[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erstellung eines Tunnels zwischen einem
Start- und einem Zielschacht mittels Bodenvereisung.
[0002] Zur Erstellung eines Tunnels sind verschiedene Verfahren bekannt. Die Art des Vortriebverfahrens
und der optimalen Vortriebseinrichtung wird hauptsächlich durch den vorgesehenen Verwendungszweck,
den erforderlichen Querschnitt mit dem zugehörigen Ausbau sowie die gegebene Gesteins-
bzw. Bodenart bestimmt. Kriterien von überragender Bedeutung sind weiterhin die Wirtschaftlichkeit
sowie in schwierigem Baugrund die Sicherheit sowohl für die den Tunnel erstellenden
Personen als auch für das Objekt selbst.
[0003] Ein herkömmliches Verfahren, das zum Vortrieb im Lockergestein eingesetzt wird, ist
der Messer-Vortrieb, bei dem der Boden abgestützt wird, noch bevor er abgebaut wird.
Messer-Vortriebe sind jedoch bei niedrig konsistenten oder unter Wasserdruck stehenden
Böden nicht oder nur bedingt einsetzbar. Außerdem verursachen Deformationen am Messer
oder Abweichungen in der Vortriebsrichtung erhebliche Schwierigkeiten.
[0004] Ein halbmechanisches Verfahren ist die Schildbauweise. Bei diesem Verfahren geschieht
das Vorpressen automatisch. Die Schildbauweise ist für große Querschnitte sowohl im
Trockenen als auch unter Wasser - dann mit Druckluftschild - geeignet. Der Schild,
eine röhrenförmige Stahlkonstruktion vom Querschnitt des erforderlichen Ausbruchs,
greift mit seiner Vorderkante, der Schneide, in die Stirnseite, die Ortsbrust, der
Tunnelröhre ein. Im Schutz seines hinteren Teiles, des Schildschwanzes, werden die
segmentförmigen Teile des Ausbaues, die Tübbings, aus Gußeisen oder Stahlbeton versetzt.
Der Schild wird durch Pressen, die sich gegen den Ausbau abstützen, gegen die Ortsbrust
vorgeschoben. Schilde werden in Ton, Sand und Geröll eingesetzt. Treten harte, größere
Felseinschlüsse auf, so ist das Verfahren nur sehr bedingt einsetzbar.
[0005] Eine Variante dazu ist das Druckluftschild, das im Grundwasser-eingesetzt wird. Dieses
sehr aufwendige Verfahren wird nur eingesetzt, wenn Grundwasserabsenkungen nicht möglich
sind. Seine Grenzen sind wie beim normalen Schildvortrieb abgesteckt. Außerdem können
wechselnde Böden oder Tunnels in durchlässigen Böden mit geringer überdeckung wegen
der Gefahr von Ausbläsern nicht gefahren werden.
[0006] Neben den Schildvortrieben gibt es bergmännische Vortriebe, die zum Teil in schwierigem
Boden mit zusätzlichen Bauhilfsmaßnahmen arbeiten, so z.B. die Tunnelbauweise mit
Spritzbetonsicherung, Injektionen, Grundwasserabsenkung oder Vereisung usw. Alle Verfahren
sind mehr oder weniger begrenzt einsetzbar und zwar in Abhängigkeit von Bodenart,
Wassergehalt, Konsistenz, Tunnelquerschnitt, Überdeckung und den Gesamtkosten.
[0007] Zur Erstellung eines Tunnels mittels Bodenvereisung werden in bestimmten Abständen
von der geplanten äußeren Begrenzung des Tunnels Bohrlöcher parallel zur Tunnelachse
gebohrt und in diese Rohre eingebracht, durch die eine Kühlflüssigkeit zirkuliert.
Durch die Kühlflüssigkeit wird dem Boden Wärme entzogen, bis um den geplanten Tunnelquerschnitt
ein Frostkörper gebildet worden ist, der den umgebenden Boden während des Abbaus stützt
und den bereits erstellten Tunnelraum gegenüber Grundwasser- und Bodeneinbruch sichert.
