EP3168413A1 - Vorrichtung und verfahren zum ausbau eines tunnels - Google Patents

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EP3168413A1
EP3168413A1 EP16196242.8A EP16196242A EP3168413A1 EP 3168413 A1 EP3168413 A1 EP 3168413A1 EP 16196242 A EP16196242 A EP 16196242A EP 3168413 A1 EP3168413 A1 EP 3168413A1
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EP
European Patent Office
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concrete
concreting
cavity
formwork
measured
Prior art date
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Application number
EP16196242.8A
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English (en)
French (fr)
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EP3168413B1 (de
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Andreas Lamprecht
Harald Pacher
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Ostu-Stettin Hoch- und Tiefbau GmbH
Original Assignee
Ostu-Stettin Hoch- und Tiefbau GmbH
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Publication date
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21D—SHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
    • E21D11/00—Lining tunnels, galleries or other underground cavities, e.g. large underground chambers; Linings therefor; Making such linings in situ, e.g. by assembling
    • E21D11/04—Lining with building materials
    • E21D11/10—Lining with building materials with concrete cast in situ; Shuttering also lost shutterings, e.g. made of blocks, of metal plates or other equipment adapted therefor
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
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    • E21D11/00—Lining tunnels, galleries or other underground cavities, e.g. large underground chambers; Linings therefor; Making such linings in situ, e.g. by assembling
    • E21D11/04—Lining with building materials
    • E21D11/10—Lining with building materials with concrete cast in situ; Shuttering also lost shutterings, e.g. made of blocks, of metal plates or other equipment adapted therefor
    • E21D11/102—Removable shuttering; Bearing or supporting devices therefor

Definitions

  • the invention relates to a device for the construction of a tunnel, comprising at least one formwork element with at least one concreting opening, a device for transporting liquid concrete through the concreting opening into a cavity arranged behind the formwork element, in particular a concrete pump.
  • the invention further relates to a method for the construction of a tunnel, wherein liquid concrete is transported by means of a device, in particular a concrete pump, through at least one concreting opening into a cavity between a formwork element and a mountain.
  • the introduction of concrete is a crucial process step in the production of an inner shell of a tunnel.
  • a cavity between a formwork and a mountain or a mountain or a counter-formwork, which is also referred to as counter formwork filled with fresh concrete.
  • the cavity is filled as a rule uniformly from both sides, after which the filled concrete is pressed in a second step with a closing pressure.
  • care must be taken not to exceed a permissible formwork pressure, as otherwise the formwork may be damaged.
  • Difficulties in tunneling arise in the apparatus and method of the prior art, especially when introducing a liquid concrete into the annulus. Occurs in the annulus, for example, by an excessive amount Too high hydrostatic pressure caused by liquid or not yet cured concrete, the formwork is mechanically overstressed and can deform beyond a permissible level or even break. On the one hand there is a risk of injury to local personnel and on the other high costs. If an insufficient amount of concrete is introduced into the annulus due to a too low closing pressure, cavities remain, so that the expansion does not reach a desired strength and, for example, can not withstand a rock pressure.
  • the object of the invention is to provide a device of the type mentioned, with which a development of a tunnel can be done in high quality, technically verifiable and at the same time efficient way even with inexperienced staff.
  • a method of the aforementioned type is to be specified, with which an expansion of a tunnel can be reliably produced even with inexperienced staff.
  • the first object is achieved by a device of the type mentioned, in which at least one sensor is provided, with which a state variable of a concrete in the cavity and / or a load of Shuttering element is continuously measurable during a concreting process, wherein a monitoring device is provided, with which a measured value of the at least one sensor is comparable with a stored in a data storage setpoint, the setpoint depends on a progress of the concreting process, in particular depending on a measured time and / or of a quantity of a concrete already transported into the cavity.
  • state variables such as pressure, temperature, conductivity or the like in the concrete in the annulus or loading of the formwork elements during filling of the annulus can be compared with measured data, which were previously measured in a successfully completed concreting process to conclude deviations from a desired state.
  • the measured state variables can be all state variables which permit a conclusion about a state of the concrete in the cavity. It has proven particularly useful to measure a local pressure at various positions in the annulus.
  • the load of the formwork element can be measured directly in or on the formwork element, for example by strain sensors. However, the load can also be measured indirectly, for example via supports and struts, with which the at least one shuttering element is supported against a substrate.
  • a technically verifiable expansion of a tunnel can be achieved with the device according to the invention by ongoing review, documentation and monitoring of the removal process.
  • the monitoring device is usually also set up to detect an advance of the concreting process.
  • a progress of the concreting process can be done in a simple manner, for example by measuring a time from the beginning of the concreting process or a concreting time and / or by measuring a quantity transported since the beginning of the concreting process amount of concrete. It can then be assigned to a progress of the concreting process, for example, a certain time since the beginning of concreting a defined setpoint for the at least one sensor, so that it is easy to determine whether a current concreting process corresponds to the reference concreting or when a deviation occurs.
  • a volume flow of the concrete transported into the cavity can be regulated as a function of a deviation of the at least one measured value from the desired value. This makes it easy to repeat a previously recorded reference concreting operation to ensure that the concreting process is free of damage and efficient, even when there is no experienced personnel on site.
  • the control can be done, for example, with manual intervention based on a signal output by the monitoring device or fully automated.
  • a plurality of sensors are provided for detecting state variables of the concrete in the annular space and loads on the formwork element or elements, so that corresponding measured values for a plurality of sensors are present during a concreting operation or depending on an advance of the concreting process.
  • the concrete pump is then advantageously controlled in such a way that measured values corresponding to those which were recorded during the reference concreting process with corresponding progress of the concreting process are obtained at corresponding sensors during the concreting process. It is thus understood that the regulation of the concreting process generally takes place in such a way that a deviation of the values of the sensors measured during a current progress of the concreting process from the values stored in the data memory is reduced with appropriate progress or disappears altogether.
  • a pressure sensor is used as a sensor for detecting a state variable of the concrete in the annular space
  • the pressure values measured in the annular space with this pressure sensor are dependent on a hydrostatic pressure acting on the sensor.
  • a local pressure increase due to a pressing of the concrete into the annulus under pressure depending on a distance of the sensor from a concreting opening, through which the concrete is pressed into the cavity can affect the pressure value measured by the sensor.
  • the measured values thus do not give any precise information about a height of a liquid concrete column above the respective sensor, in particular in an upper region of the annular space.
  • a regulation of the concrete pump is possible such that, for example, depending on an elapsed time of a concreting process or a quantity of transported through the concrete pouring concrete a conclusion is possible about whether a current concreting of an optimally defined concreting or a reference concreting process deviates, in which neither cavities in the annulus nor an impermissibly high pressure were achieved.
  • a procedure without experienced personnel is achieved by specifically reproducing measured values at one or more sensors by a corresponding control of the concrete pump, even though the measured values themselves do not allow a direct inference to current states in the annular space.
  • a pressure measured at a local pressure sensor may be permissible during the concreting process, although this pressure would be above a maximum tolerable pressure of the formwork if the entire formwork were loaded accordingly.
  • a regulation of the concrete pump depending on a deviation of the measured values from values stored in the data memory can be automated or manual. As concreting this is understood to mean any opening in the formwork element through which concrete can be transported. In the opening can be arranged for the transport of concrete through the formwork element and a pump nozzle.
  • sensors for detecting state variables and or a load of a formwork element can be provided.
  • pressure and temperature of a concrete in the annulus can be measured.
  • a deformation of the formwork element or a force in a support of the formwork element can be measured in order for a Concreting process to capture characteristic values and to compare with values of previous concreting operations or to comply with predetermined maximum values for the resilience of the overall device.
  • sensors for detecting a speed can be provided, with which concrete is introduced through the concreting opening into the cavity between the formwork and the mountains, in order to be able to make a comparison with a reference concreting operation and to be able to carry out a corresponding regulation.
  • At least one pressure sensor for measuring a press-in pressure is provided in a line connecting the device to the concreting opening.
  • this pressure due to particular rheological properties of concrete usually does not correspond to a pressure in the annulus, a comparison of the filling in a reference concreting process and thus a control of the concreting process can also be done on this pressure.
  • the senor is designed to measure a state variable of a concrete in the cavity as a pressure sensor, in particular as a diaphragm pressure transmitter.
  • a robust pressure measurement can take place despite the prevailing ambient conditions in a tunnel.
  • the pressure sensor is arranged flush in a surface of the formwork, which bounds the cavity or the annular space on the inside.
  • the senor is spaced from the concreting opening. It has been shown that a state variable of the concrete measured directly at the concreting opening, in particular a pressure, is not meaningful due to local flow effects. Rather, for a comparison of a current expansion method with a reference method or a reference concreting a measured from the condenser opening detected measured value of a state variable such as pressure or temperature meaningful because at a corresponding distance of for example 15 cm to 150 cm calming the flow occurs.
  • a state variable of the concrete measured directly at the concreting opening in particular a pressure
  • a plurality of sensors are arranged at different distances from the concreting opening. This can cause a spread over one Concrete opening into the cavity introduced concrete can be detected particularly accurately, especially in an upper region of the annular space in which the concrete can flow in different directions. This allows a very accurate determination of a degree of filling of the cavity or a precise comparison of a current expansion process with a reference concreting process in which a high strength of the expansion has been achieved.
  • a plurality of sensors are arranged distributed over a length of the formwork element in order to be able to determine a pressure distribution over a length of the formwork or a length of the formwork element particularly accurately.
  • a top formwork element which is also referred to as a ridge element
  • a plurality of sensors are usually positioned along the ridges or a length of the formwork element, to monitor a final process step, wherein concrete is pressed from below into the cavity, particularly accurate.
  • a plurality of sensors are arranged distributed over a height of the formwork element.
  • a height of the liquid concrete in a lateral area with pressure sensors can be detected in a simple manner precisely, since concrete can be introduced into the lateral areas by means of gravity, so that pressing in as in the region of the ridges is not required is.
  • the shuttering elements arranged sensors in particular pressure sensors, it can thus be easily determined, which height of the liquid concrete has already reached the side of the formwork. This height is decisive for a pressure of the concrete on the formwork and thus a maximum concreting speed.
  • the device has an approximately cylindrical outer contour, which is formed by one or more formwork elements, wherein a plurality, in particular three to 20, sensors are arranged distributed over a circumference of the cylindrical outer contour in the formwork elements. This allows a particularly accurate detection of the height of the liquid concrete side of the formwork elements.
  • a data processing device is provided with which measured values of the at least one sensor can be stored during a removal process are.
  • the sensor or sensors for this purpose are connected to the data processing device via a respective data connection, for example a wired connection or a radio connection.
  • a direct output of the measurement results to the respective sensors or measuring devices may be provided, for example, an analog display.
  • values of a removal process can be recorded with devices according to the invention, which are monitored by experienced personnel. Measured values recorded in this way can subsequently serve as the basis or comparison values for a partially or fully automated removal or filling of a cavity, if no correspondingly experienced personnel are more on site.
  • the formwork element has a plurality, in particular regularly spaced, concreting openings and sensors. This allows a filling of the cavity over several concreting openings, and a very accurate detection of a concreting process over several sensors. In particular, an optimal speed can be achieved thereby.
  • it had to be estimated for this purpose when a concrete placed in a lower region of the cavity had hardened before further concrete was introduced into the cavity in order to prevent the formwork being overloaded by liquid concrete in the cavity, becoming inadmissible deformed or even breaks.
  • in the formwork element can be precisely determined when a concrete has hardened, as hardening of the concrete significantly reduces a pressure acting on the formwork.
  • a speed of the concreting process can thus be precisely matched to a current state of the concrete in the cavity and thereby optimized.
  • the device is designed as a movable formwork carriage.
  • the device designed as a formwork carriage is moved during a tunnel construction of a subsection in a next subsection on rails.
  • a section concreting in the tunnel or a section-wise expansion can be done in a simple manner.
