PDF, Endbericht TISROCK - Univ. Prof. Dipl. Ing. Eckart Schneider

Forschungsprojekt
E!3160 TISROCK
Endbericht
Stand: 18/12/2006
erstellt von Univ.Prof. DI Eckart Schneider
unter Mitarbeit von DI Matthias Türtscher
Arbeitsbereich für Baubetrieb, Bauwirtschaft und Baumanagement
Fakultät für Bauingenieurwissenschaften
Leopold Franzens Universität Innsbruck
E!3160 TISROCK
INHALTSVERZEICHNIS
1.
Einleitung ........................................................................................................................... 1
2.
Struktur und Organisation .................................................................................................. 3
2.1.
2.2.
3.
Projektteam................................................................................................................. 3
Struktur des Abschlussberichtes................................................................................. 4
Zielsetzung, Zielerreichung und Forschungsergebnisse .................................................... 6
3.1.
Work Package 1: Maschinentechnik .......................................................................... 6
3.1.1.
Angestrebte Ziele ............................................................................................... 6
3.1.2.
Erreichte Ziele und Forschungsergebnisse......................................................... 6
3.1.3.
Nicht erreichte Ziele......................................................................................... 12
3.2.
Work Package 2: Ausbau ......................................................................................... 14
3.2.1.
Angestrebte Ziele ............................................................................................. 14
3.2.2.
Erreichte Ziele und Forschungsergebnisse....................................................... 14
3.2.3.
Fotobeilage ....................................................................................................... 18
3.3.
Work Package 3: Geotechnische Analyse................................................................ 23
3.3.1.
Angestrebte Ziele ............................................................................................. 23
3.3.2.
Erreichte Ziele und Forschungsergebnisse...................................................... 23
3.4.
Work Package 4: Numerische Modellierung ........................................................... 28
3.4.1.
Objctive of the study ........................................................................................ 28
3.4.2.
Modelling approach.......................................................................................... 30
3.4.3.
Results of the analyses ..................................................................................... 32
3.5.
Work Package 5: Baubetriebliche Modellierung ..................................................... 35
3.5.1.
Angestrebte Ziele ............................................................................................. 35
3.5.2.
Erreichte Ziele und Forschungsergebnisse....................................................... 35
3.5.3.
Nicht erreichte Ziele......................................................................................... 37
4.
Zusammenfassung und Resümee ..................................................................................... 38
5.
Anhang - Literaturverzeichnis.......................................................................................... 39
5.1.
Im Zuge der Forschungsarbeit sind von den Projektbeteiligten folgende Beiträge
veröffentlicht worden: .......................................................................................................... 39
5.2.
Geplante Veröffentlichungen über alle Arbeitspakete: ............................................ 39
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1. Einleitung
Die Kurzbezeichnung TISROCK steht für „TBM Tunnelling In Squeezing Rock“ oder
„TBM-Vortrieb in druckhaftem Gebirge“.
Österreichs Tunnelbauer und Planer zählen zur Weltelite des Tunnelbaus. Die „Neue
Österreichische Tunnelbaumethode“ ist eine wichtige Grundlage für Beauftragungen der
heimischen Bauwirtschaft im In- und Ausland. Sie ist die heute weltweit am meisten
angewendete Baumethode für konventionellen (zyklischen) Tunnelvortrieb.
Doch Bedürfnisse und Anforderungen ändern sich. Gefordert werden immer längere Tunnel,
oftmals mit zwei getrennten Röhren für Richtungsverkehr (was die Gesamtlänge der Tunnel
verdoppelt), kürzere Bauzeiten und geringere Baukosten. Weiters verlangt der soziale
Fortschritt humanere Arbeitsbedingungen und Arbeitsplätze mit geringerem Unfallrisiko.
Diese Forderungen können nur mit einem hohen Mechanisierungsgrad und durch Einführung
industrieller Produktionsmethoden erfüllt werden.
Parallel zum konventionellen Tunnelbau hat sich deshalb der maschinelle Vortrieb mit TBM
als ein hoch mechanisiertes Bauverfahren etabliert. Seit Beginn der 70-er Jahre findet diese
Baumethode immer weitere Verbreitung.
Das Forschungsprojekt TISROCK entstand aus der Motivation heraus, für die anstehenden
Alpentransversalen, vor allem den Brenner Basistunnel, ein System für den maschinellen
Vortrieb mit Schild- TBM und Tübbingausbau zu entwickeln, welches die für druckhafte
Verhältnisse notwendigen Konvergenzen (Gebirgsverformungen) zulässt. Unter druckhaftem
Gebirge wird dabei ein überbeanspruchtes Gebirge verstanden, das nur unter Zulassung
größerer Verformungen (› 50 mm bei 10,0 m Bohrdurchmesser) durchörtert und mit technisch
und wirtschaftlich vertretbarem Aufwand ausgebaut werden kann.
Das hier vorgestellte Forschungsprojekt dient der Weiterentwicklung bestehender
Schildmaschinenvortriebssysteme, speziell werden die Teilbereiche
¾
¾
¾
¾
¾
Maschinentechnik
Ausbau
Geotechnische Analyse
Numerische Modellierung
Baubetriebliche Modellierung
behandelt.
Die im Forschungsprojekt erarbeiteten Vorschläge und Lösungen sollen die Auffahrung
langer, druckhafter Strecken mit Tunnelvortriebsmaschinen ermöglichen. Dadurch können die
Baukosten und die Bauzeit langer Eisenbahntunnel wesentlich reduziert werden. Für Projekte
wie z.B. den Brenner- Basistunnel würden die Realisierungschancen dadurch wesentlich
verbessert.
Das wirtschaftliche Ziel des Forschungsprojektes liegt in der Reduzierung der
Herstellungskosten für Verkehrswege im Alpenraum, um die europäischen
Verkehrsverbindungen effizient und rasch verbessern zu können.
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Ziel des Forschungsvorhabens TBM- Vortrieb in druckhaftem Gebirge in wissenschaftlicher
Hinsicht ist es, die Spannungsänderungen im Zuge des Vortriebs und deren Auswirkungen auf
die Vortriebsmaschine und den Ausbau zu analysieren und darzustellen. Die Ermittlung der
zu erwartenden Lasten auf Ortsbrust, Schildmantel und Ausbau dient dazu, die
Vortriebsmaschine und den Ausbau entsprechend dimensionieren zu können.
Zum Erreichen der Aufgabenstellung soll das geotechnische Modell den Einfluss der
Vortriebsgeschwindigkeit und die Wirkung einer nachgiebigen Stützung des Hohlraumrandes
berücksichtigen.
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2. Struktur und Organisation
2.1. Projektteam
Projektorganisation
PROJEKTLEITER
Prof. E. Schneider (i3b, UIBK)
Stellv.: M. John (TC, IBK)
Teilprojekt 1
Teilprojekt 2
Teilprojekt 3
Teilprojekt 4
Teilprojekt 5
Maschinentechnik
Ausbau
Geotechnische
Analyse
Numerische
Modellierung
Baubetriebliche
Modellierung
Teilprojektleiter
(TPL)
Teilprojektleiter
(TPL)
Teilprojektleiter
(TPL)
Teilprojektleiter
(TPL)
Teilprojektleiter
(TPL)
W. Gütter
(Jägerbau)
A. Vigl
(viglconsult)
M. John
(TC, IBK)
A. Graziani
(DISG, Rom)
W. Leitner
(i3b, UIBK)
Das Forschungsprojekt wurde von einer internationalen Arbeitsgruppe mit Mitarbeitern aus
Österreich, Deutschland und Italien durchgeführt:
Nat.
Kategorie
Projektpartner
(A)
Universität
Innsbruck
Baubetrieb, Bauwirtschaft und
Baumanagement (i3b)
(A)
TU Graz
Felsmechanik und Tunnelbau
(I)
Universität Rom (La Dipartimento di Ingegneria
Sapienza)
Strutturale e Geotecnica
(A)
Mitarbeiter
Work Package
Univ. Prof. DI Eckart Schneider
Projektleiter
Univ. Ass. Dr. Wolfgang Leitner
WP 5
Univ. Prof. Dr. Wulf Schubert
WP 2
Univ. Prof. Dr. Allesandro
Graziani
WP 4
Univ. Prof. Dr. Renato Ribacchi
WP 4
Jäger Bau G.m.b.H.
DI Wolfgang Gütter
WP 1
Seli S.p.a.
