoch in den Einlauftrichter 15 hinein und bildet im Stillstand den Ver­ schluß für die Entnahmeöffnung.

Claims (11)

1. Bohrkopfloser Vortriebsschild (1) zum bergmännischen Vortrieb eines Tunnels, Stollens oder dgl., in überwie­ gend feinkörnigen Böden, mit einer vorderen Schild­ schneide und zumindest einem an die Schildschneide sich anschließenden Einlaufraum für den Boden, dessen Wände sich konisch verjüngen, mit einer verschließbaren Boden- Entnahmeöffnung zum geregelten Abführen des Bodens am hinteren Ende des Einlaufraumes, mit einer Einrichtung zum Zuführen von Druckluft für den Druckluftbetrieb so­ wie gegebenenfalls mit Mitteln zum hydraulischen Lockern festerer Bodenschichten, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Einlaufraum von der Schildschneide (2) bis zu der hinteren Entnahmeöffnung (3) hin trichterförmig verjüngt, daß der Einlaufraum (15) mit einer glatten Innenwand (18) versehen ist, an welcher nahe der Schildschneide (2) über den Umfang verteilt den Erddruck messende sowie die Richtung des Vortriebsschildes steuernde Druckkissen (7) und nahe der Entnahmeöffnung (3) Druckluftventile (19) zum Zuführen von Druckluft für den Druckluftbetrieb vorgesehen sind.

2. Vortriebsschild nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entnahmeöffnung (3) sym­ metrisch zur Einlauftrichtermitte liegt.

3. Vortriebsschild nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung (6, 18) des Ein­ lauftrichters (15) metallisch ist und unter Gleichstrom setzbar ist.

4. Vortriebsschild nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schildschneide (1) in ihrem Sohlenbereich weiter vorragt als in ihrem Dachbe­ reich.

5. Vortriebsschild nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vortriebsschild (1) meh­ rere Einlauftrichter (15) mit zugeordneten Entnahmeöff­ nungen (3) aufweist, die durch ein Flügelkreuz (20) von­ einander getrennt sind.

6. Vortriebsschild nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mitte des Flügelkreuzes (20) auf der Längsmittelachse des Schildes (1) axial vorsteht.

7. Vortriebsschild nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an die Entnahmeöffnung (3) eine Förderschnecke (5) anschließt.

8. Vortriebsschild nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Förderschnecke (5) bis in den Einlauftrichter (15) ragt und als steuerbarer Verschluß (16) die Entnahmeöffnung (3) verschließt.

9. Vortriebsschild nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Vortriebsschild (1) ein hinter dem Einlauftrichter (15) liegendes Querhaupt (10) aufweist, welches mit einer auf der Längsmittelachse liegenden Zugstange (5) verbunden ist, die durch die Ortsbrust verläuft und an einer Zugstelle festgelegt ist.

10. Vortriebsschild nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Einlauftrichter (15) nahe der Entnahmeöffnung (3) rotierende Düsen (13) für Boden schneidende Suspensionsstrahlen (12) angeordnet sind.

11. Vortriebsschild nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß an die Entnahmeöffnung (3) ein Speicherraum (14) zur Zwischenlagerung des gelösten Bodens anschließt.