Dipl.-Geol. Katharina Wendl, Dissertation:

Möglichkeiten und Grenzen der ingenieurgeologischen Dokumentation von Schildvortrieben

Beginn der Arbeit: 1. August 2009

Abstract

Normalerweise sind die Möglichkeiten einer geologischen Dokumentation beim Vortrieb mit einem flüssigkeitsgestützten Schild äußerst eingeschränkt. Durch den Schild der Tunnelvortriebsmaschine und den anschließenden Tübbingausbau ist es nicht möglich – wie beispielsweise im Festgestein – eine geologische Dokumentation der Laibung durchzuführen. Auch die Ortsbrust ist nur dann für den dokumentierenden Geologen einsehbar, wenn bei Wartungsarbeiten am Schneidrad ein Zugang unter Druckluft möglich ist. Auch dann ist meist nur ein Teil der anstehenden Gesteine für eine Aufnahme zur Verfügung.
In dem vorgeschlagenen Forschungsvorhaben sollen die Möglichkeiten und Grenzen anhand von zwei im Rahmen einer bereits durchgeführten Baustellentätigkeit vollständig geologisch begleiteten Schildvortrieben vorgestellt werden.
Eine derart detaillierte baubegleitende Dokumentation von Schildvortrieben mit flüssigkeitsgestützter Ortsbrust stellt nach Aussagen von Bauherrn und planendem Ingenieurbüro ein absolutes Novum dar. Bisher war der Standard, in so einem Fall keine geologische Dokumentation durchzuführen. In der zu erstellenden Dissertation sollen die Erkenntnisse aus der ingenieurgeologischen Dokumentation dargestellt und interpretiert, aber auch die Grenzen einer derartigen Dokumentation aufgezeigt werden.

Betreuer: Prof. Dr. Kurosch Thuro
Finanzierung: Graduiertenstipendium der Technischen Universität München

Publikationen:

Wendl, K. & Scholz, M. (2009): Die Schildvortriebe auf den BEG-Baulose H3-4 und H8 im Unterinntal – eine Herausforderung für die geologische Betreuung. – 17. Tagung für Ingenieurgeologie, Zittau, 6.-9. Mai 2009, Forum Junger Ingenieurgeologen, Tagungsband, 3 p.

Dipl.-Geol. Florian Köppl, Dissertation:

Abbauwerkzeugverschleiß im EPB und Mix-Schild Vortrieb in Lockergesteinen

Beginn der Arbeit: SS 2009

Abstract

Ähnlich wie beim Vortrieb mit Hartgesteins-Tunnelbohrmaschinen und vielen anderen Bohr- oder Schneidprozesse im Boden unterliegen die Abbauwerkzeuge beim Vortrieb mit EPB und Mix-Schildmaschinen einem Degradationsprozess. Dieser Prozess wird im Allgemeinen als Verschleiß bezeichnet und führt letztlich zu notwendigem Austausch der Abbauwerkzeuge während dem Vortrieb. Dieser Vorgang ist deshalb sowohl für die Projektplanung als auch während dem Vortrieb aus Risiko- und Kostengründen von großer Bedeutung. Eine zuverlässige Basis für die Prognose des Werkzeugverschleiß existiert jedoch bisher nicht. Die angestrebte Arbeit analysiert und ergänzt zunächst bestehende Erkenntnisse zum Verschleißprozessen in Lockergesteinen. Aufbauend auf weiteren Erkenntnissen und Erfahrungen aus Referenzprojekten sollen Methoden zur qualitativen und quantitativen Einschätzung des Werkzeugverschleiß, sowie damit verbundener Risiken und Kosten beim Vortrieb mit EPB und Mix-Schild Maschinen entwickelt werden.

