Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb - Technische Universität ...
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Grundlagen der<br />
Penetrations- &<br />
Verschleißprognose<br />
<strong>beim</strong> <strong>TBM</strong>-<strong>Vortrieb</strong><br />
Prof. Dr. Kurosch Thuro<br />
Dr. Heiko Käsling<br />
IGT<br />
Institut für Geotechnik<br />
Institute for Geotechnical Engineering<br />
Lehrstuhl für Ingenieurgeologie<br />
<strong>Technische</strong> <strong>Universität</strong> München<br />
Kolloquium: Penetrations- & Verschleißprognose <strong>beim</strong> <strong>TBM</strong>-<strong>Vortrieb</strong> im Fels - ETH Zürich 5.5.2011<br />
3+"2+45-$')<br />
*%+&%(,)-)<br />
*%$('.%)<br />
2%,%&'"83,)<br />
9:"121$+;%
3+"2+45-$')<br />
*%+&%(,)-)<br />
*%$('.%)<br />
2%,%&'"83,)<br />
9:"121$+;%
TUM Ingenieurgeologie<br />
Lösevorgang <strong>beim</strong> Schneiden bzw. Abrollen<br />
eines Diskenmeißels einer <strong>TBM</strong><br />
s – Schneidspurabstand<br />
p – Penetration<br />
Herrenknecht<br />
Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & <strong>Verschleissprognose</strong> <strong>beim</strong> <strong>TBM</strong>-<strong>Vortrieb</strong> 5<br />
TUM Ingenieurgeologie<br />
Mechanik des Hammerschlags<br />
als Modell für die mechanischen Vorgänge <strong>beim</strong><br />
Zerkleinern von Gestein und Gebirge<br />
Spannungsverhältnisse<br />
Druckkräfte<br />
Scherkräfte<br />
3<br />
n<br />
e<br />
g<br />
la<br />
h<br />
c<br />
S<br />
2<br />
3<br />
1 Zermalmungszone aus<br />
feinem Staub<br />
2 Radialrisse im Gestein<br />
3 losgelöste Gesteinssplitter<br />
0 10 20 mm<br />
Beispiel: Schlag mit der Hammerspitze auf eine Oberfläche<br />
Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & <strong>Verschleissprognose</strong> <strong>beim</strong> <strong>TBM</strong>-<strong>Vortrieb</strong> 6<br />
Schlagen
TUM Ingenieurgeologie<br />
Modell des Zerspanungsvorgangs<br />
unter einem Rollenmeißel<br />
Phase 1: Krafteinleitung<br />
Phase 2: Rissbildung und<br />
Rissausbreitung<br />
Phase 3: Durchreißen<br />
Phase 4: Entfernung der<br />
Bruchstücke<br />
Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & <strong>Verschleissprognose</strong> <strong>beim</strong> <strong>TBM</strong>-<strong>Vortrieb</strong> 7<br />
TUM Ingenieurgeologie<br />
Wie bricht Fels?<br />
Anisotropie & Inhomogenität<br />
Beton – homogen & isotrop?<br />
Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & <strong>Verschleissprognose</strong> <strong>beim</strong> <strong>TBM</strong>-<strong>Vortrieb</strong> 8
TUM Ingenieurgeologie<br />
Gibt es ideal homogene und isotrope Gesteine?<br />
(Homo)Genität: homogen - inhomogen<br />
Sandstein<br />
homogen<br />
inhomogen<br />
makroskopisch makroskopisch<br />
inhomogen<br />
mikroskopisch mikroskopisch<br />
Homogenität ist<br />
Skalen-abhängig!<br />
Konglomerat<br />
inhomogen<br />
Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & <strong>Verschleissprognose</strong> <strong>beim</strong> <strong>TBM</strong>-<strong>Vortrieb</strong> 9<br />
TUM Ingenieurgeologie<br />
Gibt es ideal homogene und isotrope Gesteine?<br />
(Aniso)Tropie: isotrop - anisotrop<br />
Granit<br />
isotrop<br />
Spaltbarkeit<br />
anisotrop<br />
Gneis<br />
makroskopisch makroskopisch<br />
anisotrop<br />
mikroskopisch mikroskopisch<br />
