Der maschinelle Tunnelvortrieb ist ein

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1 Maschineller Tunnelvortrieb in veränderlich festen Gesteinen: Entfestigung und Verklebung Dipl.-Ing. Martin Feinendegen, Akademischer Oberrat, Univ.-Professor Dr.-Ing. Martin Ziegler, Institutsleiter, beide: Lehrstuhl für Geotechnik im Bauwesen, RWTH Aachen, Aachen, Deutschland Dr. rer. nat. Giovanni Spagnoli, Product manager maritime technologies, Bauer Maschinen GmbH, Schrobenhausen, Deutschland Dr. rer. nat. Markus Weh, Leiter Geologie, Marti Tunnelbau AG, Moosseedorf, Schweiz Beim maschinellen Tunnelvortrieb in veränderlich festen Gesteinen kommt es häufig und insbesondere beim Zutritt von (Berg-)Wasser zu Verklebungen des Ausbruchmaterials am Schneidrad oder in den Fördereinrichtungen der Tunnelbohrmaschine. Dies kann zu vielfältigen Behinderungen im Bauablauf führen, wobei die Art und das Ausmaß der auftretenden Probleme je nach den geologisch/geotechnischen (Mineralogie, Kornverteilung, Plastizität, Bergwasserzufluss usw.) und baubetrieblichen (Maschinenlayout, Vortriebsmodus, Stillstandszeiten etc.) Randbedingungen zum Teil sehr unterschiedlich ausfallen können. In dem im Rahmen des BMBF-/DFG-Sonderprogramms Geotechnologien geförderten Verbundvorhaben InProTunnel der RWTH Aachen gemeinsam mit den Unternehmen Herrenknecht AG, Ed. Züblin AG, Marti Tunnelbau AG und Condat Lubrifiants wurden die hierbei ablaufenden Prozesse näher untersucht, neue Möglichkeiten zur Quantifizierung und Bewertung der Verklebungseigenschaften sowie alternative Methoden zu ihrer Beeinflussung entwickelt. Mechanical Tunnel Driving in Weak Rock Softening and Adhesion: In mechanical tunnel driving frequently bedrock zones with strongly changing strength properties have to be crossed. In many cases and particularly in combination with water inflow, the excavated material sticks to the steel surfaces, cutting tools or conveying system of a tunnel boring machine causing great difficulties in the construction process. The extent of these problems and the possible reasons are quite various with different geological/geotechnical (mineralogy, grain size distribution, plasticity, mountain water inflow, etc.) and operational (machine layout, advance mode, stand stills, etc.) conditions. In the joint research project InProTunnel, funded by the German BMBF-/DFG program Geotechnologien, RWTH Aachen University together with the industrial partners Herrenknecht AG, Ed. Züblin AG, Marti Tunnelbau AG und Condat Lubrifiants have investigated the acting processes and developed new methods for their quantification, evaluation and manipulation. Der maschinelle Tunnelvortrieb ist ein weltweit verbreitetes Verfahren zur Auffahrung von Tunneln, wobei die Anwendungsgrenzen wie Durchmesser, Länge, Überlagerung, Wasserdruck, Baugrundverhältnisse, etc. stetig erweitert werden [1]. Häufig werden dabei Gebirgsformationen mit wechselnden Festigkeitseigenschaften durchfahren. Beim Bild 1. EPB-Schildmaschine [2]. Bild 2. Verklebtes Schneidrad [3]. 784 mining + geo (2012) Nr. 5

2 Bild 3. Typen von Tunnelvortriebsmaschinen [5]. Ausbruch und Transport des Materials kommt es durch die mechanische Beanspruchung zu einer Entfestigung, die bis zur völligen Desintegration führen kann. Dies kann unter Umständen ein erwünschter Effekt sein, wenn man zum Beispiel die Verbreiung des abgebauten Materials bei einer Erddruck- (EPB-) Schildmaschine (EPB = Earth Pressure Balanced) (Bild 1) betrachtet, die den Vortrieb und die Förderung des Ausbruchmaterials überhaupt erst ermöglicht. In vielen Fällen kommt es aber insbesondere beim Zutritt von (Gebirgs-) Wasser zu einer Verklebung des Ausbruchmaterials am Schneidrad (Bild 2) oder in den Fördereinrichtungen, die zu weitreichenden Behinderungen im Bauablauf führen kann: Hoher Energieaufwand beim Vortrieb, Blockade und Ausfall von Abbauwerkzeugen, Verstopfung von Schnecken- und/oder Bandförderanlagen, Probleme bei der Deponierung des (eventuell konditionierten) Materials usw. Ursache für die auftretenden Probleme sind Prozesse an den Oberflächen der Tonminerale