Verfahren zum Verfüllen von Hohlräumen ausserhalb der lichten Tunnelröhre eines maschinell aufgefahrenen Tunnels

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verfüllen oder Verpressen von Hohlräumen außerhalb der lichten Tunnelröhre eines im Schildvortrieb aufgefahrenen Tunnels oder Stollens, insbesondere des Ringspalts zwischen der Tunnelauskleidung und dem anstehenden Boden.

[0002] Im maschinellen Tunnelbau mit Schildvortriebsmaschinen (Tunnelbohrmaschinen) und Ausbau aus Tübbingen entsteht systembedingt hinter der Schildschwanzdichtung beim Vorfahren des Schildes am Umfang des Schildmantels ein Ringspalt zwischen Gebirge und Außenfläche der Tunnelauskleidung, der in der Regel eine Dicke von 10 bis 15 cm, in Ausnahmefällen bis ca. 30 cm aufweist. Dieser Ringspalt wird üblicherweise durch einen Verpressmörtel, meist druckbeaufschlagt, verfüllt. Dabei werden vorrangig folgende Ziele bzw. Aufgaben verfolgt:

• Bettung der Tübbingringe;
• weitgehende Erhaltung des Spannungszustands des Bodens und Minimierung von Setzungen der Geländeoberfläche und damit von Bauwerken;
• gelegentlich zusätzliche Wirkung als Dicht- oder Isoliermittel zur Reduzierung des Wasserandrangs zur Tunnelauskleidung hin oder Abschirmung der Tunnelauskleidung gegenüber aggressiven Stoffen.

[0003] Aus verfahrenstechnischen Gründen ist es erforderlich, dass der Verpressmörtel pumpfähig ist und mit gezielter Druckbeaufschlagung sowie Volumenkontrolle eingebracht werden kann. Eine ausreichende Verteilung des Verpressmörtels innerhalb des Hohlraums muss über ein ausreichendes Fließvermögen gewährleistet werden. Sofern der Verpressmörtel mit Bindemitteln versehen ist, muss deren Erhärtungszeit derart eingestellt werden, dass er einerseits bei kurzzeitigen Unterbrechungen des Verpressvorgangs nicht vorzeitig innerhalb der Förderleitungen erhärtet, andererseits aber die statisch erforderliche Bettung der Tübbingringe bei Verlassen des Schildschwanzes möglichst schnell gewährleistet.

[0004] Allen solchen Mischungen, und zwar sowohl Mörtelmischungen als auch bindemittelfreien Mischungen ist gemeinsam, dass sie in den Hauptbestandteilen aus Sand oder Kiessand zur Gewährleistung des geforderten Kornaufbaus, aus Wasser sowie aus geringeren Zumischungen von Bentonit bzw. Flugasche als Füllmittel zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit bestehen. Die Verpressung selbst erfolgt bei Vortrieben in Lockerböden üblicherweise durch den Schildschwanz, wobei meist etwa vier bis acht über den Umfang verteilte Verpressdüsen angeordnet sind, die über Kolbenpumpen beschickt werden.

[0005] Verpressmörtel wird entweder als Fertigmörtel angeliefert oder bauseitig aus den angelieferten Bestandteilen gemischt. Die Förderung des aufbereiteten Verpressmörtels vom Tunnelmund bis zum Verpressort im Tunnel erfolgt üblicherweise über Lorenbetrieb, anschließend über Pumpleitungen.

