Presentation at ETH Colloquium

1. Der Einfluss von Gebirgsparameter auf die Penetration
Neue Erkenntnisse aufgrund verbesserter
Methoden zur Erfassung und Modellierung des Gebirges
1
Dr. Markus Weh Marti Holding AG.
Dr. Florian Amann ETH- Zürich, Schweiz - Institut für Ingenieurgeologie
Helmut Wannenmacher LFU Innsbruck, Österreich - Institut für Baubetrieb
Danksagung
Dr. Andrew Kos ETH- Zürich, Schweiz - Institut für Geotechnik
Kathrin Wild ETH- Zürich, Schweiz - Institut für Ingenieurgeologie

2. Der Einfluss von Gebirgsparametern auf die Penetration
Anwendungsbeispiel aus der Praxis
Eingesetzte TBM:
-Hartgesteins-Gripper TBM,
-Fabrikat Herrenknecht
-Bohrdurchmesser 9.45m
-Bohrkopfbestückung:
61 17’’- Meissel
-Drehzahl 6U/Min

3. Der Einfluss von Gebirgsparametern auf die Penetration
Anwendungsbeispiel aus der Praxis
Aufzufahrende Geologie und Penetration:
IST-Penetration = 20-30% der SOLL-Penetration

4. Der Einfluss von Gebirgsparametern auf die Penetration
Anwendungsbeispiel aus der Praxis
Analyse der Ursachen: Penetrationstests
Unterer Anstieg Wendepunkt Hoher Anstieg

5. Der Einfluss von Gebirgsparametern auf die Penetration
Anwendungsbeispiel aus der Praxis
Penetrationsmodell:
Tiefe Anpresskräfte

6. Der Einfluss von Gebirgsparametern auf die Penetration
Anwendungsbeispiel aus der Praxis
Vergleich mit Penetrationsmodell:
1. Zu geringe Penetration
2. Zu geringe Anpresskraft

7. Der Einfluss von Gebirgsparametern auf die Penetration
Anwendungsbeispiel aus der Praxis
Mögliche Ursache Schieferungsorientierung
Orientierung Schieferung
Tief
eingegrabene
Meisselspuren

8. Der Einfluss von Gebirgsparametern auf die Penetration
Anwendungsbeispiel aus der Praxis
Mögliche Ursache Schieferungsorientierung
Ungewöhnliche Meisselverschleissbilder
Normaler
Materialfluss
unter
dem Schneidring
Ursache: Schneidspur ist in der
Orientierung parallel zur Schieferung
so tief eingegraben, dass das Material
nicht mehr seitlich wegfliessen kann
und überrollt wird. Problem: Hohe
Kräfte auf seitlichen Rändern

9. Der Einfluss von Gebirgsparametern auf die Penetration
Anwendungsbeispiel aus der Praxis
Aufzufahrende Geologie:
Kein Einfluss der Schieferungsorientierung im Orthogneis

10. Der Einfluss von Gebirgsparametern auf die Penetration
Anwendungsbeispiel aus der Praxis
Mögliche Ursache Trennflächen
Normalerweise wirken
Bruchflächen oder
Klüfte als Trennflächen
mit gegenüber dem
Gestein reduzierten
Festigkeiten
Folge:
Gebirgsfestigkeit <
Gesteinsfestigkeit

11. Der Einfluss von Gebirgsparametern auf die Penetration
Anwendungsbeispiel aus der Praxis
Mögliche Ursache Trennflächen
Vergrünte Scherflächen mit Randzonen: Umbildung von Biotit zu Chlorit durch
hydothermale Zirkulation?

12. Der Einfluss von Gebirgsparametern auf die Penetration
Anwendungsbeispiel aus der Praxis
Mögliche Ursache Trennflächen
Das Gestein steht
auf den vergrünten
Bruchflächen vor.

