Verfahren zum Bau eines Verkerhswegetunnels in Tübbingbauweise

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bau eines Verkehrswegetunnels in Tübbingbauweise, bei dem Tübbingbauteile in einer maschinell erzeugten Hohlraumbohrung zusammengesetzt werden, um eine geschlossene Auskleidung zu bilden, und der Zwischenraum zwischen der Innenwand des Hohlraums und den Außenwänden der Tübbingbauteile mit Perlkies aufgefüllt wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zusätzlich zum Auffüllen des Zwischenraums mit Perlkies ein flüssiges, durch Polyaddition vernetzendes und aushärtendes Reaktionsharzgemisch als zementfreie Ringspaltverfüllung unter Druck eingespritzt wird, um den Zwischenraum zu verfüllen und abzudichten und die Tübbingbauteile zu betten. Das Reaktionsharzgemisch, z.B. Silikatharz oder Polyurethanharz, kann entweder nach vorab vorgenommen Füllung des Zwischenraum mit Perlkies eingespritzt werdem, oder es wird vorab eine Gemenge aus Perlkies und Reaktionsharzgemisch gebildet und dieses dann in einem Schritt in den Zwischenraum eingespritzt.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bau eines Verkehrswegetunnels in Tübbingbauweise, bei dem Tübbingbauteile in einen maschinell erzeugten Hohlraum zusammengesetzt werden, um eine geschlossene Tunnelwand zu bilden, und der Zwischenraum zwischen der Innenwand des Hohlraums und den Außenwänden der Tübbingbauteile mit Perlkies aufgefüllt wird.

[0002] Verkehrswegetunnel müssen auch Gebiete durchqueren, in denen geologisch problematische Umgebungsverhältnisse herrschen, wie zum Beispiel Umgebungen mit wasserreaktivem Baugrund. Beispiele für solche geologisch problematischen Umgebungsverhältnisse sind der Queenstone - Tonstein im Bereich der großen Seen in Nordamerika und der Anhydrit im Raum Stuttgart. Bei Tunneln in Tübbingbauweise wird der Ringspalt zwischen der Hohlraumbohrung und den Tübbingbauteilen mit einer Mörtelsuspension verfüllt, um die Tübbingbauteile zu stabilisieren und in dem aufgelockerten Boden einzubetten. Das Einspritzen von Mörtelsuspensionen in denen Ringspalt erfolgt unter Druck.

[0003] Weiterhin kann bei geringeren Anforderungen an die Einbettung die Mörtelsuspension auch durch einen Einkorn-Perlkies ersetzt werden. Diese Bauweise kann aber nur in bestimmten Locker-Festgesteinsformationen mit geringeren Anforderungen an die Bettung oder in stabilen Baugrundverhältnissen eingesetzt werden.

[0004] Beim Bau von Verkehrswegetunnel in Gebieten mit geologisch problematischen Umgebungsverhältnissen kommt es oft zu Schäden an den Tunneln, wenn zum Beispiel in Umgebungen mit wasserreaktiven Lockergesteinen oder Festgesteinen eine Verfüllung des Ringspalts mit Mörtelsuspensionen erfolgt, da es dort aufgrund des Wassergehaltes des Mörtels zu Reaktionen kommt, die zu schädigenden Rückwirkungen auf die Tunnelwand führen. Aus diesem Grund ist der Einsatz von Mörtelsuspensionen beim Tunnelbau in einigen Gebieten problematisch.

[0005] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Bau von Verkehrswegetunneln in Tübbingbauweise anzugeben, mit der einschalige oder zweischalige Hohlraumbauwerke auch bei geologisch problematischen Umgebungsverhältnissen wie quellfähigen Baugründen mit Ringspaltverfüllung verfüllt, gebettet und gedichtet werden können. Weiterhin sollen die Klüftigkeit und etwaige Hohlräume oder Poren des umgebenden Gesteins zementfrei verfüllt und gedichtet werden können.

