Verfahren und Vorrichtung zum Auskleiden eines Tunnels mit Ortbeton

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auskleiden eines Tunnels mit Ortbeton hinter einer einen nachlaufenden Schildmantel aufweisen­den Vortriebsmaschine, wobei der Ortbeton durch eine an der Innen­mantelfläche des Schildmantels sowie an der Außenmantelfläche einer Innenschalung anliegende und relativ zum Schildmantel sowie zur Innenschalung längsbewegbare Stirnschalung hindurch unter gleich­zeitiger Vorbewegung der Stirnschalung gegenüber der Innenschalung zwischen das Gebirge und die Innenschalung gedrückt wird, wobei die Stirnschalung unter gleichzeitiger Kompensierung der zwischen der Stirnschalung und dem Schildmantel sowie der Innenschalung auf­tretenden Reibungskräfte ausschließlich durch den Druck des zuge­führten Ortbetons vorbewegt wird. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens, bei der die Stirnschalung eine an der Innenmantelfläche des Schildmantels an­liegende äußere Manteldichtung sowie eine an der Außenmantelfläche der Innenschalung anliegende innere Manteldichtung aufweist, über eine bewegliche Ortbetonförderleitung mit der Ortbetonpumpe verbunden ist sowie über eine einstellbare, die Reibungskräfte kompensierende hydraulische Federanordnung an den Schildmantel angekoppelt ist und der Stirnschalung sowie dem Schildmantel ein Wegmeßgerät als Ein­gebeglied einer Steuereinrichtung zugeordnet ist.

[0002] Im Rahmen der bekannten Maßnahmen der genannten Art (DE-PS 34 06 980) ist offengelassen, wie die Einstellung der hydraulischen Federanordnung im einzelnen vorgenommen wird. Die Steuereinrichtung dient lediglich dazu, die Stirnschalung in einem vorgegebenen Be­reich des Schildmantels zu halten, und weist demzufolge eine Zylin­derkolbenanordnung, über die der Schildmantel an ein Vortriebs­aggregat der Vortriebsmaschine angekoppelt ist, und die Ortbeton­ pumpe als Stellglieder auf. Diese Maßnahmen werden den Erfordernis­sen aber nicht gerecht. Erfahrungen mit Vortriebsschilden im Durch­messerbereich von 6 bis 7 m haben nämlich gezeigt, daß die erfor­derlichen Kompensationskräfte zwischen 400 und 1400 kN schwanken können. Dies führt zu entsprechend großen Schwankungen des für die Vorwärtsbewegung der Stirnschalung notwendigen Betondruckes mit den entsprechend negativen Folgen für die Qualität der Tunnel­auskleidung, insbesondere im Lockerboden und unter dem Grundwas­serspiegel. Um eine qualitativ einwandfreie Ortbetonauskleidung zu erhalten, müssen die auftretenden Druckschwankungen vermindert wer­den. Der Betondruck in der Schalung muß dabei oberhalb des anste­henden Erd- und Wasserdruckes sowie eines Sicherheitswertes gehal­ten werden.

[0003] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, im Rahmen der ein­gangs geschilderten Maßnahmen die schädlichen Druckschwankungen beim Zuführen des Ortbetons der Höhe nach zu vermindern.

[0004] In verfahrensmäßiger Hinsicht wird diese Aufgabe gemäß der Erfin­dung dadurch gelöst, daß die Reibungskräfte zwischen Betonierab­schnitten vorgegebener Länge durch Vorziehen der Stirnschalung gegenüber dem stillstehenden Schildmantel und der Innenschalung bei unterbrochener Ortbetonzufuhr ermittelt werden. Die vorrichtungsmäßige Lösung ist dadurch gekennzeichnet, daß die hydraulische Federanord­nung als Stellglied an die Steuereinrichtung angeschlossen ist und die Steuereinrichtung für eine Speicherung der Einstallung der hydrau­lischen Federanordnung bei der Ermittlung der Reibungskräfte einge­richtet ist.

