Auswertung von TBM-Vortriebsdaten - Erfahrungen beim

GEOMECHANIK
SONDERDRUCK AUS FELSBAU 16 (1998) NR. 1, S. 8-17
Auswertung von TBM-Vortriebsdaten Erfahrungen beim Erkundungsstollen Schwarzach
von Kurosch Thuro und Frank Brodbeck
Der 2989 m lange Schönbergtunnel, über den Eder und Lutz
(1) im Detail berichtet haben, ist Teil der Ortsumfahrung
von Schwarzach im Pongau. Im Rahmen der Voruntersuchungen zum Projekt Schönbergtunnel/Umfahrung Schwarzach wurden 1995 zur Vorerkundung der geologischen
Verhältnisse sowie zur weiteren Nutzung für Probennahmen
und In-Situ-Versuche ein Erkundungsstollen über fast die
gesamte spätere Tunnelstrecke gebaut. Den Zuschlag bekam
die Firma Ilbau, die den Stollen mit einer offenen Vollschnittmaschine in etwas mehr als 3 Monaten vortrieb.
Im Zuge der umfassenden Voruntersuchungen sollte
beim Projekt Schönbergtunnel ein besonderes Gewicht auf
die Untersuchungen zur Gebirgslösung gelegt werden. Das
spezielle Untersuchungsprogramm beinhaltete orientierte
Kernbohrungen in den Ulmen des Erkundungsstollens,
Festigkeitsuntersuchungen der gewonnenen Bohrkerne im
Labor (2), (3), (4) und eine Interpretation der gewonnenen
Daten im Hinblick auf drei Methoden der Gebirgslösung konventioneller Bohr- und Sprengvortrieb, Fräsvortrieb mit
einer Teilschnittmaschine und Vortrieb mit einer Tunnelbohrmaschine (TBM) (5), (6).
In diesem Artikel sollen die Auswertung der TBMVortriebsdaten, die im Rahmen des Projekts durchgeführt
wurde, vorgestellt und Einflüsse der geologischen Verhältnisse auf die TBM-Leistung diskutiert werden.
Evaluation of TBM excavation data
During the investigations for the 2989 m long Schönberg
tunnel, bypass of Schwarzach, a 2820 m long pilot tunnel has been built. For the excavation a TBM AC MARK
12 CF ∅ 3,6 m has been used, driving the tunnel in a 66
days period only in 1995. The TBM excavation data have
been analysed in order to make the excavation prognosis
for the main tunnel. In this paper, the technical specifications of the TBM, the processing and analysis of the
data and some results are reported. The basics for the
assessment of the cuttability are availability (here ∅
80%) and advantage (here ∅ 49%) of the TBM-system.
A connection between penetation rate and normal force as often reported - could not be detected. In addition, the
characteristical wear of the cutterrings and the consumption of the disc cutters are described. The effect of
the rock mass on the borability is demonstrated using
several case studies. With the help of the TBMdocumentation, the diversity of the rock mass, the influence of the rock types on the penetration and the influence of „hard inclusions“, e.g. marbles, carbonate shists
and quartz veins could be proved. With this, it was visible
that the TBM-records produce an even more detailed
rendering of the inhomogenious rock mass than a geological documentation can express.
Leistungsbeeinflussende Faktoren
Leistungsanalysen beim TBM-Vortrieb gehören bereits seit
langem zum Standard sowohl für die Kalkulation eines
Vortriebs als auch für die Auswertung eines durchgeführten
Bauvorhabens. Die Daten dieser Auswertung ergeben letztendlich eine gute Datenbasis für das nächste Projekt. Auf
theoretische Überlegungen sei auf Stempkowski (7) verwiesen, der die wesentlichen Kriterien für Auswertung und
Prognose zusammenfaßt. Gehring (8), (9) stellt detailliert
Leistungs- und Verschleißprognosen im maschinellen Tunnelbau vor. Im Folgenden werden deshalb nur die für diesen
Bericht notwendigen Begriffe erläutert.
Die Penetration gilt allgemein als Maß für den Bohrfortschritt (oft gleichgesetzt mit der Bohrbarkeit) einer bestimmten Formation (i.a. Gebirgsabschnitt oder Homogenbereich). Man unterscheidet dabei die folgenden Begriffe:
ð Bohrkopf-Penetration: Das mittlere Eindringen des
Bohrkopfes in die Formation bei einer einzigen Umdrehung des Bohrkopfes.
ð Bohrwerkzeug-Penetration: Das mittlere Eindringen der
Schneiden eines einzelnen Werkzeuges (Diskenmeißel)
bei einem einmaligen Überrollen der Ortsbrust.
Die Bohrkopf-Penetration entspricht im vorliegenden Falle
der Bohrwerkzeug-Penetration, da die Bohrwerkzeuge am
Bohrkopf eine unterschiedliche geometrische Anordnung
Bei der Vorerkundung zum 2989 m langen Schönbergtunnel, Umfahrung Schwarzach, wurde ein 2820 m langer Erkundungsstollen gebaut. Die Auffahrung erfolgte
mit einer TBM AC MARK 12 CF ∅ 3,6 m in nur 66
Vortriebstagen im Jahre 1995. Die Vortriebsdaten der
TBM wurden zur Prognose der Gebirgslösung im
Hauptvortrieb ausgewertet. In dem Artikel werden die
technischen Spezifikationen der TBM, der Gang der
Auswertung sowie einige der Ergebnisse vorgestellt.