  • a signal device with which an acoustic and / or visual signal can be delivered if a change in a delivery rate of the device is required to reduce a deviation of the at least one measured value from the at least one corresponding desired value.
  • An intervention to change a delivery rate of the device can then be done manually by untrained personnel when a corresponding signal is emitted by the signaling device.
  • the signal device may have lights or a screen for the delivery of visual signals and a loudspeaker for the delivery of acoustic signals.
  • the device can be regulated fully automatically.
  • the control is directly connected to the device or the concrete pump, so that no change to a capacity of the concrete pump manual intervention is required.
  • a partially automated control results, for example, if by means of the monitoring device an inexperienced staff is communicated how to change the delivery rate to minimize a deviation of the method from a reference method.
  • An adaptation or change of a volume flow of a concrete transported into the cavity in the context of a control can be done for example by changing the flow rate of the concrete pump itself.
  • clogging of the pipe is easily avoided in a continuous conveying concrete and removing the pipe from the concreting.
  • a plurality of movably connected formwork elements wherein at least one sensor for measuring a force is provided in at least one connecting means, which connects two formwork elements, and wherein the sensor is connected to the control, so that the device depends on a deviation of Force in the connecting means of a desired value, which may be dependent on an advance of the expansion, is adjustable.
  • the connecting means may be designed, for example, as rigid steel beams or variable-length hydraulic cylinders.
  • the further object is achieved by a method of the type mentioned, in which at least one state variable of a concrete located in the cavity and / or a load of the shuttering element is measured with at least one sensor and a concreting process by comparing a measured value of the sensor monitored with a setpoint is, wherein the setpoint is dependent on a progress of the expansion, in particular of a measured time and / or a quantity of a concrete already transported into the cavity.
  • a device according to the invention is used for this purpose.
  • a measured deviation of the measured value measured by the at least one sensor from a corresponding desired value is reduced by changing a volume flow of the concrete transported into the cavity.
  • a regulation or adaptation of the volume flow transported into the cavity can be effected by a change in a performance of the device, which is usually designed as a concrete pump, or by partial or total removal of the conduit from the concreting opening, so that, for example, concrete continues to be conveyed through the concrete pump, which, however, is not transported into the cavity.
  • a performance of the device which is usually designed as a concrete pump, or by partial or total removal of the conduit from the concreting opening, so that, for example, concrete continues to be conveyed through the concrete pump, which, however, is not transported into the cavity.
  • blockages are avoided, which would possibly be caused by a hardening of the concrete in the line when stopping the concrete pump.
  • a particularly efficient and process-reliable method is obtained if pressures are measured at several positions of the formwork element with different distances to the concreting opening and the volume flow is regulated as a function of a deviation of the measured pressures from corresponding desired values.
  • the method according to the invention is usually repeated in sections, wherein the usually arranged on a formwork carriage along a removal direction is moved into a further section, thereby a regular reproducing a once performed method can be achieved if in the once performed method, which, for example performed in the presence of experienced personnel and may be referred to as a reference method or reference concreting operation, corresponding readings such as pressures on individual sensors are recorded. It can thus be determined at any time when repeating the process, whether the method deviates from the reference method, so that can be intervened in accordance with a change in the volume flow promoted in the cavity to minimize a deviation accordingly.
  • the setpoint which depends on a progress of the expansion, is defined in an upstream process step during a removal by recording corresponding measured values. It can then be defined for the sensor or sensors depending on the progress of the expansion, a target value, with which when repeating the process in a further stretch even with inexperienced staff is easy to determine whether a current concreting corresponds to a corresponding reference concreting.
  • the cavity is filled via a plurality of concreting openings, wherein it can also be determined by means of the at least one sensor when a filling of the cavity is continued at another concreting opening, for example when a height of the liquid concrete in the cavity reaches a lateral concreting opening.
  • a signal is emitted to regulate the volume flow, after which a manual change of the volume flow transported into the cavity takes place in order to minimize a deviation.
  • a change in a volume flow transported into the cavity can be achieved by changing a performance of the device or a change in the pumping power of a concrete pump.
  • the line can be partially or completely removed from the concreting opening, so that concrete is conveyed further through the concrete pump, but does not enter the cavity.
  • the regulation of the volume flow can be done manually, partially or fully automatically.
  • a fully automated control allows the process to be carried out with reduced manpower so costs can be reduced by implementing the process.
  • a manual or semi-automatic control allows a rapid response to frequently changing environmental conditions in tunneling.
  • a movable, in particular movable, device is usually used.
  • the formwork element is connected to a along a construction direction mostly movable on rails formwork carriage.
  • the device is moved with the formwork element after curing of the concrete in a direction of construction in an uninstalled section, in which the process is repeated.
  • the method can of course also be used in the context of a continuous expansion.
  • a formwork formed by formwork elements is continuously moved, wherein at the same time the introduction of concrete takes place.
  • a rear area of the formwork in the construction direction is concreted in front of a region lying further in the direction of removal, so that the concrete in the rear area has hardened earlier and the formwork can be moved, even if the concrete has not yet hardened in the front area.
  • Fig. 1 shows a device 1 according to the invention for the development of a tunnel.
  • the device 1 is designed as a movable on rails 19 formwork carriage and has a plurality of movably connected formwork elements 3.
  • the shuttering elements 3 located in a working position have, above the rails 19, approximately a cylindrical or partially cylindrical outer contour, so that a cylindrical inner shell of a tunnel tube can be formed.
  • Fig. 1 is a situation shown after completion of a removal process, with a space between the formwork elements 3 and a surrounding mountains 2 is completely filled with concrete 4. This concrete 4 together with any existing reinforcement forms an inner shell of the tunnel.
  • the individual formwork elements 3 are connected via joints 8 rotatably or pivotally. Thereby, the device 1 can be folded after completion of an expansion of a section and moved on in the tunnel.
  • To move the formwork elements 3 relative to each other hydraulic cylinders are provided.
  • sensors can be arranged to determine forces acting on the formwork elements 3.
  • force or pressure sensors 16 may be provided to monitor a concreting process.
  • Fig. 1 Also illustrated as a concrete pump 5a means, with which concrete 4 by means of a concrete distributor 5 in a cavity 21 between mountains 2 and formwork elements 3 can be introduced.
  • Fig. 2 also shows a device 1 according to the invention, in contrast to Fig. 1
  • lines 6 are shown, with which concrete 4 of the concrete pump 5a via a concrete distributor 5 to arranged in the formwork elements 3 concreting 7 is transportable to transport concrete 4 through the shuttering elements 3 in a cavity 21 between shuttering elements 3 and 2 mountains.
  • the opening into the concreting 7 lines 6 lead into a region of the concrete distributor 5, so that the concrete distributor 5 can be connected via a rotatably mounted connection line with each line 6. This allows a sequential filling of the cavity 21 via a plurality of concreting openings 7 with a concrete pump 5a without moving the concrete pump 5a itself.
  • Fig. 3 shows a side view of a device 1 according to the invention in an immediately adjacent to a developed section of the tunnel in which an inner shell was created by concreting, adjacent not yet developed section of the tunnel.
  • a section of the tunnel having a length 18 corresponding to a length 18 of the formwork formed by the individual shuttering elements 3 can be removed or concreted without moving the device 1.
  • a cavity 21 is filled with concrete 4.
  • the cavity 21 is on the outside by the mountains 2, inside by the formwork, which is formed by the shuttering elements 3, back through the inner shell of the previously removed portion and at a front end by a seal 26th limited, which is also referred to as frontal formwork.
  • the device 1 is moved on the rails 19 in a construction direction 10 by the length 18 of the formwork, so that a next section can be removed.
  • Fig. 4 to 9 show a concreting process and a method for forming a tunnel in different process steps, wherein a device 1 according to the invention is used. It can be seen that the device 1 is positioned in a tunnel which has broken away from a mountain 2 which is not shown, after which a cavity 21 between shuttering elements 3 of the device 1 or an approximately cylindrical skin of the device 1 and the mountain 2 is filled with concrete 4, which is in hardens further sequence and forms a mountain pressure supporting inner shell.
  • a reinforcement can be arranged in the cavity 21 in order to achieve a desired with respect to compressive and tensile forces strength of the inner shell.
  • the cavity 21 between the rocker 2 and shuttering skin is gradually filled with concrete 4, wherein alternately concrete 4 is transported on a left and a right side of the tunnel in the cavity 21 or pressed.
  • the concrete pump 5a is connected via different lines 6 alternately with concreting openings 7 on the left and the right side of the device 1. It is started with a filling on arranged in a lower region concreting 7 and started with increasing height of the concrete element located between formwork element 3 and 2 concrete 4, the filling through higher arranged concreting 7 performed.
  • an upper region of the cavity 21 or a ridge 12 is filled with concrete 4.
  • cavities 21 in the region of the ridges 12 can be filled by introducing mortar under pressure or by injecting mortar through recesses which have been formed in the concrete 4 by injection nozzles 14.
  • a speed at which the cavity 21 can be filled with concrete 4 is limited by a curing rate of the concrete 4. Since liquid concrete 4 loads the formwork or the formwork elements 3, a speed with which concrete 4 into the cavity 21st is transported, are selected such that a caused due to the liquid concrete 4 in the cavity 21 hydrostatic pressure on the shuttering elements 3 does not exceed a maximum allowable pressure of the shuttering elements 3.
  • a plurality of sensors designed as pressure sensors 16 are provided in the formwork elements 3 for this purpose. Since hardening of the concrete 4 causes a pressure change, a precise statement about a height of a liquid concrete 4 can be made in an area laterally of the formwork elements 3 and the speed of concreting can be optimized.
  • a local pressure in the concrete 4 during a press-fitting operation is determined, on the one hand, by a concrete 4 or a liquid column located at the respective measuring position and on the other hand by dynamic effects and a concreting speed.
  • a possible pressure distribution 13 on a formwork element 3 in the region of the ridges 12 during the introduction of concrete 4 is in Fig. 10 shown.
  • the local pressure acting on the shuttering element 3 in the area of the concreting opening 7 is higher than in a region further from the concreting opening 7.
  • injection nozzle 14 which has an outer tube 20 connected to the shuttering element 3 and an axially movable in the outer tube 20, end open and projecting into the cavity 21 inner tube 22.
  • injection nozzles 14 are installed at a distance of about 2 m in the longitudinal direction of the uppermost formwork element 3, which is also referred to as ridge element.
  • the inner tube 22 is fixed in the outer tube 20 by means of a fixing 23 such that it protrudes into the cavity 21 according to a required concrete thickness.
  • liquid concrete 4 falls from above into the pipe, so that it can be seen that a desired concrete thickness above the formwork or in the cavity 21 has been reached and the supply of concrete 4 can be stopped.
  • the pipes are pulled out of the concrete 4, with corresponding recesses remaining in the concrete 4.
  • Mortar is then pressed into these recesses to fill remaining cavities 21 between concrete 4 and 2 mountains.
  • pressure sensors 16 such as diaphragm seal, are provided in the shuttering elements 3 illustrated in the exemplary embodiment.
  • Fig. 12 shows a plan view of a section of a formwork element 3, in which a membrane designed as a diaphragm seal sensor is arranged.
  • Fig. 13 shows a section through the in Fig. 12 shown section of a formwork element. 3 along the line XIII-XIII in Fig. 12 ,
  • the diaphragm seal has a diaphragm 17 which defines a hollow chamber connected to a pressure transducer 11.
  • the pressure transducer 11 may be connected to a monitoring device for continuous monitoring of the concreting process via a data link.
  • the pressure sensor 16 is arranged flush in a surface of the shuttering element 3 between two stiffening elements 24, so that in a concreting a pressure in the concrete 4 acts directly on the membrane 17.
  • sensors 16 may be provided, with which state variables of the concrete 4 in the cavity 21 can be determined, for example temperature sensors.
  • the sensors are connected to a data processing device, so that characteristic values can be recorded in different positions of the form skin during a removal process in order to subsequently reproduce the removal process or these values several times as the tunnel is removed in sections.