[0006] Zur Lösung dieser Aufgabe dient das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

[0007] Es ist vorgesehen, dass der Verkehrswegetunnel in einer maschinell erzeugten Hohlraumbohrung in einschaliger Bauweise mittels Tübbingbauteilen erstellt wird oder zweischalig, mit einer zusätzlichen Ortbetoninneschale erstellt wird, um eine geschlossene Auskleidung zu erhalten. Der Zwischenraum zwischen der Innenwand der Hohlraumbohrung und den Außenwänden der Tübbingbauteile, im Folgenden auch Ringspalt genannt, wird mit Perlkies aufgefüllt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zusätzlich zur Auffüllung des Zwischenraums mit Perlkies, ein flüssiges, durch Polyaddition vernetzendes und aushärtendes Reaktionsharzgemisch als zementfreie Ringspaltverfüllung unter Druck in den Zwischenraum eingespritzt wird, um den Zwischenraum zu verfüllen, abzudichten und die Tübbingbauteile zu betten. Die Auffüllung des Zwischenraums kann entweder vorgenommen werden, nachdem dieser durch Perlkies bereits weitgehend gefüllt ist (bis auf die verbleibenden Zwischenräume der dich liegenden Perlkiessteine), oder es werden Perlkies und Reaktionsharzgemisch vorab miteinander vermengt und das Gemenge in den Zwischenraum eingespritzt, z.B. mit Druckluft eingeblasen. Dieser Verpressvorgang wird mit einem Überdruck je nach statischen Erfordernissen ausgeführt. Die Dichtwirkung des ausgehärteten Reaktionsharzgemisches verhindert gleichzeitig Bewegungen und Reaktionen von Atmosphärilien.

[0008] In einer bevorzugten Ausführungsform wird als aushärtendes Reaktionsharzgemisch ein Silikatharz verwendet. In einer alternativen Ausführungsform wird ein Polyurethanharz verwendet.

[0009] In einer vorteilhaften Ausführungsform wird zum Auffüllen des Zwischenraums zwischen den Innenwänden des Hohlraums und den Außenwänden der Tübbingbauteile Mehrkorn-Perlkies, vorzugsweise Zweikorn-Perlkies, verwendet. Die Verbrauchsmenge des Reaktionsharzgemisches kann hierdurch erheblich reduziert werden, da eine dichtere Kugelpackung der Perlkiessteine erreicht werden kann.

[0010] Somit ist eine Füllung des Ringspalts, eine Abdichtung und Bettung der Tübbingbauteile möglich, ohne das Wasser oder wässrige Substanzen in den Außenraum außerhalb der Tübbingbauteile gelangt. Somit ist insbesondere der Bau von Tunneln unter problematischen geologischen Verhältnissen in der Umgebung des Hohlraums möglich.

[0011] In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Einspritzen von Reaktionsharzgemisches unter so hohem Druck, dass Auslockerungszonen oder eine natürlich vorhandene Klüftigkeit/Porosität des umgebenden Gebirges verfüllt und gedichtet werden. Vorzugsweise erfolgt dieses Einspritzen mit Silikatharz unter hohem Druck zumindest im Bereich von Übergängen zwischen geologisch problematischen Umgebungen, die mit Wasser reagieren, und geologisch unproblematischen Gebieten, in denen Wasser in der Umgebung der Hohlraumbohrung auftreten kann, um eine Sperre gegen Wasserlängsläufigkeit entlang des Verkehrswegetunnels aus der geologisch unproblematischen in die geologisch problematische Umgebung der Hohlraumbohrung zu erzeugen.

[0012] In einer bevorzugten Ausführungsform wird modifiziertes, mit Wasser reagierendes Reaktionsharzgemisch zum Einspritzen in den Zwischenraum verwendet, das vorhandenes Brauchwasser aus der Bauphase zum Abbinden verwendet und somit aufbraucht.

[0013] In einer alternativen Ausführungsform wird modifiziertes, nicht mit Wasser reagierendes Reaktionsharzgemisch zum Einspritzen in den Zwischenraum verwendet, das vorhandenes Brauchwasser aus der Bauphase nicht verbraucht, sondern vor sich her schiebt und durch gezielte Austrittsöffnungen entwässert.

[0014] In einer bevorzugten Ausführungsform wird quellfähiges Silikatharz in den mit Perlkies gefüllten Zwischenraum eingepresst, das ein Quellmaß von 0,5 bis 1% aufweist, um gleichzeitig aufgelockerte Umgebungsbereiche in einem höheren Maß zu stabilisieren.