Grundlage für die Beurteilung der Schneidleistung sind
Verfügbarkeit (∅
∅ 80%) und Ausnutzungsgrad (∅
∅ 49%)
der TBM. Ein Zusammenhang zwischen Penetration
und Anpreßkraft - wie oft in der Literatur beschrieben konnte nicht nachgewiesen werden. Weiters werden
Verschleißform und Verbrauch der Diskenmeißel beschrieben. Die Auswirkungen des Gebirges auf die
Schneidleistung wird anhand von mehreren Beispielen
demonstriert. Mithilfe der TBM-Dokumentation konnte
die Wechselhaftigkeit des Gebirges, der Einfluß der
Gesteinstypen auf die Nettobohrgeschwindigkeit und
der Einfluß von „harten“ Gesteinen - z.B. Marmoren,
Karbonatschiefern und Derbquarz schlüssig nachgewiesen werden. Dabei wurde deutlich, daß die TBMAufzeichnungen eine weit detailgenauere Wiedergabe
der Inhomogenität des Gebirges dokumentieren, als dies
in einer geologischen Dokumentation zum Ausdruck
kommen kann.
Felsbau 16 (1998) Nr. 1
1
THURO & BRODBECK: AUSWERTUNG VON TBM-VORTRIEBSDATEN
aufweisen. Das heißt pro Schneidspur ist nur ein Bohrwerkzeug (ein Diskenmeißel) montiert. Deshalb kann im weiteren der Begriff Penetration verwendet werden.
ð Eindringkraft: Die Kraft, die ein einzelnes Bohrwerkzeug auf die Ortsbrust ausübt, also die wirksame Vorschubkraft (i.d.R.Anpreßkraft) pro Bohrwerkzeug.
ð Das Verhältnis der Bohrkopf-Penetration zur Eindringkraft wird nach Rutschmann (10) als spezifische Penetration bezeichnet.
ð Die Nettobohrgeschwindigkeit als Produkt aus Bohrkopf-Penetration und Bohrkopfdrehzahl.
Für eine einheitliche Betrachtung und für den Vergleich mit
Daten anderer Vortriebsmaschinen ist es zweckmäßig, die
Penetration anzugeben, da diese von der Drehzahl des
Bohrkopfes unabhängig ist. Die Penetration [mm/U] ergibt
eine theoretische Netto-Vortriebsleistung [m/h]. Durch
Wartung, Defekte, und Umsetzzeit der TBM wird die Zeit
der Verfügbarkeit nicht bei 100% sondern entsprechend
darunter liegen - z.B. bei 80%.
In Abhängigkeit der Stillstandzeiten - wie Ausfallzeiten,
Ver- und Entsorgung und des Einbaus der Sicherung - wird
die TBM aber nur einen Teil der verfügbaren Zeit auch
tatsächlich eingesetzt. Dies ergibt den Ausnutzungsgrad der
TBM und in Folge die Netto-Vortriebsleistung, also die
tatsächlich erreichte Vortriebsleistung [m/AT]. Als Leitparameter der Bohr- oder Schneidbarkeit wird im weiteren die
Penetration verwendet. Sie wird wird beeinflußt von
ð dem zu bohrenden Gebirge (i.a. Gebirgsabschnitt oder
Homogenbereich).
ð der Vortriebsmaschine und ihrer Leistung
ð den Bohrwerkzeugen (Disken) und ihrer Anordnung am
Bohrkopf
ð der tatsächlich auf den Bohrkopf wirksamen Vorschubkraft der Maschine oder der mittleren Eindringkraft eines Bohrwerkzeuges.
Die geologischen und geotechnischen Einflußfaktoren bei
der Gebirgslösung sind in Bild 1 übersichtlich zusammengestellt.
Einflußfaktoren bei der Gebirgslösung
Gestein
Gebirge
Gesteinszusammensetzung
Mineralbestand - Abrasivität
Verzahnungsgrad
Bindemittel
Raumausfüllung - Dichte
Festigkeit: Druck-Zug-Scherung
Zähigkeit: Elastoplastisches Verhalten
Trennflächengefüge:
èAbstände, Ausbildung, Durchtrennungsgrad
Anisotropie: Orientierung, Ausbildung
Primärspannungszustand
Verwitterung: Art und Umfang
hydrothermale Zersetzung
Quellvermögen und weitere Besonderheiten
Schlüsselfaktoren Gestein
Schlüsselfaktoren Gebirge
äquivalenter Quarzgehalt
Porosität/Trockenrohdichte
Zerstörungsarbeit
Trennflächenabstände
Orientierung der Schieferung
Verwitterungs-/Zersetzungsgrad
(Point-Load-Index)
(Besonderheiten)
Bild 1 Übersicht über die geologischen und geotechnischen Einflußfaktoren bei der Gebirgslösung.
Fig. 1 Main influencing parameters of rock and rock mass for excavation.
Spezifikationen des Vortriebsystems
Der Erkundungsstollen in Schwarzach wurde mit einer
offenen Vollschnitt-Tunnelbohrmaschine des Herstellers
Atlas Copco Typ MARK 12 CF mit einem Bohrkopfdurchmesser von 3,60 m aufgefahren. Der Abtransport des Ausbruchmaterials erfolgte auf Schienen mit drei Garnituren à
11 Wagons. Die Wagons wurden wechselweise mit einer
dieselbetriebenen Lok gezogen. Der Durchmesser von 3,60
m erlaubte einen zweigleisigen Rangierbahnhof hinter der
Fräse, was einen schnellen, kontinuierlichen Abtransport
des Ausbruchmaterials zuließ. Die TBM wies die in der
Tabelle 1 angegebenen Spezifikationen auf. Die Tunnelbohrmaschine war in den Jahren 1989 bis 1993 beim Projekt Alpe Devero eingesetzt worden und hat dort bereits
14173 Bohrmeter geleistet.
Tabelle 1 Einige wichtige Maschinendaten der TBM (MARK 12 CF,
nach technischem Begleitbuch und Angaben der Firma Ilbau).
Table 1 Main machine parameters of the TBM (MARK 12 CF, after
technical manual and informations of the company Ilbau).
Vollschnittmaschine Atlas Copco MARK 12 CF
Maschinenlänge ohne Nachläufer ................. 13,00m (eingefahren)
Gesamtgewicht ...................................................................... 170 t
Anzahl der Motoren ............................................ 4 Stück (à 200 PS)
Anpreßkraft gesamt.................................................. 6270 kN (max.)
