diplomarbeit

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diplomarbeit

DIPLOMARBEIT
MASTER THESIS
BOHRKLASSIFIZIERUNG FÜR TUNNELBOHRMASCHINEN
MITTELS LÖSEENERGIE
ausgeführt zum Zwecke der Erlangung des akademischen Grades eines
Diplom-Ingenieurs unter der Leitung von
Univ.–Prof. Dr. Ewald Tentschert
E-203
Institut für Ingenieurgeologie
eingereicht an der Technischen Universität Wien
Fakultät für Bauingenieurwesen
von
Peter Herzog
Mat. Nr.: 9625071
Pohlgasse 16/1/24
A-1120 Wien
Wien, im Juni 2005
Ich habe zur Kenntnis genommen, dass ich zur Drucklegung meiner Arbeit unter
der Bezeichnung
DIPLOMARBEIT
nur mit Bewilligung der Prüfungskommission berechtigt bin.
Ich erkläre weiters an Eides statt, dass ich meine Diplomarbeit nach den
anerkannten Grundsätzen für wissenschaftliche Abhandlungen selbständig
ausgeführt habe und alle verwendeten Hilfsmittel, insbesondere die zugrunde
gelegte Literatur genannt habe.
Wien, am 8.6.2005
Peter Herzog
Vorspann
-I-
KURZFASSUNG
Der Vortrieb mit modernen Tunnelbohrmaschinen (TBMs), wie in diesem Fall
am Gotthard Basistunnel, bietet aufgrund der automatischen Speicherung von
Vortriebsdaten eine große Datenbasis für weitere Auswertungen. Diese Daten
werden dazu genutzt, um Rückschlüsse auf die geologischen Verhältnisse beim
laufenden Vortrieb zu ziehen. Sie werden in Echtzeit im Steuerstand der TBM
visualisiert
und
ermöglichen
dem
Fahrer
unmittelbar
auf
geologische
Veränderungen zu reagieren. Darüber hinaus werden die Vortriebsdaten für die
Abrechnung verwendet, da über sie der Aufwand zur Gesteinslösung ermittelt
werden kann. Es wird in den meisten Fällen von der tatsächlich erreichten
Penetration, welche die Eindringtiefe der Bohrwerkzeuge bei einer Umdrehung
des Bohrkopfs beschreibt, ausgegangen, um auf die „Härte“ des anstehenden
Gebirges zu schließen.
Des Weiteren hilft die sorgfältige Auswertung der Vortriebsdaten, die Vorgänge
im maschinellen Tunnelbau besser verstehen zu lernen und ermöglicht die
Optimierung von Maschinensystemen und deren Bedienung. Fachleute auf der
ganzen Welt befassen sich mit der Datenauswertung um noch bessere
Prognosemodelle zu erstellen, welche im Vorfeld der Planung und Ausschreibung
von Tunnelprojekten eine Zeit- und Kostenschätzung des TBM-Vortriebs
ermöglichen sollen.
In der vorliegenden Arbeit geht es nicht primär um die Korrelation von Geologie
und
Maschinendaten,
sondern
um
die
Klärung
der
Frage,
wie
die
Tunnelbohrmaschine auf Änderungen der Bohrkopfdrehzahl reagiert. Bei
Verringerung der Drehzahl muss die TBM den Bohrkopfanpressdruck erhöhen,
um
die
Vortriebsleistung
konstant
zu
halten.
Ziel
dieser
Arbeit
ist
herauszufinden, um welches Maß die Vorschubkraft gesteigert werden muss, um
die
Nettobohrgeschwindigkeit
beizubehalten.
bei
einer
gewissen
Drehzahlsenkung
Vorspann
- II -
Diese Erkenntnisse sollen beitragen, das üblicherweise angewandte System der
Bohrklassenermittlung, welches auf der Baustelle zu Abrechnungszwecken
eingesetzt wird, auf Ungereimtheiten zu hinterfragen. In weiterer Folge soll eine
Alternativlösung dazu angeboten werden, die eine genauere Erfassung von
Kosten und Zeitaufwand des Vortriebs ermöglicht. Der Autor versucht den
Aufwand für den Ausbruch des Hohlraums über die dazu aufgewendete Energie
auszudrücken,
da
bei
der
Bohrklassifizierung
über
Penetrationsdaten
unterschiedliche Ergebnisse für dieselbe Gebirgsart nachgewiesen werden
konnten.
Die nötige Energie zur Gesteinslösung wird über die investierte Arbeit pro
Kubikmeter Festgestein [kWh/m³] zum Ausdruck gebracht. Dazu existieren
bereits Formeln und Laborversuche, welche eine spezifische Löseenergie in
Abhängigkeit von der Gesteinsfestigkeit abschätzen lassen. Mit diesem Wissen
wäre eine Umlegung des hier vorgestellten Bohrklassifizierungssystems auf
andere
Baustellen,
mit
unterschiedlichen
Rahmenbedingungen, möglich.
geologischen
und
technischen
Vorspann
- III -
ABSTRACT
Tunnelling with modern tunnel boring machines (TBMs), in this case study at
the Gotthard Base Tunnel, offers an enormous data pool for further analysis due
to automatic collection of data. These datasets are useful for decuring conclusions
from geological conditions. They get visualized on the control panel of the TBM
and allow the operator to react immediately on changes in the geological
situation. Furthermore, advance data are used for final settlement of tunnelling,
since they allow the quantification of the effort for drilling. Usually the depth of
penetration of the cutters within one revolt of the cutter head is used to conclude
on the “hardness” of the rock mass.
Besides a deeper understanding of the processes in machined tunnelling the
accurate analysis of machine data enables optimisation of machine systems and
their handling. Experts are searching worldwide for improved forecasting
models, which allow estimating the costs, the risks and the expenditure of time
in TBM-tunnelling.
The ambition of this thesis is the clarification of the drilling machines reaction on
variations in cutter head revolutions and not primarily the correlation of
geological and machine data. The reduction of revolution speed results in an
increase of thrust per cutter in order to keep the drilling progress constant. It is
interesting to experience, how much the thrust has to be increased for
compensating a special lack of revolution speed with higher penetration.
These research results provide the basis for questioning the drilling classification
strategy used on the site, which helps to describe the drilling effort and is part of
the final settlement. A further alternative is discussed in order to make
classification even more accurate and detect inconsistencies in the underlying
system. The author describes the effort for excavation by using the energy input
of the drilling machine and not by using the rate of penetration, which would
Vorspann
- IV -
strongly depend on cutter force and may deliver deviating drilling classes for the
same rock mass.
The energy input for loosening the bedrock is expressed in the invested work per
cubic meter solid rock [kWh/m³]. Formulas and laboratory tests appreciating
specific loosening energy, depending on the compressive strength of the material
already exist. This knowledge may allow transferring the discussed classification
strategy to other sites with different types of geological and technical conditions.
Vorspann
-V-
VORSPANN
KURZFASSUNG
ABSTRACT
INHALTSVERZEICHNIS
BEGRIFFSBESTIMMUNG
INHALTSVERZEICHNIS
1
2
3
4
EINLEITUNG ......................................................................................1
1.1
PROBLEMSTELLUNG ..............................................................................................2
1.2
ZIELSETZUNG..........................................................................................................3
1.3
VORGEHENSWEISE .................................................................................................4
1.4
ABGRENZUNG .........................................................................................................5
ALLGEMEINE PROJEKTSBESCHREIBUNG .........................................6
2.1
BESCHREIBUNG DES GOTTHARD BASISTUNNELS ...............................................6
2.2
BESCHREIBUNG DER GEOLOGISCHEN VERHÄLTNISSE IN BODIO ......................9
2.3
BESCHREIBUNG DER TUNNELBOHRMASCHINEN ...............................................11
PENETRATION .................................................................................14
3.1
DER GESTEINSLÖSEVORGANG ............................................................................14
3.2
EINFLUSSGRÖSSEN AUF DIE PENETRATION ......................................................15
3.2.1
EINFLÜSSE VOM GESTEIN (XXVI, S. 9) ............................................................................... 16
3.2.2
EINFLÜSSE VOM GEBIRGE (XXVI, S. 9) .............................................................................. 17
3.2.3
EINFLÜSSE VOM MASCHINENSYSTEM (XXIV, S. 76 / VIII, S. 440) ............................................ 21
3.3
FORMELN UND PROGNOSEMODELLE FÜR DIE PENETRATION .........................25
3.4
OFFENE FRAGEN ..................................................................................................26
BOHRKLASSENREGELUNGEN ..........................................................28
4.1
NORMENWERKE IM DEUTSCHSPRACHIGEN RAUM ............................................28
4.1.1
VORTRIEBSKLASSEN GEMÄSS ÖNORM B 2203 (ÖSTERREICH) ................................ 28
4.1.2
VORTRIEBSKLASSEN GEMÄSS DIN 18312 (DEUTSCHLAND)....................................... 30
4.1.3
VORTRIEBSKLASSEN GEMÄSS SIA 198 (SCHWEIZ)...................................................... 30
4.2
DIE BOHRKLASSENERMITTLUNG AM BAULOS BODIO .......................................33
Vorspann
5
DATENERHEBUNG UND AUSWERTUNG ...........................................36
5.1
FEEDBACK DURCH DIE TBM......................................................................................... 36
5.1.2
REAKTIONEN AUF VERÄNDERUNGEN IN DEN GEBIRGSEIGENSCHAFTEN .................. 39
VORTRIEBSDATEN .......................................................................................................... 40
5.2.2
VORGEHENSWEISE BEI DER DATENAUSWERTUNG....................................................... 42
9
ERGEBNISSE DER DATENAUSWERTUNG .............................................................49
5.3.1
ERGEBNISSE DER AUSWERTUNG ALLER HÜBE ............................................................ 49
5.3.2
ERGEBNISSE DER DREHZAHLWECHSELUNTERSUCHUNG............................................ 54
5.4
8
AUSWERTUNG DER BISHERIGEN VORTRIEBSDATEN ........................................40
5.2.1
5.3
7
STEUERUNG EINER TBM DURCH DEN TBM-FAHRER.......................................36
5.1.1
5.2
6
- VI -
ZUSAMMENFASSUNG DER ERGEBNISSE AUS DER DATENANALYSE ..................62
PROBLEME BEI DER BOHRKLASSENERMITTLUNG .........................64
6.1
UNGENAUIGKEITEN IN DER BOHRKLASSENERMITTLUNG ................................64
6.2
ALTERNATIVE ZUR BESTEHENDEN BOHRKLASSENERMITTLUNG ....................67
6.2.1
BOHRKLASSENBESTIMMUNG MITTELS SPEZIFSCHER LÖSEENERGIE......................... 67
6.2.2
UMSETZUNG IN EINE BOHRKLASSIFIZIERUNG FÜR DAS BAULOS BODIO ................... 69
ZUSAMMENFASSUNG, ABGRENZUNG UND AUSBLICK .....................78
7.1
ZUSAMMENFASSUNG ............................................................................................78
7.2
ABGRENZUNG .......................................................................................................79
7.3
AUSBLICK ..............................................................................................................80
ANHANG ..........................................................................................82
8.1
DIAGRAMME ZU KAPITEL 5.3.1 ...........................................................................82
8.2
8.3
VERZEICHNISSE ..............................................................................98
9.1
ABBILDUNGSVERZEICHNIS ..................................................................................98
9.2
TABELLENVERZEICHNIS ....................................................................................101
9.3
FORMELVERZEICHNIS ........................................................................................102
9.4
LITERATURVERZEICHNIS...................................................................................103
Vorspann
- VII -
BEGRIFFSBESTIMMUNG
Begriff
Abrasivität
Abkürzung
CAI
Anpressdruck
V
Arbeitsbereich
L1, L2, L3
Einheit
[kN]
Ausbau
Ausbruchklasse
AK
Bohrbarkeit
DRI
Bohrgeschwindigkeit
Bohrklasse
[mm/min]
BK
Bohrkopf
Bohrkopfdrehzahl
RPM
Bohrzeit
Bruttovortriebsleistung
[U/min]
[min]
[h]
Q
[m/d]
Fs
[kN]
Chips
Diske
Diskenandruckkraft
Diskenschnittkraft
Festgestein; Fels
Definition
Den Werkzeugverschleiß bestimmende
Gesteinseigenschaften. Meist Quarz
und Aluminiumoxid als Schleißscharfe
Mineralien. Angegeben i. d. R. in
Cherchar Abrasivity Index
Gesamte Vorschubkraft des Bohrkopfs
inklusive Reibung
Unterteilung der Tunnelbohrmaschine
in Abschnitte von denen aus
Sicherungsmittel eingebaut werden
können.
Sämtliche Sicherungsmittel zur
Stützung des Hohlraumes, wie Anker,
Netze, Bögen und (Spritz-) Beton
Maß für den notwendigen
Sicherungsaufwand bei der
Hohlraumherstellung nach SIA 198
„Untertagebau“, Ausgabe 1993
Angabe zur mechanischen Lösbarkeit
eines Gesteines, wird über den
„Drilling Rate Index“ (DRI) angegeben
Auch Nettobohrgeschwindigkeit oder
Nettovortriebsleistung; Fräsleistung
pro Zeiteinheit; Produkt aus
Penetration und Bohrkopfdrehzahl pro
Minute
Im Werkvertrag festgelegte
Bestimmung zur Beschreibung der
Bohrbarkeit des Gebirges
Mechanische Vorrichtung zum
vollflächigen Abbau des
Tunnelquerschnitts
Umdrehungsgeschwindigkeit des
Bohrkopfes
Zeit, während der Bohrkopf Fräsarbeit
leistet, bzw. der Maschinenstatus auf
2 (Vortrieb) steht
Tägliche Vortriebsleistung mit allen
Vortriebsunterbrechungen
Von den Disken gelöste
Gesteinssplitter
Siehe Meißel
Siehe Meißelandruckkraft
Widerstand, den die Diske in
tangentialer Richtung überwinden
muss, um eine gewisse Penetration zu
erreichen
Mineralgemenge, dessen
Eigenschaften hauptsächlich durch
seine physikalisch-chemische Bindung
bestimmt sind
Vorspann
- VIII Begriff
Abkürzung
Einheit
Gebirge
Gebirgsart
GA
Gebirgsverhalten bzw.
Gebirgsverhaltenstypen
GVT
Gestein
Gripper
Hub
Hublänge
[mm]
Hubprotokoll
Istpenetration
Kalibermeißel
Pist
[mm/U]
Kluft oder Trennfläche
konventioneller oder
zyklischer Vortrieb
Mannloch
maschineller oder
kontinuierlicher Vortrieb
Meißel, Rollenmeißel oder
Diske
c
Meißelandruckkraft
FN, Fc
[kN/c]
M
[kNm]
Mixed Face
Moment
Ortsbrust
Definition
Teil der Erdkruste, zusammengesetzt
aus Festgestein (Fels) und
Lockergestein (Boden), einschließlich
der Anisotropien, Trennflächen und
Hohlräume mit Füllungen aus
flüssigen oder gasförmigen
Bestandteilen
Gebirge mit gleichartigen
geologischen, hydrologischen oder
geotechnischen Eigenschaften
Reaktion des Gebirges auf den
Ausbruch eines ungestützten
Hohlraumes wie Verformungen und
Nachbrüchen
Durch natürliche Vorgänge
entstandenes Aggregat aus
mineralischen Bestandteilen,
gekennzeichnet durch die Art und
Menge der auftretenden Minerale und
durch das Korngefüge
Seitliche Verspanneinrichtung offener
TBMs
Einzelner Vorschub des Bohrkopfes bis
die Maschine wieder nachgezogen
werden muss
Maximaler Vorschubweg der
Vortriebspressen. Hier etwa 2100mm
Enthält sämtliche TBM-Daten eines
Hubes in elektronischer Form
Tatsächlich gemessene Penetration
Randmeißel an der
Bohrkopfaußenbahn
Bruchfläche im Gestein
Sprengvortrieb auch zyklischer
Vortrieb genannt. Zyklen: Laden,
Sprengen, Schuttern, Sichern
Kleine Öffnung im Bohrkopf einer
TBM, durch die man durchschlüpfen
kann um an die Ortsbrust zu gelangen
Hohlraumherstellung mittels Fräsen
die den Löse und Sicherungsprozess
zeitgleich erlauben. Verzicht auf
Sprengmittel
Schneidrolle aus Hartstahl, die als
Abbauwerkzeug dient und mit hohem
Druck gegen die Ortsbrust gedrückt
wird um Gesteinschips zu lösen
Übertragene Belastung vom Meißel
auf den Fels
Ortsbrust, die sowohl harte als auch
weiche Gesteinszonen aufweist
Drehmoment, das der Bohrkopf beim
Schneidvorgang überwinden muss
Vorderster Bereich des Tunnels der
durch den Bohrkopf bearbeitet wird
Vorspann
Begriff
Penetration
- IX Abkürzung
P, ROP
Einheit
[mm/rev]
[mm/U]
Schneidbahnabstand
oder Spacing
s
[mm]
Schneidkraft oder
Diskenschnittkraft
Fs
[kN]
Sollpenetration
Psoll
[mm/rev]
Spezifischer
Energieaufwand oder
Zerstörungsarbeit
Stillstand
Es, e
[kWh/m³]
Stromaufnahme
I
Potentiometer
Primärspannungszustand
Räumer
[min], [h]
[Ampere]
Stützmittel
Tübbing
Tunnelbohrmaschine
(offene)
Tunnelvollschittmaschine
TBM
TVM
Verschleiß oder
Spezifischer
Schneidringverschleiß
Vortrieb
Vortriebsklassen
[mg/m]
VT
VK
Vortriebspressenkraft
Zähigkeit
Z
Definition
Eindringtiefe der Bohrwerkzeuge in
das Gestein bei einer Umdrehung
(engl.: revolution) des Bohrkopfes.
Auch: Rate of Penetration
Stetig regelbarer elektrischer
Widerstand zur Steuerung der
Vortriebspresse
Spannungsverteilung im Gebirge noch
vor der Hohlraumherstellung
Am Bohrkopfäußersten angebrachte
Öffnungen, die das Ausbruchsmaterial
auf das Förderband schaufeln
Radialer Abstand zwischen den
Schneidspuren zweier benachbarter
Meißel.
Tangentiale Komponente des
Bohrwiderstands in Rollrichtung einer
Diske, die durch Penetration,
Andruckkraft und Diskendurchmesser
bestimmt wird
Hier: Die sich laut Werkvertrag und
Bohrklassenermittlung bei einem
Anpressdruck von 16000 kN
einstellende Penetration
Energieaufwand, der nötig ist um
einen Kubikmeter Fels maschinell zu
lösen
Alle Umstände und Tätigkeiten durch
die der planmäßige Arbeitsprozess
unterbrochen wird
Auslastung der Antriebsmotoren des
Bohrkopfs
Siehe Ausbau
Teilsegment eines ringförmigen
Tunnelausbaus aus
Betonfertigelementen. Verwendung
bei Schildmaschinen
Gerät zum mechanischen Abbau von
Festgestein ohne Schildmantel
Gerät zum mechanischen
Tunnelvortrieb das den kompletten
Querschnitt auf einmal auffährt.
Abnützung der Abbauwerkzeuge. Wird
in Milligramm Materialverlust pro
Meter Vortrieb angegeben
Ausbruch des Hohlraums
Einteilung der Vortriebsarbeiten nach
bautechnischen Maßnahmen, welche
zur Kosten- und
Vortriebszeitermittlung dienen
Siehe Anpressdruck
Widerstandsfähigkeit eines
Werkstoffes gegen schnelle
Rissausbreitung. In der Geologie:
Verhältnis Druck zu
Spaltzugfestigkeit
-1-
Einleitung
1 EINLEITUNG
Der maschinelle Tunnelvortrieb hat in den letzten Jahrzehnten einen deutlichen
Innovationsschub erfahren und aufgrund von leistungsfähigeren und flexibleren
Maschinensystemen dem konventionellen Sprengvortrieb deutlich Marktanteil
abgerungen. Besonders durch den Bau der großen Alpentransversalen wie
Lötschberg- und Gotthard Basistunnel aber auch den in Planung befindlichen
Brenner Basistunnel erhält der maschinelle Tunnelbau weiteren Auftrieb, da
solche Großprojekte mit konventionellen Mitteln kaum oder nur unter erheblich
größerem zeitlichen und monetären Aufwand durchführbar wären.
Bei allen maschinellen Vortrieben ist die Penetration, also die Eindringtiefe der
Bohrwerkzeuge bei einer Umdrehung des Bohrkopfs, einer der maßgeblichsten
Faktoren sowohl für die Leistungsprognose als auch für die Abrechnung nach
Ausbruch der Tunnelstrecke. Die Penetration hängt von verschiedensten
Einflüssen auf geologischer Seite als auch auf maschineller Seite ab und ist stets
ein Maß für die Bohrbarkeit des Gebirges.
Etliche Fachleute haben sich bis dato besonders mit den geologischen Einflüssen
auf die Bohrbarkeit wie Gesteinshärte, Klüftigkeit, Spaltzugfestigkeit und
dergleichen beschäftigt und versucht, diese Einflussgrößen in mathematische
Zusammenhänge zu bringen.
Allerdings gibt es kaum Publikationen, die das Problem von der Maschinenseite
her behandeln. Diesem Manko soll nun in dieser Arbeit Rechnung getragen
werden, indem ausschließlich Maschinendaten ausgewertet und geologische
Einflüsse, auch mangels geeigneter Datendichte, außer Acht gelassen werden.
Die Maschinendaten wurden im Zuge der Bauarbeiten zum Gotthard
Basistunnel gewonnen und von der ausführenden Arbeitsgemeinschaft zur
Verfügung gestellt.
Bohrklassifizierung für Tunnelbohrmaschinen mittels Löseenergie
-2-
Einleitung
1.1
PROBLEMSTELLUNG
Am südlichsten Baulos des Gotthard Basistunnels in Bodio, arbeitet ein
internationales Konsortium am Ausbruch zweier Tunnelröhren. Der Vortrieb
erfolgt mit 2 Tunnelbohrmaschinen, deren tägliche Bohrleistung über die
Bohrklassenbestimmung bewertet wird. Die Bohrklassenbestimmung dient zur
Bewertung der Gebirgsverhältnisse und dem dadurch resultierenden Aufwand
beim Hohlraumausbruch.
Die Bohrklassen werden über die erreichte Penetration ermittelt und sind ein
maßgebender Faktor zur Ermittlung der Vortriebskosten und der geforderten
Tagesvortriebsleistung. Deshalb ist es für den Auftragnehmer als auch für den
Auftraggeber
von
höchstem
Interesse,
eine
Bohrklassenbestimmung
im
Werkvertrag zu vereinbaren, welche die tatsächlichen geologischen Verhältnisse
möglichst exakt wiedergibt. Dies ist im maschinellen Tunnelbau besonders
problematisch, weil der freie Blick auf die Ortsbrust durch den Bohrkopf
verhindert wird. Deshalb können die Gebirgseigenschaften meist nur über
Maschinendaten aus Testhüben oder dem laufenden Vortrieb beschrieben
werden. Somit stellt sich die Frage, inwiefern diese Daten durch die Maschine
selbst beeinflusst werden und somit die Bohrklasse verzerren. Es gilt zu
untersuchen, ob sich bei gleichen Gebirgsverhältnissen mit unterschiedlicher
Fahrweise der TBM verschiedene Bohrklassen einstellen. Unter Fahrweise wird
im Weiteren die Wahl des Bohrkopfanpressdrucks und der Bohrkopfdrehzahl
verstanden.
Für den Auftraggeber stellt sich die Frage, ob sich durch die derzeitige
Bohrklassenermittlung finanzielle Nachteile ergeben, besonders wegen der
speziellen
Regelungen
bei
der
Durchführung
von
Testvorschüben
Bestimmung der erreichbaren Penetration.
zur
-3-
Einleitung
1.2
ZIELSETZUNG
Diese Diplomarbeit befasst sich fast ausschließlich mit der Auswertung von
Maschinendaten wie Bohrkopfanpressdruck, Drehzahl und Penetration und
versucht Abhängigkeiten zwischen diesen Parametern zu finden. Primär geht es
um die Klärung der Frage, wie die Bohrleistung einer Tunnelbohrmaschine mit
steigendem Anpressdruck zunimmt.
Die Daten wurden von 2 Tunnelbohrmaschinen gewonnen, die seit Anfang des
Jahres 2003 am Schweizer Gotthard Basistunnel beim Auffahren des südlichsten
Teilabschnitts in Betrieb sind. Die beiden Maschinen haben zum Zeitpunkt der
Diplomarbeit im Frühjahr 2005 über 12 Kilometer Tunnel ausgebrochen und
liefern somit einen umfassenden Datenbestand von über 7300 Einzelhüben.
Da Tunnelbohrmaschinen über eine Wegsteuerung verfügen, wodurch die
Vortriebsgeschwindigkeit, also die Bohrleistung pro Zeiteinheit, weitgehend
konstant bleibt, gibt es nun 2 Möglichkeiten diese Vortriebsgeschwindigkeit zu
erreichen: Zum einen über hohe Drehzahl und geringen Anpressdruck des
Bohrkopfs und zum anderen über niedrige Drehzahl und hohen Anpressdruck.
