Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb - Technische Universität ...

Grundlagen der 

Penetrations- & 

Verschleißprognose 

beim TBM-Vortrieb 

Prof. Dr. Kurosch Thuro 

Dr. Heiko Käsling 

IGT 

Institut für Geotechnik 

Institute for Geotechnical Engineering 

Lehrstuhl für Ingenieurgeologie 

Technische Universität München 

Kolloquium: Penetrations- & Verschleißprognose beim TBM-Vortrieb im Fels - ETH Zürich 5.5.2011 

3+"2+45-$') 

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9:"121$+;%

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TUM Ingenieurgeologie 

Lösevorgang beim Schneiden bzw. Abrollen 

eines Diskenmeißels einer TBM 

s – Schneidspurabstand 

p – Penetration 

Herrenknecht 

Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb 5 


Mechanik des Hammerschlags 

als Modell für die mechanischen Vorgänge beim 

Zerkleinern von Gestein und Gebirge 

Spannungsverhältnisse 

Druckkräfte 

Scherkräfte 

3 

n 

e 

g 

la 

h 

c 

S 

2 

3 

1 Zermalmungszone aus 

feinem Staub 

2 Radialrisse im Gestein 

3 losgelöste Gesteinssplitter 

0 10 20 mm 

Beispiel: Schlag mit der Hammerspitze auf eine Oberfläche 


Schlagen


Modell des Zerspanungsvorgangs 

unter einem Rollenmeißel 

Phase 1: Krafteinleitung 

Phase 2: Rissbildung und 

Rissausbreitung 

Phase 3: Durchreißen 

Phase 4: Entfernung der 

Bruchstücke 



Wie bricht Fels? 

Anisotropie & Inhomogenität 

Beton – homogen & isotrop? 

Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb 8


Gibt es ideal homogene und isotrope Gesteine? 

(Homo)Genität: homogen - inhomogen 

Sandstein 

homogen 

inhomogen 

makroskopisch makroskopisch 

inhomogen 

mikroskopisch mikroskopisch 

Homogenität ist 

Skalen-abhängig! 

Konglomerat 

inhomogen 



Gibt es ideal homogene und isotrope Gesteine? 

(Aniso)Tropie: isotrop - anisotrop 

Granit 

isotrop 

Spaltbarkeit 

anisotrop 

Gneis 

makroskopisch makroskopisch 

anisotrop 

mikroskopisch mikroskopisch 

Anisotropie ist auch 

Skalen-abhängig! 

anisotrop 



Versuchstechnik (1) - Festigkeiten 

! Bestimmung der einaxialen Druckfestigkeit 

! mit Verformungsaufzeichnung 

! nach den entsprechenden Empfehlungen oder Normen 

von DGGT, ISRM bzw. ASTM (international) 

! Beachtung von Anisotropieeffekten (im Labor!) 

! Lage der Schieferung/Schichtung in Bezug auf die 

Prüfkörperachse 

TUM Ingenieurgeologie TUM Ingenieurgeologie 



Anisotropie 

Bruchform in Abhängigkeit der Schieferung 

sf ! 

Zylinderachse = 

Belastungsrichtung 

sf "" 

Zylinderachse = 

Belastungsrichtung 

sf schiefwinklig 

zur Zylinderachse, 

sf glatt & eben 

sf schiefwinklig 

zur Zylinderachse, 

sf wellig & rauh 



Anisotropie 

Einaxiale Druckfestigkeit & Zerstörungsarbeit 

Einaxiale Druckfestigkeit 

glatt & 

eben rauh & 

gewellt 

glatt & 

eben 

Zerstörungsarbeit 

rauh & 

gewellt 



Probenkörperorientierung 

bei anisotropen Gesteinen im Spaltzugversuch 

SPZ 1 SPZ 2 SPZ 3 

sf - Trennflächenebene, P - Probekörperachse, B- Belastungsrichtung 



Anisotropie 

Spaltzugfestigkeit & Penetration 

glatt & 

eben 

rauh & 

gewellt 

Käsling 15 & Thuro Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb 


Spaltzugfestigkeit Penetration 

Günstig: Vortriebsrichtung ! zur 

vorherrschenden Gefügerichtung 

glatt & 

eben 

rauh & 

gewellt 

Ungünstig 

Minderung 25 - 45 % 

• abhängig von der Ausbildung der Schieferungsflächen 

• glatt vs. rauh 

• eben vs. gewellt/getreppt 

Spannungen und Rissemuster im Gneis 

Korrelation mit der Eindringtiefe 

Zeitschritte 

250 

500 

750 

1000 

Kräfte Risse 

Eindringen einer Diske (TBM Penetration) 