  • a total of six concreting openings 7 are arranged in lateral formwork elements 3, which are also referred to as elm elements, to concrete 4 at different positions through the formwork elements 3 in the cavity 21st between formwork and mountains 2 to transport. It is understood that more or less concreting 7 and pump nozzle 15 may be provided.
  • an upper formwork element 3, which is also referred to as a ridge element pump nozzles 15 are arranged in concreting openings 7 in order to allow a transport of concrete 4 into an area above the concrete distributor 5.
  • nine pumping nozzles 15 are provided in the ridge element, which are positioned in a corresponding number of concreting openings 7, not shown.
  • injection nozzles 14 are arranged in the ridge element.
  • pressure sensors 16 are arranged distributed in the upper formwork element 3 in the region of a ridge 12 over a length 18 of the formwork elements 3 in order to prevent the To be able to monitor concreting in the region of the ridges 12, so that cavities 21 between the inner shell and the mountains 2 and damage to the formwork elements 3 can be avoided and an optimal speed can be achieved. Furthermore, the pressure sensors 16 are distributed over a circumference of the formwork or shuttering elements 3 in such a way that with the pressure sensors 16 pressures at different heights can be measured. As a result, a filling level of the concrete 4 in the cavity 21 can be measured laterally of the formwork elements 3 and a height of the already hardened concrete 4 in lateral areas.
  • pressure sensors 16 are also distributed over a length 18 of the shuttering element 3 in the upper formwork element 3 or the ridge element, for example along an imaginary line which runs parallel to the roof 12. With these pressure sensors 16 in the upper formwork element 3, a conclusion of a concreting process can be monitored.
  • All pressure sensors 16 are preferably spaced from concreting openings 7 in order to avoid or at least reduce an influence of flow effects on the measurement result.
  • Fig. 15 shows measurement results or pressure profiles 25 of those distributed over a circumference of the formwork pressure sensors 16, which are arranged at different height positions of the formwork during a concreting process.
  • a pressure is shown on the ordinate axis and a time on the abscissa axis.
  • a pressure measured with the pressure sensors 16 increases with increasing time. This corresponds to one in the Fig. 4 to 8 shown filling the lateral cavity 21 between the shuttering elements 3 and the mountains 2.
  • the measured pressures from a certain level decrease again.
  • the concrete 4 located between the formwork element 3 and the mountains 2 has hardened, so that further concrete 4 can subsequently be introduced without reaching an unduly high pressure on the formwork.
  • Discontinuities or sudden increases in pressure which are apparent in the diagram result from shaking operations and a consequent re-liquefaction of the concrete 4 due to the specific rheological properties of fresh concrete.
  • lateral pressure sensors 16 which are distributed over different height positions of the formwork, a direct inference to a height of the liquid concrete 4 is thus possible via the measured pressure, so that the concreting process can be monitored and controlled directly via the pressure sensors 16.
  • a comparison with historical data may be useful in this area in order to compare a current concreting process with a reference concreting process.
  • a disassembly operation performed, for example, in the presence of experienced personnel to record readings for reproduction of the disassembly operation may also be referred to as a reference disassembly operation.
  • a regulation of a concrete introduction into the cavity 21 or a volume flow of the concrete 4 into the cavity 21 can be regulated partially or fully automatically so that the measured values of the individual sensors correspond as far as possible to those measured values which were recorded during the reference construction process ,
  • the volume flow with which concrete 4 is introduced into the cavity 21 is regulated such that the measured values of the sensors deviate minimally from the nominal values of the individual sensors which were recorded during the reference removal process.
  • the setpoints of the sensors are thus dependent on a time in which is concreted.
  • the setpoint values of the sensors can also be dependent on a quantity of an introduced concrete 4 into the cavity 21.
  • the nominal values of the sensors thus correspond to a progress of the tunnel construction, so that it is easy to determine whether the concreting process corresponds to the respective progress time of the expansion of the reference expansion process or when a deviation occurs to be able to counteract quickly.
  • Fig. 16 also shows measured values or pressure profiles 25 of pressure sensors 16 of an upper formwork element 3 or of a ridge element applied over a period of a concreting process.
  • Optimum control of the concreting process is possible if current measured values are compared with historical measured values of a reference concreting process and the delivered concrete quantity is adjusted accordingly in case of deviations. This makes it possible to repeat an efficient reference concreting process even with inexperienced personnel without damaging the formwork.
  • a control of the transported in the cavity 21 volume flow can be done manually, for example, if a corresponding signal is emitted by a monitoring device in case of a deviation.
  • a fully automatic control is possible if the monitoring device is connected directly to the concrete pump 5a, the concrete distributor 5 or a line system in order to influence a volume flow conveyed into the cavity 21.
  • force measuring sensors 16 can also be arranged in supports 9 of the formwork, joints 8 between the formwork elements 3 and the like in order to close on a quantity and distribution of concrete 4 located in the cavity 21 and to regulate the Concreting process to compare these values with historical values.
  • other state variables such as temperature and conductivity of the concrete 4 in the cavity 21 can be measured at different positions.
  • the expansion of a tunnel can be carried out reliably and efficiently partially or fully automatically even with inexperienced personnel.
  • a particularly high quality or strength of the expansion is achieved.
  • a damage or Risk of injury avoided.
  • costs can be minimized.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Ausbau eines Tunnels, umfassend zumindest ein Schalungselement (3) mit zumindest einer Betonieröffnung (7), eine Einrichtung zum Transportieren von flüssigem Beton (4) durch die Betonieröffnung (7) in einen hinter dem Schalungselement (3) angeordneten Hohlraum, insbesondere eine Betonpumpe (5a). Um einen Ausbau eines Tunnels auch mit unerfahrenem Personal prozesssicher durchführen zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zumindest ein Sensor vorgesehen ist, mit welchem eine Zustandsgröße eines im Hohlraum befindlichen Betons (4) und/oder eine Belastung des Schalungselementes (3) kontinuierlich während eines Betoniervorganges messbar ist, wobei eine Überwachungseinrichtung vorgesehen ist, mit welcher ein Messwert des zumindest einen Sensors mit einem in einem Datenspeicher gespeicherten Sollwert vergleichbar ist, wobei der Sollwert abhängig von einem Fortschritt des Betoniervorganges ist, insbesondere abhängig von einer gemessenen Zeit und/oder von einer Menge eines bereits in den Hohlraum transportierten Betons (4). Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Ausbau eines Tunnels, wobei flüssiger Beton (4) mittels einer Einrichtung, insbesondere einer Betonpumpe (5a), durch zumindest eine Betonieröffnung (7) in einen Hohlraum zwischen einem Schalungselement (3) und einem Gebirge (2) transportiert wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ausbau eines Tunnels, umfassend zumindest ein Schalungselement mit zumindest einer Betonieröffnung, eine Einrichtung zum Transportieren von flüssigem Beton durch die Betonieröffnung in einen hinter dem Schalungselement angeordneten Hohlraum, insbesondere eine Betonpumpe.
  • Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Ausbau eines Tunnels, wobei flüssiger Beton mittels einer Einrichtung, insbesondere einer Betonpumpe, durch zumindest eine Betonieröffnung in einen Hohlraum zwischen einem Schalungselement und einem Gebirge transportiert wird.
  • Eine Einbringung von Beton ist ein entscheidender Prozessschritt bei einer Herstellung einer Innenschale eines Tunnels. Dabei wird ein Hohlraum zwischen einer Schalung und einem Gebirge bzw. einem Berg oder einer Gegenschalung, welche auch als Konterschalung bezeichnet wird, mit Frischbeton aufgefüllt. In einem ersten Schritt wird der Hohlraum in der Regel gleichmäßig von beiden Seiten aus befüllt, wonach in einem zweiten Schritt der eingefüllte Beton mit einem Schließdruck verpresst wird. Während beider Prozessschritte ist darauf zu achten, einen zulässigen Schalungsdruck nicht zu überschreiten, da andernfalls die Schalung beschädigt werden kann.
  • Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen und Verfahren der eingangs genannten Art zum Ausbau eines Tunnels bekannt geworden. Dabei wird in einem beispielweise mittels Sprengung gebildeten Tunnel in einem Gebirge eine Schalung errichtet, wonach ein Hohlraum zwischen der Schalung und dem Gebirge, ein sogenannter Ringraum, mit Beton gefüllt wird, um einen stabilen bzw. ausgekleideten Tunnel zu erreichen. Weiter ist es aus dem Stand der Technik bekannt, hierzu sogenannte Schalwagen einzusetzen, welche nach Einbringung von Beton in den Ringraum und Aushärten des Betons entlang einer Ausbaurichtung des Tunnels verfahren werden können, um einen weiteren Abschnitt des Tunnels auszubauen.
  • Schwierigkeiten bei einem Tunnelausbau ergeben sich bei Vorrichtung und Verfahren des Standes der Technik insbesondere bei einem Einbringen eines flüssigen Betons in den Ringraum. Entsteht im Ringraum ein beispielsweise durch eine zu große Menge an flüssigem bzw. noch nicht ausgehärtetem Beton verursachter zu hoher hydrostatischer Druck, wird die Schalung mechanisch überbeansprucht und kann sich über ein zulässiges Maß hinaus verformen oder sogar brechen. Damit sind einerseits eine Verletzungsgefahr für vor Ort tätiges Personal und andererseits hohe Kosten verbunden. Wird in den Ringraum eine nicht ausreichende Menge Beton aufgrund eines zu geringen Schließdruckes eingebracht, bleiben Hohlräume bestehen, sodass der Ausbau eine gewünschte Festigkeit nicht erreicht und beispielsweise einem Gebirgsdruck nicht standhalten kann.
  • Das Ziel, den Ringraum sicher, vollständig und mit optimaler Geschwindigkeit zu befüllen, kann häufig nur durch Einsatz von Personal mit entsprechend großer Erfahrung erreicht werden, welches beispielsweise anhand von Geräuschen in der Schalung erkennt, ob ein aktueller Druck ausreichend bzw. welche Druckerhöhung erforderlich und zulässig ist, um ein optimales Befüllen des Ringraumes mit Beton zu erreichen.
  • Bisherige Versuche, eine Automatisierung durch Messung eines Druckes in der Schalung zu erreichen, sind gescheitert, da sich gezeigt hat, dass ein Druck insbesondere in einem oberen Bereich des Ringraumes, also im Bereich der Firste, bzw. auf der Schalung keine direkten Rückschlüsse auf eine Höhe des Betons bzw. einen Füllgrad zulässt, da ein lokaler Druck im flüssigen Beton aufgrund der besonderen rheologischen Eigenschaften von Beton zusätzlich zu einem hydrostatischen Druck von weiteren Faktoren abhängig ist.
  • Hier setzt die Erfindung an. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit welcher ein Ausbau eines Tunnels auf qualitativ hochwertige, technisch verifizierbare und gleichzeitig effiziente Weise auch mit unerfahrenem Personal erfolgen kann.
  • Des Weiteren soll ein Verfahren der eingangs genannten Art angegeben werden, mit welchem ein Ausbau eines Tunnels prozesssicher auch mit unerfahrenem Personal hergestellt werden kann.
  • Die erste Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, bei welcher zumindest ein Sensor vorgesehen ist, mit welchem eine Zustandsgröße eines im Hohlraum befindlichen Betons und/oder eine Belastung des Schalungselementes kontinuierlich während eines Betoniervorganges messbar ist, wobei eine Überwachungseinrichtung vorgesehen ist, mit welcher ein Messwert des zumindest einen Sensors mit einem in einem Datenspeicher gespeicherten Sollwert vergleichbar ist, wobei der Sollwert abhängig von einem Fortschritt des Betoniervorganges ist, insbesondere abhängig von einer gemessenen Zeit und/oder von einer Menge eines bereits in den Hohlraum transportierten Betons.
  • Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass eine direkte Messung eines Füllgrades des Ringraumes bzw. einer Höhe eines flüssigen Betons in einem oberen Bereich des Ringraumes zwar aufgrund der besonderen rheologischen Eigenschaften von Beton nicht möglich ist, jedoch auch die tatsächlich messbaren Werte für eine Überwachung eines Betoniervorganges im Rahmen eines Tunnelausbaues genutzt werden können.