der durchörterten Gesteine sowie in den Grenzflächen zwischen den Mineralen und den Maschinen- oder Werkzeugoberflächen. Die Auswirkungen dieser Prozesse auf den Tunnelvortrieb sind dabei je nach den geologischen und baubetrieblichen Randbedingungen zum Teil sehr unterschiedlich. In dem im Rahmen des BMBF-/DFG-Sonderprogramms GEOTECHNOLOGIEN geförderten Verbundvorhaben InProTunnel der RWTH Aachen gemeinsam mit den Unternehmen Herrenknecht AG, Schwanau, Ed. Züblin AG, Stuttgart, Deutschland, Marti Tunnelbau AG, Moosseedorf, Schweiz, und Condat Lubrifiants, Chasse-sur-Rhône, Frankreich, wurden die hierbei mining + geo (2012) Nr. 5 ablaufenden Prozesse näher untersucht und neue Methoden zu ihrer Beeinflussung entwickelt [4]. Maschineller Tunnelvortrieb Beim Tunnelbau lassen sich zwei grundsätzlich verschiedene Verfahren unterscheiden: Der konventionelle (bergmännische) Tunnelbau und der maschinelle Tunnelvortrieb. Beim bergmännischen Tunnelbau wird der Ausbruchquerschnitt mithilfe von Baggern, Teilschnittmaschinen oder sprengtechnisch aufgefahren. Da dieser Vortrieb nur in einem Baugrund mit einer (mehr oder weniger) standsicheren Ortsbrust möglich ist und wenn das gegebenenfalls in geringen Mengen zutretende Gebirgswasser schnell und sicher abgeführt werden kann, spielt die Verklebungsproblematik hierbei nur eine sehr untergeordnete Rolle. Tunnelvortriebsmaschinen Beim maschinellen Tunnelbau lassen sich im Wesentlichen zwei Arten von Tunnelvortriebsmaschinen (TVM) unterscheiden (Bild 3): Tunnelbohrmaschinen (TBM) und Schildmaschinen (SM), bei denen der Hohlraum im temporären Schutz eines Vortriebsschilds aufgefahren wird. TBM kommen vorwiegend in relativ standsicherem Festgestein und oberhalb des Grundwasserspiegels beziehungsweise nur bei geringen und drucklosen Bergwasserzutritten zum Einsatz. Schildmaschinen finden ihre Anwendung überwiegend im Lockergestein, wobei der Baugrund je nach den Bodenkennwerten (Reibungswinkel und Kohäsion c) sowohl standsicher als auch nicht standsicher sein kann. Durch die 785

3 Bild 4. Ortsbruststützung bei Schildmaschinen [6]. Bild 5. Einsatzbereiche von EPB- und Hydroschildmaschinen [2]. Bild 6. Betriebsweisen beim EPB-Vortrieb [6]. Maschine wird dabei ein Stützdruck erzeugt, der dem äußeren Gebirgsdruck entgegenwirkt. Mit Schildmaschinen können auch Tunnelquerschnitte im Grundwasser aufgefahren werden; der Stützdruck ist dann um die Größe des Wasserdrucks zu erhöhen. Im einfachsten Fall wird die Ortsbrust dabei mit Druckluft beaufschlagt. Ist außerdem aufgrund nicht ausreichender Standsicherheit eine mechanische Stützung der Ortsbrust erforderlich, so kommen heutzutage im Wesentlichen zwei Verfahren zur Anwendung: die Flüssigkeitsstützung und die Erddruckstützung (Bild 4). Beim so genannten Hydroschild oder auch Slurryshield (Bild 4, links) erfolgt die Ortsbruststützung durch eine druckluftbeaufschlagte Flüssigkeit (Bentonitsuspension), die in der Regel auch den Abtransport des gelösten Bodens übernimmt. Nachteilig ist hierbei der hohe Aufwand für die Separation, das heißt die Trennung von Stützflüssigkeit und Bodenbestandteilen. Hydroschilde kommen überwiegend in mittelbis grobkörnigen Böden zum Einsatz, Erddruckschilde eher in fein- bis mittelkörnigen Böden oder veränderlich festen Gesteinen (Bild 5). Erddruckschilde Beim Erddruckschildvortrieb (Bild 4 rechts) wird die Ortsbrust soweit erforderlich durch einen Erdbrei in der Abbaukammer gestützt. Der Transport des Ausbruchmaterials erfolgt dabei meist über eine Förderschnecke und Transportbänder. Ein großer Vorteil der Erddruckschilde besteht darin, dass sie in verschiedenen Vortriebsmodi 786 mining + geo (2012) Nr. 5

