DISSERTATION. BAUBETRIEBLICHE MODELLIERUNG DER PROZESSE MASCHINELLER TUNNEL- VORTRIEBE IM FESTGESTEIN Von der Penetration zur Vortriebsgeschwindigkeit

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1 DISSERTATION BAUBETRIEBLICHE MODELLIERUNG DER PROZESSE MASCHINELLER TUNNEL- VORTRIEBE IM FESTGESTEIN Von der Penetration zur Vortriebsgeschwindigkeit Eingereicht an der Leopold-Franzens-Universität Innsbruck Baufakultät Architektur und Bauingenieurwesen Zur Erlangung des akademischen Grades Doktor der technischen Wissenschaften von Dipl.-Ing. Wolfgang Leitner Innsbruck, im Mai 2004

2 Seite iii KURZFASSUNG Eine möglichst exakte Prognose von Leistungen und der daraus resultierenden Dauer von Bauleistungen stellt die Grundlage der Kosten- und Ablaufplanung dar. Dazu ist es notwendig, die einzelnen Arbeitsschritte genau zu analysieren und ihre Auswirkungen auf andere Tätigkeiten festzustellen. Im maschinellen Tunnelbau können die ablaufenden Prozesse sehr komplex sein, dementsprechend genau sollten sie betrachtet werden. Bis dato existieren lediglich relativ simple Methoden, um Tagesleistungen für Tunnelvortriebsmaschinen zu ermitteln. Diese bedienen sich des so genannten Ausnutzungsgrades, welcher auf eine Nettovortriebsleistung aufgeschlagen wird, und liefern rasch Ergebnisse, die allerdings hauptsächlich auf Erfahrungen des Kalkulierenden beruhen und dementsprechend reine Abschätzungen darstellen. Eine genaue Prognose der Vortriebsgeschwindigkeit ist somit nicht möglich, ein Vergleich der prognostizierten Vortriebsgeschwindigkeit mit der tatsächlichen nur auf sehr oberflächlichem Niveau. Die vorliegende Arbeit soll diesen Umstand verbessern und stellt ein Modell zur Ermittlung der Vortriebsgeschwindigkeit für drei unterschiedliche Tunnelvortriebsmaschinen im Festgestein, nämlich TBM-O, TBM-S und TBM-DS vor. Die wesentlichen Einflussgrößen auf die Vortriebsgeschwindigkeit sind Maschine, Gestein, Gebirge und Mensch. Unter diesen stellen sich Maschine, Gestein und Gebirge als wesentlich zur Ermittlung der Penetration und des Werkzeugverbrauches und somit zur Berechnung einer theoretischen Nettovortriebsleistung heraus. Der menschliche Einfluss liegt hier lediglich in der Steuerung und Überwachung der Maschine. Für die Ermittlung der tatsächlichen Vortriebsgeschwindigkeit spielt der menschliche Faktor eine weitaus größere Rolle, seien es Sicherungsarbeiten bei offenen TBM, Tübbingeinbau bei Schild- oder Doppelschildmaschinen, Meißelwechselarbeiten, Erkundungsbohrungen, Wartung, Reparatur etc. Des Weiteren ist beim maschinellen Vortrieb der Einarbeitungseffekt sehr stark ausgeprägt und dementsprechend zu berücksichtigen. Die Tatsache, dass die genannten Faktoren oft voneinander abhängig sind erschwert naturgemäß die Leistungsermittlung. Ziel der Arbeit ist es, die Prozesse maschineller Tunnelvortriebe im Festgestein baubetrieblich zu modellieren und den Weg von der Berechnung der Penetration bis hin zur Ermittlung der Tagesleistung exakt darzustellen. Die wesentlichen Bearbeitungsschritte zur Zielfindung sind: Darstellung des Standes der Technik im maschinellen Tunnelvortrieb im Festgestein Erhebung des Wissensstandes in der Penetrationsermittlung Erhebung des Wissensstandes in der Vorhersage des Meißelverschleißes Erarbeitung eines Modells zur Ermittlung der Vortriebsgeschwindigkeit Vergleich des Modells mit Auswertungen von Baustellendaten Anpassungen des Modells sowie Darstellung der Abgrenzungen Ausgangspunkt für die Modellierung ist neben den Maschinendaten die Penetration. Der Meißelverschleiß findet später Eingang in das Modell. Zunächst werden die eigentlichen Prozesse des Vortriebszyklus betrachtet, Bohren und Stützmitteleinbau bei offener TBM, Bohren und Tübbingeinbau bei Schild- und Doppelschild TBM. Diese Prozesse stellen sich vor allem bei offenen Maschinen sehr komplex dar. Das Ergebnis dieses Berechnungsteiles ist die tatsächliche Dauer eines Hubes. In einem zweiten Schritt werden die Stillstandszeiten betrachtet. Beginnend mit der Zeit für Revisionsarbeiten über vorhersehbare Vortriebsunterbrechungen wie Meißelkontrolle, Meißelwechselzeiten, Vorauserkundung, Förderbandverlängerung und ähnliches bis hin zu den unvorhersehbaren Vortriebsunterbrechungen wie Ausfall der TBM, des Nachläufers, der Transporteinrichtungen oder sonstige wird schrittweise so vorgegangen, dass die einzelnen Zeitanteile der eigentlichen Hubdauer aufgeschlagen werden, so dass schlussendlich ein so genannter fiktiver Hub errechnet wird, welcher kontinuierlich 24 Stunden je Tag angesetzt werden kann.