[0005] Die Erfindung geht hierbei von Erfahrungen aus, die im Zuge des Auskleidens von Tunneln mit Ortbeton gewonnen worden sind. Die auf die bewegliche Stirnschalung wirkenden veränderlichen Reibungskräfte sind während des Betriebes praktisch nicht bestimmbar. Zur Sicher­stellung eines druckstabilen Betoneinbaus mit nur geringen Beton­druckschwankungen ist es deshalb erforderlich, die Reibungskräfte in regelmäßigen Abständen zu erfassen und eine beim Zuführen des Ortbetons kontinuierlich wirkende Stützkraft so zu verändern, daß die Stützkraftänderung dem Betrage nach der Reibungskraft entspricht, dieser jedoch in der Wirkungsrichtung entgegengesetzt gerichtet ist. Diese Anpassung der Stützkraft bewirkt, daß die Stirnschalung aus­schließlich durch die die Stützkraft übersteigende Betondruckkraft des zugeführten Ortbetons in Vortriebsrichtung vorwärts bewegt wird und auftretende Reibungskräfte durch die zusätzlich in das System eingebrachten Kompensationskräfte in ihrer Wirkung eliminiert werden.

[0006] Für die weitere Ausgestaltung bestehen im Rahmen der Erfindung mehrere Möglichkeiten. So ist in verfahrensmäßiger Hinsicht zunächst vorgesehen, daß die Stirnschalung für die Ermittlung der Reibungs­kräfte um ein Maß vorgezogen wird, bei dem sich die Stirnschalung nicht von dem zuletzt zugeführten Ortbeton löst; das ist bei ge­brächem, d. h. nachgiebigem Boden ohne weiteres möglich; auf der anderen Seite kommt man praktisch nur so zu einer eindeutigen Er­mittlung der Reibungskräfte. Im übrigen besteht ohne weiteres die Möglichkeit, die Reibungskräfte längs des Umfanges der Stirnschalung an mehreren Stellen unabhängig voneinander zu ermitteln; ent­sprechend ist es auch möglich, die Stirnschalung in Umfangsrichtung mit unterschiedlichen Kompensationskräften zu beaufschlagen. In vorichtungsmäßiger Hinsicht hat sich eine Ausführungsform bewährt, bei der die hydraulische Federanordnung aus parallelen Hydraulikzy­linderkolbenanordnungen besteht, deren der Stirnschalung abgewandte Zylinderkammern über eine Hydraulikleitung mit einer Gasdruck­speicheranordnung und deren der Stirnschalung zugewandte Zylinder­kammern über eine Hydraulikleitung mit einer Proportionaldruckventil­anordnung verbunden sind; die Gasdruckspeicheranordnung ist dabei für die Federwirkung und die Vorgabe einer bestimmten Stützkraft vor­gesehen, während die Proportionaldruckventilanordnung im Zusammen­hang mit der Ermittelung und Einstellung der die Reibungskräfte kom­pensierenden Kräfte eingesetzt wird. Im übrigen empfiehlt es sich, die Ortbetonpumpe als weiteres Stellglied an die Steuereinrichtung anzu­schließen.

[0007] Im folgenden wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbei­spiel darstellenden Zeichnung näher erläutert.

[0008] Die einzige Figur zeigt eine Vorrichtung zum Auskleiden eines Tun­nels mit Ortbeton hinter einer Vortriebsmaschine mit einem nachlau­fenden Schildmantel 1. Hierbei wird eine Stirnschalung 2 eingesetzt, die eine an der Innenfläche des Schildmantels 1 anliegende äußere Manteldichtung 3 sowie eine an der Außenmantelfläche einer Innen­schalung 4 anliegende innere Manteldichtung 5 aufweist. Durch die Stirnschalung 2 hindurch wird über eine bewegliche Ortbetonförder­leitung 6 mit einer Ortbetonpumpe 7 Ortbeton gedrückt; das ist in der Figur lediglich angedeutet. Die Stirnschalung 2 ist über eine einstell­bare, die Reibungskräfte kompensierende hydraulische Federanordnung 8 an den Schildmantel 1 angekoppelt. Außerdem ist der Stirnschalung 2 sowie dem Schildmantel 1 ein Wegmeßgerät 9 als Eingabeglied einer elektrischen Steuereinrichtung 10 zugeordnet.