4 gefahren werden können, was eine sehr flexible Anpassung an sich verändernde Baugrundverhältnisse erlaubt [6], [7]. In dem Bild 6 sind drei mögliche Betriebsweisen bei einem EPB-Vortrieb dargestellt. Der einfachste Modus ist dabei der so genannte open mode, der bei ausreichend standsicherem Gebirge ohne nennenswerte Wasserzutritte möglich ist. Hierbei ist keine Stützwirkung auf die Ortsbrust erforderlich, und der gelöste Boden kann drucklos über die Schnecke abgefördert werden. Beim open mode im Grundwasser und bei ausreichend standsicherer Ortsbrust kann eine Druckluftbeaufschlagung erfolgen. Ein Druckabbau über die Schnecke ist bei diesem Verfahren insofern erforderlich, als hierdurch der Übergang vom Überdruck in der Abbaukammer zum Atmosphärendruck gewährleistet wird. Bei ungünstigen Gebirgsverhältnissen kann schließlich der so genannte closed mode gefahren werden, bei dem das Ausbruchmaterial selbst als Stützmedium verwendet wird. Dies setzt eine gewisse Konsistenz (siehe unten) des Materials in der Abbaukammer voraus. Zum Erreichen einer ausreichenden Verbreiung ist hierbei häufig eine Konditionierung des Bodens oder Gesteins mit Wasser und gegebenenfalls auch anderen Zusatzmitteln notwendig. Bei der Durchörterung bindiger Böden oder veränderlicher fester Gesteine in Verbindung mit hoher Eigenfeuchte des Baugrunds und/ oder starkem Wasserandrang kann es infolge des sehr intensiven Kontakts der Maschine mit dem gelösten Boden bei EPB-Maschinen schnell zu Verklebungen der Abbauwerkzeuge und des Fördersystems kommen [7], [8]. Problematisch ist hierbei insbesondere der Umstand, dass die Konsistenz, die für einen effizienten Vortrieb im closed mode erforderlich ist, in der Regel auch ungefähr der Konsistenz entspricht, bei der die höchsten Verklebungen auftreten. Einflüsse auf die Verklebung Grundsätzlich ist das Auftreten von Adhäsion und den eventuell daraus resultierenden Verklebungen von zahlreichen Faktoren abhängig. Als wesentlich können dabei das Vorhandensein von Wasser und (quellfähigen) Tonmineralen genannt werden. Darüber hinaus sind insbesondere auch die mechanischen Wirkmechanismen von Bedeutung, die im Wesentlichen über die drei im Folgenden genannten Kriterien definiert werden können ([9], [10], Bild 7): Belastungsart (Scher-Druck-/Scher-Zug- Beanspruchung), Belastungsrichtung (Normal-/Tangentialanteile), Verhältnis Adhäsionsspannung Widerstände im Boden (abhängig von Plastizität und Konsistenz). In der komplexen Geometrie einer Tunnelvortriebsmaschine mit sehr unterschiedlichen mining + geo (2012) Nr. 5 Bild 7. Wirkmechanismen der Adhäsion. Beanspruchungen des gelösten Materials wird die Menge des anhaftenden Bodens immer von einer Kombination dieser Faktoren bestimmt. Ob es zu Anhaftungen kommt oder nicht, hängt dabei ganz entscheidend davon ab, ob bei Relativverschiebungen zwischen den beiden Materialien Stahl und Ton das Versagen in der Grenzfläche auftritt oder im Boden selbst. Der bestimmende Faktor hierfür ist das in obiger Aufzählung als drittes Kriterium genannte Verhältnis der Adhäsionsspannungen zu den Widerständen im Boden. Ist die Adhäsion größer als je nach Beanspruchung die Kohäsion oder die Zugfestigkeit des Bodens, so tritt das Versagen im Boden selbst auf und es bleibt Material an der Stahloberfläche anhaften. Sind hingegen die Widerstände im Boden größer, tritt das Versagen in der Grenzfläche auf und es kommt nicht zu Verklebungen. Plastizität und Konsistenz Bei feinkörnigen (bindigen) Böden und zerfallenen veränderlich festen Gesteinen (siehe unten) stellen Plastizität und Konsistenz (= Zustandsform) die entscheidenden Größen zur Beschreibung ihres Verhaltens und damit auch der mechanischen Eigenschaften dar. Mit abnehmendem Wassergehalt als Quotient aus der Masse des in einem Boden enthaltenen Wassers bezogen auf seine Trockenmasse (siehe (1)) geht die Zustandsform eines bindigen Bodens von der flüssigen über eine weiche, steife und halbfeste schließlich in die feste Konsistenz über (Bild 8). mw w... (1) m d Der Wechsel von der flüssigen zur breiigen Konsistenz wird dabei durch die Fließgrenze w L ausgedrückt, während die Ausrollgrenze w P den Übergang vom steifen in den halbfesten Zustand definiert. Die Plastizitätszahl I P gibt die Größe des plastischen Bereichs an; sie entspricht der Differenz zwischen den Wassergehalten an der Fließgrenze und an der Ausrollgrenze: I w w... (2) _ P L P 787