3 Seite iv Die aufgezeigte Berechnungsmethodik durchläuft einige Iterationsschritte, da alle aufzuschlagenden Zeitanteile grundsätzlich vom Endergebnis, nämlich der Anzahl der täglichen Hübe und somit der Vortriebsleistung abhängig sind. Mit der vorgestellten Vorgehensweise ist es möglich, Prognosen über die Vortriebsgeschwindigkeit anzustellen, des weiteren ist es leicht möglich, Parameterstudien durchzuführen und somit die Einflüsse einzelner Faktoren auf die Tagesleistung darzustellen. Im Planungsstadium sind solche Untersuchungen vor allem in Kombination mit unscharfen Berechnungen Fuzzy-Methoden sinnvoll, da man die Auswirkungen von Parameterstreuungen besonders gut beobachten kann. Eine derartige Vorgehensweise ist bei Risikoanalysen zweckmäßig. Durch die Transparenz der Berechnung wird als weitere Anwendungsmöglichkeit ein detaillierter Soll-Ist-Vergleich währen der Bauzeit ermöglicht. Die genaue Aufschlüsselung bietet die Möglichkeit, über eine Gegenüberstellung der Leistungen hinaus die einzelnen leistungsbeeinflussenden Parameter zu vergleichen und somit gezielt Verbesserungsmaßnahmen durchführen zu können. Das vorliegende Formular kann erweitert werden, so dass die auf Ausschreibungswerten beruhende Kalkulation mit den tatsächlich angetroffenen Werten (tatsächliche Leistungen und tatsächlich angetroffene Geologie sowie Sicherungsaufwand) verglichen werden kann. Legt man dabei die Verteilung der Ausbruch- und Sicherungsklassen zugrunde, so ist es möglich, die tatsächliche, die prognostizierte und die vertragliche Vortriebsdauer hochzurechnen und somit eine Prognose über die Restbauzeit anzustellen. Wie bei jedem Modell ist es notwendig, dieses in der Praxis anzuwenden, die Ergebnisse zu prüfen und neue Erkenntnisse in das Modell einfließen zu lassen.

4 Seite v ABSTRACT A forecast of the duration of building performances as exact as possible represents the basis of the cost and sequence planning. Therefore it is necessary to analyse the individual work steps exactly and to establish their effects on other activities. In mechanized tunnelling the processes taking place can be very complex, correspondingly they should be looked at exactly. To date only relatively simple methods exist to find daily performances for Tunnel Boring Machines. These make use of the utilisation degree, which is opened on the net penetration rate, and deliver results quickly though mainly based on experiences of the calculator and correspondingly rough estimations appear. An exact forecast of the advance rate therefore isn t possible; a comparison of the estimated machine performance with the actual one is only feasible on a very superficial standard. The work in hand shall improve this circumstance and introduces a model for the determination of advance rates for three different types of TBM in hard rock, namely open TBM, shielded TBM and doubleshield TBM. The essential influence sizes on the advance rate are machine, rock, rock mass and man. Below these machine, rock and rock mass prove essential for the estimation of penetration and tool wear and therefore for the calculation of a theoretical net penetration rate. The human influence only involves the control and supervision of the machine. For the determination of the actual advance rate the human factor plays a far larger role, it is rock supporting for open TBM, segmental lining for shielded or double shielded TBM, cutter change, probe drillings, maintenance, repair etc. Furthermore the training effect has to be taken into consideration very strongly and is very important in mechanized tunnelling. The fact that the mentioned factors strongly depend on each other makes the performance inquiry even harder. It is the aim of the work to model the processes of mechanized tunnel advances in hard rock and to put forward the way from the calculation of penetration to the determination of the daily advance rate exactly. The essential processing steps are: Representation of the state of the art in mechanized tunnelling in hard rock Determination of the state of knowledge in the examination of penetration Determination of the state of knowledge in the forecast of cutter wear Acquirement of a model for the calculation of advance rates Comparison of the model with evaluations of work data Customisations of the model as well as representation of the demarcations Starting point for the modelling is besides the machine specifications the penetration; cutter wear finds its way into the model later. At first the processes of the entire stroke are looked at, namely boring and supporting measures on open TBM, boring and segmental lining on shielded and double shielded TBM. These processes appear primarily to be very complex at open type Tunnel Boring Machines. The result of this calculation part is the actual duration of one stroke. In a second step the downtimes are looked at. Starting with the time for revision work about foreseeable downtimes like cutter control and change, probe drillings, conveyor belt prolongation and similar things up to the unforeseeable interruptions like failure of the TBM, the backup equipment, the tunnel transport system or other proceedings the approach is to open the individual time quotas on the entire stroke duration so that finally a fictitious stroke can be calculated which can be continuously attached 24 hours for each day. The shown calculation method passes through some iteration steps as all time quotas to be opened are in principle dependent on the final result, namely the number of daily strokes and therefore the advance rate.

5 Seite vi With the introduced approach it is possible to estimate advance rates, furthermore it is easily possible to carry out parameter studies and therefore to represent the influences of single factors on the daily machine performance. In the planning stage such examinations primarily make sense in combination with blurred calculations, the fuzzy methods, as one is able to watch the consequences of parameter spread particularly well. Such an application is useful at risk analyses. Another possible purpose is a detailed target/actual comparison during the construction time because of the transparency of the calculation. The exact breakdown offers the possibility of comparing the individual performance influencing parameters and therefore being able to carry out systematic improvement measures. The form on hand can be extended so that the calculation which is based on tender documents can be compared with the values actually found (actually found performances as well as actually found geology and rock support effort). If one uses the distribution of the rock mass classes as a basis, it is possible to estimate the actual, the prognosticated and contractual construction time and therefore also to forecast the presumable remaining construction time. It is necessary as it is in the case of every model to use this in practice, to check the results and to let new knowledge influence the model.