So lassen sich für eine bestimmte Vortriebsgeschwindigkeit, sofern sie nicht am
absoluten Limit der Maschinenleistung liegt, stets 2 konjugierte Paare von
Druck und Drehzahl finden. Welche Paarung die effizientere ist, gilt es
herauszufinden.
Des Weiteren wird auch eine Auswertung über andere Maschinenparameter, wie
Bohrkopfdrehmoment und Stromaufnahme vorgenommen um zu zeigen, ob und
wie sich Änderungen der Bohrkopfdrehzahl bei gleich bleibender Geologie auf
diese Daten auswirken.
Die erhaltenen Ergebnisse sollen beitragen, die zur Abrechnung relevante
Bohrklassenermittlung des Bauloses zu hinterfragen und Alternativlösungen
dazu aufzuzeigen.
-4-
Einleitung
1.3
VORGEHENSWEISE
Nach einer allgemeinen Beschreibung des Tunnelprojekts und der geologischen
Rahmenbedingungen soll eine detaillierte technische Beschreibung der hier
erforschten TBMs die Grundlage für das Verständnis der geschilderten
Zusammenhänge geben.
Des Weiteren wurde eine ausführliche Literaturrecherche durchgeführt, die
besonders die geologischen Einflussfaktoren auf die Bohrleistung einer
Vollschnittmaschine und verschiedenste Prognosemodelle für selbige beleuchtet.
Die Kernaussagen verschiedener Autoren werden hier vorgestellt.
Vordringliches Ziel war die Auswertung der bisher in 2 Jahren Vortrieb
gewonnenen Maschinendaten. Hier wurde gezielt nach Veränderungen in der
Bohrkopfdrehzahl gesucht. Betrachtet man nur ein kleines Zeitfenster von
lediglich 2 Minuten vor und nach dem Drehzahlwechsel, so kann in den meisten
Fällen die Geologie als gleich angesehen werden. Deshalb erlaubt diese
kurzfristige
Betrachtung
fast
immer
aussagekräftige
Einblicke
in
das
Bohrverhalten der Maschine bei gleichzeitiger Nichtbeachtung der geologischen
Verhältnisse.
Einflüsse auf das Bohrverhalten in Abhängigkeit von der Drehzahl sollen, sofern
überhaupt möglich, in mathematische Zusammenhänge gebracht werden und
zur kritischen Hinterfragung der vor Ort getroffenen Vereinbarung zur
Bohrklassenermittlung dienen.
-5-
Einleitung
1.4
ABGRENZUNG
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich ausschließlich mit einem Maschinentyp.
Für Maschinen anderer Bauweise, Größe oder in anderen geologischen
Einsatzbedingungen muss eingeschränkt werden, dass die Ergebnisse dieser
Diplomarbeit keineswegs ohne eingehende Prüfung übernommen werden
können.
Darüber hinaus soll darauf hingewiesen werden, dass die ausgewerteten
Baustellendaten aus dem laufenden Betrieb stammen und somit nicht in
homogenen Testbedingungen ermittelt wurden. Es können folglich nicht alle
Hintergründe beleuchtet werden, warum die TBM in dieser Situation gerade
jenes Verhalten gezeigt hat. Schwankungen aufgrund geologischer Störfaktoren
oder durch störenden Input des TBM-Fahrers können nicht ausgeschlossen
werden.
Deshalb sollen die hier getätigten Aussagen lediglich teil-quantitativer Natur
sein und stellen keinen Anspruch auf Allgemeingültigkeit für alle Situationen,
Maschinentypen und Gebirgskennwerte.
-6-
Allgemeine Projektsbeschreibung
2 ALLGEMEINE PROJEKTSBESCHREIBUNG
2.1
BESCHREIBUNG DES GOTTHARD BASISTUNNELS
Das Gotthardmassiv trennt die beiden Schweizer Kantone Uri im Norden und
Tessin im Süden. Schon seit dem Mittelalter stellt der Weg über den Gotthard
eine der wichtigsten Handelsrouten der Zentralalpen dar. Gleichzeitig war der
Gotthardpass schon immer ein Hindernis für den Waren- und Personenverkehr
auf dieser Alpentransversale der Schweiz.
Im Jahre 1872 wurde mit dem Bau der ersten Gotthardbahn begonnen. Die
Streckenführung galt seinerzeit als kühnste überhaupt und behielt bis heute bis
auf wenige Änderungen Gültigkeit. In der 2. Hälfte des 20. Jahrhunderts stieg
das Verkehrsaufkommen auf der Schiene dermaßen an, sodass die alte
Gebirgsbahn kaum mehr in der Lage ist, die anfallenden Gütermassen zu
transportieren. Zu verwinkelt und steil ist der Streckenverlauf. Es sollte
allerdings noch ein halbes Jahrhundert vergehen, bis der Beschluss zum Bau der
NEAT,
der
Neuen
Eisenbahn-Alpentransversale
gefallen
ist.
Diese
Alpenquerung ist Teil eines Großprojekts, in dem die Schweiz ihr Eisenbahnnetz
an das internationale Hochleistungsstreckennetz anschließen will.
Die
auszubauende
Strecke
verläuft
Zürich
nach
von
Mailand
und soll im Endausbau
die Fahrzeit für den
Personenverkehr
zwischen
den
beiden
Endpunkten
derzeit
um
von
3:40
Stunden
eine
verkürzen
Stunde
und
somit
Abbildung 1: Neubaustrecken in der Schweiz
-7-
eine
Alternative
Flugzeug
zum
bieten.
Die
Kapazitäten
des
Güterverkehrs sollen durch
den
Ausbau
verdoppelt
werden, da einerseits um ein
Drittel mehr Züge verkehren
können und andererseits die
Zugsgewichte aufgrund des
Flachbahnkonzepts
derzeit
2.000
Tonnen
gesteigert
von
auf
4.000
werden
können.
Der
Ausbau
der
Strecke
Zürich-Mailand umfasst weit
reichende Maßnahmen zur
Streckenbegradigung sowie 3
große
Tunnelbauten.
Norden
Im
wird
der
Zimmerberg-Basistunnel
20
Kilometern
mit Abbildung 2: Überblick über den NEAT Streckenverlauf
Länge
vorgesehen und im Süden soll der 15 Kilometer lange Ceneri-Basistunnel auf
Höhe Lugano für Zeitersparnis sorgen.
Das Herzstück des Projekts ist allerdings der 57 Kilometer lange GotthardBasistunnel. Nach seiner Fertigstellung, voraussichtlich Ende 2015, wird der
damit längste Eisenbahntunnel der Welt die Strecke um 40 Kilometer verkürzen,
600 Höhenmeter einsparen und die engen Kurvenradien der Gebirgsbahn von
wenigen hundert Metern auf 5.000 Meter begradigen. Die großen Steigungen der
alten
Gotthardbahn
werden
auf
6,75
‰
reduziert,
was
erheblich
zu
Energieeinsparung und Beschleunigung beitragen wird. All diese Maßnahmen
-8-
erlauben Güterzügen die Durchfahrt mit bis zu 160 km/h und Reisezügen sogar
mit 250 km/h. Der Tunnel besteht aus 2 getrennten Einspurröhren, die einen
Achsabstand
von
etwa
40
Metern
aufweisen.
Somit
können
Frontalzusammenstöße von Zügen von vornherein vermieden werden, da jede
der beiden Tunnelröhren nur für eine Fahrtrichtung zur Verfügung steht. Zudem
dient im Katastrophenfall die andere Röhre als Fluchtstollen und kann über
einen der 180 Querschläge erreicht werden.
Die Portale liegen in Erstfeld, Kanton Uri und im Süden in Bodio, Kanton
Tessin. Aufgrund der enormen Länge des Bauwerks ist es nötig, mit
Zwischenangriffen in Faido, Sedrun und Amsteg die Bauzeit zu verkürzen. In
Faido und Sedrun werden Multifunktionsstellen eingerichtet, in denen ein
Spurwechsel der Züge, im Wartungs- oder Katastrophenfall, möglich ist. Darüber
hinaus dienen sie im Brandfall als Nothaltestelle und bieten Schutzräume für
die Fahrgäste sowie belüftete Rettungsstollen, über welche die Passagiere ins
Freie gelangen können.
Abbildung 3: Funktionale Einheiten des Gotthard-Basistunnels
-9-
Das Baulos Bodio ist mit 16.558 Metern Länge der längste Abschnitt von allen.
Hier werden 2 Tunnelbohrmaschinen der Firma Herrenknecht eingesetzt, die
den Vortrieb Richtung Norden bewerkstelligen, wo sie später nach Faido
durchschlagen und nach Passieren des bereits konventionell aufgefahrenen
Hohlraums der Multifunktionsstelle weiter bis Sedrun vortreiben sollen.
2.2
BESCHREIBUNG DER GEOLOGISCHEN VERHÄLTNISSE IN BODIO
Die im Abschnitt Bodio vorwiegend anzutreffende Gesteinsart ist der LeventinaGneis, benannt nach dem Valle Leventina, in dem das Südportal des Tunnels
liegt. Die Leventina-Gneise zählen zur Penninischen Gneiszone und sind vor
etwa
30
Millionen
Jahren
in
großer
Tiefe
durch
Metamorphose
von
Granitgesteinen entstanden. Bei der darauf folgenden Gebirgsbildung wurden
diese Gesteine weit nach Norden verschoben und an die Oberfläche gehoben.
Dabei erhielten sie ihre anisotropen Eigenschaften, die in der ausgeprägten und
im Bereich Bodio etwa horizontal und schwach wellig verlaufenden Schieferung
bedingt sind.
Abbildung 4: geologischer Längenschnitt über den Gotthard-Basistunnel
- 10 -
Die Druckfestigkeit der Leventina-Gneise kann im Mittel mit 140 MPa angesetzt
werden, allerdings ist mit einer großen Streubreite von 56 bis 257 MPa zu
rechnen. Der Quarzgehalt liegt bei etwa 34%, der Glimmergehalt im Bereich von
15% und die restlichen 51% werden von Feldspat gebildet. Diese Werte
schwanken selbstverständlich und teilweise treten sogar ganze Biotitlinsen auf,
was sich beim Vortrieb anhand der plötzlich steigenden Penetration bemerkbar
macht und die Qualität des Ausbruchsmaterials als Betonzuschlagstoff mindert.
Die Überlagerungshöhe beträgt im Festgesteinsbereich zwischen 600 und 1.000
Meter und ist über weite Teile relativ konstant, da der Tunnel im Bereich Bodio
hangparallel verläuft.
Bergwasser hat hier nur untergeordnete Bedeutung, es ist maximal mit Tropfbis Rinnwasserzutritten zu rechnen und bis dato kam es zu keinen
nennenswerten Behinderungen durch Bergwasser.
Das
Baulos
im
Teilabschnitt
Bodio
verdeutlicht
die
unterschiedlichen
Gebirgseigenschaften, die innerhalb derselben Gesteinsart auftreten können.
Klüfte, Störzonen, Lage der Schieferung oder wechselnder Glimmergehalt und
Primärspannungszustand entscheiden maßgeblich über die Bohrbarkeit des
Gesteins
sowie
über
Sicherungsaufwand,
Nachbrüche
und
Bergschlaggefährdung.
Im Portalbereich gibt es eine 800 Meter lange Lockergesteinsstrecke, welche
durch Talfüllungen und Bergsturzablagerungen führt. Diese Zone wurde jedoch
im Sprengvortrieb aufgefahren und ist somit für den maschinellen Vortrieb nicht
von Bedeutung.
Im kompakten Fels auf den Tunnelmetern 2.500 in der Ost- und 1.600 in der
Weströhre wurden Kavernen zur Montage der TBMs errichtet. Von diesen
Stationen aus erfolgte der weitere Vortrieb maschinell.
- 11 -
2.3
BESCHREIBUNG DER TUNNELBOHRMASCHINEN
Ein Großprojekt wie der Gotthard Basistunnel wäre im Sprengvortrieb kaum
realisierbar, besonders in den langen geraden Streckenteilen kann die
Tunnelbohrmaschine ihre Vorteile gegenüber dem langsameren konventionellen
Vortrieb ausspielen. Zur Verwirklichung dieses Tunnelbauprojekts werden
insgesamt 6 TBMs eingesetzt. Je 2 in Erstfeld, Amsteg und Bodio, wobei letztere
die Daten für die vorliegende Diplomarbeit geliefert haben und an dieser Stelle
näher beschrieben werden sollen.
Eingesetzt werden 2 Vollschnittmaschinen des deutschen Herstellers und
Weltmarktführers Herrenknecht. Es handelt sich hier um so genannte „offene
Grippertunnelbohrmaschinen“, die in weiterer Folge als S-210 (Oströhre) und S211 (Weströhre) bezeichnet werden. Das heißt, der Ausbau erfolgt nicht mit
Tübbingen, wie es bei Schildmaschinen der Fall ist, sondern mit konventionellen
Sicherungsmitteln wie Ankern, Netzen, Bögen und Spritzbeton, die bereits
unmittelbar im Bereich des Fingerschilds 5 Meter hinter dem Bohrkopf
eingebracht werden können.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Bohrkopf
Spannschild
Fingerschild
Ringerektor
Ankerbohrgerät
Arbeitskorb*
Netzversetzgerät*
Gripperplatten
* Nach Umbau in Bodio
nicht mehr im Einsatz.
Abbildung 5: Bohrkopf und L1-Arbeitsbereich einer offenen TBM
Die endgültige Herstellung der Ortbetoninnenschale erfolgt erst einige Kilometer
weiter hinten vom Vortrieb getrennt. Durch das Fehlen von Tübbingen kann sich
- 12 -
die Maschine nicht gegen den Ausbau abstützen und muss sich stattdessen über
die Gripper seitlich gegen das Gebirge verspannen.
Die Fräsen haben einen Bohrkopfdurchmesser von 8,83 Metern und sind mit je
58 17-Zoll Disken bestückt, wobei als Randdisken wegen des größeren
Überschnitts auch 18-Zoll Meißel zum Einsatz kommen.
Das Bohrsystem wird über 10 Elektromotoren angetrieben, die über eine
Gesamtleistung von 3.500 kW verfügen. Im Normalbetrieb wird die Drehzahl auf
6 Umdrehungen pro Minute gehalten und der Bohrkopf mit einer maximal
zulässigen Anpresskraft von 18.500 kN gegen die Ortsbrust gedrückt. Zieht man
eine durchschnittliche Reibung von 5.000 kN ab, die überwunden werden muss
um den Schildmantel nach vorne zu schieben, so ergibt sich eine Maximalkraft
von 230 kN, die pro Rollenmeißel auf den Fels übertragen wird.
Die Maximaldrehzahl liegt bei 6,33 U/min, in der Regel beschränkt man sich
allerdings auf 6 U/min, was die Randmeißel allerdings noch immer mit relativ
hohen Rollgeschwindigkeiten von 2,8 m/s belastet. In seltenen Fällen wird die
Maschine auch mit geringerer Drehzahl gefahren, wobei als unterstes Limit 5
U/min angenommen werden können. Bei noch geringeren Drehzahlen würde die
Vortriebsleistung zu sehr verringert werden.
Abbildung 6 zeigt die TBM S-211 bei der Vormontage im Werk. Vorne am
Bohrkopf
sind
die
schwarzen
Disken
deutlich
zu
erkennen.
Am
Bohrkopfäußersten befinden sich 8 Räumerschaufeln deren Aufgabe es ist,
Bohrklein aufzusammeln und hinter dem Bohrkopf auf das Förderband zu
kippen. Die unmittelbare Stützung der Tunnellaibung übernimmt das etwa 5
Meter lange Fingerschild. Es schützt den vorderen Bereich der Maschine vor
Niederbrüchen und ist in mehrere Segmente unterteilt, die einzeln über
Hydraulikzylinder verstellbar sind. Seitlich, rot lackiert, befindet sich die
Verspanneinheit, die in der Regel als Gripper bezeichnet wird.
- 13 -
Abbildung 6: Die TBM S-211 im Werk in Schwanau
Für das Verständnis dieser Arbeit ist es wichtig, die Wegsteuerung der
Vortriebspresse
Vortriebspressen
genauer
gegen
zu
betrachten.
den
Der
anstehenden
Bohrkopf
Fels
wird
gedrückt,
über
4
deren
Ausfahrgeschwindigkeit vom TBM-Fahrer über ein Potentiometer geregelt wird.
Dieses Potentiometer regelt die Öffnungsweite eines Ventils, durch welches
Hydrauliköl in die Vortriebspressen geleitet wird. Es bildet sich primär ein
konstanter Massenstrom, der die Vortriebsgeschwindigkeit konstant hält.
Allerdings bildet der anstehende Fels, abhängig von seiner Härte, einen mehr
oder weniger großen Widerstand, der die Vortriebsgeschwindigkeit vermindern
kann. Sie ist daher im Allgemeinen nicht konstant und unterliegt im Baubetrieb
oft erheblichen Schwankungen.
- 14 -
Penetration
3 PENETRATION
3.1
DER GESTEINSLÖSEVORGANG
Um die Funktionsweise einer TBM zu verstehen ist es nötig, die mechanischen
Vorgänge beim Abbauprozess und die Wirkung der Disken auf den Fels der
Ortsbrust zu untersuchen. Bei der Beschreibung des Gesteinslösevorgangs wird
die Darstellung von BÜCHI (1984) von den meisten Autoren als Stand der
Technik akzeptiert.
(V, S. 27)
Die Disken rollen in konzentrischen Bahnen über die
Ortsbrust und übertragen Kräfte von je 200 kN und mehr auf den Fels.
GEHRING (1995) bringt als Beispiel eine 17 Zoll Diske, die mit einer
Andruckkraft von 200kN eine Penetration von 10mm erreicht. Dabei stehen an
der Kontaktfläche von Werkzeug und Fels Spannungen von etwa 140 N/mm² an.
Die Last wird innerhalb von wenigen hundertstel Sekunden aufgebracht, also
gut 3 Zehnerpotenzen schneller, als dies im Versuch zur Bestimmung der
einaxialen Druckfestigkeit geschieht. Diese extrem schnell aufgebrachten
Spannungsspitzen verursachen die Bildung von Radialrissen, die das Abplatzen
von Gesteinssplittern erst ermöglichen. (VIII, S.439)
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Absplitterung durch Zugbruchbildung
Scher- oder Spaltzugbruch
Radialspaltenbildung unter Diske
Zermalmungszone
Typische Form eines größeren Chips
Rollenmeißel
Abbildung 7: Der Gesteinslösevorgang und die Chipbildung nach BÜCHI (V, S. 27)
- 15 -
Penetration
ROBBINS (1970) hat herausgefunden, dass je nach Gesteinsfestigkeit erst ein
gewisser Grenzwert in der Meißelandruckkraft, auch als kritische Andruckkraft
bezeichnet, überwunden werden muss, bevor sich Radialrisse ausbilden.
Unterhalb dieses Grenzwerts leisten die Disken lediglich Mahlarbeit. Die unten
dargestellten „Robbinskurven“ verdeutlichen diese Darstellung. Man erkennt
einen Knick im Diagramm, ab dem eine signifikante Steigerung der Penetration
eintritt, ohne dass die Meißelbelastung im gleichen Ausmaß erhöht werden
muss.
Abbildung 8: die dargestellten Robbinskurven verdeutlichen die Notwendigkeit einer kritischen
Andruckkraft, ab der erst eine Penetrationsleistung erbracht werden kann. (XV, S. 38)
Je höher der Meißelandruck gewählt wird, desto größer die abgebauten Chips.
Gleichzeitig sinkt der spezifische Energieaufwand [kWh/m³], der nötig ist, um
eine gewisse Gesteinsmenge zu lösen. Dieser Umstand ergibt sich daraus, dass
mit größer werdenden Abmessungen des Bohrkleins die spezifische Oberfläche
und damit die Größe der Bruchflächen sinkt. (XXI, S. 24 f)
3.2
EINFLUSSGRÖSSEN AUF DIE PENETRATION
Die Bohrleistung einer Tunnelbohrmaschine hängt von vielen Parametern ab,
die sich in 3 Hauptgruppen von Einflussgrössen einteilen lassen:
Gestein, Gebirge und Maschine.
- 16 -
Penetration
3.2.1
EINFLÜSSE VOM GESTEIN (XXVI, S. 9)
Hier wird der abzubauende Werkstoff einer makroskopischen Betrachtung
unterzogen, es werden also nur die mechanischen Eigenschaften des Materials
selbst angeführt, die im Folgenden aufgezählt werden:
¾ Gesteinszusammensetzung bedingt die mechanischen Eigenschaften des
zu lösenden Materials.
¾ Mineralbestand und Mineralgefüge bestimmen den Werkzeugverbrauch
aufgrund von Mineralien mit hoher Schleißhärte (Abrasivität) nach
ROSIWAL. Besonders harte Mineralien wie Quarz sind darüber hinaus
sehr schwer abbaubar.
¾ Verzahnungsgrad
des
Gesteins
nach
dem
Bruch
beeinflusst
das
Abplatzungsverhalten der Chips und deren Lösbarkeit von der Ortsbrust.
¾ Raumausfüllung oder Porosität. BRULAND beschreibt einen signifikanten
Anstieg der Penetration für Gesteine mit einer Porosität über 2%. (XIV, S. 39)
¾ Druckfestigkeit als einer der besonders maßgebenden Faktoren ist in fast
jeder Penetrationsformel enthalten. Die Darstellung von GEHRING (1995)
zeigt den signifikanten Einfluss der einaxialen Druckfestigkeit auf die
Penetrationsleistung von VSMs. Mit steigender Druckfestigkeit muss auch
die kritische Andruckkraft erhöht werden, um überhaupt Gesteinschips
lösen zu können. (VIII, S. 440 f)
¾ Scherfestigkeit bildet den Widerstand gegen Abplatzen größerer Chips
zwischen den Schneidbahnen. Die Brucherscheinungen werden auf
Scherversagen zurückgeführt. (V, S. 27)
¾ Zugfestigkeit wird über die Spaltzugfestigkeit beschrieben und beträgt in
etwa 1/8 bis 1/14 der einaxialen Druckfestigkeit. AMBERG (1994)
- 17 -
Penetration
schildert den negativen Einfluss hoher Spaltzugfestigkeiten auf die
Vortriebsleistung und den Werkzeugverbrauch. (II, S. 19) BÜCHI erklärt das
Absplittern von Gesteinsbrocken im unmittelbaren Meißelbereich mit der
Bildung von Zugrissen. (V, S. 27)
¾ Zähigkeit beschreibt die Widerstandsfähigkeit eines Werkstoffes gegen
schnelle Rissausbreitung. Dies geschieht durch Energieaufnahme bei der
plastischen Verformung. AMBERG berichtet von Amphiboliten mit
Druckfestigkeiten von 400 kN/mm² und extrem hoher Zähigkeit, die den
maschinellen Tunnelbau an die Grenzen bringen.
(II, S. 19)
Gesteine mit
extrem hoher Zähigkeit lassen sich oft besser abbauen, wenn die
Rollgeschwindigkeit der Disken reduziert wird. Damit wird dem Material
mehr Zeit gegeben, Spannungsrisse auszubilden. (VIII, S. 444 f)
3.2.2
EINFLÜSSE VOM GEBIRGE (XXVI, S. 9)
Die Gebirgseigenschaften beinhalten sämtliche Eigenschaften, die sich durch die
Betrachtung eines größeren Ausschnittes der Felsmasse ergeben. Das Gestein
liegt in der Natur nie als homogener Block vor sondern ist von Inhomogenitäten
geprägt, die seine physikalischen und mechanischen Eigenheiten verändern.
Durch tektonische Beanspruchung im Zuge der Gebirgsbildung wurde das
Gestein zerbrochen, durchklüftet und zerschert. Es haben sich Störzonen
ausgebildet, in denen die Festigkeit des Materials stark herabgesetzt wurde,
welche nicht mehr länger durch die Gesteinsfestigkeit selbst sondern durch den
Verband der Kluftkörper untereinander bestimmt wird. Darüber hinaus ist das
Gebirge von Hohlräumen verschiedenster Art durchörtert, die mit Bergwasser
oder verschiedenen Gasen gefüllt sein können. Aufgrund all dieser Einflüsse
werden die Festigkeitseigenschaften des Gesteins stark reduziert. Als grobe
Abschätzung kann die Druckfestigkeit des Gebirges mit etwa 10 bis 20 % von
jener des intakten Gesteins angenommen werden.
Welche Parameter im Speziellen die Gebirgseigenschaften beeinflussen, wird in
der folgenden Aufzählung beschrieben:
- 18 -
Penetration
¾ Kluftabstand. Jede Kluft ist im Prinzip eine natürlich vorgegebene
Bruchfläche. Je kleiner der Kluftabstand, desto positiver wirkt sich dieser
Effekt natürlich auf die Penetration aus. WANNER und AEBERLI (1978)
haben erstmals über den Einfluss des Trennflächengefüges berichtet und
erkannten, dass die Bohrbarkeit eines Gesteines mit verringertem
Trennflächenabstand
überproportional ansteigt.
Bezogen
auf
Trennflächenabstände
> 50 cm
wird
Penetration
die
bei
Kluftabständen von etwa
10 cm um 30% und bei
Abständen von 5 cm sogar
um 90% gesteigert.