  • So können Zustandsgrößen wie Druck, Temperatur, Leitfähigkeit oder dergleichen im Beton im Ringraum oder Belastungen der Schalungselemente während eines Verfüllens des Ringraumes mit gemessenen Daten verglichen werden, welche zuvor bei einem erfolgreich abgeschlossenen Betoniervorgang gemessen wurden, um auf Abweichungen von einem Sollzustand zu schließen. Sobald Daten eines erfolgreichen Betoniervorganges vorliegen, welcher beispielsweise unter Anwesenheit von erfahrenem Personal durchgeführt wird und als Referenz-Betoniervorgang bezeichnet werden kann, kann das Verfahren somit auch ohne die Anwesenheit von erfahrenem Personal durchgeführt werden. Die gemessenen Zustandsgrößen können sämtliche Zustandsgrößen sein, welche einen Rückschluss auf einen Zustand des Betons im Hohlraum zulassen. Besonders bewährt hat es sich, einen lokalen Druck an verschiedenen Positionen im Ringraum zu messen. Die Belastung des Schalungselementes kann direkt im bzw. am Schalungselement, beispielsweise durch Dehnungssensoren, gemessen werden. Die Belastung kann jedoch auch indirekt gemessen werden, beispielsweise über Stützen und Streben, mit welchen das zumindest eine Schalungselement gegenüber einem Untergrund abgestützt wird.
  • Ein technisch verifizierbarer Ausbau eines Tunnels kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch laufende Überprüfung, Dokumentation und Überwachung des Ausbauvorganges erreicht werden.
  • Als Betoniervorgang wird das Verfahren zur Einbringung und Aushärtung von Beton in den Hohlraum zwischen Schalung und Gebirge im Rahmen des Tunnelausbaues bezeichnet. Die Überwachungseinrichtung ist üblicherweise auch zur Erfassung eines Fortschrittes des Betoniervorganges eingerichtet. Ein Fortschritt des Betoniervorganges kann auf einfache Weise beispielsweise durch Messung einer Zeit ab Beginn des Betoniervorganges bzw. einer Betonierzeit und/oder durch Messung einer seit Beginn des Betoniervorganges in den Hohlraum transportierten Menge Beton erfolgen. Es kann dann einem Fortschritt des Betoniervorganges, beispielsweise einer bestimmten Zeit seit Beginn des Betoniervorganges, ein definierter Sollwert für den zumindest einen Sensor zugeordnet werden, sodass einfach feststellbar ist, ob ein aktueller Betoniervorgang dem Referenz-Betoniervorgang entspricht bzw. wann eine Abweichung erfolgt.
  • Günstig ist es, wenn mittels der Überwachungseinrichtung ein in den Hohlraum transportierter Volumenstrom des Betons abhängig von einer Abweichung des zumindest einen Messwertes vom Sollwert regelbar ist. Dies ermöglicht auf einfache Weise ein Wiederholen eines zuvor aufgezeichneten Referenz-Betoniervorganges, sodass gewährleistet werden kann, dass der Betoniervorgang beschädigungsfrei und effizient erfolgt, auch wenn kein erfahrenes Personal vor Ort ist. Die Regelung kann dabei beispielsweise mit manuellem Eingriff anhand eines von der Überwachungseinrichtung ausgegebenen Signals oder vollautomatisiert erfolgen.
  • Üblicherweise sind mehrere Sensoren zur Erfassung von Zustandsgrößen des Betons im Ringraum und Belastungen des oder der Schalungselemente vorgesehen, sodass für mehrere Sensoren entsprechende Messwerte während eines Betoniervorganges bzw. abhängig von einem Fortschritt des Betoniervorganges vorliegen. Es wird dann die Betonpumpe mit Vorteil derart geregelt, dass an entsprechenden Sensoren während des Betoniervorganges Messwerte entsprechend jenen erzielt werden, welche während des Referenz-Betoniervorganges bei entsprechendem Fortschritt des Betoniervorganges aufgezeichnet wurden. Es versteht sich somit, dass die Regelung des Betoniervorganges in der Regel derart erfolgt, dass eine Abweichung der bei einem aktuellen Fortschritt des Betoniervorganges gemessenen Werte der Sensoren von den im Datenspeicher gespeicherten Werten bei entsprechendem Fortschritt reduziert wird oder gänzlich verschwindet.
  • Sofern ein Drucksensor als Sensor zur Erfassung einer Zustandsgröße des Betons im Ringraum eingesetzt wird, sind die mit diesem Drucksensor gemessenen Druckwerte im Ringraum einerseits abhängig von einem auf den Sensor wirkenden hydrostatischen Druck. Andererseits kann sich auch eine lokale Druckerhöhung aufgrund eines Einpressens des Betons in den Ringraum unter Druck abhängig von einem Abstand des Sensors von einer Betonieröffnung, durch welche der Beton in den Hohlraum gepresst wird, auf den mit dem Sensor gemessenen Druckwert auswirken. Die Messwerte geben somit insbesondere in einem oberen Bereich des Ringraumes unmittelbar keine genaue Auskunft über eine Höhe einer flüssigen Betonsäule über dem jeweiligen Sensor. Allerdings ist eine Regelung der Betonpumpe derart möglich, dass beispielsweise abhängig von einer verstrichenen Zeit eines Betoniervorganges oder einer Menge eines durch die jeweilige Betonieröffnung transportierten Betons ein Rückschluss darüber möglich ist, ob ein aktueller Betoniervorgang von einem als optimal definierten Betoniervorgang bzw. einem Referenz-Betoniervorgang abweicht, bei welchem weder Hohlräume im Ringraum noch ein unzulässig hoher Druck erzielt wurden. Anders ausgedrückt wird erfindungsgemäß eine Durchführung des Verfahrens ohne erfahrenes Personal dadurch erreicht, dass bei einem Betoniervorgang gezielt Messwerte an einem oder mehreren Sensoren durch eine entsprechende Regelung der Betonpumpe reproduziert werden, wenngleich die Messwerte selbst keinen direkten Rückschluss auf aktuelle Zustände im Ringraum zulassen. Beispielsweise kann ein an einem lokalen Drucksensor gemessener Druck während des Betoniervorganges zulässig sein, obwohl dieser Druck über einem maximal erträglichen Druck der Schalung liegt, wenn die gesamte Schalung entsprechend belastet wäre. Eine Regelung der Betonpumpe abhängig von einer Abweichung der gemessenen Werte von im Datenspeicher gespeicherten Werten kann automatisiert oder manuell erfolgen. Als Betonieröffnung wird hierbei jede Öffnung im Schalungselement verstanden, durch welche Beton transportierbar ist. In der Öffnung kann zum Transport von Beton durch das Schalungselement auch ein Pumpstutzen angeordnet sein.
  • Es versteht sich, dass verschiedenste Sensoren zur Erfassung von Zustandsgrößen und oder einer Belastung eines Schalungselementes vorgesehen sein können. Beispielsweise können Druck und Temperatur eines im Ringraum befindlichen Betons gemessen werden. Des Weiteren kann auch eine Verformung des Schalungselementes bzw. eine Kraft in einer Abstützung des Schalungselementes gemessen werden, um für einen Betoniervorgang charakteristische Werte zu erfassen und mit Werten früherer Betoniervorgänge zu vergleichen bzw. vorgegebene Maximalwerte für die Belastbarkeit der Gesamtvorrichtung einzuhalten.
  • Ferner können Sensoren zur Erfassung einer Geschwindigkeit vorgesehen sein, mit welcher Beton durch die Betonieröffnung in den Hohlraum zwischen Schalung und Gebirge eingebracht wird, um einen Vergleich mit einem Referenz-Betoniervorgang herstellen und eine entsprechende Regelung durchführen zu können.
  • Es hat sich als günstig erwiesen, dass zumindest ein Drucksensor zur Messung eines Einpressdruckes in einer die Einrichtung mit der Betonieröffnung verbindenden Leitung vorgesehen ist. Wenngleich dieser Druck aufgrund besonderer rheologischer Eigenschaften von Beton in aller Regel nicht einem Druck im Ringraum entspricht, kann auch über diesen Druck ein Vergleich des Befüllvorganges in einem Referenz-Betoniervorgang und somit eine Regelung des Betoniervorganges erfolgen.
  • Günstig ist es, wenn der Sensor zur Messung einer Zustandsgröße eines im Hohlraum befindlichen Betons als Drucksensor, insbesondere als Membrandruckmittler, ausgebildet ist. Dadurch kann ein trotz der in einem Tunnelbau vorherrschenden Umgebungsbedingungen eine robuste Druckmessung erfolgen. Üblicherweise ist der Drucksensor bündig in einer Oberfläche der Schalung angeordnet, welche den Hohlraum bzw. den Ringraum innenseitig begrenzt.
  • Vorzugsweise ist der Sensor von der Betonieröffnung beabstandet. Es hat sich gezeigt, dass eine unmittelbar an der Betonieröffnung gemessene Zustandsgröße des Betons, insbesondere ein Druck, aufgrund lokaler Strömungseffekte nicht aussagekräftig ist. Vielmehr ist für einen Vergleich eines aktuellen Ausbauverfahrens mit einem Referenzverfahren bzw. einem Referenz-Betoniervorgang ein von der Betonieröffnung beabstandet erfasster Messwert einer Zustandsgröße wie ein Druck oder eine Temperatur aussagekräftig, da bei einem entsprechenden Abstand von beispielsweise 15 cm bis 150 cm eine Beruhigung der Strömung auftritt.
  • In der Regel sind mehrere Sensoren in unterschiedlichen Abständen von der Betonieröffnung beabstandet angeordnet. Dadurch kann eine Ausbreitung eines über eine Betonieröffnung in den Hohlraum eingebrachten Betons besonders genau erfasst werden, insbesondere in einem oberen Bereich des Ringraumes, in welchem der Beton in verschiedene Richtungen fließen kann. Dies ermöglicht eine sehr genaue Ermittlung eines Füllgrades des Hohlraumes bzw. einen genauen Vergleich eines aktuellen Ausbauvorganges mit einem Referenz-Betoniervorgang, bei welchem eine hohe Festigkeit des Ausbaues erreicht wurde.
  • Mit Vorteil sind mehrere Sensoren über eine Länge des Schalungselementes verteilt angeordnet, um eine Druckverteilung über eine Länge der Schalung bzw. eine Länge des Schalungselementes besonders genau bestimmen zu können. Insbesondere in einem obersten Schalungselement, welches auch als Firstelement bezeichnet wird, sind üblicherweise entlang der Firste bzw. einer Länge des Schalungselementes mehrere Sensoren positioniert, um einen abschließenden Prozessschritt, wobei Beton von unten in den Hohlraum gepresst wird, besonders genau überwachen zu können.
  • Weiter ist es günstig, wenn mehrere Sensoren über eine Höhe des Schalungselementes verteilt angeordnet sind. Im Unterschied zu einem oberen Bereich des Hohlraumes kann eine Höhe des flüssigen Betons in einem seitlichen Bereich mit Drucksensoren auf einfache Weise genau erfasst werden, da Beton in die seitlichen Bereiche mithilfe der Schwerkraft eingebracht werden kann, sodass ein Einpressen wie im Bereich der Firste nicht erforderlich ist. Durch über eine Höhe des Schalungselementes verteilt angeordnete Sensoren, insbesondere Drucksensoren, kann somit einfach festgestellt werden, welche Höhe der flüssige Beton seitlich der Schalung bereits erreicht hat. Diese Höhe ist ausschlaggebend für einen Druck des Betons auf die Schalung und somit eine maximale Betoniergeschwindigkeit.