[0015] Die Verwendung von Mehrkorn-Perlkies erlaubt eine dichtere Auffüllung des Zwischenraums als Perlkies mit einfacher Korngröße, wodurch weniger Silikatharz benötigt wird. Insbesondere ist die Verwendung von Zweikorn-Perlkies bevorzugt, z.B. mit einer Korngröße aus dem Bereich 2 bis 4 mm und einer Korngröße aus dem Bereich 6 bis 8 mm, zum Beispiel zwei Korngrößen von 3 mm und 7 mm.

[0016] Die Verwendung von Mehrkorn-Perlkiesen mit zu vielen Korngrößen oder sogar mit einer einheitlichen Korngrößenverteilung zum Beispiel im Bereich von 2 bis 8 mm ist nicht bevorzugt, da dann eine so dichte Packung des Mehrkorn-Perlkieses erfolgt, dass nur noch wenig Volumen für das Silikatharz verbleibt; damit wäre dessen Funktion als Dichtungsmaterial eingeschränkt.

[0017] Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels in den Zeichnungen beschrieben, in denen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines nach einem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebauten Verkehrswegetunnels zeigt,

Fig. 2 eine Detailansicht aus der Schnittdarstellung eines aufzubauenden Verkehrswegetunnels in einem Zwischenstadium des Bauverfahrens zeigt, und

Fig. 3 eine Detailansicht eines Schnittes durch den Verkehrswegetunnel wie in Fig. 2, aber nach einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt.

[0018] Fig. 1 gibt einen Überblick über einen nach einem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebauten Verkehrswegetunnel. In dem umgebenden Gestein ist durch eine Tunnelbohrmaschine eine Hohlraumbohrung hergestellt worden. In der Hohlraumbohrung sind Betonfertigteile (Tübbingbauteile) aneinandergesetzt, um eine Auskleidung der Hohlraumbohrung zu bilden. Zwischen den Tübbingsegmenten ist eine Dichtung, zum Beispiel aus Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) vorgesehen. Zwischen den Außenwänden der Tübbingbauteile und der Innenwand der Hohlraumbohrung verbleibt zunächst ein Ringspalt. In Fig. 1 ist dieser Ringspalt über einen Teil des Umfangs gezeigt, während der überwiegende Teil des Umfangs des Ringspalts als mit Perlkies und Silikatharz gefüllt dargestellt ist. Dies soll nur darstellen, dass ursprünglich, vor dem Verfüllen zwischen den Außenwänden der Tübbingbauteile und der Hohlraumbohrung ein Freiraum vorhanden war. Tatsächlich ist der Ringspalt dann nach Verfüllung stets vollständig aufgefüllt, d.h. über den ganzen Umfang. In den Tübbingbauteilen sind Durchdringungen vorgesehen, durch die Zugang zu dem Ringspalt besteht.

[0019] Fig. 2 zeigt eine Detailansicht eines Querschnitts durch einen Verkehrswegetunnel in einem Zwischenstadium des erfindungsgemäßen Aufbauverfahrens. Nach Aneinandersetzen der Tübbingbauteile in der Hohlraumbohrung wird in einem ersten Schritt der verbliebene Ringspalt durch die Durchdringungen in den Tübbingbauteilen hindurch mit Perlkies gefüllt, vorzugsweise mit Mehrkornkies. In diesem Ausführungsbeispiel mit Zweikorn-Perlkies, zum Beispiel mit den Korngrößen 2 mm und 8 mm.

