Leitfaden Mikrotunnelbau / Hrsg.: MUNLV NRW, Redaktion: Prof. Dr.-Ing. D. Stein, A. Brauer (2005)

Vortriebssteuerung und -überwachung

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Bild 8-1:  Prinzip der Gelenkkette beim steuerbaren Vortrieb von Vortriebsrohren - Fehlsteuerung (oben) und richtige Steuerung (unten) [Bild: Prof. Dr.-Ing. Stein & Partner GmbH]
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Bild 8-2:  Zweiachsiges Inklinometer (H x B x L = 80 x 80 x 120 mm) zur Messung von Neigungs- und Verrollungswinkel der Vortriebsmaschine [FI-GeneS]

Bei den steuerbaren Mikrotunnelbau- und Pilotrohr-Vortriebsverfahren muss der gesamte Rohrstrang der Vortriebsmaschine (Bild 8-1) bzw. das flexible Bohrgestänge dem Pilotbohrkopf in Form einer Gelenkkette folgen. Damit wird der Weg derselben zwangsläufig auch zur Trasse und Gradiente des zu verlegenden Kanals. Dies bedeutet, dass alle Abweichungen von der Solllage nahezu unverändert erhalten bleiben.

Die Vortriebssteuerung muss sicherstellen, dass die Anforderungen an die Solllage der zu verlegenden Abwasserleitungen und -kanäle (Tabelle 8-1) erfüllt werden.

Die Positionsbestimmung, d.h. die Bestimmung der Lage und Richtung, erfolgt bei den hier behandelten Vortrieben mit gerader Linienführung und begrenzter Vortriebslänge aus dem Startschacht heraus unter Verwendung optischer Messgeräte.

Das den Zielstrahl aussendende Messgerät befindet sich an einem eingemessenen, festen Punkt im Startschacht und die Zieltafel, an der die Abweichung zur Sollachse gemessen wird, im Pilotbohrkopf oder im Nachläufer der Vortriebsmaschine. Die Verrollung und Längsneigung werden über elektronische Neigungsgeber (Bild 8-2) (Inklinometer) und die jeweilige Entfernung zwischen Messgerät und Zieltafel durch Addition der eingebauten Pilotbohrgestänge oder mit einem elektronischen Messrad (Bild 8-6) bestimmt.

 
Tabelle 8-1: 

Zulässige maximale Abweichung von der Solllage für Abwasserleitungen und -kanäle nach ATV-A 125 1) unabhängig von der Vortriebslänge [ATVA125a]

DN/ID Vertikale Abweichung [mm] Horizontale Abweichung [mm]
± 20 ± 25
≥ 600 bis ≤ 1000 ± 25 ± 40
> 1000 bis ± 30 ± 100
≥ 1400 ± 50 ± 200

1) Für die Funktionsfähigkeit ist eine Gefällereserve einzuplanen.

Zur Realisierung dieser Messtechnik muss über die gesamte Vortriebstrecke eine Sichtverbindung über einen entsprechenden Freiraum im Pilotbohrgestängestrang oder im Vortriebsrohrstrang als optische Gasse vorhanden sein (Bild 8-3) (Bild 8-4) (Bild 8-5) (Bild 8-6).

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Bild 8-3: 

Mögliche Ursachen für das Versagen des optischen Messsystems [Bild: Prof. Dr.-Ing. Stein & Partner GmbH] - Geradeausfahrt bei homogenen Baugrundverhältnissen (korrekte Erfassung des Laserstrahls)

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Bild 8-4: 

Mögliche Ursachen für das Versagen des optischen Messsystems [Bild: Prof. Dr.-Ing. Stein & Partner GmbH] - Einsinken der Vortriebsmaschine in breiig-weiche bzw. locker gelagerte Böden

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Bild 8-5: 

Mögliche Ursachen für das Versagen des optischen Messsystems [Bild: Prof. Dr.-Ing. Stein & Partner GmbH] - Schleifender Schnitt durch unterschiedliche Festigkeiten geschichteter Böden oder Anfahren eines Felshorizontes

