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Separationsfreier Mikrotunnelbau durch Pumpförderung schaumkonditionierter Böden
In der vorliegenden Arbeit werden die Entwicklung und Erprobung eines verfahrenstechnischen Konzepts zur separationsfreien Förderung des im Mikrotunnelbau anfallenden Bohrguts beschrieben. Bislang wird das Bohrgut bei Tunneldurchmessern größer DN 1000 und Vortriebslängen größer 100 m vornehmlich mit einem hydraulischen Spülkreislauf gefördert. Mit der hydraulischen Förderung geht jedoch eine Separation des Bohrguts in einer kosten-, energie- und emissionsintensiven Separationsanlage einher. Um eine separationsfreie Förderung zu erreichen, wird ein alternatives Verfahrenskonzept entwickelt. Das Verfahrenskonzept basiert auf der Kombination der Erddruckschildtechnik mit einer Pumpförderung des Bohrguts. Entgegen bisherigen Anwendungen sieht das entwickelte Verfahrenskonzept erstmals eine Schaumkonditionierung des Bohrguts für den Bereich des Mikrotunnelbaus vor. Das Bohrgut erhält durch die Schaumkonditionierung für eine begrenzte Zeitspanne eine fließfähige Konsistenz. In dieser Zeit kann das schaumkonditionierte Bohrgut zum Startschacht gefördert werden. Im Anschluss an die Förderung zerfällt der Schaum, so dass das Bohrgut wieder eine feste Konsistenz aufweist und keine weiteren Separationsmaßnahmen erforderlich sind. Zur Integration der Erddruckschildtechnik mit Schaumkonditionierung in die bestehende Verfahrenskette des Mikrotunnelbaus wird das schaumkonditionierte Material durch eine Pumpförderung in Rohrleitungen abtransportiert. Die Pumpförderung in Rohrleitungen ist kontinuierlich, platzsparend und die Förderleitung kann durch Koppeln der Rohre mit jedem neu zu verlegenden Vortriebsrohr einfach verlängert werden. Um eine sichere und störungsfreie Pumpförderung des schaumkonditionierten Bodens zu erreichen, wird in der Arbeit die Maschinentechnik der Doppelkolbenpumpen gewählt, die insbesondere für das Pumpen feststoffreicher Suspensionen konzipiert ist. Neben der Pumpentechnik hat das zu pumpende Material ebenfalls einen wesentlichen Einfluss auf den Förderprozess. Während der Pumpförderung schaumhaltiger Materialien kann es aufgrund der Komprimierbarkeit der im Schaum enthaltenen Luft zu strömungstechnischen Problemen kommen. In Abhängigkeit von den festen, flüssigen und gasförmigen Materialanteilen besteht die Gefahr von Leitungsverstopfung. In der Arbeit werden daher im ersten Schritt die Herstellung des Schaums und die Konditionierung des Bodens mit Schaum untersucht. Die kurz- und langzeitlichen Einflüsse auf das Konditionierungsergebnis werden in Versuchsreihen mit Variation der Randbedingungen Versuchsboden, Wassergehalt, Schaumzugabemenge und Mischenergieeintrag untersucht. Als Fortschritt gegenüber dem bisherigen Stand der Wissenschaft zeigt sich erstmals, dass die Wirkung einer Schaumkonditionierung und die daraus resultierenden Eigenschaften des schaumkonditionierten Bodens neben den verwendeten Materialien auch insbesondere von der Intensität und der Dauer des Konditionierungsprozesses abhängen. Der Konditionierungsprozess kann in 3 Phasen unterteilt werden. Auf eine anfängliche schaumzerstörende Adsorptionsphase folgen eine Benetzungs- und eine Verflüssigungsphase. Da der Schaum bei dem ersten Kontakt mit dem Boden zunächst zerstört wird, hat bei ausreichender Durchmischung nicht, wie bisher in der Literatur angenommen, der primär erzeugte Schaum, sondern nur die eingebrachte Tensidmenge Einfluss auf das Konditionierungsergebnis. Hieraus wird eine signifikante Abhängigkeit zwischen der zu benetzenden Kornoberfläche und der zur Konditionierung erforderlichen Tensidzugabe abgeleitet und in Versuchen nachgewiesen. In der dritten Phase wird durch den Mischenergieeintrag eine vollständige Benetzung der Bodenpartikel durch die Tenside erreicht. Tenside, die nicht durch die Benetzung der Bodenpartikel gebunden sind, schließen zudem wieder Luft in die Bodenmatrix ein. Die vollständige Benetzung der Bodenpartikel und die sekundäre Schaumbildung führen zu einer erheblichen Verflüssigung des Bohrguts. Bei der Schaumkonditionierung des Bodens in einer Vortriebsmaschine treten diese Effekte aufgrund eines zu geringen Mischenergieeintrags jedoch nicht ein, so dass in der Praxis ein hohes Konditionierungspotential ungenutzt bleibt. Für den Pumpprozess kann dieses Potential ohne zusätzliche Konditionierungsmittelzugabe durch weiteres Mischen im Anschluss an den Schneckenförderer aktiviert und eine erheblich fließfähigere Konsistenz erreicht werden.