[0008] Beim zuletzt genannten Verfahren fallen relativ hohe Kosten für die Erstellung und
den Unterhalt des Frostkörpers an. Die übrigen bekannten Verfahren besitzen entscheidende
technische Nachteile: Sie sind bei oberflächennahen Tunnelbauwerken, die in stark
wechselndem Baugrund erstellt werden sollen und wo mit Wasseraufkommen zu rechnen
ist, nicht oder nur unter Zuhilfenahme von erheblichen Bauhilfsmaßnahmen einsetzbar.
Die Bauhilfsmaßnahmen stellen in der Regel eine nahezu unzumutbare Belastung für die
Umwelt dar und werden häufig nur genehmigt, weil es keine technischeiAlternativen
gibt und das Bauvorhaben unbedingt durchgeführt werden muB.
[0009] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs geschilderten
Art anzugeben, mit dem ein Tunnel auf einfache Weise ohne Bauhilfsmaßnahmen in stark
wechselndem Baugrund erstellt werden kann.
[0010] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen Start- und Zielschacht
eine Bohrung in oder in der Nähe der geplanten Achse des späteren Tunnels vorgetrieben,
in das gebildete Bohrloch ein Gefrier-Arbeitsrohr eingebracht, das Gefrier-Arbeitsrohr
durch einen Kälteträger gekühlt wird, bis um das Gefrier-Arbeitsrohr ein Frostkörper
mit größerem Durchmesser als dem geplanten Tunneldurchmesser gebildet worden ist und
anschließend das gefrorene Erdreich abgebaut wird. Wie bei jedem Messer- oder Schildvortrieb
ist auch beim erfindungsgemäßen Verfahren jeweils ein mehr oder weniger großer Start-
und Zielschacht notwendig. Durch das Gefrier-Arbeitsrohr wird solange ein Kühlfluid
geleitet, bis sich um das Gefrier-Arbeitsrohr ein im Querschnitt im wesentlichen kreisringförmiger
Frostkörper mit einem Durchmesser gebildet hat, der so groß ist, daß nach Erstellung
des Tunnelhohlraumes ein Frostkörper kreisringförmigen Querschnittes bestehen bleibt.
Dieser verbleibende Frostkörper dient einerseits zur Abdichtung gegen Wasser und andererseits
zum Zweck der Statik, d.h. zur Sicherung des Tunnelhohlraumes sowie der darin arbeitenden
Personen.
[0011] Erfindungsgemäß wird das Erdreich um das Gefrier-Arbeitsrohr in gefrorenem Zustand
abgebaut. In vorteilhafter Weise wird durch das erfindungsgemäße Verfahren ein abzubauender
Boden geschaffen, der ob seiner Gleichmäßigkeit gezielt und ohne technische Probleme
abbaubar ist. Durch den Frost- - körper wird beispielsweise ein bergmännischer Abbau
ermöglicht, da-eine Sicherung - bezogen auf die Tunnelachse - sowohl in radialer als
auch in axialer Richtung besteht. Da der Tunnel stets in einen im Querschnitt kreisförmigen
Frostkörper hineingetrieben wird und stets ein.kreisringförmiger Frostkörper bestehen
bleibt, bietet das erfindungsgemäße Verfahren einen sicheren temporären Verbau bis
eine erste Sicherheitsschale eingebracht oder bis der Endausbau durchgeführt ist.
[0012] Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht daher einen Vortrieb, der von der Tiefenlage
des Tunnels unabhängig und auch in stark wechselnden Bodenarten möglich ist. Insbesondere
kann mit diesem Verfahren auch ohne Druckluft oder andere Bauhilfsmaßnahmen umweltfreundlich
im Grundwasser gearbeitet werden.
[0013] In einer besonders wirtschaftlichen Variante des erfindungsgemäBen Verfahrens wird
der Frostkörper abschnittsweise erstellt. In dieser Ausgestaltung wird ein Frostkörper
stets nur in einem Teil des Bodenbereiches zwischen Start- und Zielschacht gebildet.