[0006] Derartige Lösungen sind beispielsweise aus der EP-A-0 897 050 und EP-A-0 931 909 bekannt. Dort wird das Injektionsgut in einem in der Nähe des Einpressortes angeordneten und gegebenenfalls im Lorenbetrieb gespeisten Behälter zwischengespeichert und über Rohrleitungen im Schutze des Schildschwanzes in den Ringspalt injiziert. Eine ähnliche Lösung offenbart die DE 29 32 430 A, bei der die Verfüllmasse über eine Betonförderleitung aus dem rückwärtigen Bereich der Tunnelröhre zum Ringspalt herangeführt und injiziert wird. Hier ist offen gelassen, ob die Betonförderleitung von einem Zwischenspeicher in der Tunnelröhre kommt oder ob sich die Betonförderleitung über die gesamte Länge der bereits aufgefahrenen Tunnelröhre erstreckt. Eine Möglichkeit der Verteilung des Injektionsguts gleichmäßig über den Umfang des Ringspalts ist in der US-A-3 561 223 dargestellt. Dort sieht man eine zentrale großvolumige Förderleitung, in der das Injektionsgut in den Bereich des Tunnelvortriebs gepumpt wird. An ihrem Ende geht die Förderleitung in ein Verteilersystem aus mehreren Schlauchleitungen geringeren Durchmessers über, die zu über den Umfang des Ringspalts gleichmäßig verteilten in den Ringspalt mündenden Injektionsdüsen führen. Ähnliche Lösungen sind auch aus US-A-6 082 930 und EP-A-0 348118 bekannt.

[0007] Als nächstliegender Stand der Technik wird JP57187499 angesehen. Dieses Dokument entspricht den Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0008] Die Materialtransporte für die Ringspaltverpressung sind oft mit logistischen und umweltschutztechnischen Problemen belastet. So bereitet der Antransport der Mengen von Verpressmörtel, die bei einer Tunnelröhre 75 m³/Tag, bei zwei parallel aufzufahrenden Röhren doppelt so viel betragen können, zunehmend Probleme in der Umgebung der Baustelle. Dies gilt insbesondere in dicht besiedelten Innenstadtbereichen, wie sie immer wieder bei U-Bahn-Baustellen und innerstädtischen Straßentunnels auftreten. So sind Materialtransporte tagsüber wegen der hiermit verbundenen unerwünschten Erhöhung des Verkehrsaufkommens durch Lkw-Transporte problematisch, während der Nachtzeiten aus Lärmschutzgründen zum Schutz der Anwohner vielfach unzulässig. In der Tunnelröhre ist die Baustellenlogistik auf die Verpressvolumina auszulegen; Schwierigkeiten beim Mörteinachschub führen unweigerlich zu einem kostenintensiven Stillstand der Vortriebsmaschine.

[0009] Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit aufzuzeigen, durch die diese Probleme minimiert bzw. weitgehend vermieden werden können.

[0010] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das im Patentanspruch 1 angegebenen Verfahren gelöst.

[0011] Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

[0012] Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei den bekannten Verfahren die Ringspaltverfüllung sowohl verfahrens- als auch materialtechnisch unabhängig von Bodenabbau und Bodenförderung erfolgt. Demgegenüber schlägt die Erfindung vor, diese beiden Vorgänge miteinander zu koppeln. Dies geschieht verfahrensmäßig derart, dass ein Teil des soeben abgebauten Bodens bzw. Boden-Flüssigkeits-Gemishs unmittelbar hinter der Ortsbrust aus der Förderleitung abgezweigt, falls erforderlich, unmittelbar im Tunnel aufbereitet, auf jeden Fall aber sofort zur Ringspaltverpressung wieder verwendet wird, d. h. das Material verlässt zwischen Abbau und Verpressung die Tunnelröhre nicht. Die Erfindung basiert auf dem Grundprinzip, dass das in den Ringspalt einzubauende Material keine besseren mechanischen Eigenschaften aufzuweisen braucht als der anstehende umgebende Boden, da ansonsten dieser maßgeblich wäre für Bettungs- und Setzungsverhalten.