Anpreßkraft pro Meißelring.................................................... 232 kN
Verspannkraft......................................................... 18700 kN (max.)
Flächenpressung Gripper ................................................289 Ncm-2
Drehmoment am Bohrkopf ................................................. 540 kNm
Bohrkopfdrehzahl ..............................................................10,6 Upm
Installierte Bohrleistung ........................................................ 596 kW
Hublänge................................................................................ 1,50m
Wasserbedarf..............................................................2,50 - 5,00 l/s
Hydraulik Systemdruck......................................................... 275 bar
Installierte Gesamtleistung ................................................... 700 kW
Bohrkopf .......................................................................... ∅ 3,60 m
Meißel-Dimension ................................................................... 16¼´´
Anzahl der Meißelringe................................................................. 27
Zentrummeißel............................................................................... 4
Brustmeißel.................................................................................. 18
Kalibermeißel ................................................................................. 5
Auswertung des Dreilinienschreibers
Der Dreilinienschreiber zeichnet kontinuierlich die Stromaufnahme der Motoren, den Anpreßdruck in der Hydraulikleitung und den Hub der Maschine mit einem analogen
Papierstreifenschreiber auf. Die bauausführende Firma war
vertraglich verpflichtet, dem Auftraggeber die Aufzeichnungen des Dreilinienschreibers, sowie die Aufzeichnungen
über den Meißelwechsel zu übergeben (10). Die im folgenden aufgeführten Maschinendaten wurden für jeden einzelnen Hub ermittelt, sowie gemittelt über jeweils eine Schicht
(Tagesberichte) auf einer Zeitskala dargestellt (12).
ð Hub
ð Zeit pro Hub
ð Anpreßkraft pro Meißel
ð Vorschubkraft gesamt
ð Penetration des Bohrkopfes
ð Nettobohrgeschwindigkeit
ð Elektrische Leistung der TBM
Bei der Interpretation der Daten ist zu berücksichtigen, daß
der Anpreßdruck der TBM vom Maschinisten gesteuert
wird und daher nicht alleine von den Gebirgsverhältnissen
abhängig ist. Die limitierenden Größen für die Steuerung
des Anpreßdruckes sind in erster Linie die Stromaufnahme
der Antriebsmotoren sowie die Menge des Ausbruchmaterials auf dem Förderband, also die Förderleistung.
Felsbau 16 (1998) Nr. 1
2
GEOMECHANIK
SONDERDRUCK AUS FELSBAU 16 (1998) NR. 1, S. 8-17
Die beim Nachziehen des Nachläufers erzeugte Reibung
kann bei der Auswertung der TBM-Daten nicht berücksichtigt werden; hierfür wird in den Vorschubzylindern ein
Druck von ca. 20 bar Druck benötigt. Dies entspricht bei
einer Gesamtfläche der Vorschubzylinder von 4 x
575,11cm² einer Anpreßkraft von etwa 460 kN, die beim
Nachziehen des Nachläufers während des Bohrens an der
Ortsbrust nicht zur Verfügung steht. Das Nachziehen erfolgt
in der Regel jedoch nach Bohren des Hubs, also erst bei
Stillstand der TBM und nur selten während des Bohrens.
Darstellung für die Dokumentation
Die auf Datenträger zur Verfügung stehenden Unterlagen wurden mittels EDV überarbeitet und die Vortriebsdaten (elektrische Leistung, Anpreßkraft und Penetration) in
die vorhandenen geologischen Längsschnitte M 1:2000
(Übersichtsplan) und M 1: 350 (detaillierte Dokumentation)
eingearbeitet. In den Detailplänen wurde jeder einzelne Hub
eingetragen und zusätzlich die spezifische Penetration als
Maß für die Bohrbarkeit dargestellt. Im Übersichtsplan
wurden zusätzlich die täglichen Vortriebsleistungen der
TBM dargestellt. Die durchschnittliche Tagesleistung lag
bei 43,38 m, die Tageshöchstleistung bei 83,60 m (Bild 2).
Die niedrigen täglichen Vortriebsleistungen bis ca. Station
400 sind dem Einarbeitungseffekt zuzuordnen.
90
Tagesleistung [m]
80
70
60
50
Ausnutzungsgrad und Verfügbarkeit der TBM
Mittel 43 m
40
Aus den zur Verfügung stehenden Maschinentagesberichten
(11) wurde die Verfügbarkeit und der Ausnutzungsgrad der
TBM ermittelt. Zur Auswertung standen von 48 Vortriebstagen die Maschinentagesberichte der Firma Ilbau zur Verfügung, das entspricht einem Anteil von ca. 74% bezogen
auf die Anzahl der gesamten Vortriebstage, bzw. ca. 80%
(2258 m) der gesamten aufgefahrenen Stollenstrecke (2820
m). Die Verfügbarkeit bzw. die Stillstandzeiten sind der
Tabelle 2 zu entnehmen.
Die Verfügbarkeit (betriebsbereiter Zustand der TBM
während der Vortriebstage) ist hauptsächlich abhängig von
der Maschinenkonstruktion sowie von der Art und Weise
der Wartungsarbeiten der Vortriebsmannschaft. Der Aufwand für Meißelwechsel ist in die Wartungsarbeiten eingerechnet. Die Verfügbarkeit der TBM lag bei 40%.
30
20
10
66
61
56
51
46
41
35
30
25
20
15
10
5
0
Vortriebstag (21.6. - 28.9.95)
Bild 2 Tagesleistungen der TBM über die 66 Vortriebstage.
Fig. 2 Daily performance of the TBM during 66 excavation days.