Dadurch werden die Energiekosten erheblich gesenkt im Vergleich zu einem Verfahren,
bei dem der Frostkörper entlang der gesamten gebohrten Strecke, d.h. in diesem Fall
zwischen Start- und Zielschacht, gebildet wird. Bekannte Verfahren,einen Frostkörper
in mehreren Abschnitten zu erstellen, arbeiten beispielsweise mit Gefrier-Arbeitsrohren,die
durch Abschottungen, die nach und nach durchtrennt werden, in mehrere Gefrierrohr-Abschnitte
unterteilt sind. Abschnittsweises Gefrieren ist auch möglich, wenn in das Gefrier-Arbeitsrohr
ein Innenrohr eingeführt wird, wobei mit Hilfe von elastisch verformbaren Dichtungen
im Bereich des zu vereisenden Bodens ein flüssigkeitsdichter Raum zwischen Gefrier-Arbeitsrohr
und Innenrohr gebildet und in diesem Raum eine im Wärmetausch mit dem gekühlten Fluid
gefrierende Flüssigkeit eingeleitet und nachfolgend ein gekühltes Fluid in das Innenrohr
eingeführt wird. Nach einem anderen Verfahren wird ebenfalls in das Gefrier-Arbeitsrohr
ein Innenrohr eingeführt, wobei dieses auf einem Teil seiner Länge mit einer wärmedämmenden
Schicht ausgerüstet ist.
[0014] Jedes der angegebenen Verfahren ermöglicht ein abschnittsweises Erstellen des Frostkörpers.
Dem Vortriebsverlauf entsprechend wird der Frostkörper zuerst im Bereich des Startschachtes
erstellt, in dem der Vortrieb beginnt. Je nach Fortschritt der dem Bodengefrieren
folgenden Arbeiten - im wesentlichen ist das der Aushub des Eis-Erdstoffes um das
Gefrier-Arbeitsrohr - wird ein Frostkörper in weiteren Teilstrecken erstellt.
[0015] Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des.Erfindungsgedankens wird als
Kühlfluid ein tiefsiedendes, verflüssigtes Gas, insbesondere flüssiger Stickstoff,
verwendet. Wegen ihrer niedrigen Siedetemperaturen können durch diese Gase dem Erdreich
erhebliche Wärmemengen entzogen werden. Ein besonders geeignetes tiefsiedendes verflüssigtes
Gas ist flüssiger Stickstoff, da er billig ist, wegen seines tiefen Siedepunktes für
eine rasche Abkühlung sorgt und darüber hinaus einfach zu handhaben ist. Es kann auch
Sole als Kälteträger eingesetzt werden.
[0016] Grundsätzlich ist es möglich, in die zwischen Start- und Zielschacht vorgetriebene
Bohrung das Gefrier-Arbeitsrohr einzuführen und anschließend das Bohrgestänge zu ziehen.
In einer besonders zweckmäßigen Variante des Erfindungsgedankens ist jedoch das Bohrgestänge
selbst als Gefrier-Arbeitsrohr ausgebildet. Das Bohrgestänge muß daher nicht gezogen
werden, sondern kann im Baugrund verbleiben und bildet somit die "Tunnelachse".
[0017] In einer vorteilhaften weiteren Ausgestaltung des Erfindungsgedankens werden in großen
Tunnelquerschnitten dem späteren Tunnelquerschnitt entsprechend mehrere Bohrungen
zwischen Start- und Zielschacht vorgetrieben, wobei in jedes Bohrloch ein Gefrier-Arbeitsrohr
eingebracht wird. In dieser Variante wird nicht nur ein Gefrier-Arbeitsrohr, sondern
es werden dem Querschnitt und Profil entsprechend mehrere Gefrier-Arbeitsrohre parallel
oder taktweise nebeneinander gesetzt. Die Zahl bzw. Anordnung der Gefrier-Arbeitsrohre
wird entsprechend der Tunnelquerschnittsfläche und -geometrie gewählt.
