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Fachbereich Bauingenieurwesen

Analysen zu den Einsatzgrenzen von einfach verspannten Gripper-Tunnelbohrmaschinen hinsichtlich der Plastifizierung des Gebirges im Bereich der Gripper-Verspannung (PlastTBMGripp)

PlastTBMGripp1

Ziel des Forschungsvorhabens PlastTBMGripp ist es, mittels numerischer Sensitivitätsstudien die Einsatzgrenzen von einfach verspannten Gripper-TBM hinsichtlich der Plastifizierung des Gebirges im Bereich der Gripper-Verspannung zu analysieren und praxistaugliche Bemessungshilfen für einen sicheren und wirtschaftlichen Tunnelvortrieb zu entwickeln.

 

 Anlass und Motivation

Der Vortrieb mit einer einfach verspannten Gripper-TBM ist geprägt durch die unterschiedlichen Bereiche, in denen das Spannungsverformungsverhalten des Gebirges durch den Vortrieb beeinflusst wird. Im Bereich des Bohrkopfes ist es ein Ziel durch einen planmäßigen Überschnitt, das Verklemmen des Bohrkopfes bzw. des Schildmantels zu verhindern. Im Bereich der Gripperverspannung werden hohe Kräfte in das Gebirge eingeleitet, die notwendig sind, damit der Bohrkopf  in der Lage ist, den Fels an der Ortsbrust zu lösen. Hierbei kann es durch zu hohe Verspannkräfte zum Plastifizieren des Gebirges bzw. Brucherscheinungen im Gebirge kommen (s. Abb. 2), wodurch ein sicheres Einleiten der Verspannkräfte im Gebirge nicht mehr gewährleistet ist und somit ein erhöhtes Risiko für das Personal und die Maschine des Tunnelvortriebs existiert. Die endgültige Sicherung des Hohlraums mit Spritzbeton erfolgt erst relativ spät im hinteren Bereich der Gripper-TBM, so dass sich bereits vor dem Einbau der Spritzbetonsicherung die Spannungen im Gebirge umlagern können und es so zu einer verringerten Belastung der Spritzbetonschale kommt.PlastTBMGripp1

Bei der Gripperverspannung einer Gripper-TBM treten entsprechend [1] drei grundsätzlich zu unterscheidende Probleme bzw. Risiken auf:

a) In Gebirgen mit zu geringer Gesteinsfestigkeit bieten die weichen Gesteine kein Widerlager für die Gripperverspannung, so dass hier konstruktive Maßnahmen, z. B. eine Vergrößerung der Verspannungsfläche, ergriffen werden müssen.

b) In sehr harten, als schwer bohrbar einzustufenden Gebirgen führen hohe Verspannkräfte zu Spannungsumlagerungen im Gebirge, die Bergschläge auslösen oder wesentlich verstärken können.

c) Durch wechselnde Belastung der Hohlraumlaibung durch die schrittweise verschobene Verspanneinheit ergeben sich im klüftigen Gebirge Verschiebungen der Kluftkörper, die zu Verbrüchen im Maschinenbereich führen können.

Zum Risiko des Verklemmens des Bohrkopfes beim Vortrieb mit einer einfach verspannten Gripper-TBM unter Berücksichtigung des Spannungsverformungs-verhaltens des Gebirges wurden bereits umfangreiche Untersuchungen durchgeführt (vgl. [3]).  Ebenso wurden Analysen zur Umlagerung der Spannungen im Gebirge bzgl. der verringerten Belastung der endgültigen Spritzbetonschale ausgeführt (vgl. [2]). Für die Krafteinleitungsbereiche der Gripperverspannung, bei denen die zuvor genannten Probleme bzw. Risiken a) bis c) auftreten, stehen solche Untersuchungen noch aus bzw. ist zu klären, wie hierfür die Einsatzgrenzen für einen sicheren und wirtschaftlichen Vortrieb definiert werden können. Dafür ist neben der lokalen Betrachtung der Gripperverspannung insbesondere für die Punkte b) und c) eine großmaßstäbliche Betrachtung der Einflüsse auf das Gebirge notwendig.

