DE19534814A1 - Tunnelbohrmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Tunnelbohrmaschi­ ne der dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entsprechenden Art.

Derartige Tunnelbohrmaschinen sind bekannt. Das Prin­ zip, das andringende Grundwasser im Arbeitsbereich einer Tunnelbohrmaschine durch Druckluft zurückzudrücken, ist auch in dem Buch von Günter Kühn "Der maschinelle Tiefbau" Verlag B.G. Teubner Stuttgart (1992), Seite 355 beschrie­ ben.

Bei den bekannten Tunnelbohrmaschinen der in Rede stehenden Art läßt es sich insbesondere bei stärkerem Grundwasserandrang nicht vermeiden, daß das ausgeschleuste Material eine Mischung aus Grundwasser und Bohrgut, also eine Art Schlempe oder Schlamm bildet, die auf den aus­ fördernden Förderbändern zu starken, den Betrieb behin­ dernden Verschmutzungen führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auch in Fällen andringenden Grundwassers das Bohrgut mit nur einem geringen Wasseranteil ausschleusen zu können.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 wiederge­ gebene Erfindung gelöst.

Wenn viel Grundwasser andringt, ist die Förderein­ richtung normalerweise bis zu der Einrichtung zum Aus­ schleusen des Bohrguts mit Wasser gefüllt. Bei der Erfin­ dung bietet der ansteigende Endabschnitt der Förderein­ richtung die Möglichkeit, innerhalb der Fördereinrichtung einen Wasserspiegel aufrechtzuerhalten, oberhalb dessen sich nur Druckluft befindet. Das Bohrgut auf oder in der Fördereinrichtung taucht an dem Wasserspiegel aus dem Wasser auf und verliert das mit ihm transportierte Wasser, welches in den Wasserspiegel zurückströmt. Das in die Schleuse gelangende Bohrgut ist zwar noch naß, schleppt aber keine großen Mengen Wasser mehr mit, so daß die Ver­ schmutzung der nachfolgenden Fördereinrichtungen durch schlempen- oder schlammartige Bohrgutmasse wesentlich vermindert ist.

Es muß dafür gesorgt sein, daß der ansteigende End­ abschnitt einen Siphon bildet. Damit soll gemeint sein, daß die über dem Wasserspiegel in dem Endabschnitt anste­ hende Druckluft keine Gelegenheit haben darf, unmittelbar auf einem steigenden Weg zu entweichen, sei dieser nun mit Wasser gefüllt oder nicht. Es muß vielmehr für das in dem ansteigenden Endabschnitt befindliche Wasser eine tiefste Stelle vorhanden sein, die von der Luft überwunden werden müßte, wenn sie zum Bereich des Bohrkopfes hin entweichen wollte. Die Luftblasen bewegen sich aber im Wasser nicht nach unten, so daß die Druckluft in dem Bereich oberhalb des Wasserspiegels verbleibt. Ein Vorteil besteht auch darin, daß die benötigte Druckluftmenge auf diese Weise in Grenzen bleibt.

Der "ansteigende Endabschnitt" der Fördereinrichtung kann insbesondere in der in Anspruch 2 wiedergegebenen Weise verwirklicht werden, wonach also die Fördereinrich­ tung zwei hintereinandergeschaltete einzelne Förderer umfaßt, von denen der zweite unterhalb des ersten anfängt. Dadurch werden die konstruktiven Voraussetzungen der Aus­ bildung eines Siphons und der Ausbildung einer ausreichen­ den Gehäusehöhe des zweiten Förderers in dem relativ engen Tunnelprofil verbessert.

Als Förderer kommen die für die Förderung eines Mate­ rials wie Bohrgut aus dem Tunnelbau bekannten Konstruktio­ nen in Betracht, insbesondere jedoch ein Bandförderer für den ersten Förderer und ein Kratzförderer für den anstei­ genden zweiten Förderer.

Zur Bildung des Siphons ist die Ausgestaltung nach Anspruch 3 zweckmäßig. Die Oberseite des Gehäuses des zweiten Förderers verläuft relativ dicht über dem zweiten Förderer, so daß am Übergang zu dem Gehäuseteil des ersten Förderers die Siphonstelle leicht gebildet werden kann.

Die Einrichtung zum Ausschleusen des Bohrguts kann gemäß Anspruch 4 eine Doppelschleuse umfassen.