Betreuer: Prof. Dr. Kurosch Thuro
Finanzierung: Herrenknecht AG
Aktueller Arbeitgeber: Herrenknecht AG

Publikationen:

Köppl, F., Frenzel, Ch. & Thuro, K. (2009): Statistische Modellierung von Gesteinsparametern für die Leistungs- und Verschleißprognose bei TBM-Vortrieben. – 17. Tagung für Ingenieurgeologie, Zittau, 6.-9. Mai 2009, Forum Junger Ingenieurgeologen, Tagungsband, 3 p. (8,4 MB)

Preise:
2. Platz beim Forum Junger Ingenieurgeologen, Tagung Ingenieurgeologie, Zittau 2009 (Tagungsbericht; PDF) mit obenstehendem Vortrag & Paper.

Dipl.-Geol. Dr. Heiko Käsling, Dissertation:

Bestimmung der Gesteinsabrasivität – Grundlagen, Anwendung und Einsatzgrenzen bei maschinellen Tunnelvortrieben

Abschluss der Arbeit: SS 2009
(Prüfungstermin 28. Juli 2009)

Abstract der Arbeit (PDF 20 kB)

Betreuer: Prof. Dr. Kurosch Thuro
Finanzierung & aktueller Arbeitgeber: Lehrstuhl für Ingenieurgeologie (Wissenschaftl. Assistent)

Publikationen:

Thuro, K. & Käsling, H. (2009): Abrasiveness classification for rock and soil. Klassifikation der Abrasivität von Boden und Fels. – Geomechanics & Tunnelling - Geomechanik & Tunnelbau 2: 179-188.

Thuro, K. & Käsling, H. (2009): Klassifikation der Abrasivität von Gesteinen – Minimierung eines Untergrundrisikos. – 17. Tagung für Ingenieurgeologie, Zittau, 6.-9. Mai 2009, Tagungsband, 5 p. (1,8 MB).

Käsling, H., Thiele, I. & Thuro, K. (2007): Abrasivitätsuntersuchungen mit dem Cerchar-Test – eine Evaluierung der Versuchsbedingungen. – In: Otto, F. (ed.): Veröffentlichungen von der 16. Tagung für Ingenieurgeologie, 7.-10. März 2007, Bochum. – 492 S., Bochum (Technische Fachhochschule Georg Agricola), 229-235. (1,6 MB)

Thuro, K., Singer, J. Käsling, H. Bauer, M. (2007): Determining abrasivity with the LCPC Test. – Proceedings of the 1st Canada – U.S. Rock Mechjanics Symposium, 27.-31.05.2007, Vancouver B.C. 8 p. (4,6 MB)

Thuro, K., Singer, J. Käsling, H. Bauer, M. (2006): Soil abrasivity assessment using the LCPC testing device. – Felsbau 24 (6), 37-45. (9,3 MB)

Thuro, K., Singer, J. Käsling, H. Bauer, M. (2006): Abrasivitätsuntersuchungen an Lockergesteinen im Hinblick auf die Gebirgslösung. – In: Deutsche Gesellschaft für Geotechnik: Beiträge zur 29. Baugrundtagung, 27. - 29. Sept. 2006 in Bremen, 283-290. (8,5 MB)

Dipl.-Ing. Dr.-Ing. Christian Frenzel, Dissertation:

Kostenprognose von Schneidrollen beim maschinellen Tunnelvortrieb in Festgesteinen

Abschluss der Arbeit: SS 2009
(Prüfungstermin 16. Juli 2009)