Anisotropie ist auch<br />
Skalen-abhängig!<br />
anisotrop<br />
Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & <strong>Verschleissprognose</strong> <strong>beim</strong> <strong>TBM</strong>-<strong>Vortrieb</strong> 10
TUM Ingenieurgeologie<br />
Versuchstechnik (1) - Festigkeiten<br />
! Bestimmung der einaxialen Druckfestigkeit<br />
! mit Verformungsaufzeichnung<br />
! nach den entsprechenden Empfehlungen oder Normen<br />
von DGGT, ISRM bzw. ASTM (international)<br />
! Beachtung von Anisotropieeffekten (im Labor!)<br />
! Lage der Schieferung/Schichtung in Bezug auf die<br />
Prüfkörperachse<br />
TUM Ingenieurgeologie TUM Ingenieurgeologie<br />
Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & <strong>Verschleissprognose</strong> <strong>beim</strong> <strong>TBM</strong>-<strong>Vortrieb</strong> 11<br />
TUM Ingenieurgeologie<br />
Anisotropie<br />
Bruchform in Abhängigkeit der Schieferung<br />
sf !<br />
Zylinderachse =<br />
Belastungsrichtung<br />
sf ""<br />
Zylinderachse =<br />
Belastungsrichtung<br />
sf schiefwinklig<br />
zur Zylinderachse,<br />
sf glatt & eben<br />
sf schiefwinklig<br />
zur Zylinderachse,<br />
sf wellig & rauh<br />
Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & <strong>Verschleissprognose</strong> <strong>beim</strong> <strong>TBM</strong>-<strong>Vortrieb</strong> 12
TUM Ingenieurgeologie<br />
Anisotropie<br />
Einaxiale Druckfestigkeit & Zerstörungsarbeit<br />
Einaxiale Druckfestigkeit<br />
glatt &<br />
eben rauh &<br />
gewellt<br />
glatt &<br />
eben<br />
Zerstörungsarbeit<br />
rauh &<br />
gewellt<br />
Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & <strong>Verschleissprognose</strong> <strong>beim</strong> <strong>TBM</strong>-<strong>Vortrieb</strong> 13<br />
TUM Ingenieurgeologie<br />
Probenkörperorientierung<br />
bei anisotropen Gesteinen im Spaltzugversuch<br />
SPZ 1 SPZ 2 SPZ 3<br />
sf - Trennflächenebene, P - Probekörperachse, B- Belastungsrichtung<br />
Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & <strong>Verschleissprognose</strong> <strong>beim</strong> <strong>TBM</strong>-<strong>Vortrieb</strong> 14
TUM Ingenieurgeologie<br />
Anisotropie<br />
Spaltzugfestigkeit & Penetration<br />
glatt &<br />
eben<br />
rauh &<br />
gewellt<br />
Käsling 15 & Thuro Grundlagen der Penetrations- & <strong>Verschleissprognose</strong> <strong>beim</strong> <strong>TBM</strong>-<strong>Vortrieb</strong><br />
TUM Ingenieurgeologie<br />
Spaltzugfestigkeit Penetration<br />
Günstig: <strong>Vortrieb</strong>srichtung ! zur<br />
vorherrschenden Gefügerichtung<br />
glatt &<br />
eben<br />
rauh &<br />
gewellt<br />
Ungünstig<br />
Minderung 25 - 45 %<br />
• abhängig von der Ausbildung der Schieferungsflächen<br />
• glatt vs. rauh<br />
• eben vs. gewellt/getreppt<br />
Spannungen und Rissemuster im Gneis<br />
Korrelation mit der Eindringtiefe<br />
Zeitschritte<br />
250<br />
500<br />
750<br />
1000<br />
Kräfte Risse<br />
Eindringen einer Diske (<strong>TBM</strong> Penetration)<br />
Schneidspurabstand 10 cm<br />
Schormair & Thuro 2007<br />
Gelb - Druck-, schwarz - Zugbeanspruchung<br />
Käsling 16 & Thuro<br />
Grundlagen der Penetrations- & <strong>Verschleissprognose</strong> <strong>beim</strong> <strong>TBM</strong>-<strong>Vortrieb</strong> 16
TUM Ingenieurgeologie<br />
Käsling & Thuro<br />
