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Dokumentenidentifikation DE60305340T2 15.03.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001556583
Titel VERFAHREN UND ZUSAMMENSETZUNG ZUR VERRINGERUNG VON VERSCHLEISS IN EINEM SCHNEIDKOPF EINER TUNNELBOHRMASCHINE
Anmelder Construction Research & Technology GmbH, 83308 Trostberg, DE
Erfinder EGLI, Herbert, CH-8048 Zürich, CH;
ELLENBERGER, Peter, CH-8706 Feldmeilen, CH
Vertreter Spott, Weinmiller & Böhm, 80336 München
DE-Aktenzeichen 60305340
Vertragsstaaten AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, RO, SE, SI, SK, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 02.09.2003
EP-Aktenzeichen 037797867
WO-Anmeldetag 02.09.2003
PCT-Aktenzeichen PCT/EP03/09718
WO-Veröffentlichungsnummer 2004025080
WO-Veröffentlichungsdatum 25.03.2004
EP-Offenlegungsdatum 27.07.2005
EP date of grant 17.05.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.03.2007
IPC-Hauptklasse E21D 9/10(2006.01)A, F, I, 20060222, B, H, EP
IPC-Nebenklasse C09K 8/38(2006.01)A, L, I, 20060222, B, H, EP   

Beschreibung[de]

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bohren eines Tunnels in hartem Gestein oder Hartgestein.

Das Bohren von Tunnels in hartes Gestein oder Hartgestein, wie Kalkstein und metamorphe oder Eruptivgesteine, stellte immer mehr Probleme dar als ein Bohren in weicheres Gestein. Das am üblichsten verwendete Verfahren zum Tunnelbohren in solches Gestein war das Bohren von Sprenglöchern, gefolgt von einem Sprengvortrieb oder Sprengarbeiten mit Explosivstoffen oder Sprengstoffen. Es war erwünscht, Tunnelbohrmaschinen (TBMs) zu verwenden, Maschinen mit Schneidköpfen mit großem Durchmesser (manchmal von mehr als 10 m) für den Tunnelbau in hartem Gestein. Das Hauptproblem der TBM-Verwendung in solchem Gestein ist der schnelle Verschleiß der Schneidelemente oder Schneidteile (gehärteten Stahlscheiben, die aus dem Schneidkopf hervorragen) und die Notwendigkeit für einen häufigen Austausch, ein Nachteil sowohl aus operativen oder betriebsbedingten und wirtschaftlichen Gesichtspunkten. Die WO 99/18330 A und WO 01/12952 A beschreiben beide, dass der Verschleiß verringert werden kann durch die Verwendung einer geschäumten wässrigen Lösung.

Es wurde nun entdeckt, dass die Verwendung einer besonderen Zusammensetzung diesen Verschleiß beträchtlich verringern kann, was ein effizienteres oder wirksameres und wirtschaftlicheres Bohren in hartes Gestein mit einer TBM ermöglicht. Diese Erfindung stellt daher ein Verfahren bereit zum Bohren von hartem Gestein mit Hilfe einer Tunnelbohrmaschine, die gehärtete Stahlscheiben umfasst, die aus dem Schneidkopf hervorragen, wobei Verschleiß in dem Schneidkopf verringert wird mit Hilfe der Zugabe von einer geschäumten wässrigen flüssigen Zusammensetzung, die einen Schaumbildner und einen Schmierstoff umfasst, der ausgewählt ist aus Polyethylenoxiden mit hohem Molekulargewicht, zu dem Schneidkopf.

Der Schaumbildner kann ein beliebiger Schaumbildner sein, d.h. ein beliebiges Material, das, wenn es mit Wasser verrührt wird, zur Folge hat, dass ein stabiler Schaum gebildet wird. Es ist möglich, mehr als einen von einem solchen Schaumbildner in einer Zusammensetzung zur Verwendung in dieser Erfindung zu verwenden. Eine große Vielzahl von solchen Materialien ist in der Technik bekannt. Die bevorzugten Materialien zur Verwendung als Schaumbildner in dieser Erfindung sind Tenside, d.h. Materialien, die sowohl hydrophile Komponenten als auch hydrophobe Komponenten aufweisen. Obwohl irgendein geeignetes Tensid verwendet werden kann, wurde nun gefunden, dass für die Zwecke dieser Erfindung die Tenside, die am besten funktionieren, von einem anionischen oder nicht ionischen Typ sind, und diese sind die bevorzugten Tenside.