[0018] Herkömmliche Abbaumethoden haben alle gemeinsam, daß sie entweder manuell ausgeführt
werden oder Vorrichtungen erforderlich machen, die sich nach hinten abstützen - also
die Reaktionskräfte aufnehmen, die der Andruck der Werkzeuge an der Ortsbrust erzeugt.
Nach einer besonders vorteilhaften erfindungsgemäßen Variante wird das gefrorene Erdreich
mittels einer sich am Gefrier-Arbeitsrohr abstützenden Abbauvorrichtung abgebaut.
Werden bei großen Tunnelquerschnitten mehrere Gefrier-Arbeitsrohre gesetzt, so werden
erfindungsgemäß ebenfalls mehrere Abbauvorrichtungen eingesetzt, die parallel oder
taktweise nebeneinander arbeiten. Das Gefrier-Arbeitsrohr nimmt bei dieser Verfahrensweise
einerseits die Reaktionskräfte auf und dient andererseits gleichzeitig als Führungselement
für die Vortriebsrichtung. Mit der Lage bzw. Einmessung und exakten Einbringung des
Gefrier-Arbeitsrohres ist also die Istabweichung des Vortriebs bestimmt und braucht
nicht mehr überwacht zu werden.
[0019] Das Gefrier-Arbeitsrohr selbst wird außen mit Gewinde, Zahnstange oder ähnlichem
versehen, welche als Führung und Widerlager beim Vorschub der Abbauvorrichtung dienen.
Da das Gefrier-Arbeitsrohr aus mehr oder weniger langen Teilstücken, wie sie bei der
Bohrtechnik üblich sind, zusammengesetzt ist, kann während des Vortriebs das jeweils
freiwerdende Ende abgenommen und später wieder verwendet werden.
[0020] In dieser Variante wird das Gefrier-Arbeitsrohr auf Zug beansprucht und muß sehr
hohe Reaktionskräfte aufnehmen.. Erfahrungsgemäß ist ein Lösen des Gefrier-Arbeitsrohres
aus dem Baugrund dennoch so lange ausgeschlossen, wie die dem Abbau voreilende Vereisung
ein ausreichendes Widerlager bildet.
[0021] Die Abbauvorrichtung selbst kann vollständig auf die Forderung eines schnellen, wirtschaftlichen
Abbaus des gefrorenen Baugrunds ausgerichtet sein. Dabei kann der Baugrund vollautomatisch
- zentral durch das Gefrier-Arbeitsrohr - durch Hämmer, Meißel, Fräser oder ähnliches
oder kombinierte Werkzeuge abgebaut, geladen und transportiert werden. Die axiale
Lage des Gefrier-Arbeitsrohres bietet ferner die Möglichkeit des Einsatzes einer rotierenden
Vorrichtung, die sich beispielsweise mit Hilfe des obengenannten Zahnstangen-Gefrier-Arbeitsrohres
ruckartig bzw.taktweise in den Eis-Erdstoffkörper oder mit Hilfe eines Gewindes schraubenförmig
hineinfrißt. Auch sind Hydro- oder Thermoabtrageverfahren denkbar.Dem Abbau kann unmittelbar
der Ausbau z.B. Spritzbeton-Sicherung oder Endausbau z.B extrudierter Beton folgen.
[0022] Je nach Durchmesser des Gefrier-Arbeitsrohres können mit den erfindungsgemäßen Verfahren
Frostkörperdurchmesser bis zu ca. 5 m erreicht werden. Das vorgeschlagene Verfahren
ist daher bevorzugt bei Tunnelbauten mit relativ kleinem Durchmesser einzusetzen.
Bei größeren Tunnelquerschnitten können mehrere Gefrier-Arbeitsrohre in -entsprechenden
Abständen innerhalb des Ausbruchsprofiles so angeordnet werden, daß ein ausreichend
großer, sich überlappender Frostkörper entsteht und gleichzeitig oder taktweise mit
mehreren Werkzeugen abgebaut werden kann.