Ausnutzungsgrad der TBM (gesamt)
Vortriebsklasse 1
Nettobohrzeit
Nettobohrzeit
53%
49%
6%
6%
11%
11%
Ausbausicherung
8%
19%
Wartung
24%
6%
4%
Umsetzzeit
Ausfallzeiten
Defekt Ver-/Entsorgungseinheit
Defekt TBM (2%)
Sonstiges
Ver-/Entsorgung
Ausbausicherung
Leerwagen
Vortriebsklasse 2
Vortriebsklasse 3
Nettobohrzeit
Nettobohrzeit
Ver-/Entsorgung
43%
35%
18%
23%
18%
22%
16%
25%
Ausfallzeiten
Ver-/Entsorgung
Ausbausicherung
Ausfallzeiten
Ausbausicherung
Anmerkung: In der Vortriebsklasse 4 lagen nicht genügend Daten für eine Statistik vor.
Bild 3 Ausnutzungsgrad der TBM in Abhängigkeit der Vortriebsklasse (= Fräsklasse)
Fig. 3 Advantage of the TBM in connection with the excavation class.
Felsbau 16 (1998) Nr. 1
3
THURO & BRODBECK: AUSWERTUNG VON TBM-VORTRIEBSDATEN
Tabelle 2 Ausnutzungsgrad und Verfügbarkeit der TBM über die
Zeit des Stollenvortriebs.
Table 2 Advantage and availability of the TBM during the period of
excavation.
Beschreibung ........................................ Anteil [min].... Prozent
Nettobohrzeit ........................................... 29317 min ...... 49%
Ausbausicherung ..................................... 6775 min ........ 11%
Sonstiges (Vermessung,
Medienversorgung) .................................. 6417 min ........ 11%
Leerwagen ............................................... 4929 min ........ 8%
Maschinendefekte.................................... 955 min .......... 2%
Defekte der Ver-/Entsorgungseinheit ....... 3437 min ........ 6%
Umsetzzeit............................................... 3828 min ........ 6%
Wartungsarbeiten .................................... 3759 min ........ 6%
Arbeitszeit gesamt ................................... 59417 min ...... 100%
Der Ausnutzungsgrad ist neben der Verfügbarkeit ein weiteres bestimmendes Leistungsmerkmal der TBM. Er ist überwiegend von den geologischen Verhältnissen sowie vom
Baubetrieb abhängig. Dies verdeutlichen die in Bild 3 dargestellten Diagramme in Abhängigkeit der Vortriebsklasse.
Die Vortriebsklassenverteilung im Erkundungsstollen ist in
Bild 4 zu sehen.
Durch den geringen Anteil von nur 1 % der Vortriebsklasse 4 an der gesamten Stollenlänge war in dieser Vortriebsklasse keine statistische Auswertung möglich. Der
Einfluß des Baubetriebs auf den Ausnutzungsgrad der TBM
hat sich in den ersten 400 Stollenmetern sehr stark bemerkbar gemacht. Zu diesem Zeitpunkt war für die Entsorgung
des Ausbruchmaterials die Überwurfkippe noch nicht vollständig installiert, so daß die Waggons per Kran entleert
und wieder zurück auf die Gleise gesetzt werden mußten.
Vortriebsklasse 1
75%
1%
Vortriebsklasse 4
11%
13%
Vortriebsklasse 3
Vortriebsklasse 2
Bild 4 Verteilung der Vortriebsklassen im Erkundungsstollen.
Fig. 4 Distribution of the excavation classes in the pilot tunnel.
Bohrfortschritt und Penetrationsraten
Der aus den TBM-Daten ermittelte Bohrfortschritt läßt sich
als analytischer Zusammenhang der drei Größen Vorschubkraft, Bohrkopf-Penetration und elektrische Leistung beschreiben. Dabei ist die Vorschubkraft die unabhängige
variable Größe, die vom Maschinisten gesteuert wird. Die
Variablen Penetration und elektrische Leistung sind die
vom Gebirgscharakter abhängigen Größen. Bei der Steuerung der TBM muß der Maschinist versuchen, mit dem
optimalen Anpreßdruck zu fahren, um eine größtmögliche
Penetration zu erhalten.
Für die Untersuchung der Bohrbarkeit muß zwischen
der gesteinsbedingten Bohrbarkeit (Basisbohrbarkeit) und
der Beeinflussung der Basisbohrbarkeit durch den Gebirgs-
charakter unterschieden werden, der i.d.R. durch das Trennflächengefüge bestimmt wird.
Für die Auswertung der TBM-Vortriebsdaten lassen sich
Zusammenhänge zwischen TBM-Daten und Gesteins- bzw.
Gebirgseigenschaften nur vergleichen, wenn die Ortsbrust
überwiegend aus gleichem, homogenem Gestein aufgebaut
ist, und sich der Vortrieb in einem ungestörten Gebirgsbereich befindet. Aus diesem Grund wurde versucht, für jede
der im Erkundungsstollen ausgewiesenen 7 Gesteinstypen
Bereiche auszuscheiden, bei denen diese Anforderungen
weitgehend erfüllt werden.
Aus der baugeologischen Erkundung ergaben sich für
den gesamten Tunnelbereich sieben charakteristische Gesteinstypen, für welche die felsmechanischen Kennwerte
bestimmt wurden. Die Anteile der Gesteinstypen an der
Gesamtstrecke im Erkundungsstollen gibt Bild 5 wieder.
Typ 2: Graphitphyllit
Typ 3: Quarzphyllit
18%
15%
28%
24%
Typ 4: Phyllit/
Karbonatschiefer
8%
Typ 5: Karbonatschiefer
2
Typ 1: Phyllit im
allgemeinen
4%
Typ 7: Quarz-Karbonatschiefer
Typ 6: Marmor/Karbonatschiefer
Bild 5 Anteile der Gesteinstypen an der Gesamtstrecke im Erkundungsstollen Schwarzach.
Fig. 5 Rock types and their share of the entire distance of the pilot
tunnel.
Nicht als eigener Gesteinstyp ausgeschieden wurden
Derbquarz, Erze und Verwachsungen von Erzen und Quarz.