(VIII, S. 444)
Abbildung 9: Einfluss vom Trennflächenabstand auf
die Penetration (XV, S. 41)
Nachteilig ergibt sich aus dem höheren Durchtrennungsgrad,
dass der Zeitgewinn beim Bohren sehr oft durch den erhöhten
nachfolgenden Sicherungsaufwand des instabilen Hohlraumes aufgehoben
wird.
¾ Kluftrichtung relativ zur Tunnelachse. Ebenfalls von entscheidender
Bedeutung ist die Kluftrichtung. Vergleicht man die Bohrleistungen zu
parallel zur Tunnelachse einfallenden Trennflächen, so ergeben sich teils
markante Steigerungen in der Vortriebsleistung bei folgenden Winkeln:
20° zur Tunnelachse......+30%
40° zur Tunnelachse......+70%
60° zur Tunnelachse......+100% (XXIV, S. 84)
¾ Kluftrauhigkeit und Oberflächenausbildung stellen relativ subjektive
Einflussgrößen dar, da die Messung und Quantifizierung hier schwer fällt.
- 19 -
Penetration
Es kann angenommen werden, dass ein geringer Reibungswinkel in der
Kluft selbst, ein Lösen der Gesteinsbrocken begünstigt.
¾ Durchtrennungsgrad.
Auch
hier
gilt
eine
Verringerung
des
Scherwiderstands innerhalb der Kluft bei höherem Durchtrennungsgrad.
Im kompakten Gestein wirkt zusätzlich zum inneren Reibungswinkel auch
die Kohäsion gegen den Bruch. Gleiches gilt für eine nachträgliche
Verheilung der Klüfte mit Calcit und dergleichen, wo die Scherfestigkeit in
der Trennfläche nachträglich erhöht wurde.
¾ Primärspannungszustand. Zu diesem Parameter gibt es relativ wenige
Untersuchungen. Zum einen lässt sich in den meisten Fällen der In-situ
Spannungszustand
nur
mit
erheblichem
Messaufwand
bestimmen,
weshalb meist nur Abschätzungen durch die Überlagerungshöhe gemacht
werden. Zum anderen wird dieser Einfluss sehr leicht von anderen
Parametern überlagert und somit schwer erfassbar. TARKOY und
MARCONI (1991) berichten von spannungsbedingten Abplatzungen an
der Ortsbrust während des Umsetzens der TBM. Beim erneuten Anfahren
wirkte sich diese Auflockerung positiv auf die Penetration aus. (III, S. 25)
Steht die Ortsbrust aufgrund mächtiger Überlagerung unter großem
Druck, so kann es zu mehr oder weniger großen Bergschlagereignissen
direkt vor dem Bohrkopf kommen. Auch im Baulos Bodio traten solche
Phänomene bei Überlagerungshöhen von etwa 900 Meter bereits auf. Es
erscheint
nahe
liegend,
dass
die
Bearbeitung
durch
die
Disken
bergschlaggefährdete Bereiche durch zusätzlichen Spannungseintrag aus
dem Gleichgewicht bringen kann. Dies muss nicht immer zu großen
Ortsbrusteinbrüchen führen, sondern kann auch ganz unbemerkt bei der
normalen
Chipbildung
auftreten.
Aufgrund
felsmechanischer
Zusammenhänge geht der Autor davon aus, dass hohe In-situ Spannungen
die Ablösung von Bohrklein fördern.
- 20 -
Penetration
¾ Verwitterung verringert die allgemeinen Festigkeitseigenschaften des
Gesteins und kann besonders im Kluftbereich, wo Luft und Wasser der
Zugang zum Gestein ermöglicht wird, die Festigkeit des Materials
herabsetzen.
Verwitterungen
treten
im
Allgemeinen
in
den
oberflächennahen Bereichen auf.
¾ Quellvermögen wird von THURO und BRODBECK (1998) zwar als
leistungsmindernder Faktor angegeben, doch stellt sich die Frage, ob im
Zuge des Vortriebs dem Gestein überhaupt die Zeit gegeben wird, um
Quellerscheinungen auszubilden. Dieser Effekt, bedingt zum Beispiel
durch
die
Bohrkopfbedüsung,
könnte
wenn
schon
bei
längeren
Stillständen, etwa durch Wartung und Revision, auftreten und selbst dann
wohl bloß oberflächennah.
¾ Anisotropien
wie
Orientierung
und
Ausbildung
der
Schieferung
beeinflussen die Bohrgeschwindigkeit maßgeblich. SANIO (1985) berichtet
sogar von sechsmal höheren Penetrationsraten, wenn die Schieferung quer
anstatt parallel zur Tunnelachse liegt.
(III,
S.
35)
Solch drastische
Auswirkungen durch Anisotropie sind jedoch die Ausnahme und nur bei
extrem stark ausgebildeter Schieferung zu erwarten.
¾ Bergwasser hat für die Penetration selbst eine relativ untergeordnete
Rolle. Abgesehen von den vortriebsbehindernden Auswirkungen größerer
Wassermengen erhöht es den Verschleiß der Rollmeißel bei geringem
Wasserandrang erheblich. Das Wasser verbindet sich mit dem Bohrstaub
und bildet eine Schleifpaste, die den Schneidring regelrecht abschmirgelt.
Bei größerem Wasserandrang wird die Kontaktzone zwischen Diske und
Fels
komplett
ausgewaschen,
was
die
Werkzeugabnutzung
unwesentlich erhöht. (XIII, S. 68)
nur
- 21 -
Penetration
3.2.3
EINFLÜSSE VOM MASCHINENSYSTEM (XXIV, S. 76 / VIII, S. 440)
Auch die Tunnelbohrmaschine nimmt großen Einfluss auf die Vortriebsleistung.
In den letzen Jahrzehnten konnten die Penetrationsraten durch immer stärkere
Maschinensysteme und standfestere Rollenmeißel deutlich gesteigert werden.
Die Hersteller betreiben rege Forschung in vielen Bereichen um ihre TBMs noch
leistungsfähiger zu machen. In welcher Hinsicht die Maschinentechnik Einfluss
auf die Vortriebsleistung nimmt, wird im Folgenden erläutert:
¾ Anzahl, Form und Größe der Disken beeinflussen ganz maßgeblich die
Abbauleistung von Vollschnittmaschinen. Leider sind Möglichkeiten zur
Leistungssteigerung
in
diesem
Bereich
aus
maschinentechnischen
Gründen selten möglich. Die gängigen Größen für Rollmeißel bei TBMs
über 4 Meter Durchmesser liegen bei 15, 17 und 19 Zoll. Obwohl größere
Disken Vorteile im Verschleiß- und Penetrationsverhalten bringen, sind
ihrer Anwendung durch die wachsenden Abmessungen und Gewichte
Grenzen gesetzt. Besonders bei kleinen TBMs ist man auf Disken mit
Durchmessern von 15 Zoll oder kleiner angewiesen. Wo der Bohrkopf groß
genug ist, werden 17- oder 19-Zoll Disken eingesetzt, wobei Letztere bei
einem Gewicht von 220 bis 290 Kilogramm große Probleme in der
Handhabung mit sich bringen. Die Nachteile bei Einbau und Wechsel
werden allerdings durch höhere Penetrationsraten und deutlich höhere
Lebensdauer kompensiert. Durch den größeren Umfang muss die Diske
weniger Umdrehungen machen um einen gewissen Weg zurück zu legen,
das schont die Lager und verringert den Verschleiß. Gleichzeitig können
19-Zoll Disken aufgrund massiverer Lagerung höhere Kräfte übertragen.
Diskendurchmesser [mm]
394 (15 Zoll)
432 (17 Zoll)
483 (19 Zoll)
Fmax [kN]
200
230
280
Tabelle 1: Empfohlene Maximalwerte durchschnittlicher Meißelandruckkräfte (XIII, S. 41)
- 22 -
Penetration
Mit steigender Anzahl der Disken kann einerseits mehr Lösearbeit
geleistet werden, andererseits muss mit der Steigerung der Diskenanzahl
auch
eine
Vergrößerung
des
Bohrkopfanpressdrucks
einhergehen.
Allerdings stehen aus Gründen der Geometrie und Wirtschaftlichkeit dem
Hersteller kaum andere Möglichkeiten offen, als die Diskenzahl für eine
TBM nach folgender Formel abzuschätzen:
N = 7,0•d
N = Diskenanzahl
d = Bohrkopfdurchmesser [m]
Formel 1: Diskenanzahl in Abhängigkeit des Bohrkopfdurchmessers (XXIV, S. 77)
Die
Diskenform
beschränkt
Einscheiben-Disken-Meißel.
sich
mittlerweile
auf
die
gängigen
Früher
verwendete
Warzenmeißel
und
dergleichen kommen lediglich bei extrem hartem Fels zum Einsatz. Sie
sind durch die punktuelle Krafteinleitung über die Hartmetallknöpfchen
imstande Fels zu bearbeiten, in dem herkömmliche Disken keine
Penetration mehr erzielen können.
¾ Bohrkopfdrehzahl. Die Untersuchung der Bohrkopfdrehzahl auf die
Penetration ist das Kernthema dieser Arbeit. Grundsätzlich wird die TBM
vom Fahrer auf eine gewisse Vortriebsgeschwindigkeit eingestellt. Wie in
Kapitel 1.2 erwähnt, lässt sich diese Leistung entweder durch hohe
Drehzahl und wenig Druck oder durch niedrige Drehzahl und hohen
Druck erreichen. Das heißt, die Auswirkungen der Bohrkopfdrehzahl auf
die Penetration sind lediglich maschinentechnischer Natur. Die Maschine
erhöht automatisch die Penetration wenn die Drehzahl gesenkt wird.
Meistens wird die TBM mit hohem Druck und hoher Geschwindigkeit
gefahren, doch stellt sich die Frage, ob die Bohrleistung in jedem Fall
diese hohen Beanspruchungen rechtfertigt.
¾ Bohrkopfdrehmoment
und
Penetration
stehen
in
unmittelbarem
Zusammenhang. Je tiefer die Rollenmeißel in den Fels eindringen, desto
- 23 -
Penetration
größer wird der Widerstand, den die Diske überwinden muss. Formeln
beschreiben
ein
lineares
Verhältnis
zwischen
Schnittkraft
und
Anpressdruck einer Diske. Die Schnittkraft kann im Hartgestein etwa mit
8-10 % der Anpresskraft angesetzt werden. SCHUMACHER (2003) gibt
genauere Abschätzungen der Schnittkraft an, in die Penetration,
Diskendurchmesser und Anpressdruck einfließen.
(XXI, S. 24 f)
Die Summe
der Meißelschnittkräfte mal deren Abstand von der Bohrkopfachse ergibt
das
Bohrkopfdrehmoment,
das
zusätzlich
durch
Reibung
und
Räumerwiderstände erhöht wird.
¾ Diskenandruck
ist
der
wichtigste
Einflussparameter
von
der
Maschinenseite. GRANDORI (1995) berichtet von überproportional
ansteigenden Penetrationsraten bei Erhöhung der Anpresskraft. (III, S. 20 ff)
Die Ergebnisse lassen ein Ansteigen der Penetration mit dem Quadrat der
Vortriebspressenkraft vermuten. Penetrationsversuche der Technischen
Universität Trondheim (NTNU) zeigten ebenfalls, dass die Penetration
sehr empfindlich auf Veränderungen des Diskenandrucks reagiert. Die
Versuche wurden in Metagabbro mit einer 3,5 m Durchmesser großen
TBM durchgeführt. In Tabelle 2 wird ersichtlich, dass die Penetration bei
einer Druckerhöhung von lediglich 35 % beinahe auf das Vierfache
gesteigert werden konnte, bei gleichzeitiger Halbierung der spezifischen
Löseenergie.
Druck/Diske Penetration Ampere Spez. Energie
[kN/c]
[mm/U]
[A]
[MJ/m³]
225,6
1,02
120
195,3
255,1
1,79
150
145,0
284,5
2,79
190
120,6
304,1
3,86
220
101,9
Tabelle 2: Ergebnisse der Penetrationsversuche der NTNU (XIV, S. 11)
Dass sich Druck und Penetration nicht linear zueinander verhalten,
bestätigen auch die Ergebnisse der Datenauswertung die im Zuge dieser
Diplomarbeit durchgeführt wurde.
- 24 -
Penetration
¾ Schneidbahnabstand nimmt in der Regel von innen nach außen zu. Die
Kalibermeißel haben also meist größere Abstände, was auf der anderen
Seite dadurch wieder ausgeglichen wird, dass mehr als eine Diske pro
Schneidbahn
eingesetzt
wird.
Eine
Verringerung
des
Schneidbahnabstands wirkt sich bei gleich bleibendem Diskenandruck
positiv auf die Schneidleistung einer TBM aus. Die Gesamtandruckkraft
der Maschine muss allerdings ebenfalls erhöht werden, weil eine
Verringerung des Spacings eine Erhöhung der Diskenzahl bedingt. Es ist
aus wirtschaftlichen Überlegungen sinnvoll, den Schneidbahnabstand
nicht zu sehr zu verkleinern, da dadurch das Bohrklein feiner gemahlen
wird und die spezifische Löseenergie unnötig vergrößert wird. Das Spacing
liegt in der Regel beim 10 bis 20-fachen der Penetration oder bei 65 – 90
Millimetern. (XXIV, S. 80)
¾ Bohrkopfdurchmesser wirkt sich nur indirekt auf die Penetrationsleistung
aus. Er bestimmt die Bohrkopfdrehzahl und die Diskengröße. Mehr als bei
der
Penetration
selbst
wirkt
sich
der
Durchmesser
auf
die
Vortriebstagesleistung aus. Die bei größeren Maschinen langsameren
Umdrehungsgeschwindigkeiten
und
der
erhöhte
Sicherungsaufwand
verzögern hier in viel größerem Maß, als es bei TBMs kleineren
Durchmessers der Fall ist.
¾ Rollgeschwindigkeit der Disken hat wohl mehr Auswirkungen auf den
Verschleiß als auf die Eindringtiefe des Schneidrings selbst. Zum
derzeitigen Stand kann die maximal zulässige Rollgeschwindigkeit eines
Meißels mit etwa 2,7 Metern pro Sekunde angesetzt werden. Bei zu großer
Geschwindigkeit kommt es zu starker Erwärmung der Lagerschmierung,
weshalb es zum Blockieren einzelner Disken kommen kann. Ein sehr
kostenintensiver Schaden, der darüber hinaus zu unverzüglichem
Meißelwechsel und damit verbundenen Stillstand zwingt. Des Weiteren
- 25 -
Penetration
nehmen
mit
zunehmender
Geschwindigkeit
die
dynamischen
Lagerbeanspruchungen auf die Diske zu. (VIII, S. 440 f)
TROCKNER und WAGNER (1998) stellten an Rundschaftmeißeln bei
Schnittgeschwindigkeiten
über
1,4
m/s
in
Granit
und
Sandstein
überdurchschnittliche hohe Verschleißraten fest und empfehlen die
Drehzahl möglichst gering zu halten.
(XXI, S. 22)
Eine Auswirkung auf die
Penetration selbst kann die Schnittgeschwindigkeit in besonders hartem
und zähem Fels haben. Hier hat sich gezeigt, dass es oft sinnvoller ist, die
unteren Drehzahlbereiche zu wählen, um dem Gestein mehr Zeit zur
Bruchbildung zu geben. (VIII, S. 444 f)
GRIMSCHEID gibt als optimale Abrollgeschwindigkeit für Disken aller
Größen im Kaliberbereich ca. 1,83 m/s an. Bei höheren Geschwindigkeiten
nimmt der Verschleiß deutlich zu. (XIII, S. 67)
3.3
FORMELN UND PROGNOSEMODELLE FÜR DIE PENETRATION
Viele Autoren haben sich der Erforschung der Penetration bereits gewidmet und
versuchten
den
Einfluss
der
oben
genannten
Gesteins-,
Gebirgs-
und
Maschinenparameter auf die Penetration über empirisch gewonnene Formeln
kalkulierbar zu machen. Mit diesen Rechenansätzen sollten Prognosemodelle
erstellt werden, mit deren Hilfe die Bauzeit und Wirtschaftlichkeit von
maschinell aufgefahrenen Tunnelprojekten besser abgeschätzt werden kann.
LEITNER (2004) stellt in seiner Dissertation eine umfangreiche Liste diverser
Formeln zur Penetrationsermittlung zusammen.
Formeln
enthalten
als
wichtigste
(XIII, S. 61)
Die meisten dieser
Schlüsselparameter
die
einaxiale
Druckfestigkeit des Gesteins sowie die Diskenandruckkraft und sind empirisch
über Auswertung von Baustellendaten entstanden. Darin begründet sich das
größte Problem: viele der einfachen Prognosemodelle mögen zwar für einen
bestimmten Maschinentyp und eine bestimmte Geologie brauchbare Werte
- 26 -
Penetration
geliefert haben, doch deren Umsetzung gestaltet bei anderen Projekten mit
unterschiedlichen geologischen und technischen Randbedingungen schwierig.
Die weiteste Verbreitung unter den Prognosemodellen hat wohl jenes der NTNU
Trondheim gefunden. Es ist ein ziemlich kompliziertes Verfahren, das viele
Eingangsparameter berücksichtigt und deshalb zu verhältnismäßig genauen
Penetrationsprognosen
führt.
Auf
eine
detailliertere
Beschreibung
des
Verfahrens soll hier verzichtet und auf andere Autoren wie LEITNER (2004)
verwiesen werden. (XIII, S.36-44)
Die Umlegung dieses oder eines anderen Modells auf die ausgewerteten
Maschinendaten
der
Baustelle
in
Bodio
konnte
mangels
geologischer
Informationen nicht durchgeführt werden.
3.4
OFFENE FRAGEN
Bei der Literaturrecherche zur vorliegenden Untersuchung stellte sich bald
heraus, dass sich die meisten Autoren den geologischen Einflussparametern auf
die Penetration gewidmet haben und den Schwerpunkt ihrer Arbeit auf jene
Aspekte gelegt haben. Grundsätzlich sind solche Überlegungen nicht unrichtig.
Die geologischen Verhältnisse stellen die wichtigsten Einflussgrößen auf die
Penetration und entscheiden über die grundsätzliche Machbarkeit eines
maschinellen
Vortriebs,
seine
Wirtschaftlichkeit,
die
Bauzeit
und
das
Maschinenkonzept.
Dennoch stellt sich immer wieder die Frage, welche Fahrweise für eine TVM die
ökonomischste ist. Die Klärung dieser Frage erweist sich deshalb so
problematisch, weil eine Vielzahl von Parametern berücksichtigt und monetär
bewertet werden müssen. Dazu kommen projektsspezifische Unterschiede,
welche die jeweiligen Rahmenbedingungen komplett ändern können. So kann es
in einem Fall besser sein, die Maschinendrehzahl zu reduzieren um den
Verschleiß geringer zu halten, doch in anderen Fällen mit hohem Termindruck
- 27 -
Penetration
wird es keine Option zu voller Drehzahl und vollem Druck geben. Die daraus
resultierenden Mehrkosten für Diskenwechsel und Reparatur müssen dann
meist in Kauf genommen werden.
Das größte Problem bei der Untersuchung von TBM-Vortrieben ist der enorme
finanzielle Druck, der hinter diesen Projekten steht. Er verhindert die
Durchführung von zeitintensiven Versuchen und Erkundungen und blockiert
somit die Gewinnung weiterer Erkenntnisse, die sich am besten durch
Experimente an Ort und Stelle gewinnen lassen.
- 28 -
Bohrklassenregelungen
4 BOHRKLASSENREGELUNGEN
Bohrklassen sollen eine Einteilung der Gebirgsfestigkeit ermöglichen. Damit soll
der Aufwand für die Gesteinslösung erfasst und in Klassen unterteilen werden.
Bohrkassen beschreiben die „Härte“ des abzubauenden Gebirges. Ihnen wird der
Sicherungsaufwand, der nötig ist um die Stabilität des Hohlraums zu
gewährleisten, gegenüber gestellt. Je nach Norm werden beide Parameter
berücksichtigt und bilden letztendlich die Vortriebsklassen.
4.1
NORMENWERKE IM DEUTSCHSPRACHIGEN RAUM
Österreich, Deutschland und die Schweiz haben zur Beurteilung des Gebirges im
maschinellen Vortrieb sehr unterschiedliche Strategien entwickelt. Besonders
die
Schweiz,
bedingt
durch
die
Hartgesteinstunnelbohrmaschinen,
lange
hat
Tradition
ein
und
genaues
Erfahrung
mit
Procedere
zur
Vortriebsklassifizierung entwickelt. Die unterschiedlichen Regelungen sollen für
jedes der drei Länder im Weiteren beschrieben werden.
4.1.1
VORTRIEBSKLASSEN GEMÄSS ÖNORM B 2203 (ÖSTERREICH)
Die alte Norm B 2203 „Untertagebauarbeiten“, Ausgabe 1994-10 sieht eine
Vortriebsklassifizierung nach eingebauten Stützmitteln vor. Grundsätzlich wird
von
denselben
Gebirgsverhaltenstypen
wie
im
konventionellen
Vortrieb
ausgegangen. Diese wären:
A = standfestes bis nachbrüchiges Gebirge
B = gebräches Gebirge
C = druckhaftes Gebirge
Die Vortriebsklassen werden über 2 Ordnungszahlen, die in einer Matrix
aufgetragen werden, ermittelt. Die erste Ordnungszahl bewertet die Standzeit
des Gebirges, also nach welcher Zeit die Sicherungsmittel eingebaut wurden. Die
zweite Ordnungszahl bewertet die Ausbruchsmittel selbst und gewichtet sie nach
- 29 -
Art, Ausbruchsquerschnitt und Arbeitsbereich. Sie wird als Stützmittelzahl
bezeichnet.
Mit 1.1.2005 hat eine neu überarbeitete Version der Norm, die ÖNORM B 2203
Teil 2: Kontinuierlicher Vortrieb, Gültigkeit erlangt. Sie gibt grundsätzliche
Richtlinien für den Maschinellen Tunnelbau vor, wie bei der Bewertung der
Bohrbarkeit eines Gebirges vorgegangen werden muss und wie die Regelungen
im Werkvertrag zwischen Auftraggebern und ausführenden Firmen zu
vereinbaren sind. Grundsätzlich gibt es nach der Werkvertragsnorm keine festen
Vorgaben, es müssen also je nach den technischen Randbedingungen neue
Übereinkommen getroffen werden.
Im
Gegensatz
zu
Teil
Bohrklassenbestimmung
1
Mittel
für
zur
zyklischen
Vortrieb
ist
Vortriebsklassifizierung
nun
und
die
bildet
zusammen mit der Stützmittelzahl als Einheit für den benötigten Ausbau die
Grundlage für eine leistungsbezogene Abrechnung. Das heißt, das Gebirge wird
nach seiner Bohrbarkeit und dem nötigen Einsatz von Sicherungsmitteln in
Klassen eingeteilt, für die jeweils eigene Abrechnungspositionen im Zuge der
Werkvertragsregelungen bestimmt werden.
Die erste Ordnungszahl in der neuen Norm beschreibt das Löseverhalten des
Gebirges und soll den aufzufahrenden Tunnel in Homogenbereiche unterteilen,
für die ein gewisser Bohrfortschritt erzielt werden soll. Besonders für Tunnel
großen Durchmessers und schwer zu prognostizierender Bohrleistung (hohe
Überlagerung, schlechte Kenntnisse des Zerlegungsgrades etc.) empfiehlt die
Norm in Punkt 4.3.2.2 die erste Ordnungszahl über eine Unterteilung nach
Penetration oder Festigkeitswerten vorzunehmen. Aufgrund der im maschinellen
Vortrieb eingeschränkten Einsicht der Felsoberfläche schlägt die Norm vor, für
geodätische Messungen die Messwerte aus dem Betriebsdaten-Erfassungssystem
heranzuziehen. Sie verweist also dezidiert auf die Möglichkeit, Maschinendaten
aus dem Vortrieb zu nutzen um damit geologische Dokumentation zu betreiben.
- 30 -
4.1.2
VORTRIEBSKLASSEN GEMÄSS DIN 18312 (DEUTSCHLAND)
Die Norm für „Allgemeine technische Vertragsbedingungen für Bauleistungen –
Untertagebauarbeiten“, Ausgabe 1998-05 regelt die Vortriebsklassifizierung
ähnlich der alten ÖNORM ausschließlich über die erforderlichen Stützmittel und
deren behindernde Auswirkung beim Einbau auf den Vortrieb.
Vortriebsklasse
TBM 1
TBM 2
TBM 3
TBM 4
TBM 5
Ausbruchsart
Ausbruch ohne Sicherung
Ausbruch mit Sicherung, deren Einbau das Lösen nicht behindert
Ausbruch mit Sicherung unmittelbar hinter der Maschine oder bereits im
Maschinenbereich, deren Einbau das Lösen behindert
Ausbruch mit Sicherung unmittelbar hinter dem Bohrkopf, für deren Einbau
das Lösen unterbrochen werden muss
Ausbruch mit Maßnahmen der besonderen Art, für deren Durchführung das
Lösen unterbrochen werden muss
Tabelle 3: Vortriebsklassen nach DIN 18312, Ausgabe 1998-05
Aufgrund der Nichtberücksichtigung des Löseverhaltens des Gebirges ist die
Klassifizierung gemäß DIN nur sehr oberflächlich und hat wenig Aussagekraft.