[0023] Im folgenden soll anhand einer schematischen Skizze ein Ausführungsbeispiel des erfindunsgemäßen
Verfahrens mit einem Gefrier-Arbeitsrohr erläutert werden:
Zum Erstellen eines Tunnels ist ein Startschacht 1 mit Schachtwand 3 und ein Zielschacht
2 mit Schachtwand 4 ausgehoben worden. Zwischen Startschacht 1 und Zielschacht 2 ist
eine Bohrung vorgetrieben worden. Das Bohrgestänge ist als Gefrier-Arbeitsrohr ausgebildet
und verbleibt daher nach Durchführung der Bohrung im Bohrloch 5. Das Gefrier-Arbeitsrohr
6 besteht im Ausführungsbeispiel aus mehreren Teilstücken 6', die z.B. über ein Außengewinde
mittels geeigneter Muffen mit Innengewinden miteinander verbunden sind und auf ihrer
Außenseite eine Zahnstange 9 tragen. In das Gefrier-Arbeitsrohr wird ein verschiebbares
Innenrohr 7 eingeführt. Dieses Innenrohr dient zur abschnittsweisen Vereisung des
Erdreiches um das Gefrier-Arbeitsrohr zwischen Start- und Zielschacht und besitzt
an seiner in der Skizze dargestellten Spitze einen Durchmesser, der größer ist als
in seinem übrigen Bereich. Das übrige Innenrohr erstreckt sich zwischen der Innenrohrspitze
und beispielsweise dem Zielschacht 2. Beidseitig des Innenrohrbereiches mit großem
Durchmesser sind zwei Gummidichtungen 8, 9 entlang des Umfanges des Innenrohres angeordnet.
Diese Gummidichtungen können mittels Druckluft so verformt werden, daß sie an der
Innenwand des Gefrier-Arbeitsrohres anliegen und einen wasserdichten Kontakt herstellen.
In dem Raum 10 zwischen Innenrohr und Gefrier-Arbeitsrohr 6 bzw. zwischen den Dichtungen
8, 9 wird nun Wasser eingeleitet und anschliessend ein verflüssigtes, tiefsiedendes
Gas (im Ausführungsbeispiel flüssiger Stickstoff) in das Innenrohr eingeleitet. Im
indirekten Wärmetausch gefriert das durch die Gummidichtungen eingeschlossene Wasser
im Ringraum 9 und stellt dadurch eine gute Wärmebrücke zwischen dem Gefrier-Arbeitsrohr
6 und dem Erdreich bzw. dem Innenrohr 7 her. Zum Verschieben des Innenrohres wird
der Ringraum 10 durch warmes Wasser oder Dampf aufgetaut, die Luft aus den Dichtungen
8 und 9 abgelassen und das Innenrohr vom Zielschacht 2 her verschoben. Im Zielschacht
befindet sich ein Einspeisekopf 11 über den flüssiger Stickstoff, der z.B. aus einem
Vorratstank 12 entnommen und über Leitung 13, die vakuumisoliert sein kann, zum Einspeisekopf
11 geleitet worden ist, in das Innenrohr 7 eingeleitet wird. Der im Wärmetausch mit
dem Erdreich verdampfte Stickstoff wird über das Innenrohr, den Einspeisekopf sowie
eine Leitung 18 abgeführt und an die Umgebung abgegeben. Vom Zielschacht 2 her werden
auch die erforderliche Luft'bzw. das Wasser zur Innenrohrspitze geleitet.
[0024] Auf der dem Startschacht zugewandten Seite der Innenrohrspitze ist eine Vorrichtung
14 angebracht, mit der die Position des Innenrohres und damit des zu frierenden Bereiches
festgelegt werden kann.
[0025] Zunächst wird der dem Startschacht unmittelbar benachbarte Bereich gefroren. Hat
sich um das Gefrier-Arbeitsrohr ein Frostkörper mit einem ausreichend großen Durchmesser
D, der größer als der Durchmesser d des geplanten Tunnels ist, gebildet, kann mit
dem Abbau des ersten Abschnittes begonnen werden. Im Ausführungsbeipiel soll eine
rotierende Vortriebsvorrichtung 15 verwendet werden, die um das Gefrier-Arbeitsrohr
rotiert und einen dem geplanten Tunneldurchmesser entsprechenden Durchmesser besitzt.
