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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
Der Einfluss von Gebirgsparametern auf die PenetrationAnwendungsbeispiel aus der PraxisMögliche Ursache Trennflächen
Vergrünte Scherflächen mit Randzonen: Umbildung von Biotit zu Chlorit durch hydothermale Zirkulation?
Der Einfluss von Gebirgsparametern auf die PenetrationAnwendungsbeispiel aus der PraxisMögliche Ursache Trennflächen
Das Gestein steht auf den vergrünten Bruchflächen vor.
Der Einfluss von Gebirgsparametern auf die PenetrationAnwendungsbeispiel aus der PraxisMögliche Ursache Trennflächen
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
Der Einfluss von Gebirgsparameter auf die Penetration
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
Der Einfluss von Gebirgsparameter auf die Penetration
Nachvollziehbare Gebirgsbeschreibung für den Löseprozess Gebirge / Meissel
Penetrationsmodell nach Gehring
1 2 3 4
4( / )NFP k k k k mm rev
UCS
Der Einfluss von Gebirgsparameter auf die Penetration
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
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
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
Der Einfluss von Gebirgsparameter auf die Penetration
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
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
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°
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
Der Einfluss von Gebirgsparameter auf die Penetration
Homogene Verhältnisse für Abbau
Gute Chipbildung
Keine Limitation der Penetration
Fall1: Isotrope Gebirgsverhältnisse
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
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.
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
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
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
Der Einfluss von Gebirgsparameter auf die Penetration
3 Dimensionale Orientierung der Foliation (bzw. Trennflächen)
Konzept der stereographischen Projektion auf Ortsbrust
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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