TUM Ingenieurgeologie<br />
Kräfte in verschiedenen Gesteinstypen<br />
Korrelation mit der Orientierung und Schieferung<br />
0°<br />
45°<br />
90°<br />
Schiefer<br />
Schiefer<br />
Schiefer<br />
45°<br />
45°<br />
90°<br />
Schiefer<br />
Gneis<br />
Gneis<br />
verändert nach Schormair & Thuro 2007<br />
Grundlagen der Penetrations- & <strong>Verschleissprognose</strong> <strong>beim</strong> <strong>TBM</strong>-<strong>Vortrieb</strong> 17<br />
Gestein<br />
Inhomogen & anisotrop<br />
Granit, anpoliert<br />
Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & <strong>Verschleissprognose</strong> <strong>beim</strong> <strong>TBM</strong>-<strong>Vortrieb</strong> 18
TUM Ingenieurgeologie<br />
Gebirge<br />
zusätzlich Trennflächen / Diskontinuitäten<br />
Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & <strong>Verschleissprognose</strong> <strong>beim</strong> <strong>TBM</strong>-<strong>Vortrieb</strong> 19<br />
TUM Ingenieurgeologie<br />
Ein grundlegendes Konzept<br />
Vom Gestein zum Gebirge<br />
Tunnel<br />
Gestein<br />
Gestein mit<br />
Klüften<br />
Gebirge<br />
Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & <strong>Verschleissprognose</strong> <strong>beim</strong> <strong>TBM</strong>-<strong>Vortrieb</strong><br />
20
TUM Ingenieurgeologie<br />
Schneidgeschwindigkeit / spez. Penetration<br />
in Abhängigkeit des Durchtrennungsgrades<br />
Merklicher Trennflächeneinfluss!<br />
Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & <strong>Verschleissprognose</strong> <strong>beim</strong> <strong>TBM</strong>-<strong>Vortrieb</strong> 21<br />
3+"2+45-$')<br />
*%+&%(,)-)<br />
*%$('.%)<br />
2%,%&'"83,)<br />
9:"121$+;%
TUM Ingenieurgeologie<br />
Leistungs- und Verschleißprognose<br />
Aufgabe<br />
Prognose der Penetration (steuert die<br />
Nettovortriebsleistung) und des (Disken-) Verschleißes<br />
zur Kostenkalkulation eines Tunnelvortriebes<br />
Probleme<br />
! Geologisch-geotechnische Datengrundlage in<br />
Frühphase eines Projektes oft schlecht<br />
! <strong>Vortrieb</strong>smethode noch unklar<br />
! Maschinendaten liegen oft noch nicht vor<br />
! äußere Einflüsse unbestimmt<br />
Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & <strong>Verschleissprognose</strong> <strong>beim</strong> <strong>TBM</strong>-<strong>Vortrieb</strong> 23<br />
TUM Ingenieurgeologie<br />
(I) Prognosemodelle für die Penetration<br />
Berechnung der Penetration und des<br />
Verschleißes sind aneinander gekoppelt!<br />
Modelltypen<br />
! empirische Modelle auf Basis von<br />
Tunnelvortriebsdaten<br />
! Modelle auf Basis von Schneidversuchen<br />
im Labor<br />
! Modelle auf Basis von<br />
Gebirgsklassifizierungssystemen<br />
Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & <strong>Verschleissprognose</strong> <strong>beim</strong> <strong>TBM</strong>-<strong>Vortrieb</strong> 24
TUM Ingenieurgeologie<br />
Empirische Modelle - Grundlagen<br />
! Dokumentation der<br />
erreichten Penetration<br />
! geologisch-geotechnische<br />
Rahmenbedingungen inkl.<br />
Gesteinskennwerte<br />
! Datenanalyse<br />
! Erarbeitung eines Modells<br />
Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & <strong>Verschleissprognose</strong> <strong>beim</strong> <strong>TBM</strong>-<strong>Vortrieb</strong> 25<br />
TUM Ingenieurgeologie<br />
Empirische Modelle - Probleme<br />