DI Paulo Romualdi
WP 1
Baufirma
(I)
(A)
Tübbing Hersteller
(D)
Maschinenhersteller Wirth GmbH
(A)
Ingenieurbüro
(A)
Ingenieurkonsulent
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Katzenberger GmbH &Co KG Ing. Patrick Posch
WP 2
DI Detlef Jordan
WP 1
DI Dr. Alois Vigl
WP 2
DI Andreas Walter
WP 2
DI Dr. Max John
PL Stv, WP 3
DI Bruno Mattle
WP 3
Viglconsult ZT
Tunnelkonsulenten (TC)
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2.2. Struktur des Abschlussberichtes
Im vorliegenden Bericht werden in Kurzform sämtliche Forschungsziele, Zielerreichungen
bzw. Nichterreichungen sowie die wichtigsten Forschungsergebnisse zusammengefasst
dargelegt. Auf detaillierte Beschreibungen oder ergänzende Unterlagen wird lediglich
verwiesen.
Die angestrebten Ziele sowie geplante
Projektbeschreibung waren die Folgenden:
Maßnahmen
zur
Zielerreichung
gemäß
Workpackage 1: „Maschinentechnik“
workpackage 1
Maschinentechnik
Ziel
Maßnahmen
1.1. Möglichkeit für Überschnitt in der
Größenordnung von mind. ⎝ R = 20 cm
1.2. Kontrolle der Materialförderung
1.3. Zusatzmaßnahmen
Arbeitsgruppen
Teilprojektleiter (TPL)
- ausfahrbare Aussenmeißel
- (A,ff) JÄGER Bau GmbH Dipl.-Ing. W.Gütter (Jäger Bau)
- verstellbare Buckets
- (A) Viglconsult ZT
- durchmesserverstellbarer Schild
- (S) IBBB
- pressure relieve-gates
- (EU) WIRTH GmbH
- Umrüstung Band / Schnecke
- (EU) SELI SpA
- Bohr- und Versetzeinrichtung für
- vorauseilende Sicherung
Spiesse, Rohrschirm und Injektionen
- Gebirgsverbesserungen
- Bohreinrichtung für lange Brustanker
- Vorauserkundung
- Injektionen
- Entwässerung
- Bohreinrichtungen
- Ankerung
- Messeinrichtungen
Batloggstr. 95
A-6786 Schruns
Tel.: +43 (0)5556 7181 54
Fax: +43 (0)5556 7181 31
mobil: +43 (0)664 5319302
e-mail: [email protected]
Workpackage 2: „Ausbau“
workpackage 2
Ausbau
Ziel
2.1. Reduktion der Randspannungen
und Umlagerung der Kräfte
2.2. aktive und gleichzeitige nachgiebige
Stützung des Hohlraumrandes
Maßnahmen
- verformbarer Tübbingausbau unter
Verwendung von Stauchelementen
Arbeitsgruppen
Teilprojektleiter (TPL)
- (A,ff) Viglconsult ZT
Dr. A.Vigl (viglconsult)
- (A) Katzenberger GmbH & Co KG
Batloggstr. 36
A-6780 Schruns
Tel.: +43 (0)5556 77844 0
Fax: +43 (0)5556 77844 13
mobil: +43 (0)664 4064123
e-mail: [email protected]
- Rippentübbinge
- (S) IBBB
- Ringspalt mit Druck verfüllen
- gesondertes Projekt
- Stützung des Hohlraumrandes durch
komprimierbaren Mörtel
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Workpackage 3: „Geotechnische Analyse bereits ausgeführter Tunnel“
workpackage 3
Geotechnische Analyse bereits ausgeführter Tunnel
Ziel
Maßnahmen
3.1. Rückrechnung Strengener Tunnel
- Analytische Verfahren
Modellierung der Interaktion zwischen:
Arbeitsgruppen
- (S,ff) Tunnel-KonsulentenDr.
- Numerische Verfahren
- Gebirge
Teilprojektleiter (TPL)
John, Mattle
- (S) IFT, TUG
- Ausbau
- aktive Stützung
3.2. Miteinbeziehung in die Modellierung von:
M. John (Tunnel-Konsulent)
General-Feuersteinstr. 11
A-6020 Innsbruck
Tel.: +43 (0)512 2412 230
Fax: +43 (0)512 267828
mobil: +43 (0)664 3569003
e-mail: [email protected]
- Bereich vor dem Bohrkopf
- Längstragwirkung
(Abstützung auf den Ausbau)
3.3. Einfluss der Vortriebsgeschwindigkeit
auf die Umlagerung der Kräfte
Workpackage 4: „Geotechnische Modellierung“
workpackage 4
Geotechnische Modellierung
Ziel
Maßnahmen
4.1. Development of calculation models for
- numerical modelling (3D)
Arbeitsgruppen
- (EU) La Sapienza
- 3 dimensional considerations
Prof. Graziani
Prof. Ribacchi
4.2. Modelling of various types of rock support
- effect of pre- support action of the
TBM- shields
Teilprojektleiter (TPL)
Univ. Prof. A. Graziani (DISG)
Via Monte D'Oro 28
I-00186 Roma
Tel.: +43 (0)64991 9608
Fax: +43 (0)66878 923
e-mail:
[email protected]
- effect of application of yielding materials
Workpackage 5: „Baubetriebliche Modellierung“
workpackage 5
Baubetriebliche Modellierung
Ziel
4.1. exaktere Prognose der Vortriebsleistung in Abstimmung auf die
Systematik der Vortriebsmaschine
4.2. genauere Kostenermittlung sowie
transparente Kostenvergleiche
Maßnahmen
Arbeitsgruppen
Ansprechpartner
- detaillierte Analyse der Prozesse
- (S,ff) IBBB, UIBK
Dipl.-Ing. W.Leitner (UIBK)
- Entwicklung eines Produktions-
- (A) JÄGER Bau GmbH
Technikerstraße 13
A-6020 Innsbruck
Tel.: +43 (0)512 507-6525
Fax: +43 (0)512 507-2991
e-mail: [email protected]
modells für Vortrieb und Sicherung
- (EU) SELI SpA
- Entwicklung eines Modells zur
Kostenermittlung auf Grundlage
der o.g. Analyse
Im Anschluss an die Einzelberichte wird in der Zusammenfassung auf das Gesamtprojekt
näher eingegangen und der wissenschaftliche sowie wirtschaftliche Erfolg des Projektes in
Hinblick auf die Wertschöpfung der einzelnen Projektpartner beurteilt.
Im Anhang werden die zitierten Unterlagen bzw. Literatur angeführt.
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3. Zielsetzung, Zielerreichung und Forschungsergebnisse
3.1. Work Package 1: Maschinentechnik
3.1.1. Angestrebte Ziele
Die Ziele der Arbeitsgruppe `Maschinentechnik´ waren wie folgt definiert:
¾ Entwicklung einer geschildeten Hartgesteins-Tunnelbohrmaschine im 10 m-Bereich
mit Tübbingausbau, die in der Lage sein soll längere Strecken stark druckhaften
Gebirges ohne nennenswerte Stillstände durchörtern zu können
¾ Entwicklung entsprechender Überschneidmöglichkeiten (Vergrößerung des
Ausbruchdurchmessers um ca. 2 % des Bohrdurchmessers [ca. 100 mm radial,
Überschnitt in der Firste um ca. 200 mm])
¾ Entwicklung entsprechender Vorauserkundungsmöglichkeiten und vorauseilender
Gebirgsverbesserungen von der TBM aus
¾ Durchmesserveränderliche Schildkonstruktion
¾ Entwicklung eines neuen Maschinentyps (TBM)
3.1.2. Erreichte Ziele und Forschungsergebnisse
Folgende Ziele konnten erreicht werden:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Auswahl des Maschinentyps (Hartgesteins- Doppelschild- TBM)
Erstellung eines Pflichtenheftes
Abgestufte Schilddurchmesser
Kürzest mögliche Schildlänge
Überschneidmöglichkeit mit vertikaler Bohrkopfverschiebung
Weiterentwicklung der Injektionsbohrschirme aus der TBM heraus
Ankerbohrmöglichkeiten im vorderen Bereich des Schildmantels
Druckkissen zwischen Tübbingausbau und Schwanzschild
Zeichnungserstellung
Ad.1) Auswahl des Maschinentyps (Hartgesteins-Doppelschild-TBM)
Es wurde für die wirtschaftliche Herstellung langer Tunnelvortriebe das Konzept der
Doppelschild- TBM (DS-TBM) ausgewählt, weil es ggü. dem Einfachschild-Konzept einen
entscheidenden Vorteil hat: die DS-TBM erlaubt den Einbau der Tübbingauskleidung
simultan zum eigentlichen Vortrieb. D.h. man kann hier von einem kontinuierliche Vortrieb
sprechen im Ggs. zur Einfachschildmaschine, wo Ringbau und Vortrieb sequentiell erfolgt
(entweder oder). Somit kann man bei einer DS-TBM von einer um ca. 70 % höheren
Vortriebsleistung bei einer einschaligen Tübbingauskleidung ausgehen.