[0013] Die Erfindung hat den wesentlichen Vorteil, dass durch Verwendung des abgebauten Bodens bzw. Bodengemischs als Verpressmaterial unter direkter Entnahme aus der Förderleitung kein gesondert anzutransportierender und in den Tunnel einzufahrender Verpressmörtel mehr benötigt wird. Hierdurch reduzieren sich das Verkehrsaufkommen und die Lärmbelastung der Umwelt, was sich insbesondere bei innerstädtischen hochbelasteten Baustellen auswirkt. Da keine Lagerflächen für den Verpressmörtel mehr erforderlich sind, reduziert sich auch der Flächenbedarf für die Baustelleneinrichtung. Schließlich vereinfacht sich die Baustellenlogistik, da Mörteltransporte durch den Tunnel entfallen.

[0014] Unmittelbare Folge dieser Vorteile ist eine Erhöhung der Betriebssicherheit, da der Vortriebsbetrieb nicht mehr durch logistische Probleme im Mörteltransport behindert oder unterbrochen werden kann. Da das Verpressmaterial als Boden bzw. Bodengemisch vorhanden ist und nicht gesondert beschafft zu werden braucht, ergeben sich auch Kostenersparnisse. Schließlich reduziert sich das Volumen des aus dem Tunnel abzufördernden Materials durch Abzweigung eines Teils des gelösten Bodens, der unter Tage verbleibt.

[0015] Ein weiterer betriebstechnisch nicht zu unterschätzender Vorteil ist, dass der Verpressmörtel an Ort und Stelle genau dann hergestellt werden kann, wenn er tatsächlich zur Verpressung gebraucht wird. Ein Erhärten und Entsorgen von zu viel oder wegen Stillstand nicht benötigtem Mörtel entfällt.

[0016] Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1

einen Längsschnitt durch einen Schildvortrieb im Slurry-Betrieb,

Fig. 2

einen Längsschnitt durch einen Schildvortrieb im EPB-Betrieb und

Fig. 3

einen Längsschnitt durch einen Schildvortrieb mit offener Ortsbrust.

[0017] In den Fig. 1 bis 3 ist schematisch dargestellt, wie in einer Gebirgsformation 1 mittels einer Schildmaschine 2 eine Tunnelröhre 3 aufgefahren wird. Die Schildmaschine 2 umfasst in bekannter Weise einen zylindrischen Schildmantel 4. Der Abbau des an der Ortsbrust 5 anstehenden Bodens erfolgt durch einen Bohrkopf 6; die Abbaukammer 7 wird in der Regel durch eine Schottwand 8 abgeschlossen.

[0018] Im Schutz des Schildschwanzes 9 wird die Tunnelauskleidung, hier bestehend aus Tübbingringen 10 aus Stahlbeton oder Stahl, eingebaut; der beim Vorfahren der Schildmaschine 2 hinter dem Schildschwanz 9 entstehende Ringspalt 11 wird, wie eingangs dargestellt, durch ein geeignetes Verfüllmaterial 12 verpresst.

[0019] Anhand Fig. 1 kann die Erfindung bei einem Tunnel- oder Stollenvortrieb im Slurry-Modus, d. h. einem Vortrieb mit flüssigkeitsgestützter Ortsbrust, erläutert werden, der vor allem bei bindigen Böden wie z. B. Tonen, angewandt wird. In diesem Fall wird der Ortsbrust über eine Speiseleitung 15 eine Stützflüssigkeit, meist eine Bentonit-Wasser-Suspension, zugeführt. Dort vermischt sich die Stützflüssigkeit mit dem durch den Bohrkopf 6 abgebauten Boden; dieses Bentonit-Boden-Wasser-Gemisch wird über eine die Schottwand 8 durchsetzende Austrittsöffnung 16 entnommen und über eine Förderleitung 17 durch die Tunnelröhre 3 hindurch zu einer über Tage angeordneten Separieranlage 18 gepumpt. In der Separieranlage 18 wird das Bodenmaterial von der Stützflüssigkeit getrennt, die anschließend wieder zur Ortsbrust 5 zurückgepumpt werden kann.