Schneidspurabstand 10 cm 

Schormair & Thuro 2007 

Gelb - Druck-, schwarz - Zugbeanspruchung 

Käsling 16 & Thuro 

Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb 16


Käsling & Thuro 


Kräfte in verschiedenen Gesteinstypen 

Korrelation mit der Orientierung und Schieferung 

0° 

45° 

90° 

Schiefer 

Schiefer 

Schiefer 

45° 

45° 

90° 

Schiefer 

Gneis 

Gneis 

verändert nach Schormair & Thuro 2007 

Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb 17 

Gestein 

Inhomogen & anisotrop 

Granit, anpoliert 



Gebirge 

zusätzlich Trennflächen / Diskontinuitäten 



Ein grundlegendes Konzept 

Vom Gestein zum Gebirge 

Tunnel 

Gestein 

Gestein mit 

Klüften 

Gebirge 

Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb 

20


Schneidgeschwindigkeit / spez. Penetration 

in Abhängigkeit des Durchtrennungsgrades 

Merklicher Trennflächeneinfluss! 


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Leistungs- und Verschleißprognose 

Aufgabe 

Prognose der Penetration (steuert die 

Nettovortriebsleistung) und des (Disken-) Verschleißes 

zur Kostenkalkulation eines Tunnelvortriebes 

Probleme 

! Geologisch-geotechnische Datengrundlage in 

Frühphase eines Projektes oft schlecht 

! Vortriebsmethode noch unklar 

! Maschinendaten liegen oft noch nicht vor 

! äußere Einflüsse unbestimmt 



(I) Prognosemodelle für die Penetration 

Berechnung der Penetration und des 

Verschleißes sind aneinander gekoppelt! 

Modelltypen 

! empirische Modelle auf Basis von 

Tunnelvortriebsdaten 

! Modelle auf Basis von Schneidversuchen 

im Labor 

! Modelle auf Basis von 

Gebirgsklassifizierungssystemen 



Empirische Modelle - Grundlagen 

! Dokumentation der 

erreichten Penetration 

! geologisch-geotechnische 

Rahmenbedingungen inkl. 

Gesteinskennwerte 

! Datenanalyse 

! Erarbeitung eines Modells 



Empirische Modelle - Probleme 

! Störeinflüsse durch Baubetrieb und Varianzen im 

Baugrund beeinflussen das Modell 

! Aufwändige und lückenlose Dokumentation notwendig 

! Rahmenbedingungen bei der Modellerstellung müssen 

klar und nachvollziehbar sein 

! Grenzen des Modells müssen klar definiert sein 

! allumfassende und universelle Modelle sind 

unrealistisch und unglaubwürdig 

! Autoren behaupten oft das Gegenteil ... 

TBM mit Nachläufer, Lötschberg-Basistunnel, Raron, Herrenknecht 



Penetrationsmodell nach Gehring (1995) 

p = 4! k 1 ! k 2 ! k 3 ! k 4 ! k 5 ! F N 

! C 

mit: p Penetration [mm] 

F N Anpresskraft pro Schneidring [kN] 

! c Einaxiale Druckfestigkeit des Gesteins [MPa] 

k i Korrekturfaktoren für 

Spezifische Bruchenergie 

Gebirgsgefüge 

Primärspannungen 

Schneidringdurchmesser 

(k 4 =430/d, d ist der Schneidringdurchmesser) 

Schneidspurabstand 



Penetration 

Einfluss der Zähigkeit eines Gesteins 

! Auswertung von Vortriebsdaten mit Hilfe der 

Zerstörungsarbeit W z aus dem Einaxialen 

Druckversuch ! Thuro 2002 



Weiterentwicklung im Alpine Modell 

durch den Forschungsverbund ABROCK 

! Basierend auf dem Modell von Gehring 

! Quantitative Erfassung der Korrekturfaktoren 

! insbesondere hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften 

der Gesteine und des Trennflächengefüges 

! Abgleich mit aktuellen TBM-Vortrieben 

! mehrere Dissertationen 

! Implementierung gängiger Betriebsparameter 

! Schneidringdurchmesser, Schneidringqualität 

! Umdrehungsgeschwindigkeit etc. 