! Störeinflüsse durch Baubetrieb und Varianzen im<br />
Baugrund beeinflussen das Modell<br />
! Aufwändige und lückenlose Dokumentation notwendig<br />
! Rahmenbedingungen bei der Modellerstellung müssen<br />
klar und nachvollziehbar sein<br />
! Grenzen des Modells müssen klar definiert sein<br />
! allumfassende und universelle Modelle sind<br />
unrealistisch und unglaubwürdig<br />
! Autoren behaupten oft das Gegenteil ...<br />
<strong>TBM</strong> mit Nachläufer, Lötschberg-Basistunnel, Raron, Herrenknecht<br />
Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & <strong>Verschleissprognose</strong> <strong>beim</strong> <strong>TBM</strong>-<strong>Vortrieb</strong> 26
TUM Ingenieurgeologie<br />
Penetrationsmodell nach Gehring (1995)<br />
p = 4! k 1 ! k 2 ! k 3 ! k 4 ! k 5 ! F N<br />
! C<br />
mit: p Penetration [mm]<br />
F N Anpresskraft pro Schneidring [kN]<br />
! c Einaxiale Druckfestigkeit des Gesteins [MPa]<br />
k i Korrekturfaktoren für<br />
Spezifische Bruchenergie<br />
Gebirgsgefüge<br />
Primärspannungen<br />
Schneidringdurchmesser<br />
(k 4 =430/d, d ist der Schneidringdurchmesser)<br />
Schneidspurabstand<br />
Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & <strong>Verschleissprognose</strong> <strong>beim</strong> <strong>TBM</strong>-<strong>Vortrieb</strong> 27<br />
TUM Ingenieurgeologie<br />
Penetration<br />
Einfluss der Zähigkeit eines Gesteins<br />
! Auswertung von <strong>Vortrieb</strong>sdaten mit Hilfe der<br />
Zerstörungsarbeit W z aus dem Einaxialen<br />
Druckversuch ! Thuro 2002<br />
Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & <strong>Verschleissprognose</strong> <strong>beim</strong> <strong>TBM</strong>-<strong>Vortrieb</strong> 28
TUM Ingenieurgeologie<br />
Weiterentwicklung im Alpine Modell<br />
durch den Forschungsverbund ABROCK<br />
! Basierend auf dem Modell von Gehring<br />
! Quantitative Erfassung der Korrekturfaktoren<br />
! insbesondere hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften<br />
der Gesteine und des Trennflächengefüges<br />
! Abgleich mit aktuellen <strong>TBM</strong>-<strong>Vortrieb</strong>en<br />
! mehrere Dissertationen<br />
! Implementierung gängiger Betriebsparameter<br />
! Schneidringdurchmesser, Schneidringqualität<br />
! Umdrehungsgeschwindigkeit etc.<br />
! Internationaler Forschungsverbund ABROCK<br />
! Uni Innsbruck, TUM, MontanUni Leoben, ETHZ, EPFL, CSM<br />
! Amberg, ILF, SSP-Consult, Alpine, Hinteregger, Jäger Bau,<br />
STRABAG, www.uibk.ac.at/abrock<br />
Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & <strong>Verschleissprognose</strong> <strong>beim</strong> <strong>TBM</strong>-<strong>Vortrieb</strong> 29<br />
www.uibk.ac.at/abrock<br />
Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & <strong>Verschleissprognose</strong> <strong>beim</strong> <strong>TBM</strong>-<strong>Vortrieb</strong> 30
TUM Ingenieurgeologie<br />
Modelle<br />
auf der Basis von Schneidversuchen im Labor<br />
! Schneidversuche mit<br />
Einzeldisken an<br />
Gesteinsblöcken<br />
! Korrelation der erreichten<br />
Penetration mit den<br />
gemessenen Kräften<br />
! Erarbeitung eines Modells<br />
zur Basispenetration<br />
! Keine Einflüsse der<br />
Gebirgseigenschaften am<br />
Versuchsstand simulierbar!<br />
! Trennflächenabstände,<br />
Anisotropie, Spannungen, etc.<br />