Vorgehen und Methodik

Um die Einsatzgrenzen von einfach verspannten Gripper-TBM hinsichtlich der Plastifizierung des Gebirges im Bereich der Gripper-Verspannung zu analysieren, werden numerische Berechnungen an der Hochschule Darmstadt durchgeführt.

Im ersten Schritt werden für ausgeführte Tunnelbauprojekte die Maschinendaten und Gebirgskennwerte ausgewertet und Bandbreiten als Eingangsparameter für die numerischen Analysen ermittelt.
PlastTBMGripp2
Auf Grundlage dieser Eingangsparameter erfolgen numerische Sensitivitätsstudien, die ausgewertet und diskutiert bzw. bewertet werden. Die Berechnungen erfolgen mittels zwei- und dreidimensionaler Berechnungsmodelle. Mit dem sehr detaillierten und umfangreichen dreidimensionalen numerischen Simulationsmodell einer einfach verspannten Gripper-TBM, in dem die einzelnen Bereiche diskretisiert wurden, lässt sich das komplexe Zusammenspiel der einzelnen Bereiche auf das gesamte Spannungsverformungsverhalten des Gebirges sowie die lokalen Einflüsse in den einzelnen Bereichen untersuchen.

Zielsetzung

Die Ergebnisse werden anhand von praxistauglichen  Bemessungsdiagrammen aufbereitet, um somit  Bemessungshilfen für einen sicheren und wirtschaftlichen Tunnelvortrieb zu entwickeln. 

 

 Weitere Infos

Projekttitel

 

Analysen zu den Einsatzgrenzen von einfach verspannten Gripper-Tunnelbohrmaschinen hinsichtlich der Plastifizierung des Gebirges im Bereich der Gripper-Verspannung (PlastTBMGripp)

Förderung

 

Förderprogramm „Forschung für die Praxis“ (Förderperiode 2015)
Hessisches Ministerium für Wissenschaft und Kunst

Projektpartner

  Herrenknecht AG, Schwanau, Dipl.-Ing. Thomas Edelmann

Verantwortliche

 

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Jürgen Schmitt 

Perparim Bajramaj
Hamed Bromand
Rasim Onur Dölek
Omid Monfaredpur B.Eng.
Alireza Ostadsadegh B.Eng.

Download

 

Literatur

 

[1] Maidl, B.; Schmid, L.; Ritz, W.; Herrenknecht, M.: Tunnelbohrmaschinen im Hartgestein, Ernst & Sohn Verlag, 2001.

[2] Schmitt, J.; Stahlmann, J.; Gattermann, J.; Herrenknecht, M.; Rehm, U.: Numerische Simulation eines maschinellen Tunnelvortriebs mit einer Gripper-TBM, Tagungsband des 5. Kolloquium 'Bauen in Boden und Fels', Technische Akademie Esslingen, 24.-25.01.2006, ISBN 3-924813-63-9, S. 269-278, 2006.

[3] Schmitt, J.; Krajewski, W.; Fromm, H.; Wawrzyniak, C.: Analysen zum Spannungsverformungsverhalten des Gebirges bei einfach verspannten Gripper-Tunnelbohrmaschinen, 9. Kolloquium 'Bauen in Boden und Fels', Technische Akademie Esslingen, 14.-15.01.2014, S. 187-194, ISBN 978-3-943563-08-5, 2014. 

[4] Schmitt, J.; Edelmann, T.: Bestimmung der Einsatzgrenzen im Fels für die Verspannung von Gripper-Tunnelbohrmaschinen, 10. Kolloquium 'Bauen in Boden und Fels', Technische Akademie Esslingen, 19.-20.01.2016, S. 287-297, ISBN 978-3-943563-21-4, 2016

 
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