  • Üblicherweise weist die Vorrichtung eine etwa zylindrische Außenkontur auf, welche durch ein oder mehrere Schalungselemente gebildet ist, wobei mehrere, insbesondere drei bis 20, Sensoren über einen Umfang der zylindrischen Außenkontur verteilt in den Schalungselementen angeordnet sind. Dies ermöglicht eine besonders genaue Erfassung der Höhe des flüssigen Betons seitlich der Schalungselemente.
  • Günstig ist es, wenn eine Datenverarbeitungseinrichtung vorgesehen ist, mit welcher Messwerte des zumindest einen Sensors während eines Ausbauvorganges speicherbar sind. Es versteht sich, dass der oder die Sensoren hierzu über jeweils eine Datenverbindung mit der Datenverarbeitungseinrichtung verbunden sind, beispielsweise eine kabelgebundene Verbindung oder eine Funkverbindung. Ergänzend kann selbstverständlich auch eine direkte Ausgabe der Messergebnisse an den jeweiligen Sensoren bzw. Messvorrichtungen vorgesehen sein, beispielsweise eine analoge Anzeige. Dadurch können mit erfindungsgemäßen Vorrichtungen Werte eines Ausbauvorganges aufgezeichnet werden, welcher von erfahrenem Personal überwacht wird. Derart aufgezeichnete Messwerte können in weiterer Folge als Basis bzw. Vergleichswerte für ein teil- oder vollautomatisiertes Ausbauen bzw. ein Befüllen eines Hohlraumes dienen, wenn kein entsprechend erfahrenes Personal mehr vor Ort ist. Dadurch ist es ausreichend, wenn Personen mit Erfahrung, welche beispielsweise über Geräusche im Ausbau bzw. in der Schalung auf ein erforderliches Erhöhen bzw. Reduzieren einer Förderleistung der Betonpumpe schließen können, einen Ausbau- bzw. Betoniervorgang eines Teilabschnittes ein einziges Mal begleiten, wobei charakteristische Werte über die Sensoren aufgezeichnet werden. Nach Abschluss des Betoniervorganges, welcher auch als Referenz-Betoniervorgang bezeichnet werden kann, wird die Schalung üblicherweise in einen weiteren Teilabschnitt bewegt, in welchem der Ausbauvorgang durch Vergleich aktuell gemessener Werte mit entsprechenden Sollwerten unterstützt durchgeführt werden kann. Dabei wird die Betonpumpe normalerweise derart geregelt, dass an den einzelnen Sensoren Messwerte entsprechend jenen Sollwerten erreicht werden, welche während des Referenz-Betoniervorganges unter Anwesenheit des erfahrenen Personals erzielt wurden.
  • Für eine effiziente Durchführung eines Ausbauvorganges hat es sich bewährt, dass das Schalungselement mehrere, insbesondere regelmäßig beabstandete, Betonieröffnungen und Sensoren aufweist. Dies ermöglicht ein Befüllen des Hohlraumes über mehrere Betonieröffnungen, und ein sehr genaues Erfassen eines Betoniervorganges über mehrere Sensoren. Insbesondere kann dadurch eine optimale Geschwindigkeit erreicht werden. Bei Verfahren des Standes der Technik musste hierfür abgeschätzt werden, wann ein in einem unteren Bereich des Hohlraumes eingebrachter Beton ausgehärtet ist, bevor weiterer Beton in den Hohlraum eingebracht wurde, um zu verhindern, dass die Schalung durch flüssigen Beton im Hohlraum überlastet wird, sich unzulässig verformt oder sogar bricht. Durch Einsatz mehrerer Sensoren, insbesondere durch Einsatz von Drucksensoren, im Schalungselement kann präzise festgestellt werden, wann ein Beton ausgehärtet ist, da bei einem Aushärten des Betons ein auf die Schalung wirkender Druck signifikant sinkt. Eine Geschwindigkeit des Betoniervorganges kann somit präzise auf einen aktuellen Zustand des Betons im Hohlraum abgestimmt und dadurch optimiert werden.
  • Um ein Betonierverfahren bzw. einen Betoniervorgang automatisiert besonders genau entsprechend einem Referenz-Betoniervorgang durchführen zu können, ist es günstig, wenn mehrere Sensoren vorgesehen sind und in einem Datenspeicher Sollwerte für jeden Sensor in Abhängigkeit einer gemessenen Zeit und/oder einer Menge eines bereits in den Hohlraum transportierten Betons gespeichert sind, wobei die Vorrichtung zur manuellen, teil- oder vollautomatisierten Regelung der Einrichtung abhängig von Abweichungen der Messwerte von den einzelnen Sollwerten eingerichtet ist.
  • Günstig ist es, wenn die Vorrichtung als verfahrbarer Schalwagen ausgebildet ist. Üblicherweise wird die als Schalwagen ausgebildete Vorrichtung während eines Tunnelausbaues von einem Teilabschnitt in einem nächsten Teilabschnitt auf Schienen verfahren. So kann auf einfache Weise eine abschnittsweise Betonierung im Tunnel bzw. ein abschnittsweiser Ausbau erfolgen.
  • Mit Vorteil ist eine Signaleinrichtung vorgesehen, mit welcher ein akustisches und/oder visuelles Signal abgebbar ist, wenn eine Änderung einer Förderleistung der Einrichtung erforderlich ist, um eine Abweichung des zumindest einen Messwertes vom zumindest einen entsprechenden Sollwert zu reduzieren. Ein Eingriff zur Änderung einer Förderleistung der Einrichtung kann dann manuell auch durch ungeschultes Personal erfolgen, wenn ein entsprechendes Signal durch die Signaleinrichtung abgegeben wird. Insbesondere kann die Signaleinrichtung Leuchten oder einen Bildschirm zur Abgabe visueller Signale und einen Lautsprecher zur Abgabe akustischer Signale aufweisen.
  • Es kann auch vorgesehen sein, dass die Einrichtung vollautomatisiert regelbar ist. In diesem Fall ist die Regelung unmittelbar mit der Einrichtung bzw. der Betonpumpe verbunden, sodass für eine Änderung einer Förderleistung der Betonpumpe kein manueller Eingriff erforderlich ist. Eine teilautomatisierte Regelung ergibt sich beispielsweise, wenn mittels der Überwachungseinrichtung einem unerfahrenen Personal mitgeteilt wird, wie die Förderleistung zu ändern ist, um eine Abweichung des Verfahrens von einem Referenz-Verfahren zu minimieren.
  • Eine Anpassung bzw. Änderung eines Volumenstromes eines in den Hohlraum transportierten Betons im Rahmen einer Regelung kann beispielsweise durch Änderung der Förderleistung der Betonpumpe selbst erfolgen. Allerdings kann auch bei gleichbleibender Leistung der Betonpumpe eine Drossel in einer Leitung zwischen der Betonpumpe und der Betonieröffnung aktiviert oder die Leitung zwischen Betonpumpe und Betonieröffnung teilweise oder gänzlich von der Betonieröffnung entfernt werden, um eine im Hohlraum wirksame Förderleistung derart zu beeinflussen, dass ein Betoniervorgang mit Messwerten gemäß dem Referenz-Betoniervorgang erreicht wird. Im Unterschied zu einem Abstellen der Betonpumpe wird bei einem kontinuierlichen Fördern von Beton und Entfernen der Leitung von der Betonieröffnung ein Verstopfen der Leitung auf einfache Weise vermieden.
  • Günstig ist es, wenn mehrere bewegbar verbundene Schalungselemente vorgesehen sind, wobei zumindest ein Sensor zur Messung einer Kraft in zumindest einem Verbindungsmittel vorgesehen ist, welches zwei Schalungselemente verbindet, und wobei der Sensor mit der Regelung verbunden ist, sodass die Einrichtung abhängig von einer Abweichung der Kraft im Verbindungsmittel von einem Sollwert, welcher gegebenenfalls abhängig von einem Fortschritt des Ausbaues ist, regelbar ist. Die Verbindungsmittel können beispielsweise als starre Stahlträger oder längenveränderliche Hydraulikzylinder ausgebildet sein.
  • Es hat sich gezeigt, dass insbesondere Kräfte in Streben und Stützen, welche Schalungselemente verbinden, zuverlässige Rückschlüsse auf einen Fortschritt eines Betonierverfahrens sowie eine Verteilung des Betons im Hohlraum erlauben. Insbesondere kann über derartige Messwerte auf einen Anteil eines noch flüssigen Betons im Hohlraum geschlossen werden, da dieser eine Schalungshaut anders belastet als ein bereits ausgehärteter und sich selbst stabilisierender Beton. Gemessene Kräfte in Stützen und Streben eines Schalwagens können daher sehr gut zur Regelung des Betoniervorganges bzw. eines Ausbauvorganges eingesetzt werden. Günstig ist es, wenn entsprechende Messwerte ebenfalls in einem Referenz-Betoniervorgang aufgezeichnet werden, sodass bei Durchführung des Verfahrens ohne erfahrenes Personal aktuelle Kräfte in Streben und Stützen des Schalwagens mit entsprechenden Kräften während Durchführung des Referenz-Betoniervorganges verglichen werden können.
  • Die weitere Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei welchem zumindest eine Zustandsgröße eines im Hohlraum befindlichen Betons und/oder eine Belastung des Schalungselementes mit zumindest einem Sensor gemessen wird und ein Betoniervorgang durch Vergleich eines Messwertes des Sensors mit einem Sollwert überwacht wird, wobei der Sollwert abhängig von einem Fortschritt des Ausbaues ist, insbesondere von einer gemessenen Zeit und/oder einer Menge eines bereits in den Hohlraum transportierten Betons. Dies ermöglicht einen abschnittsweisen Tunnelausbau auch ohne Anwesenheit von erfahrenem Personal, wobei dennoch aufgrund der Überwachung verschiedener Zustandsgrößen eine hohe Prozesssicherheit erreicht wird. Üblicherweise wird hierzu eine erfindungsgemäße Vorrichtung eingesetzt.
  • In der Regel wird während eines Betoniervorganges eine gemessene Abweichung des mit dem zumindest einen Sensor gemessenen Messwertes von einem entsprechenden Sollwert durch Änderung eines Volumenstromes des in den Hohlraum transportierten Betons reduziert.
  • Es hat sich als günstig erwiesen, dass ein Einpressdruck des Betons in einer Leitung zwischen der Einrichtung und der Betonieröffnung gemessen wird und in eine Regelung des Volumenstromes eingeht. Dadurch kann einerseits ein zu Beschädigungen führender Überdruck in der Leitung vermieden werden. Andererseits kann somit auch überwacht werden, ob ein Einpressdruck in der Leitung einem bei einem entsprechenden Fortschritt des Ausbaues erwarteten Einpressdruck entspricht, welcher beispielsweise durch Messung bei einem Referenz-Betoniervorgang erfasst werden kann, oder ein Eingriff erforderlich ist, um den Volumenstrom entsprechend anzupassen. Eine Regelung bzw. Anpassung des in den Hohlraum transportierten Volumenstromes kann durch eine Änderung einer Leistung der Einrichtung, welche üblicherweise als Betonpumpe ausgebildet ist, oder durch teilweises oder gänzliches Entfernen der Leitung von der Betonieröffnung erfolgen, sodass beispielsweise weiterhin Beton durch die Betonpumpe gefördert wird, welche jedoch nicht in den Hohlraum transportiert wird. Dadurch werden Verstopfungen vermieden, welche bei einem Abstellen der Betonpumpe aufgrund eines Aushärtens des Betons in der Leitung eventuell hervorgerufen werden würden.