Die Norm wurde mit der DIN 18312, Ausgabe: 2002-12, neu überarbeitet.
4.1.3
VORTRIEBSKLASSEN GEMÄSS SIA 198 (SCHWEIZ)
Die SIA 198 „Untertagebau“, Ausgabe 1993 wurde 2004 durch eine Neuauflage
ersetzt.
Die
Norm
vom
Jahr
1993
war
allerdings
zur
Zeit
der
Werkvertragserstellung für den Gotthard-Basistunnel von Gültigkeit, weshalb
sie an dieser Stelle näher beschrieben werden soll. Die SIA 198 (1993) bewertet
den monetären Aufwand zur Hohlraumerstellung über die dazu notwendigen
Sicherungsmaßnahmen
und
deren
Einbauzeitpunkt,
sowie
den
nötigen
Bohraufwand.
Grundsätzlich wird bei den Ausbruchsklassen zwischen Vollausbruch (A) und
Ausbruch in Phasen mit Erweiterungsmaschinen (E) unterschieden. Die
Ausbruchsklassen bilden, ähnlich der ÖNORM, eine erste Größe in der
Vortriebsklassenmatrix und werden wie folgt definiert:
- 31 -
Ausbruchsklasse
AK I.
AK II.
AK III.
AK IV.
AK V.
AK T.
Behinderung des Ausbruchs
Die Ausbruchssicherung verursacht eine unbedeutende Behinderung des
Ausbruchs.
Die Ausbruchssicherung verursacht eine leichte Behinderung des
Ausbruchs.
Die Ausbruchssicherung verursacht eine erhebliche Behinderung des
Ausbruchs.
Die Ausbruchssicherung verursacht eine Unterbrechung des
Ausbruchszyklus (sofortige Sicherung nach jeder Ausbruchsetappe).
Die Ausbruchssicherung erfolgt laufend mit dem Ausbruch und bedingt eine
sofortige Stützung der Brust oder eine Voraussicherung.
Die Ausbruchssicherung besteht aus einem geschlossenen Tübbingring, der
sofort und durchgehend eingebracht wird.
Tabelle 4: Ausbruchsklassen nach SIA 198, Ausgabe 1993
Der Aufwand zum Abbau des Festgesteins wird über Bohrklassen definiert,
welche sowohl die Penetration als auch den Werkzeugverschleiß als maßgebende
Faktoren
berücksichtigen.
Sie
werden
vom
Bauherrn
aufgrund
charakteristischer Fels- und Gebirgskenngrößen festgelegt und bilden somit die
Basis für eine Unterteilung des Tunnels in Homogenbereiche mit vergleichbaren
Eigenschaften. Die Norm lässt aber auch andere Regelungen zu, wie zum
Beispiel
die
Bohrklassenermittlung
nach
tatsächlich
möglichen
Penetrationswerten. Dazu werden Testhübe vorgesehen, die täglich unter
genormten Rahmenbedingungen durchgeführt werden müssen. Mit diesen
Testhüben soll eine Nettobohrgeschwindigkeit ermittelt werden, die dann in der
Abrechnung für den ganzen Tag gültig ist. Einschränkend wird festgestellt, dass
dieses Verfahren jedoch nur für Sonderfälle geeignet ist, da die Ergebnisse aus
dem Testhub nicht immer für den gesamten Tag repräsentativ sind.
Bohrklassen werden mit den Buchstaben X, Y, Z etc. bezeichnet und gemeinsam
mit den Ausbruchsklassen in eine Vortriebskassenmatrix eingetragen. Die
jeweilige Kombination einer bestimmten Bohrklasse mit einer bestimmten
Ausbruchsklasse ergibt eine gesonderte Position in der Abrechnung nach der die
Vortriebskosten abgegolten werden.
- 32 -
Ausbruchsklassen
I
II
III
IV
V
T
Bohrklassen
X
Y
Z
IX
IY
IZ
II X II Y II Z
III X III Y III Z
IV X IV Y IV Z
VX
VY
VZ
TX
TY
TZ
Tabelle 5: Vortriebsklassen nach SIA 198, Ausgabe 1993
Mit Einführung der neuen Norm (SIA 198, „Allgemeine Bedingungen für
Untertagebau“, Ausgabe 2004), ergaben sich gewisse Änderungen in der
Vortriebsklassenermittlung. Die früher verwendeten Ausbruchsklassen wurden
im Zuge der Neugestaltung der Norm in den weniger verwirrenden Begriff
„Sicherungsklassen“ umbenannt und einer genaueren Beschreibung unterzogen.
Bei den Sicherungsklassen wird unterschieden, ob die Stützmittel noch im
Maschinenbereich (L1) oder im Nachläuferbereich (L2) eingebaut wurden, was
sich auf deren Behinderung des Vortriebs auswirkt. Sicherungsmittel, die im
rückwärtigen Bereich hinter dem Nachläufer eingebracht werden, berücksichtigt
die Sicherungsklasse nicht mehr. Die Sicherungsklassen SK 1 bis SK 5 sowie
SK T
für
Tübbingausbau
entsprechen
ansonsten
weitgehend
den
alten
Ausbruchsklassen.
Zur Ermittlung der Bohrklassen gibt es keine neuen Empfehlungen. Zum
Testvorschub wird aber festgehalten: „Die Bohrklasse kann beispielsweise durch
die Bestimmung der Penetration in einem Testvorschub bestimmt werden. Ist
keine andere Vereinbarung getroffen, gilt diese Methode als vereinbart.“ Ein
direkter Hinweis darauf, die Bohrklassen aus den unmittelbar beim Vortrieb
gewonnenen Maschinendaten zu ermitteln, findet sich allerdings nicht. Nach
Meinung des Autors ein gewisses Versäumnis, da dies wohl die genaueste Basis
wäre und mit den meisten Maschinen modernen Typs durchführbar ist.
- 33 -
4.2
DIE BOHRKLASSENERMITTLUNG AM BAULOS BODIO
Während die Ausbruchsklassen nach SIA 198 „Untertagebau“, Ausgabe 1993
definiert werden, ergaben sich bei der Bohrklassenermittlung, im Zuge der
Bautätigkeit und dadurch gewonnener praktischer Erfahrungen, immer wieder
Änderungen im Procedere. Ursprünglich erfolgte die BK-Ermittlung durch
Testhübe. Nachdem man erkannt hat, dass die Durchführung dieser Versuche
einerseits den Vortrieb behindert und andererseits deren Ergebnisse sehr oft
nicht
mit
den
durchschnittlichen
über
einen
Tag
angetroffenen
Gesteinsverhältnissen überein stimmen, entschloss man sich, die BK über die
Maschinendaten aus dem normalen Vortrieb zu berechnen. Der Testhub kam in
weiterer Folge nur noch in Sonderfällen und mittlerweile gar nicht mehr zum
Einsatz.
Die im Folgenden beschriebene Vorgehensweise schildert die Durchführung
eines Testhubs:
Ausgehend von einem maximal zulässigen Anpressdruck pro Rollenmeißel mit
250 kN, werden 80-85 % davon als im Testhub zu erreichender Wert angesehen.
Die Bohrkopfdrehzahl soll ebenfalls auf 80-85 % der Maximaldrehzahl von 6,3
Umdrehungen per Minute gehalten werden. In der Regel wählte man bei den
Testhüben 5 Umdrehungen pro Minute. Der Penetrationstest wird über 400
Millimeter Länge durchgeführt. Danach wird der Bohrkopf bei drehendem
Schneidrad wieder zurückgezogen und erneut vorgeschoben. So kann über den
Druck im Vorschubzylinder die Reibungskraft, die auf den Schildmantel wirkt,
ermittelt werden, um bei der Penetrationsberechnung von der Vorschubkraft
abgezogen werden zu können. Somit erhält man die tatsächlich auf die Disken
wirkende Anpresskraft. Ist eine Messung der Reibung nicht möglich, wird sie mit
5.000 kN angenommen. Die mit Hilfe dieses Versuchs ermittelte Penetration
dient als Grundlage für die Berechnung einer Sollpenetration nach Formel 2.
Die Penetrationsermittlung erfolgt mittlerweile über die Auswertung der
Maschinendaten des ganzen Tages. Von 6.00 Uhr des betreffenden Tages bis 5.59
Uhr des Folgetages werden sämtliche gefahrenen Hübe in die BK-Ermittlung
- 34 -
miteinbezogen.
Über
jeden
und
Hub
wird
Penetration
das
gebildet
arithmetische
und
mit
Mittel
der
der
Hublänge
multipliziert. Die Summe dieser Produkte durch die gesamte Vortriebslänge
dieses Tages ergibt einen Mittelwert von Vortriebspressenkraft (Vist) und
Penetration (Pist) über die Vortriebstagesleistung.
Hübe deren Vist größer als 18.500 kN oder kleiner als 13.500 kN ist, werden bei
der Bohrklassenermittlung nicht berücksichtigt, um Zonen mit besonders
weichen oder extrem harten Gesteinsverhältnissen gesondert zu betrachten. Die
alte Regelung sah die Durchführung eines Testhubs am Folgetag vor, wenn mehr
als
25
%
der
gemessenen
Hublängen
aufgrund
mangelnder
Vortriebspressenkraft nicht zur BK-Bestimmung herangezogen werden durften.
Mittlerweile ist man auch von diesem Vorgehen abgekommen und setzt in
solchen Fällen vereinfachend die vorhandene Penetration der Sollpenetration
gleich.
Die Bohrklassen werden durch eine Sollpenetration (Psoll) definiert, die bei einem
durchschnittlichen Anpressdruck von 16.000 kN erreicht worden wäre. Demnach
muss also die tatsächliche Penetration (Pist) bei realem Anpressdruck über eine
einfache Gleichung zu einer Sollpenetration „relativiert“ werden, die letztendlich
ein Maß für die Bohrbarkeit des Gebirges ist. Dabei werden 5.000 kN für die
durchschnittliche Schildmantelreibung abgezogen.
oder
Vist = tatsächliche Vortriebspressenkraft [kN]
Pist = tatsächliche Penetration [mm/U]
Psoll = Sollpenetration [mm/U]
Formel 2: Berechnung der Sollpenetration laut Werkvertrag
- 35 -
Die Bohrklassen werden im Werkvertrag nach folgenden Sollpenetrationen
eingeteilt:
Bohrklasse
U
V
W
X
Y
Z
Sollpenetration
Psoll [mm/U]
<3
3,01 - 5
5,01 - 7
7,01 - 9
9,01 - 12
> 12
Tabelle 6: Bohrklasseneinteilung gemäß Werkvertrag
Die hier beschriebene Bohrklassenermittlung hat viele Vorteile gegenüber der
Ermittlung per Testvorschub. Schließlich wird jeder Meter Vortrieb zur
Penetrationsberechnung herangezogen und nicht nur ein Abschnitt von 400
Millimetern, was bei einer durchschnittlichen Vortriebstagesleistung von über 15
Metern weniger als 3 Prozent entspricht und somit unrepräsentative Werte
liefern kann. Darüber hinaus wird der Vortrieb nicht gestört und es gibt weniger
Konfliktpotential zwischen den Parteien bei der Wahl einer geeigneten Strecke
für die Versuchsdurchführung.
- 36 -
Datenerhebung und Auswertung
5 DATENERHEBUNG UND AUSWERTUNG
5.1
STEUERUNG EINER TBM DURCH DEN TBM-FAHRER
Die Klärung der Frage, wie ein TBM-Fahrer auf Veränderungen der Geologie
oder des Maschinenverhaltens reagiert, soll in diesem Kapitel erörtert werden.
Zu diesem Zwecke wurde der TBM-Fahrer FREUND W., der auf 15 Jahre
Erfahrung am Steuerstand diverser TVMs zurückblicken kann, zu seiner
Tätigkeit befragt.
Dabei ist anzumerken, dass die Regelung einer Vortriebsmaschine sehr dem
individuellen Empfinden des Bedienenden unterliegt und es grundsätzlich keine
Lehrmeinung zu diesem Thema gibt. Die Steuerinputs hängen also nicht nur von
der jeweiligen Gebirgsart ab, sondern auch vom Maschinentyp und dem
Verantwortlichen am Steuerpult.
5.1.1
FEEDBACK DURCH DIE TBM
Primär
interessiert,
wie
der
TBM-Fahrer
Veränderungen
in
den
Gebirgseigenschaften erkennt und welches Feedback die Maschine gibt, auf das
es zu reagieren gilt.
Bei kompaktem Fels wird die Drehzahl auf 6 Umdrehungen pro Minute und der
Druck auf etwa 18.000 kN gehalten. Stellen sich nun Veränderungen in der
geologischen Situation ein, was innerhalb von Sekunden der Fall sein kann, so
erkennt sie der TBM-Fahrer anhand einiger Maschinenparameter auf seinem
Steuerstand.
¾ Optische Kontrolle der Ortsbrust:
Vor jedem Hub wird ein Blick in den Bohrkopf gemacht. Durch das
Mannloch kann man die Ortsbrust erkennen und sich einen ersten
Überblick über die geologische Situation verschaffen. Gleichzeitig wird
- 37 -
eine optische Kontrolle der Rollmeißel durchgeführt um blockierte Disken
zu erkennen und gegebenenfalls sofort zu wechseln.
¾ Förderbandüberwachung:
Eine wichtige Einrichtung ist eine Videokamera, die den Blick auf das
Förderband
zulässt.
Große
Blöcke
am
Förderband
lassen
auf
Ortsbrustnachbrüche schließen. Weiters kann über die Videoüberwachung
der
Füllungsgrad
optisch
kontrolliert
und
bei
Überladung
die
Vorschubkraft reduziert werden. Zusätzlich zur optischen Kontrolle wird
der Förderbanddruck, ebenfalls ein Maß für dessen Auslastung, gemessen
und am Bildschirm dargestellt.
¾ Druck auf den Schildmantel:
Der Schildmantel der TBM ist, wie in Abbildung 5 und 6 erkenntlich, in
Segmente aufgeteilt, welche über Hydraulikzylinder verstellt werden
können. Über die Hydraulik im Schild kann der TBM-Fahrer leichte
Richtungskorrekturen vornehmen sowie bei drückendem Gebirge den
Durchmesser verringern um ein Einklemmen der Maschine zu verhindern.
Gleichzeitig helfen ihm die Drücke in den Firstzylindern bei der
Begutachtung der Nachbrüchigkeit des Gebirges. Hohe Auflasten deuten
auf größere Kluftkörper hin, die im Bereich des Fingerschildes gesichert
werden müssen und lassen den Verdacht zu, dass mit zerklüfteter
Ortsbrust gerechnet werden muss.
¾ Stromverbrauch der Antriebsmotoren:
Der angezeigte Stromverbrauch der Antriebsmotoren schnellt bei blockiger
Ortsbrust immer wieder in die Höhe, wenn es gröbere Widerstände durch
verkeilte Steine in den Räumerschaufeln gibt. Je inhomogener die
Stromaufnahme verläuft, desto inhomogener ist meist das zu bearbeitende
Gebirge.
- 38 -
¾ Vortriebspressenkraft:
Über den Anpressdruck in den Vorschubzylindern können ebenfalls
Aussagen über das Gebirge getroffen werden. Der Maschinenfahrer
versucht den Druck möglichst nahe am Maximum von 240 bar zu halten,
was 18.500 kN entspricht. Brechen nun Teile der Ortsbrust nach oder wird
eine weiche Zone angefahren, so bietet der Fels dem Bohrkopf weniger
Widerstand und der Druck sackt ab. Deshalb ist es ständig nötig, den
Druck
am
Potentiometer
und
damit
die
Vorschubgeschwindigkeit
nachzuregeln.
¾ Penetration:
Wichtigster Steuerparameter ist die Penetration selbst, die der Fahrer am
Monitor verfolgen kann. Hier erhält er unmittelbare Informationen über
das Gebirge und das Maschinenverhalten. Spitzen in der Penetration
deuten auf weiche Zonen oder Nachbrüche hin. Eine Maximalpenetration
sollte nicht überschritten werden, um das Förderband nicht zum
Überlaufen zu bringen, sie liegt bei diesem Maschinentyp bei etwa 10 bis
11 Millimetern pro Umdrehung, was einer Menge von knapp einem
Zehntelkubikmeter Ausbruchsmaterial je Sekunde entspricht.
Zusätzlich zu den hier genannten
objektiven Maschinenparametern,
die Aufschluss über das Gebirge
geben
können,
gibt
es
noch
subjektive Wahrnehmungen durch
den TBM-Fahrer wie Vibrationen
und
Geräusche.
allerdings
relativ
Sie
haben
geringe
Bedeutung, zumindest bei diesem
Maschinentyp.
Abbildung 10: Blick in den Steuerstand der TBM S-211
- 39 -
5.1.2
REAKTIONEN AUF VERÄNDERUNGEN IN DEN GEBIRGSEIGENSCHAFTEN
Stellt der Fahrer im Steuerstand nun Veränderungen in der geologischen
Situation fest, so muss er darauf reagieren, um einerseits die Vortriebsleistung
möglichst am Maximum zu halten und andererseits die Maschine und deren
Abbauwerkzeuge zu schonen.
Problematisch sind immer inhomogene Bereiche, in denen mit ausbrechenden
Kluftkörpern und hohen dynamischen Belastungen zu rechnen ist. Besonders bei
Mixed Face Bedingungen, die starke Meißelbelastungen und Momente auf den
Bohrkopf übertragen, ist es notwendig, die Vorschubkraft zurück zu nehmen. Da
bei blockiger Ortsbrust die Disken immer wieder den Kontakt zum Fels verlieren
und dann gegen vorstehende Blöcke schlagen, werden sie mit hohen
Wechselbelastungen oft überbeansprucht. Diese Belastungswechsel stellen
besonders für die Lager große Probleme dar und können zu vorzeitigen
Lagerschäden und somit Blockierern führen. Darüber hinaus wird besonders bei
Mixed Face Bedingungen die Maschine asymmetrisch belastet. Das führt zu
Verwindungen des Bohrkopfs und zu Überlastung jener Disken, die gerade am
kompetenten Fels anstehen und den Großteil der Vorschubkraft übertragen
müssen. Deshalb muss der TBM-Fahrer besondere Sorgfalt walten lassen und
rechtzeitig den Druck zurücknehmen. Eine Reduzierung der Drehzahl, wie es
zeitweise Praxis an der Ost-TBM war, bringt hier wenig und hat vor allem den
Nachteil, dass die Räumerkapazität durch die verringerte Rotation reduziert
wird. Generell wird die Drehzahl selten reduziert, weil die Antriebsmotoren, im
Falle einer zu raschen Drehzahlsenkung, die Schwungmasse des Bohrkopfs
abfangen und somit als Generatoren wirken. Folglich wird zusätzlicher Strom
ins Netz eingespeist, was zu Kurzschlüssen führen kann.
Anders ist die Situation bei homogener Ortsbrust. Hier kann man mit der
ans
Limit
gehen,
da
hier
die
Disken
ständigen
Felskontakt haben und weniger mit Lastwechseln zu kämpfen haben. Besonders
bei extrem harten Verhältnissen scheint der Vortriebspressenkraft noch größere
- 40 -
Bedeutung zuzukommen, da ja erst eine kritische Andruckkraft überwunden
werden muss um Gesteinschips zu lösen.
Interessant erscheint auch, dass es für besonders harte Gesteine nach Aussagen
des TBM-Fahrers oft günstiger ist, die Drehzahl zu reduzieren um brauchbare
Penetrationswerte zu erzielen. FREUND beschreibt dieses Phänomen bildlich
mit einer Glasscheibe, über die man mit zu hoher Drehzahl lediglich
drüberpoliert und den Disken erst bei geringerer Geschwindigkeit die
Möglichkeit gegeben wird, sich in das Material zu schneiden. Diese Aussage
deckt sich auch mit den Erkenntnissen, die GEHRING (1995) veröffentlicht hat
und die bereits in Kapitel 3.2.3 beschrieben wurden.
5.2
AUSWERTUNG DER BISHERIGEN VORTRIEBSDATEN
5.2.1
VORTRIEBSDATEN
TBMs modernen Typs haben meist ein automatisches Datenerfassungssystem,
das in regelmäßigen Abständen sämtliche bedeutende Maschinendaten erfasst,
um sowohl genaue Dokumentation des Vortriebs zu liefern als auch um die
Maschine technisch überwachen zu können. Da die meisten Daten ohnehin in
Echtzeit dem TBM-Fahrer im Steuerstand visualisiert werden, ist es nahe
liegend, diese wichtigen Informationen auch zu speichern. Die gespeicherten
Daten werden in so genannten Hubprotokollen abgelegt. Ein neuer Hub beginnt
mit dem Umsetzen der Gripper und dauert bis zum erneutem Umsetzen nach
beendigen des Vortriebs. Die Hublänge wird im Regelfall durch die maximal
mögliche Ausfahrlänge der 4 Vorschubzylinder mit etwa 2,10 Metern begrenzt,
sofern keine geologischen oder technischen Probleme ein vorzeitiges Abbrechen
des Hubs erforderlich machen.
In Falle der hier untersuchten TVMs geschieht die Datenerfassung im 10Sekunden Rhythmus und umfasst 138 verschiedene Maschinenparameter wie
Hydraulikdrücke,
Vermessungsdaten,
Stromverbrauche,
Kühlwasserstände,
- 41 -
Hydrauliköltemperaturen und die folgenden hier aufgezählten Parameter, die im
Zuge dieser Diplomarbeit weiter untersucht wurden:
¾ Penetration [mm/U]
¾ Vortriebspressenkraft [kN]
¾ Vortriebsgeschwindigkeit [mm/min]
¾ Bohrkopfdrehzahl [U/min]
¾ Bohrkopfdrehmoment [kNm] *
¾ Stromaufnahme der Antriebsmotoren [Ampere] *
* in Prozent der Maximalauslastung angegeben
Stromaufnahme und Drehmoment werden deshalb in Prozent angegeben, weil
sie sich auf ihre Maximalwerte beziehen. Eine Stromaufnahme von 30 %
entspricht
einer
Auslastung
der
Antriebsmotoren
von
30
%
ihrer
Maximalleistung von 3.500 kW. Für das Bohrkopfdrehmoment gilt ähnliches, es
bezieht sich auf ein Nenndrehmoment von 8.517 kNm. Über die Auslastung des
Bohrkopfantriebs wird die aktuelle elektrische Leistung bestimmt. Möchte man
die mechanisch erbrachte Leistung untersuchen, so muss das Produkt aus
Drehmoment und Winkelgeschwindigkeit des Bohrkopfs gebildet werden.
Theoretisch sollte die mechanische Leistung der elektrischen entsprechen, eine
Nichtlinearität ergibt sich jedoch aus dem Leistungsfaktor der Elektromotoren,
dessen Größe vom aktuellen Betriebspunkt abhängt. Das Drehmoment wird
nicht direkt an der Antriebsachse gemessen, sondern über die Stromaufnahme
der Antriebsmotoren bestimmt. Der lastabhängige Leistungsfaktor wird in der
Momentenaufzeichnung
berücksichtigt
und
automatisch
korrigiert.
Im
Nachhinein Schlüsse von der Stromaufnahme auf das Bohrkopfdrehmoment zu
ziehen, ist folglich fehlerbehaftet.
Wie in 2.3 beschrieben, sind die untersuchten TBMs weggesteuert, versuchen
also ihre Vortriebsgeschwindigkeit konstant zu halten, indem sie immer dieselbe
Menge Hydrauliköl in die Vortriebspressen pumpen, sofern die Gebirgsfestigkeit
- 42 -
dies zulässt. Daraus wird ersichtlich, dass die Tunnelbohrmaschine eine
Reduktion der Drehzahl von beispielsweise 6 auf 5 Umdrehungen pro Minute mit
höherem Anpressdruck kompensieren wird, um die Penetration zu erhöhen. Da
die Vortriebsgeschwindigkeit das Produkt aus Drehzahl und Penetration ist,
muss die Maschine ihre Penetration um 20 Prozent erhöhen, um bei 20prozentiger Drehzahlverringerung die Vortriebsleistung zu halten. Dass dieses
Maschinenverhalten auftritt ergibt sich aus der Bauweise und Steuerung der
Vorschubzylinder und muss nicht näher untersucht werden. Interessant
erscheint vielmehr, um welches Maß sich die Vortriebspressenkraft erhöht, um
wie in unserem Beispiel die Penetration um 20 Prozent zu steigern.
5.2.2
VORGEHENSWEISE BEI DER DATENAUSWERTUNG
Der erste Schritt zur Datenanalyse war die Auswahl und Sortierung der für die
Untersuchung relevanten Vortriebsdaten. Das Datenerfassungssystem der TBM
speichert die Werte in einer Datenbankdatei (.dat-Format) ab und weist jedem
Parameter einen Code zu. Die erste Aufgabe bestand darin, die Hubprotokolle in
Stapelverarbeitung zu öffnen, nach dem jeweiligen Code zu suchen, die
betreffenden Spalten in eine neue Excel-Datei zu übertragen und neu beschriftet
sowie sortiert abzulegen. Dazu war es nötig, Visual Basic Makros zu erstellen,
die automatisch alle 7.300 Hubprotokolle öffneten und die wesentlichen Spalten
zu folgender Ansicht zusammenfassten.