5 Die Zustandsform eines Bodens wird schließlich durch die so genannte Konsistenzzahl I C beschrieben, die als Quotient aus der Differenz zwischen der Fließgrenze w L und dem vorhandenen Wassergehalt dividiert durch die Plastizitätszahl Ip I P gebildet wird: Bild 8. Zustandsformen von bindigen Böden. Bild 9. Stellung und Abgrenzung veränderlich fester Gesteine [12]. Bild 10. Veränderliche Festigkeit von Gesteinen. I C w w w w _ L _ L P... (3) Anhaftungen beziehungsweise Verklebungen treten nur dann auf, wenn Adhäsionskräfte wirken, wobei eine hohe Verbundspannung nicht automatisch mit großen Verklebungen einhergeht. So wurden beispielsweise in den nachfolgend beschriebenen Laborversuchen die höchsten Zugkräfte bei einer steifen Konsistenz von I C = 0,85 gemessen; es blieb dabei aber nur vergleichsweise wenig Material am Prüfkörper haften. Der Grund dafür ist, dass die Widerstände im Boden bei dieser steifen Konsistenz noch größer sind als die Verbundspannung zwischen Boden und Stahl, sodass das Versagen im Wesentlichen in der Grenzfläche auftritt. In weicheren Böden sind die Widerstände häufig kleiner als die Verbundspannungen. Das Versagen tritt daher im Boden auf, was zu starken Verklebungen führen kann. Überschreitet der Wassergehalt im Boden hingegen einen bestimmten kritischen Wert (zum Beispiel bei einer breiigen bis flüssigen Konsistenz), so wirkt das nun im Überschuss zur Verfügung stehende Wasser wie ein Schmierfilm, wodurch wiederum die Anhaftungen deutlich reduziert werden. Veränderlich feste Gesteine Veränderlich feste Gesteine zählen im Sinne der geltenden Normen (zum Beispiel [11]) zu den Festgesteinen. Sie sind dadurch gekennzeichnet, dass sie unter dem Einfluss atmosphärischer Bedingungen und in verstärktem Maße auch bei mechanischer Beanspruchung und/oder Wasserzutritt ihren Zusammenhalt bis hin zur völligen Desintegration verlieren können (Bild 9). Betrachtet man die Bandbreite der veränderlich festen Gesteine, so können diese nach [12] ein sehr unterschiedliches Verhalten aufweisen: Unmittelbarer Zerfall nach Wasserzutritt in kleine Bestandteile (Aggregate oder Einzelkörner). Zerlegung in Aggregate nach Austrocknen und Wiederbefeuchten (zum Beispiel durch Niederschlag) innerhalb von Tagen bis Wochen. Langsames Zerbrechen in Aggregate innerhalb von Monaten bis Jahren. Durch diese stark variierenden Formen der veränderlichen Festigkeit ergeben sich unterschiedlichste Auswirkungen auf den Bauablauf in Bezug auf Lösbarkeit, Transportfähigkeit, Stabilität und Wiedereinbau und insbesondere auch auf das Verklebungsverhalten dieser Gesteine. In dem Bild 10 ist ein Beispiel für einen veränderlich festen Tonstein Meletta genannt aus einem Tunnelbauprojekt in Süddeutschland zu sehen. Das Gestein beginnt unmittelbar nach der Zugabe von Wasser innerhalb weniger Minuten vollständig zu zerfallen. Bei einer zusätzlichen mechanischen Beanspruchung sind nur relativ 788 mining + geo (2012) Nr. 5

6 Bild 11. Zusammenhang von Bergwasserzutritt und Verklebung. Bild 12. Verklebung des Schneidradsterns bei verschiedenen Bergwasserzutritten. geringe Wassermengen erforderlich, um das Material in eine extrem klebrige Masse zu verwandeln. Die daraus resultierenden Auswirkungen auf den Tunnelvortrieb werden im Folgenden beschrieben. Verklebungen beim EPB-Vortrieb Bei den Prozessen, die zu Verklebungen bei einem EPB-Vortrieb führen können, ist zwischen primären und sekundären Ursachen zu unterscheiden [7], [8]. Primäre Ursachen Zu den primären Ursachen gehören dabei die folgenden geotechnischen Gegebenheiten: Die Zusammensetzung des Baugrunds, insbesondere Art und Anteil an Tonmineralen. Die Zerfallsbeständigkeit (s.o.). Der Wassergehalt beziehungsweise die Verfügbarkeit von freiem Bergwasser und die daraus resultierende Konsistenz des verklebungsanfälligen Baugrunds. Dabei sind nicht nur die Eigenschaften eines Gesteinstyps oder einer Schicht zu betrachten, sondern diejenigen aller Bereiche, die während mining + geo (2012) Nr. 5 eines Vortriebs gleichzeitig angeschnitten werden. Wie stark sich das verfügbare Wasser und damit die Konsistenz des geförderten Materials auf das Auftreten von Verklebungen auswirkt, ist in den folgenden Abbildungen zu sehen. In dem Diagramm in Bild 