Schneidversuchsstand<br />
(Linear Cutting Machine)<br />
an der Colorado School of Mines<br />
(Rostami 1997)<br />
! Vortrag Christian Frenzel<br />
Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & <strong>Verschleissprognose</strong> <strong>beim</strong> <strong>TBM</strong>-<strong>Vortrieb</strong> 33<br />
TUM Ingenieurgeologie<br />
Modelle<br />
auf Basis von Gebirgsklassifikationssystemen<br />
! Prognosemodell von Alber (1999)<br />
! Grundlage ist Rock Mass Rating von Bieniawski (1973, 1989)<br />
! 51 km Tunnelvortriebe mit � < 4 m<br />
! empirische Diagramme<br />
! beinhaltet Ausnutzungsgrad, Sicherheitsbeiwert für<br />
Tunnelfirste<br />
! Prognosemodell von Barton (2000) „Q <strong>TBM</strong> “<br />
! Grundlage ist Q-Value-System von Barton (1974, 1983)<br />
! beinhaltet Normal-/Anpresskraft, Cutter Life Index,<br />
Quarzgehalt, Spannungsverhältnisse<br />
Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & <strong>Verschleissprognose</strong> <strong>beim</strong> <strong>TBM</strong>-<strong>Vortrieb</strong> 34
TUM Ingenieurgeologie<br />
(II) Prognosemodelle für den Verschleiß<br />
! Schimazek & Knatz (1970 & 1976)<br />
! an Sandsteinen des Ruhr-Karbons entwickelt<br />
(! Kohlegewinnung)<br />
! Versuche mit einem Schleifteller sowie Modellversuche mit<br />
Minidisken im Labor<br />
! Berechnung des Verschleißkoeffizienten F aus dem Gehalt an<br />
schleißscharfen Mineralen, mittlere Korngröße von Quarz und<br />
der Zugfestigkeit<br />
! Ewendt (1989, ! Kutter RUB)<br />
! Aufbauend auf dem Penetrationsmodell von Sanio<br />
! Modellversuche an Minidisken sowie im Maßstab 1:1 im<br />
Labor<br />
! Verschleißrate [mg/m] berechnet sich aus dem<br />
Punktlastindex, Quarzgehalt sowie Korngröße<br />
Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & <strong>Verschleissprognose</strong> <strong>beim</strong> <strong>TBM</strong>-<strong>Vortrieb</strong> 35<br />
TUM Ingenieurgeologie<br />
Versuchstechnik (2) - Gesteinsabrasivität<br />
! Gesteinsabrasivität über Index- und Modellversuche<br />
! Cerchar-Abrasivitätsversuch (CAI)<br />
! international verbreitet, teils genormt<br />
! LCPC-Abrasivitätsversuch (LAK)<br />
! für Fest- und Lockergesteine<br />
! Empfehlung in Bearbeitung<br />
TUM Cerchar-Test<br />
TUM LCPC-Test<br />
Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & <strong>Verschleissprognose</strong> <strong>beim</strong> <strong>TBM</strong>-<strong>Vortrieb</strong> 36
TUM Ingenieurgeologie<br />
Versuchstechnik (3) - Gesteinsabrasivität<br />
! Petrographische Untersuchungen<br />
! Dünnschliffmikroskopie inkl. Bestimmung des Mineral-<br />
Modalgehalts bzw. des Äquivalenten Quarzgehaltes<br />
Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & <strong>Verschleissprognose</strong> <strong>beim</strong> <strong>TBM</strong>-<strong>Vortrieb</strong> 37<br />
TUM Ingenieurgeologie<br />
Prognosemodelle für den Diskenverschleiß<br />
Prognosemodell von Gehring (1995)<br />
! Gehring (1995)<br />
! Verschleißmessungen aus realem Projekt in Korea<br />
! Grundüberlegung: Schneidringverschleiß ist<br />
proportional zum Rollweg einer Diske<br />
! Berechnung des spezifischen Gewichtsverlustes<br />
eines Schneidringes nach Gehring (1995: 448)<br />
v s<br />
=<br />
0, 74 ! CAI<br />
1,<br />
93<br />
mit: v s spezifischer Gewichtsverlust<br />