[0009] Die genannte hydraulische Federanordnung 8 ist als Stellglied an die Steuereinrichtung 10 angeschlossen und die Steuereinrichtung 10 ist für eine Speicherung der Einstellung der hydraulischen Federanordnung 8 bei der Ermittlung der Reibungskräfte eingerichtet; das wird weiter unten noch eingehend erläutert. Die hydraulische Federanordnung 8 besteht aus mehreren parallelen Hydraulikzylinderkolbenanordnungen 11, von denen nur eine dargestellt ist. Die der Stirnschalung 2 abge­wandte Zylinderkammer 12 ist über eine Hydraulikleitung 13 mit einer Gasdruckspeicheranordnung 14 verbunden. Diese ist so ausgelegt, daß auf den Kolben der Hydraulikzylinderkolbenanordnung 11 unabhängig von dessen Stellung praktisch immer derselbe Druck ausgeübt wird. Die der Stirnschalung 2 zugewandte Zylinderkammer 15 der Hydraulik­zylinderkolbenanordnung 11 ist über eine Hydraulikleitung 16 mit einer Proportionaldruckventilanordnung 17 mit Hydraulikpumpe 18 verbunden. Mit Hilfe der Proportionaldruckventilanordnung 17 kann ein konstanter Hydraulikdruck in der Zylinderkammer 15 aufrechterhalten werden. Die Ortbetonpumpe 7 ist als weiteres Stellglied an die Steuereinrichtung 10 angeschlossen, um den Betonvolumenstrom wegabhängig zu steuern. Hierzu wird bei der Auslenkung der Stirnschalung 2 relativ zum Schildmantel 1 um den Arbeitspunkt Xm in Richtung+x der durch die Stirnschalung 2 einzubringende Betonvolumenstrom vermindert, bei einer Auslenkung um Xm in Richtung -x der Betonvolumenstrom erhöht und bei Nichtauslenkung der Stirnschalung 2 der zugeführte Beton­volumenstrom konstant gehalten bzw. nicht geändert. Der Arbeitspunkt kann mit einer Wegtoleranz versehen werden.

[0010] Bei eingeschalteter Stützung, stehender Stirnschalung 2 sowie stehen­dem Schildmantel 1 werden die drucklosen Zylinderkammern 15 der Hydraulikzylinderkolbenanordnung 11 kontinuierlich mit steigendem Druck dadurch beaufschlagt, daß Hydraulikflüssigkeit von der Hydrau­ likpumpe 18 in die Zylinderkammer 15 gepumpt wird. Dabei wird die Betonstromregelung und die Betonzufuhr unterbrochen. Die eingespeiste Hydraulikmenge ist so bemessen, daß es nach Überschreiten eines be­stimmten Druckes zu einem Abziehen der Stirnschalung 2 mit geringer Geschwindigkeit in Richtung +x kommt. Das Wegmeßgerät 9 registriert eine Wegänderung, aus der die elektronische Steuereinrichtung 10 eine Geschwindigkeitsänderung der Stirnschalung 2 ermittelt. Diese Ge­schwindigkeitsänderung ist das Signal für die Beendigung der hy­draulischen Einspeisung. Der sich ergebende Druck wird in der Steuer­einrichtung gespeichert und gegebenenfalls mit einem durch Eichung zu ermittelnden Korrekturfaktor versehen. Die dargestellten Kräfte (Stützkraft F_s , Betondruckkraft F_b , Erd- und Wasserdruckkraft) be­finden sich im Gleichgewicht. Bei einem geringfügigen und hinrei­chend langsamen Bewegen der Stirnschalung 2 ändern sich die Druck­verhältnisse im Betonraum nur geringfügig, da die Volumenänderun­gen wie von einer elastischen Membran aufgenommen werden.

