Measurement and interpretation of disc cutting forces in mechanized tunneling - A contribution to the understanding of rock failure mechanisms and the advancement of TBM performance prediction

Titel in Übersetzung: Messung und Interpretation von Diskenschneidkräften im maschinellen Tunnelbau - Ein Beitrag zum Verständnis von Gesteinsbruchmechanismen und zur Weiterentwicklung von TBM Leistungsprognosemodellen

Martin Entacher

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Das wichtigste Abbauwerkzeug von Tunnelbohrmaschinen (TBM) sind Schneiddisken, die auf eine Last von etwa 250 kN ausgelegt sind. Die Belastung im Betrieb kann in der Regel nur über die Gesamtvorschubkraft abgeschätzt werden. Die tatsächliche Belastung der Diske variiert jedoch stark, wobei Spitzenkräfte auftreten, die um ein Vielfaches größer sind als die nominelle Last. Eine Onlineerfassung der individuellen Diskenkräfte würde eine Vielzahl von Möglichkeiten eröffnen, um TBM-Vortriebe ent- scheidend weiterzuentwickeln. Dazu gehört ein tieferes Verständnis des Lösemechanismus, die Weiterentwicklung von TBM Leistungsprognosemodellen, die Verbesserung der geologischen Dokumentation der Ortsbrust sowie eine verbesserte Auslegung von Disken und Bohrkopf durch die Kenntnis von Spitzenkräften und Lastkollektiven. Um eine Onlineerfassung der tatsächlichen Diskenkräfte zu ermöglichen, wurde eine Messmethodik entwickelt, die einen dauerhaften Einsatz auf einer TBM ermöglichen soll. Im Gegensatz zu vorherigen Versuchen sind die dafür notwendigen Sensoren im Auflager der Diske montiert und somit unabhängig vom regelmäßig stattfindenden Diskenwechsel. Nach der Bestätigung der Machbarkeit durch umfangreiche Simulationen und Laborversuche, wurde die neu entwickelte Messmethode auf der ersten TBM des Koralmtunnels implementiert. Die Ergebnisse zeigen, dass durch die Kraftmessung geologische Merkmale wie Anisotropie oder stark zerlegte Zonen zuverlässig erkannt werden können. Das grundlegende Verständnis für die Interpretation von Schneidkräften wurde mithilfe von Gesteinsschneidversuchen im Labor erarbeitet. Die Untersuchungen reichen dabei von makroskopischer Rissbildanalyse, über mikroskopische Beurteilung der Ver sagensmechanismen unter der Diske, bis hin zur Korrelation von Schalldruck, Schneidkräften und Bruchereignissen. Solche tiefgreifenden Analysen wurden durch die Entwicklung eines Modellschneidversuchs ermöglicht, der präzises Arbeiten unter kontrollierten Laborbedingungen ermöglicht. Die Interpretation der Ergebnisse zeigt, dass die Bedeutung von Spitzenkräften und des darauffolgenden Kraftabfalls sowie die Rissausbreitung in der Vergangenheit noch nicht ausreichend verstanden wurden. Die Messung und Interpretation von Schneidkräften ist untrennbar mit dem Gebiet der TBM Leistungsprognose verbunden. Vollmaßstäbliche Schneidversuche werden im Allgemeinen als das zuverlässigste Mittel zur Leistungsprognose angesehen, allerdings bedarf es dafür großer Probekörper, die schwer oder mitunter gar nicht zu bekommen sind. Darüber hinaus wird gezeigt, dass gängige Prognosemodelle, welche auf Eingangsparametern wie der einaxialen Druckfestigkeit basieren, nicht imstande sind, Schneidkräfte für bestimmte Gesteinsarten ausreichend genau abzuschätzen. Es wird gezeigt, dass der Modellschneidversuch als Standardversuch für ein neues Penetrationsprognosemodell wesentlich besser geeignet ist. Mit der neu entwickelten Kraftmessmethodik, dem Modellschneidversuch und dazugehörigen Analysemethoden werden Werkzeuge bereitgestellt, die Möglichkeiten für wesentliche Weiterentwicklungen bei TBM-Vortrieben eröffnen. Ein grundlegendes Verständnis der Interaktion zwischen Gebirge und Diske könnte sogar die Grundlage für eine zukünftige vollautomatisierte Steuerung einer TBM auf Basis von gemessenen Diskenkräften schaffen.
Titel in ÜbersetzungMessung und Interpretation von Diskenschneidkräften im maschinellen Tunnelbau - Ein Beitrag zum Verständnis von Gesteinsbruchmechanismen und zur Weiterentwicklung von TBM Leistungsprognosemodellen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Thuro, Kurosch, Beurteiler B (extern), Externe Person
  • Galler, Robert, Beurteiler A (intern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2013

Bibliographische Notiz

gesperrt bis 26-08-2015

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