Wenn das Tensid von einem anionischen Typ ist, steht es vorzugsweise für ein Sulfat enthaltendes Tensid, besonders bevorzugt ein Alkoholsulfat und ganz besonders bevorzugt ein Laurylsulfat. Viele geeignete Materialien sind in der Technik bekannt, ein Beispiel eines besonders bevorzugten Materials ist Monoisopropanolaminlaurylsulfat (kommerziell z.B. erhältlich unter dem Handelsnamen „Sulfetal" Cjot 60).

Während die Leistung der anionischen Tenside hervorragend ist, ist deren Verwendung manchmal unerwünscht, wenn Umweltüberlegungen wichtig sind. Aus Umweltgründen ist es bevorzugt, dass der Schaum kurzlebig ist, d.h., dass er als Schaum nur für die Zeit zwischen seiner Erzeugung und der Entfernung der geschäumten Flüssigkeit von der Schneidfläche vorhanden ist. Der Schaum aus anionischen Tensiden kann so stabil und dauerhaft sein, dass er manchmal in Flüssen entfernt von der Einsatzstelle gefunden wird. In solchen Fällen sind nicht ionische bevorzugt, ihre Leistung an der Einsatzstelle ist nicht weniger hervorragend, aber sie zersetzen sich biologisch schneller und ein beliebiger erzeugter Schaum hält nur für eine relativ kurze Zeit. Außerdem sind die Abbaukomponenten oder Abbaubestandteile der nicht ionischen Tenside beträchtlich weniger schädlich als solche der anionischen, und sie stellen daher eine geringere toxikologische Gefährdung für die Pflanzen- und Tierwelt dar.

Beispiele von wirksamen oder effektiven nicht ionischen Tensiden, die geeignet sind zur Verwendung in dieser Erfindung, schließen Alkanolamide, Aminoxide, ethoxylierte Alkohole, ethoxylierte Alkylphenole, ethoxylierte Ester, Glukose- und Saccharoseester und Derivate davon ein. Besonders wirksam sind die Glukose- und Saccharosester und ihre Derivate, insbesondere Alkylpolyglucoside. Typische kommerzielle Beispiele von diesen schließen „Lutensol" (Handelsmarke) GD 70 (von BASF) und „Glucopon" (Handelsmarke) (von Cognis) ein.

Der Schmierstoff wird aus Polyethylenoxiden mit hohem Molekulargewicht gewählt. Mit einem Polyethylenoxid (PEO) mit „hohem Molekulargewicht" ist ein PEO gemeint mit einem gewichtsmittleren Molekulargewicht von mindestens 1.000.000. Vorzugsweise beträgt das Molekulargewicht von 2.000.000 bis 8.000.000. Solche Materialien wurden zuvor bei dem Bohren von Tunnels mit TBMs verwendet, aber niemals im Zusammenhang mit einem Bohren von hartem Gestein. Typische kommerzielle Materialien schließen POLYOX (registrierte Handelsmarke) WSR-301 ein. Ein Gemisch von verschiedenen PEOs kann verwendet werden, obwohl ein PEO, das ein Polymer ist, eine Molekulargewichtsverteilung hat, und daher schon von Natur aus ein Gemisch verschiedener Materialien ist.

Die Zusammensetzungen werden hergestellt zur Verwendung durch die Zugabe einer geeigneten Menge an Wasser. Obwohl die Bereitstellung von trockenen Zusammensetzungen theoretisch möglich ist und von dieser Erfindung nicht ausgeschlossen wird, ist es unwegsam oder unpraktisch. Ein Grund dafür ist, dass es die Aufgabe einbezieht, die flüssige Zusammensetzung an der Arbeitsstelle oder dem Einsatzort zu erzeugen – dies kann schwierig sein, insbesondere mit PEOs mit hohem Molekulargewicht, die, obwohl sie wasserlöslich sind, schwierig zu lösen sein können. Außerdem werden andere kommerziell verfügbare Additive (hierin weiter unten beschrieben) oft nur in Lösungs- oder Suspensionsform bereitgestellt.