11 sind für einen bestimmten Abschnitt des oben erwähnten Tunnels die Bergwasserzutritte an der Ortsbrust (blaue Linie) und die Verklebungen (schwarze Linie) angegeben, aufgetragen als verschlossene Schneidradöffnungen in Prozent. Es zeigt sich ein unmittelbarer Zusammenhang zwischen den beiden Kurven. Darüber hinaus ist zu erkennen, dass die Verklebungen in dem mittleren (hellgrün dargestellten) Streckenabschnitt, in dem das Meletta anstand, insgesamt deutlich größer waren, als in den benachbarten Geologien. Das Bild 12 zeigt den Schneidradstern der eingesetzten EPB-Maschine in diesem Bereich bei verschiedenen Raten von Bergwasserzutritten. Die Abhängigkeit von der Konsistenz findet sich auch in dem häufig verwendeten Klassifikationsdiagramm von THEWES [13] für das Verklebungspotenzial beim Hydroschildvortrieb wieder, das von HOLLMANN & THEWES [14] für den Vortrieb im offenen Modus modifiziert wurde. 789

7 Bild 13. Verklebungspotenziale für den offenen Modus nach HOLLMANN & THEWES [14] beziehungsweise für Erdbaugeräte nach SCHLICK [15] (links) und universelles Bewertungsschema nach HOLLMANN & THEWES [14] (rechts). Hierfür wurden basierend auf den Erfahrungen aus zahlreichen Tunnelvortrieben in Abhängigkeit von der Plastizität und Konsistenz des anstehenden Baugrunds Bereiche mit niedrigem, mittlerem und hohem Verklebungspotenzial definiert. In dem Bild 13 links ist das modifizierte Diagramm im Vergleich mit einer Klassifikation nach SCHLICK [15] für Anhaftungen bei Erdbaugeräten dargestellt. Im Bild rechts ist ein neues Bewertungsschema nach HOLLMANN & THEWES [14] abgebildet, aus dem abzulesen ist, wie sich bei einem Boden mit einer bestimmten Plastizität eine Veränderung des Wassergehalts auf dessen Konsistenz und damit auch auf das Verklebungsverhalten auswirkt. Sekundäre Ursachen Die sekundären Ursachen der Verklebung resultieren aus der Interaktion zwischen dem Baugrund und der verwendeten Abbautechnik [7], [8], [16]. Im Prinzip kann es an allen erdberührten Teilen während des Abbauvorgangs, beim Transport und bei der Lagerung des Ausbruchmaterials zu Verklebungen kommen. Dabei haftet zunächst aufgrund von Adhäsionsspannungen das Material am Werkzeugstahl an. Die möglicherweise daraus resultierenden Verklebungen können dann problematisch werden, wenn es durch sie zu Verengungen im Förderstrom kommt: In Verengungen wird das Ausbruchmaterial an die Werkzeug- oder Maschinenoberflächen respektive an schon vorhandene Verklebungen gepresst. Dadurch kann auch Material anhaften, das bei druckloser Förderung keine Tendenz zum Verkleben aufweisen würde. Bei höheren Anpressdrücken in den Verengungen nehmen auch die Adhäsionsspannungen zu. Ist die Haftung der Bodenteile untereinander (Kohäsion beziehungsweise Zugfestigkeit) größer als die Kräfte, denen das Ausbruchmaterial bei Ausbruch und Transport ausgesetzt ist, so entstehen Aggregate. In Verengungen können diese Aggregate gequetscht oder geschert werden, was zu einer Freilegung ihres Inneren führt. Dieses weist meist höhere Wassergehalte auf und ist deshalb verklebungsanfälliger als das restliche Ausbruchmaterial. Wenn sich ein anhaftender Boden nicht seitlich abstützen kann, sind hohe Adhäsionskräfte und/ oder Kohäsion erforderlich, damit er nicht wieder wegbricht. An bewegten Teilen fallen die Verklebungen meist geringer aus, als an unbewegten, da hier zusätzlich zu den Gravitationskräften auch Flieh- oder Scherkräfte wirken. Häufig führen auch die mechanischen Beanspruchungen des Ausbruchmaterials gegebenfalls zusätzlich verstärkt durch hohe Betriebstemperaturen der Maschine zu einer massiven Temperaturentwicklung, was zu sehr harten und dauerhaften Anhaftungen führen kann. Diese können zusätzliche Probleme bereiten, wenn sie weiche Verklebungen abstützen. Bei EPB-Vortrieben sind zum Beispiel die Meißelkästen häufig mit feuchtem Bodenmaterial gefüllt. An der Vorder- oder Rückseite, wo dieses Material über das Ausbruchmaterial außerhalb des Schneidrads schleift, können sehr harte Verklebungen entstehen, die das weiche Material im Inneren des Meißelkastens stützen und vor der mechanischen