Ad 2.) Erstellung eines Pflichtenheftes
Als Ausgangspunkt der weiteren Überlegungen wurde zunächst ein umfangreiches
Pflichtenheft erstellt.
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Ad 3.) Abgestufte Schilddurchmesser
Entscheidend für das Durchörten druckhaften Gebirges ist vor allem die
Durchmesserentwicklung der Schilde. Um über die Zeit ein größeres Konvergenzvolumen zu
schaffen, nehmen die Durchmesser der konzentrisch angeordneten Schilde, wie Front-,
äußeres Teleskop-, inneres Teleskop-, Gripper- und Schwanzschild) nach hinten entgegen der
Vortriebsrichtung ab (Abbildung 1). Bei der gewählten Konfiguration beträgt der Unterschied
zwischen Front- und Schwanzschild 210 mm (!). Bezüglich der Tübbingauskleidung und des
Ausbruchdurchmessers entsteht in der Firste nominell ein Freiraum von 320 mm (siehe auch
Punkt 5).
Abbildung 1: Durchmesserentwicklung;
Ad 4.) Kürzest mögliche Schildlänge
Neben dieser nach hinten sich verjüngenden Schildkonfiguration ist die Gesamtlänge der
Schilde ebenso sehr wichtig. D.h. die Schildlänge sollte natürlich so kurz als möglich gestaltet
werden. Ziel ist hier, dass die Schildlänge LSchild in etwa dem Bohrdurchmesser D entspricht
(LSchild≈ 1 x D). Ein vorläufiges Design unseres Forschungspartners, der Fa. Wirth (Erkelenz,
Deutschland) sieht eine Schildlänge im eingefahrenen Zustand von 12.535 mm bzw. im
ausgefahrenen Zustand von 14.735 mm vor (Abbildung 2). Die maximale Hublänge beträgt
im vorläufigen Design 2.200 mm. Die Schildlänge hängt natürlich stark von der Länge der
Auskleidungsringe ab, die hier mit 2.000 mm gewählt wurde.
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Abbildung 2: Schild- Abmessungen;
Ad 5.) Überschneidmöglichkeit mit vertikaler Bohrkopfverschiebung
Um ein Einklemmen der TBM in druckhaftem Gebirge, d.h. in konvergenten
Gebirgsformationen zu verhindern, muss ein genügender Freiraum (Ringspalt) zwischen den
Schilden der TBM und dem gebohrten Fels geschaffen werden.
Dies erreicht man zum einen mit einer sich nach hinten verjüngenden Schildkonfiguration
(vgl. Punkt 3) und zum anderen mit einer ausreichenden Überschneidmöglichkeit, d.h.
Vergrößerung des Bohrdurchmessers.
Bezüglich der Tübbingauskleidung und des Ausbruchdurchmessers entsteht in der Firste
nominell ein Freiraum von 320 mm (vgl. Punkt 3). Dieser Freiraum kann durch den
maximalen Überschnitt von radial 125 mm (d.h. Überschnitt in der Firste von 250 mm)
theoretisch auf 570 mm (!) vergrößert werden. Bildlich gesprochen könnte der Fels um über
einen halben Meter (!) „hereinwachsen“ (Abbildung 1). Dies in einer Zeitspanne von ca. 10 h,
wenn man von einer Vortriebsleistung von 20 m/Tag und einer Schildlänge von insgesamt ca.
10m ausgeht.
Eine Vergrößerung des Bohrdurchmessers ist nur in Verbindung mit einer vertikalen
Bohrkopfverschiebung realisierbar. Um den Bohrdurchmesser nicht unter die Null-Linie zu
bringen (=Sohlniveau des Tunnels), was ein „Unterschneiden“ und somit ein „Abtauchen“ der
TBM verursachen würde, muss man den gesamten Bohrkopf genau um den Betrag des
Überschnitts, d.h. um den Betrag des radialen Ausfahrens der Kalibermeißel nach oben
verschieben. D.h. der Versatz der Bohrkopfachse ggü. der Mittelachse der konzentrisch
angeordneten Schilde wird um den entsprechenden Betrag größer. Somit entspricht die radiale
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„Bohrkopf-Vergrößerung“ (max. 125 mm) dem diametralen bzw. doppelten Überschnitt
(max. 250 mm) in der Firste.
Beispiel: ein radiales „shiften“ der Kalibermeißel in Stufen bis zum letzten Kalibermeißel auf
50 mm, bedeutet ebenfalls eine vertikale Bohrkopfverschiebung um 50 mm nach oben und
letztendlich einen Überschnitt von 100 mm in der Firste. Maximal ist ein „shiften“ mit Einbau
von zusätzlichen Kalibermeißeln (z.B. 2 Stück) von radial 125 mm möglich. Der
Bohrdurchmesser wird somit von 10.210 mm auf maximal 10.460 mm vergrößert (Abbildung
1).
Ad 6.) Weiterentwicklung der Injektionsbohrschirme aus der TBM heraus
Um ein Durchörten von Zonen druckhaften Gebirges zu ermöglichen, kann die Schaffung
eines Freiraumes mittels statischer Durchmesserentwicklung der Schilde (vgl. Punkt 3) bzw.
mittels Vergrößerung des Bohrdurchmessers (vgl. Punkt 5) in Verbindung einer möglichst
kurzen Schildlänge (vgl. Punkt 4) alleine nicht ausreichen. D.h. in solchen Fällen muss eine
Konsolidierung des Gebirges vor bzw. über der TBM durchgeführt werden. Dies geschieht
durch die Erstellung von sog. Injektionsbohrschirmen (IBS) aus der TBM heraus.
Die TBM ist so ausgestattet, dass ein IBS über ca. 15 Bohrpositionen entlang einer
Kreisabwicklung von ca. 180° oberhalb des aufzufahrenden Profils eingebracht werden kann
(Abbildung 3). Um die Wirksamkeit eines IBS zu verbessern, sind zusätzliche Bohrpositionen
anzustreben, wobei hier konstruktiv Grenzen gesetzt sind aufgrund des beschränkten
Platzangebotes zwischen den Hilfsvorschubzylindern. Aus diesem Grund spricht man hier
auch bewusst nicht von einem Rohrschirm, wie er von konventionellen Vortrieben bekannt
ist. Dort kann der Abstand zwischen den Bohrpositionen wesentlich kleiner gewählt werden.
Im Stahlmantel des Gripperschildes sind Führungsrohre (NW 100) als Rohr- und
Bohrgestängeführung unter einem möglichst flachen Winkel (7-10°) eingeschweißt. Die
erforderliche Bohreinrichtung (14’-Lafette mit AC COP 1838 Bohrhammer oder Ähnlichem)
ist auf einem separaten Geräteträger auf der Erektorbrücke längsverschiebbar als auch drehbar
installiert, um die einzelnen Bohrpositionen anfahren zu können.
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Abbildung 3: Injektionsbohrschirm (IBS), Nutzlänge ca. 8 m, DS-TBM, Tunel de Abdalajis
(Spanien);
Die Rohre des IBS werden über die Führungsrohre bzw. Bohrkanäle im Schildmantel in das
anstehende Gebirge gebohrt. Die Herstelllängen sind prinzipiell stark vom Gebirge abhängig.
Aufgrund der geometrischen Verhältnisse geht man von einer Bohrlänge von ca. 17-18 m aus.
Die Entfernung zwischen Schneidrad-Vorderkante und Bohrkanalaustritt beträgt ca. 6 m. Die
effektive Bohrlänge vor der TVM beträgt somit ca. 11-12 m. Bei einer Überlappungslänge
von ca. 3 m ergibt dies eine Nutzlänge von etwa 8 m. D.h. unter jedem fertig gestellten
Rohrschirm kann die TBM ca. 8 m auffahren, bevor der nächste Rohrschirm gebohrt wird
(Abbildung 3).
