Der Einfluss von Gebirgsparameter auf die Penetration
Neue Erkenntnisse aufgrund verbesserter
Methoden zur Erfassung und M...
Der Einfluss von Gebirgsparametern auf die Penetration
Anwendungsbeispiel aus der Praxis
Eingesetzte TBM:
-Hartgesteins-Gr...
Der Einfluss von Gebirgsparametern auf die Penetration
Anwendungsbeispiel aus der Praxis
Aufzufahrende Geologie und Penetr...
Der Einfluss von Gebirgsparametern auf die Penetration
Anwendungsbeispiel aus der Praxis
Analyse der Ursachen: Penetration...
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Anwendungsbeispiel aus der Praxis
Penetrationsmodell:
Tiefe Anpress...
Der Einfluss von Gebirgsparametern auf die Penetration
Anwendungsbeispiel aus der Praxis
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Mögliche Ursache Schieferungsorie...
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Der Einfluss von Gebirgsparameter auf die Penetration
PPMGehring
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Der Einfluss von Gebirgsparameter auf die Penetration
DOMAIN: A
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Zerlegungsgrad, Orientierung TF 
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Der Einfluss von Gebirgsparameter auf die Penetration
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Der Einfluss von Gebirgsparameter auf die Penetration
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Der Einfluss von Gebirgsparameter auf die Penetration
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Der Einfluss von Gebirgsparameter auf die Penetration
3 Dimensionale Orientierung der Foliation (bzw. Trennflächen)
Kon...
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Verifikation Vortrieb  Bestätigung Hypothese
Der Einfluss von Gebirgsparameter auf die Penetration
Offene Punkte
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Der Einfluss von Gebirgsparametern auf die Penetration

  1. 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. 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. 3. Der Einfluss von Gebirgsparametern auf die Penetration Anwendungsbeispiel aus der Praxis Aufzufahrende Geologie und Penetration: IST-Penetration = 20-30% der SOLL-Penetration
  4. 4. Der Einfluss von Gebirgsparametern auf die Penetration Anwendungsbeispiel aus der Praxis Analyse der Ursachen: Penetrationstests Unterer Anstieg Wendepunkt Hoher Anstieg
  5. 5. Der Einfluss von Gebirgsparametern auf die Penetration Anwendungsbeispiel aus der Praxis Penetrationsmodell: Tiefe Anpresskräfte
  6. 6. Der Einfluss von Gebirgsparametern auf die Penetration Anwendungsbeispiel aus der Praxis Vergleich mit Penetrationsmodell: 1. Zu geringe Penetration 2. Zu geringe Anpresskraft
  7. 7. Der Einfluss von Gebirgsparametern auf die Penetration Anwendungsbeispiel aus der Praxis Mögliche Ursache Schieferungsorientierung Orientierung Schieferung Tief eingegrabene Meisselspuren
  8. 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. 9. Der Einfluss von Gebirgsparametern auf die Penetration Anwendungsbeispiel aus der Praxis Aufzufahrende Geologie: Kein Einfluss der Schieferungsorientierung im Orthogneis
  10. 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. 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. 12. Der Einfluss von Gebirgsparametern auf die Penetration Anwendungsbeispiel aus der Praxis Mögliche Ursache Trennflächen Das Gestein steht auf den vergrünten Bruchflächen vor.
  13. 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. 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. 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. 16. Der Einfluss von Gebirgsparameter auf die Penetration
  17. 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. 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. 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. 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. 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. 22. Der Einfluss von Gebirgsparameter auf die Penetration  Homogene Verhältnisse für Abbau  Gute Chipbildung  Keine Limitation der Penetration Fall1: Isotrope Gebirgsverhältnisse
  23. 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. 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. 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. 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. 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. 28 Der Einfluss von Gebirgsparameter auf die Penetration 3 Dimensionale Orientierung der Foliation (bzw. Trennflächen) Konzept der stereographischen Projektion auf Ortsbrust
  29. 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

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