Bei maschinellen Tunnelvortrieben im Hartgestein wird das Gebirge meist durch Schneidrollen gelöst. Die Schneidrollen verschleißen mit der Zeit, so dass diese gewechselt werden müssen. Der primäre Verschleiß an den Schneidringen wird wesentlich bestimmt durch die Abrasivität des Gesteins, aber auch von den Betriebsbedingungen der TBM. Je nach Höhe des Verschleißes an den sekundären Teilen kann eine Schneidrollenreparatur bis zum vierfachen eines einfachen Schneidringwechsels kosten.
Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Prognosemodell für den Schneidrollenverbrauch erstellt. Das Modell ist in der Lage, neben dem eigentlichen Schneidringverschleiß auch den Verschleiß der anderen Komponenten der Schneidrollen zu berücksichtigen. Der Schwerpunkt liegt auf Tunnelvortrieben im kristallinem Fels, aber auch einige Beispiele aus  Sedimentgesteinen werden aufgegriffen.
Diese Arbeit unterscheidet sich wesentlich von vorherigen Arbeiten auf diesem Gebiet, da dort gar nicht oder nur durch sehr pauschale Abminderungsfaktoren auf die Tatsache eingegangen sind, dass die auf Basis des Rollwegs ermittelte Standzeit der Schneidrollen zu optimistisch ist. Außerdem treten erhebliche Unterschiede in den Kosten einer durchschnittlichen Schneidrollenreparatur auf, die bisher nicht berücksichtigt werden.

Betreuer: Prof. Dr. Kurosch Thuro
Finanzierung: Herrenknecht AG
Aktueller Arbeitgeber: Herrenknecht AG

Publikationen:

Köppl, F., Frenzel, Ch. & Thuro, K. (2009): Statistische Modellierung von Gesteinsparametern für die Leistungs- und Verschleißprognose bei TBM-Vortrieben. – 17. Tagung für Ingenieurgeologie, Zittau, 6.-9. Mai 2009, Forum Junger Ingenieurgeologen, Tagungsband, 3 p. (8,4 MB).

Frenzel, Ch., Käsling, H., & Thuro, K. (2008): Factors influencing disc cutter wear. - Geomechanik & Tunnelbau, 1., 55-60.

Herrenknecht, M. & Frenzel, Ch. (2005): Lange TBM-Vortriebe im Hartgestein - Eine Zwischenbilanz. - Bauingenieur, 80., 343-349.

Dipl.-Geol. Dr. Nik Schormair, Dissertation:

Der Einfluss der Anisotropie bei der Gebirgslösung im Tunnelbau – Modellierung und Wirklichkeit

Abschluss der Arbeit: WS 2008/09
(Prüfungstermin 13. Februar 2009)

Der Einfluss der geologischen Gegebenheiten auf die Wirtschaftlichkeit eines Tunnelprojektes spielt eine entscheidende Rolle, wenn sich herausstellt, dass die gewählte Vortriebsweise für die vorgefundenen geologischen Verhältnisse nicht geeignet ist. Um das Risiko der Wahl einer falschen Vortriebsweise zu minimieren, ist zu überlegen, den Gesteinszerstörungsprozess zu den jeweiligen verwendeten Bohrwerkzeugen genauer zu betrachten. Um den Zerstörungsprozess an der Bohrlochsohle und unter den Schneiden von Disken darzustellen, wurden numerische Methoden verwendet.
Für die Untersuchungen wurde der numerische Code PFC (Particle Flow Code) der Firma ITASCA Consulting Group verwendet. Dieser Code basiert auf der distinkten Elemente Methode. Der Code modelliert die Bewegungen und Interaktionen von aus Bällen aufgebauten Körpern. Die einzelnen Bälle können an ihren Kontakten verbunden werden, um einen festen Körper zu simulieren, der durch fortschreitendes Aufbrechen der Bindungen durch Belastung mit Werkzeugen zerstört wird. Mit dieser Methode ist es möglich mikro- und makromechanische Prozesse gleichzeitig zu simulieren. Es ist möglich die Brüche im virtuellen Gestein, die durch die Ausbruchswerkzeuge erzeugt wurden, zu simulieren.
Dies bedeutet, dass man die im Tunnelprojekt vorgefundenen Gesteine modellieren und danach in den virtuellen Gesteinen Bohr- bzw. Schneidversuche mit verschieden Werkzeugen durchführen kann. So kann man den Einfluss der Anisotropie auf die Bohr- bzw. Schneidleistung untersuchen. Ebenso lässt sich der Einfluss der Schieferungsrichtung im Bezug zur Bohrrichtung und zur jeweiligen Löseleistung simulieren und untersuchen.