! Internationaler Forschungsverbund ABROCK 

! Uni Innsbruck, TUM, MontanUni Leoben, ETHZ, EPFL, CSM 

! Amberg, ILF, SSP-Consult, Alpine, Hinteregger, Jäger Bau, 

STRABAG, www.uibk.ac.at/abrock 


www.uibk.ac.at/abrock 



Modelle 

auf der Basis von Schneidversuchen im Labor 

! Schneidversuche mit 

Einzeldisken an 

Gesteinsblöcken 

! Korrelation der erreichten 

Penetration mit den 

gemessenen Kräften 

! Erarbeitung eines Modells 

zur Basispenetration 

! Keine Einflüsse der 

Gebirgseigenschaften am 

Versuchsstand simulierbar! 

! Trennflächenabstände, 

Anisotropie, Spannungen, etc. 

Schneidversuchsstand 

(Linear Cutting Machine) 

an der Colorado School of Mines 

(Rostami 1997) 

! Vortrag Christian Frenzel 



Modelle 

auf Basis von Gebirgsklassifikationssystemen 

! Prognosemodell von Alber (1999) 

! Grundlage ist Rock Mass Rating von Bieniawski (1973, 1989) 

! 51 km Tunnelvortriebe mit � < 4 m 

! empirische Diagramme 

! beinhaltet Ausnutzungsgrad, Sicherheitsbeiwert für 

Tunnelfirste 

! Prognosemodell von Barton (2000) „Q TBM “ 

! Grundlage ist Q-Value-System von Barton (1974, 1983) 

! beinhaltet Normal-/Anpresskraft, Cutter Life Index, 

Quarzgehalt, Spannungsverhältnisse 



(II) Prognosemodelle für den Verschleiß 

! Schimazek & Knatz (1970 & 1976) 

! an Sandsteinen des Ruhr-Karbons entwickelt 

(! Kohlegewinnung) 

! Versuche mit einem Schleifteller sowie Modellversuche mit 

Minidisken im Labor 

! Berechnung des Verschleißkoeffizienten F aus dem Gehalt an 

schleißscharfen Mineralen, mittlere Korngröße von Quarz und 

der Zugfestigkeit 

! Ewendt (1989, ! Kutter RUB) 

! Aufbauend auf dem Penetrationsmodell von Sanio 

! Modellversuche an Minidisken sowie im Maßstab 1:1 im 

Labor 

! Verschleißrate [mg/m] berechnet sich aus dem 

Punktlastindex, Quarzgehalt sowie Korngröße 



Versuchstechnik (2) - Gesteinsabrasivität 

! Gesteinsabrasivität über Index- und Modellversuche 

! Cerchar-Abrasivitätsversuch (CAI) 

! international verbreitet, teils genormt 

! LCPC-Abrasivitätsversuch (LAK) 

! für Fest- und Lockergesteine 

! Empfehlung in Bearbeitung 

TUM Cerchar-Test 

TUM LCPC-Test 



Versuchstechnik (3) - Gesteinsabrasivität 

! Petrographische Untersuchungen 

! Dünnschliffmikroskopie inkl. Bestimmung des Mineral- 

Modalgehalts bzw. des Äquivalenten Quarzgehaltes 



Prognosemodelle für den Diskenverschleiß 

Prognosemodell von Gehring (1995) 

! Gehring (1995) 

! Verschleißmessungen aus realem Projekt in Korea 

! Grundüberlegung: Schneidringverschleiß ist 

proportional zum Rollweg einer Diske 

! Berechnung des spezifischen Gewichtsverlustes 

eines Schneidringes nach Gehring (1995: 448) 

v s 

= 

0, 74 ! CAI 

1, 

93 

mit: v s spezifischer Gewichtsverlust 

eines Schneidrings [mg/m] 

CAI Cerchar-Abrasivitäts-Index [ ] 





Korrelation des spezifischen 

Schneidringverschleißes v s 

mit dem Cerchar-Abrasivitäts- 

Index (CAI) (Gehring 1995: 448) 





! Berechnung der Standzeit eines Schneidringes 

nach Gehring (1995: 448) 

V 

c 

" G 

= 

zul 

! FN 

! ( k1 

! k2 

! ... ! ki 

) ! D 

4 ! D ! v ! # ! n 

s 

c! 


c 

mit: V c Standzeit eines Schneidringes [m!] 

