DE69718461T2

DE69718461T2 - Verfahren zum Herstellen eines bekleideten Tunnels

Info

Publication number: DE69718461T2
Application number: DE69718461T
Authority: DE
Inventors: Nicolaas Noorlander; Marco Van Der Sloot; Kees Van Oosteren
Original assignee: I T M IND TUNNELBOUW METHODE C
Current assignee: I T M IND TUNNELBOUW METHODE C
Priority date: 1997-08-14
Filing date: 1997-08-14
Publication date: 2003-10-02
Anticipated expiration: 2017-08-15
Also published as: EP0897050B1; EP0897050A1; DE69718461D1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bauen eines ausgekleideten Tunnels gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein solches Verfahren, das als Spritzbeton-Auskleidungsverfahren ("Extruded Concrete Lining", ECL) bekannt ist, ist in dem Dokument GB-A-2057035 beschrieben. Die Stützstruktur umfaßt ringförmige Elemente. Die äußere Oberfläche der ringförmigen Elemente wird durch außen umlaufende Rippen bereitgestellt, die in das Auskleidungsmaterial vorspringen, um den Halt zwischen der Stützstruktur und der Tunnelauskleidung zu erhöhen. Die ringförmigen Elemente können auch mit longitudinalen Rippen versehen sein. Die Rippen auf der Stützstruktur bilden Nuten in der Tunnelauskleidung, entlang denen Risse auftreten können, so daß die Tunnelauskleidung Setzungen der umgebenden Erde folgen kann. Die Lage der Nuten in der von den Rippen gebildeten Tunnelauskleidung wird durch die Stützstruktur bestimmt. Aufgrund der Abmessungen der ringförmigen Elemente ist der Abstand zwischen den außen umlaufenden Rippen relativ klein.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Bauen eines ausgekleideten Tunnels der einleitend genannten Art (Spritzbeton-Auskleidungsverfahren) bereitzustellen, das zu einer Tunnelauskleidung führt, die über die gesamte. Länge des Tunnels wasserdicht ist.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der Abstand zwischen den Trennmitteln, insbesondere in Längsrichtung der Tunnelauskleidung, derart gewählt werden, daß die Länge der separaten Abschnitte der Tunnelauskleidung an die Reibung zwischen der Tunnelauskleidung und der umgebenden Erde angepaßt ist.
Die Abschnitte an sich sind wasserdicht. Nur die Spalte zwischen den Abschnitten des Tunnels müssen mit einem Dichtmittel versehen werden. Ferner kann die Tunnelauskleidung Setzungen folgen.
Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in den abhängigen Ansprüchen beansprucht.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen die Erfindung anhand der Beschreibung bevorzugter erfindungsgemäßer Ausführungsformen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt des vorderen Teils eines ausgekleideten Tunnels mit einer Aushubmaschine, der das erfindungsgemäße Verfahren darstellt,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Tunnelauskleidung mit Trennmitteln,
Fig. 3 die Tunnelauskleidung von Fig. 2 nach dem Aushärten der Tunnelauskleidung,
Fig. 4 Trennmittel in einer Tunnelauskleidung in Form von Nuten,
Fig. 5 Trennmittel in einer Tunnelauskleidung in Form ringförmiger Trennelemente,
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Tunnelauskleidung mit sich in Längsrichtung und außen umlaufend erstreckenden Trennmitteln und
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Tunnelauskleidung mit sich spiralförmig erstreckendem Trennmittel.
Die Fig. 1 zeigt schematisch den Vorderteil eines Tunnels 1 in umgebender Erde 2, wobei der Tunnel 1 mit einer Auskleidung 3 ausgestattet ist.
Beim Bauen des Tunnels 1 wird mittels einer vorgetriebenen Aushub- oder Bohrmaschine 4 ein Tunnel in der Erde 2 ausgehoben. Eine solche Bohrmaschine 4 kann jeder beliebigen, aus dem Stand der Technik bekannten Art sein und erfordert keine weitere Beschreibung. In dem Bereich unmittelbar hinter der Bohrmaschine 4 wird die Erde 2, die instabil sein kann, durch ein Schild 5 gestützt, das mit der Bohrmaschine verbunden ist.