Betreuer: Prof. Dr. Kurosch Thuro

Publikationen:

Thuro, K. & Schormair, N. (2008): Fracture propagation in anisotropic rock during drilling and cutting. – Geomechanik & Tunnelbau 1 (1): 8-17.

Schormair, N. & Thuro, K. (2007): Simulation of drilling and cutting induced fractures in anisotropic rock using PFC2D. – Proceedings of the 1st Canada – U.S. Rock Mechjanics Symposium, 27.-31.05.2007, Vancouver B.C. 8 p. (3,4 MB)

Schormair, N., Thuro, K. & Plinninger, R. (2006): The influence of anisotropy on hard rock drilling and cutting. - In: Culshaw, M., Reeves, H., Spink, T. & Jefferson, I. (ed.): IAEG Engineering geology for tomorrow´s cities. - Proceedings of the 10th IAEG International Congress, Nottingham, United Kingdom, 6-10 Sept. 2006, 10 p. (Paper number 491, CD-ROM). (2,4 MB)

MSc Rosemarie Bock, Master-Arbeit:

Der LCPC Abrasivitätsversuch – Versuchsgrundlagen und Rahmenbedingungen

Durchführung der Arbeit SS 2008 (abgeschlossen)

Die Abrasivität von Gesteinen verursacht im Spezialtiefbau und Tunnelbau aufgrund des auftretenden Werkzeugverschleißes oftmals hohe Kosten. Dieses Problem tritt nicht nur im Festgestein auf, sondern äußert sich immer wieder auch bei Bauprojekten in verschiedenen Lockergesteinen.
Zur Bestimmung der Abrasivität von Festgesteinen gibt es bereits eine Reihe von Testverfahren (e.g. Cerchar-Abrasivitätsversuch), die auch erfolgreich für die Verschleißprognose herangezogen werden. Bisher existiert zwar eine ganze Reihe an Testverfahren um die Abrasivität von Lockergesteinen zu bestimmen, die jedoch nicht speziell auf die Anforderungen im Spezialtiefbau oder Tunnelbau abgestimmt oder dort eingesetzt wurden. In jüngster Zeit wurde bei verschiedenen Bauprojekten der LCPC-Abrasivitätsversuch in Lockergesteinen angewandt. Bislang wird der Versuch oftmals nur bei Körnungen zwischen 4 und 6 mm eingesetzt. In dieser Arbeit wird der Einfluss des Feinkornanteils (< 4 mm) auf den erzielten LCPC-Abrasivitäts-Koeffizienten (LAK) untersucht. Bei den hierfür durchzuführenden Versuchsreihen sind Änderungen in der Versuchsdauer und der Umdrehungszahl des Gerätes geplant. Zudem wird der Einfluss der petrographischen Zusammensetzung der Gesteine sowie der Rundungsgrad betrachtet werden. Durchgeführt werden die Versuche dabei an Proben aus verschiedenen Fest- und Lockergesteinen sowie an natürlichen und künstlich hergestellten Körnungen sehr homogener Gesteine (e.g. Taunusquarzit mit > 95% Quarzanteil). Um sich die Verschleißwirkung der Gesteinskörnungen besser vor Augen führen zu können, ist eine Untersuchung des Stahlflügels unter dem Rasterelektronenmikroskop geplant.Zwischen dem Cerchar-Abrasivitäts-Index und dem LCPC-Abrasivitäts-Koeffizient wurde bislang aus der Literatur und wenigen eigenen Untersuchungen ein linearer Zusammenhang erstellt. Diese Korrelation soll im Laufe dieser Arbeit durch weitere Versuche auf eine breitere Datenbasis gestellt werden. Anhand dieser Korrelation lässt sich in Verbindung mit dem CAI eine brauchbare Klassifizierung des LAK für eine Verschleißprognose ableiten.