Der Gesamtanteil von Derbquarz im Gebirge in der beschriebenen Form konnte überschlägig mit etwa 3-4% angegeben werden. Genaue Angaben über die Lagerungsverhältnisse und die Verteilung der Gesteine im Verlauf des
Tunnels sowie genaue Gesteins- und Gebirgsbeschreibungen werden im Abschlußbericht der Baugeologischen Dokumentation (13) gegeben.
In der Dokumentation sind diese Bereiche für jeden Gesteinstyp mit den TBM-Vortriebsdaten tabellarisch dargestellt worden. Dabei wurden die Mittelwerte über den angegebenen Stationsbereich gemittelt und die absoluten Minimal- und Maximalwerte in den jeweiligen Stationsbereichen
angegeben.
Die Penetration des Bohrkopfes steht - nach der gängigen
Fachliteratur - in direkter Korrelation zur Anpreßkraft,
respektive indirekter Korrelation zur Gesteinsfestigkeit (in
einem ungestörten, wenig zerlegten Gebirgsbereich). Je
höher die Anpreßkraft der Schneidrolle, desto höher die
Penetration bei gleichbleibender Gesteinsfestigkeit. Je höher die Gesteinsfestigkeit desto geringer die Penetration bei
gleichbleibender Anpreßkraft.
Diese Korrelation konnte infolge der Inhomogenität des
Gebirges in den vorliegenden Gesteinstypen nicht nachgewiesen werden. In Bild 6 ist die Anpreßkraft und die dazugehörige Penetration in einem möglichst unzerlegten Gebirgsbereich von Gesteinstyp 3 Quarzphyllit dargestellt.
Felsbau 16 (1998) Nr. 1
4
GEOMECHANIK
SONDERDRUCK AUS FELSBAU 16 (1998) NR. 1, S. 8-17
14
Penetration [mm/UPM]
Typ 3 z 1
Qualitativer Verschleiß der Diskenmeißel
12
In Bild 7 ist der Bohrkopf und in Bild 8 die Positionen der
Diskenmeißel der eingesetzten TBM dargestellt.
10
8
6
4
2
0
1000
1500
2000
3000
2500
3500
4000
Anpreßkraft [kN]
Bild 6 Penetration, aufgetragen gegen die Anpreßkraft am Beispiel
von Gesteinstyp 3 Quarzphyllit. Eine signifikante Korrelation ist
nicht nachweisbar.
Fig. 6 Penetration plotted against normal force. Example of rock
type 3 quartzphyllite. Apparently, there is no significant correlation.
Dabei sind die niedrigen Penetrationsraten bei sehr hohen
Anpreßkräften vermutlich auf einzelne Derbquarze oder
Quarz-Karbonat-Mobilisate zurückzuführen, die hohen
Penetrationsraten bei sehr niedrigen Anpreßkräften können
auf einen lokal begrenzten, hohen Zerlegungsgrad hinweisen. Aus dem gleichen Grund ließ sich ein Zusammenhang
zwischen Orientierung der Schieferung und der spez. Penetration nicht nachweisen, obwohl zweifellos ein Einfluß
vorhanden sein muß (vgl. (14, 15).
In der Tabelle 3 ist die mittlere spezifische Penetration
bei den unterschiedlichen Zerlegungsgraden (nach ÖNORM
4401 T4) aufgetragen. Deutlich ist zu erkennen, daß die
Penetration mit zunehmendem Zerlegungsgrad des Gebirges
ebenfalls steigt.
Bild 7 Bohrkopf der TBM AC MARK 12 CF ∅ 3,60 m mit Positionen der Diskenmeißel.
Fig. 7 Cutter wheel of the TBM AC MARK 12 CF ∅ 3,60 m with
positions of the disc cutters.
27
25
23
22
Tabelle 3 Penetrationsraten in den verschiedenen Gesteinstypen
(Gesteine siehe Bild 5) in Abhängigkeit vom Zerlegungsgrad des
Gebirges (nach ÖNORM 4401 T4).
Table 3 Penetration in the various rock types in connection with the
fracturing of the rock mass (after ÖNORM 4401 T4).
Spurabstände der
Schneidwerkzeuge
am Bohrkopf
Kalibermeißel 16 1/4"
Radius 314.3mm
21
20
19
18
Legende
z1
z 1-2
z2
z 2-3
z3
Scherzone
0.095
0.084
0.063
0.057
0.040
0.100
0.098
0.089
0.052
-
0.118
0.144
0.185
0.160
-
0.136
0.144
-
0.143
-
0.176
0.171
-
17
16
15
14
1838,9 mm
13
12
Brustmeißel 16 1/4",
Spurabstand 80mm
11
10
9
1062,9 mm
8
7
6
47,9 mm
5
341,6 mm
Typ 1
Typ 2
Typ 3
Typ 4
Typ 5
Typ 6
Typ 7
4
3
Zentrummeißel 12"
2
1
Bild 8 Schnitt durch den Bohrkopf mit den Spurabständen der
Diskenmeißel (AC MARK 12 CF).
Fig. 8 Cross section of the cutter wheel with track distances of the
disc cutters (AC MARK 12 CF).
Felsbau 16 (1998) Nr. 1
5
THURO & BRODBECK: AUSWERTUNG VON TBM-VORTRIEBSDATEN
Verschleißbild
im Kaliberbereich
abgenutzter
Schneidring
mittelt. In einem schwer penetrierbaren Gestein ist die Anzahl der Umdrehungen für eine vorgegebene Strecke höher,
als in einem gut penetrierbaren Gestein. Die Rollstrecke,
sowie die Abrollgeschwindigkeit der Schneidmeißel nehmen mit zunehmender Entfernung vom Bohrkopfzentrum
zu. Damit sind die Kalibermeißel einem höheren Verschleiß
ausgesetzt, als die Meißel auf inneren Schneidspuren.