13. Der Einfluss von Gebirgsparametern auf die Penetration
Anwendungsbeispiel aus der Praxis
Mögliche Ursache Trennflächen
In Abschnitten ohne erhöhte
Gebirgsspannungen:
Keinerlei seitlichen Ausbrüche
entlang von Trennflächen.
In Abschnitten mit erhöhten
Gebirgsspannungen:
Abschalungen beschränken sich
auf den Orthogneis

14. Der Einfluss von Gebirgsparametern auf die Penetration
Anwendungsbeispiel aus der Praxis
Mögliche Ursache Trennflächen: Schmidthammertests
Die Festigkeit mit dem
Schmidhammer ist an den
vergrünten Scherflächen
erhöht:
Gebirgsfestigkeit >
Gesteinsfestigkeit
Konsequenz:
Mixed-Face-Bedingungen
an der Ortsbrust

15. Der Einfluss von Gebirgsparametern auf die Penetration
Anwendungsbeispiel aus der Praxis
Mixed-Facebedingungen
Folge: Hohe Vibrationen und Meissel- und Bohrkopfschäden
Indikrekte Folge: Reduktion Vortriebskraft = Reduktion Penetration
Ausgeschlagenes c-Stück mit
abgebrochener Schraube
Schneidringe mit ungewöhnlichen
Bruchformen

16. Der Einfluss von Gebirgsparameter auf die Penetration

17. PPMGehring
PPMNTNU
PPMCSM
PPMYagiz
(basedonCSM)
PPMBarton
PPMAlber
PPM
Palmström
PPMThuro
PPMGong-
Zhao(2008)
Intact Uniaxial Compressive strength [MPa] • • • • • • •
Destruction Work [kJ/m³] • •
Intact Tensile Strength [MPa] • • •
Quartz content (%) [%] •
Porosity [-] •
Uniaxial Compressive strength 1) [MPa] •
RQD oriented along the tunnel axis [-] • •
Volumetric joint count (jv) [-] •
Number of joint sets [-] • •
Joint spacing of the main joint set [-] • • •
Joint size (jL) [-] •
Joint roughness number (jR) [-] • • •
Joint alteration number (jA ) [-] • • •
Joint water reduction factor [-] • •
Joint orientation related to the tunnel axis [-] • • • • •
Stress reduction factor [-] •
Drilling Rate Index “DRI” [-] • •
Cutter life index(basis NTNU) [-] •
1)
derived by RMR
Der Einfluss von Gebirgsparameter auf die Penetration
Nachvollziehbare Gebirgsbeschreibung für den Löseprozess Gebirge / Meissel
Penetrationsmodell nach Gehring
1 2 3 4
4
( / )NF
P k k k k mm rev
UCS
×
= × × × × ×

18. Der Einfluss von Gebirgsparameter auf die Penetration
DOMAIN: A
Gebirgsverhalten  / 
Zerlegungsgrad, Orientierung TF 
Festigkeit 
Textur, Anisotropie 
Nachvollziehbare Gebirgsbeschreibung für den Löseprozess Gebirge / Cutter
DOMAIN: A
Average Joint Spacing: >> 50 cm
Block Volume: ~125 dm³
DOMAIN: B
Average Joint Spacing: 10 - 50 cm
Block Volume: 1 - ~125 dm³
DOMAIN: C
Average Joint Spacing:< 10 cm
Block Volume: < 1 dm³
DOMAIN: A
Average Joint Spacing: >> 50 cm
Block Volume: ~125 dm³
DOMAIN: B
Average Joint Spacing: 10 - 50 cm
Block Volume: 1 - ~125 dm³
DOMAIN: C
Average Joint Spacing:< 10 cm
Block Volume: < 1 dm³
DOMAIN: A
Average Joint Spacing: >> 50 cm
Block Volume: ~125 dm³
DOMAIN: B
Average Joint Spacing: 10 - 50 cm
Block Volume: 1 - ~125 dm³
DOMAIN: C
Average Joint Spacing:< 10 cm
Block Volume: < 1 dm³
Domain
Rock Mass
Behavior
Block Volume,
Shape and
Orientation
Intact Rock
Strength
Texture
A    
B    
C    



relevant
significant relevance
low/- non relevance
DOMAIN: B
Gebirgsverhalten 
Zerlegungsgrad, Orientierung TF 
Festigkeit 
Textur, Anisotropie 
DOMAIN: C
Gebirgsverhalten 
Zerlegungsgrad, Orientierung TF 
Festigkeit 
Textur, Anisotropie 

19. Der Einfluss von Gebirgsparameter auf die Penetration
Gefüge und Zerlegungseinfluss
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
Indexk4
>60 1 1 1 1
6--60 1.20 1.30 1.50 1.30
2--6 1.7 2.3 3 2
0°-15° 15°-45° 45-75° 75-90°
 Abstand der massgeblichen
Trennflächen
 Orientierung der massgeblichen
Trennfläche
Penetrationsmodell nach Gehring – Zerlegungsgrad
 keine Erhöhung der Basispenetration
zu erwarten (aber auch keine Reduktion)
 Gegenteilige Beobachtung Fallbeispiel
 Fragestellung: 1. Geomechanische Beeinflussung (Gefügestellung, Textur, Anisotropie)
der Penetration
2. Erfassung und Formulierung der Abhängigkeiten