[0020] Erfindungsgemäß wird nun von der Förderleitung 17 über ein Abzweigventil 19 ein Teil des von der Ortsbrust abgeförderten Bentonit-Boden-Wasser-Gemischs abgezweigt und gegebenenfalls nach Passieren einer kleinen Separieranlage 20 sowie einer kleinen Aufbereitungsanlage 21 als Verpressmaterial durch eine Dickstoffpumpe 22 in eine Verpressleitung 23 gepresst, aus der es durch am Schildschwanz 9 angeordnete Verpressdüsen 24 in den Ringspalt 11 austritt. In der Separieranlage 20 kann eine Grobseparierung, zum Beispiel Aussieben unerwünschter Kornfraktionen, in der Aufbereitungsanlage 21 eine gezielte Zumischung von weiteren Bestandteilen, zum Beispiel Zement, erfolgen. Sofern erforderlich, kann auch ein Zwischenbehälter zur Volumenpufferung angeordnet werden. Solche Anlagen sind im Nachläuferbereich bekannt.

[0021] Das in dem Bentonit-Boden-Wasser-Gemisch enthaltene Wasser ist beim Verpressen unschädlich, solange durch die Druckaufbringung bei der Verpressung sichergestellt ist, dass es durch die Porenräume des anstehenden Bodenmaterials hindurchgepresst werden kann, d. h. dass es zu einem Korn-zu-Korn-Kontakt des eingebauten Bodenmaterials und somit einer ausreichenden Verdichtung entsprechend der Dichte des umgebenden Bodens kommt. Dies ist in der Regel bei rolligen oder gemischtkörnigen Böden gegeben. Die Zugabe eines Bindemittels zur Verfestigung ist dann nicht erforderlich. Aus wirtschaftlichen Gründen wird man allerdings bemüht sein, den in dem Bodengemisch enthaltenen Bentonit auf das zur Pumpfähigkeit notwendige Maß zu reduzieren, um den ausseparierten Bentonit erneut der Ortsbruststützung zuleiten zu können. Diese Bentonitseparierung kann in der beschriebenen kleinen Aufbereitungsanlage 20, 21 im Tunnel problemlos erfolgen.

[0022] Werden bindige Böden im Slurry-Modus aufgefahren, so kann eine unzureichende Separierung dazu führen, dass keine optimale Verdichtung des in den Ringspalt verfüllten Materials erreicht wird, da das Wasser-Bentonit-Gemisch nicht ausreichend schnell aus der Kornstruktur des Bodens verdrängt werden kann. Dem kann durch eine entsprechende Aufbereitung des Bodens oder durch zusätzliche grobkörnige Beimischungen begegnet werden.

[0023] Wie beim Auffahren bindiger oder bindig-feinsandiger Böden im EPB-Modus ("earthpressure-balance") verfahren werden kann, kann anhand Fig. 2 erläutert werden. Hier dient der an der Ortsbrust 5 abgebaute und mit dem Grundwasser vermischte "Bodenbrei" als Stützmedium für die Ortsbrust; oft werden auch Schäume aus Kunststoffen zur Konditionierung zugegeben. Hier wird der an der Ortsbrust 5 gelöste Boden aus der Abbaukammer 7 heraus mittels einer geeigneten Fördereinrichtung 25, zum Beispiel einer Förderschnecke, in das Tunnelinnere gefördert, um dort einer weiteren Fördereinrichtung 26, zum Beispiel einem Förderband, übergeben zu werden. Bevor das Bodenmaterial am Ende der Fördereinrichtung 26 einem weiteren Förderband 27 zur Förderung aus dem Tunnel heraus übergeben wird, ist eine Abzweigvorrichtung 28, zum Beispiel eine Klappe, angeordnet, um wiederum einen Teil des Bodenmaterials einer kleinen Aufbereitungsanlage 29 zuzuführen. Von dort wird das gegebenenfalls aufbereitete Material mittels einer Dickstoffpumpe 30 in eine Verpressleitung 31 gepresst, aus der es wieder unmittelbar zu den Verpressdüsen 24 am Schildschwanz 9 gelangt und in den Ringspalt 11 austritt.