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Bild 8-6: 

Mögliche Ursachen für das Versagen des optischen Messsystems [Bild: Prof. Dr.-Ing. Stein & Partner GmbH] - Einschleifen des Rohrstranges

 

Beim Pilotrohr-Vortrieb erfolgt die Richtungskorrektur mit Hilfe eines einseitig abgeschrägten und mit einem torsionssteifen Bohrgestängestrang fest verbundenen Pilotbohrbohrkopfes (Bild 8-7), der beim Vortrieb vom Startschacht aus über 360° um die Vortriebsachse gedreht werden kann (Bild 8-8) (Bild 8-9) (Bild 8-10).

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Bild 8-7:  Elemente der Mess- und Steuertechnik beim Pilotrohr-Vortrieb [FI-Bohrt]
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Bild 8-8:  Ablauf der Richtungskorrektur beim Pilotrohr-Vortrieb in Anlehnung an [FI-Wirtha] - Keine Abweichung [Bild: Prof. Dr.-Ing. Stein & Partner GmbH]
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Bild 8-9:  Ablauf der Richtungskorrektur beim Pilotrohr-Vortrieb in Anlehnung an [FI-Wirtha] - Abweichung in Höhe und Richtung von der Sollachse um das Maß A [Bild: Prof. Dr.-Ing. Stein & Partner GmbH]
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Bild 8-10:  Ablauf der Richtungskorrektur beim Pilotrohr-Vortrieb in Anlehnung an [FI-Wirtha] - Korrektur der Abweichung durch entsprechendes Drehen des Pilotbohrkopfes [Bild: Prof. Dr.-Ing. Stein & Partner GmbH]
 

Beim Mikrotunnelbau wird die Richtungskorrektur dadurch realisiert, dass die Vortriebsmaschine aus mindestens zwei miteinander gelenkig verbundenen Teilen - dem Bohr- und Steuerkopf sowie dem Nachläufer - besteht. Der Steuerkopf lässt sich über zwischengelagerte Steuerzylinder, die von einem Kontroll- und Steuerstand (Bild 8-11) (Bild 8-12) aus bedient werden, in alle Richtungen abwinkeln.

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Bild 8-11:  Steuerkomponenten einer Vortriebsmaschine - Steuerstand [FI-Herreb]
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Bild 8-12:  Steuerkomponenten einer Vortriebsmaschine - Detailansicht des Monitorbildes bei einer Vortriebsmaschine des Typs AVN 1200 [FI-Herreb]
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Bild 8-13:  Steuerkomponenten einer Vortriebsmaschine - Rückansicht einer Vortriebsmaschine mit hydraulischer Förderung (Typ AVN) und integrierter aktiver Zieltafel [FI-Herreb]
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Bild 8-14:  Steuerkomponenten einer Vortriebsmaschine - Rückansicht einer Vortriebsmaschine mit Schneckenförderung (Typ RVS-A) und integrierter aktiver Zieltafel [FI-Wirtha]
 

Die Einmessung und Ausrichtung der Messgeräte (Theodolit oder Richtlaser) im Startschacht kann bei kurzen Vortriebslängen durch einfache Achsübertragung oder zur Erreichung einer höheren Genauigkeit z.B. durch geodätische Einmessung mittels eines Theodoliten erfolgen (Tabelle 8-2) .