Der Bereich über dem vorderen Schildmantel bzw. Bohrkopf (ca. 6 m) wird mit
Expansionsschaum injiziert. Die vorderen 2/3 (ca. 12 m) eines jeden IBS-Rohres werden mit
Zementsuspension injiziert. Da der Austrittsbereich aus dem Schildmantel von außen nicht
zugänglich ist, wird der Übergangsbereich zwischen Schildmantel und Gebirge mit einem PEHD-Rohr ausgebildet. Nach Abschluss der Injektionsarbeiten schert die TVM beim
Wiederanfahren diese PE-HD-Rohre ab. Das Abscheren der Kunststoffrohre wurde im
Rahmen dieses Forschungsprojektes beim Tunel de Abdalajis (10m DS-TBM, Spanien)
erfolgreich erprobt.
Ein kompletter Rohrschuss besteht aus Anfängerrohr (Stahl, perforiert), 5
Verlängerungsrohren (Stahl, perforiert) und dem Übergangs- PE-HD-Rohr. Die Länge eines
Einzelrohrschusses beträgt 3 m. Der Durchmesser der Bohrkrone beträgt 90 mm, der
Rohrdurchmesser beträgt 76 mm.
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Injektionskonzept
Vor Beginn der Verpressung muss der Bereich außerhalb des Schildmantels abgedichtet
werden. Diese Abdichtung verhindert den Rückfluss der späteren Betonsuspension in den
Bereich des Schildmantels und des Bohrkopfes vor unbeabsichtigtem „Einbetonieren“.
In der Regel erfolgt diese Abdichtung über einen zusätzlichen Injektionsschlauch der knapp
(ca. 1 m) über die Bohrkopfebene geführt wird. Über diesen Injektionsschlauch wird
Silikatschaum (2-Komponenten Silikatharz mit hoher Klebe- und Druckfestigkeit)
eingebracht (Injektionsplombe). Dabei wird der Ringraum im Schildbereich (ca. 5 m) über
eine Abwicklung des halben Umfangs abgedichtet und evtl. offene Klüfte und Poren verfüllt.
Mit dem zweiten Injektionsschlauch der bis zum Bohrlochtiefsten geführt wird, wird das
umliegende Gebirge mit einer Zementsuspension (Schnellzement) injiziert. Der somit
hergestellte Verbundtragkörper stellt eine vorauseilende Gebirgssicherung dar, die einen
Vortriebsabschnitt von ca. 8 m zulässt bevor gegebenenfalls der nächste IBS ausgeführt
werden muss.
Ad 7.) Ankerbohrmöglichkeiten im vorderen Bereich des Schildmantels
Als weitere zusätzliche Konsolidierungsmaßnahme des umliegenden Gebirges im vorderen
Bereich, also dort wo eine vorauseilende Ortsbrust entstehen kann, sollte ein radialer Ausbau
mit Felsankern aus der TBM heraus möglich sein. Hierzu werden im vorderen Schildbereich
2 Ankerbohrgeräte angeordnet, die in radialer Richtung ca. 50° geneigt zur Vortriebsrichtung
bohren können (Abbildung 4). Der Abstand zwischen den ca. 3 m hinter der Ortsbrust
liegenden Bohransatzpunkten sollte max. ca. 1 m betragen.
Abbildung 4: Ankerbohrgeräte im Schild (Bsp. Einfachschild- TBM, Wienerwaldtunnel);
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Ad 8.) Druckkissen
Tübbingauskleidung
zur
temporären
Abstützung
des
Schildschwanzes
auf
der
Bei extrem druckhaften Gebirge kann eine Sondermaßnahme zur temporären Abstützung des
Schwanzschildes auf einem Druckring oder der Tübbingauskleidung zum Einsatz kommen.
Die möglichen Auflasten von Schwanzschilden liegen zwischen 500 – 800 kN/m². Der
Tübbingausbau bietet einen wesentlich höheren Ausbauwiderstand (800 – 1.500 kN/m²), so
dass er zu einer temporären Abstützung herangezogen werden kann.
Technisch kann eine Abstützung mittels Druckkissen realisiert werden, die im oberen Bereich
des Druckringes oder zwischen Tübbing und Schildschwanz eingelegt und hydraulisch
aufgepumpt werden können (Abbildung 5).
Regelvortrieb:
Vortriebspresse
Druckring
Tübbing
Sondermaßnahme:
Druck-Kissen
Vortriebspresse
Druckring
Tübbing
Abbildung 5: Druck-Kissen (hier exemplarisch zw. Druckring und Schildschwanz);
Ad 9.) Zeichnungserstellung
Der TBM- Hersteller Wirth Maschinen- und Bohrgeräte-Fabrik GmbH, Erkelenz
(Deutschland) ist Partner innerhalb des Work packages 1. Wirth brachte entsprechendes
Maschinen Know How ein und setzte die Forschungsergebnisse in Form von Entwurfsplänen
zeichnerisch um.
3.1.3. Nicht erreichte Ziele
Nicht erreichte Ziele soll nicht heißen, dass man an der Umsetzung der Idee gescheitert wäre,
sondern, dass man derartig gesetzte Ziele nach entsprechender Kosten-Nutzenanalyse
ausgeschieden hat bzw. dass bestimmte Lösungsansätze konstruktiv nicht realisierbar waren.
Dazu zählen:
1. Schildlänge (ca. 12.5 m) = Ausbruchdurchmesser (ca. 10,2 m)
2. Realisierung eines durchmesserveränderlichen Schildmantels.
3. Entwicklung eines neuen Maschinentyps (z.B. Walking Gripper Shoes or
Continuous-Gripping TBM)
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Ad 1.) Schildlänge
Das Ziel einer quadratischen Auslegung der Doppelschild- TBM, d.h. Schildlänge gleich
Ausbruchdurchmesser konnte bei der gewählten Tübbinglänge von 2.000 mm nicht ganz
erreicht werden. Das vorläufige Design sieht eine Schildlänge (bei geschlossener Maschine,
d.h. Teleskopschild gänzlich eingezogen bzw. Startsituation vor Beginn eines neuen
Maschinen-Hubes) von ca. 12,5 m bei einem Ausbruchdurchmesser von 10,2 m vor.
Ad 2.) Durchmesserveränderlicher Schildmantel
Ideal wäre eine Anpassung der Schilddurchmesser an den aktuell gewählten Überschnitt, um
keine Unstetigkeit (Sprung) zwischen Ausbruch- und Schilddurchmesser zu haben. Bei der
momentanen Auslegung der Schilde entsteht bei Ausnützung des vollen Überschnittes (250
mm in der Firste) eine Sprung von 325 mm vom gebohrten Fels zum Frontschild. Dieser
plötzliche Freiraum kann eine zusätzliche, unerwünschte Auflockerung des Gebirges
begünstigen.
Druckhaftes Gebirge wächst nicht sprunghaft „herein“, so dass eine Stützwirkung durch ein
ebenfalls im Durchmesser vergrößerbares Frontschild wünschenswert wäre. Ideal wäre, wenn
die Schilddurchmesser der „Konvergenzlinie“ (Abbildung 1) angepasst werden könnten.
Konstruktiv würde eine solche Lösung einen immensen Aufwand bedeuten, der nicht in einer
wirtschaftlichen Relation zum eventuellen Nutzen stehen würde.
Diese Idee wurde deshalb nicht weiterverfolgt.
Ad 3.) Neuer Maschinentyp
Die Erfahrungen mit Hartgesteins-Doppelschildmaschinen der letzten 30 Jahre zeigen, dass
dieses System eine solide Basis für eine Weiterentwicklung dieses Konzeptes darstellt.
Innerhalb der Arbeitsgruppe wurde deshalb beschlossen, dieses Konzept beizubehalten und
entsprechend für die Anwendung für lange Tunnel mit Zonen druckhaften Gebirges zu
optimieren.
In den 90er Jahren meldete z.B. die Fa. Robbins (USA) ein Patent über eine TBM mit
kontinuierlichem Vorschubsystem an („Tunnel Boring machine with continuous forward
propulsion“ US Patent 5205613). Dieser Maschinentyp mit sog. „walking gripper shoes“
konnte sich nicht durchsetzen.
Herkömmliche Tunnelbohrmaschinen mit Gripper- Verspannung arbeiten zyklisch. D.h. nach
Beendigung eines Hubes kommt es zu einem kurzen Stillstand von wenigen Minuten, um das
Verspannsystem nachzusetzen bevor ein neuer Hub begonnen werden kann.
