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Der EPB-Schild in der Anwendung
In weichen, bindigen Böden werden bevorzugt Vortriebsmaschinen mit Erddruckstützung eingesetzt. Bei den sogenannten Erddruckschilden (engl. Earth Pressure Balance Shield, kurz EPB) dient ein Erdbrei aus abgebautem Material als plastisches Stützmedium. Dies ermöglicht den nötigen Ausgleich der Druckverhältnisse an der Ortsbrust, verhindert ein unkontrolliertes Eindringen des Bodens in die Maschine und schafft die Voraussetzung für einen schnellen und weitestgehend setzungsfreien Vortrieb.
Die Förderschnecke zum Austrag des Abraums ist das Verfahrensmerkmal aller Erddruckschilde.
Stabilität durch Stützdruck
Das besondere Merkmal von Erddruckschilden ist die direkte Nutzung des abgebauten Bodens als Stützmedium. Dieses Verfahren wird insbesondere bei kohäsiven Böden mit hohen Ton- oder Schluffanteilen und geringer Wasserdurchlässigkeit eingesetzt. Ein werkzeugbestücktes, rotierendes Schneidrad wird an die Ortsbrust gedrückt und löst den anstehenden Boden. Über Öffnungen gelangt dieser in die Abbaukammer, wo er sich mit dem bereits vorhandenen Erdbrei vermischt. Mischflügel an Schneidrad und Druckwand kneten die Masse zur gewünschten Konsistenz. Der Druck der Vortriebspressen wird über die Druckwand auf den Erdbrei übertragen. Wenn der äußere Erd- und Wasserdruck dem Druck des stützenden Erdbreis entspricht, ist der notwendige Gleichgewichtszustand erreicht.
Funktionsprinzip
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Vortriebsgeschwindigkeit und Materialförderrate regeln den Stützdruck an der Ortsbrust.
Förderrate und Vortriebsgeschwindigkeit regeln Druckverhältnisse
Eine Förderschnecke transportiert das abgebaute Material vom Boden der Abbaukammer auf ein Förderband. Durch das Zusammenspiel von Förderrate der Schnecke und Vortriebsgeschwindigkeit kann dabei präzise der Stützdruck des Erdbreis gesteuert werden. Mittels Erddrucksensoren in der Abbaukammer wird der Gleichgewichtszustand kontinuierlich überwacht. Somit können alle Vortriebsparameter auch bei wechselnden geologischen Bedingungen vom Maschinenfahrer optimal aufeinander abgestimmt werden. Das ermöglicht hohe Vortriebsgeschwindigkeiten und minimiert die Gefahr von Hebungen oder Setzungen an der Oberfläche.
Funktionsweise auf einen Blick:
Schälmesser und Schneidrollen tragen das Erdreich ab.
Plastischer Erdbrei erzeugt aktiven Stützdruck in der Abbaukammer.
Förderschnecke fördert Abraum zu nachgelagerten Logistikeinrichtungen.
Hydraulische Vortriebspressen im Schild oder ein Pressenrahmen im Startschacht drücken die Maschine nach vorn.
Tübbingausbau oder Rohrvortrieb
Größerer Anwendungsbereich durch gute Bodenkonditionierung
Nicht alle Böden verfügen im natürlichen Zustand über ideale Eigenschaften für einen EPB-Vortrieb. Der Einsatzbereich des Verfahrens kann allerdings durch Bodenkonditionierung enorm erweitert werden. Dabei werden plastische Verformbarkeit, Konsistenz und Wasserdurchlässigkeit der Geologie durch Injektion von verschiedenen Konditionierungsmitteln wie Wasser, Bentonit oder Schaum verändert. EPB-Schilde können so auch in heterogenen Böden mit Kies-, Sand- oder Wasseranteilen oder nicht standfesten Gesteinen gute Vortriebsleistungen erzielen.
EPB-Maschine mit Innen- und Außenschneidrad für Bohrdurchmesser ab 10 Metern in reibungsintensiven Böden.
Neue Entwicklung für große Dimensionen
Um Bohrdurchmesser ab 10 Metern in reibungsintensiven Böden beherrschen zu können, hat Herrenknecht ein neues Schneidradkonzept entwickelt: EPB-Schilde mit zwei Schneidrädern, die auf einer Arbeitsebene angebracht sind und unabhängig voneinander in beide Richtungen gedreht werden können. Das hohe Drehmoment kann so schrittweise ins Erdreich eingebracht werden, beginnend mit dem »vorauseilenden« Innenschneidrad. Das verringert im Zusammenspiel mit der Bodenkonditionierung den Verschleiß der Abbauwerkzeuge. Zwei große Schnecken fördern im unteren Schildbereich die enorme Menge Abbaumaterial vom Außenschneidrad nach hinten. Eine kleinere Schnecke im Zentrum fördert das Material des Innenschneidrads ab.
EPB-Schilde von Herrenknecht haben weltweit in mehr als 500 Projekten erfolgreich den Durchbruch geschafft.
Technische Innovationen für spezielle Anforderungen
Der besondere Vorteil von Erddruckschilden ist ihre große Flexibilität. Verschiedene Entwicklungen von Herrenknecht haben die Anwendungsmöglichkeiten des Verfahrens maßgeblich erweitert. In bindigen Geologien mit Wasseranteil kann unter erhöhtem Druck mit herkömmlichen Abraumschnecken kein ausreichender Materialpfropfen zur Aufrechterhaltung des Stützdrucks aufgebaut werden. Mit Dickstoffpumpen ist es möglich, solche Böden trotzdem sicher zu beherrschen. Die Kolbenpumpen dichten das System hinter der Schnecke komplett ab. Dadurch kann das Druckniveau an der Ortsbrust gehalten werden. Der verdichtete Abraum wird zu weiteren Fördereinrichtungen gepumpt.
In rolligen Böden mit hohem Grundwasseranteil kann nachträglich die von Herrenknecht entwickelte Slurryfier-Box installiert werden. Diese Spezialentwicklung verbindet den Auslass der Förderschnecke mit einem Spülkreislauf. Der Abraum wird nun hydraulisch gefördert, der EPB-Schild kann im Slurry-Modus weiterarbeiten.
Das Allrounder-Prinzip EPB
Das Prinzip der Erddruckstützung macht die EPB-Technik zum Allrounder für weiche, bindige Böden aller Art. Darüber hinaus kann durch Bodenkonditionierung und technische Innovationen von Herrenknecht das geologische Anwendungsspektrum zusätzlich erweitert werden. Das gilt sowohl bei kleinen Bohrdurchmessern im Rohrvortrieb als auch bei großen und größten Durchmessern im Tübbingausbau.
Noch Fragen?
Wir stehen bereit!
Steffen Dubé
President and General Manager Herrenknecht Tunnelling Systems USA Inc.
Gerhard Goisser
Commercial Manager Herrenknecht Tunnelling Systems USA, Inc.