Separationsfreier Mikrotunnelbau durch Pumpförderung schaumkonditionierter Böden
In der vorliegenden Arbeit werden die Entwicklung und Erprobung eines verfahrenstechnischen Konzepts zur separationsfreien Förderung des im Mikrotunnelbau anfallenden Bohrguts beschrieben. Bislang wird das Bohrgut bei Tunneldurchmessern größer DN 1000 und Vortriebslängen größer 100 m vornehmlich mit einem hydraulischen Spülkreislauf gefördert. Mit der hydraulischen Förderung geht jedoch eine Separation des Bohrguts in einer kosten-, energie- und emissionsintensiven Separationsanlage einher. Um eine separationsfreie Förderung zu erreichen, wird ein alternatives Verfahrenskonzept entwickelt. Das Verfahrenskonzept basiert auf der Kombination der Erddruckschildtechnik mit einer Pumpförderung des Bohrguts. Entgegen bisherigen Anwendungen sieht das entwickelte Verfahrenskonzept erstmals eine Schaumkonditionierung des Bohrguts für den Bereich des Mikrotunnelbaus vor. Das Bohrgut erhält durch die Schaumkonditionierung für eine begrenzte Zeitspanne eine fließfähige Konsistenz. In dieser Zeit kann das schaumkonditionierte Bohrgut zum Startschacht gefördert werden. Im Anschluss an die Förderung zerfällt der Schaum, so dass das Bohrgut wieder eine feste Konsistenz aufweist und keine weiteren Separationsmaßnahmen erforderlich sind. Zur Integration der Erddruckschildtechnik mit Schaumkonditionierung in die bestehende Verfahrenskette des Mikrotunnelbaus wird das schaumkonditionierte Material durch eine Pumpförderung in Rohrleitungen abtransportiert. Die Pumpförderung in Rohrleitungen ist kontinuierlich, platzsparend und die Förderleitung kann durch Koppeln der Rohre mit jedem neu zu verlegenden Vortriebsrohr einfach verlängert werden. Um eine sichere und störungsfreie Pumpförderung des schaumkonditionierten Bodens zu erreichen, wird in der Arbeit die Maschinentechnik der Doppelkolbenpumpen gewählt, die insbesondere für das Pumpen feststoffreicher Suspensionen konzipiert ist. Neben der Pumpentechnik hat das zu pumpende Material ebenfalls einen wesentlichen Einfluss auf den Förderprozess. Während der Pumpförderung schaumhaltiger Materialien kann es aufgrund der Komprimierbarkeit der im Schaum enthaltenen Luft zu strömungstechnischen Problemen kommen. In Abhängigkeit von den festen, flüssigen und gasförmigen Materialanteilen besteht die Gefahr von Leitungsverstopfung. In der Arbeit werden daher im ersten Schritt die Herstellung des Schaums und die Konditionierung des Bodens mit Schaum untersucht. Die kurz- und langzeitlichen Einflüsse auf das Konditionierungsergebnis werden in Versuchsreihen mit Variation der Randbedingungen Versuchsboden, Wassergehalt, Schaumzugabemenge und Mischenergieeintrag untersucht. Als Fortschritt gegenüber dem bisherigen Stand der Wissenschaft zeigt sich erstmals, dass die Wirkung einer Schaumkonditionierung und die daraus resultierenden Eigenschaften des schaumkonditionierten Bodens neben den verwendeten Materialien auch insbesondere von der Intensität und der Dauer des Konditionierungsprozesses abhängen. Der Konditionierungsprozess kann in 3 Phasen unterteilt werden. Auf eine anfängliche schaumzerstörende Adsorptionsphase folgen eine Benetzungs- und eine Verflüssigungsphase. Da der Schaum bei dem ersten Kontakt mit dem Boden zunächst zerstört wird, hat bei ausreichender Durchmischung nicht, wie bisher in der Literatur angenommen, der primär erzeugte Schaum, sondern nur die eingebrachte Tensidmenge Einfluss auf das Konditionierungsergebnis. Hieraus wird eine signifikante Abhängigkeit zwischen der zu benetzenden Kornoberfläche und der zur Konditionierung erforderlichen Tensidzugabe abgeleitet und in Versuchen nachgewiesen. In der dritten Phase wird durch den Mischenergieeintrag eine vollständige Benetzung der Bodenpartikel durch die Tenside erreicht. Tenside, die nicht durch die Benetzung der Bodenpartikel gebunden sind, schließen zudem wieder Luft in die Bodenmatrix ein. Die vollständige Benetzung der Bodenpartikel und die sekundäre Schaumbildung führen zu einer erheblichen Verflüssigung des Bohrguts. Bei der Schaumkonditionierung des Bodens in einer Vortriebsmaschine treten diese Effekte aufgrund eines zu geringen Mischenergieeintrags jedoch nicht ein, so dass in der Praxis ein hohes Konditionierungspotential ungenutzt bleibt. Für den Pumpprozess kann dieses Potential ohne zusätzliche Konditionierungsmittelzugabe durch weiteres Mischen im Anschluss an den Schneckenförderer aktiviert und eine erheblich fließfähigere Konsistenz erreicht werden.
Separationsfreier Mikrotunnelbau durch Pumpförderung schaumkonditionierter Böden
Vennekötter, Jochen (Autor:in)
2012
190 Seiten, Bilder, Tabellen, Quellen
Hochschulschrift
Deutsch
Tunnelbau , Tunnelvortrieb , hydraulische Förderung , Bohren (Erdmantel) , Verfahrensweise , Verfahrenskombination , Schild (Tunnelvortrieb) , Bohrung (Erdmantel) , Schaum , Konditionierung , Boden (Erde) , Stoffeigenschaft , Einflussfaktor , Randbedingung , Versuch , Wassergehalt , Dosierung , Energieeintrag , Zusatzstoff , Tensid , Schaumbildung , Konsistenz , Fließfähigkeit , Baustoff , Rheologie , rheologische Eigenschaft
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