Ein „walking Gripper Shoe-System“ ist vom Ansatz her sicher positiv zu bewerten. In der
rauen Praxis des Hartgestein-Bohrens stellt jedoch jede „Verkomplizierung“ eine
Schadensquelle und somit Stillstände dar. Speziell bei langen Tunneln muss eine TBM
absolut zuverlässig sein (je einfacher desto weniger Fehlerquellen).
Getreu dieser Maxime, blieb man bei dem bisherigen, erprobten Grundkonzept, d.h.
„zyklischer“ Vortrieb im Bezug auf sequentielle Hübe, wobei im Gegensatz zu EinfachschildMaschinen der parallel zum Vortrieb mögliche Ringbau als entscheidender Vorteil speziell im
Hinblick auf die Durchörterung von druckhaftem Gebirge gesehen wird.
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3.2. Work Package 2: Ausbau
3.2.1. Angestrebte Ziele
Die Ziele der Arbeitsgruppe „Auskleidungstechnik“ waren wie folgt definiert:
¾ Entwicklung eines konvergenz- kompatiblen Fertigteilausbaues für druckhaftes
Gebirge
¾ Umsetzung der Idee „gerippter“ Fertigteil- Auskleidungssegmente
¾ Versuchstechnische Ermittlung des Last- Weg-Verhaltens gerippter Segmente
¾ Ermittlung der geforderten Materialeigenschaften
¾ Ermittlung der Möglichkeiten und Grundlagen einer industriellen Produktion
¾ Abwicklung der Forschungsziele im Rahmen des veranschlagten Budgets
3.2.2. Erreichte Ziele und Forschungsergebnisse
Folgende Ziele konnten erreicht werden:
¾ Entwicklung eines konvergenz- kompatiblen Fertigteilausbaues für druckhaftes
Gebirge und Umsetzung der Idee „gerippter“ Fertigteil- Auskleidungssegmente:
Die grundlegenden Anforderungen für einen konvergenzkompatiblen Fertigteilausbau
waren innerhalb des WP2 wie folgt definiert:
o Gewährleistung einer möglichen kontrollierten Radialdeformation des
Gebirges von bis zu 15cm im Bereich der Auskleidung
o Gewährleistung
des
erforderlichen
Ausbauwiderstandes
des
konvergenzkompatiblen Fertigteilausbaus
o Geschlossene Längs- und Ringfuge des Systems (fester Innendurchmesser)
o Modulare Kombinierbarkeit von konvergenzkompatiblen Segmenten mit
dünnwandigen
(leichten)
und
vollwandigen
(schweren)
Auskleidungssegmenten
Diese Ziele konnten gesamthaft mit dem Entwurf von „Rippentübbingen“ mit
außenliegenden
(gebirgszugewandten)
Rippen
und
dazwischenliegenden
Entspannungsräumen realisiert werden (Abbildung 6). Die modulare Kombinierbarkeit
mit dünnwandigen (leichten) und vollwandigen (schweren) Auskleidungssegmenten
wurde mittels einheitlicher Fugenausbildungen entsprechend konstruktiv löst.
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Abbildung 6: Konvergenzverträgliches Auskleidungssystem mit „Rippentübbingen“;
Abbildung 7: Modulare Kompatibilität unterschiedlicher Segmente innerhalb des Systems;
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¾ Versuchstechnische Ermittlung des Last- Weg-Verhaltens gerippter Segmente und
Ermittlung der geforderten Materialeigenschaften
Um das zu erwartende Last- Weg-Verhaltens gerippter Segmente zu ermitteln
wurden folgende Schritte gesetzt:
o Entwurf und Bau entsprechender gerippter Versuchskörper (Abbildung 8)
o Entwurf und Bau einer entsprechenden Versuchseinrichtung
o Aufstellen eines entsprechenden Versuchsprogramms im Hinblick auf die
relevanten
Gebirgseigenschaften,
die
Fertigteiltechnologie
und
die
Rippengeometrie
o Durchführung und Auswertung des Versuchsprogramms (Fotos 1 und 2)
Die Versuchsergebnisse haben das erwartete Last- Weg-Verhalten der Rippen in
Interaktion mit dem Gebirge im Wesentlichen bestätigt und im Detail Aufschluss
über dieses Verhalten gegeben, sodass die ermittelten Last- Verformungskurven der
geomechanischen Berechnung entsprechend zu Grunde gelegt werden können
(Abbildung 9).
Abbildung 8: Versuchskörper bestehend aus „Rippensegment“ und „Modellgebirge“;
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Abbildung 9: Versuchsergebnisse der Versuchsreihen 1 bis 3 bei unterschiedlichem
„Modellgebirge“;
Was die Ermittlung der Materialeigenschaften der gerippten Segmente betrifft, so hat sich
gezeigt, dass mit den im Fertigteilausbau üblichen Materialeigenschaften die Ziele des
geforderten Last- Weg-Verhaltens erreicht werden können.
¾ Ermittlung der Möglichkeiten und Grundlagen einer industriellen Produktion
Zur Ermittlung der Möglichkeiten und Grundlagen einer industriellen Produktion
wurden folgende Schritte gesetzt
o Entwurf, Bau und Optimierung von Schalungen zur industriellen Herstellung
von gerippten Fertigteilen
o Entwurf und Austesten verschiedener Betonrezepturen
o Entwurf und Austesten verschiedener Bewehrungskonzepte
o Austesten an 1:1 Prototypen
o Umsetzung in Serienproduktionen unter Optimierung der spezifischen
Anforderungen an gerippte Fertigteile
Obige Schritte wurden unter Vornahme der jeweilig erforderlichen Anpassungen
vorgenommen. Dabei konnten insbesondere was die serienmäßige Herstellung
gekrümmter und gerippter Fertigteile betrifft, die spezifisch erforderlichen Kenntnisse
gewonnen werden. Letztendlich konnte nach jeweilig vorgängigem Austesten an
Prototypen die Eignung gekrümmter und gerippter Fertigteile für eine industrielle
Fertigung erzielt werden (Fotos Nr.: 3 – 10)
¾ Abwicklung der Forschungsziele im Rahmen des veranschlagten Budgets
Das WP2 konnte innerhalb des veranschlagten Zeitrahmens und des veranschlagten
Budgets mit Erfolg abgeschlossen werden
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3.2.3. Fotobeilage
Foto 1: Versuchsanordnung für gerippte Probekörper:
Foto 2: Eindrücken der Probekörper in das Modellgebirge;
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Foto 3: Konventionelle Bewehrung der gerippten Segmente;
Foto 4: Schalung für Segmente mit Querrippen;
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Foto 5: Befüllen von Schalungen mit Querrippen;
Foto 6: Produktion von Segmenten mit Querrippen;
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Foto 7: Offene Schalung für Segmente mit Längsrippen;
Foto 8: Geschlossene Schalung für Segmente mit Längsrippen;
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Foto 9: Konventionelle Bewehrung für Segmente mit Längsrippen;
Foto 10: Produktion von Segmenten mit Längsrippen;
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3.3. Work Package 3: Geotechnische Analyse
3.3.1. Angestrebte Ziele
Die Ziele dieses Arbeitspaketes waren wie folgt definiert:
1. Modellierung der Interaktion zwischen
• Gebirge
• Ausbau
• Aktiver Stützung
mittels Rückrechnungen am Strenger Tunnel
2. Einbeziehen in die geotechnische Modellierung von:
• Bereich der Schildmaschine
• Längstragwirkung
3. Einfluss der Vortriebsgeschwindigkeit auf die Spannungsumlagerung
3.3.2. Erreichte Ziele und Forschungsergebnisse
Ad 1.) Ergebnis der Rückrechnungen
Die sehr umfangreichen Ergebnisse der baugeologischen Dokumentation und aller
vorhandenen geotechnischen Messergebnisse wurden ausgewertet und zwei Bereiche, die
stark druckhaftes Gebirgsverhalten mit asymmetrischen Hohlraumverformungen
repräsentieren, ausgewählt. Die geologischen Verhältnisse sind geprägt von Quarzphylloniten,
Quarzitschiefern und phyllitischen Gneisen mit nahezu achsparalleler, steil stehender
Schieferung durchsetzt von Störungen, die ebenso nahezu achsparallel verlaufen und teilweise
in der Schieferungsebene liegen, teilweise in einem flacheren Winkel die Schieferungsflächen
schneiden. Im ersten Schritt wurde ein Rechenmodell entwickelt, welches die geologischen
Verhältnisse weitgehend simuliert, siehe Abbildung 10.