Eine direkte Abhängigkeit des Verschleißes vom Gesteinstyp (bzw. von der Abrasivität des Gesteins) ist zwar
ganz sicher vorhanden, wegen der starken Wechselhaftigkeit der Zusammensetzung des Gebirges (und der Gesteine)
im Rahmen der relativ kurzen Rollstrecken jedoch hier nicht
nachweisbar gewesen.
Die Rollstrecken lagen zwischen 318 km (Pos. 27) und
2410 km (Pos. 19) bei einem mittleren Rollweg von 1012
km pro Diskenmeißel. Dieser Verschleiß kann insgesamt als
abgenutzter
Schneidring
ursprünglicher
Schneidring
Bild 9 Charakteristische Verschleißbilder von Schneidringen
(Hartmetallringen) an Brust und Kaliber des Bohrkopfes. Weiß:
ursprüngliche Form. Grau: abgenutzte Form.
Fig. 9 Characteristical wear of the hard metal cutterrings at the face
and the calibre of the cutter wheel. White: original shape, grey:
worn-out shape.
U
U
27
613
Kaliber
Brust
464
464
464
464
245
205
U
234
854
741
234
336
339
200
87
200
284
87
602
371
371
602
602
87
1034
1048
1993
1190
1318
1654
U
171
570
1190
945
85
U
336
836
709
945
22
Meißelposition
U
245
245
1190
822
123
23
21
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
332
945
25
24
U
490
123
26
Zentrum
Ein neu in den Bohrkopf eingebauter Diskenmeißel erhielt eine Einbaubewertung für
den Abnutzungsgrad (beim Einbau) des
Hartmetallrings. Die Einbaubewertung eines
frischen, ungebrauchten Meißels betrugt
100 [%]. Die Meißelringe wurden maximal
etwa 25 mm abgefahren und erhielten dann
die (Ausbau-) Bewertung 0 [%]. Der Bewertungsverlust wäre in diesem Fall 100
[%]. Ausnahmen bildeten die Kalibermeißel
der Position 27 und teilweise 26, die nur 10
mm abgefahren wurden. Diese wurden dann
auf eine innere Position gewechselt, um
dann vollständig abgenützt zu werden.
In Bild 9 sind zwei charakteristische
Verschleißbilder von Schneidringen der
Diskenmeißel im Bereich der Brust und im
Bereich des Kalibers dargestellt. Typischerweise werden Brustmeißel symmetrisch „abgefahren“, Kalibermeißel - bedingt
durch ihre Randposition - asymmetrisch.
Dies ist in der Regel bei allen Schneidringen
der Fall gewesen.
Ab Station 2595 keine Aufzeichnungenmehr vorhanden
Verschleißbild
im Brustbereich
941
1993
602
1654
941
1993
602
2595
2595
2595
2595
2595
2595
2595
2595
2595
Station
[m]ist nicht bekannt
Die Zentrummeißel wurden einmal ausgetauscht, die
Station
Station 0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
2600
2800
Bild 10 Standzeiten der Diskenmeißel aufgetragen gegen die Meißelposition und die Stationierung des Wechsels. Zahlen: Standzeiten der Meißel in Meter.
Fig. 10 Life span of the disc cutters plotted against the track position and the exchange
stationing. Figures: disc cutter life-span in meter.
27
Kaliber
Verbrauch von Diskenmeißel
372
26
25
24
361
848
1618
1914
1214
411
318
319
310
703
698
691
677
373
360
220 212 246
930
113
791
241
213
332 110
637
419
403
Brust
Zentrum
Meißelposition
23
1153
237
1115
355
Im Standzeiten-Diagramm der Meißel (Bild
22
1493
924
554
10) sind die Standzeiten der Diskenmeißel
21
1716
1141
1369
1173
567
20
in Stollenmeter und die Umsetzpositionen
19
2410
538
der Kalibermeißel (U) dargestellt. Jeder
1468
1235
86
18
1880
745
17
Schwarz-Grau-Wechsel im Diagramm zeigt
2015
449
16
einen Meißelwechsel an. Die Umsetzposi1649
654
15
1751
390
14
tionen U markieren das Umsetzen eines
1979
13
gebrauchten, aber noch nicht völlig ver1818
12
1557
11
schlissenen Kalibermeißels der Positionen
1495
10
26 oder 27 auf eine innere Position 23, 24
1334
9
1173
8
oder 25, um ihn völlig abzufahren. Die
1011
7
54 Diskenmeißel (ohne Zentrummeißel)
850
6
Positionswechsel sind anhand der BewerRollstrecke gesamt = 54.668 km
688
5
tungszahl leicht erkenntlich.
Mittelwert: 1012 km pro Diskenmeißel
4
Minimum: 318 km (Kalibermeißel 27)
3
Die Zentrummeißel wurden einmal ausgetauscht.
Das Rollstrecken-Diagramm von Bild 11
Maximum: 2410 km (Brustmeißel 19)
2
zeigt die absolute Rollstrecke der Meißel in
1
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
km in Abhängigkeit ihrer Position am BohrRollstrecke [km]
kopf. Die Rollstrecke wurde über die Standzeit und die unterschiedlichen Penetrations- Bild 11 Zurückgelegter Rollweg der Diskenmeißel, aufgetragen gegen die Meißelposition.
raten in den jeweiligen Gesteinsarten er- Fig. 11 Length of cutter path plotted against the position of the cutter.
Felsbau 16 (1998) Nr. 1
6
GEOMECHANIK
SONDERDRUCK AUS FELSBAU 16 (1998) NR. 1, S. 8-17
einem deutlichen Abfall der spezifischen Penetration bis auf
Werte von 0,03 mm/Upm/kN zu erkennen. Gleiches gilt für
den Abfall bei etwa Stat. 2528 in Bild 12 unten. Um einem
Absinken der spez. Penetration in diesen Bereichen entgegenzuwirken wurde der Anpreßdruck, soweit es die Begrenzung der Stomaufnahme der Antriebsmotoren zuließ, erhöht. Dabei sind stellenweise Anpreßdrücke von über 4000
kN erreicht worden.