eines Schneidrings [mg/m]<br />
CAI Cerchar-Abrasivitäts-Index [ ]<br />
Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & <strong>Verschleissprognose</strong> <strong>beim</strong> <strong>TBM</strong>-<strong>Vortrieb</strong> 38
TUM Ingenieurgeologie<br />
Prognosemodelle für den Diskenverschleiß<br />
Prognosemodell von Gehring (1995)<br />
Korrelation des spezifischen<br />
Schneidringverschleißes v s<br />
mit dem Cerchar-Abrasivitäts-<br />
Index (CAI) (Gehring 1995: 448)<br />
Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & <strong>Verschleissprognose</strong> <strong>beim</strong> <strong>TBM</strong>-<strong>Vortrieb</strong> 39<br />
TUM Ingenieurgeologie<br />
Prognosemodelle für den Diskenverschleiß<br />
Prognosemodell von Gehring (1995)<br />
! Berechnung der Standzeit eines Schneidringes<br />
nach Gehring (1995: 448)<br />
V<br />
c<br />
" G<br />
=<br />
zul<br />
! FN<br />
! ( k1<br />
! k2<br />
! ... ! ki<br />
) ! D<br />
4 ! D ! v ! # ! n<br />
s<br />
c!<br />
Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & <strong>Verschleissprognose</strong> <strong>beim</strong> <strong>TBM</strong>-<strong>Vortrieb</strong> 40<br />
c<br />
mit: V c Standzeit eines Schneidringes [m!]<br />
"G zul maximal zulässiger Gewichtsverlust einer Diske [g]<br />
F N Anpresskraft pro Schneidring [kN]<br />
D c Bohrkopfdurchmesser der <strong>TBM</strong> [m]<br />
D mittlere Schneidspurdurchmesser [m]<br />
! c Einaxiale Druckfestigkeit des Gesteins [MPa]<br />
n c Anzahl der Schneidrollen am Bohrkopf [ ]<br />
k i Korrekturfaktoren (siehe Prognoseformel für Penetration)<br />
c
TUM Ingenieurgeologie<br />
Prognosemodelle für den Diskenverschleiß<br />
Prognosemodell der NTNU von Bruland (2000)<br />
! Bruland (2000)<br />
! Grundüberlegung: Schneidringverschleiß ist proportional zum<br />
Rollweg einer Diske<br />
! Berechnung der Volumenstandzeit aus der Basisstandzeit<br />
abgeleitet aus dem Cutter Life Index (CLI)<br />
V<br />
c<br />
=<br />
H<br />
" k<br />
" k<br />
" k<br />
D<br />
" I "<br />
4<br />
Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & <strong>Verschleissprognose</strong> <strong>beim</strong> <strong>TBM</strong>-<strong>Vortrieb</strong> 41<br />
TUM Ingenieurgeologie<br />
" k<br />
2<br />
0 D Q rpm N c<br />
n<br />
c<br />
" !<br />
mit: Vc Ho I<br />
Volumenstandzeit [m!]<br />
Basisstandzeit abgeleitet aus dem CLI [h]<br />
mittlere Bohrgeschwindigkeit [m/h]<br />
(zuvor zu ermitteln)<br />
Dc Bohrkopfdurchmesser der <strong>TBM</strong> [m]<br />
(ergibt Korrekturfaktor kD )<br />
kQ Korrekturfaktor für den Quarzgehalt<br />
krpm Korrekturfaktor für die Bohrkopfdrehzahl<br />
nc Anzahl der Schneidrollen am Bohrkopf [ ]<br />
(ergibt Korrekturfaktor kN )<br />
Prognosemodelle für den Diskenverschleiß<br />
Prognosemodell der NTNU von Bruland (2000)<br />
! Berechnung des Cutter-Life-Index<br />
& SJ #<br />
CLI = 13 , 84 ' $ !<br />
% AVS "<br />
0,<br />
3847<br />
CLI Cutter Life Index [ ]<br />
SJ Sievers J-Value [ ]<br />
AVS Abrasion Value Steel [ ]<br />
Typische Werte des<br />
Cutter Life Index (CLI)<br />
für verschiedene Ge-<br />
steine (Bruland 1998: 9)<br />
Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & <strong>Verschleissprognose</strong> <strong>beim</strong> <strong>TBM</strong>-<strong>Vortrieb</strong> 42
TUM Ingenieurgeologie<br />