[0011] Für den Kompensationsbetrieb wird die Proportionaldruckventilanord­nung 17 auf eine dem letzten gemessenen und korrigierten Wert ent­sprechende Einstellung gebracht und die Zylinderkammer 15 der Hy­draulikzylinderkolbenanordnung 11 mit Druck beaufschlagt. Für den Gleichgewichtszustand gilt im Idealfall

^FSpeicher ⁺ ^FReibung ^{= F}Beton ⁺ ^FKompensation,
^{wobei F}Speicher ^{= F}Beton ^{und F}Reibung ^{= F}Kompensation ist. Für den praktischen Einsatz wird F_Kompensation so gewählt, daß eine leichte Unterkompensation von F_Reibung erreicht wird. Dieses bedeutet, daß der Betondruck etwas überhöht angesetzt wird. Wird der Betondruck jetzt um einen gewissen Wert dF_b gesteigert, so setzt sich die Stirn­schalung 2 in Richtung der auf sie einwirkende Betondruckkraft in Bewegung, da ein Ungleichgewicht der Kräfte entsteht.

[0012] Bei einer Bewegung der Stirnschalung 2 in Richtung +x bei stehender Innenschalung 4 und einer gegenüber dem Schildmantel 1 höheren Stirnschalungsgeschwindigkeit werden die die Bewegung hemmenden Kräfte annähernd optimal kompensiert. Im Normalfall bleibt die einge­stellte Kompensationskraft solange konstant, bis eine bestimmte Weg­strecke, z. B. 20 cm, fertig betoniert ist. Die Steuereinrichtung 10 wird mit allen zur Bestimmung des Betonierweges erforderlichen Wegin­formationen ausgerüstet. Bei Erreichen der vorgesehenen Wegstrecke wird der Kompensationsbetrieb abgebrochen und automatisch eine neue Reibkraftbestimmung durchgeführt. Als Sicherheitsreserve dient eine höhere Festlegung des Betondruckes als es nach den statischen Rahmenbedingungen nötig wäre sowie die geringe Unterkompensation der Reibkraft, als deren Folge eine Betondrucküberhöhung notwendig ist. Die Auslenkung der Stirnschalung 2 führt zu einem Einsetzen der Betonvolumenstromregelung. Der Betonvolumenstrom wird vermindert. Aus praktischen Erwägungen heraus kann der Arbeitspunkt X_m mit einem Toleranzfeld x₁ > x_m > x_o versehen werden. Befindet sich die Stirn­schalung innerhalb dieser Strecke, so bleibt der Betonvolumenstrom konstant.

[0013] Bei eiuner Bewegung der Stirnschalung in Richtung +x bei stehender Innenschalung 4 und einer gegenüber dem Schildmantel 1 geringeren Stirnschalungsgeschwindigkeit wird von dem Wegmeßgerät 9 eine Aus­lenkung in Richtung -x registriert. Als Folge davon wird der Beton­volumenstrom erhöht. Der erhöhte Betonvolumenstrom führt zu einem Druckanstieg im Ringraum und schließlich zu einer Bewegung der Stirnschalung 2 in Richtung +x mit einer Geschwindigkeit, die größer ist als die des Schildmantels 1. Die auf die Stirnschalung 2 wirkende Reibkraft zwischen Schildmantel 1 und Stirnschalung 2 verändert da­bei Richtung und unter Umständen auch ihren Betrag. Um der damit eintretenden Veränderung der resultierenden Reibkraft Rechnung zu tragen, wird die Kompensationskraft solange verringert, bis die Relativgeschwindigkeit zwischen Stirnschalung 2 und Schildmantel 1 nicht mehr negativ ist. Als Folge der Auslenkung wird der Beton­volumenstrom erhöht. Der erhöhte Betonvolumenstrom führt zu einem Druckanstieg in der Schalung und schließlich zu einer Bewegung der Stirnschalung 2 in Richtung +x mit einer Geschwindigkeit, die größer als die des Schildmantels 1 ist. Ein Ausbleiben der Relativbewegung zwischen Schildmantel 1 und Stirnschalung 2 führt solange nicht zu einer wesentlichen Fehlkompensation, solange die Richtung der Reib­kräfte zwischen Innenschalung 4 und Stirnschalung 2 sowie Schild­mantel 1 und Stirnschalung 2 die gleiche Richtung haben. Dreht sich die Richtung der Reibkraft zwischen Schildmantel 1 und Stirnschalung 2 um, so verringert sich die Gesamtreibkraft und kann im Extrem­falle ihre Richtung umkehren. Die Auslegung der Steuereinrichtung 10 sieht vor, daß der Bediener auf den geschilderten Fall aufmerksam gemacht wird; der Bediener kann dann gegebenenfalls geeignete Schritte zur "Störungsbeseitigung" unternehmen. Bei einem Stehen­bleiben der Stirnschalung 2 ist die Steuereinrichtung 10 so ausgelegt, daß der Betrieb mit einer Reibungskompensation sofort unterbrochen wird, d. h. die Zylinderkammer 15 der Hydraulikzylinderkolbenan­ordnung 11 entlüftet wird. Ein Neustart des Kompensationsbetriebes ist nach Störungsbeseitigung möglich.