DATUM
UHRZEIT
HUB-NR.
STATUS
30.01.2003
30.01.2003
30.01.2003
30.01.2003
30.01.2003
30.01.2003
30.01.2003
30.01.2003
30.01.2003
30.01.2003
30.01.2003
30.01.2003
30.01.2003
13:18:43
13:19:01
13:19:11
13:19:21
13:19:31
13:19:41
13:19:51
13:20:01
13:20:11
13:20:21
13:20:31
13:20:41
13:20:51
47
47
47
47
47
47
47
47
47
47
47
47
47
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
PENETRATION VTP-KRAFT
[mm/U]
[kN]
5,000
5,000
4,000
5,000
5,000
5,000
4,000
5,000
5,000
5,000
5,000
5,000
5,000
17698,000
16568,000
16178,000
17407,000
15718,000
15383,000
15905,000
15658,000
15436,000
15546,000
15081,000
15473,000
15113,000
DREHVORTRIEBS- STROMAUFMOMENT
GESCHW.
NAHME
[%]
[mm/min]
[%]
33,000
24,000
43,000
30,222
24,000
41,000
34,000
21,000
44,000
30,444
27,000
42,000
28,000
27,000
38,000
26,444
27,000
37,000
33,778
21,000
44,000
29,000
27,000
41,000
26,778
27,000
37,000
30,222
27,000
42,000
31,111
24,000
41,000
27,222
24,000
37,000
26,889
24,000
37,000
Tabelle 7: Ansicht eines bereinigten Hubprotokolls
BOHRKOPFDREHZAHL
[U/min]
5,180
5,180
5,120
5,120
5,120
5,180
5,180
5,120
5,180
5,120
5,060
5,060
5,250
- 43 -
Mit Status ist der Maschinenstatus gemeint. Er definiert den aktuellen
Arbeitsprozess, der auf der TBM läuft. Status 2 steht für Vortrieb. Nachdem
sämtliche Hubprotokolle auf diese Weise bearbeitet waren, stand anstatt jedes
Hubprotokolls eine Excel-Datei zur Verfügung, die auf die 10 wesentlichen
Parameter reduziert war und die weitere Bearbeitung per Makro vereinfachte.
Als nächster Punkt sollten die Hübe nach geologischen Homogenbereichen
sortiert werden, um die Auswertung nach Bohrbarkeitsklassen zu gliedern.
Damit sollte erreicht werden, dass die Ergebnisse von guten Gebirgsklassen
nicht mit jenen schlechter Gebirgsklassen vermischt und auf diese Weise
verzerrt werden. Da in diesem Fall keine baubegleitende geologische Aufnahme
seitens des Auftragsnehmers durchgeführt wurde, standen keine diesbezüglichen
Daten bereit. Somit blieb die einzige Möglichkeit über die Maschinendaten
Bohrbarkeitsklassen zu definieren. Hier hat der Autor auf die am Baulos Bodio
bereits verwendete Bohrklassenermittlung zurückgegriffen. An dieser Stelle soll
auf
die
Erklärungen
in
Kapitel
4.2
verwiesen
werden,
wo
auf
die
Bohrklassenregelung näher eingegangen wird.
Für die weitere Auswertung wurden lediglich jene Hübe herangezogen, deren
durchschnittliche Andruckkraft über 13.500 kN liegt. Dies ist ein Schwellenwert
für die Gültigkeit der Bohrklassenbestimmung und wurde deshalb auch hier
übernommen.
In
Bereichen
mit
schlechter
Gebirgsgüte
muss
die
Vortriebspressenkraft zurückgenommen werden, um die Maschine zu schonen
und das Förderband nicht zu überlasten. Es kann angenommen werden, dass
diese extrem weichen Bereiche sehr großen geologisch bedingten Streuungen
unterworfen sind, was die Genauigkeit der Auswertung herabsetzen würde.
Für die verbleibenden Hübe wurde die jeweilige Sollpenetration ermittelt. Das
Vorgehen
dabei
entspricht
ziemlich
genau
jenem
der
üblichen
Bohrklassenermittlung. Mit diesem Vorgehen lässt sich für jeden Hub ein Psoll
angeben,
das
ein
stark
vereinfachtes
Maß
für
die
durchschnittliche
Gesteinsfestigkeit darstellt. Sämtliche Hübe wurden in weiterer Folge nach der
- 44 -
Größe ihrer Sollpenetration geordnet und in bohrklassenäquivalente Gruppen
geteilt. Im weiteren Verlauf der Untersuchungen blieb das Hauptaugenmerk auf
den mittleren Bohrklassen V, W und X, was den Penetrationsbereich 3,01 bis 9
mm/U abdeckt. Die Bohrklasse unter 3 mm/U ist mengenmäßig am Baulos Bodio
so selten vertreten, dass keine gültigen Drehzahlwechsel darin gefunden werden
konnten, deshalb wurde sie nicht weiter behandelt. Genauso wurde mit den
Bohrklassen Y und Z verfahren. Sie gelten für sehr weiche Zonen, die starke
tektonische Zerlegung aufweisen. In diesen kann nicht mit standfesten
Gebirgsverhältnissen gerechnet werden, welche einen ungestörten Bohrprozess
erwarten lassen.
In den verbleibenden Bohrklassen V bis X, welche den Großteil der gesamten
Tunnelvortriebslänge ausmachen, wurde nach sprunghaften Wechseln in der
Bohrkopfdrehzahl gesucht. Wieder musste hier auf die Stapelverarbeitung
mittels Makro zurückgegriffen werden. Das Makro hatte die Aufgabe, sämtliche
Hubprotokolle der Reihe nach zu öffnen und nach Drehzahlwechseln (DZW) zu
durchsuchen. Dabei mussten einige Auswahlkriterien erfüllt werden, um einen
DZW als repräsentativ und gültig zu erklären:
¾ Größe der Bohrkopfdrehzahl und Vortriebsstatus:
Zuerst musste die Bohrkopfdrehzahl größer als 4 Umdrehungen pro
Minute sein und der Maschinenstatus die letzten 2,5 Minuten vor dem
DZW auf Vortrieb stehen, womit verhindert werden sollte, dass der DZW
durch Anfahren des Bohrkopfs bedingt wurde.
¾ Größe des Drehzahlwechsels:
Der Drehzahlwechsel selbst muss, egal ob nach fallender oder steigender
Drehzahl gesucht wurde, innerhalb von 20 Sekunden eine zumindest 15Prozentige Veränderung in der Rotationsgeschwindigkeit bringen.
¾ Konstanz der Drehzahl:
- 45 -
Ein weiteres Auswahlkriterium war, dass sämtliche Einzelwerte der
Umdrehungszahl in den letzen 2 Minuten vor dem Drehzahlwechsel um
nicht mehr als +/- 20 Prozent vom unmittelbar letzten Wert vor DZW
abweichen dürften. Dasselbe galt auch für die beiden Minuten nach dem
Drehzahlwechsel. Dies sollte für möglichst konstante Verhältnisse im
vierminütigen Beobachtungszeitraum sorgen.
¾ Konstanz der Vortriebsgeschwindigkeit:
Das letzte zu erfüllende Kriterium war schließlich eine konstant gehaltene
Vortriebsgeschwindigkeit,
deren
Mittel
vor
und
nach
dem
Drehzahlwechsel um nicht mehr als +/- 5 Prozent schwanken durften.
Damit sollte verhindert werden, dass auch DZWs ausgelesen werden, bei
denen der TBM-Fahrer nicht nur die Drehzahl sondern auch am
Potentiometer die Bohrgeschwindigkeit selbst verändert hatte, was das
gesamte
Ergebnis
zunichte
machen
würde.
Schließlich
sah
die
Aufgabenstellung vor, Zusammenhänge zwischen Bohrkopfdrehzahl und
Anpressdruck
und
deren
Auswirkungen
auf
die
Penetration
zu
untersuchen. Diese Zusammenhänge lassen sich nur finden, wenn außer
der Drehzahl nichts im System verändert wurde.
Die zu erfüllenden Kriterien gelten nicht nur für den Drehzahlwechsel selbst,
sondern auch für die beiden Minuten vor und nach der Drehzahländerung.
Abbildung 11 veranschaulicht die für die Auswertung relevanten Zeitintervalle.
Würde man diese Bereiche größer wählen, könnten Streuungen in den
Maschinendaten zwar verringert werden, dafür müsste man geologische
Unschärfen in Kauf nehmen. In einem 4-minütigen Vortriebsintervall legt die
TBM in der höchsten untersuchten Bohrklasse maximal 0,2 Meter Weg zurück.
In einer derart kurzen Strecke ist nicht anzunehmen, dass sich die geologischen
Verhältnisse nennenswert ändern.
Vortriebsdaten
aus 2 Minuten
Vortrieb vor DZW
DZW
Vortriebsdaten
aus 2 Minuten
Vortrieb nach DZW
Abbildung 11: die in der Auswertung betrachteten Zeitintervalle
- 46 -
Wurde ein Drehzahlwechsel gefunden, der alle Kriterien erfüllt, so wurden die
dazugehörenden Datensätze in eine eigene Datei kopiert. In dieser Datei erfolgte
die graphische Darstellung der Maschinendaten einerseits mit den Einzelwerten
und andererseits mit den gemittelten Daten vor und nach dem DZW, was das
Ablesen von Veränderungen vereinfacht.
Tabelle 8 veranschaulicht die Darstellung von Maschinendaten für einen
Drehzahlwechsel. Die ersten 12 Zeilen zeigen die Parameter vor Änderung der
Drehzahl. Dann erfolgt der Wechsel von 6 auf 5 Umdrehungen pro Minute und
die nächsten 12 Zeilen beinhalten die Daten nach dem DZW. In den Spalten 8-13
wurden jeweils die Mittelwerte (MW) über die Werte vor und nach dem DZW
gebildet. Ganz rechts wurden noch die Sollpenetration und die Bohrklasse für die
gemittelten Maschinendaten vor und nach dem DZW nach Formel 2 ermittelt.
Damit soll aufgezeigt werden, wie sehr sich Veränderungen in der Drehzahl bei
selber Nettovortriebsleistung auf die Abrechnung auswirken. Interessant für
konkretere Aussagen ist, wie sich die Maschinendaten im Mittel durch den
Drehzahlwechsel verändern. Diese Angaben finden sich in der letzten Zeile.
Eine graphische Ansicht der Maschinendaten soll die Ergebnisse anschaulicher
darstellen, als dies in Tabellenform möglich ist. Abbildung 12 zeigt die
tatsächlichen Messwerte der Vortriebsparameter. Im 10-Sekundentakt erfolgt
die Aufzeichnung eines neuen Datensatzes. Dies hat zu Folge, dass oft erhebliche
Schwankungen der Daten auftreten, die ja lediglich eine Momentaufnahme des
rasch wechselnden Maschinenzustands widerspiegeln. Nachteilig an dieser
Darstellungsart ist deren Unübersichtlichkeit, die keine klaren Schlüsse auf das
Maschinenverhalten ziehen lassen. In Abbildung 13 wurde versucht, diesem
Manko Rechnung zu tragen. Grundlage für diese Graphik, sind die gemittelten
Maschinendaten
der
2-minütigen
Zeitabschnitte
vor
und
nach
dem
Drehzahlwechsel. Hier lassen sich ganz klare Tendenzen erkennen, wie die
Tunnelbohrmaschine auf Änderungen in der Bohrkopfdrehzahl reagiert.
Letztendlich waren die gemittelten Maschinendaten auch Grundlage für die
weitere Datenauswertung, deren Ergebnisse in Kapitel 5.3.2 präsentiert werden.
- 47 -
Penetration
[mm/U]
6,25
6,28
6,27
6,45
6,40
5,82
6,03
6,57
5,62
5,32
5,99
6,75
6,55
7,54
6,65
6,62
7,61
7,21
7,54
8,00
7,20
6,62
7,03
8,59
Status
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
VTVTP-Kraft Moment Geschw.
[kN]
[%]
[mm/min]
16623
31,40
38,40
16770
30,90
37,80
16833
32,10
38,10
16954
31,40
38,40
16991
34,70
38,10
16843
35,80
35,40
16854
28,40
35,10
17355
35,10
38,70
17477
34,10
34,50
17413
28,70
33,00
17019
36,30
37,20
17276
37,80
39,30
16916
34,10
34,80
17173
33,10
38,10
17514
31,80
33,60
18252
33,70
33,90
18103
40,00
37,50
17634
38,80
36,00
18449
43,20
38,10
18224
43,10
38,40
18201
33,60
37,80
18315
40,00
33,90
18005
41,60
36,00
17586
41,40
42,90
DrehStrom
Zahl
[%]
[U/min]
51,00
6,14
48,00
6,02
51,00
6,08
48,00
5,95
55,00
5,95
57,00
6,08
46,00
5,82
55,00
5,89
54,00
6,14
46,00
6,21
58,00
6,21
61,00
5,82
49,00
5,31
42,00
5,06
43,00
5,06
45,00
5,12
52,00
4,93
54,00
4,99
59,00
5,06
60,00
4,80
46,00
5,25
55,00
5,12
55,00
5,12
54,00
4,99
Veränderung in [%]:
MW
MW
MW VTMW
MW
Pene- MW VTPtration
Kraft
Moment Geschw. Strom Drehz. Psoll
6,15
17034
33,06
37,00 52,50
6,03
6,15
17034
33,06
37,00 52,50
6,03
6,15
17034
33,06
37,00 52,50
6,03
6,15
17034
33,06
37,00 52,50
6,03
6,15
17034
33,06
37,00 52,50
6,03
6,15
17034
33,06
37,00 52,50
6,03
6,15
17034
33,06
37,00 52,50
6,03
6,15
17034
33,06
37,00 52,50
6,03
6,15
17034
33,06
37,00 52,50
6,03
6,15
17034
33,06
37,00 52,50
6,03
6,15
17034
33,06
37,00 52,50
6,03
6,15
17034
33,06
37,00 52,50
6,03 5,62
7,26
17864
37,87
36,75 51,36
5,07
7,26
17864
37,87
36,75 51,36
5,07
7,26
17864
37,87
36,75 51,36
5,07
7,26
17864
37,87
36,75 51,36
5,07
7,26
17864
37,87
36,75 51,36
5,07
7,26
17864
37,87
36,75 51,36
5,07
7,26
17864
37,87
36,75 51,36
5,07
7,26
17864
37,87
36,75 51,36
5,07
7,26
17864
37,87
36,75 51,36
5,07
7,26
17864
37,87
36,75 51,36
5,07
7,26
17864
37,87
36,75 51,36
5,07
7,26
17864
37,87
36,75 51,36
5,07 6,21
18,2
5,0
14,5
-0,7
-2,2
-15,9
Tabelle 8: Datenaufbereitung am Beispiel des DZW in Hub 1391 der TBM S-210
19000
65
60
55
18000
50
45
17000
40
35
16000
30
25
15000
20
15
14000
10
5
0
10
20
30
Penetration [mm/U]
40
50
60
70
Drehmoment [kNm]
80
90
100
110
120
130
V ortriebsgeschw indigkeit [mm/min]
140
150
160
170
Stromauf nahme [%]
180
190
200
210
Drehzahl [U/min]
220
230
13000
240 sec.
Vortriebspressenkraft [kN]
Abbildung 12: Graphische Darstellung der Daten am Beispiel des DZW in Hub 1391 der TBM S-210
BK
W
W
- 48 -
Status
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Penetration
[mm/U]
6,25
6,28
6,27
6,45
6,40
5,82
6,03
6,57
5,62
5,32
5,99
6,75
6,55
7,54
6,65
6,62
7,61
7,21
7,54
8,00
7,20
6,62
7,03
8,59
VTVTP-Kraft Moment Geschw.
[kN]
[%]
[mm/min]
16623
31,40
38,40
16770
30,90
37,80
16833
32,10
38,10
16954
31,40
38,40
16991
34,70
38,10
16843
35,80
35,40
16854
28,40
35,10
17355
35,10
38,70
17477
34,10
34,50
17413
28,70
33,00
17019
36,30
37,20
17276
37,80
39,30
16916
34,10
34,80
17173
33,10
38,10
17514
31,80
33,60
18252
33,70
33,90
18103
40,00
37,50
17634
38,80
36,00
18449
43,20
38,10
18224
43,10
38,40
18201
33,60
37,80
18315
40,00
33,90
18005
41,60
36,00
17586
41,40
42,90
DrehStrom
Zahl
[%]
[U/min]
51,00
6,14
48,00
6,02
51,00
6,08
48,00
5,95
55,00
5,95
57,00
6,08
46,00
5,82
55,00
5,89
54,00
6,14
46,00
6,21
58,00
6,21
61,00
5,82
49,00
5,31
42,00
5,06
43,00
5,06
45,00
5,12
52,00
4,93
54,00
4,99
59,00
5,06
60,00
4,80
46,00
5,25
55,00
5,12
55,00
5,12
54,00
4,99
Veränderung in [%]:
MW
MW
MW VTMW
MW
Pene- MW VTPtration
Kraft
Moment Geschw. Strom Drehz. Psoll
6,15
17034
33,06
37,00 52,50
6,03
6,15
17034
33,06
37,00 52,50
6,03
6,15
17034
33,06
37,00 52,50
6,03
6,15
17034
33,06
37,00 52,50
6,03
6,15
17034
33,06
37,00 52,50
6,03
6,15
17034
33,06
37,00 52,50
6,03
6,15
17034
33,06
37,00 52,50
6,03
6,15
17034
33,06
37,00 52,50
6,03
6,15
17034
33,06
37,00 52,50
6,03
6,15
17034
33,06
37,00 52,50
6,03
6,15
17034
33,06
37,00 52,50
6,03
6,15
17034
33,06
37,00 52,50
6,03 5,62
7,26
17864
37,87
36,75 51,36
5,07
7,26
17864
37,87
36,75 51,36
5,07
7,26
17864
37,87
36,75 51,36
5,07
7,26
17864
37,87
36,75 51,36
5,07
7,26
17864
37,87
36,75 51,36
5,07
7,26
17864
37,87
36,75 51,36
5,07
7,26
17864
37,87
36,75 51,36
5,07
7,26
17864
37,87
36,75 51,36
5,07
7,26
17864
37,87
36,75 51,36
5,07
7,26
17864
37,87
36,75 51,36
5,07
7,26
17864
37,87
36,75 51,36
5,07
7,26
17864
37,87
36,75 51,36
5,07 6,21
18,2
5,0
14,5
-0,7
-2,2
-15,9
[kN]
19000
60
55
18000
50
45
17000
40
35
30
16000
25
20
15000
15
10
14000
5
Drehzahlw echsel
0
10
20
30
Penetration [mm/U]
40
50
60
70
Drehmoment [kNm]
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
Stromauf nahme [%]
180
190
200
210
Drehzahl [U/min]
Abbildung 13: gemittelte Daten am Beispiel des DZW in Hub 1391 der TBM S-210
220
230
13000
240 sec.
BK
W
W
- 49 -
Zusätzlich zur hier beschrieben Untersuchung der Drehzahlwechsel wurde das
Potential
der
großen
Datenmenge
darüber
hinaus
genutzt,
um
eine
Gesamtübersicht über die Maschinendaten des gesamten Vortriebs zu machen.
Auch hier wurden allerdings nur jene Hübe betrachtet, deren durchschnittliche
Vortriebspressenkraft über 13.500 kN liegt. Die Hübe wurden nach ihrer
Sollpenetration aufsteigend sortiert und sämtliche über den Hub gemittelten
Maschinenparameter eingetragen. Man erhält somit eine Grafik, die das
Maschinenverhalten in Abhängigkeit von Psoll beziehungsweise der Bohrklasse
darstellt. Die Gesamtübersicht wurde über mehr als 2.500 Einzelhübe je TBM
durchgeführt. Sie zeigt die Mittelwerte folgender Maschinenparameter pro Hub:
¾ Penetration [mm/U]
¾ Vortriebspressenkraft [kN]
¾ Vortriebsgeschwindigkeit [mm/min]
¾ Bohrkopfdrehzahl [U/min]
¾ Bohrkopfdrehmoment [kNm] *
¾ Stromaufnahme der Antriebsmotoren [Ampere] *
¾ Sollpenetration gemäß Werkvertrag [mm/U]
* in Prozent der Maximalauslastung angegeben
Trotz der Datensortierung nach Sollpenetration treten auch innerhalb derselben
Bohrklasse starke Schwankungen der Vortriebsdaten auf. Um Aussagen über
Tendenzen
im
Maschinenverhalten
treffen
zu
können
und
um
die
Anschaulichkeit im Diagramm zu erhöhen, wurde jeder Maschinenparameter
über einem Polynom 6. Grades angenähert, das einen stetigen Verlauf annimmt.
5.3
ERGEBNISSE DER DATENAUSWERTUNG
5.3.1
ERGEBNISSE DER AUSWERTUNG ALLER HÜBE
Die Ergebnisse der Gesamtübersicht sollen lediglich qualitative beziehungsweise
semiquantitative Aussagen bezüglich des Maschinenverhaltens in Abhängigkeit
- 50 -
von der Bohrklasse liefern. Man kann grundsätzlich davon ausgehen, dass sich
mit steigender Sollpenetration die Gebirgseigenschaften verschlechtern. Genaue
geologische Aufnahmen gibt es allerdings nicht, da die Dokumentation seitens
des Auftragnehmers bis dato über die Maschinendaten erfolgte. Es lassen sich
jedoch gewisse Tendenzen ablesen, deren Gültigkeit durch die hohe Datendichte
von etwa 2-mal 2.500 ausgewerteten Hüben statistisch gut abgesichert ist.
Hier im Text soll der Übersichtlichkeit wegen lediglich die vereinfachte, über
eine Polynom 6. Grades angenäherte Darstellung der Maschinendaten erfolgen.
Die Abbildungen 14 und 15 entsprechen grundsätzlich der Komplettdarstellung
im Anhang, lediglich die Bohrkopfanpresskraft ist hier auf die daraus
resultierende Diskenandruckkraft umgerechnet worden. Der mathematische
Zusammenhang sieht folgendermaßen aus:
V = Vortriebspressenkraft [kN]
R = Schildmantelreibung (hier: 5.000 kN)
n = Anzahl der Disken (hier: 58 Stk.)
F = Meißelandruckkraft [kN]
Formel 3: Berechnung der Meißelandruckkraft
Bei Betrachtung der Auswertungen für beide TBMs fällt auf, dass sich die
Maschinendaten von S-210 in den schlechten Bohrklassen anders verhalten als
jene von S-211 (siehe Abbildungen 14 und 15). Zwar lässt sich die geologische
Situation in beiden Tunnelröhren nur bedingt vergleichen, dennoch sind
abweichende Gebirgseigenschaften für dieses Maschinenverhalten nicht alleine
verantwortlich zu machen. Der Grund liegt viel mehr darin, dass es einige Zeit
auf S-210 üblich war, auf schlechte Gebirgseigenschaften mit Verringerung der
Drehzahl zu reagieren. Hier wird verdeutlicht, wie unterschiedlich die
Bedienung durch verschiedene TBM-Fahrer sein kann. Des Weiteren lässt sich
erkennen, dass auf der TBM S-210 in den guten Bohrklassen mit etwas mehr
Druck gefahren wird als auf S-211 und auf der anderen Seite bei den höheren
BKs die Vortriebspressenkraft noch drastischer reduziert wird. Die Reduzierung
- 51 -
der
Drehzahl
in
Kombination
mit
der
deutlichen
Reduzierung
der
Vortriebspressenkraft ergibt in Bohrklassen Y und Z einen deutlich anderen
Verlauf der Maschinenparameter als bei konstant gehaltener Drehzahl auf der
TBM
in
der
Weströhre.
Drehmoment,
Stromaufnahme
und
Vortriebsgeschwindigkeit, letztere als Produkt von Penetration und Drehzahl,
erfahren auf S-211 eine markante Steigerung in den schlechten Bohrklassen,
während sich diese Werte auf S-210 bei gleicher Bohrklasse reduzieren.
Einerseits sind diese Auswirkungen durchaus der leicht unterschiedlichen
Fahrweise auf den TBMs zuzuschreiben, andererseits darf nicht unerwähnt
bleiben, dass S-210 in der Oströhre besonders zu Vortriebsbeginn mit großen
Störzonen zu kämpfen hatte. Was auch in den Maschinendaten zum Ausdruck
kommt, weil sie teilweise mit weniger Anpressdruck höhere Penetrationswerte in
der Bohrklasse Z erreicht hat als S-211. Aus all diesen Überlegungen ist
anzunehmen, dass S-211 die repräsentativeren Daten in der Übersicht liefert.
Kann der TBM-Fahrer im schlechten Gebirge nicht die volle Pressenkraft
einsetzen, um die Maschine zu schonen und das Förderband nicht zu überlasten,
so erkennt man auch sehr deutlich die negativen Auswirkungen der
Bohrklassenbestimmung am Baulos Bodio. Sobald der Druck unter 16.000 kN
fällt, wird die Sollpenetration aufgrund der Ermittlung nach Formel 2 größer als
die Istpenetration. Dadurch ergeben sich für den Auftragnehmer finanzielle
Nachteile, wie in Kapitel 6.1 noch ausführlicher erläutert wird. bedingt durch
den höher gewählten Anpressdruck in den unteren Bohrklassen auf TBM S-210
ist auch die Istpenetration meist relativ deutlich über der Sollpenetration, ein
Umstand, der auf S-211 nicht so klar erkennbar ist.