[0020] Fig. 3 zeigt die gleiche Detailansicht des Schnitts durch den Verkehrswegetunnel nach einem weiteren Verfahrensschritt, nämlich der Injektion von Silikatharz durch die Durchdringungen in den Tübbingbauteilen. Das Silikatharz wird unter Druck eingespritzt, so dass es alle verbleibenden Hohlräume zwischen den Körnern in der Kornfüllung des Ringspalts auffüllt. Vorzugsweise wird das Silikatharz unter so hohem Druck eingepresst, dass Auslockerungszonen oder eine natürlich vorhandene Klüftigkeit/Porosität des umgebenden Gesteins verfüllt und gedichtet werden. Dies ist in Fig. 3 dadurch dargestellt, dass das schwarze Silikatharz auch entlang einiger Linien außerhalb des Ringspalts in das umgebende Gebirge eingedrungen ist. Dadurch erfolgt eine Vergütung des umgebenden Gebirges. Ein solches Einspritzen von Silikatharz unter hohem Druck ist insbesondere im Bereich von Übergängen zwischen geologisch problematischen Umgebungen, die mit Wasser reagieren, und geologisch unproblematischen Gebieten, in denen Wasser in der Umgebung der Hohlraumbohrung auftreten kann, um eine Sperre gegen Wasserlängsläufigkeit in Längsrichtung des Verkehrswegetunnels aus der geologisch unproblematischen in die geologisch problematische Umgebung der Hohlraumbohrung zu erzeugen. Durch solche Sperren wird verhindert, dass der Verkehrswegetunnel selbst zur Wasserleitung entlang seiner Längsrichtung in das geologisch problematische Gebiet beitragen könnte.

[0021] Das Einpressen von Silikatharz mit erhöhtem Druck kann zum Beispiel bei einem Druck von 10 bis 15 Bar erfolgen.

[0022] In den Figuren sind die Durchdringungen in den Tübbingbauteilen, durch die das Perlkies und das Silikatharz in den Ringspalt eingeführt werden, aus Gründen der vereinfachten Darstellung mit konstantem Durchmesser gezeigt. Tatsächlich sind konische Durchdringungen bevorzugt, deren Durchmesser sich von der Innenwand des Tübbingbauteils zur Außenwand hin vergrößert. Durch die konische Formgebung bleibt die Durchdringung nach Auffüllung mit dem Silikatharz nach dessen Aushärtung dicht verschlossen.

[0023] Alternativ zu der zuvor beschriebenen aufeinanderfolgenden Füllung des Ringspalts zunächst mit Perlkies und dann mit Reaktionsharz kann auch zunächst ein Gemenge aus Perlkies und Silikatharz oder Polyurethanharz hergestellt werden. Dazu werden Perlkies und Polyurethan- oder Silikatharz in eine Mischanlage gefördert, in der ein Gemenge aus Perlkies und Reaktionsharz hergestellt wird. Das Gemenge wird dann aus der Mischanlage herausgefördert und in einem Luftstrom unter Druck in den Ringraum eingeblasen, um diesen vollständig zu verfüllen.

[0024] Als Silikatharz kann zum Beispiel ein 2-komponentiges, nichtschäumendes, leicht flexibilisiertes Injektionsharz auf Silikatbasis zur Injektion von wasserführenden Rissen sowie zur Boden- und Gesteinsverfestigung verwendet werden. Das Silikatharz wird durch Mischen von zwei Komponenten hergestellt, wobei diese Komponenten A und B eine Wasserglas-Komponente A und eine Isocyanate enthaltende Komponente B umfassen. Nach der homogenen Vermischung beider Komponenten entsteht eine viskose Emulsion, die kein weiteres Wasser aus dem Injektionsgebiet aufnimmt, sondern es aufgrund der hohen Dichte vor sich her schiebt. Das bevorzugte Silikatharz hat folgende technische Daten:

Mischungsverhältnis A:B

1:1 Volumenteile

Verarbeitungszeit

ca. 60 Sekunden (abhängig von der Temperatur)

Endaushärtung

ca. 20 Minuten (abhängig von der Temperatur)

Druckfestigkeit

ca. 14 N/mm² (DIN 12190)

Spannungswert

ca. 150 MPa (DIN 53504)

Zugfestigkeit

ca. 2,0 MPa (DIN 53504)

Reissdehnung

ca. 1% (DIN 53504)

Verarbeitungstemperatur

15 - 30°C (Bauteiltemperatur)

[0025] Die beiden Komponenten werden im Mischungsverhältnis 1:1 (Volumenteile) mithilfe von Zweikomponenten-Injektionspumpen direkt aus den Behältern gefördert und durch einen Statikmischer homogen vermischt. Die anfangs flüssige Mischung erreicht schnell einen nicht mehr fliessfähigen Zustand und härtet dann rasch ohne Aufschäumen aus.