Betreuer: Prof. Dr. Kurosch Thuro, Dipl.-Geol. Heiko Käsling

MSc Judith Festl, Bachelor-Arbeit:

Der LCPC-Versuch zur Bestimmung der Abrasivität von Lockergesteinen

Durchführung der Arbeit SS 2006 (abgeschlossen)

In der vorliegenden Bachelor-Arbeit über den LCPC-Abrasivitätstest wird die Anwendbarkeit des Testverfahrens bei Lockergesteinen (Böden) untersucht. Am Beginn dieser Arbeit steht eine Zusammenstellung der bisher erschienenen Literatur über den LCPC-Abrasivitätstest. Nur sehr wenige Arbeiten befassen sich mit diesem ursprünglich für Festgestein entwickelten Testverfahren. Ziel der Arbeit ist es zu untersuchen, ob der Test als eine Möglichkeit gesehen werden kann, die Abrasivität von Lockergesteinen zu bestimmen. Im ersten Teil werden der Versuch selbst sowie die Probenvorbereitung ausührlich beschrieben; im zweiten Abschnitt werden mögliche Einflussfaktoren auf das Ergebnis des LCPC-Abrasivitätstests beschrieben und anhand von Versuchsreihen diskutiert. Teilweise konnte auf schon vorhandene Daten vergangener und aktueller Projekte zurückgegriffen werden. Zahlreiche Tabellen und Grafiken zeigen die Ergebnisse der Versuchsreihen in ihrer Abhängigkeit von verschiedenen gerätespezifischen und geologischen Parametern. Teils konnten diese Faktoren mit den Ergebnissen des LCPC-Abrasivitätstests korreliert werden, teils war keine Abhängigkeit festzustellen. Insgesamt zeigen die Ergebnisse jedoch, dass der Versuch unter Berücksichtigung verschiedener geologischer und gerätespezifischer Rahmenbedingungen durchaus geeignet erscheint die Abrasivität von Lockergesteinen zu bestimmen

Betreuer: Prof. Dr. Kurosch Thuro, Dipl.-Geol. Heiko Käsling

BSc Cornelius Jakob, Bachelor-Arbeit:

Untersuchungen des Cerchar-Abrasivitäts-Index unter Verwendung verschiedener Stahlsorten und –Stahlhärten

Durchführung der Arbeit SS 2008 (abgeschlossen)

Der Cerchar-Abrasivitäts-Index ist ein weltweit anerkannter Indexwert, um die Verschleißwirkung von Festgesteinen auf das Lösewerkzeug zu untersuchen. Dabei wird ein Stahlstift unter einer bestimmten Belastung über ein Gestein gezogen und anschließend der Verschleiß des Stiftes unter einem Mikroskop bestimmt. Diverse Arbeiten befassten sich bereits mit einigen der Versuchsparameter, wie beispielsweise die Prüfstrecke und –richtung (senkrecht oder parallel zur Schichtung/Schieferung), die Beschaffenheit der Oberfläche oder mit dem Prüfgerät an sich. Diese Arbeit widmet sich nun insbesondere den Prüfstiften bzw. dem Einfluss der Stahlhärte und der Stahlsorte auf das Ergebnis. Einige Prüflabore benutzen Prüfstifte aus verschiedenen Stahlsorten und z.T. auch unterschiedlicher Härte. Dies ist dahingehend kritisch, weil damit die Prüfergebnisse nicht ohne Weiteres miteinander vergleichbar sind. Bei dieser Arbeit wird nun also das Verhalten von verschiedenen Stählen auf denselben Gesteinen untersucht um hiermit Rückschlüsse ziehen zu können, inwiefern sich unterschiedliche Stahlsortem auf die Ergebnisse auswirken. Bei den Stählen handelt es sich um einen Chrom Vanadium Stahl sowie um einen Chrom Nickel Molybdän Stahl, die beide sowohl in der Härte HRC 54-56 als auch HRC 40 vorliegen.Das Ergebnis dieser Arbeit soll eine Einschätzung sein, in wie weit sich die beim Test eingesetzten unterschiedlichen Stahlsorten und -härten auf das Prüfergebnis auswirken und ob eine Korrektur dieser Werte auf den bisher üblichen Standard möglich ist.