Hinter der Bohrmaschine 4 ist in dem ausgehobenen Tunnel eine Stützstruktur 6 angebracht. Üblicherweise wird die Stützstruktur 6 aus Stützelementen 7 aufgebaut, die hintereinander liegend angeordnet sind.
Zwischen der Stützstruktur 6 und der umgebenden Erde, die von dem Schild 5 abgedeckt sein kann, wird ein ringförmiger Spalt 8 gebildet. Am vorderen Ende der Stützstruktur 6 wird zwischen der Stützstruktur 6 und dem Schild 5 ein Dichtmittel 9 angeordnet, das den Spalt 8 gegenüber der Bohrmaschine 4 abdichtet. Der ringförmige Spalt 8 wird durch Einspritzen von flüssigem Beton in den Spalt 8 gefüllt. Der flüssige Beton kann von einer Betonpumpe 10 zugeführt werden, die den flüssigen Beton aus einem Reservoir 11 durch eine Leitung 12 pumpt, die sich durch das Dichtmittel 9 in den Spalt 8 erstreckt.
Der Beton in dem Spalt 8 wird durch die Stützstruktur 6 gestützt und wird dadurch unter Druck gehalten, daß das Dichtmittel 9 mit der Bohrmaschine 4 mittels Hydraulikzylindern 13 verbunden ist, die zumindest einen Teil der auf die Bohrmaschine 4 ausgeübten axialen Kraft an den Beton in dem Spalt 8 übertragen.
Dem Beton in dem Spalt 8 wird ermöglicht, sich zu verfestigen, wonach eine weitere Stützung durch die Stützstruktur nicht mehr notwendig ist.
Üblicherweise bewegt sich die Stützstruktur mit der Bohrmaschine 4 derart, daß, nachdem die Bohrmaschine 4 über eine bestimmte Strecke bewegt worden ist, das Stützelement 7' am hinteren Ende der Stützstruktur 6 vor dem Stützelement 7" am vorderen Ende der Stützstruktur angebracht wird.
Es ist jedoch auch möglich, daß die Stützelemente an ihrem Ort bleiben und Teil der Tunnelauskleidung werden. In diesem Fall wird ein neues Stützelement am vorderen Ende der Stützstruktur angebracht, nachdem die Bohrmaschine sich um eine bestimmte Strecke bewegt hat.
Dem verfestigen Beton wird schließlich ermöglicht auszuhärten, wobei die abschließende Tunnelauskleidung 3 gebildet wird.
Das so weit beschriebene Verfahren ist als "Spritzbeton- Auskleidungsverfahren ("Extruded Concrete Lining", ECL- Verfahren) bekannt. Das Verfahren wird auch in dem Dokument GB-A-2057035 beschrieben.
Normalerweise wird vorzugsweise faserverstärkter Beton als Material für die Tunnelauskleidung verwendet, so daß der Beton während des Aushärtens schrumpfen wird, was zu Zugspannungen und dem Auftreten von Rissen in der Tunnelauskleidung führt. Wie weiter oben erwähnt, können Risse auch als Folge des Setzens der umgebenden Erde auftreten. Die Risse führen dazu, daß die Tunnelauskleidung nicht mehr hinreichend wasserdicht ist. Da normalerweise nicht vorhergesagt werden kann, an welchen Stellen Risse auftreten werden, muß die Tunnelauskleidung über ihre gesamte Länge mit einem wasserdichten Mittel ausgestattet werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das unkontrollierte Bilden von Rissen in der Tunnelauskleidung verhindert.
Vor dem Aushärten des Betons werden Trennmittel in der Tunnelauskleidung angebracht, so daß die Tunnelauskleidung in getrennte Abschnitte eingeteilt wird. In Fig. 2 ist ein Teil einer Tunnelauskleidung schematisch dargestellt; dabei werden die Trennmittel mit 14 und die ringförmigen Abschnitte mit 15 bezeichnet. Die Trennmittel 14 erstrecken sich derart in Umfangsrichtung, daß die ringförmigen Abschnitte mit einer Länge L1 gebildet werden. Die Länge der Abschnitte 15 ist so gewählt, daß jeder Abschnitt 15 während des Aushärtens des Betons in axialer Richtung schrumpfen kann. Dies hat zur Folge, daß Zugspannungen im Beton vernachlässigbar oder ausreichend gering sind, so daß das Entstehen von Rissen im Beton verhindert wird. Die Länge L1 richtet sich nach der Reibung zwischen der Tunnelauskleidung und der umgebenden Erde. Diese Reibung kann durch Schmieren, beispielsweise durch Einspritzen von Bentonit, reduziert werden. Auch kann die Reibung, bedingt durch förderliche Eigenschaften der umgebenden Erde, bereits gering sein.