[0026] Als Polyurethanharz kann zum Beispiel das unter der Marke Pur-O-Stop FS-L bekannte Injektionsharz verwendet werden, wobei es sich um ein langsam härtendes, starres, zweikomponentiges Injektionsharz auf Polyurethanharzbasis handelt. Dieses Polyurethanharz hat eine variable Reaktionszeit, die durch Auswahl der zugegebenen Katalysatormenge eingestellt werden kann. Die Mischung der Polyolkomponente und der Isocyanatkomponente erfolgt im Verhältnis 1:1 (Volumenteile). Bei einer typischen Katalysatormenge beträgt die Verarbeitungszeit ca. 90 Minuten und wird die Endaushärtung nach ca. 24 Stunden erreicht (bei 21°C). Beide Komponenten werden mithilfe von Zwei-Komponenten-Injektionspumpen direkt aus den Gebinden gefördert und durch einen Statikmischer homogen vermischt. Aufgrund der relativ langen Reaktionszeit kann das Produkt alternativ auch mit einer Ein-Komponenten-Injektionspumpe verarbeitet werden. Die Verarbeitungs- oder Topfzeit beträgt ohne Katalysatorzugabe 90 Minuten. Sie lässt sich durch Katalysatorzugabe kontinuierlich reduzieren, zum Beispiel durch 20 g Katalysatorzugabe je 20 kg der Polyolkomponente auf 40 Minunten, durch 100 g Katalysatorzugabe auf 20 kg der Polyolkomponente auf etwa 5 Minuten und 24 Sekunden, und durch 500 g Katalysatorzugabe auf etwa 1 Minute reduzieren.

Ansprüche

1. Verfahren zum Bau eines Verkehrswegetunnels in Tübbingbauweise, bei dem
Tübbingbauteile in einer maschinell erzeugten Hohlraumbohrung zusammengesetzt werden, um eine geschlossene Auskleidung zu bilden, und
der Zwischenraum zwischen der Innenwand des Hohlraums und den Außenwänden der Tübbingbauteile mit Perlkies aufgefüllt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass zusätzlich zum Auffüllen des Zwischenraums mit Perlkies ein flüssiges, durch Polyaddition vernetzendes und aushärtendes Reaktionsharzgemisch als zementfreie Ringspaltverfüllung unter Druck eingespritzt wird, um den Zwischenraum zu verfüllen und abzudichten und die Tübbingbauteile zu betten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzen des Reaktionsharzgemisches nach der Auffüllung des Zwischenraums mit Perlkies vorgenommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsharzgemisch und Perlkies zunächst vermengt und dann gemeinsam in den Zwischenraum eingespritzt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Reaktionsharzgemisch ein Silikatharz verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Reaktionsharzgemisch ein Polyurethanharz verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Perlkies ein Mehrkorn-Perlkies verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzen von Reaktionsharzgemisch unter so hohem Druck vorgenommen wird, dass Auslockerungszonen des umgebenden Gebirges verfüllt und gedichtet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des weiteren Verfüllens mit Reaktionsharzgemisch unter hohem Druck zumindest im Bereich von Übergängen zwischen geologisch problematischen Umgebungen, die mit Wasser reagieren, und geologisch unproblematischen Gebieten, in denen Wasser in der Umgebung der Hohlraumbohrung auftreten kann, vorgenommen wird, um eine Sperre gegen Wasserlängsläufigkeit entlang des Verkehrswegetunnels aus der geologisch unproblematischen in die geologisch problematische Umgebung der Hohlraumbohrung zu erzeugen.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einspritzen in den mit Perlkies verfüllten Zwischenraum modifiziertes, mit Wasser reagierendes Reaktionsharzgemisch verwendet wird, das vorhandenes Brauchwasser aus der Bauphase zum Abbinden verwendet und somit aufbraucht.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einspritzen in den Zwischenraum modifiziertes, nicht mit Wasser reagierendes Reaktionsharzgemisch verwendet wird, das vorhandenes Brauchwasser aus der Bauphase vor sich her schiebt und durch Austrittsöffnungen entwässert.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einspritzen in den Zwischenraum ein quellfähiges Reaktionsharzgemisch verwendet wird, das ein Quellmaß von 0,5 bis 1% aufweist, um gleichzeitig aufgelockerte Umgebungsbereiche in einem höheren Maß zu stabilisieren.

Zeichnung