Optimierung des mechanischen Felsausbruches für die Sanierung von bestehenden ausgemauerten Tunneln unter Verwendung einer TEM

MA-Thesis / Master von Oliver Spohn

Einleitung :

Seit Mitte des 19. Jahrhunderts sind in Deutschland sowie in anderen europäischen Ländern Eisenbahntunnel in Betrieb. Diese Tunnel, meist in der Gründerzeit des Schienenverkehrs entstanden, entsprechen in ihren Querschnitten häufig nicht mehr den Anforderungen an den heutigen Bahnbetrieb. Um den gestiegenen Sicherheitsanforderungen und den Geschwindigkeitserhöhungen gerecht werden zu können, müssen Querschnittsprofile alter bestehender Tunnel aufgeweitet werden. Herausfordernd dabei ist, die Sanierungsarbeiten möglichst unter laufendem Betrieb durchführen zu lassen. Innovative Ideen sind hierbei gefragt.

Zur Zeit sind sogenannte Tunnel-Erweiterungsmaschinen (TEM) im Einsatz. Diese Maschinen erlauben das Ausbrechen des Gesteines, während in einer Tunneleinhausung der Zugverkehr weiterhin rollt. Gleichzeitiges Arbeiten am Querschnitt sowie das Aufrechterhalten des Bahnverkehrs ist dabei möglich. Das Aufweiten des Felsens erfolgte bislang im geschützten Bereich mit Hilfe von Sprengungen.

In diesem Zusammenhang soll eine Weiterentwicklung stattfinden. Zukünftig ist geplant eine Tunnel-Erweiterungsmaschine zu entwickeln, die vollkommen auf den Ausbruch mittels Sprengvortrieb verzichtet. Stattdessen soll ein mechanisches Ausbruchverfahren mit Hilfe von Meißeln durchgeführt werden. Um diese komplexe Aufgabe der Weiterentwicklung einer TEM mit mechanischem Ausbruchverfahren zu verwirklichen, ist eine Vielzahl von Voruntersuchungen hinsichtlich Meißelform, Bohrabstand und Bohrwinkel notwendig. Diese Parameter sind hierbei möglichst so zu optimieren, dass bei zukünftigen Tunnelsanierungen wirtschaftlich gearbeitet werden kann. In dieser Masterthesis sollen nun die Voruntersuchungen zunächst mit Hilfe eines FEM Modells simuliert werden, um den Versagensmechanismus des Gebirges hinsichtlich oben genannter Parameter bestimmen zu können. Weiterführend werden auch in situ Versuche durchgeführt, um die Ergebnisse der FEM Berechnung zu bestätigen oder Differenzen zwischen Theorie und Praxis erklärbar machen zu können.

Zur Einführung in die Thematik der Tunnelsanierung wird in dieser Ausarbeitung zunächst einmal ein Überblick über die zahlreichen Bauweisen, die beim Bau älterer Tunnel zum Einsatz kamen, gegeben.

	Inhaltsverzeichnis:
1	Vorwort	7
2	Einführung	8
3	Klassische Bauweisen	9
3.1	Allgemeines	9
3.2	Vollausbruch	10
3.3	Teilausbruch	11
3.3.1	Die Deutsche oder Kernbauweise	11
3.3.2	Die Englische Bauweise	13
3.3.3	Die Österreichische oder Aufbruchbauweise	14
3.3.4	Die Italienische oder Versatzbauweise	16
3.4	Zusammenfassung	18
4	Tunnelsanierung	19
5	Stand der Technik	21
5.1	Allgemein	21
5.2	Bauverfahren Tunnel im Tunnel	22
5.3	Erfahrungen und Pilotprojekte	23
5.4	Technischer Aufbau einer TEM	24
6	Optimierung des Tunnelvortriebs durch Meißeln	28
6.1	Erster Einsatz der optimierten TEM	30
6.2	Vorbohrung der Löcher	33
6.2.1	Einflussfaktoren der Bohrbarkeit	33
6.2.2	Bohrverfahren	35
6.2.3	Bohrkrone	36
6.2.4	Bohrvorgang	38
6.2.5	Bohrgeschwindigkeit und Verschleiß	40
6.2.6	Geologische Einflussfaktoren	42
6.3	Multifunktionsarme	44
6.4	Hydraulikhammer	48
6.5	Vorgang der Gebirgslösung	49
6.6	Entwurf Meißelform	49
7	Theoretische Untersuchung der Spalttechnik	51
7.1	Theoretische Grundlagen	51
7.2	Annahmen und Vereinfachungen	52
7.3	Festlegung der Parameter	53
7.4	Versagensmechanismus	54
7.4.1	Verformungen	54
8	Versuchsanordnung	60
8.1	Versuchsstandort und Vergleich der Randbedingungen	62
8.2	Verwendete Meißelform für die Versuche	63
9	Auswertung	65
9.1	Maßgebende Kriterien der Auswertung	65
9.2	Auswertung Abschnitt 1	65
9.3	Auswertung Abschnitt 2	67
9.4	Auswertung Abschnitt 3	69
9.5	Auswertung Abschnitt 4	70
9.6	Auswertung Abschnitt 5	71
9.7	Auswertung Abschnitt 6	72
10	Zusammenfassung der in situ Versuche	73
10.1	Empfehlungen für die Langenauer/Hollricher Tunnelerweiterung	73
11	Ausblick	77
12	Anhang	79
13	Quellenangaben	79
13.1	Literatur	79