20. Der Einfluss von Gebirgsparameter auf die Penetration
Gefügestellung (Foliation) / Textur in Abhängigkeit zur primären und sekundären
Gesteinslösung
Grad
0 15 30 45 60 75 90
Faktor
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
Büchi
Bruland
Thuro Phylitte
Thuro Carbon
Winkel Schieferung/ Cutter: ~ 90°
Winkel Schieferung/ Cutter: ~60°
Winkel Schieferung/ Cutter: ~ 00°

21. Der Einfluss von Gebirgsparameter auf die Penetration
Winkel Cutter normal zur Foliation
 definiert maximal erreichbare Penetration.
Gefügestellung / Textur in Abhängigkeit zur primären Gesteinslösung
Winkel Cutter parallel zur Foliation
 massgebliche und penetrationslimitierende Fall.
Im anisotropen Geb. ist die Penetration nach Gefügestellung geringer als im isotropen
Gebirge.
 mit zunehmendem Anisotropie - Verhältnis nimmt die Penetration gegenüber dem
isotropen Basisfall ab.
Erkenntnisstand: Gefügestellung / Textur beeinflusst die erzielbare Penetration

22. Der Einfluss von Gebirgsparameter auf die Penetration
 Homogene Verhältnisse für Abbau
 Gute Chipbildung
 Keine Limitation der Penetration
Fall1: Isotrope Gebirgsverhältnisse

23. Der Einfluss von Gebirgsparameter auf die Penetration
Fall 2: Anisotrope Gebirgsverhältnisse;
Schieferung normal zur Tunnelachse, Einfallen seicht Richtung T.A.
 Anisotrope Verhältnisse für Abbau
über den Umfang
 Bruchbildung limitiert durch
Gefügestellung
 Erkennbare Limitation der
Penetration

24. Der Einfluss von Gebirgsparameter auf die Penetration
 Brückenbildung an harten
Bereichen (Mineralien)
 Hohe Feinkornanteil im
Aushubmaterial
 Hohe Belastung der Meissel
 Deutliche Limitation der
Penetration
Fall 3: Stark anisotrope Gebirgsverhältnisse;
Schieferung normal zur Tunnelachse, Einfallen seicht Richtung T.A.

25. Isotropes Gebirge = Basisfall
Der Einfluss von Gebirgsparameter auf die Penetration
Geomechanische Analyse -- Hypothese
Anisotropes Gebirge = Reduktion der Penetration
Definition einer Funktion für anisotropes Gebirge
(Domain A) in Abhängigkeit
 Textur
 Aniostropiefaktor
 3 dimensionalen Gefügeorientierung
Reduktion bestimmt durch die Grösse der
beeinflussten Fläche
Formulierung der Abhängigkeiten
 Methodik der Datenerhebung und Auswertung
 Definition der massgeblichen Parameter
 Prämisse der Datenerhebung,
so einfach als möglich

26. Index Value Persistence of mica mineral bridges
forming discontinuities
Variation in orientation of mica minerals
none
“1“
angular difference: 180°
minor
“2“
angular difference: 90°
good
“3“
angular difference: 45°
distinct
“4“
angular difference: 22.5°
Der Einfluss von Gebirgsparameter auf die Penetration
Bestimmung der Textur –GGI Glimmer Gefüge Index (Büchi 1984)

27. 27
GGI = 4
Der Einfluss von Gebirgsparameter auf die Penetration
Abbildung © Katrin Wild 0
50
100
150
200
250
0 50 100 150 200 250

28. 28
Der Einfluss von Gebirgsparameter auf die Penetration
3 Dimensionale Orientierung der Foliation (bzw. Trennflächen)
Konzept der stereographischen Projektion auf Ortsbrust

29. 29
Verifikation Vortrieb  Bestätigung Hypothese
Der Einfluss von Gebirgsparameter auf die Penetration
Offene Punkte
Erkenntiszuwachs  Integration in Penetrationsmodell
ALPINE MODEL – ABROCK http://www.uibk.ac.at/abrock/ )
laufende Auswertung der Parameter