Allerdings treten solche reduzierten spezifischen Penetrationsraten auch auf, ohne daß eine geologische Begründung aus dem geologischen Längsschnitt zu erkennen ist.
Besonders hohe spez. Penetrationsraten sind erfahrungsgemäß häufig auf einen lokal erhöhten Zerlegungsgrad zurückzuführen (Pos. z3 in Bild 12 oben). Hohe spezifische
Penetrationsraten treten aber auch dann auf, wenn in der
Dokumentation (aus Gründen der Generalisierung) gar
keine besonders hohen Zerlegungsgrade ausgewiesen sind.
Dadurch wird deutlich, daß die TBM-Aufzeichnungen eine
weit detailgenauere Wiedergabe der Wechselhaftigkeit des
Gebirges dokumentieren, als dies in einer geologischen
Dokumentation zum Ausdruck kommen kann.
Ein anderes Beispiel: Bei etwa Stat. 2535 steigt in Pos. *
in Bild 12 unten die elektrische Leistung sprunghaft an, bei
gleichzeitigem Abfall der spez. Penetration. Dies ist auf ein
erhöhtes Drehmoment am Bohrkopf zurückzuführen. Das
erhöhte Drehmoment könnte verursacht werden:
ð durch kurzzeitiges Blockieren eines oder mehrerer Diskenmeißel (relativ unwahrscheinlich),
mittel bis hoch eingestuft werden. Erfahrungsgemäß werden
Rollstrecken von etwa 2000 km als günstig, der damit verbundene Verschleiß als gering eingestuft.
Die Anzahl der verbrauchten Schneidringe bis Station
2595 beträgt 59 Stück einschließlich der vier Zentrummeißel. Die Kubatur, die in dieser Stollenlänge ausgebrochen
wurde, betrug 29.349 m³. Dies entspricht einem durchschnittlichen Meißelverbrauch (ohne Berücksichtigung der
Rollstrecke) von rund 2 Meißel pro 1000 m³ ausgebrochenem Fels. Der mittlere Verschleiß kann insgesamt als mäßig
bezeichnet werden.
Auswirkungen des Gebirges auf den
Bohrfortschritt
An Beispielen soll demonstriert werden, wie sich die Ausbildung von Gestein und Gebirge auf den Bohrfortschritt
ausgewirkt hat. In Bild 12 ist der Einfluß der Gesteinstypen
auf die spezifische Penetration in den Gebirgsabschnitten
94 - 97 und 105 - 112 dargestellt. Begleitend wurde jeweils
die elektrische Leistung aufgetragen. Deutlich sind aus den
Diagrammen die Übergänge zwischen den unterschiedlichen Gesteinstypen mit ihren charakteristischen geotechnischen Kennwerten zu erkennen. Die Übergänge zwischen
den Gesteinstypen sind auf Grund des Raumwinkels zwischen der Stollenachse und der Einfallsrichtung der Gesteinsgrenzen als fließend zu bezeichnen, da sie schleifend
verlaufen. Der Einfluß des Derbquarzes („Quarz-KarbonatMobilisate“) ist z.B. bei Station 2325 in Bild 12 oben an
Gebirgsabschnitt 94-97
0,35
D
= Derbquarz
Typ = Gesteinstyp
0,30
spez. Penetration
220
elektr. Leistung
200
180
0,25
160
140
0,20
D
120
100
0,15
80
0,10
el. Leistung [kW]
spez. Penetration [mm/Upm/kN]
z3
60
40
0,05
Typ 2
Typ 4
20
Typ 4
Typ 5
0,00
0
2290
2300
2310
2320
2330
2340
2350
2360
2370
2380
2390
Station [m]
Gebirgsabschnitt 105-112
*
D
= Derbquarz
Typ = Gesteinstyp
0,30
spez. Penetration
240
elektr. Leistung
220
200
160
0,20
D
D
140
120
0,15
100
80
0,10
el. Leistung [kW]
180
0,25
2500
2510
2520
2530
2540
2550
2560
Typ 7
40
Typ 4
Typ 7
Typ 4
Typ 7
Typ 4
0,00
Typ 7
60
0,05
Typ 4
spez. Penetration [mm/Upm/kN]
0,35
Typ 6
2570
2580
20
Typ 6
0
2590
2600
Station [m]
Bild 12 Einfluß der Gesteinstypen auf die spez. Penetration in den Gebirgsabschnitten 94 - 97 (oben) bzw. 105 - 112 (unten).
Fig. 12 Influence of the rock types on the spez. penetration in the rock sections 94 - 97 (upper diagram) and 105 - 112 (lower diagram).
Felsbau 16 (1998) Nr. 1
7
THURO & BRODBECK: AUSWERTUNG VON TBM-VORTRIEBSDATEN
ð durch ein Verklemmen eines größeren Blocks am Bohrkopf oder
ð durch einen zu hohen Materialandrang am Bohrkopf und
zu langsames Abfördern des Ausbruchsmaterials
Die wahrscheinlichste Erklärung dürfte die letztere sein, da
in dem phyllitischen Material bei hohen, durchschnittlichen
spez. Penetrationsraten kaum große Blöcke aus dem Gebirgsverband gelöst werden können.
Besonders deutlich ist in Bild 12 unten auch der Übergang von dem mehr phyllitisch ausgebildeten Gebirge
(überwiegend Gesteinstyp 4) zu dem mehr karbonatisch kompakt ausgebildeten, wenig zerlegten Gebirge
(Gesteinstypen 6 und 7) ab etwa Stat. 2566 zu sehen.