Erosion des Materialstroms schützen. Solche Verklebungen können weit über die Abschnitte mit dem eigentlich verklebungsanfälligen Baugrund hinaus verschleppt werden. Wie bereits erwähnt, ist das Auftreten von Verklebungen stark von der Wasserverfügbarkeit und der daraus resultierenden Konsistenz des Ausbruchmaterials abhängig. Liegt der Baugrund in relativ trockener Form vor und kommt es erst durch den Vortrieb zu einer Vermischung mit Wasser, so bilden sich mitunter auch schichtartige Verklebungen aus. Auf den Fotos im Bild 14 ist ein Beispiel für verschleppte Verklebungen mit einem schichtartigen Aufbau zu sehen. Die Abfolge ist: grau im Inneren (1), braun (2), grau (3) und hellgrau an der Oberseite des Meißelkastens. In dem Diagramm darunter sind die Verklebungen, angegeben als 790 mining + geo (2012) Nr. 5

8 Bild 14. Verschleppte schichtartige Verklebungen [16]. Öffnungsgrad der äußeren Schneidradöffnungen (schwarze Linie) und die Bergwasserzutritte (hellgraue Fläche) aufgetragen; hier ist eine deutliche Korrelation erkennbar. Zum Zeitpunkt der Aufnahme waren die äußeren Schneidradöffnungen nahezu frei von Verklebungen, nur die Meißelkästen zeigten noch die verschleppten Verklebungen der früheren Bergwasserzutritte (1) bis (3). In einem Schnitt durch die äußerste Schicht (3) sieht man, wie der Boden an der Kontaktfläche zum Ausbruchmaterial in der Abbaukammer zermahlen wurde, durch die Temperaturentwicklung Wasser verloren hat und heller geworden ist (Schnitt A - B, Seite A). Diese harte Verklebung stützt und schützt das weiche Material im Inneren des Meißelkastens, das sich letztlich nur noch händisch entfernen ließ. Ein Beispiel für Verklebungen, die nicht an der Maschine entstanden sind, sondern zu dramatischen Verengungen im Förderstrom geführt haben, ist in dem Bild 15 zu sehen. Hier war es wiederum durch das beim Abbau gelöste und in Verbindung mit dem zugetretenen Bergwasser völlig zerfallene Meletta zur Verstopfung einer Bandübergabestation gekommen. allgemein anerkannter (genormter) Versuch, mit dem sich die Verklebungseigenschaften verschiedener Böden oder Gesteine bereits im Vorfeld einer Baumaßnahme bei der Baugrunduntersuchung im Feld beziehungsweise im Labor untersuchen lassen. Zur besseren Identifizierung und Quantifizierung der Mechanismen, welche die Verklebungen beeinflussen, wurden verschiedene neue Versuchsaufbauten erprobt und schließlich der im Bild 16 dargestellte so genannte Konuszugversuch entwickelt [10]. Bei diesem Versuch wird das Material in der gewünschten Konsistenz in einem Proctortopf eingebaut und verdichtet. Ein Versuchskonus wird in eine vorgebohrte kegelförmige Vertiefung eingesetzt und über zehn Minuten 2 mm tief in die Probe eingedrückt, wobei sich die Höhe der Auflast verformungsabhängig einstellt. Anschlie- Bild 15. Verstopfte Bandübergabe [16]. Versuchstechnische Bestimmung und Klassifikation Das Adhäsions- beziehungsweise Verklebungsverhalten von bindigen Böden und veränderlich festen Gesteinen im Zusammenhang mit baupraktischen Fragestellungen und insbesondere auch im Hinblick auf den maschinellen Tunnelbau ist bereits verschiedentlich untersucht worden [13], [14], [17]. Bislang existiert allerdings kein mining + geo (2012) Nr

9 Bild 16. Konuszugversuch. ßend wird der Versuchskonus kontrolliert wieder herausgezogen, während die Zugspannungen und -wege aufgezeichnet werden. Als Vergleichs- beziehungsweise Bewertungsparameter wird die so genannte Anhaftung herangezogen; sie ergibt sich als die Masse des am Konus anhaftenden Bodens (Bild 17) bezogen auf die Konusoberfläche. Trägt man die Anhaftungen über der Konsistenz auf, so ergeben sich die im Bild 18 dargestellten Verläufe. Bei den hier exemplarisch vorgestellten Versuchsböden handelt es sich um: Ton 13: mittel-plastischer kaolinitischer Ton aus der Grube Sedan/Westerwald. Ton 14: extrem plastischer kaolinitisch/smektitischer Ypresian (= London Clay). Ton 15: ausgeprägt plastischer Boomse Klei mit hohem Kaolinitanteil aber auch nennenswerten Smektit- und Muscovit-/Illit-Anteilen. Ton 18: völlig zerfallenes Meletta, ausgeprägt