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Transkript

1 IGT Institut für Geotechnik Institute for Geotechnical Engineering Lehrstuhl für Ingenieurgeologie Technische Universität München Grundlagen der Penetrations- & Verschleißprognose beim TBM-Vortrieb Prof. Dr. Kurosch Thuro Dr. Heiko Käsling Kolloquium: Penetrations- & Verschleißprognose beim TBM-Vortrieb im Fels - ETH Zürich "2+45-$') *%+&%(,)-) *%$('.%) 2%,%&'"83,) 9:"121$+;%<+$%2.-#=) 6* $') 0"+45(,%,1 6"'"7%&%') /!012'3.,3+%) 9(+:%,1;45,%(<=%.)>)1?%'$'"#45) 9:+1%45<+$>=)!"#$%&'(%$)!"#$%&'()*+,$+-.-#()/012.-#) Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb 2

2 3+"2+45-$') *%+&%(,)-) *%$('.%) 2%,%&'"83,) 9:"121$+;%<+$%2.-#=) 6* $') 0"+45(,%,1 6"'"7%&%') /!012'3.,3+%) 9(+:%,1;45,%(<=%.)>)1?%'$'"#45) 9:+1%45<+$>=)!"#$%&'(%$)!"#$%&'()*+,$+-.-#()/012.-#) Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb 3 Schneidrad einer Hartgesteins-TBM Gotthard-Basistunnel (Herrenknecht) Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb Video 0:274

3 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 Schlagen n e g la h c S Spannungsverhältnisse Druckkräfte Scherkräfte 3 1 Zermalmungszone aus feinem Staub 2 Radialrisse im Gestein 3 losgelöste Gesteinssplitter mm 2 Beispiel: Schlag mit der Hammerspitze auf eine Oberfläche Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb 6

4 Modell des Zerspanungsvorgangs unter einem Rollenmeißel Phase 1: Krafteinleitung Phase 3: Durchreißen Phase 2: Rissbildung und Rissausbreitung Phase 4: Entfernung der Bruchstücke Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb 7 Wie bricht Fels? Anisotropie & Inhomogenität Beton homogen & isotrop? Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb 8

5 Gibt es ideal homogene und isotrope Gesteine? (Homo)Genität: homogen - inhomogen Sandstein makroskopisch Konglomerat makroskopisch homogen inhomogen mikroskopisch mikroskopisch Homogenität ist Skalen-abhängig! inhomogen inhomogen Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb 9 Gibt es ideal homogene und isotrope Gesteine? (Aniso)Tropie: isotrop - anisotrop Granit makroskopisch Gneis makroskopisch isotrop anisotrop mikroskopisch mikroskopisch Spaltbarkeit Anisotropie ist auch Skalen-abhängig! anisotrop anisotrop Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb 10

6 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 Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb 11 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 Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb 12

7 Anisotropie Einaxiale Druckfestigkeit & Zerstörungsarbeit Einaxiale Druckfestigkeit Zerstörungsarbeit glatt & eben rauh & gewellt glatt & eben rauh & gewellt Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb 13 Probenkörperorientierung bei anisotropen Gesteinen im Spaltzugversuch SPZ 1 SPZ 2 SPZ 3 sf - Trennflächenebene, P - Probekörperachse, B- Belastungsrichtung Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb 14

8 Anisotropie Spaltzugfestigkeit & Penetration Spaltzugfestigkeit Penetration Günstig: Vortriebsrichtung! zur vorherrschenden Gefügerichtung glatt & eben rauh & gewellt glatt & eben rauh & gewellt Ungünstig Käsling 15 & Thuro Minderung % abhängig von der Ausbildung der Schieferungsflächen glatt vs. rauh eben vs. gewellt/getreppt Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb Spannungen und Rissemuster im Gneis Korrelation mit der Eindringtiefe Kräfte Risse Zeitschritte Eindringen einer Diske (TBM Penetration) Schormair & Thuro 2007 Schneidspurabstand 10 cm Gelb - Druck-, schwarz - Zugbeanspruchung Käsling 16 & Thuro Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb 16

9 Kräfte in verschiedenen Gesteinstypen Korrelation mit der Orientierung und Schieferung 0 Schiefer 45 Schiefer 45 Schiefer 45 Gneis 90 Schiefer 90 Gneis Käsling & Thuro verändert nach Schormair & Thuro 2007 Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb 17 Gestein Inhomogen & anisotrop Granit, anpoliert Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb 18

10 Gebirge zusätzlich Trennflächen / Diskontinuitäten Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb 19 Ein grundlegendes Konzept Vom Gestein zum Gebirge Gestein Tunnel Gestein mit Klüften Gebirge Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb 20

11 Schneidgeschwindigkeit / spez. Penetration in Abhängigkeit des Durchtrennungsgrades Merklicher Trennflächeneinfluss! Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb 21 3+"2+45-$') *%+&%(,)-) *%$('.%) 2%,%&'"83,) 9:"121$+;%<+$%2.-#=) 6* $') 0"+45(,%,1 6"'"7%&%') /!012'3.,3+%) 9(+:%,1;45,%(<=%.)>)1?%'$'"#45) 9:+1%45<+$>=)!"#$%&'(%$)!"#$%&'()*+,$+-.-#()/012.-#) Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb 22