  • Ein besonders effizientes und prozesssicheres Verfahren ergibt sich, wenn an mehreren Positionen des Schalungselementes mit unterschiedlichen Abständen zur Betonieröffnung Drücke gemessen werden und der Volumenstrom abhängig von einer Abweichung der gemessenen Drücke von entsprechenden Sollwerten geregelt wird. Nachdem das erfindungsgemäße Verfahren in der Regel abschnittsweise wiederholt wird, wobei die üblicherweise auf einem Schalwagen angeordnete Schalung entlang einer Ausbaurichtung in einen weiteren Abschnitt weiterbewegt wird, kann dadurch ein regelmäßiges Reproduzieren eines einmal durchgeführten Verfahrens erreicht werden, wenn bei dem einmal durchgeführten Verfahren, welches beispielweise unter Anwesenheit von erfahrenem Personal durchgeführt wird und als Referenz-Verfahren oder Referenz-Betoniervorgang bezeichnet werden kann, entsprechende Messwerte wie Drücke an einzelnen Sensoren aufgezeichnet werden. Es kann damit bei Wiederholung des Verfahrens jederzeit festgestellt werden, ob das Verfahren vom Referenz-Verfahren abweicht, sodass über eine Änderung des in den Hohlraum geförderten Volumenstromes zur Minimierung einer Abweichung entsprechend eingegriffen werden kann.
  • Günstig ist es, dass mehrere Sensoren vorgesehen sind, wobei für jeden Sensor ein von einer Zeit oder einem in den Hohlraum transportierten Beton abhängiger Sollwert definiert ist. Dies ermöglicht einen einfachen Vergleich eines aktuellen Betoniervorganges mit einem Referenz-Betoniervorgang.
  • Es hat sich bewährt, dass der von einem Fortschritt des Ausbaues abhängige Sollwert in einem vorgelagerten Prozessschritt während eines Ausbaues durch Aufzeichnung entsprechender Messwerte definiert wird. Es kann dann für den oder die Sensoren je nach Fortschritt des Ausbaues ein Zielwert definiert werden, mit welchem bei Wiederholung des Verfahrens in einem weiteren Streckenabschnitt auch mit unerfahrenem Personal einfach feststellbar ist, ob ein aktueller Betoniervorgang einem entsprechendem Referenz-Betoniervorgang entspricht.
  • Üblicherweise wird der Hohlraum über mehrere Betonieröffnungen befüllt, wobei mittels des zumindest einen Sensors auch festgestellt werden kann, wann ein Befüllen des Hohlraumes an einer anderen Betonieröffnung fortgesetzt wird, beispielsweise wenn eine Höhe des flüssigen Betons im Hohlraum eine seitliche Betonieröffnung erreicht.
  • Günstig ist es, wenn zur Regelung des Volumenstromes ein Signal abgegeben wird, wonach eine manuelle Änderung des in den Hohlraum transportierten Volumenstromes erfolgt, um eine Abweichung zu minimieren. Eine Änderung eines in den Hohlraum transportierten Volumenstromes kann durch Änderung einer Leistung der Einrichtung bzw. einer Änderung der Pumpleistung einer Betonpumpe erreicht werden. Alternativ oder ergänzend kann, um Verstopfungen in der Leitung zu vermeiden, auch die Leitung teilweise oder gänzlich von der Betonieröffnung entfernt werden, sodass Beton weiter durch die Betonpumpe gefördert wird, jedoch nicht in den Hohlraum gelangt. Dadurch kann ein Überschreiten eines maximal zulässigen Innendruckes im Hohlraum aufgrund einer zu großen Menge an flüssigem und noch nicht ausgehärtetem Beton im Hohlraum vermieden werden. Beschädigungen der Schalung aufgrund eines unzulässig hohen Innendruckes im Hohlraum werden somit auf einfache Weise verhindert.
  • Die Regelung des Volumenstromes kann manuell, teil- oder vollautomatisiert erfolgen. Eine vollautomatisierte Regelung ermöglicht die Durchführung des Verfahrens mit reduziertem Personaleinsatz, sodass Kosten bei einer Durchführung des Verfahrens reduziert werden können. Eine manuelle oder teilautomatisierte Regelung ermöglicht ein rasches Reagieren auf sich im Tunnelbau häufig ändernde Umgebungsbedingungen.
  • Um einen Betoniervorgang abschnittsweise auf einfache Weise zu wiederholen, wird üblicherweise eine bewegbare, insbesondere verfahrbare, Vorrichtung eingesetzt. In der Regel ist das Schalungselement mit einem entlang einer Ausbaurichtung zumeist auf Schienen verfahrbaren Schalwagen verbunden.
  • Günstig ist, wenn die Vorrichtung mit dem Schalungselement nach Aushärten des Betons in einer Ausbaurichtung in einen nicht ausgebauten Abschnitt verfahren wird, in welchem das Verfahren wiederholt wird. Über ein Wiederholen des Betonierverfahrens in den einzelnen Abschnitten, welches durch kontinuierliche Erfassung von Messwerten über die Sensoren und Vergleich der Messwerte mit Daten von einem Referenz-Betoniervorgang erreicht wird, wird eine hohe Prozesssicherheit und ein stabiler Tunnelausbau erzielt.
  • Alternativ zu einem derartigen abschnittsweisen Ausbau des Tunnels kann das Verfahren natürlich auch im Rahmen eines kontinuierlichen Ausbaues eingesetzt werden. In dem Fall wird eine durch Schalungselemente gebildete Schalung laufend fortbewegt, wobei gleichzeitig die Einbringung von Beton erfolgt. Dabei wird in der Regel ein in Ausbaurichtung hinterer Bereich der Schalung vor einem in Ausbaurichtung weiter vorne liegenden Bereich betoniert, sodass der Beton im hinteren Bereich früher ausgehärtet ist und die Schalung verfahren werden kann, auch wenn der Beton im vorderen Bereich noch nicht ausgehärtet ist. Über kontinuierliche Verfolgung von Zustandsgrößen im Beton kann dabei eine optimale Geschwindigkeit erreicht werden, mit welcher die Schalung in Ausbaurichtung bewegt wird.
  • Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen ergeben sich anhand der nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispiele. In den Zeichnungen, auf welche dabei Bezug genommen wird, zeigen:
    • Fig. 1 und 2 eine Vorderansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bei einem Tunnelausbau;
    • Fig. 3 eine Seitenansicht der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung;
    • Fig. 4 bis 9 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einem Tunnel in verschiedenen Stadien eines Tunnelausbaues;
    • Fig. 10 eine mögliche Druckverteilung auf einem Schalungselement;
    • Fig. 11 bis 13 Details einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
    • Fig. 14 eine Abwicklung einer Schalung;
    • Fig. 15 und 16 Diagramme betreffend einen zeitlichen Verlauf gemessener Drücke.
  • Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Ausbau eines Tunnels. Die Vorrichtung 1 ist als ein auf Schienen 19 verfahrbarer Schalwagen ausgebildet und weist mehrere bewegbar verbundene Schalungselemente 3 auf. Wie dargestellt weisen die in einer Arbeitsposition befindlichen Schalungselemente 3 oberhalb der Schienen 19 etwa eine zylindrische bzw. teilzylindrische Außenkontur auf, sodass eine zylindrische Innenschale einer Tunnelröhre gebildet werden kann. In Fig. 1 ist eine Situation nach Abschluss eines Ausbauvorganges dargestellt, wobei ein Raum zwischen den Schalungselementen 3 und einem umgebenden Gebirge 2 gänzlich mit Beton 4 ausgefüllt ist. Dieser Beton 4 bildet samt einer gegebenenfalls vorhandenen Bewehrung eine Innenschale des Tunnels.
  • Wie ersichtlich sind die einzelnen Schalungselemente 3 über Gelenke 8 drehbar bzw. schwenkbar verbunden. Dadurch kann die Vorrichtung 1 nach Abschluss eines Ausbaues eines Abschnittes zusammengeklappt und im Tunnel weiterbewegt werden. Zur Bewegung der Schalungselemente 3 relativ zueinander sind Hydraulikzylinder vorgesehen. In den Hydraulikzylindern sowie Streben und Stützen 9, welche die Schalungselemente 3 verbinden und diese gegenüber einem Untergrund abstützen, können Sensoren angeordnet sein, um auf die Schalungselemente 3 wirkende Kräfte zu bestimmen. Des Weiteren können auch in den Schalungselementen 3 selbst Kraft- bzw. Drucksensoren 16 vorgesehen sein, um einen Betoniervorgang zu überwachen. Ferner ist in Fig. 1 auch eine als Betonpumpe 5a ausgebildete Einrichtung dargestellt, mit welcher Beton 4 mittels eines Betonverteilers 5 in einen Hohlraum 21 zwischen Gebirge 2 und Schalungselementen 3 einbringbar ist.
  • Fig. 2 zeigt ebenfalls eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1, wobei im Unterschied zu Fig. 1 auch Leitungen 6 dargestellt sind, mit welchen Beton 4 von der Betonpumpe 5a über einen Betonverteiler 5 zu in den Schalungselementen 3 angeordneten Betonieröffnungen 7 transportierbar ist, um Beton 4 durch die Schalungselemente 3 in einen Hohlraum 21 zwischen Schalungselementen 3 und Gebirge 2 zu transportieren. Die in die Betonieröffnungen 7 mündenden Leitungen 6 führen bis in einen Bereich des Betonverteilers 5, sodass der Betonverteiler 5 über eine drehbar gelagerte Anschlussleitung mit jeder Leitung 6 verbunden werden kann. Dies ermöglicht ein sequenzielles Befüllen des Hohlraumes 21 über mehrere Betonieröffnungen 7 mit einer Betonpumpe 5a, ohne die Betonpumpe 5a selbst zu bewegen.
  • Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 in einem unmittelbar an einen ausgebauten Abschnitt des Tunnels, in welchem eine Innenschale durch Betonieren erstellt wurde, angrenzenden noch nicht ausgebauten Abschnitt des Tunnels. Wie ersichtlich kann ein Abschnitt des Tunnels mit einer Länge 18 entsprechend einer Länge 18 der durch die einzelnen Schalungselemente 3 gebildeten Schalung ausgebaut bzw. betoniert werden, ohne die Vorrichtung 1 zu bewegen. Während eines Ausbaues, wobei die Innenschale gebildet wird, wird ein Hohlraum 21 mit Beton 4 befüllt. Der Hohlraum 21 ist außen durch das Gebirge 2, innen durch die Schalung, welche durch die Schalungselemente 3 gebildet ist, rückseitig durch die Innenschale des zuvor ausgebauten Abschnittes und an einem vorderen Ende durch eine Abdichtung 26 begrenzt, welche auch als Stirnschalung bezeichnet wird. Nach Abschluss eines Ausbauvorganges in einem Abschnitt wird die Vorrichtung 1 auf den Schienen 19 in einer Ausbaurichtung 10 um die Länge 18 der Schalung verfahren, sodass ein nächster Abschnitt ausgebaut werden kann.
  • Fig. 4 bis 9 zeigen einen Betoniervorgang bzw. ein Verfahren zum Bilden eines Tunnels in unterschiedlichen Verfahrensschritten, wobei eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 eingesetzt wird. Ersichtlich ist, dass die Vorrichtung 1 in aus einem nicht dargestellten Gebirge 2 ausgebrochenen Tunnel positioniert wird, wonach ein Hohlraum 21 zwischen Schalungselementen 3 der Vorrichtung 1 bzw. einer etwa zylindrischen Schalungshaut der Vorrichtung 1 und dem Gebirge 2 mit Beton 4 befüllt wird, welcher in weiterer Folge aushärtet und eine den Gebirgsdruck abstützende Innenschale bildet. Dabei kann im Hohlraum 21 auch eine Bewehrung angeordnet sein, um eine in Bezug auf Druck- und Zugkräfte gewünschte Festigkeit der Innenschale zu erreichen.
  • Wie ersichtlich wird der Hohlraum 21 zwischen Gebirge 2 und Schalungshaut schrittweise mit Beton 4 befüllt, wobei abwechselnd Beton 4 auf einer linken und einer rechten Seite des Tunnels in den Hohlraum 21 transportiert bzw. gepresst wird. Hierzu wird die Betonpumpe 5a über verschiedene Leitungen 6 abwechselnd mit Betonieröffnungen 7 auf der linken und der rechten Seite der Vorrichtung 1 verbunden. Dabei wird mit einem Befüllen über in einem unteren Bereich angeordnete Betonieröffnungen 7 begonnen und mit steigender Höhe des zwischen Schalungselement 3 und Gebirge 2 befindlichen Betons 4 die Befüllung über höher angeordnete Betonieröffnungen 7 durchgeführt. Abschließend wird ein oberer Bereich des Hohlraumes 21 bzw. eine Firste 12 mit Beton 4 befüllt. Ergänzend können Hohlräume 21 im Bereich der Firste 12 durch Einbringung von Mörtel unter Druck bzw. durch Einpressen von Mörtel durch Aussparungen, welche im Beton 4 durch Injektionsstutzen 14 gebildet wurden, ausgefüllt werden.
