der einfluss von gebirgsparametern auf die penetration

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

Der Einfluss von Gebirgsparametern auf die PenetrationAnwendungsbeispiel aus der PraxisEingesetzte TBM:

-Hartgesteins-Gripper TBM, -Fabrikat Herrenknecht-Bohrdurchmesser 9.45m-Bohrkopfbestückung: 61 17’’- Meissel-Drehzahl 6U/Min

Der Einfluss von Gebirgsparametern auf die PenetrationAnwendungsbeispiel aus der PraxisAufzufahrende Geologie und Penetration:

IST-Penetration = 20-30% der SOLL-Penetration

Der Einfluss von Gebirgsparametern auf die PenetrationAnwendungsbeispiel aus der PraxisAnalyse der Ursachen: Penetrationstests

Unterer Anstieg Wendepunkt Hoher Anstieg

Der Einfluss von Gebirgsparametern auf die PenetrationAnwendungsbeispiel aus der PraxisPenetrationsmodell:

Tiefe Anpresskräfte

Der Einfluss von Gebirgsparametern auf die PenetrationAnwendungsbeispiel aus der PraxisVergleich mit Penetrationsmodell:

1. Zu geringe Penetration

2. Zu geringe Anpresskraft

Der Einfluss von Gebirgsparametern auf die PenetrationAnwendungsbeispiel aus der PraxisMögliche Ursache Schieferungsorientierung

Orientierung Schieferung

Tief eingegrabene Meisselspuren

Der Einfluss von Gebirgsparametern auf die PenetrationAnwendungsbeispiel aus der PraxisMögliche Ursache SchieferungsorientierungUngewöhnliche 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

Der Einfluss von Gebirgsparametern auf die PenetrationAnwendungsbeispiel aus der PraxisAufzufahrende Geologie:

Kein Einfluss der Schieferungsorientierung im Orthogneis

Der Einfluss von Gebirgsparametern auf die PenetrationAnwendungsbeispiel aus der PraxisMögliche Ursache Trennflächen

Normalerweise wirken

Bruchflächen oder Klüfte als Trennflächen mit gegenüber dem Gestein reduzierten Festigkeiten

Folge:

Gebirgsfestigkeit < Gesteinsfestigkeit


Vergrünte Scherflächen mit Randzonen: Umbildung von Biotit zu Chlorit durch hydothermale Zirkulation?


Das Gestein steht auf den vergrünten Bruchflächen vor.


In Abschnitten ohne erhöhte Gebirgsspannungen:

Keinerlei seitlichen Ausbrüche entlang von Trennflächen.

In Abschnitten mit erhöhten Gebirgsspannungen:

Abschalungen beschränken sich auf den Orthogneis

Der Einfluss von Gebirgsparametern auf die PenetrationAnwendungsbeispiel aus der PraxisMögliche Ursache Trennflächen: Schmidthammertests

Die Festigkeit mit dem

Schmidhammer ist an den vergrünten Scherflächen erhöht:

Gebirgsfestigkeit >

Gesteinsfestigkeit

Konsequenz:

Mixed-Face-Bedingungen an der Ortsbrust

Der Einfluss von Gebirgsparametern auf die PenetrationAnwendungsbeispiel aus der PraxisMixed-FacebedingungenFolge: Hohe Vibrationen und Meissel- und BohrkopfschädenIndikrekte Folge: Reduktion Vortriebskraft = Reduktion Penetration

Ausgeschlagenes c-Stück mit

abgebrochener Schraube

Schneidringe mit ungewöhnlichen Bruchformen

PP

M G

ehrin

g

PP

M N

TN

U

PP

M C

SM

PP

M Y

agiz

(bas

ed o

n C

SM

)

PP

M B

arto

n

PP

M A

lber

PP

M

Pal

mst

röm

PP

M T

huro

PP

M G

ong-

Z

hao

(200

8)

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


Nachvollziehbare Gebirgsbeschreibung für den Löseprozess Gebirge / Meissel

Penetrationsmodell nach Gehring

1 2 3 4

4( / )NFP k k k k mm rev

UCS


DOMAIN: AGebirgsverhalten /

Zerlegungsgrad, Orientierung TF

Festigkeit

Textur, Anisotropie

Nachvollziehbare Gebirgsbeschreibung für den Löseprozess Gebirge / Cutter

DOMAIN: AAverage Joint Spacing: >> 50 cmBlock Volume: ~125 dm³

DOMAIN: BAverage Joint Spacing: 10 - 50 cmBlock Volume: 1 - ~125 dm³

DOMAIN: CAverage Joint Spacing:< 10 cmBlock Volume: < 1 dm³







relevant significant relevance

low/- non relevance

DOMAIN: BGebirgsverhalten

Zerlegungsgrad, Orientierung TF

Festigkeit

Textur, Anisotropie

DOMAIN: CGebirgsverhalten Zerlegungsgrad, Orientierung TF

Festigkeit

Textur, Anisotropie


Gefüge und Zerlegungseinfluss

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

Inde

x k 4

>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


Gefügestellung (Foliation) / Textur in Abhängigkeit zur primären und sekundären Gesteinslösung

Grad

0 15 30 45 60 75 90

Fak

tor

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

BüchiBrulandThuro PhylitteThuro Carbon

Winkel Schieferung/ Cutter: ~ 90°

Winkel Schieferung/ Cutter: ~60°

Winkel Schieferung/ Cutter: ~ 00°


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


Homogene Verhältnisse für Abbau

Gute Chipbildung

Keine Limitation der Penetration

Fall1: Isotrope Gebirgsverhältnisse


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


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.

Isotropes Gebirge = Basisfall


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

Index Value Persistence of mica mineral bridges

forming discontinuities

Variation in orientation of mica minerals

none

“1“ angular difference: 180°

minor


good


distinct

“4“ angular difference: 22.5°


Bestimmung der Textur –GGI Glimmer Gefüge Index (Büchi 1984)

28


3 Dimensionale Orientierung der Foliation (bzw. Trennflächen)

Konzept der stereographischen Projektion auf Ortsbrust

29

Verifikation Vortrieb Bestätigung Hypothese


Offene Punkte

Erkenntiszuwachs Integration in Penetrationsmodell

ALPINE MODEL – ABROCK http://www.uibk.ac.at/abrock/ )

laufende Auswertung der Parameter

http://www.uibk.ac.at/abrock/

der einfluss von gebirgsparametern auf die penetration

Engineering