Anspruch 5 gibt eine empfehlenswerte Bemessung der Gehäusehöhe an, d. h. der Differenz zwischen der Siphon­ stelle und der höchsten Stelle der Unterseite des Gehäuses im Bereich der Schleuse. Der Wasserspiegel muß im Bereich dieser Gehäusehöhe verbleiben. Fällt er unter den Siphon­ spiegel, kann die Druckluft direkt einen steigenden Weg nehmen und bläst durch das Gehäuse des ersten Förderers in den Bereich des Bohrkopfes ab. Steigt der Wasserspiegel bis oberhalb der höchsten Stelle der Unterseite des Gehäu­ ses des zweiten Förderers, so strömt das Wasser in die Schleuse und gelangt auf die weiterfördernde Förderein­ richtung, was gerade vermieden werden soll. Größere Druck­ luftmengen können ohne größeren Aufwand mit einer Toleranz von etwa 0,1 bar gesteuert werden. 0,1 bar entspricht einer Höhe einer Wassersäule von 1 m. Mindestens eine Höhe von 2 m muß also in dem Bereich des ansteigenden Endab­ schnitts der Fördereinrichtung als Spielraum für den Was­ serspiegel zur Verfügung stehen.

Die Erfindung verkörpert sich auch in einem Betriebs­ verfahren nach Anspruch 6, bei welchem also der Wasser­ spiegel in dem erwähnten ansteigenden Endbereich gehalten wird.

Die erfindungsgemäße Tunnelbohrmaschine ermöglicht aber ohne Änderungen auch noch eine weitere Betriebsweise, die in Anspruch 7 festgehalten ist. Wenn nämlich in Ge­ birgsbereichen mit nicht zu großem Grundwasserandrang und relativ dichten Gesteinsformationen der Druck in dem an­ steigenden Endbereich stärker erhöht wird, so kann auf diese Weise das Grundwasser aus dem Bereich des ersten Förderers und des Bohrkopfes ganz verdrängt und in das Gebirge ausreichend weit zurückgedrängt werden, so daß der Bohrkopf nicht unter Wasser, sondern nur unter einem ge­ wissen Luftüberdruck arbeiten kann, was Vorteile bietet.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.

Sie zeigt einen durch die Tunnelachse gehenden Längs­ schnitt durch den vorderen Teil einer im Tunnel arbeiten­ den Tunnelbohrmaschine.

Die als Ganzes mit 100 bezeichnete Tunnelbohrmaschine dient zum Auffahren eines Tunnels 1 in einem Gebirge 2. Von der Tunnelbohrmaschine 100 sind nur die für die Erfin­ dung wichtigen Komponenten wiedergegeben. Der der Orts­ brust 3 benachbarte vordere Teil der Tunnelbohrmaschine 100 hat eine Achse A, die im wesentlichen mit der Mittel­ linie M des Tunnels 1 übereinstimmt, wobei die letztere nicht gerade sein muß, sondern auch im Bogen verlaufen kann.

In dem Maschinenkörper 20 der Tunnelbohrmaschine 100 ist ein das Tunnelprofil senkrecht zu der Achse M bestim­ mender scheibenförmiger Bohrkopf 10 um die Achse A drehbar gelagert, der auf seiner der Ortsbrust 3 zugewandten Seite mit Bohrwerkzeugen 11, 12, 13, 14, 15 geeigneter Art und An­ ordnung bestückt ist, die das Gebirge zerkleinern. Der Bohrkopf 10 weist einen nach hinten, d. h. von der Orts­ brust 3 hinweg entgegen der Vortriebsrichtung sich er­ streckenden Lageransatz 16 auf, an welchem er in dem Ma­ schinengehäuse 20 gelagert ist. Unmittelbar hinter dem eigentlichen Bohrkopf 10 ist eine Auffangeinrichtung 17 für das Bohrgut vorgesehen, in die das gelöste Bohrgut entweder unmittelbar hineinfällt oder die es mit einer Art Schaufel 18 vom Boden des Tunnels 1 aufnimmt. Die Sammeleinrichtung 17 gibt das Bohrgut in einen Trichter 19 ab, aus dem das Bohrgut 3 in der durch die Punkte angedeuteten Weise auf den Aufgabebereich 31 eines ersten Förderers 30 in Gestalt eines horizontalen Förderbandes herabfällt.

