Die wichtigsten geologischen Faktoren, die die Aushubeffizienz von TBMs beeinflussen

Die einaxiale Druckfestigkeit (UCS) von Gestein ist ein Schlüsselindikator zur Bewertung der Anwendbarkeit von Tunnelbohrmaschinen (TBMs) und zur Vorhersage der Vortriebseffizienz, obwohl sie nicht der alleinige bestimmende Faktor ist.

Bei TBM-Tunnelbauprojekten sind umfassende geologische Untersuchungen unerlässlich. Diese bilden die Grundlage für die wissenschaftliche Auswahl und Auslegung der Ausrüstung. Darüber hinaus muss die Bauphase durch robuste Vortriebssondierungssysteme und flexible Reaktionsstrategien unterstützt werden, um letztendlich den sicheren und effizienten Fortschritt der TBM zu gewährleisten.

Die einaxiale Druckfestigkeit von Gestein ist einer der kritischen geologischen Faktoren, die die Effizienz des TBM-Vortriebs bestimmen. Im Allgemeinen erzielen TBMs eine optimale Leistung in hartem Gestein mit einer UCS im Bereich von 30 bis 150 MPa. Wenn die Gesteinsfestigkeit 150 MPa überschreitet und der Felsverband intakt mit schlecht entwickelten Klüften ist, tritt ein signifikanter Rückgang der Vorschubgeschwindigkeit auf, begleitet von einer Reihe von Problemen: verstärkter Meißelverschleiß, anormale Meißelkopfvibrationen, beschleunigter Verschleiß und sogar Rissbildung an Schweißnähten. Diese Bedingungen erhöhen die Ausfallzeiten für den Meißelaustausch und die Wartung der Ausrüstung erheblich. Folglich muss die Auswirkung dieses Faktors bei der Projektplanung vollständig berücksichtigt werden.

Der Entwicklungsgrad von Diskontinuitäten im Gebirge (einschließlich Klüften, Schichtflächen, Schieferung, kleiner Verwerfungen usw.), d. h. der Grad der Zerklüftung oder Integrität des Gebirges, ist ein weiterer entscheidender geologischer Faktor, der die Effizienz des Tunnelvortriebs mit Schildmaschinen beeinflusst. Selbst wenn Gesteine ähnliche einaxiale Druckfestigkeit (UCS), Härte und Abrieb aufweisen, können die Vorschubgeschwindigkeit (Schnitttiefe pro Umdrehung) und die Netto-Vortriebsgeschwindigkeit einer Schildmaschine erheblich variieren, wenn der Entwicklungsgrad der Diskontinuitäten unterschiedlich ist.

Parameter wie der Gebirgs-Integritätskoeffizient (Kv), die volumetrische Kluftdichte (Jv) oder die Rock Quality Designation (RQD) werden üblicherweise verwendet, um die Entwicklung von Diskontinuitäten zu quantifizieren. Im Allgemeinen wird eine höhere Netto-Vortriebsgeschwindigkeit in Gebirgen mit guter Integrität und relativ eng beieinander liegenden Diskontinuitäten erzielt, da moderate Diskontinuitäten den Gesteinsbruch erleichtern und den Schneidwiderstand verringern.

Die Situation kehrt sich jedoch um, wenn das Felsgestein stark zerklüftet ist (z. B. extrem hohe Kluftdichte, die zu einem Kv-Wert unter 0,25 führt). In solchen Fällen wird das Felsgestein gebrochen oder sogar locker, seine Gesamtfestigkeit nimmt drastisch ab und es fehlt ihm die Eigenstabilität. Obwohl TBM-Schneidwerkzeuge in solch zerklüftetem Gestein eine größere Eindringtiefe (d. h. leichteres Schneiden) erzielen können, ist das stark instabile umgebende Gelände anfällig für Einsturz oder Konvergenzverformung. Dies erfordert einen erheblichen Zeitaufwand für temporäre Stützmaßnahmen (z. B. Einbau von Stahlbögen, Spritzbeton, Felsanker), um die Baustellensicherheit und die Stabilität der Tunnelwand zu gewährleisten. Diese zusätzlichen Stützmaßnahmen verbrauchen erheblich Vortriebszeit und führen letztendlich zu einer Verringerung der Netto-Vortriebsgeschwindigkeit der TBM in diesen Abschnitten. Daher stellen übermäßig entwickelte Diskontinuitäten, obwohl sie die intakte Festigkeit des Gesteins verringern, aufgrund des dramatisch erhöhten Stützbedarfs eine Einschränkung für den effizienten TBM-Vortrieb dar.

Die Gesteinshärte ist ein entscheidender Faktor, der dessen Abriebfestigkeit bestimmt. Im Allgemeinen gilt: Je höher die Gesteinshärte, desto größer ist dessen Abriebfestigkeit, was den Verschleiß von TBM-Fräsern (Tunnelbohrmaschinen) direkt beschleunigt. Dies führt zu einem schnelleren Verschleiß der Fräser, was nicht nur die Baukosten erhöht, sondern auch zu häufigeren Ausfallzeiten für den Fräserwechsel führt und somit die gesamte Vortriebsgeschwindigkeit reduziert.

Die Abriebfestigkeit von Gestein wird maßgeblich durch seine mineralische Zusammensetzung beeinflusst, insbesondere durch den Gehalt und die Partikelgröße harter Minerale wie Quarz. Ein höherer Gehalt und eine größere Partikelgröße dieser abrasiven Materialien führen zu erhöhtem Werkzeugverschleiß.

Zur objektiven Beurteilung des Verschleißpotenzials von Gestein wird international der CERCHAR Abrasivity Test (CAT) zur Bestimmung des Cerchar Abrasivity Index (CAI) angewendet. Der CAI-Wert ist zu einem wichtigen Indikator für die Quantifizierung der Gesteinsabrasivität und die Vorhersage seiner Auswirkungen auf den Werkzeugverschleiß und die Vortriebseffizienz von Tunnelbohrmaschinen (TBM) geworden.

Wenn der Winkel zwischen dem Streichen von Hauptdiskontinuitäten im Felsmassiv (z. B. Klüfte, Schichtflächen) und der Tunnelachse kleiner als 45° ist, in Kombination mit einem flachen Einfallen (unter 30°), bilden sich im umgebenden Gestein oberhalb der Tunnelansätze und im Firstbereich tendenziell instabile keilförmige Blöcke. Diese ungünstige strukturelle Kombination macht diese Keile sehr anfällig für Lockerung, Abfallen oder sogar großflächige Einstürze, was nicht nur den normalen TBM-Betrieb erheblich stört und die Effizienz verringert, sondern auch direkte Gefahren für die Sicherheit von Ausrüstung und Personal birgt.

Es ist zu beachten, dass ein Winkel zwischen 50 und 70 Grad zwischen den Hauptdiskontinuitäten und der Tunnelachse im Allgemeinen am günstigsten für höhere Vortriebsgeschwindigkeiten ist.

Daher ist eine genaue Vermessung der Orientierungen von Felsdiskontinuitäten vor dem Bau entscheidend für die Vorhersage und Verhinderung solcher Risiken, um einen sicheren und effizienten TBM-Bau zu gewährleisten.