[0014] In Abwandlung der beschriebenen Ausführungsform ist es zur Ermitt­lung und Kompensation der Reibungskräfte selbstverständlich auch möglich, den Stützdruck in der Gasdruckspeicheranordnung 14 zu verändern. Ebenso ist es möglich, anstelle der dargestellten einzigen Proportionaldruckventilanordnung 17 weitere Proportionaldruckventilan­ordnungen zu verwenden, beispielsweise für jede Hydraulikzylinder­kolbenanordnung 11 eine eigene Proportionaldruckventilanordnung 17 einzusetzen.

Ansprüche

1. Verfahren zum Auskleiden eines Tunnels mit Ortbeton hinter einer einen nachlaufenden Schildmantel aufweisenden Vortriebsmaschine, wo­bei der Ortbeton durch eine an der Innenmantelfläche des Schild­mantels sowie an der Außenmantelfläche einer Innenschalung anlie­gende und relativ zum Schildmantel sowie zur Innenschalung längs­bewegbare Stirnschalung hindurch unter gleichzeitiger Vorbewegung der Stirnschalung gegenüber der Innenschalung zwischen das Gebirge und die Innenschalung gedrückt wird, wobei die Stirnschalung unter gleichzeitiger Kompensierung der zwischen der Stirnschalung und dem Schildmantel sowie der Innenschalung auftretenden Reibungskräfte aus­schließlich durch den Druck des zugeführten Ortbetons vorbewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Rei­bungskräfte zwischen Betonierabschnitten vorgegebener Länge durch Vorziehen der Stirnschalung gegenüber dem stillstehenden Schildmantel und der Innenschalung bei unterbrochener Ortbetonzufuhr ermittelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnschalung für die Ermittlung der Reibungskräfte um ein Maß vor­gezogen wird, bei dem sich die Stirnschalung nicht von dem zuletzt zugeführten Ortbeton löst.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reibungskräfte längs des Umfangs der Stirnschalung an mehreren Stellen unabhängig voneinander ermittelt werden.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der An­sprüche 1 bis 3, bei der die Stirnschalung eine an der Innenman­telfläche des Schildmantels anliegende äußere Manteldichtung sowie eine an der Außenmantelfläche der Innenschalung anliegende innere Manteldichtung aufweist, über eine bewegliche Ortbetonförderleitung mit einer Ortbetonpumpe verbunden ist sowie über eine einstellbare, die Reibungskräfte kompensierende hydraulische Federanordnung an den Schildmantel angekoppelt ist und der Stirnschalung sowie dem Schildmantel ein Wegmeßgerät als Eingabeglied einer Steuereinrich­tung zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die hydraulische Federanordnung (8) als Stellglied an die Steuer­einrichtung (10) angeschlossen ist und die Steuereinrichtung (10) für eine Speicherung der Einstellung der hydraulischen Federanordnung (8) bei der Ermittlung der Reibungskräfte eingerichtet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hydraulische Federanordnung (8) aus parallelen Hydraulikzylinderkol­benanordnungen (11) besteht, deren der Stirnschalung (2) abgewandte Zylinderkammern (12) über eine Hydraulikleitung (13) mit einer Gas­druckspeicheranordnung (14) und deren der Stirnschalung (2) zuge­wandte Zylinderkammern (15) über eine Hydraulikleitung (18) mit einer Proportionaldruckventilanordnung (17) verbunden sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ortbetonpumpe (7) als weiteres Stellglied an die Steuereinrich­tung (10) angeschlossen ist.