  • Ein Einbringen von Beton 4 in den Hohlraum 21 erfolgt in den in Fig. 4 bis Fig. 7 dargestellten Zuständen über als Betonschläuche ausgebildete Leitungen 6, welche in die in den Schalungselementen 3 angeordneten Betonieröffnungen 7 eingeführt sind. Ein Betonieren von oberen Abschnitten der Innenschale erfolgt über Pumpstutzen 15, welche in den Betonieröffnungen 7 angeordnet sind. Es versteht sich, dass weitere Prozessschritte zwischen den in Fig. 4 bis 9 dargestellten Situationen vorgesehen sein können, um eine mechanische Überlastung der Vorrichtung 1 aufgrund zu hoher Unterschiede zwischen einem Füllstand auf der linken und rechten Seite zu vermeiden.
  • Eine Geschwindigkeit, mit welcher der Hohlraum 21 mit Beton 4 gefüllt werden kann, ist dabei begrenzt durch eine Aushärtegeschwindigkeit des Betons 4. Da flüssiger Beton 4 die Schalung bzw. die Schalungselemente 3 belastet, muss eine Geschwindigkeit, mit welcher Beton 4 in den Hohlraum 21 transportiert wird, derart gewählt werden, dass ein aufgrund des flüssigen Betons 4 im Hohlraum 21 hervorgerufener hydrostatischer Druck auf die Schalungselemente 3 einen maximal zulässigen Druck der Schalungselemente 3 nicht überschreitet.
  • Bei einem Betoniervorgang gemäß dem Stand der Technik muss abgeschätzt werden, wann ein Beton 4 in einem unteren Bereich ausgehärtet ist, sodass weiterer Beton 4 in den Hohlraum 21 gefüllt werden kann, da andernfalls die Schalhaut in einem unteren Bereich beschädigt werden kann.
  • Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 sind hierzu mehrere als Drucksensoren 16 ausgebildete Sensoren in den Schalungselementen 3 vorgesehen. Da ein Aushärten des Betons 4 eine Druckänderung bewirkt, kann eine präzise Aussage über eine Höhe eines flüssigen Betons 4 in einem Bereich seitlich der Schalungselemente 3 getroffen und die Geschwindigkeit des Betonierens optimiert werden.
  • Während in einem unteren Bereich ein vollständiges Befüllen des Hohlraumes 21 durch ein Verteilen des flüssigen Betons 4 und entsprechende Druckmessung auf einfache Weise erreicht und überwacht werden kann, kann ein vollständiges Befüllen des Hohlraumes 21 in einem oberen Bereich aufgrund der besonderen rheologischen Eigenschaften von Beton 4 direkt nicht nur durch eine Druckmessung bestimmt werden. So ist ein lokaler Druck im Beton 4 während eines Einpressvorganges einerseits durch einen der jeweiligen Messposition befindlichen Beton 4 bzw. eine Flüssigkeitssäule und andererseits durch dynamische Effekte sowie eine Betoniergeschwindigkeit bestimmt. Eine mögliche Druckverteilung 13 auf einem Schalungselement 3 im Bereich der Firste 12 während eines Einbringens von Beton 4 ist in Fig. 10 dargestellt. Wie ersichtlich ist der lokale auf das Schalungselement 3 wirkende Druck im Bereich der Betonieröffnung 7 höher als in einem von der Betonieröffnung 7 weiter entfernten Bereich.
  • Bei Verfahren des Standes der Technik wird daher in einem oberen Bereich ein in Fig. 11 dargestellter sogenannter Injektionsstutzen 14 eingesetzt, welcher ein mit dem Schalungselement 3 verbundenes Außenrohr 20 sowie ein im Außenrohr 20 axial bewegbar gelagertes, endseitig offenes und in den Hohlraum 21 ragendes Innenrohr 22 aufweist. In der Regel werden Injektionsstutzen 14 in einem Abstand von ca. 2 m in Längsrichtung des obersten Schalungselementes 3 eingebaut, welches auch als Firstelement bezeichnet wird. Das Innenrohr 22 ist im Außenrohr 20 mittels einer Fixierung 23 derart fixiert, dass es entsprechend einer erforderlichen Betonstärke in den Hohlraum 21 ragt. Bei Erreichen der gewünschten Betonstärke oberhalb der Schalhaut fällt flüssiger Beton 4 von oben in das Rohr, sodass erkennbar ist, dass eine gewünschte Betondicke oberhalb der Schalung bzw. im Hohlraum 21 erreicht wurde und die Zufuhr von Beton 4 beendet werden kann. Nach Aushärten des Betons 4 werden die Rohre aus dem Beton 4 gezogen, wobei entsprechende Aussparungen im Beton 4 verbleiben. In diese Aussparungen wird anschließend Mörtel gepresst, um freibleibende Hohlräume 21 zwischen Beton 4 und Gebirge 2 zu füllen.
  • Eine derartige Bestimmung einer Erreichung einer gewünschten Betonhöhe ist jedoch nicht sehr zuverlässig, da die Spione verstopfen können, weiter kann eine ungleichmäßige Verteilung von flüssigem Beton 4 oberhalb der Schalung zu lokalen Druckspitzen führen, die Beschädigungen der Schalungselemente 3 bzw. einen Zusammenbruch der Schalung hervorrufen können. Bei Betonierverfahren des Standes der Technik sind daher stets erfahrene Personen vor Ort, die insbesondere anhand von Geräuschen in der Schalung bzw. im Gebirge 2 feststellen können, ob ein Hohlraum 21 zwischen Schalungshaut und Gebirge 2 ausreichend mit Beton 4 gefüllt ist, bzw. welcher Anteil des Betons 4 bereits ausgehärtet ist, um ein effizientes Betonieren ohne Gefahr von Beschädigungen zu erreichen.
  • Um ein effizientes und prozesssicheres Verfahren auch mit ungeschultem Personal durchführen zu können, sind in den im Ausführungsbeispiel dargestellten Schalungselementen 3 Drucksensoren 16 wie Membrandruckmittler, vorgesehen.
  • Fig. 12 zeigt eine Draufsicht auf einen Ausschnitt eines Schalungselementes 3, in welchem ein als Membrandruckmittler ausgebildeter Sensor angeordnet ist. Fig. 13 zeigt einen Schnitt durch den in Fig. 12 dargestellten Ausschnitt eines Schalungselementes 3 entlang der Linie XIII-XIII in Fig. 12. Wie dargestellt weist der Membrandruckmittler eine Membran 17 auf, welche eine mit einem Druckmessumformer 11 verbundene Hohlkammer begrenzt. Der Druckmessumformer 11 kann mit einer Überwachungseinrichtung zur kontinuierlichen Überwachung des Betoniervorganges über eine Datenverbindung verbunden sein.
  • Der Drucksensor 16 ist bündig in einer Oberfläche des Schalungselementes 3 zwischen zwei Versteifungselementen 24 angeordnet, sodass bei einem Betoniervorgang ein Druck im Beton 4 direkt auf die Membran 17 wirkt.
  • Alternativ oder ergänzend zu Drucksensoren 16 können andere Sensoren vorgesehen sein, mit welchen Zustandsgrößen des Betons 4 im Hohlraum 21 feststellbar sind, beispielsweise Temperatursensoren. Die Sensoren sind mit einer Datenverarbeitungseinrichtung verbunden, sodass charakteristische Werte in verschiedenen Positionen der Schalhaut bei einem Ausbauvorgang aufgezeichnet werden können, um den Ausbauvorgang bzw. diese Werte in weiterer Folge mehrmals zu reproduzieren, wenn der Tunnel abschnittsweise ausgebaut wird.
  • Fig. 14 zeigt eine Abwicklung der durch die Schalungselemente 3 gebildeten Schalung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Wie ersichtlich sind in seitlichen Schalungselementen 3, welche auch als Ulmenelemente bezeichnet werden, insgesamt sechs Betonieröffnungen 7 angeordnet, um Beton 4 an unterschiedlichen Positionen durch die Schalungselemente 3 in den Hohlraum 21 zwischen Schalung und Gebirge 2 zu transportieren. Es versteht sich, dass auch mehr oder weniger Betonieröffnungen 7 sowie Pumpstutzen 15 vorgesehen sein können. In einem oberen Schalungselement 3, welches auch als Firstelement bezeichnet wird, sind Pumpstutzen 15 in Betonieröffnungen 7 angeordnet, um einen Transport von Beton 4 in einen Bereich oberhalb des Betonverteilers 5 zu ermöglichen. Im Ausführungsbeispiel sind im Firstelement neun Pumpstutzen 15 vorgesehen, welche in einer entsprechenden Anzahl von nicht dargestellten Betonieröffnungen 7 positioniert sind. Des Weiteren sind im Firstelement Injektionsstutzen 14 angeordnet.
  • Wie ersichtlich sind ferner Drucksensoren 16 im oberen Schalungselement 3 im Bereich einer Firste 12 über eine Länge 18 der Schalungselemente 3 verteilt angeordnet, um den Betoniervorgang im Bereich der Firste 12 überwachen zu können, sodass Hohlräume 21 zwischen der Innenschale und dem Gebirge 2 sowie Beschädigungen der Schalungselemente 3 vermieden und eine optimale Geschwindigkeit erreicht werden können. Ferner sind die Drucksensoren 16 derart über einen Umfang der Schalung bzw. der Schalungselemente 3 verteilt, dass mit den Drucksensoren 16 Drücke auf unterschiedlichen Höhen gemessen werden können. Dadurch kann eine Füllhöhe des Betons 4 im Hohlraum 21 seitlich der Schalungselemente 3 sowie eine Höhe des bereits ausgehärteten Betons 4 in seitlichen Bereichen gemessen werden.
  • Des Weiteren sind im oberen Schalungselement 3 bzw. dem Firstelement Drucksensoren 16 auch über eine Länge 18 des Schalungselementes 3 verteilt angeordnet, etwa entlang einer gedachten Linie, welche parallel zur Firste 12 verläuft. Mit diesen Drucksensoren 16 im oberen Schalungselement 3 kann ein Abschluss eines Betoniervorganges überwacht werden.
  • Sämtliche Drucksensoren 16 sind bevorzugt von Betonieröffnungen 7 beabstandet, um einen Einfluss von Strömungseffekten auf das Messergebnis zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren.
  • Es sind sowohl über eine Länge 18 als auch über eine Breite des Schalwagens mehrere Betonieröffnungen 7 sowie Sensoren verteilt, um den Hohlraum 21 zwischen Schalungshaut und Gebirge 2 von verschiedenen Positionen aus befüllen zu können.
  • Fig. 15 zeigt Messergebnisse bzw. Druckverläufe 25 jener über einen Umfang der Schalung verteilten Drucksensoren 16, welche auf unterschiedlichen Höhenpositionen der Schalung angeordnet sind während eines Betoniervorganges. Dabei ist auf der Ordinatenachse ein Druck und auf der Abszissenachse eine Zeit dargestellt. Wie ersichtlich steigt ein mit den Drucksensoren 16 gemessener Druck mit zunehmender Zeit an. Dies entspricht einem in den Fig. 4 bis 8 dargestellten Befüllen des seitlichen Hohlraumes 21 zwischen den Schalungselementen 3 und dem Gebirge 2. In einem nächsten Schritt nehmen die gemessenen Drücke ab einem bestimmten Niveau wieder ab. Dadurch ist erkennbar, dass der zwischen Schalungselement 3 und Gebirge 2 befindliche Beton 4 ausgehärtet ist, sodass in weiterer Folge weiterer Beton 4 eingebracht werden kann, ohne einen unzulässig hohen Druck auf die Schalung zu erreichen.