Wenn die Abschnitte 15 der Tunnelauskleidung 3 schrumpfen, reduziert sich die Länge der Abschnitte auf L2; dies ist in Fig. 3 dargestellt. Die in Fig. 3 mit dem Bezugszeichen 16 bezeichneten Spalte zwischen den Abschnitten 15 müssen mit einem Dichtmittel überbrückt werden, damit die Tunnelauskleidung wasserdicht wird.
Eine Tunnelauskleidung, die sich aus getrennten Abschnitten zusammensetzt, die durch mehr oder weniger flexible Dichtmittel miteinander verbunden sind, kann sich auch Setzungen der umgebenden Erde anpassen, so daß infolge dieser Setzungen entstehende Risse verhindert werden.
Es gibt verschiedene Methoden, die Trennmittel in der Tunnelauskleidung 3 anzubringen.
Es ist möglich, geschwächte Bereiche an vorher bestimmten Stellen in der Tunnelauskleidung 3 vorzusehen, so daß sich infolge des Schrumpfens beim Aushärten der Tunnelauskleidung entstehende Risse nur in diesen geschwächten Bereichen bilden. Auf diese Weise wird die Tunnelauskleidung in getrennte Abschnitte eingeteilt.
Wie aus Fig. 4 hervorgeht, können die geschwächten Bereiche durch das Anordnen von Nuten 17 (beispielsweise außen umlaufende Nuten) in der verfestigten, aber noch nicht ausgehärteten Tunnelauskleidung bereitgestellt werden.
Die Nuten zwischen den getrennten Abschnitten werden mit einem Dichtmittel 18 gefüllt.
Ferner ist es möglich, Trennelemente 19 (beispielsweise ringförmige Elemente) an vorher bestimmten Stellen in der Tunnelauskleidung 3 anzuordnen (siehe Fig. 5). Diese Trennelemente 19 können während des Einspritzens von flüssigem Beton für die Tunnelauskleidung oder danach eingeführt werden, aber bevor der Beton verfestigt ist. Die Trennelemente können sich über einen Teil (siehe Fig. 5) oder über die gesamte radiale Dicke der Tunnelauskleidung erstrecken. Im ersten Fall kann der verbleibende Teil der radialen Dicke der Tunnelauskleidung als geschwächter Bereich angesehen werden, in dem während des Aushärtens der Tunnelauskleidung ein Riß entstehen wird. Im zweiten Fall sind die getrennten Abschnitte bereits vor dem Anbringen der Trennelemente ausgebildet. Die Trennungen können jede beliebige Form haben, zum Beispiel gerade, geneigt, gebogen, S- oder Z-förmig.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die Trennelemente das Dichtmittel zwischen den Abschnitten der Tunnelauskleidung.
Falls das Dichtmittel in der Lage sein muß, der Reduktion der Länge der benachbarten Abschnitte der Tunnelauskleidung während des Aushärtens und/oder den gegebenen Setzungen zu folgen, sollte das Dichtmittel Federeigenschaften haben oder mit einem getrennten Federmittel kombiniert werden.
Dichtmittel mit Federeigenschaften oder Dichtmittel, die mit Federmitteln kombiniert sind, können auf verschiedene Weise ausgebildet sein (siehe zum Beispiel Norbert Klawa und Alfred Haack: Tiefbaufugen - Fugen und Fugenkonstruktionen im Beton- und Stahlbetonbau).
Die Federeigenschaften des Dichtmittels oder des kombinierten Dicht- und Federmittels können derart sein, daß sie während des Aushärtens eine Kompressionskraft in den Abschnitten der Tunnelauskleidung aufrechterhalten. In diesem Fall kann die Länge der Abschnitte der Tunnelauskleidung gegenüber dem Fall erhöht werden, in dem während des Aushärtens keine zusätzliche axiale Kraft auf die Abschnitte ausgeübt wird.