Das Maschinengehäuse 20 ist über eine als Ganzes mit 6 bezeichnete Schildanordnung am Innenumfang des Tunnels 1 abgestützt. In dieser Schildanordnung ist durch eine Quer­ wandung 27 ein Druckschott 21 gebildet, welches von dem Lageransatz 16 entgegen der Vortriebsrichtung durchgriffen ist. Durch Dichtungen 22 erfolgt eine Abdichtung des Aus­ senumfangs des Lageransatzes 16 gegenüber der für den Durchgriff des Lageransatzes 16 in der Querwandung 27 belassenen Öffnung. Der Antrieb des Bohrkopfes 10 um die Achse A geschieht mittels eines Hydromotors 23. Ein Zugang zu dem ortsbrustseitigen Bereich hinter der Querwand 27 ist über Schleusen 24, 25, 26 möglich.

Unmittelbar hinter dem vorderen Teil der Tunnelbohr­ maschine ist eine Tübbing-Setzeinrichtung 4 vorgesehen, die die durch längliche Rechtecke angedeuteten Tübbinge 5 zur Abstützung der zuvor gebohrten Tunnelwandung setzt.

Der erste Förderer 30 wirft das Bohrgut B an seinem Abgabeende 32 auf den Aufgabebereich 41 eines zweiten Förderers 40 ab. Der Aufgabebereich 41 liegt dementspre­ chend mit einem Abstand unterhalb des Abgabeendes 32. Der zweite Förderer 40 ist ein im wesentlichen geradlinig schräg nach oben durch einen Durchlaß der Tübbing-Setz­ einrichtung 4 hindurchführender Kratzförderer, der das Bohrgut B an seinem oben gelegenen Abgabeende 42 in eine als Ganzes mit 50 bezeichnete Doppelschleuse abwirft.

Die Doppelschleuse 50 umfaßt eine erste Schleuse 51 mit einem vertikalen, unterhalb des Abgabeendes 42 gelege­ nen Speicherschacht 52, der am unteren Ende durch einen hängend gelagerten teilzylindrischen Verschlußschieber 53 verschließbar ist. Das Bohrgut B sammelt sich in der aus der Zeichnung ersichtlichen Weise auf dem Verschlußschie­ ber 53 bis zu einer bestimmten Menge in einer Art Zwi­ schenspeicherung an. Der Verschlußschieber 53 kann um seine Schwenkachse 54 in eine Stellung 53′ verlagert wer­ den, in der er den Querschnitt des Speicherschachtes 52 freigibt, so daß das darin angesammelte Bohrgut B in einen Speicherschacht 56 einer darunterliegenden zweiten Schleu­ se 55 herabfällt, die ihrerseits durch einen Verschluß­ schieber 57 verschlossen ist, der hängend um eine Achse 58 schwenkbar gelagert ist und aus der ausgezogen wiedergege­ benen Verschlußstellung 57 in die gestrichelt angedeutete Öffnungsstellung 57′ gebracht werden kann. Das auf den Verschlußschieber 57 herabgefallene Bohrgut fällt bei geöffnetem Verschlußschieber 57 auf den Aufgabebereich 71 eines anschließenden Förderers 70, der das Bohrgut B aus der Tunnelbohrmaschine 100 nach hinten heraus zum Abtrans­ port durch den bereits aufgefahrenen Tunnel weiterfördert.

Die gesamte Förderstrecke von der Samineleinrichtung 17 bis zu der Schleuse 50 ist von einem druckdichten Ge­ häuse 60 umgeben, welches einen ersten, den ersten Förde­ rer 30 umhausenden Gehäuseteil 61, einen von dessen in der Zeichnung rechtem Ende ausgehenden vertikal nach unten ausgehenden Schacht 62 sowie einen den zweiten Förderer 40 umgebenden ansteigenden Gehäuseteil 63 umfaßt, der in die Doppelschleuse 50 übergeht. Der Gehäuseteil 61 durchgreift die Querwandung 27 und reicht bis unter den Trichter 19, wobei der Gehäuseteil 61 und die Querwandung 21 druckdicht miteinander verbunden sind.