Wie schon eingangs erwähnt, ist bei der Interpretation der
TBM-Daten zu berücksichtigen, daß der Anpreßdruck der
TBM vom Maschinisten gesteuert wird und daher nicht
alleine von den Gebirgsverhältnissen abhängig ist. Die
limitierenden Größen für die Steuerung des Anpreßdruckes
sind in erster Linie die Stromaufnahme der Antriebsmotoren
sowie die Menge des Ausbruchmaterials auf dem Förderband, also die Förderleistung.
Quellennachweis
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
Zusammenfassung
Die Auswertung der TBM-Maschinendaten aus dem Vortrieb des Erkundungsstollens ergab folgende Ergebnisse:
Die Vortriebsleistungen können mit im Mittel 43 m pro
Arbeitstag (berechnet über 66 Vortriebstage incl. den Tagen, an denen nur eine Schicht gefahren wurde) insgesamt
als hoch eingestuft werden. Die höchste Vortriebsleistung
betrug 84 m pro Arbeitstag. Niedrige Vortriebsleistungen
waren in der Regel betrieblich bedingt. Ebenso lagen die
Penetrationsraten im Mittel im durchschnittlichen bis hohen
Bereich. Niedrige Penetrationsraten sind vor allem in den
wenig zerlegten, karbonatreichen Gebirgspartien aufgetreten (Gesteinstypen 4: Phyllit / Karbonatschiefer, 5: Karbonatschiefer und 6: Marmor mit Karbonatschiefer; jeweils z
1 und z 1-2 nach ÖNORM 4401 T4) sowie in den
Derbquarzen (bzw. Quarz-Karbonat-Mobilisaten) gemessen
worden. Hohe Penetrationsraten sind vor allem in den stärker zerlegten Gebirgsbereichen aufgetreten. Charakteristischerweise waren vor allem die phyllitischen Partien stärker
zerlegt (Gesteinstypen 1 - 4, jeweils ab z 2 nach ÖNORM
4401 T4) und damit gut bohrbar.
Der Verschleiß der Diskenmeißel ist insgesamt als mäßig einzustufen. Ein qualitativ oder quantitativ ungewöhnlich hoher Verschleiß wurde nicht aufgezeichnet. Es traten
keine nennenswerten, gebirgsbedingt-bohrtechnische Probleme auf, die einem reibungslosen Vortrieb mit der TBM
entgegenstanden.
Mithilfe der TBM-Dokumentation konnte die Inhomogenität des Gebirges, der Einfluß der Gesteinstypen auf die
Nettobohrgeschwindigkeit und der Einfluß von „harten“
Gesteinen - z.B. Marmoren, Karbonatschiefern und
Derbquarz schlüssig nachgewiesen werden. Dabei wurde
deutlich, daß die TBM-Aufzeichnungen eine weit detailgenauere Wiedergabe der Wechselhaftigkeit des Gebirges
dokumentieren, als dies in einer geologischen Dokumentation zum Ausdruck kommen kann.
(9)
(10)
(11)
(12)
(13)
(14)
(15)
Eder M.; Lutz H.: Umfahrung Schwarzach - Schönbergtunnel.
- In: Felsbau 15 (1997), Nr.6, S. 526-532.
bvfs - Bautechnische Versuchs- und Forschungsanstalt
Salzburg: Zusammenfassung der felsmechanischen Kennwerte für die Bemessung. Bauvorhaben: B 311 - Umfahrung
Schwarzach, Schönbergtunnel. Bericht G7/239/95-09, 1996
bvfs - Bautechnische Versuchs- und Forschungsanstalt
Salzburg: Kennwerte der Zerstörungsarbeit, Bauvorhaben: B
311 - Umfahrung Schwarzach, Schönbergtunnel, 1996.
bvfs - Bautechnische Versuchs- und Forschungsanstalt
Salzburg: Kennwerte der Abrasivität (CERCHAR Abrasivitäts
Index CAI), Bauvorhaben: B 311 - Umfahrung Schwarzach,
Schönbergtunnel l, 1996.
bvfs - Bautechnische Versuchs- und Forschungsanstalt
Salzburg, Dr. K. Thuro, TU München: Stellungnahme zur Gebirgslösung, Bauvorhaben: B 311 - Umfahrung Schwarzach,
Schönbergtunnel, 1996.
Thuro K.: Bericht zur Auswertung der TBM-Vortriebsdaten
aus der Auffahrung des Erkundungsstollens, Bauvorhaben: B
311 - Umfahrung Schwarzach, Schönbergtunnel. 19 Seiten, 8
Beilagen, 30 Planbeilagen, TU München, 1996.
Stempkowski R.: Leistungsanalysen im TBM-Vortrieb. Tunnelbau Taschenbuch 1998 (1997), Essen (Glückauf), S. 291322.
Gehring K.: Leistungs- und Verschleißprognosen im maschinellen Tunnelbau. In: Felsbau 13 (1995), Nr. 6, S. 439-448.
Gehring K.: Classification of drillability, cuttability, borability
and abrasivity in tunnelling. In: Felsbau 15 (1997), Nr. 3, S.
183-191.
Rutschmann W.: Mechanischer Tunnelvortrieb im Festgestein. Düsseldorf (VDI-Verlag), 1974
Firma Ilbau: Maschinentagesberichte Juli bis September
1995, 1996.
Ingenieurbüro Laabmayr & Partner: Auswertung der TBMVortriebsdaten. 1995.
Fürlinger W.: Umfahrung Schwarzach, SchönbergtunnelErkundungsstollen, Baugeologische Dokumentation, Abschlußbericht GZ 9507-06G, 1996
Spaun G.; Thuro K.: Untersuchungen zur Bohrbarkeit und
Zähigkeit des Innsbrucker Quarzphyllits. In: Felsbau 12
(1994), Nr. 2, S. 111-122.
Thuro K.; Spaun G.: Drillability in hard rock drill and blast
tunnelling. In: Felsbau 14 (1996), Nr. 2, S. 103-109.
Felsbau 16 (1998) Nr. 1
8