[0024] Bindige Böden werden häufig im EPB-Modus aufgefahren, bei dem der abgebaute Boden bereits an der Ortsbrust mit einem Konditionierungsmittel, zum Beispiel einem Schaum, aufbereitet wird und somit über keine zusätzlichen Bentonitanteile verfügt. Auch dieser Boden ist grundsätzlich für eine direkte Wiederverpressung geeignet, sofern er mittels Zugabe von Fließmitteln in einen pump- und verpressfähigen Zustand gebracht wird.

[0025] Das erfindungsgemäße Verfahren ist grundsätzlich auch für Vortriebe mit offener Ortsbrust geeignet; wie hier vorgegangen werden kann, kann anhand Fig. 3 erläutert werden.

[0026] Auch hier wird das an der Ortsbrust 5 abgebaute Material aus der Abbaukammer 7 heraus mittels einer Fördereinrichtung 35, zum Beispiel eines Förderbandes, gefördert, wobei im Bereich einer Übergangsstation zu einem weiterführenden Förderband 36 wiederum eine Abzweigeinrichtung 37, zum Beispiel eine Klappe, vorgesehen ist, mittels deren ein Teil des geförderten Bodenmaterials abgezweigt und einer Siebanlage 38, gegebenenfalls auch einer Aufbereitungsanlage 39 zugeführt werden kann. Um das abgebaute Bodenmaterial pumpfähig zu machen, müssen gegebenenfalls zu grobkörnige Fraktionen ausgesiebt und/oder Fließmittel zugegeben werden.

[0027] Das aufbereitete Material wird wieder über eine Dickstoffpumpe 40 in eine Verpressleitung 41 gepresst, durch die es zu den Verpressdüsen 24 am Ende des Schildschwanzes 9 gelangt. Falls erforderlich, kann über eine Leitung 42 Wasser zugeführt werden.

[0028] Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass das erfindungsgemäße Verfahren für rollige oder gemischtkörnige Böden (Kiese, Sande, gegebenenfalls mit bindigen Beimengungen) vorteilhaft anzuwenden ist. Das abgeförderte Bodengemisch kann in praktisch unveränderter Form zur Verpressung verwendet werden; eine Aufbereitung wird nicht aus technischen, sondern allenfalls aus wirtschaftlichen Gründen sinnvoll sein. Bei bindigen Böden ist dagegen in aller Regel eine den Anforderungen an die Ringspaltverpressung anzupassende Aufbereitung vorzunehmen.

[0029] Durch gezielte Zumischung von Zement oder anderen Bindemitteln zu dem abgezweigten, soeben abgebauten Bodengemisch kann ein "Bodenbeton" erzeugt werden, dem eine dichtende oder isolierende, je sogar eine statisch-tragende Funktion zugewiesen werden kann. Es ist somit nach der Erfindung möglich, eine Art "Extrudierbeton" als Tunnelsicherung im Tunnel herzustellen. Dabei stellen der anstehende Boden den Zuschlag und das vorhandene Grundwasser das Anmachwasser dar.