"G zul maximal zulässiger Gewichtsverlust einer Diske [g] 

F N Anpresskraft pro Schneidring [kN] 

D c Bohrkopfdurchmesser der TBM [m] 

D mittlere Schneidspurdurchmesser [m] 

! c Einaxiale Druckfestigkeit des Gesteins [MPa] 

n c Anzahl der Schneidrollen am Bohrkopf [ ] 

k i Korrekturfaktoren (siehe Prognoseformel für Penetration) 

c



Prognosemodell der NTNU von Bruland (2000) 

! Bruland (2000) 

! Grundüberlegung: Schneidringverschleiß ist proportional zum 

Rollweg einer Diske 

! Berechnung der Volumenstandzeit aus der Basisstandzeit 

abgeleitet aus dem Cutter Life Index (CLI) 

V 

c 

= 

H 

" k 

" k 

" k 

D 

" I " 

4 



" k 

2 

0 D Q rpm N c 

n 

c 

" ! 

mit: Vc Ho I 

Volumenstandzeit [m!] 

Basisstandzeit abgeleitet aus dem CLI [h] 

mittlere Bohrgeschwindigkeit [m/h] 

(zuvor zu ermitteln) 

Dc Bohrkopfdurchmesser der TBM [m] 

(ergibt Korrekturfaktor kD ) 

kQ Korrekturfaktor für den Quarzgehalt 

krpm Korrekturfaktor für die Bohrkopfdrehzahl 

nc Anzahl der Schneidrollen am Bohrkopf [ ] 

(ergibt Korrekturfaktor kN ) 


Prognosemodell der NTNU von Bruland (2000) 

! Berechnung des Cutter-Life-Index 

& SJ # 

CLI = 13 , 84 ' $ ! 

% AVS " 

0, 

3847 

CLI Cutter Life Index [ ] 

SJ Sievers J-Value [ ] 

AVS Abrasion Value Steel [ ] 

Typische Werte des 

Cutter Life Index (CLI) 

für verschiedene Ge- 

steine (Bruland 1998: 9) 




Prognosemodell der CSM von Rostami et al. (2005) 

! Rostami et al. (2005) 

! Grundüberlegung: Rollweg einer Diske ist 

umgekehrt proportional zum Cerchar-Abrasivitäts- 

Index (CAI): 

6, 

75 ! d 

sr = 

17 ! CAI 

mit: s r Rollweg eines Schneidringes [10 6 ft] 

d Durchmesser des Schneidringes [Zoll] 

CAI Cerchar-Abrasivitäts-Index [ ] 



Verschleißformen von Diskenmeißeln 

Neu - „scharf“ Symmetrisch Asymmetrisch 

Diskenmeißel 

gebraucht neu 

Schneidring 

Schormair & Thuro 2007 



Diskussion der Prognosemodelle (2) 

! Prognosegenauigkeit 

! oftmals sehr schlecht 

! wenn mit Mittelwerten von Kennzahlen gerechnet wird 

! obwohl diese schief verteilt vorliegen (Frenzel 2010) 

! Basispenetration und Verschleiß 

! bereits recht gut vorhersagbar 

! jedoch viele geologische Einflussfaktoren des Gebirges noch 

nicht berücksichtigt (Trennflächengefüge, Spannungen, etc.) 

! Heutiger Ansatz 

! Berücksichtigung variierender geologischer Parameter 

& Maschinenparameter 



Käsling & Thuro 

Fazit: Ist eine Prognose der Penetration & des 

Diskenverschleißes möglich? 

! Gut möglich: gesteinsbedingte Basis-Gebirgslösbarkeit 

! Einaxiale Druckfestigkeit, Verformungseigenschaften bei 

Belastung bis zum Bruch (Bruchenergie) 

! Vorteil: UCS als Gesteinskennwert weit verbreitet 

Abschätzung auch über Punktlastversuche möglich 

! Cerchar Abrasivitäts Index CAI, dazu ggfs. LCPC 

Abrasivitäts Koeffizient, Äquivalenter Quarzgehalt 

! Problem: Einfluss des Gebirgscharakters 

überwiegt bei der Gebirgslösung 

! Anisotropie, Inhomogenität des Gebirges 

! Trennflächengefüge 

! Primärer Spannungszustand 

! Fazit: Problem ist die Quantifizierung 

der Gebirgsparameter! 

Spannungen im Bedretto


Was sollte bei Voruntersuchungen bzgl. 

Felsparameter unbedingt berücksichtigt werden? 

Die fünf „Eisernen Regeln“ bei der Prognose 

1. 

2. 

3. 

4. 

5. 

Erfassung der „härtesten“ Partien 

Erfassung der „weichsten“ Partien 

Repräsentative Probennahme 

Beachtung des Maßstabseffekts 

Ingenieurgeologische Abklärung 



Glück auf! 

Durchbruch Sedrun 15. Oktober 2010 um 14:17 Uhr

Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb - Technische Universität ...

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