Erstellt 09.04

TBM-Vortriebskernkomponente – Schneidwerkzeug

TBM-Tunnelvortriebskernkomponente – Schneidwerkzeug

TBM-Zusammensetzung – Schneidwerkzeuge

TBM-Schneidwerkzeuge werden zum Ausheben und Bearbeiten von Gesteins- und Bodenmassen verwendet; sie stellen sowohl eine kritische als auch verschleißanfällige Komponente einer Tunnelbohrmaschine (TBM) dar.

Ihre Betriebsbedingungen wirken sich direkt sowohl auf die Vortriebseffizienz der Tunnelbohrmaschine (TBM) als auch auf die Kosten des Tunnelvortriebs aus. Zu den Schneidwerkzeugen der TBM gehören hauptsächlich Scheibenmeißel, Zahnmeißel, Schrapper und andere Typen. Basierend auf ihrer Position im Schneidrad werden diese Werkzeuge in Zentralschneider, Stirnschneider und Seitenschneider eingeteilt. Der Zentralschneider befindet sich in der Mitte des Schneidrads; bei Hartgesteins-TBMs und kombinierten Schildmaschinen verwendet der Zentralschneider typischerweise einen oder mehrere Doppelscheibenmeißel, während die Stirnschneider und Seitenschneider Einscheibenmeißel verwenden.

1. Scheibenmeißel

Der Scheibenmeißel ist ein Werkzeug, das üblicherweise von Tunnelbohrmaschinen (TBMs) zum Ausbrechen von Gesteinsmassen verwendet wird; er besteht hauptsächlich aus einem Meißelring, einem Meißelkörper, einer Meißelkörperdichtung und einer Meißelwelle. Je nach Anzahl der auf dem Meißelkörper montierten Meißelringe kann der Meißel als einschneidig, zweischneidig oder mehrschneidig ausgeführt sein. Unter diesen ist der einschneidige Scheibenmeißel derzeit der am weitesten verbreitete Meißeltyp bei Vollschnitt-TBM-Anwendungen und hat sich in der ingenieurtechnischen Praxis als der effektivste für das Gesteinsbrechen erwiesen.

Während des Betriebs dringt der Schneidring des Scheibenmeißels unter dem Einfluss von Schub und Drehmoment der Maschine in die Gesteinsmasse ein, und der Gesteinsbrechprozess wird durch kontinuierliches Rollen und Eingreifen in die Gesteinsmasse erreicht. Der Scheibenmeißel wird hauptsächlich aus speziellen Stahlmaterialien hergestellt; das gesamte Werkzeug – insbesondere sein Schneidring – muss über ausreichende Festigkeit, Steifigkeit, Zähigkeit, Verschleißfestigkeit und Hochtemperaturbeständigkeit verfügen.

Abbildung | Strukturdiagramm des Scheibenmeißels

Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Technologie und dem zunehmenden Einsatz hochfester Materialien sind der Durchmesser der Diskenmeißel und die von ihnen aufgenommenen Lasten stetig gestiegen. Die Meißeldurchmesser reichen von 11 Zoll, 12 Zoll, 14 Zoll, 15,5 Zoll, 16,5 Zoll, 17 Zoll und 19 Zoll bis zu einem Maximum von 20 Zoll (500 mm); die entsprechenden Lasten sind in Tabelle 2.4 aufgeführt. Derzeit werden Meißel mit Durchmessern von 17 Zoll oder 19 Zoll am häufigsten verwendet. Der Einsatz von Diskenmeißeln mit großem Durchmesser ermöglicht eine angemessene Vergrößerung des Abstands zwischen den Meißeln auf dem Schneidrad, reduziert die Anzahl der erforderlichen Meißel und erhöht die Vortriebskraft des Schneidrads. Dies verbessert nicht nur die Gesteinsbrechleistung, sondern verlängert auch die Lebensdauer der Schneidwerkzeuge, verringert die Häufigkeit des Meißelwechsels während des Tunnelvortriebs, wodurch die gesamte Vortriebszeit erhöht und die Gesamteffizienz des Vortriebs verbessert wird.

Abbildung | Schematische Darstellung des Gesteinsbrechmechanismus mit einem Rollenmeißel

Frühe scheibenförmige Fräswerkzeuge besaßen einen V-förmigen Schneidringquerschnitt, wobei die Schneidkantenwinkel typischerweise auf 60°, 75°, 90° oder 120° eingestellt waren. Größere Schneidkantenwinkel wurden in der Regel beim Ausbruch von hartem Gestein verwendet, während kleinere Winkel für weichere Gesteinsformationen eingesetzt wurden. Aufgrund des schnellen Verschleißes und der hohen Bruchanfälligkeit des V-förmigen Schneidringdesigns, was die Tunnelausbruchskosten erhöhte, wurde dieses Design jedoch nach und nach durch Schneidringe mit konventionellen Schneidflächen ersetzt.

Abbildung | Schneidwerkzeug

2. Zahnmeißel

Der Zahnmeißel wird hauptsächlich zum Ausheben weicher Bodenschichten wie Sand-, Schluff- oder Tonschichten verwendet; er dient als Hauptaushubwerkzeug für Schildmaschinen und Kombinationsschildmaschinen. Der Zahnmeißel ist auf dem Schneidradträger montiert; sein Funktionsprinzip unterscheidet sich von dem eines Scheibenmeißels – er rollt nicht über die Ortsbrust, um das Gestein zu brechen, sondern gräbt das ausgehobene Material aus, während sich das Schneidrad dreht und durch den Schub des Schneidrads angetrieben wird.

Abbildung | Klinge

3. Klinge

Der Räumer, der in einen Fronträumer und einen Kantenräumer unterteilt ist, dient als Ausbruchswerkzeug für Schildmaschinen und Kombinationsschildmaschinen. Das Schneidprinzip des Fronträumers ist relativ einfach: Er nutzt den vom Schneidrad übertragenen Schub, um in den Boden an der Ausbruchsfläche einzudringen; während sich das Schneidrad dreht, schneidet der Räumer unter Einwirkung einer Tangentialkraft durch den Boden. Der Kantenräumer, der sich am Rand des Schneidrads befindet, sammelt das von den Scheibenmeißeln ausgebrochene Gesteinsmaterial; während sich das Schneidrad dreht, wird dieses Material über den Schacht auf dem Schneidrad in ein Bandförderband befördert.

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