Es gibt zwei Methoden oder Verfahren, um diese Schwierigkeiten zu überwinden. Die erste ist die Bereitstellung der Zusammensetzung als eine Reihe von einzelnen wässrigen Inhaltsstoffen, die in den korrekten oder richtigen einzelnen Anteilen zu einer relativ großen Menge an Wasser zum Schäumen dosiert werden können. Daher werden das PEO, der Schaumbildner und beliebige optionale oder gegebenenfalls eingesetzte Inhaltsstoffe (hierin weiter unten beschrieben) einzeln in wässriger Form bereitgestellt. Die benötigte Sicherheitsbehälter- und Dosierungsausstattung ist in der Technik gut bekannt und braucht hier nicht weiter beschrieben werden. Dieses Verfahren hat den Vorteil der Einsatzflexibilität oder Vielseitigkeit – die Mengen an Inhaltsstoffen können verändert oder variiert werden, um sie an örtliche Bedingungen anzupassen, wie sie entstehen, und beliebige gegebenenfalls einsetzbare Bestandteile können eingeschlossen werden oder nicht eingeschlossen werden, je nach Lage des Falles.

Ein wünschenswerteres Verfahren für die meisten Anwendungen ist es, ein Konzentrat, eine wässrige Lösung oder Suspension mit einem geeigneten Verhältnis der notwendigen Inhaltsstoffe bereitzustellen, die im Stande ist, schnell und leicht verwendet zu werden. Es ist kein Problem, ein solches Konzentrat zu verdünnen und das verdünnte Konzentrat an einer Arbeitsstelle oder einem Einsatzort zu schäumen. Wenn die Vielseitigkeit oder Einsatzflexibilität des Dosierungsvorschlags, der zuvor beschrieben wurde, nicht benötigt wird, ist dies sehr bevorzugt wegen seiner Einfachheit der Verwendung und relativen Billigkeit oder Preiswertigkeit.

Die Mengen an Inhaltsstoffen, auf die in den folgenden Absätzen Bezug genommen wird, beziehen sich auf eine wässrige Zusammensetzung, welche die trockenen Inhaltsstoffe plus ausreichend Wasser umfasst, entweder um die einzelnen Inhaltsstoffe in wässriger Form für eine einzelne Dosierung, wie oben beschrieben, zu erbringen, oder für die Herstellung eines wässrigen Konzentrats, wie oben beschrieben. Die Zusammensetzungen werden hergestellt mit bis zu 100% Wasser. Dies schließt nicht die letzte Verdünnung und Schäumungswasser (für dessen Mengen s. S. 4) ein.

Die Mengen an verwendetem oder eingesetztem PEO betragen von 0,1 bis 3,0 Gew.-%, vorzugsweise von 0,4 bis 2,0 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt von 0,5 bis 1,0 Gew.-%, des Konzentrats. Die äquivalenten Mengen an Schaumbildner betragen von 2 bis 40%, vorzugsweise von 5 bis 30 und ganz besonders bevorzugt von 5 bis 20%.

Es ist möglich, andere Inhaltsstoffe zu den Zusammensetzungen zur Verwendung bei dieser Erfindung zu geben. Zwei besonders nützliche sind Maskierungsmittel oder Sequestierungsmittel und Schaumverstärker oder Schaumtreiber. Zusätzlich sind sie in den bevorzugten Fällen öfter nützlich mit anionischen Tensiden; sie haben wenig Wirkung oder Effekt mit nicht ionischen. Dies gilt insbesondere für die Maskierungsmittel.

Das Maskierungsmittel liegt vor, um irgendwelche Probleme auszugleichen, die bewirkt werden durch die Verwendung von hartem Wasser bei der Herstellung der letzten geschäumten Lösung – hartes Wasser kann die Kristallisation oder Präzipitation des Schaumbildners verursachen und die Zusammensetzung nutzlos machen. Wenn kein hartes Wasser vorliegt, wird natürlich kein Maskierungsmittel benötigt, aber die Zugabe eines solchen Mittels stellt eine Zusammensetzung bereit, die in beliebigen Wasserbedingungen oder Zuständen verwendet werden kann, und die daher immer bereitsteht oder fertig ist für die Verwendung unter beliebigen Umständen. Ein beliebiges geeignetes Maskierungsmittel kann verwendet werden, wobei die verwendeten Mengen in dem Bereich liegen von bis zu 5%, vorzugsweise von 0,1 bis 5%, besonders bevorzugt von 0,5 bis 2% und am meisten bevorzugt von 1 bis 1,5%. Ein Beispiel eines Maskierungsmittels, das geeignet ist zur Verwendung in dieser Erfindung, ist „Cublen" (Handelsmarke) K2523.