Prognosemodelle für den Diskenverschleiß<br />
Prognosemodell der CSM von Rostami et al. (2005)<br />
! Rostami et al. (2005)<br />
! Grundüberlegung: Rollweg einer Diske ist<br />
umgekehrt proportional zum Cerchar-Abrasivitäts-<br />
Index (CAI):<br />
6,<br />
75 ! d<br />
sr =<br />
17 ! CAI<br />
mit: s r Rollweg eines Schneidringes [10 6 ft]<br />
d Durchmesser des Schneidringes [Zoll]<br />
CAI Cerchar-Abrasivitäts-Index [ ]<br />
Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & <strong>Verschleissprognose</strong> <strong>beim</strong> <strong>TBM</strong>-<strong>Vortrieb</strong> 43<br />
TUM Ingenieurgeologie<br />
Verschleißformen von Diskenmeißeln<br />
Neu - „scharf“ Symmetrisch Asymmetrisch<br />
Diskenmeißel<br />
gebraucht neu<br />
Schneidring<br />
Schormair & Thuro 2007<br />
Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & <strong>Verschleissprognose</strong> <strong>beim</strong> <strong>TBM</strong>-<strong>Vortrieb</strong> 44
TUM Ingenieurgeologie<br />
Diskussion der Prognosemodelle (2)<br />
! Prognosegenauigkeit<br />
! oftmals sehr schlecht<br />
! wenn mit Mittelwerten von Kennzahlen gerechnet wird<br />
! obwohl diese schief verteilt vorliegen (Frenzel 2010)<br />
! Basispenetration und Verschleiß<br />
! bereits recht gut vorhersagbar<br />
! jedoch viele geologische Einflussfaktoren des Gebirges noch<br />
nicht berücksichtigt (Trennflächengefüge, Spannungen, etc.)<br />
! Heutiger Ansatz<br />
! Berücksichtigung variierender geologischer Parameter<br />
& Maschinenparameter<br />
Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & <strong>Verschleissprognose</strong> <strong>beim</strong> <strong>TBM</strong>-<strong>Vortrieb</strong> 47<br />
TUM Ingenieurgeologie<br />
Käsling & Thuro<br />
Fazit: Ist eine Prognose der Penetration & des<br />
Diskenverschleißes möglich?<br />
! Gut möglich: gesteinsbedingte Basis-Gebirgslösbarkeit<br />
! Einaxiale Druckfestigkeit, Verformungseigenschaften bei<br />
Belastung bis zum Bruch (Bruchenergie)<br />
! Vorteil: UCS als Gesteinskennwert weit verbreitet<br />
Abschätzung auch über Punktlastversuche möglich<br />
! Cerchar Abrasivitäts Index CAI, dazu ggfs. LCPC<br />
Abrasivitäts Koeffizient, Äquivalenter Quarzgehalt<br />
! Problem: Einfluss des Gebirgscharakters<br />
überwiegt bei der Gebirgslösung<br />
! Anisotropie, Inhomogenität des Gebirges<br />
! Trennflächengefüge<br />
! Primärer Spannungszustand<br />
! Fazit: Problem ist die Quantifizierung<br />
der Gebirgsparameter!<br />
Spannungen im Bedretto
TUM Ingenieurgeologie<br />
Was sollte bei Voruntersuchungen bzgl.<br />
Felsparameter unbedingt berücksichtigt werden?<br />
Die fünf „Eisernen Regeln“ bei der Prognose<br />
1.<br />
2.<br />
3.<br />
4.<br />
5.<br />
Erfassung der „härtesten“ Partien<br />
Erfassung der „weichsten“ Partien<br />
Repräsentative Probennahme<br />
Beachtung des Maßstabseffekts<br />
Ingenieurgeologische Abklärung<br />
Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & <strong>Verschleissprognose</strong> <strong>beim</strong> <strong>TBM</strong>-<strong>Vortrieb</strong> 49<br />
TUM Ingenieurgeologie<br />
Glück auf!<br />
Durchbruch Sedrun 15. Oktober 2010 um 14:17 Uhr<br />
Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & <strong>Verschleissprognose</strong> <strong>beim</strong> <strong>TBM</strong>-<strong>Vortrieb</strong> 50