 
Tabelle 8-2: 

Möglichkeit der Ausrichtung von Messinstrumenten im Startschacht am Beispiel des Richtlasers [FI-GeoFe]

Achsübertragung der oberirdischen Start−Zielpunkt−Linie in den Startschacht
  1. Zur Festlegung der Vortriebsachse den Startpunkt und den Zielpunkt mit einer Schnur verbinden.
  2. An dieser Schnur in einem größtmöglichen Abstand an zwei Stellen die Achse nach unten in den Startschacht
    übertragen
  3. Den Laserstrahl durch eine Parallelverschiebung auf die erste Lotung direkt am Laserstrahl durch eine
    Drehbewegung in einer Richtung auf die zweite Lotung einstellen.
Übertragung der oberirdischen Start−Zielpunkt−Linie in den Startschacht unter Verwendung eines
Theodoliten (geodätische Einmessung)
  1. Richtlaser in der richtigen Höhe aufbauen und grob
    die Flucht einstellen.
  2. Theodolit über den Messpunkt M (M liegt in der
    Flucht) zentriert und horizontiert aufbauen. Der
    Messpunkt kann auch hinter dem Startschacht liegen.
  3. Zielpunkt anzielen.
  4. Theodolit−Fernrohr durchschlagen und Zielstab
    anzielen.
  5. Zielstab mit dem Dreifuß horizontiert in die Achse
    schieben und fixieren.
  6. Mit dem Theodoliten die Achse in den Startschacht
    übertragen und Laserstrahl durch Parallelverschiebung
    des Lasers in die Achse stellen.
  1. Zielstab mit dem Theodoliten tauschen und Zielpunkt
    anzielen.
  2. Theodolit−Lotachse muss mit dem Laserstrahl
    übereinstimmen.
  3. Mit dem Theodoliten die Achse in den Startschacht
    übertragen.
  4. Laserstrahl mit der Richtungseinstellung in die Achse
    stellen.
  5. Punkt 8. noch einmal überprüfen, Fehler korrigieren,
    Punkte 9. und 10. wiederholen.
  6. Zur Steigerung der Genauigkeit die Messung in
    erster und zweiter Fernrohrlage durchführen.
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Bild 8-18:  Beispiel für den Aufbau eines Vortriebsprotokolls beim Pilotrohr- Vortrieb; dieses ist zusammen für jede Haltung mit der Videoaufzeichnung der Pilotbohrung und der Hydraulik-Datenprotokollierung dem Auftraggeber zu übergeben in Anlehnung an [FI-Wirtha]

Da das Messgerät (Theodolit oder Richtlaser) während der Vortriebsarbeiten keinerlei Bewegung ausgesetzt sein darf, sollte nach Möglichkeit eine Trennung des für seine Aufstellung erforderlichen Fundamentes von der Schachtsohle und den Schachtwänden erfolgen. Ist dies aus Platzgründen nicht möglich, wird das Messinstrument in entsprechender Lage und Höhe am Verbau des Startschachtes befestigt. Hierbei ist sicherzustellen, dass insbesondere in der Vortriebsphase die Schachtwand durch Kraft- oder Lasteintragungen nicht in ihrer Lage verändert wird, um nichttolerierbare Lageabeichungen des Vortriebsrohrstranges zu vermeiden. In allen Fällen sollte die Ausrichtung des Messinstrumentes in regelmäßigen Abständen überprüft werden.

Zur Vortriebsüberwachung sind nach DIN EN 12889 [DINEN12889c] und ATV-A 125 [ATVA125a] folgende Daten während des Vortriebs aufzuzeichnen, falls möglich automatisch, und aufzubewahren:

  • Richtung und Höhenlage
  • Maximale Vortriebskräfte der Pressstation
  • Vortriebsgeschwindigkeit/-strecke
  • Menge der ggf. eingesetzten Stütz- und Gleitmittel und, falls möglich, des abgebauten Boden- und Gesteinsmaterials
  • Verrollung (Verdrehung)
  • Steuerungskorrekturen (Wege der Steuerzylinder und Steuerdrücke).

Das größte Aufzeichnungsintervall sollte 0,2 m betragen.

Das Führen von Vortriebsprotokollen (Bild 8-15), die der Auftraggeber verlangt, zählt nach DIN 18319 [DIN18130-1a] zu den "Besonderen Leistungen", die besonders zu vergüten sind.

Leitfaden Mikrotunnelbau / Hrsg.: MUNLV NRW, Redaktion: Prof. Dr.-Ing. D. Stein, A. Brauer (2005)