Ansprüche

1. Verfahren zum Verfüllen oder Verpressen des Ringspalts (11) zwischen der Tunnelauskleidung (10) und dem anstehenden Boden (1) eines im Schildvortrieb aufgefahrenen unterirdischen Hohlraums, insbesondere eines Tunnels oder Stollens, wobei zum Verfüllen oder Verpressen des Ringspalts (11) von dem an der Ortsbrust (5) gelösten Bodenmaterial oder dem beim Abbau entstandenen Bodengemisch innerhalb der Tunnelröhre (3) ein Teil abgezweigt und ohne die Tunnelröhre (3) zu verlassen, zum Verfüllen oder Verpressen des Ringspalts (11) verwendet und direkt dem Ringspalt (11) zwischen Tunnelauskleidung (10) und anstehendem Boden (1) aufgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verfüllen oder Verpressen des Ringspalts (11) unerwünschte Kornfraktionen und/oder Bentonitanteile aus dem abgezweigten Teil des Bodenmaterials oder Bodengemischs innerhalb einer Separieranlage ausgesondert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das an der Ortsbrust (5) gelöste Bodenmaterial bzw. das beim Abbau entstandene Bodengemisch innerhalb der Tunnelröhre (3) für die Zwecke des Verfüllens oder Verpressens aufbereitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem an der Ortsbrust (5) gelösten Bodenmaterial bzw. dem beim Abbau entstandenen Bodengemisch das Sicherungselement, vornehmlich der Ausbau der aufgefahrenen Tunnelröhre (3) hergestellt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das an der Ortsbrust (5) gelöste Bodenmaterial bzw. das beim Abbau entstandene Bodengemisch als Dicht- oder Isolierelement für die lichte Tunnelröhre (3) verwendet wird.

Claims

1. A method of filling or pressure-grouting the annular gap (11) between a tunnel lining (10) and the surrounding ground (1) of an underground cavity driven in a shield-tunnelling operation, in particular of a tunnel or gallery, wherein for filling or pressure-grouting the annular gap (11) a portion of the ground material loosened at the working face (5) or of the ground mixture produced during excavation is deviated inside the tunnel duct (3) and, without leaving the tunnel duct (3), is used for filling or pressure-grouting the annular gap (11) and is fed directly to the annular gap (11) between the tunnel lining (10) and the surrounding ground (1), characterised in that, before the filling or pressure-grouting of the annular gap (11), undesirable particle fractions and/or bentonite components are separated out from the deviated portion of the ground material or ground mixture inside a separating unit.

2. A method according to Claim 1, characterised in that the ground material loosened at the working face (5) or the ground mixture produced during excavation is processed inside the tunnel duct (3) for the purpose of filling or pressure-grouting.

3. A method according to Claim 1 or 2, characterised in that the securing element, especially the support of the driven tunnel duct (3), is produced from the ground material loosened at the working face (5) or from the ground mixture produced during excavation.

4. A method according to any one of Claims 1 to 3, characterised in that the ground material loosened at the working face (5) or the ground mixture produced during excavation is used as a sealing or insulating element for the internal tunnel duct (3).

Revendications

1. Procédé pour combler ou remplir par injection l'espace annulaire (11) entre le revêtement de tunnel (10) et le sol environnant (1) d'une cavité souterraine creusée par avancement au bouclier, en particulier d'un tunnel ou d'une galerie, sachant qu'afin de combler ou de remplir par injection l'espace annulaire (11), on prélève dans les tubes de tunnel (3) une partie de la terre détachée sur le front de taille (5) ou du mélange de terre produit lors de l'abattage et on l'utilise sans quitter les tubes de tunnel (3) pour combler ou remplir par injection l'espace annulaire (11), et on l'apporte directement à l'espace annulaire (11) entre le revêtement de tunnel (10) et le sol environnant (1), caractérisé en ce que, avant de combler ou remplir par injection l'espace annulaire (11), les fractions granulométriques et/ou les parts de bentonite indésirables sont, dans une installation de triage, séparées de la partie prélevée de la terre ou du mélange de terre.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la terre détachée sur le front de taille (5) ou le mélange de terre produit lors de l'abattage est, dans les tubes de tunnel (3), préparé(e) en vue du comblement ou remplissage par injection.

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on réalise l'élément de consolidation, principalement le soutènement des tubes de tunnel creusés (3), à partir de la terre détachée sur le front de taille (5) ou du mélange de terre produit lors de l'abattage.

4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la terre détachée sur le front de taille (5) ou le mélange de terre produit lors de l'abattage est utilisé(e) comme élément d'étanchéité ou d'isolation pour les tubes de tunnel de passage (3).

Zeichnung