STÖRUNG
DISKRETE
TRENNFLÄCHEN
Abbildung 10: Geologische Brustaufnahme / zugehörendes Rechenmodell;
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Als Eingangsparameter wurden gewählt:
Geometrie Tunnel:
Überlagerung:
Breite 11 m, Höhe 10 m
600 m
Für das Grundgebirge und die Störungen wurden folgende Parameter angesetzt:
Kontinuum
E-Modul:
Querdehnzahl:
Reibungswinkel
Kohäsion
Dilatanz
Quarzphyllit
1200 MPa
0.25
30°
0.6 MPa
15°
Störung
100 MPa
0.35
20°
0.3 MPa
8°
Die Trennflächen wurden mittels so genannter Joint-Elemente als diskrete Linien modelliert.
Entlang dieser Linien werden doppelte Knoten generiert, welche durch Normal- und
Schubsteifigkeit miteinander verbunden sind:
Steifigkeit normal:
Steifigkeit tangential:
20.000 / 30.000 MN/m³
15.000 / 20.000 MN/m³
Die Stützmaßnahmen beim Vortrieb wurden entsprechend dem tatsächlich eingebauten
Umfang berücksichtigt (s. Abbildung 11).
Anker:
Spritzbeton:
Stauchelemente:
Länge 8 m, Traglast 350 kN, bei Versagen 250 kN
25 cm mit reduziertem Anfangs E-Modul = 5.000 MN/m²
4 Stück in der Kalotte mit Lastaufnahme = 1.05 MN
Abbildung 11: Modellierung Stützmaßnahmen / Stauchelemente;
Um das Ergebnis der Modellierung mit dem tatsächlichen Gebirgsverhalten zu vergleichen,
wurden die Hohlraumverformungen und die Beanspruchung der Spritzbetonschale
ausgewertet, siehe Abbildung 12.
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43 cm
N = 4.9 MN/m
43 cm
23 cm
81 cm
Abbildung 12: Ergebnis der Berechnung- Hohlraumverformung (links) und
Spritzbetonbeanspruchung (rechts);
Das Ergebnis der Hohlraumverformungen zeigt gute Übereinstimmung von Modell und
Messergebnissen:
Hohlraumverformung
Firstsetzung
Kalottenfußverschiebung links
Kalottenfußverschiebung rechts
Modell
61 cm
53 cm
23 cm
Messung
60 cm
50 cm
30 cm
Zur Überprüfung der Beanspruchung von Anker und Spritzbeton wurde ein Messquerschnitt
ausgewertet, bei welchem allerdings geringere Verformungen auftraten. Die Tendenz der
Beanspruchung entspricht dem Rechenergebnissen, der Beanspruchungsgrad des Spritzbetons
ist naturgemäß geringer, siehe Abbildung 13.
Abbildung 13: Ergebnisse von Messanker und Spritzbetonbeanspruchung;
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Damit konnte nachgewiesen werden, dass mit der gewählten Modellierung die Interaktion von
Gebirge und Ausbau unter Berücksichtigung der nachgiebigen Stützung innerhalb der
natürlichen Schwankungen wirklichkeitsgetreu erfasst werden konnte.
Ad 2.) Geotechnische Modellierung des Bereiches einer Schildmaschine
Um die Längsentwicklung der Verformungen im Bereich der Schildmaschine zu simulieren
wurde ein rotationssymmetrisches Modell gewählt. Um die druckhaften Verhältnisse wie sie
beim Strenger Tunnel angetroffen wurden zu erfassen wurden die Verformungen im
Querschnitt im Bereich der Störungszone für einen Kreisquerschnitt mit 10 m Durchmesser
ermittelt. Das nachgebildete Modell ergibt ungleichförmige Verformungen, welche für das
rotationssymmetrische Modell homogenisiert wurden. Damit wurden die Gebirgsparameter
als Eingangsdaten für die rotationssymmetrischen Berechnungen ermittelt.
Die Verformungsentwicklung ergibt folgendes Ergebnis, siehe Abbildung 14:
• Bei rd. 71 cm Gesamtverformung betragen die Vorverformungen 17 cm, das sind
24 %.
• Bei Einbau der Tübbinge 10 m hinter der Ortsbrust treten im Schildbereich 54 cm
Verformung auf, die nach heutigem Stand der Technik von Schildmaschinen nicht
aufgenommen werden können.
• Bei Einbau der Tübbinge 6 m hinter der Ortsbrust verringern sich die
Verformungen im Schildbereich auf 34 cm, das ist eine Größenordnung, die durch
Überschnitt und Staffelung der Schilde bewältigt werden könnte.
Abbildung 14: Längsentwicklung der Verformungen im Bereich des Schildes im druckhaften
Gebirge;
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In den Besprechungen innerhalb des TISROCK- Forschungsteams wurde daher auf die
Bedeutung der hohen Verformungen unmittelbar hinter der Ortsbrust hingewiesen. Dies
resultierte in der Entwicklung der Abstufung des Schildes in
• Frontschild
• Äußeres Teleskopschild
• Gripperschild
In weiterer Folge wurde untersucht, ob durch den Einbau von gegen die Ortsbrust geneigten
Ankern die Verformungen im Schildbereich reduziert werden können. Die Berechnungen
haben gezeigt, dass bei der Annahme eines durch Anker verbesserten Gebirgskörpers von
4,0 m ab Ausbruchrand die Verformungen um rd. 30- 40 % reduziert werden können, siehe
Abbildung 15.
Abbildung 15: Einfluss einer vorauseilenden Ankerung auf die Längsentwicklung der
Verformungen im Schildbereich;
Eine Einrichtung zum Versetzen geneigter Anker wurde bei den Vortriebsmaschinen für den
Wienerwaldtunnel bereits verwirklicht, bisher kam diese Einrichtung noch nicht zum Einsatz.
Mit den vorliegenden Untersuchungsergebnissen wurde nicht nur der Verlauf der
Verformungen im Schildbereich aufgezeigt, sondern auch Vorkehrungen vorgeschlagen, mit
welchen die hohen Verformungen eingeschränkt und bei der Konstruktion der
Schildmaschine berücksichtigt werden können.
Ad 3.) Einfluss der Vortriebsgeschwindigkeit auf die Spannungsumlagerung
Die sehr komplexen Mechanismen im Zuge der Spannungsumlagerung bei druckhaftem
Gebirge erlaubten bisher nicht verlässliche Modellgesetze zu entwickeln, die das Erfassen der
Zeitabhängigkeit des Gebirgsverhaltens ermöglichen. So wurde z.B. beim Strenger Tunnel
festgestellt, dass Hebungen der Kalottensohle gegenüber dem Hohlraumrandverformungen
verzögert auftreten, obwohl auf die Sohle kein Ausbauwiderstand aufgebracht wird.
Aus diesem Grund konnte das Ziel, den Einfluss der Vortriebsgeschwindigkeit zu erfassen,
nicht erreicht werden.
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3.4. Work Package 4: Numerische Modellierung
3.4.1. Objctive of the study
The research work has been focused on the implementation of a modelling method to analyze
the complex interaction between ground deformation and TBM advance in heavy squeezing
rock masses.
The objective of the research is twofold: evaluate the feasibility of TBM excavation along the
full length of the tunnel and possibly obtain useful guidelines for the design of the boring
machine as well as of the support systems
The proposed modelling approach is based on the application of 3D-Finite Difference models
of increasing complexity, which can afford a realistic prediction of the rock mass deformation
near the advancing face as well as of the stress state within the support systems.
The geomechanical conditions considered in the analyses correspond to the expected worst
conditions to be faced along some stretches of the Brenner Base tunnel. Specifically the
crossing of the Navistal shear zone (Figure 16) has been chosen as a benchmark case to show
the capability of the proposed modelling method.
Figure 16: Geological profile of the tunnel from Innsbruck to the shear zone of Navistal
On the base of the geotechnical parameters given by the baseline project (Table 1), for the
Navistal shear zone a squeezing potential as high as 32% can be predicted, under a maximum
overburden of 1100 m.
In the study it has been assumed that the boring is carried out by a double shield TBM of upto-date design, characterized by a total length of 11 m, excavating diameter 10 m, with a
standard overcutting of 60 mm which can be augmented up to a maximum of 260 mm by
means of a 100 mm lifting of the cutterhead axis.
