DE3937676C2 - - Google Patents
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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.
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EP1769136A1 (de) * | 2004-07-20 | 2007-04-04 | Wirth Maschinen- und Bohrgeräte-Fabrik GmbH | Verfahren und tunnelbohr- oder teilschnittmaschine zum vortreiben einer tunnelbohrung |
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JPS627759Y2 (de) * | 1981-06-15 | 1987-02-23 | ||
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