Die Leistungsprognose ist einer der wichtigsten Aspekte, wenn es um die Kalkulation von Baukosten und Bauzeiten bei Tunnelprojekten geht. Die Leistung einer TBM wird von der erreichten Penetration sowie dem auftretenden Werkzeugverschleiß bestimmt. Ziel dieser Dissertation ist es, das existierende Penetrationsprognosemodelle von GEHRING (1995) zu verbessern, indem zwei wesentliche Einflussfaktoren auf die Penetration untersucht werden. Diese sind zum einen die Zähigkeit von Gesteinen und zum anderen das Trennflächengefüge im Gebirge. Die Faktoren sollen mit Hilfe von einem umfangreichen Laborprogramm (Einaxiale Druckversuche, Spaltzugversuche, Punktlastversuche, Cerchar Abrasivitätsversuche, LCPC Abrasivitätsversuche, Dünnschliffe) sowie Penetrationsversuchen auf Tunnelbaustellen analysiert werden. Das Laborprogramm zielt darauf, ein detailliertes Verständnis über das Deformationsverhalten von Gesteinen unter Last zu erhalten. Zusätzlich werden eine Vielzahl an Charakterisierungs- und Klassifikationsmöglichkeiten für die Gesteinszähigkeit analysiert, da bisher keiner der existierenden Ansätze allgemein anerkannt ist. Der am meisten gebräuchliche Zähigkeitsindex, berechnet über das Verhältnis von Druck- zu Spaltzugfestigkeit, zeigte eine unzufrieden stellende Korrelation. Im Gegensatz dazu ergab das Verhältnis von Druckfestigkeit zu Punktlastindex das beste Ergebnis, sowohl auf die Genauigkeit der Laborparameter als auch auf die Anwendbarkeit in der Praxis gesehen. Dieser Index scheint demnach für eine Einarbeitung in Penetrationsprognosemodelle sinnvoll zu sein.
Um den Einfluss des Trennflächengefüges auf die Penetration zu untersuchen, wurden die prognostizierten Penetrationswerte von zwei gebräuchlichen Modellen (Gehring Modell, Colorado School of Mines Modell) mit den Ergebnissen von 30 Penetrationsversuchen sowie der geologischen Dokumentation an zwei Tunnelprojekten verglichen. Der Penetrationsversuch ist eine häufig angewandte Methode, um die Leistung einer TBM in einem spezifischen geologischen Umfeld zu bestimmen. Hierbei wird die Maschine unter definierten Bedingungen gefahren, wodurch ein Vergleich unterschiedlicher Tunnelprojekte sowie Maschinentypen bei entsprechenden geologischen Verhältnissen ermöglicht wird. Die Ergebnisse zeigen, dass die untersuchten Prognosemodelle nur für einen sehr engen Anwendungsbereich zuverlässige Werte liefern. Sobald das Gebirge Trennflächen oder einen veränderten Spannungszustand aufweist, sind beide Ansätze nicht mehr brauchbar. Diese Tatsache zeigt deutlich, dass die existierenden Modelle adaptiert werden müssen, indem beispielsweise ein Korrekturfaktor für das Trennflächengefüge im Gebirge eingebaut wird. Der vorgeschlagene Korrekturfaktor von GEH-RING (1995) spiegelt die Realität nur unzulänglich wider, da nur das Haupttrennflächensystem betrachtet und die verstärkende Wirkung von sich schneidenden Systemen vernachlässigt wird. Der Faktor muss daher überarbeitet werden. Hierfür eignet sich eine Kombination mit dem Gebirgszerlegungsfaktor des NTNU Prognosemodels (BRULAND 2000), welcher eine gute Korrelation mit den gewonnenen Daten aufweist. Auch das CSM Modell kann mit einem Parameter erweitert werden, welcher die Eigenschaften des Gebirgsgefüges berücksichtigen soll. Die Ergebnisse dieses Zerlegungsfaktors sind jedoch nicht zufriedenstellend. Ein weiterer limitierender Punkt ist der Aspekt der Anwendbarkeit, da die komplizierte Vorgehensweise viele Nachteile birgt.
Neben den Korrekturfaktoren wurde im Rahmen dieser Dissertation auch der grundsätzliche Zusammenhang zwischen Anpresskraft und resultierender Penetration betrachtet. Hierbei zeigte sich, dass der Verlauf am besten mit einer linearen Funktion mit y-Achsenabschnitt beschrieben werden kann. Demnach werden beide Prognosemodelle, das CSM als auch das Gehring Modell, von der unzutreffenden mathematischen Funktion aufgebaut. Der Achsenabschnitt wird durch den Grenzwert der subkritischen Penetration definiert und zeigt eine starke Abhängigkeit von der Spaltzugfestigkeit sowie dem LCPC Brechbarkeitskoeffizienten. Die Implementierung dieses kritischen Achsenabschnittes sowie der Korrekturfaktoren für Gesteinszähigkeit und Trennflächengefüge soll in einem neuen Prognosewerkzeug, dem sogenannten „Alpine Modell“ resultieren, welches ein modifiziertes Gehring Modell darstellt.
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Die Leistungsprognose ist einer der wichtigsten Aspekte, wenn es um die Kalkulation von Baukosten und Bauzeiten bei Tunnelprojekten geht. Die Leistung einer TBM wird von der erreichten Penetration sowie dem auftretenden Werkzeugverschleiß bestimmt. Ziel dieser Dissertation ist es, das existierende Penetrationsprognosemodelle von GEHRING (1995) zu verbessern, indem zwei wesentliche Einflussfaktoren auf die Penetration untersucht werden. Diese sind zum einen die Zähigkeit von Gesteinen und zum and...
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