Der Schaumverstärker kann auf ähnliche Weise ein beliebiges geeignetes Material sein. Die Mengen, die verwendet werden, betragen bis zu 10%, vorzugsweise von 0,1 bis 10% und ganz besonders bevorzugt von 0,1 bis 1%. Ein Beispiel eines Schaumtreibers, der geeignet ist zur Verwendung in dieser Erfindung, ist „Aromox" (Handelsmarke) MCD-W.

In Verbindung mit der Erfindung sollte beachtet werden, dass das entsprechende Verschleiß verringernde schäumbare flüssige Konzentrat aus mindestens einem Schmierstoff besteht, der für ein Polyethylenoxid mit hohem Molekulargewicht und mindestens einem Schaumbildner besteht, der kurzlebige Schäume verursacht, gegebenenfalls enthält es auch mindestens ein Maskierungsmittel und mindestens einen Schaumtreiber, wobei die vorliegenden Mengen jeweils wie folgt sind:

0,1 bis 3% Polyethylenoxid;

2 bis 40% Schaumbildner;

bis zu 5% Maskierungsmittel; und

bis zu 1% Schaumtreiber,

in Gewichtsprozent des Konzentrats, wobei der Rest Wasser ist.

Bei der Verwendung, im Fall eines Konzentrats, wird das Konzentrats zu einer geeigneten Menge an Wasser gegeben und geschäumt, bevor es zu dem rotierenden Schneidkopf gepumpt wird und an der Grenzfläche oder der Schnittstelle des Schneidkopfs und des Gesteins injiziert wird. In dem Fall eines Dosierungssystems einzelner Inhaltsstoffe werden die benötigten Mengen an wässrigen Inhaltsstoffen zu einer geeigneten Menge an Wasser dosiert und geschäumt. Typischerweise wird oder werden das Konzentrat/die einzelnen Inhaltsstoffe, die zuvor beschrieben wurden, mit Wasser verdünnt, um eine wässrige Zusammensetzung zu ergeben, die von 1 bis 20%, vorzugsweise 1 bis 10%, besonders bevorzugt von 1 bis 8% und am meisten bevorzugt von 1 bis 6% an Konzentrat/einzelnen Inhaltsstoffen aufweist.

Diese verdünnte Zusammensetzung wird mit einem beliebigen geeigneten Mittel oder einer beliebigen geeigneten Einrichtung geschäumt, um eine Volumenausdehnung vom 5- bis 40-fachen, vorzugsweise vom 5- bis 20-fachen, besonders bevorzugt vom 8- bis 20-fachen, des Volumens des ungeschäumten Materials zu ergeben.

Die tatsächliche Verdünnung des Konzentrats/der einzelnen Inhaltsstoffe und der Menge, zu der es geschäumt wird, wird beträchtlich variieren oder verschieden sein in Abhängigkeit von den besonderen Umständen. Solche Faktoren wie Durchmesser des Schneidkopfs, Anzahl und Anordnung der Injektionsdüsen und Natur des Gesteins werden einen Haupteffekt oder Haupteinfluss haben. Die entscheidende Vorraussetzung ist es, eine Schicht an Schaum in Kontakt mit der Gesteinsfläche über die gesamte Fläche des Schneidkopfs aufrecht zu erhalten. Die Erfüllung dieser Voraussetzung ist ein routinemäßiges Experimentieren, und der Fachmann wird leicht dazu in der Lage sein, dies zu tun. Typische Zahlen für ein Konzentrat des oben beschriebenen Typs betragen von 0,5 bis 10,0, vorzugsweise von 0,5 bis 6,0, besonders bevorzugt von 1 bis 4 kg Konzentrat/m3 entferntem Gestein. Wenn einzelne wässrige Inhaltsstoffe zugegeben werden, können äquivalente Mengen leicht berechnet werden. Es wird betont, dass diese Zahlen nur als eine allgemeine Richtlinie angegeben sind, und dass bestimmte Bedingungen geringere oder höhere Menge an einzelnen Inhaltsstoffen oder Konzentrat erfordern können.

Es ist ein überraschendes Merkmal dieser Erfindung, dass die Verwendung einer wässrigen flüssigen Zusammensetzung, wie hierin oben beschrieben, zu einer beträchtlichen Verringerung an Verschleiß der Schneidelemente in hartem Gestein führt, was zu einer längeren Haltbarkeit oder Laufzeit oder Lebensdauer eines Schneidkopfs und weniger häufigen Austausch und daher zu einem besseren und wirtschaftlicherem Tunnelbohren führt. Es wird angenommen, ohne den Schutzbereichs dieser Erfindung in irgendeiner Weise zu beschränken, dass das feine Material, das erzeugt wird an der Bohrfläche der TBM zusammengebunden wird durch die wässrige flüssige Zusammensetzung und als ein Schmierstoff wirkt.