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Length of the stretch within the calcareous
schists of Navistal
3.3 km
(6% of total length)
GSI
33
Maximum overburden (m)
1140
Tunnel excavation radius (m)
5
Rock unit weigth (MN/m3)
0.026
Elastic modulus E (GPa)
3.5
Cohesion (MPa)
0.4
Friction angle (°)
27
Dilation angle (°)
3
Squeezing potential
32%
Table 1: Geomechanical parameters of the Navistal shear zone according to the baseline
project (BBT, …)
The tunnel surface is supported by means of a segmental lining: the typical ring is formed by
5÷6 precast concrete segments installed within the rear shield of the TBM at a distance from
the face of about 10 m. The properties of the lining and of the backfill/grouting material are
shown in Table 2.
The compressibility of the material used to fill the gap between the lining extrados and the
excavation profile plays a major role in the interaction mechanism which determines the
loading conditions of the lining, therefore a large variety of materials has been considered,
ranging from ranging from ordinary pea gravel to a recently proposed cement grout of high
compressibility (“Compex”).
Segmental lining
Characteristic strength fc (MPa)
Equivalent elastic modulus Ec (GPa)
Backfill
45
s = 0.185 m
20
Poisson coefficient νc
0.2
Thickness t (m)
0.4
Lininig radius (extrados)
4.7
Excavation radius a (m)
5.0
s = 0.150 m
Excavation profile
Filling material
Oedometer modulus Eed (MPa)
Segmental ring
8 ÷ 800
s = 0.115 m
Table 2: Properties of the segmental lining and the backfilling material.
The behaviour of the filling material under rock load can be conveniently investigated by
means of oedometer compression tests; Figure 17 shows some typical results obtained for the
high compressible Compex grout (Schneider et al., 2005) and for an ordinary pea gravel
before cement injection, a much stiffer response would be obtained after sealing the pea
gravel aggregate with cement injections.
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In the following analyses the two limit cases of Eed= 8 MPa and Eed= 800 MPa will be
considered.
Compex grout
(Schneider et al. 2005)
Axial stress
(N/mm2)
Pea gravel
Oedometer test on cylindrical sample (H=0.2m)
Axial load (kg/cm2)
Loading rate
fast loading
slow loading
Eed = 8 MPa
Eed = 97 MPa
axial deformation (%)
Axial displacement (cm)
Figure 17: Typical stress – strain behaviour obtained from oedometer test on different filling
materials
3.4.2. Modelling approach
In a first simplified model only the excavation advance and the progressive installation of a
segmental lining are represented, by applying a step-by-step method. In each step a length of
tunnel is excavated in front of the face and a new ring of the pre-cast lining is subsequently
installed, at a distance from the face given by the position of the segment erector within the
rear shield of the TBM.
General information about the extension of the grid and the typical size of the elements used
in the discretization are illustrated in Figure 18; the length of the excavation step as well as
the width of the segment subsequently installed is equql to 1m. All the analyses have been
performed by a 3D Finite Difference code (FLAC 3D, Itasca, 2005).
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y
excavation step
1m
200 m
11 m
segmental lining
tunnel
200 m
100 m
Figure 18: Layout of the model and detail of grid near the tunnel face.
The tunnel boring machine itself is not included in such simplified simulation of tunnel
construction, therefore the possible rock load over the TBM shields as well as the frictional
resistance during the stroke for shield advance cannot be evaluated.
However a preliminary check of the possible gap closure around the shield extrados can be
carried out simply by comparing the longitudinal convergence profile of the tunnel walls and
the theoretical gap dimensions, taking into account the conical shape of the shields and the
layout adopted for the cutterhead (with standard or maximum overcutting). An example of
such procedure is shown in Figure 19, which clearly indicates a local inter-penetration
between the deformed tunnel wall and the TBM shield, even if the maximum overcutting is
adopted.
10
TBM profile
(standard overcutting)
diameter (m)
9.9
9.8
deformed tunnel wall
9.7
9.6
TBM profile
(maximum overcutting)
9.5
9.4
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
face distance (m)
Figure 19: First estimate of possible contact area between rock and TBM shields.
A more satisfactory investigation of the contact force distribution over the TBM shields and,
moreover, of the inter-play between the loading conditions of the shields and of the lining,
requires the TBM itself being included in the 3D model.
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The TBM has been therefore modelled as a steel cylinder of variable thickness by using 8
node solid elements with linear interpolation of displacements, whereas 4 node shell elements
represent the precast lining (Figure 20).
Interface elements
at shield extrados
cutterhead
Front
shield
Rear
shield
Figure 20: Schematization of the TBM for the “all inclusive” 3D model.
A large-displacement logic as well as special interface elements have been applied in order to
simulate the progressive closure of the gap between the shield extrados and the excavation
wall; similar interface elements are interposed between the segmental lining and the rock
surface in order to represent the effect of a compressible backfill material.
Elastic perfectly plastic behaviour has been assumed for the rock mass, whereas linear elastic
behaviour characterizes the thick cylinder representing the TBM (i.e. an equivalent elastic
material whose Young modulus is 1/10 of the steel modulus) and the lining.
A parametric study has been carried out to highlight important features of the problem. The
stiffness of the backfill has been varied in a wide range to represent different material and the
effect of a variable overcutting has been addressed. Moreover two limit cases for the
structural behaviour of the pre-cast lining have been investigated: respectively, that is, a lining
formed by perfectly linked rings or by completely independent rings.
3.4.3. Results of the analyses
A first set of analysis, based on the simplified modelling approach (i.e. without TBM) has
been performed to asses the influence of the stiffness of the filling material and of the linkage
scheme between the segments in the longitudinal direction.
The analyses have shown that the internal forces within the lining are strongly affected by the
stiffness of the backfill: i.e. a more compressible backfill decreases the hoop force but
increases lightly the bending moment (Figure 21).
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(MNm/m)
Transversal
Bending Moment
0.2
11 m
Eed=8MPa
0.1
0
Eed=800MPa
-0.1
Eed=8MPa
-0.2
0
10
Transversal
Axial Force
20
30
40
50
face distance (m)
(MN/m)
0
11 m
-2
-4
Eed=8MPa
-6
-8
-10
Eed=800MPa
-12
-14
-16
-18
-20
0
10
20
30
40
50
face distance (m)
Figure 21: Internal forces in the lining for ordinary and high compressible filling material.
On the other hand, a rigid connection of rings through the longitudinal joints affects mainly
the distribution of longitudinal force and secondarily the longitudinal bending moment, while
the transversal forces within the ring remain almost the same.
These results demonstrate that in heavy squeezing conditions like those expected in the
Navistal shear zone, only a high compressible backfill can reduce the internal stresses in the
lining to acceptable values.
Therefore in the second group of analyses, where the TBM itself has been included in the
model, it has been always assumed that a high compressible filling material is present,
moreover the scheme with rigidly-linked rings has been discarded.
Comparison of the two basic approaches, says with or without the explicit modelling of the
TBM, shows that the internal forces of the lining are significantly increased by the presupport effect of the TBM shields (Figure 22).
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displacement (m)
0
with TBM
0.1
0.2
crown
without TBM
0.3
springline
u
0.4
invert
0.5
-20
-10
0
10
20
30
40
50
face distance (m)
0
Transversal
Axial Force
11 m
-2
(MN/m) -4
without TBM
-6
-8
-10
-12
-14
with TBM
-16
-18
-20
0
10
20
30
40
50
face distance (m)
Figure 22: Tunnel wall displacement and hoop force within the lining for the two modelling
approach “with” and “without” TBM.
Note that the results shown in Figure 22 have been obtained in the case in which the standard
overcutting of 60 mm is applied. Because of the very high loading over the lining as well as
on the TBM shields, the full exploitation of the overcutting capacity of the TBM appears to be
mandatory.
Figure 23 shows the distribution of normal stress over the TBM shields (i.e. interface normal
stress) for the case of standard overcutting and maximum overcutting (260 mm).
As a consequence of the high values of normal stress over large areas of the shields, also the
thrusts required to advance the front and rear shields, against the lateral friction of the rock,
attain very high values so that boring through a wide shear zone under an overburden as high
as 1000 m can represent a challenging condition even for a TBM of up-to-date design.
Standard
overcutting
Interface
normal stress
σn
Maximum
overcutting
(MPa)
2.0
6.0
12.0
16.0
20.0
a normale
gitudinale
front
shield
rear
shield
Figure 23: Distribution of “rock load” over the TBM shields.