Betreuer: Prof. Dr. Kurosch Thuro, Dipl.-Geol. Heiko Käsling

MSc Christian Papelitzky, Bachelor-Arbeit:

Beurteilung von Hartgesteinskörnungen mit Hilfe des LCPC - Abrasivitätstests und der Kornformanalyse

Durchführung der Arbeit SS 2007 (abgeschlossen)

Ziel der Bachelorarbeit ist die Untersuchung der Korngrößen- und Kornformabhängigkeit des LCPC-Abrasivitäts-Koeffizienten LAK verschiedener Hartgesteine. Das Probenmaterial stammt zum einen aus dem Bohrklein von Sprenglochbohrungen (Imlochhammer - Dreh-Schlag-Beanspruchung) in Hartgesteinssteinbrüchen, zum anderen wurden Körnungen aus der Produktion entnommen (nach diversen Aufbereitungsschritten, u.a. mehrere Brechstufen sowie Kornformanpassung in der Prallmühle). Vorhandene Gesteinskennwerte (z.B. Schlagfestigkeitswerte SZ, Schlag-Abrieb-Festigkeitswerte LA, petrographische und geochemische Eigenschaften des jeweiligen Gesteins) können aus der Literatur sowie aus Fachgutachten verwendet werden, um eine Einschätzung der LCPC-Abrasivität vorzunehmen. Unter Umständen können Korrelationen mit SZ- und/oder LA-Werten erzielt werden. In der Arbeit werden zwei Basalte und je ein Diabas, Amphibolit und Granit untersucht.

Betreuer: Prof. Dr. Kurosch Thuro (mit Dr. Gerhard Lehrberger & Dipl.-Geol. Heiko Käsling)

Dipl.-Geol. Lucia Haller & Dipl.-Geol.Georg Büttner, Diplomarbeit und -kartierung:

Der Atlanta West Area Sewer Overflow (CSO) Storage Tunnel in Atlanta, Georgia, U.S.A. - Kartierung und Auswertung von zwei TBM-Vortrieben

Durchführung der Arbeit WS 2006/07 - WS 2007/08 (abgeschlossen)

Im August 2005 wurde in Atlanta, Georgia begonnen zwei Tunnels mit Herrenknecht-Gripper-Tunnelbohrmaschinen in Gneisen aufzufahren. Sie sollen bei Überlastung des Klärwerkes als Speicher für Regen- und Abwasser dienen. Die TBMs sind von baugleicher Art und haben einen Durchmessser von 8,23 m.
Im Zuge eines Praktikums wurden von mir 1,8 km bzw. 1,1 km (von 6,6 km bzw. 6,9 km) der aufgefahrenen Strecke in Gneisen als Tunnelabwicklung aufgenommen. Außerdem wurden die Daten über den Maschinenvortrieb vom Bordcomputer der Maschinen kopiert, Informationen über den Cutterverschleiß gesammelt und Bohrkerne zur Ermittlung der Gesteinsfestigkeit genommen.
Auf dieser Basis wurde ein Plan erstellt, in dem Längs- und Horizontalschnitt durch den Tunnel dargestellt werden. Zudem werden Maschinendaten wie Anpresskraft, Penetration und Drehmoment graphisch dargestellt und mit den Schnitten abgeglichen. An den Bohrkernen wurde die Gesteinsfestigkeit bestimmt. Außerdem wurde der CAI-Index und an Dünnschliffen der äquivalente Quarzgehalt ermittelt. Somit können mit dem Hintergrundwissen über die Verschleißmessungen an den Disken detailliertere Aussagen über die Gebirgsfestigkeit gemacht werden.

Betreuer: Prof. Dr. Kurosch Thuro (mit Dipl.-Geol. Heiko Käsling & Dipl.-Ing. Christian Frenzel)
Finanzierung: Herrenknecht AG