Eine verbleibende Kompressionskraft in den Abschnitten der Tunnelauskleidung kann auch dadurch erzielt werden, daß in Kombination mit dem Dichtungsmittel ein aktives Kompressionsmittel eingesetzt wird. Ein Beispiel für ein solches aktives Kompressionsmittel ist in EP-A-0021702 offenbart. Das aktive Kompressionsmittel kann auch Keile oder Pressen umfassen, die mit Muskelkraft oder einer Antriebseinheit betätigt werden.
Ungleiche radiale Belastungen der Tunnelauskleidung werden in der Auskleidung Biegemomente verursachen. Für eine ausgedehnte Erörterung der Belastung einer Tunnelauskleidung und der entsprechenden Umfassungskräfte, Biegemomente und radialen Verschiebungen wird auf eine Veröffentlichung von H. Duddeck und J. Erdmann "Structural design models for tunnels", veröffentlicht in Tunneling '81, the Institute of Mining and Metallurgy, Seiten 83-91, 1981 Bezug genommen. Die Biegemomente in der vollständig runden Auskleidung können zusammen mit den Umfassungsspannungen einen wesentlichen Einfluß auf die erforderliche Dicke der Auskleidung haben, wenn das Bilden von Längsrissen in der Auskleidung vermieden werden muß.
Unter bestimmten Bedingungen in der Erde kann es aber zulässig sein, daß dort, wo die größten Biegemomente auftreten, die Auskleidung in Längsrichtung Risse bildet und daß sich die Auskleidung innerhalb bestimmter Grenzen elliptisch verformt, bis ein neues Gleichgewicht der Kräfte erreicht wird.
Das Erlauben eines solchen Verhaltens kann zu einer Verringerung der erforderlichen Dicke der Auskleidung und einer entsprechenden Verringerung hinsichtlich der Kosten führen. Unter dem Gesichtspunkt der Qualitätskontrolle ist es jedoch viel besser, nicht auf das spontane Bilden von Rissen zu vertrauen, sondern die Tunnelauskleidung mit einem sich in Längsrichtung erstreckenden. Trennmittel derart auszustatten, daß die Tunnelauskleidung in Abschnitte mit außen umlaufender Richtung geteilt wird. Die Spalte zwischen diesen Abschnitten können mit einem Dichtmittel versehen werden, um die Wasserdichtigkeit der gesamten Auskleidung zu gewährleisten. Das sich in Längsrichtung erstreckende Trennmittel kann ähnlich zu dem sich außen umlaufend erstreckenden, oben beschriebenen Trennmittel sein.
Natürlich kann eine Tunnelauskleidung beide Arten von Trennmitteln aufweisen, wie es in Fig. 6 schematisch dargestellt ist, wobei das sich in Längsrichtung erstreckende Trennmittel mit 20 und das sich umlaufend erstreckende Trennmittel mit 14 bezeichnet ist.
Anstatt mit einem sich in Umfangsrichtung erstreckenden Trennmittel kann die Tunnelauskleidung auch mit einem Trennmittel ausgestattet sein, das sich spiralförmig ent¬ lang der Tunnelauskleidung erstreckt, wie es schematisch in Fig. 7 dargestellt ist, wobei das Trennmittel mit 21 bezeichnet ist.
Die Tunnelauskleidung ist vorzugsweise eine einzelne gespritzte Schicht. Das Spritzen in einer oder mehreren Stufen einer mehrschichtigen Auskleidung, zum Beispiel von Beton mit verschiedenen Eigenschaften, ist auch möglich. Die einzelne Schicht kann mit einer internen sekundären Schicht ausgestattet sein, beispielsweise aus Sicherheitsgründen (Feuerschutz, Schutz gegen den Stoß von Autos und Bahnen), aus Gründen der Architektur oder aus irgendeinem anderen Grund. Die sekundäre Schicht ist jedoch für die erfindungsgemäße Tunnelauskleidung nicht wesentlich.