Textprobe:

Kapitel 4.2, Bauverfahren Tunnel im Tunnel:

Grundvoraussetzung des Bauverfahrenes Tunnel im Tunnel ist ein zweigleisiger nichtelektrifizierter Tunnel. Um ausreichend Arbeitsraum für die Arbeiten an dem zu sanierenden Tunnel zu bekommen, wird der Bahnverkehr auf einem eingleisigen Betrieb in der Tunnelmitte reduziert. Dadurch kommt es bei frühzeitiger Einplanung in den Fahrplan zu keinen Verzögerungen. Um die Arbeiten vom regulären Zugverkehr zu trennen, werden stationäre Einhausungen an den Tunnelportalen sowie eine verschiebbare Einhausung an den Bereichen des Tunnels angebracht, an denen gerade saniert wird. Dadurch werden an jeder Stelle des Tunnels die Arbeiten geschützt und dafür Sorge getragen, dass ein 24 h Betrieb im Tunnel möglich ist.

Die Tunneleinhausung ist dabei so konstruiert, dass zwischen Einhausung und Tunnelwand ausreichend Platz für die anstehenden Arbeiten ist. Dazu gehören Abbrucharbeiten des bestehenden Mauerwerks, die Ausräumarbeiten der Hinterpackung und der Ausbruch des Gebirges durch baggern, meißeln oder sprengen. Die Einhausung dient dabei gleichzeitig als Arbeitsplattform für Bewehrungs- und Spritzbetonarbeiten, in dem die erforderlichen Geräte auf radial- und längsverschieblichen Führungen montiert werden und somit die Erreichbarkeit jedes Arbeitspunktes sichergestellt wird. Eine weitere Anforderung an die Konstruktion ist die ausreichende Freihaltung des Lichtraumes, damit die Züge den Arbeitsbereich ungehindert passieren können. Entstehende Nachbrüche oder der beim Sprengen entstehende Ausbruch müssen von der Tunneleinhausung abgefangen werden. Der entscheidende Vorteil dieses Verfahrens ist, dass nur bei wenigen Arbeiten Geräte in den freigehaltenen Lichtraum hineinragen und damit das Betriebsgleis nicht für schienengebundene Tätigkeiten benötigt wird.

Kapitel 5, Optimierung des Tunnelvortriebs durch Meißeln:

Hauptgedanke für die Umsetzung des Meißelvortriebs bei Tunnelsanierungen war der, möglichst auf den Sprengvortrieb verzichten zu können. Dieser führte trotz ausreichender Vorsichtsmaßnahmen immer wieder dazu, dass Geräte und Einhausungen aufgrund der Sprengwirkung beschädigt wurden. Um den Vortrieb so effektiv und wirtschaftlich wie möglich gestalten zu können, ist es notwendig einen Vortrieb zu wählen, welcher unabhängig von Sperrpausen aufgrund Sprengungen, durchgeführt werden kann.

Es war daher naheliegend eine Optimierung des Tunnelvortriebs durch eine mechanische Ausbruchsart durchzuführen. Für die notwendige Sicherheit der Ausbruchsarbeiten sowie die gleichzeitige Aufrechterhaltung des Bahnverkehrs sollte weiterhin die Schutzeinhausung der Tunnel-Erweiterungsmaschine sorgen.

Der Bauablauf des Meißelvortriebs kann nun in folgenden Schritten erfolgen:

Falls erforderlich Herstellung der Radialschnitte.

Abbruch des Mauerwerks und Ausräumen der Hinterpackung.

Bohren von Kranzlöchern mit einem Durchmesser von ca. 90 mm. Der Bohrlochabstand beträgt normalerweise ca. 30 cm. Die Abstände der Kranzlöcher können je nach Gebirgsbeschaffenheit stark variieren.

Lösen des Fels mit Hilfe eines Meißels, welcher in den vorhandenen Bohrungen angesetzt wird. Durch den Meißel werden die Zugkräfte in den Fels eingetragen, welche zu einem gezielten Abspalten entlang der Vorausbohrungen führt.

Schuttern.

Einbau der Sicherung entsprechend der Ausbruchsklasse.