Die Erfindung wird nun durch die folgenden nicht beschränkenden Beispiele veranschaulicht.

Zusammensetzung A (unter Verwendung eines anionischen Tensids)

Die folgenden Inhaltsstoffe werden verwendet: „Polyox" WSR 301 Polyethylenoxid,

Gewichtsmittleres Molekulargewicht 4.000.000 ("PEO")
0,83%
„Sulfetal" Cjot 60 Tensid 9,0% "Cublen", K 2523 Maskierungsmittel ("SA" (Sequestering Agent)) 0,3% „Aromox" MCD-W Schaumtreiber („FB" (Foam Booster)) 0,15% Wasser bis 100%

Zusammensetzung B (unter Verwendung eines nicht ionischen Tensids)

Die Zusammensetzung ist wie folgt: B „Lutensol" GD 70 10,0% „Polyox" WSR 301 0,9% Wasser bis 100%

Test

Ein Verfahren zur Ermittlung der Wirksamkeit der Zusammensetzungen zur Verwendung in dieser Erfindung vor der Verwendung mit einer TBM, um dadurch Zeit und Geld zu sparen, erfordert die folgende Apparatur:

PVC Gefäß, 1 l, Weithals

Testprobe

Siliciumcarbidpulver (0,841 bis 1,19 mm)

Die Testprobe besteht aus drei Rädern aus ST 50 Stahl mit 50 mm Durchmesser und 14 mm Dicke mit einem axialen Loch von 10 mm Durchmesser, wobei die drei gesichert sind an einen M10 Bolzen mit Hilfe geeigneter Einrichtungen (wie Muttern und Scheiben), so dass es etwa 14 mm Raum zwischen benachbarten Rädern gibt.

Das Verfahren ist wie folgt:

400 g des Siliciumcarbids werden gemischt mit Mengen an Wasser und Zusammensetzung und zu dem Gefäß gegeben. Eine Testprobe, von der die Gewichte der drei einzelnen Räder genau bekannt sind (auf 0,001 g), wird dann zu dem Gefäß gegeben, und das Gefäß wird versiegelt, auf eine Mühle oder ein Walzwerk gegeben und 3 h lang bei 125 U/min gedreht oder gewalzt. Die Räder werden dann gewogen, und der Gewichtsverlust (Verschleiß) wird festgestellt.

Die Zusammensetzungen A und B werden auf diese Art und Weise getestet. In jedem Fall werden die Zusammensetzungen mit Wasser (5% Zusammensetzung in Wasser) verdünnt und 30 und 60 g Proben werden geschäumt, um eine Volumenausdehnung auf das 10fache zu ergeben. Als Kontrolle werden 60 g Wasser zu einer 400 g Probe des Silliciumcarbids gegeben und getestet. Die Verschleißraten der Testproben sind wie folgt: SiC + Wasser 204 mg SiC + 30 g A 190 mg SiC + 60 g A 157 mg SiC + 30 g B 129 mg SiC + 60 g B 115 mg

Wie ersichtlich ist, sind die Verschleißraten reduziert, in einigen Fällen sehr beträchtlich.


Anspruch[de]
Verfahren zum Bohren von hartem Gestein mit Hilfe einer Tunnelbohrmaschine, die gehärtete Stahlscheiben umfasst, die aus dem Schneidkopf hervorragen, wobei Verschleiß in dem Schneidkopf verringert wird mit Hilfe der Zugabe von einer geschäumten wässrigen flüssigen Zusammensetzung, die einen Schaumbildner und einen Schmierstoff umfasst, der ausgewählt ist aus Polyethylenoxiden mit hohem Molekulargewicht, zu dem Schneidkopf. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die einzelnen Inhaltsstoffe der Schäumzusammensetzung in einzelner wässriger Form in Wasser dosiert werden und in Schaum überführt werden. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem der Schaumbildner ausgewählt wird aus anionischen und nicht ionischen Tensiden. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Zusammensetzung als Konzentrat bereitgestellt wird, das mit Wasser in situ verdünnt wird, um die Schäumzusammensetzung bereitzustellen.






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