Auch die Doppelschleuse 50 ist druckdicht ausgebil­ det. Der Verschlußschieber 53 verlagert sich innerhalb eines druckdichten Gehäuseteils 59 und kann innerhalb desselben geöffnet werden, ohne daß der in dem Gehäuseteil 63 herrschende Druck nach außen abbläst, sofern der Ver­ schlußschieber 57 geschlossen ist.

Das Gehäuseteil 63 bildet an seiner Oberseite eine tiefste Stelle 64 mit einem Niveau 65. Ferner bildet das Gehäuseteil 63 an seiner Unterseite eine höchste Stelle 66 mit einem Niveau 67. Der Niveauunterschied ist mit h be­ zeichnet.

Wenn in dem Tunnel 1 im Bereich der Ortsbrust Grund­ wasser andrängt, füllt sich der durch die Querwandung 27 abgeteilte Bereich des Tunnels 1 mit Wasser, welches durch die Wellenlinien W angedeutet sein soll. Ebenso füllt sich das gesamte Gehäuse 60 bis hin zu der ersten Schleuse 51.

Es kann nun durch einen Anschluß 68 im oberen Bereich des Gehäuseteils 63 Druckluft eingepreßt werden, die den Wasserspiegel S_p durch den Gehäuseteil 63 zurückdrückt, wie es aus der Zeichnung ersichtlich ist. Wie weit der Wasser­ spiegel S_p bei einem bestimmten Druck der Druckluft zurück­ gedrückt wird, hängt von dem Gegendruck des Grundwassers in dem Bereich O ab. Bei einem bestimmten Luftdruck stellt sich ein Gleichgewicht ein.

Der zweite Förderer 40 bildet einen Siphon, dessen tiefste Stelle 64 auf dem Niveau 65 gelegen ist. Fällt der Wasserspiegel S_p unter das Niveau 65, so kann die Druckluft oberhalb des Wasserspiegels direkt nach oben in den Be­ reich O entweichen und ungenutzt und unerwünscht abblasen. 65 ist also die untere Grenze der im ordnungsgemäßen Be­ trieb zulässigen Höhe des Wasserspiegels S_p.

Steigt der Wasserspiegel S_p über das Niveau 67, so strömt Wasser in die erste Schleuse 51 ein und gelangt auf den weiteren Förderer 70, was gerade vermieden werden soll, damit dieser kein schlempen- oder schlammartiges Material transportieren muß. Die zulässige Lage des Was­ serspiegels S_p ist also andererseits durch die obere Grenze 67 gekennzeichnet.

Große Druckluftmengen lassen sich mit praktikablem Aufwand etwa mit einer Toleranz von 0,1 bar entsprechend 1 in Wassersäule steuern. Wenn also bei einer solchen Genau­ igkeit der Steuerung ein sicherer Betrieb der Tunnelbohr­ maschine 100 möglich sein soll, muß die Niveaudifferenz h mindestens 2 in betragen, denn es muß ja davon ausgegangen werden, daß der Sollwert des Drucks um 0,1 bar nach oben oder unten von dem eingestellten Wert abweicht. Aus diesem Grund ist die relativ steile Anordnung des zweiten Förde­ rers 40 notwendig.

Wenn nun im Betrieb das Bohrgut B auf dem zweiten Förderer 40 gefördert wird, taucht dessen oberes, das Bohrgut B tragende Trum aus dem Wasserspiegel S_p auf und verliert das mitgeschleppte Wasser, welches in die Wasser­ menge unter dem Spiegel S_p zurückströmt. Das auf diese Weise von den großen Wasseranteilen befreite Bohrgut B wird an dem Abgabeende 52 in der angedeuteten Weise in die erste Schleuse 51 auf den Verschlußschieber 53 abgegeben. Wenn sich dort eine ausreichende Menge angesammelt hat, wird bei geschlossenem Verschlußschieber 57 die Bohrgut­ menge auf diesen herabfallen, wenn der Verschlußschieber 53 in die Stellung 53′ gebracht wird. Da der Verschluß­ schieber 57 dicht ist, entweicht keine wesentliche Luft­ menge nach außen. Nach der Abgabe der gespeicherten Bohr­ gutmenge wird der Verschlußschieber 53 wieder geschlossen und dann der Verschlußschieber 57 geöffnet, der die Bohr­ gutmenge auf den weiteren Förderer 70 auslädt. Auf diese Weise gelangt ein Bohrgut ohne übermäßige Wasserbeimengung auf diesen weiteren Förderer 70. Voraussetzung dafür ist, daß der Wasserspiegel S_p innerhalb der Gehäusehöhe h gehal­ ten wird. Dies geschieht durch entsprechende Bemessung des Drucks an dem Anschluß 68.