12 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 Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb 23 (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 Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb 24

13 Empirische Modelle - Grundlagen! Dokumentation der erreichten Penetration! geologisch-geotechnische Rahmenbedingungen inkl. Gesteinskennwerte! Datenanalyse! Erarbeitung eines Modells Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb 25 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 Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb 26

14 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 Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb 27 Penetration Einfluss der Zähigkeit eines Gesteins! Auswertung von Vortriebsdaten mit Hilfe der Zerstörungsarbeit W z aus dem Einaxialen Druckversuch! Thuro 2002 Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb 28

15 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, Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb 29 Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb 30

16 Prognosemodell der NTNU! Norwegische Hochschule Trondheim (NTNU)! Lislerud (1988), überarbeitet von Bruland (2000)! Daten aus gut 35 Tunnelprojekten! Basierend auf punktuellen, gut dokumentierten Penetrationsversuchen (gute Datenqualität) Penetration Nichtlinearer Zusammenhang zwischen der Penetration und der Anpresskraft pro Diske (Bruland 2000: 15) Anpresskraft pro Diske Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb 31 Prognosemodell der NTNU! Geologisch-geotechnische Parameter:! Trennflächenabstand und Orientierung! Drilling Rate Index, Sievers J-Value, Brittleness Test & Siever s Miniature Drill Test! Porosität! Maschinentechnische Parameter! Normalkraft je Schneidring / Schneidspurabstand / Schneidring Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb 32

17 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 Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb 33 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 Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb 34

18 (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 Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb 35 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 Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb 36

19 Versuchstechnik (3) - Gesteinsabrasivität! Petrographische Untersuchungen! Dünnschliffmikroskopie inkl. Bestimmung des Mineral- Modalgehalts bzw. des Äquivalenten Quarzgehaltes Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb 37 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 [ ] Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb 38

20 Prognosemodelle für den Diskenverschleiß Prognosemodell von Gehring (1995) Korrelation des spezifischen Schneidringverschleißes v s mit dem Cerchar-Abrasivitäts- Index (CAI) (Gehring 1995: 448) Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb 39 Prognosemodelle für den Diskenverschleiß Prognosemodell von Gehring (1995)! 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 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) Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb 40

21 Prognosemodelle für den Diskenverschleiß 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 Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb 41 " k 2 0 D Q rpm N c n c "! mit: V c Volumenstandzeit [m!] H o Basisstandzeit abgeleitet aus dem CLI [h] I mittlere Bohrgeschwindigkeit [m/h] (zuvor zu ermitteln) D c Bohrkopfdurchmesser der TBM [m] (ergibt Korrekturfaktor k D ) k Q Korrekturfaktor für den Quarzgehalt k rpm Korrekturfaktor für die Bohrkopfdrehzahl n c Anzahl der Schneidrollen am Bohrkopf [ ] (ergibt Korrekturfaktor k N ) Prognosemodelle für den Diskenverschleiß Prognosemodell der NTNU von Bruland (2000)! Berechnung des Cutter-Life-Index CLI & SJ # = 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 Gesteine (Bruland 1998: 9) Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb 42

22 Prognosemodelle für den Diskenverschleiß 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 s r = 17! CAI mit: s r Rollweg eines Schneidringes [10 6 ft] d Durchmesser des Schneidringes [Zoll] CAI Cerchar-Abrasivitäts-Index [ ] Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb 43 Verschleißformen von Diskenmeißeln Neu - scharf Symmetrisch Asymmetrisch Diskenmeißel Schneidring gebraucht neu Schormair & Thuro 2007 Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb 44

23 Rissausbreitung Korrelation mit der Verschleißform Kräfte Risse Scharf Symmetrischer Verschleiß Asymmetrischer Verschleiß Schneidspurabstand 10 cm Gelb - Druck-, schwarz - Zugbeanspruchung Schormair & Thuro 2007 Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb 45 Diskussion der Prognosemodelle (1)! Empirischen Modelle! Problem der Übertragbarkeit auf geänderte geologische & technische Rahmenbedingungen! Eingangsparameter! müssen ab der Frühphase eines Projektes in ausreichender Qualität zur Verfügung stehen! Nicht zielführend! Abschätzungen oder vage Korrelationen von Eingangsparametern! Allgemein anerkannte und weltweit gängige Versuche sollten Spezialversuchen bzw. wenig verbreiteten Kennwerten vorgezogen werden! UCS, BTS, CAI, ÄQu versus NTNU-Kennwerte Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb 46

24 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 Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb 47 Fazit: Ist eine Prognose der Penetration & des Diskenverschleißes möglich? Käsling & Thuro! 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

25 Was sollte bei Voruntersuchungen bzgl. Felsparameter unbedingt berücksichtigt werden? Die fünf Eisernen Regeln bei der Prognose 1. Erfassung der härtesten Partien 2. Erfassung der weichsten Partien 3. Repräsentative Probennahme 4. Beachtung des Maßstabseffekts 5. Ingenieurgeologische Abklärung Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb 49 Glück auf! Durchbruch Sedrun 15. Oktober 2010 um 14:17 Uhr Käsling & Thuro Grundlagen der Penetrations- & Verschleissprognose beim TBM-Vortrieb 50