Um die Vortriebsvorrichtung in Rotation und in Vorwärtsbewegung zu versetzen, ist
ein sich gegen das Gefrier-Arbeitsrohr abstützender Antrieb vorgesehen. Durch Antrieb
16 wird die Vortriebsvorrichtung 15 taktweise dem Eis-Erdstoffkörper entgegengeführt.
Unmittelbar nach dem Abbau können Tübbings 17 zur Sicherung des Tunnels versetzt werden.
Hierzu wird z.B. ein um die Achse der Vortriebsvorrichtung drehbarer Kranarm (Erektor)
verwendet. Der Zwischenraum zwischen dem Ausbau und dem Erdreich wird mit Zementmörtel
ausgepreßt. Spätestens zu diesem Zeitpunkt wird das Innenrohr zum nächsten Tunnelabschnitt
verschoben und das umliegende Erdreich gefroren. Erfindungsgemäß muß die Vereisung
dem Abbau stets soweit voreilen, daß für das Gefrier-Arbeitsrohr ein für die Aufnahme
der durch den Antrieb 11 verursachten Reaktionskräfte ausreichendes Widerlager gegeben
ist.
[0026] Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß durch die erfindungsgemäße Verfahrensweise
1) ein von der Tiefenlage des Tunnels unabhängiger Vortrieb möglich ist,.
2) ein abzubauender Baugrund geschaffen wird, der aufgrund seiner Gleichmäßigkeit
gezielt und ohne ,technische Schwierigkeiten abgebaut werden kann,
3) ein sicherer, temporärer Verbau bis zur Einbringung einer Sicherung gegeben ist,
4) nur ein geringer Aufwand an Geräten vorort erforderlich ist,
5) ein störungsarmer und reparaturfreundlicher Betrieb möglich ist,
6) nur eine sehr einfache überwachung erforderlich ist, wodurch ein hoher Sicherheitsfaktor
erreicht wird und
7) ohne Druckluft und Bauhilfsmaßnahmen umweltfreundlich im Grundwasser gearbeitet
werden kann.
1. Verfahren zur Erstellung eines Tunnels zwischen einem Start- und einem Zielschacht
mittels Bodenvereisung, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Start- und Zielschacht
eine Bohrung in oder in der Nähe der geplanten Achse des späteren Tunnels vorgetrieben,
in das gebildete Bohrloch ein Gefrier-Arbeitsrohr eingebracht, das Gefrier-Arbeitsrohr
durch einen Kälteträger gekühlt wird, bis um das Gefrier-Arbeitsrohr ein Frostkörper
mit größerem Durchmesser, als dem geplanten Tunneldurchmesser gebildet worden ist
und anschließend das gefrorene Erdreich abgebaut wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Frostkörper abschnittsweise
erstellt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Kälteträger
eine Sole oder ein Kühlfluid, z.B. ein tiefsiedendes, verflüssigtes Gas, insbesondere
flüssiger Stickstoff, verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Bohrgestänge
als Gefrier-Arbeitsrohr ausgebildet ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in großen
Tunnelquerschnitten dem späteren Tunnelquerschnitt entsprechend mehrere Bohrungen
zwischen Start- und Zielschacht vorgetrieben werden und in jedes Bohrloch ein Gefrier-Arbeitsrohr
eingebracht wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das gefrorene
Erdreich mittels einer (mehrerer) Abbauvorrichtung(en) abgebaut wird, die sich am
(jeweils an einem) Gefrier-Arbeitsrohr abstützt (abstützen).
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbauvorrichtung aus
Hämmern, Meißeln, Fräsern oder kombinierten Werkzeugen besteht, oder eine Hydro-oder
Thermoabbaueinrichtung ist.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbauvorrichtung aus
einer um das Gefrier-Arbeitsrohr in radialer Richtung ruhenden oder beweglichen, z.B.
rotierenden Vorrichtung besteht, die sich taktweise oder stetig in axialer Richtung
zum Gefrier-Arbeitsrohr bewegt.