Falls in der Zukunft geeignete Materialien für die sekundäre Auskleidung zur Verfügung stehen, kann die sekundäre Auskleidung eine solche Wasserdichtigkeit oder eine zusätzliche Wasserdichtigkeit bereitstellen, daß das Dichtmittel in den Verbindungen zwischen den Abschnitten der Tunnelauskleidung weggelassen werden kann oder daß die Dichteigenschaften des Dichtmittels vermindert werden können. Es ist auch beabsichtigt, daß eine interne sekundäre Auskleidung, die wie oben beschrieben auf die einzelne Schicht (primäre Auskleidung) gesprüht werden kann oder aus einer dünnen wasserdichten Schicht bestehen kann, das leichte Bewegen einer gleitenden Stützstruktur, zum Beispiel der in EP-A-0301188 beschriebenen Art, erleichtern kann.
Üblicherweise wird für eine Tunnelauskleidung Beton verwendet. Es ist aber auch möglich, andere geeignete Materialien zu verwenden.
Es ist für einen Fachmann klar, daß die vorliegende Erfindung nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist. Wesentlich für die Erfindung ist, daß eine gespritzte Tunnelauskleidung in getrennte Abschnitte geteilt ist, mit einem Dichtmittel zwischen diesen Abschnitten.

Claims

1. Verfahren zum Bauen eines ausgekleideten Tunnels (1) in Erde, umfassend einen Schritt, bei dem mittels einer vorgetriebenen Aushubmaschine (4) ein Tunnel in der Erde ausgehoben wird, einen Schritt, bei dem hinter der Aushubmaschine, nachdem ein Tunnelteil ausgehoben worden ist, eine Stützstruktur (6) derart angebracht wird, daß ein ringförmiger Spalt (8) zwischen der Stützstruktur und der umgebenden Erde gebildet wird, einen Schritt, in dem ein Dichtmittel (9) zum Abdichten des ringförmigen Spaltes gegenüber der Aushubmaschine bereitgestellt wird, einen Schritt, in dem der ringförmige Spalt hinter dem Dichtmittel durch Einspritzen eines flüssigen Auskleidungsmaterials wie flüssigem Beton gefüllt wird, und einen Schritt, in dem dem Auskleidungsmaterial ermöglicht wird, sich zu verfestigen und auszuhärten, so daß eine Tunnelauskleidung (3) gebildet wird, wobei vor dem Aushärten des Auskleidungsmaterials ein Trennmittel (14; 20; 21) in der Tunnelauskleidung bereitgestellt wird, so daß die Tunnelauskleidung (3) in getrennte Abschnitte unterteilt wird, wobei das Trennmittel an solchen Stellen angeordnet wird, daß die getrennten Abschnitte Setzungen der umgebenden Erde folgen können, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennmittel (14; 20; 21) an solchen Stellen bereitgestellt wird, daß die getrennten Abschnitte (15) frei sind, während des Aushärtens des Auskleidungsmaterials zu schrumpfen, und daß die zwischen den getrennten Abschnitten gebildeten Spalte (16) mit einem Dichtmittel (18) ausgefüllt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Trennmittel (14; 20; 21) geschwächte Bereiche umfaßt, die an vorher bestimmten Stellen in der Tunnelauskleidung angeordnet sind, so daß die Risse in der Tunnelauskleidung, die als Folge des Schrumpfens des aushärtenden Auskleidungsmaterials oder nach Setzungen der umgebenden Erde auftreten, sich nur in den geschwächten Bereichen bilden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Trennmittel separate Trennelemente (19) umfaßt, die an vorher bestimmten Stellen in die Tunnelauskleidung eingeführt sind, wobei sich die Trennelemente über einen Teil oder im wesentlichen die gesamte radiale Dicke der Tunnelauskleidung (3) erstrecken.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Trennelemente (19) das Dichtmittel zwischen den Abschnitten der Tunnelauskleidung umfassen.

5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Trennelemente in der Richtung der Bewegungen der benachbarten Abschnitte der Tunnelauskleidung als Feder wirken.

6. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Trennmittel ein aktives Kompressionsmittel umfaßt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei sich das Trennmittel (14) in Umfangsrichtung der Tunnelauskleidung erstreckt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei sich das Trennmittel in Längsrichtung der Tunnelauskleidung erstreckt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei sich das Trennmittel (21) spiralförmig entlang der Tunnelauskleidung erstreckt.