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3.5. Work Package 5: Baubetriebliche Modellierung
3.5.1. Angestrebte Ziele
Die Ziele des Arbeitspaketes waren wie folgt definiert:
¾ Exaktere Prognose der Vortriebsleistung in Abstimmung auf die Systematik der
Vortriebsmaschine
¾ Genauere Kostenermittlung sowie transparente Kostenvergleiche
3.5.2. Erreichte Ziele und Forschungsergebnisse
Ad 1.) Exaktere Prognose der Vortriebsleistung in Abstimmung auf die Systematik der
Vortriebsmaschine
Durch die detaillierte baubetriebliche Analyse der Prozesse des Vortriebs und Sicherung
konnte im Zuge der Bearbeitung einer Dissertation1 am Institut für Baubetrieb, Bauwirtschaft
und Baumanagement ein Produktionsmodell entwickelt werden. Mit diesem ist es möglich,
ausgehend von den Grunddaten Penetration und Verschleiß die Vortriebsgeschwindigkeit für
Hartgesteins- Tunnelbohrmaschinen exakt und transparent zu berechnen.
Das Ablaufschema der Modellierung ist in nachfolgender Abbildung dargestellt.
Abbildung 24: Vorgangsweise der baubetrieblichen Modellierung;
1
Leitner, W.: Baubetriebliche Modellierung der Prozesse maschineller Tunnelvortriebe im Festgestein – Von der
Penetration zur Vortriebsgeschwindigkeit. ISBN 3-8334-1844-3
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Aufbauend auf das erarbeitete Formelwerk wurde das auf Java basierendes Softwareprodukt
SimTunnel entwickelt, welches die Leistungsermittlung für TBM Vortriebe im Festgestein
unterstützt.
Neben den wesentlichen gesteins- und gebirgsabhängigen Kenngrößen Penetration und
Verschleiß finden vor allem auch die logistischen Einflüsse auf die Vortriebsgeschwindigkeit
Eingang in die Berechnung. Somit werden auf kurzem Wege detaillierte Ergebnisse
bereitgestellt, welche in die Kalkulation einfließen können.
Abbildung 25: Screenshots der Software Sim Tunnel;
Die Entwickler Harald Rotter und Wolfgang Leitner haben großen Wert auf die Darstellung
der wesentlichen Stillstandsursachen gelegt, die einerseits kalkulierbar (z.B. Verlängerung des
Tunnelförderbandes, Wartungsschicht), andererseits zufälliger Natur sein können und
dementsprechend abgeschätzt werden müssen (z.B. Ausfallzeiten TBM oder
Nachläufereinheit). Nur so ist es möglich, einen sinnvollen Soll – Ist – Vergleich während der
Bauzeit durchzuführen und Optimierungsmaßnahmen gezielt zu setzen.
Das Programm bietet hierfür die Möglichkeit, indem den kalkulierten Werten (Soll) die
aktuellen Werte (Ist) gegenübergestellt werden können. Der Vergleich wird in weiterer Folge
als Detailbericht oder als Zusammenfassung der Vortriebsgeschwindigkeiten bzw. Bauzeiten
in den einzelnen Abschnitten ausgewiesen sowie grafisch dargestellt.
Die Software wird als Freeware bereitgestellt. Der Nutzer erhält ein Werkzeug, mit dem sehr
schnell Vortriebsgeschwindigkeiten ermittelt werden können.
Da der Rechenweg selbst im Sinne der Nutzerfreundlichkeit im Programm nicht erkennbar ist,
werden Erfahrung und Kenntnis des TBM Vortriebes vorausgesetzt. Eine detaillierte
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Beschreibung der hinterlegten Formeln wird dem Programm neben einem Benutzerhandbuch
selbstverständlich beigefügt.
Ad 2) Genauere Kostenermittlung sowie transparente Kostenvergleiche
Auf Grundlage der exakteren Ermittlung der Vortriebsgeschwindigkeit wurde eine
Standardisierte Kalkulation für Tunnelvortriebe mit Tunnelvortriebsmaschinen erarbeitet.
Als weitere Grundlage für die Kalkulation musste zunächst ein ÖNORM 2 gerechtes
Leistungsverzeichnis erstellt werden. Für die Bearbeitung der Kalkulation selbst wurde die
Kalkulationssoftware Auer Success verwendet und eine Kooperation mit der die Software
vertreibenden Firma eingegangen.
Das Ergebnis liegt als Standardkalkulation für maschinellen Tunnelbau vor und wird von der
Firma AUER - Die Bausoftware GmbH vertrieben. Die detaillierte Kalkulation erleichtert
einerseits die Kostenermittlung in Hinblick auf Vollständigkeit und ermöglicht andererseits
die zum Ziel gesetzte Transparenz.
3.5.3. Nicht erreichte Ziele
Für Work Package 5 wurden sämtliche angestrebte Ziele erreicht.
2
ÖNORM B2203-2 Untertagebauarbeiten Teil 2 kontinuierlicher Vortrieb - Werkvertragsnorm
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4. Zusammenfassung und Resümee
In der mehrjährigen Arbeit an TISROCK wurden wichtige neue Erkenntnisse über den
Vortrieb mit TBM in druckhaftem Gebirge gewonnen.
Die Weiterentwicklung des Maschinentyps TBM- DS ist einen großen Schritt
vorangekommen. Dies nicht zuletzt deshalb, weil die Projektbeteiligten in dieser Zeit
entsprechende Tunnelbauten durchgeführt haben. Dadurch konnten viele Ideen im praktischen
Einsatz erprobt und weiterentwickelt werden.
Der Gedanke eines verformungsverträglichen Tübbingausbaus mittels Rippentübbing wurde
im Zuge der Forschungsarbeit bis zur Anwendungsreife entwickelt. Die Produktionstechnik
wurde praktisch erprobt, eine Anwendung in druckhaftem Gebirge konnte noch nicht
realisiert werden.
Die am i3b erarbeiteten Algorithmen für die baubetriebliche Modellierung von TBMVortrieben wurden als Expertensystem programmiert, und zusammen mit einer
Musterkalkulation für maschinellen Tunnelvortrieb vermarktet.
Auf geotechnischem Gebiet ergänzen sich die Arbeiten der Arbeitsgruppen John- Mattle und
Graziani- Ribacchi in idealer Weise. Beiden ist es auf unterschiedlichen Wegen gelungen, das
System- Verformungsverhalten bei TBM- Vortrieben in druckhaftem Gebirge zu modellieren.
Gesamthaft gesehen war TISROCK trotz geringer Fördermittel ein großer Erfolg. Die Zahl
der Beteiligten war überschaubar und die Ergebnisse wurden zwischen den Projektpartnern
gut kommuniziert. Ein Beweis dafür, dass auch mit bescheidenen Mitteln Erfolge erzielt
werden können, die manchem groß angelegtem EU- Projekt versagt bleiben. Vorraussetzung
dafür ist der Zusammenschluss einer hoch motivierten und einigermaßen homogenen Gruppe
von Forschern, die bereit sind, auf ein gemeinsames Ziel hinzuarbeiten.
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5. Anhang - Literaturverzeichnis
5.1. Im Zuge der Forschungsarbeit sind von den Projektbeteiligten
folgende Beiträge veröffentlicht worden:
Leitner, W. (2004)
Baubetriebliche Modellierung der Prozesse maschineller Tunnelvortriebe im Festgestein –
Von der Penetration zur Vortriebsgeschwindigkeit.
Books on Demand GmbH, Norderstedt, ISBN 3-8334-1844-3
Leitner, W., Schneider, E. (2005)
Operational Modelling of advance rates for tunnel boring machines.
FELSBAU Nr. 6/2005
Vigl, A. (2003)
TBM support in squeezing rock – A convergence- compatible segment lining system.
FELSBAU Nr. 6/2003
John, M., Mattle, B. (2005)
Untersuchung des Systemverhaltens von druckhaftem Gebirge. Festschrift anlässlich des 65.
Geburtstages von o,Univ-Prof. Dipl.-Ing. Eckhart Schneider.
Books on Demand GmbH, Norderstedt, ISBN 3-8334-3562-3
5.2. Geplante Veröffentlichungen über alle Arbeitspakete:
In der Zeitschrift FELSBAU Nr. 6/2007 wird dem Forscherteam die Möglichkeit geboten, die
Ergebnisse der Forschungsarbeit ausführlich darzustellen.
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