Abhängig von der Penetration, aber auch vom Anpressdruck verhält sich das
Bohrkopfdrehmoment. Es nimmt mit steigender Penetration kontinuierlich zu,
da mit der Eindringtiefe der Rollenmeißel in den Fels die Schneidkraft zunimmt.
Die zweite Einflussgröße auf das Drehmoment ist die Anpresskraft selbst, die
neben der Penetration auch Reibung und Rollwiderstand der Disken erhöht.
Abbildung 14: polynomisch geglättete Maschinendaten S-211
Abbildung 15: polynomisch geglättete Maschinendaten S-210
- 52 -
- 53 -
Eindeutig erkennbar ist der Einfluss vom Drehmoment auf den Stromverbrauch
der
Antriebsmotoren.
Das
zu
überwindende
Drehmoment
und
die
Bohrkopfdrehzahl sind die einzigen Einflussparameter auf die Stromaufnahme
der Antriebsmotoren. Hier darf nicht vergessen werden, dass der Strom für die
Vortriebspresse vom Antrieb getrennt angeschlossen ist. Die mechanische
Leistung
ergibt
sich
aus
dem
Produkt
von
Drehmoment
und
Winkelgeschwindigkeit des Bohrkopfs. Setzt man sie mit der elektrischen
Leistung der Antriebsmotoren gleich, so ergibt sich folgender stark vereinfachter
Zusammenhang:
M = Bohrkopfdrehmoment [% von 8517 kNm Nenndrehmoment]
w = Winkelgeschwindigkeit [rad/s]
U = Spannung = 0,4 [kV]
I = Stromaufnahme [% von maximaler Stromaufnahme in Ampere]
P = elektrische Leistung [kW]
f = Frequenz; hier: bei 6 Umdrehungen pro Minute f = 0,1 [U/s]
Formel 4: Zusammenhang von Drehmoment und Stromaufnahme
In den Abbildungen 16 und 17 wurde die elektrische mit der mechanischen
Leistung
verglichen.
Die
elektrische
Leistung
errechnet
sich
aus
der
Stromaufnahme, die angibt, wie viel Prozent der Maximalleistung von 3500 kW
gegenwärtig erbracht werden. Die mechanische Leistung wird nach Formel 4
berechnet. Auch hier wird der Momentenwert aus den Maschinendaten von
Prozent auf kNm umgerechnet, indem selbiger auf das Nennmoment von
8.517 kNm bezogen wird. Die Abweichung von elektrischer zu mechanischer
Leistung liegt im so genannten Leistungsfaktor begründet, dessen Größe von der
aktuellen
Motorauslastung
abhängt.
Für
weitere
Untersuchungen
der
spezifischen Löseenergie wird ausschließlich die mechanische Leistung zufolge
des Drehmoments herangezogen, da jene bereits automatisch um den
Leistungsfaktor korrigiert wurde und somit genaue Ergebnisse liefert.
- 54 -
3000
[kW]
TBM S-211
2500
2000
1500
1000
500
0
Hübe nach Leistung auf steigend sortiert
Polynomisch (Leistung zufolge Bohrkopfdrehmoment)
Polynomisch (Leistung zufolge Stromaufnahme)
Abbildung 16: Vergleich elektrischer zu mechanischer Leistung (S-211)
3000
[kW]
TBM S-210
2500
2000
1500
1000
500
0
Hübe nach Leistung auf steigend sortiert
Polynomisch (Leistung zufolge Bohrkopfdrehmoment)
Polynomisch (Leistung zufolge Stromaufnahme)
Abbildung 17: Vergleich elektrischer zu mechanischer Leistung (S-210)
5.3.2
ERGEBNISSE DER DREHZAHLWECHSELUNTERSUCHUNG
Das Kernthema der vorliegenden Arbeit war weniger die Pauschaluntersuchung
aller Vortriebsdaten sondern vielmehr die gezielte Suche nach Änderungen in
der Bohrkopfdrehzahl, mit welchen man sich detailliertere Einblicke ins
Maschinenverhalten erhoffte. Es ging um die Klärung der Frage, inwiefern sich
dieselbe Vortriebsleistung mit unterschiedlichen Bohrkopfdrehzahlen erreichen
lässt und in welchem Maß sich der Anpressdruck erhöhen muss, um die
verringerte Drehzahl zu kompensieren.
- 55 -
Die Untersuchungen wurden nur an Hüben durchgeführt, deren mittlere
Sollpenetration den Bohrklassen V, W oder X zuzuordnen ist. Für jede
Bohrklasse wurden DZWs für steigende und fallende Drehzahl untersucht. Es
ergeben sich somit 6 Unterteilungen, in denen die Mittelwerte aller DZWs ihrer
Klasse gebildet wurden. Alle 6 Auswertungen befinden sich im Anhang.
Von
jedem
gefundenen
DZW
wurde
die
prozentuelle
Änderung
der
Maschinendaten und die dadurch resultierende Verzerrung der Bohrklassen in
eine weitere Übersichtstabelle übertragen und graphisch ausgewertet.
Es
war
im
Rahmen
dieser
Arbeit
nicht
möglich,
Aussagen
über
bohrklassenspezifisches Maschinenverhalten beim Drehzahlwechsel zu treffen.
Bei lediglich 50 gefundenen DZWs, die 3 Bohrklassen zugeordnet werden, sind
die Streuungen zu groß, um damit seriöse Aussagen machen zu können.
Die Sortierung der Hübe nach Bohrklassen im Vorfeld der Untersuchung und die
damit angestrebte Gliederung in geologische Homogenbereiche wurde obsolet,
weil die unmittelbaren Zeitintervalle um die Drehzahlwechsel oft in andere
Bohrklassen fallen. Es treten also bereits innerhalb eines Hubes starke
Schwankungen in den geologischen Verhältnissen auf, was sich deutlich auf die
Maschinenparameter auswirkt. Deshalb ist das Generalisieren einer Bohrklasse
auf jeden Bereich eines Hubes nicht immer möglich.
In den Tabellen 10 und 11 werden die relativen Änderungen in den
Maschinendaten, hervorgerufen durch den DZW, gezeigt. Darüber hinaus
wurden für das unmittelbare Zeitintervall von 2 Minuten vor und nach dem
DZW
Sollpenetration
und
Bohrklasse
bestimmt,
um
den
Einfluss
der
unterschiedlichen Fahrweise der TBM auf die Abrechnung zu verdeutlichen. Die
Erhöhung der Sollpenetration bei Drehzahlsenkung ergibt sich aus dem
nichtlinearen Verhalten von Druck und Penetration zueinander. Teilweise
kommt es vor, dass sich für denselben Fels aufgrund unterschiedlicher
Fahrweise der TBM eine andere Bohrklasse ergibt. Dieser Umstand wird in
Kapitel 6.1 anhand eines Beispiels verdeutlicht.
- 56 -
Die
Veränderung
der
Maschinendaten, die in den
nebenstehenden
Tabellen
ersichtlich ist, wird zwecks
besserer Anschaulichkeit in
den Abbildungen 18 bis 20
graphisch
dargestellt.
dargestellten
Die
relativen
Änderungen betreffen jeweils
die
Mittelwerte
über
die
Vortriebsdaten vor und nach
dem DZW.
Stromaufnahme und Energie
wurden
in
gesondert
Spalte
dieser
Tabelle
betrachtet.
„Strom“
Veränderungen
Die
stellt
in
Stromaufnahme
der
der
Antriebsmotoren dar. Zum
Unterscheid dazu wurden für
die
Spalte
„Energie“
Änderungen
in
der
Löseenergie
spezifischen
angegeben. Sie wurde aus
dem
Bohrkopfdrehmoment
ermittelt. Nähere Details zur
Berechnung der spezifischen
Löseenergie
sind
dem
Kapitel 6.2 zu entnehmen.
Tabelle 10: Auflistung sämtlicher Drehzahlwechsel mit
fallender Drehzahl
- 57 -
Zu
den
Ergebnissen
ist
grundsätzlich anzumerken,
dass sich die Maschine in
allen Bohrklassen relativ
ähnlich
verhält.
Schwankungen
den
Die
zwischen
Bohrklassen
sind
einerseits verhältnismäßig
klein,
andererseits
aufgrund
der
geringen
Datenmenge
nicht
statistisch
bestätigt.
Es
ist
folglich ausreichend, die in
den Tabellen 10 und 11 in
der letzten Zeile gebildeten
Mittelwerte
als
quantitatives
teil-
Ergebnis
anzusehen. Zur genaueren
Untersuchung
Ergebnisse,
dieser
müssten
des
Weiteren Penetrationstests
durchgeführt werden.
Wie erwartet gleicht die
TBM
aufgrund
der
Wegsteuerung
der
Vortriebspresse
eine
Drehzahlsenkung
mit
verstärktem
Vorwärtsschub aus (siehe
Kapitel
Tabelle 11: Auflistung sämtlicher Drehzahlwechsel mit
steigender Drehzahl
bestrebt,
2.3).
die
Sie
ist
aktuelle
- 58 -
Penetrationsleistung zu erhöhen, um bei geringerer Umdrehungszahl dieselbe
Nettovortriebsgeschwindigkeit zu erreichen. Um die Vortriebsgeschwindigkeit
konstant zu halten, muss die TBM ihre Penetration um denselben Faktor
steigern, wie die Drehzahl reduziert wurde. In der Regel entspricht das
Maschinenverhalten auch dieser Erwartung, von kleinen Abweichungen
abgesehen. Um welchen Faktor sich der Anpressdruck verändern muss, um
Änderungen der Bohrkopfdrehzahl auszugleichen, ist die viel interessantere
Fragestellung. Die Auswertung ergab, dass die Vorschubkraft auf den DZW nur
in
geringem
Ausmaß
reagiert.
Bei
einer
Senkung
der
Drehzahl
um
durchschnittlich 15 Prozent reichte eine Druckerhöhung von gut 3 Prozent aus,
um
die
Vortriebsgeschwindigkeit
zu
halten.
Abbildung
18
zeigt
den
Zusammenhang:
∆ Druck [%]
10
5
∆ Drehzahl [%]
0
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
-5
-10
-15
f allende Drehzahl
Durchschnitt f allende Drehzahl
steigende Drehzahl
Durchschnitt steigende Drehzahl
Abbildung 18: Reaktion des Anpressdrucks auf Änderungen der Drehzahl
Vergleichbar
verhalten
sich
demzufolge
auch
die
beiden
Parameter
Anpressdruck und Penetration zueinander. Im Mittel reicht eine Steigerung der
Anpresskraft von etwa 3 % um die Penetration um 15 % zu steigern, wie
Abbildung 19 erkennen lässt. Eine Beobachtung, die in ähnlicher Weise auch von
TBM-Fahrer W. FREUND bei seiner Tätigkeit im Steuerstand gemacht wurde.
- 59 -
∆ VTP-Kraft [%]
10
5
∆ P enetratio n [%]
0
-35
-3 0
-2 5
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
-5
-10
-15
f allende Drehzahl
Durchschnitt f allende Drehzahl
steigende Drehzahl
Durchschnitt steigende Drehzahl
Abbildung 19: Reaktion der Penetration auf Änderungen der Vortriebspressenkraft
Dass die Penetration überproportional zur Steigerung der Anpresskraft
anwächst, wird zum Teil auch in der Literatur beschrieben. (III, S. 20 ff und XIV, S. 11)
Überraschend
ist
bei
diesem
Ergebnis
allerdings
diese
extreme
Leistungssteigerung bei einer Erhöhung der Anpresskraft um wenige Prozent. In
kN ausgedrückt, wären es etwa 500 kN zusätzlicher Krafteintrag um die
Penetration um 15% zu steigern.
Der Einfluss der Bohrkopfdrehzahl auf die Bohrleistung ließ sich im Rahmen
dieser Datenanalyse nicht klären. Gemeint ist damit, ob es Unterschiede im
Löseverhalten von Fels gibt, wenn bei gleichem Diskenandruck die Drehzahl
variiert wird. Hinweise in der Literatur zu diesem Thema sind selten, es gibt
allerdings Beobachtungen, die in extrem hartem Gestein von besseren
Bohrergebnissen mit verringerter Umdrehungsgeschwindigkeit berichten.
(VIII, S.
444 f)
Im Zuge dieser Diplomarbeit wurde auch ein Interview mit Dr. A. ROHATSCH,
Experte für technische Gesteinskunde an der TU-Wien, geführt, in dem er zu
Festigkeitssteigerung bei überhöhter Lastaufbringungsgeschwindigkeit befragt
wurde (Gespräch am 13.5.2004).
Aus Laborversuchen ist bekannt, dass Gestein wie viele andere Werkstoffe auch
höhere Kurzzeitfestigkeit als Langzeitfestigkeit hat. Der Grund liegt darin, dass
- 60 -
dem Material bei zu schneller Lastaufbringung ungenügend Zeit zur Verformung
und
Rissbildung
gegeben
wird.
Der
Werkstoff
Gestein
bildet
bei
Spannungseintrag noch lange vor dem endgültigen Versagen Mikrorisse aus.
Irreparable Gefügeschäden, die zu einer Verringerung der Festigkeit und
letztendlich zu immer größeren Brucherscheinungen führen, bis es zum
endgültigen Kollaps kommt. ROHATSCH schätzt aus seiner Erfahrung heraus,
die Langzeitfestigkeit der meisten Gesteinsarten auf lediglich 2/3 der
Laborfestigkeiten nach Norm. Der Grund liegt offensichtlich darin, dass das
Gestein
schon
lange
vor
Erreichen
der
Bruchlast
beginnt,
Mikrorisse
auszubilden. Wegen der schnellen Laststeigerung wird dem Material allerdings
keine Zeit gegeben, ein zerstörendes Rissgefüge auszubilden, es kann damit noch
zusätzliche
Spannungen
Zeitintervalle,
die
aufnehmen.
um
Diese
Zehnerpotenzen
Beobachtungen
über
betreffen
jenen
der
Lastaufbringungsgeschwindigkeit durch die Diske einer TBM liegen. Deshalb
können die Ergebnisse aus dem Laborbetrieb in keiner Weise mit dem
Bohrprozess beim maschinellen Vortrieb verglichen werden. Trotzdem liegt der
Gedanke nahe, dass auch der Fels an der Ortsbrust eine gewisse Zeit zur
Rissbildung braucht, um Gesteinschips zu lösen.
Ebenfalls bemerkenswert in diesem Zusammenhang erscheinen auch die
Berichte
von
TROCKNER
Schnittgeschwindigkeiten
und
über
1,4
WAGNER
m/s
in
(1998)
Granit
(XXI, S. 22),
und
die
bei
Sandstein
überdurchschnittliche hohe Verschleißraten der Abbauwerkzeuge feststellen
konnten. Auch hier besteht der Verdacht, dass der Löseprozess bei zu hoher
Abbaugeschwindigkeit ineffektiv wird. Vielleicht deshalb, weil auf das Gestein
mehr Spannung übertragen wird als für den Bruchvorgang eigentlich nötig wäre
und somit den Gesteinssplittern nicht ausreichend Zeit gegeben wird, von der
Ortsbrust abzuplatzen. Je nach Gesteinsart kann die Wahl der geringeren
Drehzahl vielleicht tatsächlich den entscheidenden Ausschlag für bessere
Penetrationsleistung liefern.
- 61 -
Ein weiterer Parameter, der bei wechselnder Bohrkopfdrehzahl verändert wird,
ist das Drehmoment. Diese Veränderung bedingt sich durch ansteigende
Penetration, weshalb sich die Schnittkräfte der Rollenmeißel erhöhen.
Dabei zeigt sich trotz großer Streuungen ein relativ lineares Verhältnis dieser
Parameter (siehe Abbildung 20).
∆ Moment [%]
35
30
25
20
15
10
5
∆ Penetration [%]
0
-35
-3 0
-2 5
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
-5
-10
-15
-2 0
-2 5
-3 0
f allende Drehzahl
steigende Drehzahl
Linear (f allende Drehzahl)
Linear (steigende Drehzahl)
Abbildung 20: Reaktion des Bohrkopfdrehmoments auf Änderungen der Penetration
Eine nennenswerte Auswirkung auf den Stromverbrauch der Antriebsmotoren
haben die Drehzahlwechsel nicht. Die Energieersparnis durch die reduzierte
Drehzahl wird durch das anwachsende Moment wieder ausgeglichen, sodass sich
hier keine eindeutige Aussage hinsichtlich energiesparender Fahrweise treffen
- 62 -
lässt. Tendenziell ist der Energieverbrauch bei geringerer Drehzahl etwas
kleiner als bei höherer. Allerdings handelt es sich hierbei um 1,5 bis 2 Prozent,
was ohne Auswirkung auf den praktischen Baubetrieb ist.
Die spezifische Löseenergie des Gesteins wird aus der mechanischen Leistung
des Bohrkopfs berechnet und verhält sich somit ähnlich der elektrischen
Leistung und damit der Stromaufnahme. Auch hier zeichnet sich eine
Verringerung des Energieverbrauchs mit der Drehzahlsenkung ab. Auch wenn
die Veränderungen von 2,5 bis 3 Prozent marginal sind, so deckt sich dieses
Ergebnis doch mit jenen früherer Untersuchungen, die eine Verringerung der
spezifischen Zerstörungsarbeit mit ansteigendem Diskenandruck festgestellt
haben. (XIV, S. 11)
5.4
ZUSAMMENFASSUNG DER ERGEBNISSE AUS DER DATENANALYSE
¾ Die Penetration steigt in überdimensionalem Maße mit der Erhöhung der
Vortriebspressenkraft.
Das
hier
gefundene
Verhältnis
von
Drucksteigerung zu Penetrationssteigerung von 1 zu 5 erscheint allerdings
ein wenig hoch, da dem Autor der zusätzliche Krafteintrag im Verhältnis
zur
Penetrationssteigerung
sehr
gering
erscheint.
Eine
kritische
Hinterfragung dieses Wertes ist folglich durchaus angebracht. Endgültige
Klärung könnte nur durch Penetrationsversuche geschaffen werden.
¾ Druck statt Drehzahl. Maschinentechnisch scheint eine Fahrweise mit
5 U/min besser als mit 6 U/min, der zusätzlich benötigte Kraftaufwand um
die Vortriebsleistung zu halten dürfte gering sein. Dafür haben die Disken
um 20 % weniger Weg zurückzulegen. Dadurch könnten sich erhebliche
Einsparungen im Meißelverschleiß ergeben, da der Meißelverschleiß mit
gesteigertem Anpressdruck nur unwesentlich zunimmt. Es ist zur
Diskenschonung nicht sinnvoll am Druck, sondern am Rollweg zu sparen
und gleichzeitig die Abrollgeschwindigkeit gering zu halten. (XIII, S. 67)
- 63 -
¾ Die spezifische Löseenergie verringert sich tendenziell mit Erhöhung der
Diskenandruckkraft. Da die Vortriebspressenkraft beim Drehzahlwechsel
jedoch lediglich um wenige Prozent verändert wird, sind auch die
Auswirkungen auf die Zerstörungsarbeit sehr gering. Im Mittel kann mit
einer Veränderung der Löseenergie von 2,5 bis 3 Prozent beim DZW
gerechnet werden.
¾ Die Maschinendaten können innerhalb weniger Zentimeter starke
Schwankungen
aufweisen,
weshalb
sich
Rückschlüsse
auf
die
Gebirgseigenschaften aus der Datenauswertung am besten über lange
Untersuchungsstrecken
ziehen
lassen.
Testvorschübe
sind
deshalb
ungünstig, da ihre Aussagekraft über die tatsächlich angetroffene
geologische Situation völlig unzureichend sein kann. Deshalb ist die
Bohrklassenermittlung über die Vortriebsdaten eines vollen Tages
beträchtlich genauer.
¾ Die Bohrklassenermittlung mittels Sollpenetration ist abhängig von der
Fahrweise
der
TBM
und
kann
trotz
gleich
bleibender
Gebirgseigenschaften unterschiedliche Bohrklassen hervorbringen. Diese
Veränderungen werden bei der Analyse der Drehzahlwechsel sichtbar.
- 64 -
Probleme bei der Bohrklassenermittlung
6 PROBLEME BEI DER BOHRKLASSENERMITTLUNG
Die Bohrklassenermittlung am Baulos Bodio erfolgt über eine tägliche
Auswertung der Vortriebsdaten und gibt damit eine fiktive Sollpenetration vor,
die bei den angetroffenen Gebirgsverhältnissen bei einer Vortriebspressenkraft
von
16.000
kN
erreicht
worden
wäre.
Es
erscheint
schlüssig,
die
Vortriebsleistung über diesen Weg zu korrelieren, doch ergeben sich daraus
durchaus Nachteile für den Auftragnehmer, auf die im nächsten Kapitel näher
eingegangen wird.
6.1
UNGENAUIGKEITEN IN DER BOHRKLASSENERMITTLUNG
Die Bohrklassenberechnung zwingt den Auftragnehmer den Anpressdruck über
16.000 kN zu halten, was über einen ganzen Tag relativ schwer zu
bewerkstelligen sein kann, wenn der Fels nicht absolut standfest ist. Fällt die
mittlere Vortriebspressenkraft eines gesamten Tages unter dieses kritische Maß,
ergibt sich aufgrund der Berechnung nach Formel 2 eine Sollpenetration, die
größer als die tatsächlich Erreichte ist. Es kommt dem Auftragnehmer
andererseits zugute, wenn er die Vortriebspressenkraft der TBMs deutlich über
16.000 kN halten kann. Er fährt somit in der Realität höhere Penetrationsraten
als die Sollpenetration und könnte theoretisch höhere Vortriebsleistungen als
erforderlich erbringen. Dieser Zusammenhang wird in Abbildung 15 ersichtlich,
wo Pist aufgrund hoher Andruckkräfte in den guten Bohrklassen deutlich über
Psoll liegt.
Wirklich große Nachteile für den Auftragnehmer treten erst in den oberen 3
Bohrklassen X, Y und Z ein. Schlechte Gebirgsverhältnisse zwingen den TBMFahrer dazu, den Druck zwecks Schonung der Maschine zu reduzieren. Die
äußeren Umstände lassen eine volle Auslastung somit nicht zu. Die derzeitige
Bohrklassenregelung benachteiligt den Auftragnehmer für schlechte geologische
Verhältnisse. Die Abbildungen 14 und 15 verdeutlichen, wie sich die Kluft
- 65 -
zwischen geforderter Penetration und tatsächlich möglicher Penetration immer
weiter öffnet.
Darüber hinaus fordert die Bohrklassenregelung Sollpenetrationen bis über 17
Millimeter, deutlich höher als das technische Maximum von 10-11 Millimetern.
Bei Überschreitung dieses Limits ist die Förderbandkapazität ausgeschöpft und
das Band neigt zum Überlaufen.
Ein weiteres Kriterium, das die derzeitige Bohrklassenregelung nicht erfüllt, ist
die Forderung der Norm, mit den BKs den Löseaufwand des Gebirges zu
beschreiben. Das heißt für eine Gebirgsart mit gleichen Eigenschaften, muss die
Bohrklasse unabhängig von der Abbaugeschwindigkeit stets dieselbe Bohrklasse
liefern. Genau dieses Problem wird bei der Auswertung der Drehzahlwechsel
verdeutlicht. Bedingt durch das überproportionale Ansteigen der Penetration mit
steigendem Druck werden die Bohrklassen bei gleicher Vortriebsgeschwindigkeit
durch den DZW verzerrt. Ein einfaches Beispiel anhand der Auswertung aller
DZWs mit fallender Drehzahl der Bohrklasse W zeigt diesen Zusammenhang:
MW
MW
MW
MW
MW
MW
Psoll BK
Penetr. VTP.Kraft Moment VT-Geschw. Strom Drehz.
[mm/U]
[mm/U]
[kN]
[%]
[mm/min]
[%] [U/min]
6,79
16297,54
34,33
39,61
52,61
5,85
vor DZW
6,61
W
16908,78
40,11
39,15
51,75
4,85
nach DZW 8,15
7,53
X
Tabelle 12: Maschinendaten vor und nach dem Drehzahlwechsel von etwa 5,85 auf 4,85 U/min
(Mittelwertbildung über sämtliche DZWs der Bohrklasse W)
Ermittelt man die Bohrklassen für das unmittelbare Zeitintervall vor und nach
dem Drehzahlwechsel, so verändert sich die Bohrklasse erheblich. Grund dafür
ist das nichtlineare Anwachsen der Penetration mit der Vortriebspressenkraft
nach Senkung der Drehzahl. Setzt man die Maschinendaten in Formel 2 ein, so
erhält man als Psoll vor dem DZW:
- 66 -
Und nach dem DZW:
Dadurch steigt die Bohrklasse von W auf X, ohne dass sich das Gebirge
verändert hat. Der Auftragnehmer wird dadurch gezwungen eine höhere
Tagesvortriebsleitung
zu
erbringen,
weil
durch
die
fehlerhafte
Bohrklassenermittlung derselbe Fels plötzlich als „weicher“ eingestuft wird.