Wird dieser Druck erhöht, so kann auch das Wasser ganz aus dem Gehäuse 63 und dem Bereich O verdrängt wer­ den. In dem Bereich O herrscht dann ein solcher Luftdruck, daß das Grundwasser in dem umgebenden Gestein zurückgehal­ ten wird und in dem Bereich O im wesentlichen wasserfrei gearbeitet werden kann. Dies hängt aber von der Menge des andrängenden Grundwassers und auch von der Qualität des anstehenden Gebirges ab.

Claims (7)

1. Tunnelbohrmaschine (100),
mit einem Maschinenkörper (20),
mit einem an dem Maschinenkörper (20) um eine im wesentlichen in der Tunnelachse (M) gelegene Achse (A) drehbaren Bohrkopf (10), dessen Arbeitsquerschnitt dem Tunnelprofil entspricht,
mit Mitteln zum Andrücken des Bohrkopfs (10) in Vor­ triebsrichtung gegen die Ortsbrust,
mit einem hinter dem Bohrkopf (10) gelegenen, gegen diesen durch eine Drehdichtung (22) abgedichteten Druck­ schott (21) zum Zurückhalten von von der Ortsbrust (3) herandringendem Grundwasser durch Druckluftbeaufschlagung,
mit einer das Druckschott (21) durchgreifenden, bis in den Bereich des Bohrkopfes (10) reichenden Förderein­ richtung zum Abtransport des am Bohrkopf (10) aufgenomme­ nen Bohrguts (B) durch das Druckschott (21) nach hinten,
mit einem die Fördereinrichtung druckdicht umschlie­ ßenden Gehäuse (60),
und mit einer am Abgabeende (42) der Fördereinrich­ tung vorgesehenen Einrichtung (50) zum Ausschleusen des Bohrguts (B) in den drucklosen Raum hinter dem Druckschott (21), dadurch gekennzeichnet,
daß die Fördereinrichtung einen gegen das Abgabeende (42) ansteigenden, einen Siphon bildenden Endabschnitt (40) aufweist, der mit Druckluft unter einem auf den Druck des andringenden Grundwassers abgestimmtem Druck füllbar ist.

2. Tunnelbohrmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fördereinrichtung in zwei in einem gemeinsamen druckdichten Gehäuse (60) untergebrachte För­ derer (30, 40) unterteilt ist und der zweite Förderer (40) seinen Aufgabebereich (41) mit Abstand unterhalb des Ab­ gabeendes (32) des ersten Förderers (30) hat sowie den ansteigenden Endabschnitt der Fördereinrichtung bildet.

3. Tunnelbohrmaschine nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß das gemeinsame druckdichte Ge­ häuse (60) an seiner Oberseite im Bereich des Übergangs zwischen den Förderern (30, 40) eine ausgeprägte tiefste Stelle (64) aufweist.

4. Tunnelbohrmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (50) zum Ausschleusen des Bohrguts (B) eine unterhalb des Ab­ gabeendes (42) des zweiten Förderers (40) angeordnete Doppelschleuse (51, 55) umfaßt.

5. Tunnelbohrmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäusehöhe (h) im Bereich des ansteigenden Endabschnitts mindestens der im Bereich des zweiten Förderers (40) als Wassersäule minde­ stens dem im Bereich des zweiten Förderers (40) einhaltba­ ren Drucktoleranzbereichs der Druckluft entspricht.

6. Verfahren zum Betrieb einer Tunnelbohrmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck der Druckluft so gewählt wird, daß der Was­ serspiegel (S_p) in dem Bereich des ansteigenden Endab­ schnitts (40) der Fördereinrichtung verbleibt.

7. Verfahren zum Betrieb einer Tunnelbohrmaschine (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Druck der Druckluft so gewählt wird, daß das Grundwasser im Bereich der Ortsbrust (3) zurückge­ drängt wird und der Arbeitsbereich des Bohrkopfs (10) weitgehend wasserfrei bleibt.