plastisch mit wesentlichen Smektit-, Muscovit-/ Illit- und Calcit-Anteilen. Ton 22: ausgeprägt plastischer smektitischer Ton aus Polen. Die Anhaftungen weisen in der Regel im mittleren Konsistenzbereich die höchsten Werte auf und fallen zur nassen und zur trockenen Seite hin mehr oder weniger stark ab. Dieses Verhalten spiegelt die Erfahrungen aus dem EPB-Vortrieb wider, wo die Verklebungen am stärksten auftreten, wenn sich das Material in der Abbaukammer in einem plastischen Zustand befindet und abnehmen, wenn der Boden sehr trocken oder deutlich flüssiger wird. Der Konuszugversuch erlaubt somit erstmals einen quantifizierenden Vergleich des Verklebungsverhaltens bei verschiedenen Böden. In dem Bild 18 ist weiterhin der Entwurf einer Klassifikation der in den Versuchen gemessenen Anhaftungen dargestellt. Diese werden dabei Klassen von hohem, mittlerem und niedrigem Verklebungspotenzial zugeordnet. Man erkennt beispielsweise sofort die extrem hohe Gefährdung beim Ton 18, welche durch die beim Tunnelvortrieb in diesem Material gemachten Erfahrungen bestätigt wird. Aber auch bei den anderen untersuchten Tonen wäre mit nennenswerten Anhaftungen zu rechnen. In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, dass es sich bei den hier vorgestellten Tonen um bewusst als klebrig ausgewählte Böden handelt. Es wurden auch Tone untersucht, bei Bild 17. Anhaftungen am Versuchskonus. 792 mining + geo (2012) Nr. 5

10 denen die Anhaftungen deutlich unterhalb von 100 g/m² lagen und die somit als nicht verklebungsanfällig zu bezeichnen wären. Die in dem Diagramm eingetragenen Grenzen der Bereiche mit hohem, mittlerem und niedrigem Verklebungspotenzial sind bislang willkürlich gewählt beziehungsweise geschätzt und bedürfen noch einer sorgfältigen Überprüfung durch die Tunnelbaupraxis. Neue Manipulationsverfahren Die adhäsiven Eigenschaften von Böden hängen neben der Dichte und dem Wassergehalt beziehungsweise der Konsistenz ganz wesentlich von den enthaltenen Tonmineralen mit ihrer Kristallstruktur, Kationenaustauschkapazität, Wasseraufnahmefähigkeit etc. ab. Die mechanischen Eigenschaften werden dabei insbesondere auch durch die Wechselwirkungen zwischen den Partikeln und den enthaltenen oder zugegebenen (Poren-) Fluiden beeinflusst, wobei die elektrische Ladung der Tonteilchen im Wesentlichen von drei Parametern bestimmt wird: Ionenstärke. Dielektrische Konstante. Temperatur. Um diese Einflüsse genauer zu untersuchen, wurden verschiedene Laborversuche mit quellfähigen Tonen (Na- und Ca-Bentonit) durchgeführt, die mit Ethanol in verschiedenen Konzentrationen (Reduzierung der Dielektrizitätskonstanten) sowie mit Salzlösungen (Erhöhung der Ionenstärke) versetzt wurden [16]. In Scherversuchen führte eine höhere Ethanolkonzentration zu einer deutlichen Steigerung der undränierten Scherfestigkeit. Zusätzlich wurden Konuszugversuche zur Bewertung der Anhaftungen durchgeführt. Im Bild 19 ist zu erkennen, wie die Anhaftungen eines Na-Bentonits bei Zugabe von 1 Mol NaCl beziehungsweise CaCl 2 fast auf Null zurückgehen. Eine Alternative zu Modifikationen des Poren- beziehungsweise Zugabewasserchemismus zur Reduzierung von Anhaftungen könnte der Einsatz elektrokinetischer Verfahren sein. Durch das Anlegen eines elektrischen Felds wird Wasser in die Grenzfläche zwischen Boden und Werkzeugoberfläche transportiert. Aufgrund des sich ausbildenden Wasserfilms kann ein anhaftender Boden leichter wieder abgelöst werden. Auch hierfür wurden Konuszugversuche durchgeführt, um die Reduzierung der Anhaftungen zu bewerten [16]. Der Konus stellte dabei die Kathode dar, während der Proctortopf positiv geladen war; es wurde eine Gleichspannung von 2,5 V entsprechend einer Feldstärke von 33 V/m für 10 min angelegt. In dem Bild 19 ist zu erkennen, wie die Anhaftungen am Konus auch durch das Anlegen einer Spannung deutlich reduziert werden. Natürlich sind die Anwendbarkeit entsprechender Verfahren und die unweigerlich dabei auftretenden Schwierigkeiten vor dem Einsatz auf einer TBM im realen Maßstab noch weiter intensiv zu untersuchen. Einen ersten Schritt in mining + geo (2012) Nr. 5 Bild 18. Anhaftungen und Klassifikation. Bild 19. Reduzierung der Anhaftungen bei Salzzugabe beziehungsweise elektrischer Spannung. diese Richtung stellt ein neuer beim Projektpartner Herrenknecht AG gebauter Versuchsstand dar, mit dem die Ergebnisse der Laborversuche verifiziert und die Anwendbarkeit neuer Manipulationsverfahren untersucht werden sollen (Bild 20). Hierbei wird mit einer Art Mini-Schneidrad in ungestörte (Bohrkerne) oder gestört eingebaute Proben gebohrt. Während der Versuche werden wie in einer realen TBM verschiedene Daten aufgezeichnet und zusätzlich die Verklebungen des Schneidrads dokumentiert. Zur Zeit werden Versuche an zwei natürlichen und insgesamt sieben Kunstböden durchgeführt, wobei jeweils verschiedene Versuchsparameter wie Vorschubgeschwindigkeit, Anpresskraft, etc. vorgegeben oder variiert werden. Darüber hinaus werden auch die Auswirkungen verschiedener Zugabemittel wie Wasser, kommerzielle Konditionierungsmittel oder NaCl-Lösung auf die Vortriebsparameter und insbesondere auf die Verklebungen untersucht. 793

11 Bild 20. Versuchsstand Verklebung. (Quelle: Herrenknecht AG) Danksagung Dieser Beitrag ist Publikation Nr. GEOTECH-2019 des BMBF/DFG-Sonderprogramms Geotechnologien, dessen finanzielle Unterstützung die Forschungen ermöglicht hat. Die Autoren bedanken sich bei Professor Dr. Helge Stanjek, Ton- und Grenzflächenmineralogie, RWTH Aachen, und bei den Projektpartnern Herrenknecht AG, Ed. Züblin AG sowie Marti AG für die wertvollen Beiträge. Literaturverzeichnis [1] Maidl, B.; Herrenknecht, M.; Maidl, U.; Wehrmeyer, G.: Maschineller Tunnelbau im Schildvortrieb. 2. Auflage, Verlag Ernst & Sohn: Berlin, [2] [3] METRO/sidney_airport.html; Zugriff: [4] [5] DAUB (Deutscher Ausschuss für unterirdisches Bauen): Empfehlung zur Auswahl von Tunnelvortriebsmaschinen, [6] Babendererde, L.: TBM mit Slurry- bzw. Erddruckstützung Einsatzbereiche und Zuverlässigkeitsanalyse. Felsbau 21, Nr. 5, S , Verlag Glückauf, Essen, [7] Weh, M.; Ziegler, M.; Zwick, O.: Verklebungen bei EPB-Vortrieben in wechselndem Baugrund: Eintrittsbedingungen und Gegenmaßnahmen. In: STUVA-Tagung 2009, Hamburg, S Bauverlag, Gütersloh, [8] Weh, M.; Zwick, O.; Ziegler, M.: Maschinenvortrieb in verklebungsanfälligem Baugrund. Teil 1: Tunnel 28, 2009 (1), S und Teil 2: Tunnel 28, 2009 (2), S Bauverlag, Gütersloh, [9] Adams, Markus: Versuchstechnik zur Bestimmung von Adhäsion beziehungsweise Verklebung in Tonböden. Diplomarbeit am Lehrstuhl für Geotechnik im Bauwesen, RWTH Aachen, 2009 (unveröffentlicht). [10] Feinendegen, M.; Ziegler, M.; Spagnoli, G.; Fernandez-Steeger, T.; Stanjek, H.: A new laboratory test to evaluate the problem of clogging in mechanical tunnel driving with EPB-shields. In: Proceedings EUROCK 2010, Lausanne, Switzerland, S Taylor & Francis Group, London, [11] DIN EN ISO : : Geotechnische Erkundung und Untersuchung Benennung, Beschreibung und Klassifizierung von Fels Teil 1: Benennung und Beschreibung [12] Nickmann., M.; Spaun, G.; Thuro, K.: Untersuchungen zur Klassifizierung veränderlich fester Gesteine unter ingenieurgeologischen Aspekten. In: 15. Tagung Ingenieurgeologie 2005, Erlangen, S , [13] Thewes, M: Adhäsion von Tonböden beim Tunnelvortrieb mit Flüssigkeitsschilden, Institut für Bodenmechanik und Grundbau, Nr. 21, Gesamthochschule Wuppertal, [14] Hollmann, F.; Thewes, M.: Bewertung der Neigung zur Ausbildung von Verklebungen und zum Anfall von gelöstem Feinkorn bei Schildvortrieben im Lockergestein. In: 18. DGGT/DGG-Conference on Engineering Geology, Berlin, S , [15] Schlick, G: Adhäsion im Boden-Werkzeug-System. Institut für Maschinenwesen im Bauwesen, Nr. 39, Universität Fridericiana in Karlsruhe, Karlsruhe, [16] Feinendegen, M.; Ziegler, M.; Weh, M.; Spagnoli, G.: Verklebungen beim EPB-Vortrieb: Einflüsse, Klassifikation und neue Manipulationsverfahren. In: STUVA-Tagung 2011, Berlin, S , [17] Burbaum, Ulrich: Adhäsion bindiger Böden an Werkstoffoberflächen von Tunnelvortriebsmaschinen. Doktorarbeit am Institut für Angewandte Geowissenschaften, Technische Universität Darmstadt, mining + geo (2012) Nr. 5