Darüber hinaus werden die höheren Bohrklassen schlechter vergütet.
Generell konnte bei der Auswertung der Drehzahlwechsel festgestellt werden,
dass bei verringerter Drehzahl die Sollpenetration höher liegt als bei höherer
Drehzahl und das bei gleicher Vortriebsleistung. Im Mittel verändert sich die
Sollpenetration durch den Drehzahlwechsel um etwa 11 Prozent, dadurch kommt
es in jedem vierten DZW zu einer Änderung der Bohrklasse.
Generell ist an der bestehenden Bohrklassenbestimmung zu bemängeln, dass der
überproportionale
Penetrationszuwachs
bei
Erhöhung
des
Drucks
nicht
berücksichtigt wird. Formel 2 setzt die Istpenetration und den dazugehörigen
Druck lediglich in ein lineares Verhältnis zur Sollpenetration bei 16.000 kN
Vorschubkraft. Wird der Bohrkopfanpressdruck beispielsweise auf 16.500 kN
gehalten, so entspricht dies nach Abzug der Schildmantelreibung einer
Steigerung von 4,5 Prozent gegenüber dem Bezugswert von 16.000 kN. Laut BKBestimmung würde die Sollpenetration also um 4,5 % unter Pist liegen.
Tatsächlich zeigen die Ergebnisse der Datenauswertung, dass Psoll in diesem Fall
etwa um 20 % unter Pist liegen sollte. Die Bohrklassenbestimmung nach
Formel 2 ist für Anpressdrücke von 13.500 bis 18.500 kN gültig. Das entspricht
Abweichungen von +/- 23 % vom Bezugswert, was die Sollpenetration in
Extremfällen möglicherweise um bis zu 100 % verzerren könnte.
- 67 -
6.2
ALTERNATIVE ZUR BESTEHENDEN BOHRKLASSENERMITTLUNG
6.2.1
BOHRKLASSENBESTIMMUNG MITTELS SPEZIFSCHER LÖSEENERGIE
Das Schweizer Normenwerk SIA 198, Ausgabe 2004 fordert in Punkt 12.1.3.1:
„Für die Unterteilung in Bohrklassen ist der Aufwand, den Fels mit einer
Tunnelbohrmaschine
abzubauen,
maßgebend“.
Um
den
Aufwand
zu
quantifizieren, ist es nicht nötig, ausschließlich auf die erreichte Penetration
zurückzugreifen. Der Aufwand kann alternativ dazu über die Arbeit ausgedrückt
werden, die zur Hohlraumerstellung nötig ist. Bezieht man die Lösearbeit auf
einen ausgebrochenen Kubikmeter Festgestein, so erhält man die spezifische
Löseenergie
oder
Zerstörungsarbeit
in
kWh/m³.
Der
Begriff
der
Zerstörungsarbeit wurde 1994 erstmals von SPAUN und THURO, im Zuge von
geotechnischen Untersuchungen am Inntaltunnel, eingeführt. Sie berechnet sich
aus
dem
Integral
der
Spannungs-Dehnungs-Kurve
beim
einaxialen
Druckversuch (siehe Abbildung 21).
Abbildung 21: Berechnung der Zerstörungsarbeit aus dem einaxialen Druckversuch (XXVIII, S. 11)
THURO und PLINNINGER (2002) haben beim Bau des Erkundungsstollens
Schwarzach für die im Labor ermittelte Zerstörungsarbeit von Phylliten und
Karbonatschiefern eine deutliche Korrelation von Zerstörungsarbeit und
- 68 -
spezifischer Penetration (Penetration/Diskenandruckkraft) nachweisen können
(siehe Abbildung 22).
Abbildung 22: Spezifische Penetration in Abhängigkeit von der Zerstörungsarbeit (XXVII, S. 11)
THURO sieht in der Zerstörungsenergie eine wichtige Kenngröße zur
Gebirgscharakterisierung und stellt fest: „In allen Fragestellungen, wo es um
Energiebetrachtungen bei Bruchvorgängen (Versagensmechanismen in der
Statik z.B. im Felshohlraumbau) geht, könnte sich möglicherweise die
Zerstörungsarbeit als neuer Lösungsansatz herausstellen.“ (XXVIII, S. 12)
Die
spezifische
Energie
hängt
zum
großen
Teil
von
der
einaxialen
Druckfestigkeit des Gesteins ab. Unter der Vorraussetzung eines konstanten
Spanquerschnitts gilt für Rollenmeißel folgende Regressionsbeziehung:
Es = 5,293 · σD 0,6492 · 10 –1 ± 0,1245
Es = spezifische Energie [kWh/m³]
σD = einaxiale Druckfestigkeit [N/mm²]
Formel 5: spezifischer Energieaufwand in Abhängigkeit der einaxialen Druckfestigkeit (XXI, S. 25)
Für den Levantiner Gneis mit einer Druckfestigkeit von 140 N/mm² bewegt sich
die Löseenergie nach Formel 5 zwischen 9,8 und 17,4 kWh/m³. Vergleicht man
den Wert mit den Abbildungen 23 und 24 in Kapitel 6.2.2, so stellt man eine
- 69 -
deutliche Übereinstimmung zu den tatsächlich gemessenen Werten fest.
Einschränkend muss erwähnt werden, dass die Ergebnisse aus Formel 5 nicht
unreflektiert
übernommen
Gebirgseigenschaften,
werden
vergleichbar
können,
mit
jenen
da
aus
Faktoren
Kapitel
aus
3.2.2,
den
darin
unberücksichtigt bleiben.
Der Zerkleinerungsenergiebedarf hängt generell auch von der Bruchstückgröße
der gelösten Gesteinschips ab. In Kapitel 3.1 wurde bereits beschrieben, dass mit
Verringerung der Chipgröße die spezifische Oberfläche und damit die Größe der
Bruchflächen im Verhältnis zum abgebauten Volumen zunimmt. Jede weitere
Bruchfläche ist das Produkt einer Festigkeitsüberschreitung und bedarf
zusätzlicher Energie. Das heißt, dieselbe Gesteinsart kann mit unterschiedlicher
Löseenergie
abgebaut
Diskenandruckkraft.
werden,
Mit
in
steigender
erster
Linie
abhängig
Diskenandruckkraft
von
der
nimmt
die
Bruchstückgröße zu, was eine Senkung der Löseenergie zufolge hat. Wie die
Versuche der NTNU Trondheim (Kapitel 3.2.3) und die Ergebnisse dieser Arbeit
gezeigt haben, verändert sich die Löseenergie nicht im selben Ausmaß wie die
Penetration bei Steigerung der Vorschubkraft. Sie ist deshalb weniger abhängig
von der Fahrweise der TBM und folglich besser zur Beschreibung von
Bohrklassen geeignet.
6.2.2
UMSETZUNG IN EINE BOHRKLASSIFIZIERUNG FÜR DAS BAULOS BODIO
Bei der Untersuchung der Drehzahlwechsel fiel auf, dass die Sollpenetration
gemäß Werkvertrag Baulos Bodio um durchschnittlich 11 Prozent durch die
Änderung der Bohrkopfdrehzahl verändert wurde. Der Fels wurde trotz gleich
bleibender Eigenschaften durch unterschiedliche Fahrweise der TBM anders
eingestuft. Zur Bohrklassenermittlung müssen Parameter hinzugezogen werden,
die
von
technischen
Einflüssen
weitgehend
unbeeinflusst
bleiben.
Das
verwendete Maschinensystem sowie dessen Handhabung dürfen keine oder nur
geringe Auswirkungen auf die Bohrklasse des Gebirges haben. Die spezifische
Löseenergie erfüllt all diese Anforderungen. Im Schnitt wird die Lösearbeit von
- 70 -
den Drehzahlwechseln um lediglich 2,5 bis 3 Prozent verändert, etwa ein Viertel
jener Veränderung, die bei der Sollpenetration festgestellt werden konnte. Die
Tabellen 10 und 11 in Kapitel 5.3.2 zeigen diesen Zusammenhang.
Die Ermittlung der Löseenergie wird über das Bohrkopfdrehmoment, die
Bohrkopfdrehzahl und die Vortriebsgeschwindigkeit durchgeführt. Bei TBMs die
nicht
über
eine
automatische
Bohrkopfdrehzahl
und
Datenaufzeichnung
Drehmoment
verfügen,
vereinfachend
auch
kann
statt
nur
der
Stromverbrauch der Antriebsmotoren herangezogen werden. Warum die
Ergebnisse in diesem Fall leicht verzerrt werden können, wurde bereits in
Kapitel 5.3.1 erläutert.
Die Ermittlung der Lösearbeit zur Bohrklassenbestimmung erfolgt jeweils über
einen Arbeitstag. Für jeden Hub im betrachteten Zeitintervall werden die
Maschinendaten arithmetisch gemittelt und im Anschluss mit der Hublänge
multipliziert. Die Summe dieser Produkte wird durch die Tagesvortriebslänge
dividiert, so werden die Maschinendaten nicht einfach arithmetisch gemittelt
sondern nach ihrer Gültigkeit für eine gewisse Vortriebslänge gewichtet. Das
Vorgehen entspricht dabei jenem der aktuellen Bohrklassenermittlung, die in
Kapitel 4.2 vorgestellt wurde. Zur Berechnung der Leistung muss das Moment
mit der Winkelgeschwindigkeit des Bohrkopfs multipliziert werden (siehe
Formel 6). Leistung mal Zeit ergibt die von der TBM geleisteten Arbeit pro
Zeiteinheit [kWh]. Mittels Vortriebsgeschwindigkeit wird auf die Bohrleistung je
Stunde geschlossen und der Arbeitsaufwand je Vortriebsmeter berechnet. Über
die Ausbruchsfläche von etwa 63 m² wird die Lösearbeit von einem Kubikmeter
Festgestein berechnet. Zwecks besserer Anschaulichkeit wird folgendes Beispiel
angeführt:
Maschinendaten
Größenangabe in den
Maschinendaten
Umrechnung auf
SI-Einheiten
Bohrkopfdrehmoment
Bohrkopfdrehzahl
Vortriebsgeschwindigkeit
30 [% von 8517 kNm]
6 [U/min]
30 [mm/min]
2555 [kNm]
0,1 [U/s]
1,8 [m/h]
Tabelle 13: Ausgangsdaten für die Berechnung der Löseenergie
- 71 -
M = Bohrkopfdrehmoment [kNm]
w = Winkelgeschwindigkeit [rad/s]
P = mechanische Leistung [kW]
f = Frequenz [U/s]
A = Ausbruchsfläche [63 m²]
v = Vortriebsgeschwindigkeit [m/h]
Es = spezifische Energie [kWh/m³]
Formel 6: Rechengang für die Ermittlung der spezifischen Energie
Für das hier angegebene Beispiel ergibt sich eine spezifische Löseenergie von
14,16 kWh/m³. Die Unterteilung nach Bohrklassen, im Weiteren auch als
Energieklassen bezeichnet, erfolgte nach Durchsicht der Maschinendaten in den
Abbildungen 23 und 24. Folgende 5 BKs schlägt der Autor für das Baulos Bodio
vor:
Bohrklasse
V
W
X
Y
Z
spezifische Löseenergie [kWh/m³]
> 16
12,01 – 16
8,01 – 12
5,01 – 8
≤5
Tabelle 14: Vorschläge für Bohrklassen nach Löseenergie
Für andere Projekte kann eine BK-Einteilung sinngemäß erfolgen. Die
Löseenergie hängt allerdings vom jeweiligen Gesteins- und Gebirgstyp ab und
muss an die geänderten Rahmenbedingungen angepasst werden.
Die Abbildungen 23 und 24 zeigen sämtliche polynomisch gemittelten
Maschinenparameter, welche für alle Hübe des gesamten Vortriebs ausgewertet
wurden. Im Gegenteil zu den Abbildungen 14 und 15 in Kapitel 5.3.1, wurden
hier auch jene Hübe berücksichtigt, deren durchschnittliche Anpresskraft unter
13.500 kN liegt, da die Bohrklassenbestimmung mittels Löseenergie keine
Unterscheidung nach Vortriebspressenkraft vorsieht (Vgl. Kapitel 4.2). Die
Volldarstellung der Diagramme findet sich im Anhang.
Abbildung 23: Maschinendaten sämtlicher Hübe der TBM S-211 nach Löseenergie sortiert
Abbildung 24: Maschinendaten sämtlicher Hübe der TBM S-210 nach Löseenergie sortiert
- 72 -
- 73 -
Um Vergleiche zwischen aktueller Bohrklassifizierung und Energieklasse ziehen
zu können, wurde in den Abbildungen 25 und 26 für sämtliche Hübe, deren
durchschnittliche Vortriebspressenkraft über 13.500 kN liegt, die Sollpenetration
(Psoll) bestimmt und der Löseenergie gegenüber gestellt. Die polynomische
Näherung der Sollpenetration verhält sich indirekt proportional zur Löseenergie,
was
zeigt,
dass
die
beiden
Klassifizierungssysteme
grundsätzlich
übereinstimmen. Im Detail ergeben sich für die Einzelhübe jedoch oft starke
Abweichungen von Löseenergie und Sollpenetration, wie die hellblaue Linie
verdeutlicht. Die Sollpenetration gemäß Werkvertrag erscheint deshalb nur
beschränkt geeignet, um den Aufwand zur Gesteinslösung zu beschreiben.
THURO stellte einen Zusammenhang zwischen spezifischer Penetration und
Zerstörungsarbeit
her
(siehe
Abbildung
22
in
Kapitel
6.2.1).
Dieser
Zusammenhang wurde auch bei den Daten der beiden untersuchten TBMs
festgestellt, wie die Abbildungen 27 und 28 bestätigen. Grundlage für diese
Diagramme waren sämtliche Hübe deren mittlere Vortriebspressenkraft über
10.000 kN lag. Da bei Berechnung des Diskenandrucks nach Formel 3, die
Schildmantelreibung
mit
näherungsweise
5.000 kN
von
der
Vortriebspressenkraft abgezogen werden musste, würden sich für Hübe mit zu
geringem
Bohrkopfanpressdruck
stark
verzerrte
Resultate
ergeben.
Die
spezifische Penetration (Penetration/Diskenandruckkraft) verzeichnet in den
weichen
Gebirgsbereichen
einen
deutlichen
Anstieg
bei
gleichzeitiger
Verringerung der Zerstörungsarbeit. Die Mittelwertbildung über die Punktwolke
erfolgte über eine exponentielle Kurve (Standard Excel-Funktion). Allerdings
ergeben
sich
gewisse
Ungenauigkeiten
in
der
Auswertung,
da
die
Schildmantelreibung für alle Hübe mit 5.000 kN angenommen wird. Nähere
Kenntnisse der tatsächlich abzuziehenden Schildmantelreibung könnten die
Aussagekraft der Diagramme deutlich erhöhen.
- 74 -
Abbildung 25: Vergleich des bisherigen Klassifizierungssystems mit jenem über Löseenergie für die TBM
S-211 (sämtliche Hübe deren mittlere Anpresskraft über 13.500 kN liegt)
Abbildung 26: Vergleich des bisherigen Klassifizierungssystems mit jenem über Löseenergie für die TBM
S-210 (sämtliche Hübe deren mittlere Anpresskraft über 13.500 kN liegt)
- 75 -
TBM S-211
0,14
spezifische Penetration [mm/kN]
0,12
0,10
0,08
0,06
0,04
0,02
0,00
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
Zerstörungsarbeit [kWh/m³]
Abbildung 27: Zusammenhang von spezifischer Penetration und Zerstörungsarbeit (TBM S-211)
TBM S-210
0,14
spezifische Penetration [mm/kN]
0,12
0,10
0,08
0,06
0,04
0,02
0,00
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
Zerstörungsarbeit [kWh/m³]
Abbildung 28: Zusammenhang von spezifischer Penetration und Zerstörungsarbeit (TBM S-210)
24
- 76 -
Ein Nachteil der Bohrklassifizierung mittels Lösearbeit ist, dass sie nur
beschränkt Rückschlüsse von der BK auf eine Tagesvortriebsleistung zulässt.
Zwar steigen die Penetrationsraten (nicht zu verwechseln mit der spezifischen
Penetration) mit sinkender spezifischer Energie an, doch lassen sich nur sehr
vage Übereinstimmungen finden. Die Abbildungen 23 und 24, beziehungsweise
deren Volldarstellungen im Anhang, zeigen diese Problematik. Um auf
Tagesmindestleistungen zu schließen, empfiehlt sich nach Ansicht des Autors die
mittlere Vortriebsgeschwindigkeit eines Arbeitstages auf einen werkvertraglich
vereinbarten
Ausnutzungsgrad
zu
beziehen.
Wird
der
vereinbarte
Ausnutzungsgrad durch Verschulden des Auftragnehmers nicht erreicht, so wird
ihm die resultierende Bauzeitverzögerung angelastet.
Dem aktuellen System zur Ermittlung der täglichen Mindestvortriebsleistung ist
anzumerken, dass der zu erfüllende Bohrfortschritt nach der Sollpenetration
orientiert wird. Aufgrund der Diskrepanz zwischen tatsächlicher Penetration
und Sollpenetration kommt es auch hier in vielen Fällen zu stark überhöhten
Mindestbohrleistungen. Dieser Umstand kommt dann zum tragen, wenn der
Anpressdruck in schlechtem Gebirge deutlich unter 16.000 kN fällt. Da die
Sollpenetration jedoch auf diesen Wert bezogen wird, kann sie deutlich höher als
die tatsächlich Erreichte ausfallen.
Eine Alternative zur derzeitigen Vorgangweise bei der Bohrklassenermittlung
erscheint demnach aus mehreren Gründen sinnvoll, nicht zuletzt um ein
allgemeingültiges, einfaches und trotzdem genaues System zu schaffen. Ein
Hauptvorteil der Energieklassifizierung ist die universelle Anwendbarkeit auf
maschinelle Vortriebe aller Art. Sie kann auch bei TBM-Vortrieben angewandt
werden, wo keine automatische Datenerfassung vorhanden ist. Steht eine
Messung des Bohrkopfdrehmoments nicht zur Verfügung, so kann die
Löseenergie mit ausreichender Genauigkeit über den Stromverbrauch der
Antriebsmotoren berechnet werden. Selbst bei der Klassifizierung von Vortrieben
mit Teilschnittmaschinen scheint eine Anwendung des Modells denkbar.
- 77 -
Abschließend werden in der folgenden Tabelle die Vor- und Nachteile der
Energieklassifizierung gegenüber der derzeitigen Regelung am Baulos Bodio
aufgelistet:
Bohrklassifizierung mittels Löseenergie
Vorteile
¾ Die Löseenergie verändert sich
in geringerem Maße mit der
Vortriebspressenkraft als die
Penetration
¾ Geringere Verzerrung der BK
durch unterschiedliche
Fahrweise der TBM
¾ Einfach zu ermitteln
Nachteile
¾ Keine praktische Erfahrung mit
diesem Klassifizierungssystem
¾ Rückschluss auf
Mindesttagesvortriebsleistung
nur eingeschränkt möglich
¾ Für jeweiliges Gestein neu zu
ermitteln
¾ Umlegbar auf andere
Maschinensysteme auch ohne
automatischer Datenerfassung
¾ Unabhängig von der
Schildmantelreibung, die bei der
Ermittlung der Anpresskraft
berücksichtigt werden muss
¾ Unabhängig von
Mindestandruckkraft
Tabelle 15: Vor- und Nachteile der Bohrklassifizierung mittels Löseenergie gegenüber der bisherigen
Bohrklassifizierung nach Penetrationswerten
- 78 -
Zusammenfassung, Abgrenzung und Ausblick
7 ZUSAMMENFASSUNG, ABGRENZUNG UND AUSBLICK
7.1
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Penetrationsverhalten von
Tunnelbohrmaschinen in Abhängigkeit vom Bohrkopfanpressdruck. Dabei wurde
in den bestehenden Vortriebsdaten gezielt nach kurzzeitigen Änderungen in der
Bohrkopfdrehzahl gesucht, bei denen sich unterschiedliche Anpressdrücke
ausbilden. Durch die kurzen betrachteten Zeitintervalle können gleich bleibende
Gebirgsverhältnisse angenommen und die Penetrationsraten vor und nach dem
Drehzahlwechsel vergleichen werden. Die daraus gezogenen Erkenntnisse
wurden zur Überprüfung der gängigen Methode der Bohrklassenbestimmung am
Baulos Bodio herangezogen. Mögliche Alternativlösungen sollten aufgezeigt
werden.
Die Auswertung der Drehzahlwechsel hat ein überdimensional starkes Ansteigen
der Penetration mit der Erhöhung der Vortriebspressenkraft ergeben. Bei
Drucksteigerungen
von
Gebirgsverhältnissen
lediglich
3%
ließen
Penetrationssteigerungen
von
sich
15 %
bei
gleichen
erzielen.
Eine
Erhöhung des Anpressdrucks zugunsten der Bohrkopfdrehzahl erscheint aus
Verschleißgründen sinnvoll.
Die aktuelle Bohrklassenermittlung wird durch die Drehzahlwechsel stark
verzerrt. Im Schnitt verändert sich die Sollpenetration um 11 % durch den DZW.
Eine Bohrklassenbestimmung über die spezifische Energie würde sich um
lediglich 2,5 bis 3 % durch den DZW verändern.
Die
Maschinendaten
schwanken
innerhalb
von
Sekundenintervallen.
Bohrklassenermittlung aus Testhüben scheint somit die ungünstigste Variante
zu sein, da deren Ergebnisse in vielen Fällen nicht repräsentativ sind.
Eine Bohrklassifizierung mittels geleisteter Zerstörungsarbeit erscheint sinnvoll.
Die Forderung der SIA 198 mit den Bohrklassen den Aufwand für den
- 79 -
Gesteinsabbau anzugeben, würde damit am besten erfüllt. Das System ist
einfach in der Anwendung und kann auf andere Projekte, kleine Adaptionen
vorausgesetzt, umgelegt werden. Es ist unabhängig von einem automatischen
Datenerfassungssystem
anwendbar.
Ein
einfacher
Stromzähler
an
der
Anschlussleitung der Antriebsmotoren lässt mit ausreichender Genauigkeit auf
die geleistete Arbeit während eines Vortriebstages schließen. Die Energieklassen
könnten bereits in der Voruntersuchung zu einem Tunnelprojekt über
Laborkennwerte abgeschätzt werden.
Bis dato hat ist die Energieklassifizierung noch keinen Eingang in den
Baubetrieb gewonnen. Das System ist unkompliziert, verlässlich und universell
anwendbar.
Mit
Hilfe
weiterer
Untersuchungen
und
Auswertung
von
Baustellendaten, könnte ein stichhaltiges und praktisches Verfahren zur
Bohrklassenermittlung geschaffen werden, das in Folge vielleicht Anwendung in
der Praxis findet.
7.2
ABGRENZUNG
Die hier vorliegenden Untersuchungen wurden an 2 modernen TBMs der Firma
Herrenknecht durchgeführt. Die Ergebnisse stellen folglich keinen Anspruch auf
Allgemeingültigkeit für andere Maschinensysteme oder geänderte geologische
Rahmenbedingungen. Sie basieren auf Daten aus dem laufenden Vortrieb,
wurden nicht unter bekannten Versuchsbedingungen durchgeführt und sollen
deshalb lediglich teil-quantitative Aussagen liefern. Es wurden im Nachhinein
keine Penetrationstests durchgeführt, anhand derer die vorliegenden Ergebnisse
weiter untersucht und verifiziert werden konnten. Bei der Auswertung der
Drehzahlwechsel wurden allerdings sehr strenge Auswahlkriterien angewandt.
Jedes Einzelergebnis wurde überprüft und auf Plausibilität hinterfragt.
Auswertungen, die offensichtlich unbrauchbare und fehlerhafte Ergebnisse
lieferten, wurden ausgeschieden. Deshalb konnten Fehler, wie sie beispielsweise
bei statistischen Auswertungen durch Generalisierung und Glättung der Daten
entstehen, vermieden werden.
- 80 -
Das vorgestellte System zur Bohrklassenbestimmung über die spezifische
Löseenergie erscheint viel versprechend. Allerdings sind dem Autor, trotz
eingehender Recherche, keine Anwendungen in der Baupraxis bekannt.
Erfahrungen mit diesem Klassifizierungssystem gibt es daher nicht, selbst der
Begriff der „Zerstörungsarbeit“ wurde erst 1994 von SPAUN und THURO, im
Zuge von Gesteinsuntersuchungen im Inntaltunnel, geprägt. Die im Labor an
Gesteinsproben gewonnenen Werte für die spezifische Energie lassen sich nur
schwer auf die Gebirgsverhältnisse umlegen, hier besteht noch großer Bedarf an
empirisch gewonnenen Vergleichsdaten.
7.3
AUSBLICK
Im Zuge dieser Diplomarbeit hat sich ein großes Potential an weiteren
Untersuchungen
gezeigt.
Besonders
wichtig
erscheint
eine
eingehende
Überprüfung der Ergebnisse aus den Drehzahlwechseln. Penetrationsversuche
mit unterschiedlichen Meißelandruckkräften könnten klären, ob die Penetration
tatsächlich in so hohem Maße von der Diskenandruckkraft abhängt, wie hier
dargestellt. Die Auswirkungen der Diskenandruckkraft auf die Löseenergie
könnten im Rahmen dieser Untersuchungen ebenfalls weiter untersucht werden.