  • Im Diagramm ersichtliche Diskontinuitäten bzw. sprunghafte Drucksteigerungen resultieren aus Rüttelvorgängen und einer damit verbundenen Wiederverflüssigung des Betons 4 aufgrund der spezifischen rheologischen Eigenschaften von Frischbeton.
  • Durch die seitlichen Drucksensoren 16, welche über verschiedene Höhenpositionen der Schalung verteilt sind, ist somit über den gemessenen Druck ein direkter Rückschluss auf eine Höhe des flüssigen Betons 4 möglich, sodass der Betoniervorgang unmittelbar über die Drucksensoren 16 überwacht und geregelt werden kann. Gleichzeitig kann auch in diesem Bereich ein Vergleich mit historischen Daten sinnvoll sein, um einen aktuellen Betoniervorgang mit einem Referenz-Betoniervorgang zu vergleichen.
  • Ein Ausbauvorgang, welcher beispielsweise unter Anwesenheit von erfahrenem Personal durchgeführt wird, um Messwerte für eine Reproduktion des Ausbauvorganges aufzuzeichnen, kann auch als Referenzausbauvorgang bezeichnet werden. In einem nächsten Abschnitt des Tunnels kann eine Reglung einer Betoneinbringung in den Hohlraum 21 bzw. eines Volumenstromes des Betons 4 in den Hohlraum 21 teil- oder vollautomatisiert geregelt werden, sodass die Messwerte der einzelnen Sensoren möglichst jenen Messwerten entsprechen, welche während des Referenzausbauvorganges aufgezeichnet wurden. Anders ausgedrückt wird der Volumenstrom, mit welchem Beton 4 in den Hohlraum 21 eingebracht wird, derart geregelt, dass die Messwerte der Sensoren minimal von Sollwerten der einzelnen Sensoren abweichen, welche während des Referenzausbauvorganges aufgezeichnet wurden. Die Sollwerte der Sensoren sind somit abhängig von einer Zeit, in welcher betoniert wird. Alternativ oder ergänzend können die Sollwerte der Sensoren auch abhängig von einer Menge eines eingebrachten Betons 4 in den Hohlraum 21 sein. Die Sollwerte der Sensoren korrespondieren somit mit einem Fortschritt des Tunnelausbaues, sodass auf einfache Weise feststellbar ist, ob der Betoniervorgang zum jeweiligen Fortschrittzeitpunkt des Ausbaues dem Referenzausbauvorgang entspricht bzw. wann eine Abweichung erfolgt, um rasch gegensteuern zu können.
  • Fig. 16 zeigt ebenfalls über eine Zeit eines Betoniervorganges aufgetragene Messwerte bzw. Druckverläufe 25 von Drucksensoren 16 eines oberen Schalungselementes 3 bzw. eines Firstelementes.
  • Eine optimale Regelung des Betoniervorganges ist möglich, wenn aktuelle Messwerte mit historischen Messwerten eines Referenz-Betoniervorganges verglichen werden und die geförderte Betonmenge bei Abweichungen entsprechend angepasst wird. Dadurch ist ein Wiederholen eines effizienten Referenz-Betoniervorganges auch mit unerfahrenem Personal möglich, ohne die Schalung zu beschädigen. Eine Regelung des in den Hohlraum 21 transportierten Volumenstromes kann dabei manuell erfolgen, wenn beispielsweise von einer Überwachungeinrichtung bei einer Abweichung ein entsprechendes Signal abgegeben wird. Alternativ ist auch eine vollautomatische Regelung möglich, wenn die Überwachungseinrichtung unmittelbar mit der Betonpumpe 5a, dem Betonverteiler 5 oder einem Leitungssystem verbunden ist, um einen in den Hohlraum 21 geförderten Volumenstrom zu beeinflussen.
  • Ergänzend oder alternativ zu Drucksensoren 16 in den Schalungselementen 3 können auch Kraftmesssensoren 16 in Stützen 9 der Schalung, Gelenken 8 zwischen den Schalungselementen 3 und dergleichen angeordnet sein, um auf eine Menge und Verteilung von im Hohlraum 21 befindlichen Beton 4 zu schließen und zur Regelung des Betoniervorganges diese Werte mit historischen Werten zu vergleichen. Ferner können alternativ oder ergänzend auch andere Zustandsgrößen wie Temperatur und Leitfähigkeit des Betons 4 im Hohlraum 21 an unterschiedlichen Positionen gemessen werden.
  • Nach Abschluss eines Ausbauvorganges in einem Teilabschnitt des Tunnels, wenn der im Hohlraum 21 befindliche Beton 4 ausgehärtet ist, wird der Schalwagen in der Ausbaurichtung 10 des Tunnels verfahren, und der nächste Teilabschnitt ausgebaut. Dabei wird der Betoniervorgang bzw. der Ausbauvorgang wiederholt, wobei die Regelung derart erfolgt, dass die Messwerte der einzelnen Sensoren den Sollwerten entsprechen, welche während des Referenz-Betoniervorganges aufgezeichnet wurden. Somit ist gewährleistet, dass jeder einzelne Teilabschnitt im Wesentlichen qualitativ dem Abschnitt entspricht, welcher während des Referenzausbauvorganges ausgebaut wurde, ohne dass die Anwesenheit von erfahrenem Personal erforderlich wäre.
  • Mit einem erfindungsgemäßen Verfahren sowie einer Vorrichtung 1 hierzu kann der Ausbau eines Tunnels prozesssicher und effizient teil- oder vollautomatisiert auch mit unerfahrenem Personal erfolgen. Dadurch wird einerseits eine besonders hohe Qualität bzw. Festigkeit des Ausbaues erreicht. Andererseits wird ein Beschädigungs- oder Verletzungsrisiko vermieden. Darüber hinaus können aufgrund der hohen Prozesssicherheit und optimierten Geschwindigkeit Kosten minimiert werden.

Claims (19)

  1. Vorrichtung (1) zum Ausbau eines Tunnels, umfassend zumindest ein Schalungselement (3) mit zumindest einer Betonieröffnung (7), eine Einrichtung zum Transportieren von flüssigem Beton (4) durch die Betonieröffnung (7) in einen hinter dem Schalungselement (3) angeordneten Hohlraum (21), insbesondere eine Betonpumpe (5a), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Sensor vorgesehen ist, mit welchem eine Zustandsgröße eines im Hohlraum (21) befindlichen Betons (4) und/oder eine Belastung des Schalungselementes (3) kontinuierlich während eines Betoniervorganges messbar ist, wobei eine Überwachungseinrichtung vorgesehen ist, mit welcher ein Messwert des zumindest einen Sensors mit einem in einem Datenspeicher gespeicherten Sollwert vergleichbar ist, wobei der Sollwert abhängig von einem Fortschritt des Betoniervorganges ist, insbesondere abhängig von einer gemessenen Zeit und/oder von einer Menge eines bereits in den Hohlraum (21) transportierten Betons (4).
  2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Überwachungseinrichtung ein in den Hohlraum (21) transportierter Volumenstrom des Betons (4) abhängig von einer Abweichung des zumindest einen Messwertes vom Sollwert regelbar ist.
  3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Drucksensor (16) zur Messung eines Einpressdruckes in einer die Einrichtung mit der Betonieröffnung (7) verbindenden Leitung (6) vorgesehen ist.
  4. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor zur Messung einer Zustandsgröße eines im Hohlraum (21) befindlichen Betons (4) als Drucksensor (16), insbesondere als Membrandruckmittler, ausgebildet ist.
  5. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Sensoren und/oder Betonieröffnungen über eine Länge (18) und/oder über eine Höhe des Schalungselementes (3) verteilt angeordnet sind.
  6. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) eine etwa zylindrische Außenkontur aufweist, welche durch ein oder mehrere Schalungselemente (3) gebildet ist, wobei mehrere, insbesondere drei bis 20, Sensoren über einen Umfang der zylindrischen Außenkontur verteilt in den Schalungselementen (3) angeordnet sind.
  7. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Datenverarbeitungseinrichtung vorgesehen ist, mit welcher Messwerte des zumindest einen Sensors während eines Ausbauvorganges speicherbar sind.
  8. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Sensoren vorgesehen sind und in einem Datenspeicher Sollwerte für jeden Sensor in Abhängigkeit einer gemessenen Zeit und/oder einer Menge eines bereits in den Hohlraum (21) transportierten Betons (4) gespeichert sind, wobei die Vorrichtung (1) zur manuellen, teil- oder vollautomatisierten Regelung der Einrichtung abhängig von Abweichungen der Messwerte von den einzelnen Sollwerten eingerichtet ist.
  9. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Signaleinrichtung vorgesehen ist, mit welcher ein akustisches und/oder visuelles Signal abgebbar ist, wenn eine Änderung einer Förderleistung der Einrichtung erforderlich ist, um eine Abweichung des zumindest einen Messwertes vom zumindest einen entsprechenden Sollwert zu reduzieren.
  10. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere bewegbar verbundene Schalungselemente (3) vorgesehen sind, wobei zumindest ein Sensor zur Messung einer Kraft in zumindest einem Verbindungsmittel vorgesehen ist, welches zwei Schalungselemente (3) verbindet, und wobei der Sensor mit der Regelung verbunden ist, sodass die Einrichtung abhängig von einer Abweichung der Kraft im Verbindungsmittel von einem Sollwert, welcher gegebenenfalls abhängig von einem Fortschritt des Ausbaues ist, regelbar ist.
  11. Verfahren zum Ausbau eines Tunnels, insbesondere mit einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei flüssiger Beton (4) mittels einer Einrichtung, insbesondere einer Betonpumpe (5a), durch zumindest eine Betonieröffnung (7) in einen Hohlraum (21) zwischen einem Schalungselement (3) und einem Gebirge (2) transportiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Zustandsgröße eines im Hohlraum (21) befindlichen Betons (4) und/oder eine Belastung des Schalungselementes (3) mit zumindest einem Sensor gemessen wird und ein Betoniervorgang durch Vergleich eines Messwertes des Sensors mit einem Sollwert überwacht wird, wobei der Sollwert abhängig von einem Fortschritt des Ausbaues ist, insbesondere von einer gemessenen Zeit und/oder einer Menge eines bereits in den Hohlraum (21) transportierten Betons (4).
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Betoniervorganges eine gemessene Abweichung des mit dem zumindest einen Sensor gemessenen Messwertes von einem entsprechenden Sollwert durch Änderung eines Volumenstromes des in den Hohlraum (21) transportierten Betons (4) reduziert wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einpressdruck des Betons (4) in einer Leitung (6) zwischen der Einrichtung und der Betonieröffnung (7) gemessen wird und in eine Regelung des Volumenstromes eingeht.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass an mehreren Positionen des Schalungselementes (3) mit unterschiedlichen Abständen zur Betonieröffnung (7) Drücke gemessen werden und der Volumenstrom abhängig von einer Abweichung der gemessenen Drücke von entsprechenden Sollwerten geregelt wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Sensoren vorgesehen sind, wobei für jeden Sensor ein von einer Zeit oder einem in den Hohlraum (21) transportierten Beton (4) abhängiger Sollwert definiert ist.
  16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der von einem Fortschritt des Ausbaues abhängige Sollwert in einem vorgelagerten Prozessschritt während eines Ausbaues durch Aufzeichnung entsprechender Messwerte definiert wird.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung des Volumenstromes ein Signal abgegeben wird, wonach eine manuelle Änderung des in den Hohlraum (21) transportierten Volumenstromes erfolgt, um eine Abweichung zu minimieren.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine bewegbare, insbesondere verfahrbare, Vorrichtung (1) eingesetzt wird.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) mit dem Schalungselement (3) nach Aushärten des Betons (4) in einer Ausbaurichtung (10) in einen nicht ausgebauten Abschnitt verfahren wird, in welchem das Verfahren wiederholt wird.
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