Für die volle Ausnutzung der Tunnelbohrmaschine ist es notwendig, die
Diskenandruckkraft möglichst am technischen Limit zu halten. Erschwerend ist
hierbei, dass die Vortriebspressenkraft die Schildmantelreibung mit einschließt
und deshalb nicht exakt auf die Diskenandruckkraft geschlossen werden kann.
Sollte es gelingen, aus den Hydraulikdrücken in den Schildsegmenten auf die
Schildmantelreibung zu schließen, könnte jene von der Vortriebspressenkraft
abgezogen werden und in weiterer Folge dem TBM-Fahrer in Echtzeit der
Nettoanpressdruck des Bohrkopfs visualisiert werden. Diesbezügliche Daten
könnten zum Teil aus den bereits durchgeführten Testvorschüben gewonnen
werden. Dies könnte die Genauigkeit der bestehenden Bohrklassenermittlung
zusätzlich steigern, weil bis dato die Schildmantelreibung stets mit 5.000 kN
angenommen wird.
- 81 -
Die Lösearbeit kann ein Maß für die Effizienz von maschinellen Vortrieben sein.
Die Minimierung der Lösearbeit muss also im Vordergrund stehen. Interessant
wäre dabei auch die Korrelation mit dem Werkzeugverschleiß, da der Gedanke
nahe liegt, dass die geleistete Arbeit einer der Haupteinflussparameter für die
Werkzeugabnutzung ist.
Untersuchenswert
ist
ebenfalls
der
Einfluss
der
Löseenergie
auf
die
Penetrationsleistung. Der Vergleich von Laborwerten der spezifischen Energie
mit jenen, die an der TBM gewonnen wurden, kann wichtiges Basiswissen für
die Voruntersuchung weiterer Tunnelprojekte liefern. Besonders wenn dazu
Gebirgsparameter, wie Kluftabstand und –richtung, Schieferung und dergleichen
miteinbezogen werden.
Gebirgsklassifizierung im Allgemeinen, bedarf einer breiten Datenbasis aus
empirischen Untersuchungen. Nur so kann die Vielzahl an Einflussfaktoren,
welche die Vortriebsleistung im Tunnelbau bestimmen, berücksichtigt werden.
Die Auswertung von Baustellendaten steht somit im Vordergrund, um das hier
vorgestellte Modell zur Bohrklassifizierung weiter zu verfeinern und anwendbar
zu machen.
- 82 -
Anhang
8 ANHANG
8.1
DIAGRAMME ZU KAPITEL 5.3.1
Abbildung 29: Maschinenparameter sämtlicher Hübe (Druck >13.000kN) der TBM S-211 nach
Sollpenetration sortiert
- 83 -
Anhang
Abbildung 30: Maschinenparameter sämtlicher Hübe (Druck >13.000kN) der TBM S-210 nach
Sollpenetration sortiert
- 84 -
Anhang
8.2
Tabelle 16: sämtliche Drehzahlwechsel von etwa 6 auf 5 U/min der Bohrklasse V
- 85 -
Anhang
Summe DZW S210_S211 fallend Pen=3-5 SpwVt=0.05
19000
50
45
18000
40
35
17000
30
16000
25
20
15000
15
10
14000
5
0
10
20
30
40
Penetration [mm/U]
50
60
70
80
Drehmoment [kNm]
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
Stromauf nahme [%]
190
200
210
Drehzahl [U/min]
220
230
13000
240 sec
V ortriebspressenkraf t [kN]
Abbildung 31: durchschnittliches Maschinenverhalten sämtlicher Drehzahlwechsel von etwa 6 auf 5
U/min der Bohrklasse V
Summe DZW S210_S211 fallend Pen=3-5 SpwVt=0.05 gemittelt
[kN]
18000
45
17500
40
17000
35
16500
30
16000
25
15500
20
15000
15
14500
10
14000
5
13500
Drehzahlw echsel
0
10
20
30
40
Penetration [mm/U]
50
60
70
Drehmoment [kNm]
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
Stromauf nahme [%]
180
190
200
210
Drehzahl [U/min]
220
230
13000
240 sec.
Abbildung 32: durchschnittliches Maschinenverhalten sämtlicher Drehzahlwechsel von etwa 6 auf 5
U/min der Bohrklasse V (Werte über 2 Minuten Vortrieb gemittelt)
- 86 -
Anhang
Tabelle 17: sämtliche Drehzahlwechsel von etwa 6 auf 5,2 U/min der Bohrklasse W
- 87 -
Anhang
18000
60
55
17500
50
17000
45
16500
40
16000
35
30
15500
25
15000
20
14500
15
14000
10
13500
5
0
10
20
30
40
Penetration [mm/U]
50
60
70
80
Drehmoment [kNm]
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
Stromauf nahme [%]
190
200
210
Drehzahl [U/min]
220
230
13000
240 se
V ortriebspressenkraft [kN]
Abbildung 33: durchschnittliches Maschinenverhalten sämtlicher Drehzahlwechsel von etwa 6 auf 5,2
U/min der Bohrklasse W
[kN]
17500
60
55
17000
50
16500
45
16000
40
35
15500
30
15000
25
14500
20
15
14000
10
13500
5
Drehzahlw echsel
0
10
20
30
40
Penetration [mm/U]
50
60
70
Drehmoment [kNm]
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
Stromaufnahme [%]
180
190
200
210
Drehzahl [U/min]
220
230
240
13000
sec
Abbildung 34: durchschnittliches Maschinenverhalten sämtlicher Drehzahlwechsel von etwa 6 auf 5,2
U/min der Bohrklasse W (Werte über 2 Minuten Vortrieb gemittelt)
- 88 -
Anhang
Tabelle 18: sämtliche Drehzahlwechsel von etwa 5,9 auf 4,9 U/min der Bohrklasse X
- 89 -
Anhang
60
17500
55
17000
50
16500
45
40
16000
35
15500
30
15000
25
20
14500
15
14000
10
13500
5
0
10
20
30
40
Penetration [mm/U]
50
60
70
80
Drehmoment [kNm]
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
Stromauf nahme [%]
190
200
210
Drehzahl [U/min]
220
230
13000
240 sec.
Abbildung 35: durchschnittliches Maschinenverhalten sämtlicher Drehzahlwechsel von etwa 5,9 auf 4,9
U/min der Bohrklasse X
[kN]
17500
60
55
17000
50
16500
45
16000
40
35
15500
30
15000
25
20
14500
15
14000
10
13500
5
Drehzahlw echsel
0
10
20
30
40
Penetration [mm/U]
50
60
70
Drehmoment [kNm]
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
Stromauf nahme [%]
180
190
200
210
Drehzahl [U/min]
220
230
13000
240 sec.
U/min der Bohrklasse X (Werte über 2 Minuten Vortrieb gemittelt)
- 90 -
Anhang
Tabelle 19: sämtliche Drehzahlwechsel von etwa 5,1 auf 6,1 U/min der Bohrklasse V
- 91 -
Anhang
Summe DZW S210_S211 steigend Pen=3-5 SpwVt=0.05
19000
55
50
18000
45
40
17000
35
30
16000
25
20
15000
15
10
14000
5
0
10
20
30
40
Penetration [mm/U]
50
60
70
80
Drehmoment [kNm]
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
Stromauf nahme [%]
190
200
210
Drehzahl [U/min]
220
230
13000
240 sec.
U/min der Bohrklasse V
Summe DZW S210_S211 steigend Pen=3-5 SpwVt=0.05 gemittelt
[kN]
18000
40
17500
35
17000
30
16500
25
16000
20
15500
15000
15
14500
10
14000
5
13500
Drehzahlw echsel
0
10
20
30
Penetration [mm/U]
40
50
60
70
Drehmoment [kNm]
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
Stromauf nahme [%]
180
190
200
210
Drehzahl [U/min]
220
230
13000
240 sec.
U/min der Bohrklasse V (Werte über 2 Minuten Vortrieb gemittelt)
- 92 -
Anhang
Tabelle 20: sämtliche Drehzahlwechsel von etwa 5,1 auf 6 U/min der Bohrklasse W
- 93 -
Anhang
55
17500
50
17000
45
16500
40
16000
35
30
15500
25
15000
20
14500
15
14000
10
13500
5
0
10
20
30
40
Penetration [mm/U]
50
60
70
80
Drehmoment [kNm]
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
Stromauf nahme [%]
190
200
210
Drehzahl [U/min]
220
230
13000
240 sec.
V ortriebspressenkraft [kN]
Abbildung 39: durchschnittliches Maschinenverhalten sämtlicher Drehzahlwechsel von etwa 5,1 auf 6
U/min der Bohrklasse W
[kN]
17500
55
50
17000
45
16500
40
16000
35
30
15500
25
15000
20
14500
15
14000
10
13500
5
Drehzahlw echsel
0
10
20
30
40
Penetration [mm/U]
50
60
70
Drehmoment [kNm]
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
Stromaufnahme [%]
180
190
200
210
Drehzahl [U/min]
220
230
13000
240 sec.
Abbildung 40: durchschnittliches Maschinenverhalten sämtlicher Drehzahlwechsel von etwa 5,1 auf 6
U/min der Bohrklasse W (Werte über 2 Minuten Vortrieb gemittelt)
- 94 -
Anhang
Tabelle 21: sämtliche Drehzahlwechsel von etwa 4,9 auf 5,8 U/min der Bohrklasse X
- 95 -
Anhang
17500
65
60
17000
55
16500
50
45
16000
40
15500
35
30
15000
25
14500
20
15
14000
10
13500
5
0
10
20
30
40
Penetration [mm/U]
50
60
70
80
Drehmoment [kNm]
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
Stromauf nahme [%]
190
200
210
Drehzahl [U/min]
220
230
13000
240 sec.
U/min der Bohrklasse X
[kN]
17000
60
55
16500
50
16000
45
40
15500
35
30
15000
25
14500
20
15
14000
10
13500
5
Drehzahlw echsel
0
10
20
30
40
Penetration [mm/U]
50
60
70
Drehmoment [kNm]
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
Stromauf nahme [%]
180
190
200
210
Drehzahl [U/min]
220
230
13000
240 sec.
U/min der Bohrklasse X (Werte über 2 Minuten Vortrieb gemittelt)
- 96 -
Anhang
8.3
Abbildung 43: Maschinenparameter sämtlicher Hübe der TBM S-211 nach Löseenergie sortiert
- 97 -
Anhang
Abbildung 44: Maschinenparameter sämtlicher Hübe der TBM S-210 nach Löseenergie sortiert
- 98 -
Verzeichnisse
9 VERZEICHNISSE
9.1
ABBILDUNGSVERZEICHNIS
Abbildung 1: Neubaustrecken in der Schweiz......................................................... 6
Quelle: http://www.alptransit.ch/pages/d/galerie/fotogalerie.php?rub=# (20.5.2005)
Abbildung 2: Überblick über den NEAT Streckenverlauf ...................................... 7
Quelle: http://www.alptransit.ch/pages/d/service/downloads.php (20.4.2005)
Abbildung 3: Funktionale Einheiten des Gotthard-Basistunnels .......................... 8
Abbildung 4: geologischer Längenschnitt über den Gotthard-Basistunnel ........... 9
Abbildung 5: Bohrkopf und L1-Arbeitsbereich einer offenen TBM...................... 11
Quelle: http://www.herrenknecht.de/de/dyn_frameset.php3?hauptnavi=dyn_hauptnavi.php3?h
_nr=3&feinnavi=feinnavi_tunnelvortrieb.php3&main=3_tunnelvortrieb/html/3_tunnelvortrie
b.html (21.4.2005)
Abbildung 6: Die TBM S-211 im Werk in Schwanau ............................................ 13
Quelle: http://www.stern.de/computer-technik/technik/?id=518585&nv=fs&cp=2 (21.4.2005)
Abbildung 7: Der Gesteinslösevorgang und die Chipbildung nach BÜCHI (V, S. 27)
................................................................................................................................. 14
Abbildung 8: die dargestellten Robbinskurven verdeutlichen die Notwendigkeit
einer kritischen Andruckkraft, ab der erst eine Penetrationsleistung erbracht
werden kann. (XV, S. 38) .............................................................................................. 15
Abbildung 9: Einfluss vom Trennflächenabstand auf die Penetration (XV, S. 41) ... 18
Abbildung 10: Blick in den Steuerstand der TBM S-211...................................... 38
Quelle: http://www.alptransit.ch/pages/d/galerie/index.php?Anfangsposition=72&bau=alle#
(25.4.2005)
Abbildung 11: die in der Auswertung betrachteten Zeitintervalle....................... 45
Abbildung 12: Graphische Darstellung der Daten am Beispiel des DZW in Hub
1391 der TBM S-210 ............................................................................................... 47
Abbildung 13: gemittelte Daten am Beispiel des DZW in Hub 1391 der TBM S210 ........................................................................................................................... 48
Abbildung 14: polynomisch geglättete Maschinendaten S-211 ............................ 52
- 99 -
Verzeichnisse
Abbildung 15: polynomisch geglättete Maschinendaten S-210 ............................ 52
Abbildung 16: Vergleich elektrischer zu mechanischer Leistung (S-211)............ 54
Abbildung 17: Vergleich elektrischer zu mechanischer Leistung (S-210)............ 54
Abbildung 18: Reaktion des Anpressdrucks auf Änderungen der Drehzahl ....... 58
Abbildung 19: Reaktion der Penetration auf Änderungen der
Vortriebspressenkraft............................................................................................. 59
Abbildung 20: Reaktion des Bohrkopfdrehmoments auf Änderungen der
Penetration.............................................................................................................. 61
Abbildung 21: Berechnung der Zerstörungsarbeit aus dem einaxialen
Druckversuch (XXVIII, S. 11) ......................................................................................... 67
Abbildung 22: Spezifische Penetration in Abhängigkeit von der
Zerstörungsarbeit (XXVII, S. 11) ................................................................................... 68
Abbildung 23: Maschinendaten sämtlicher Hübe der TBM S-211 nach
Löseenergie sortiert ................................................................................................ 72
Abbildung 24: Maschinendaten sämtlicher Hübe der TBM S-210 nach
Abbildung 25: Vergleich des bisherigen Klassifizierungssystems mit jenem über
Löseenergie für die TBM S-211 (sämtliche Hübe deren mittlere Anpresskraft
über 13.500 kN liegt) .............................................................................................. 74
Abbildung 26: Vergleich des bisherigen Klassifizierungssystems mit jenem über
Löseenergie für die TBM S-210 (sämtliche Hübe deren mittlere Anpresskraft
über 13.500 kN liegt) .............................................................................................. 74
Abbildung 27: Zusammenhang von spezifischer Penetration und
Zerstörungsarbeit (TBM S-211) ............................................................................. 75
Abbildung 28: Zusammenhang von spezifischer Penetration und
Zerstörungsarbeit (TBM S-210) ............................................................................. 75
Abbildung 29: Maschinenparameter sämtlicher Hübe (Druck >13.000kN) der
TBM S-211 nach Sollpenetration sortiert.............................................................. 82
Abbildung 30: Maschinenparameter sämtlicher Hübe (Druck >13.000kN) der
TBM S-210 nach Sollpenetration sortiert.............................................................. 83
Abbildung 31: durchschnittliches Maschinenverhalten sämtlicher
Drehzahlwechsel von etwa 6 auf 5 U/min der Bohrklasse V ................................ 85
- 100 -
Verzeichnisse
Drehzahlwechsel von etwa 6 auf 5 U/min der Bohrklasse V (Werte über 2
Minuten Vortrieb gemittelt)................................................................................... 85
Drehzahlwechsel von etwa 6 auf 5,2 U/min der Bohrklasse W ............................ 87
Drehzahlwechsel von etwa 6 auf 5,2 U/min der Bohrklasse W (Werte über 2
Drehzahlwechsel von etwa 5,9 auf 4,9 U/min der Bohrklasse X .......................... 89
Drehzahlwechsel von etwa 5,9 auf 4,9 U/min der Bohrklasse X (Werte über 2
Drehzahlwechsel von etwa 5,1 auf 6,1 U/min der Bohrklasse V .......................... 91
Drehzahlwechsel von etwa 5,1 auf 6,1 U/min der Bohrklasse V (Werte über 2
Drehzahlwechsel von etwa 5,1 auf 6 U/min der Bohrklasse W ............................ 93
Drehzahlwechsel von etwa 5,1 auf 6 U/min der Bohrklasse W (Werte über 2
Drehzahlwechsel von etwa 4,9 auf 5,8 U/min der Bohrklasse X .......................... 95
Drehzahlwechsel von etwa 4,9 auf 5,8 U/min der Bohrklasse X (Werte über 2
Abbildung 43: Maschinenparameter sämtlicher Hübe der TBM S-211 nach
Abbildung 44: Maschinenparameter sämtlicher Hübe der TBM S-210 nach
- 101 -
Verzeichnisse
9.2
TABELLENVERZEICHNIS
Tabelle 1: Empfohlene Maximalwerte durchschnittlicher Meißelandruckkräfte
(XIII, S. 41) ....................................................................................................................
21
Tabelle 2: Ergebnisse der Penetrationsversuche der NTNU (XIV, S. 11) .................. 23
Tabelle 3: Vortriebsklassen nach DIN 18312, Ausgabe 1998-05.......................... 30
Tabelle 4: Ausbruchsklassen nach SIA 198, Ausgabe 1993.................................. 31
Tabelle 5: Vortriebsklassen nach SIA 198, Ausgabe 1993.................................... 32
Tabelle 6: Bohrklasseneinteilung gemäß Werkvertrag ........................................ 35
Tabelle 7: Ansicht eines bereinigten Hubprotokolls ............................................. 42
................................................................................................................................. 47
................................................................................................................................. 48
Tabelle 10: Auflistung sämtlicher Drehzahlwechsel mit fallender Drehzahl...... 56
Tabelle 11: Auflistung sämtlicher Drehzahlwechsel mit ...................................... 57
Tabelle 12: Maschinendaten vor und nach dem Drehzahlwechsel von etwa 5,85
auf 4,85 U/min (Mittelwertbildung über sämtliche DZWs der Bohrklasse W).... 65
Tabelle 13: Ausgangsdaten für die Berechnung der Löseenergie ........................ 70
Tabelle 14: Vorschläge für Bohrklassen nach Löseenergie................................... 71
Tabelle 15: Vor- und Nachteile der Bohrklassifizierung mittels Löseenergie
gegenüber der bisherigen Lösung .......................................................................... 77
Tabelle 16: sämtliche Drehzahlwechsel von etwa 6 auf 5 U/min der Bohrklasse V
................................................................................................................................. 84
Tabelle 17: sämtliche Drehzahlwechsel von etwa 6 auf 5,2 U/min der Bohrklasse
W.............................................................................................................................. 86
Tabelle 18: sämtliche Drehzahlwechsel von etwa 5,9 auf 4,9 U/min der
Bohrklasse X ........................................................................................................... 88
- 102 -
Verzeichnisse
Bohrklasse V ........................................................................................................... 90
Tabelle 20: sämtliche Drehzahlwechsel von etwa 5,1 auf 6 U/min der Bohrklasse
W.............................................................................................................................. 92
Bohrklasse X ........................................................................................................... 94
9.3
FORMELVERZEICHNIS
Formel 1: Diskenanzahl in Abhängigkeit des Bohrkopfdurchmessers (XXIV, S. 77) . 22
Formel 2: Berechnung der Sollpenetration laut Werkvertrag.............................. 34
Formel 3: Berechnung der Meißelandruckkraft.................................................... 50
Formel 4: Zusammenhang von Drehmoment und Stromaufnahme..................... 53
Formel 5: spezifischer Energieaufwand in Abhängigkeit der einaxialen
Druckfestigkeit (XXI, S. 25).......................................................................................... 68
Formel 6: Rechengang für die Ermittlung der spezifischen Energie ................... 71
- 103 -
Verzeichnisse
9.4
LITERATURVERZEICHNIS
Nr.
Name
Jahr
Titel
Verlag
I
Alber, M.
2000
Advance Rates of Hard Rock TBMs
and Their Effects on Project
Economics
Tunnelling and
Underground Space
Technology Vol. 15, No.
1, pp. 55-64
II
Amberg, R.
1994
Der Einsatz einer TBM bei hoher
Überlagerung und Gebirgsfestigkeit
Felsbau 12, Nr. 1
S. 19-24
III
Barton, N.
2000
TBM Tunnelling in Jointed and
Faulted Rock
A.A. Balkema/Rotterdam/Brookfield
IV
Barton, N.
1999
TBM performance estimation in
rock using QTBM
Tunnels & Tunnelling
International
S 30-34
V
Büchi, E.
1984
Einfluss geologischer Faktoren auf
die Vortriebsleistungen einer
Tunnelbohrmaschine (mit
besonderer Berücksichtigung der
Gesteinsanisotropie)
Bern, Univ.,
Dissertaion
VI
DIN 18213
1998
„Allgemeine technische
Vertragsbedingungen für
Bauleistungen –
Untertagebauarbeiten“
Deutsches Institut für
Normung
VII
FREUND, W.
2005
Mündliche Mitteilung
VIII
Gehring, K.H.
1995
Leistungs- und
Verschleißprognosen im
maschinellen Tunnelbau
Felsbau 13, Nr. 6
S. 439-448
IX
Goliasch, R.
2000
Optimierung eines TBM- Vortriebs
in Hinblick auf Nettopenetration
und Meißelverschleiß
Technikum Kärnten,
Spittal,
Diplomarbeit
X
Herrenknecht,
Firma
2003
Dokumentation,
Projekt S-210/S-211 Alp Transit
Gotthard/Bodio-Faido
Firma Herrenknecht
TBM-Manual
XI
IG-GBTS Lombardi AG
2001
Besondere Bestimmungen/ Los
452/554, Tunnel Bodio/
Werkvertrag
Vertragsbestandteil IIIA
XII
Kahraman, S.
2002
Correlation of TBM and drilling
machine performances with rock
brittleness
Engineering Geology 65
pp. 269-283
XIII
Leitner, W.
2004
Baubetriebliche Modellierung der
Prozesse maschineller
Tunnelvortriebe im Festgestein
Dissertation,
Universität Innsbruck
XIV
Leitner, W.,
Schneider, E.
2003
Penetration Prediction Models for
Hard Rock Tunnel Boring Machines
Felsbau 21, Nr. 6
S. 9-13
- 104 -
Verzeichnisse
Nr.
Name
Jahr
Titel
Verlag
XV
Maidl, B. et.al
2001
Tunnelbohrmaschinen im
Hartgestein
Ernst & Sohn Verlag,
Berlin
XVI
ÖNORM
B 2203-2
2005
„UntertagebauarbeitenWerkvertragsnorm
Teil 2: kontinuierlicher Vortrieb“
Österreichisches
Normungsinstitut, 1020
Wien
XVII
ÖNORM
B 2203
1994
„Untertagebauarbeiten“
Österreichisches
Normungsinstitut, 1020
Wien
XVIII
Poisel, R. et.al
1999
Gebirgsklassifikation und Regelung
von Tunnelbohrmaschinen mittels
Fuzzy Logik
Felsbau 17, Nr. 5
S. 486-492
XIX
Poisel, R. et.al
1999
Rock Mass Rating based on Tunnel
Boring Machine Data
Felsbau 17, Nr. 3
S. 168-174
XX
ROHATSCH,
A.
2005
Mündliche Mitteilung
XXI
Schumacher,
L.
2004
Auslegung und
Einsatzbedingungen von
Tunnelvortriebsmaschinen im
Hartgestein
Felsbau 22, Nr. 3
S. 21-28
XXII
SIA 198
2004
„Allgemeine Bedingungen für
Untertagebau“
Schweizer Ingenieurund Architektenverein
XXIII
SIA 198
1993
„Untertagebau“
Schweizer Ingenieurund Architektenverein
XXIV
Stempkowski,
R.
1996
Kosten- und Leistungsanalysen im
maschinellen Tunnelbau
Dissertation TU-Wien,
Institut für
Bauwirtschaft
XXV
Tentschert, E.
et.al
2003
Guideline for geomechanical design
for underground structures
Felsbau 21, Nr. 4
S. 20-25
XXVI
Thuro, K.,
Brodbeck, F.
1998
Auswertung von TBMVortriebsdaten
Felsbau 16, Nr. 1
S. 8-17
XXVII
Thuro, K.,
Plinninger,
R.J.
2002
Klassifizierung und Prognose von
Leistungs und
Verschleißparametern im
Tunnelbau
Taschenbuch für den
Tunnelbau 2002, 27.
Dt. Ges. für Geotechnik
e.V., Essen (Glückauf)
XXVIII
Thuro, K.,
Plinninger,
R.J.
1998
Felsmechanisches Laborpraktikum
für Geologen
Lehrstuhl für allg.
Ingenieurgeologie
TU München
7. Auflage – Version 7.1
XXIX
Trockner, J.,
Wagner, H.
1998
Neuere Erkenntnisse auf dem
Gebiet der zerspanenden
Gewinnung von Festgestein
Felsbau 16, Nr. 5
S. 347
XXX
Vigl, L.
2001
Classification Strategies in TBMTunnelling
Felsbau 19, Nr. 4
S. 49-54

diplomarbeit

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