Prinzip des Meißelwechsels bei TBM

1. Hochtemperaturbeständige Schneidwerkzeuge

Während des Vortriebs mit einer TBM (Tunnelbohrmaschine) erzeugt der Diskenmeißel durch die Reibung mit dem Gestein Reibungswärme. Dadurch steigt seine Innentemperatur an, was zu Temperaturgradienten und ungleichmäßiger Wärmeausdehnung führt. Der kontinuierliche Rolldruck des Meißels auf das Gestein erzeugt wechselnde innere thermische Spannungen und Verformungen. Dies führt sehr leicht zu Ermüdungsschäden am Meißel und verursacht einen Bruch des Meißelrings. Gleichzeitig beschleunigen Mikrorisse, die durch die wechselnden thermischen Spannungen und Verformungen in der Oberflächenschicht des Meißelrings entstehen, auch den Verschleiß des Meißelrings. Darüber hinaus wird mit steigender Temperatur die Leistung innerer Komponenten wie Lager und Dichtungen erheblich beeinträchtigt. Dies verursacht eine Verringerung der Viskosität des Schmieröls, was potenziell zu einem Schmierstoffversagen führen, die Tragfähigkeit des Meißels verringern und seine Lebensdauer verkürzen kann. Die Hochtemperaturbeständigkeit von hochtemperaturbeständigen Meißeln hängt in erster Linie von der Hochtemperaturleistungsfähigkeit der inneren Schwimmdichtungen und der Schmierstoffe im Meißel ab.

2. Hochwasserdruckbeständige Schneidwerkzeuge

Mit der umfangreichen Erschließung des unterirdischen Raums in den letzten Jahren haben die Schildvortriebsarbeiten allmählich zugenommen, insbesondere bei Fluss- und Meeresquerungen. Derzeit werden bei tief liegenden Schildvortrieben unter hohem Wasserdruck – wie beim Shiziyang-Tunnel, beim Wuhan-Sanyang-Road-Tunnel, beim Shantou-Bay-Tunnel und beim Mawan-Tunnel – maximale Wasserdrücke von über 10 bar erreicht. Die Druckdifferenzkapazität herkömmlicher Diskenmeißel beträgt 3 bar. Beim Betrieb in Umgebungen mit hohem Wasserdruck müssen hochdruckbeständige Meißel verwendet werden. Für Umgebungen mit hohem Wasserdruck geeignete Meißel erfordern in erster Linie eine hohe Stabilität der Dichtungsleistung des Meißels unter äußerem Hochdruck, um einen normalen Betrieb zu gewährleisten. Der Schwerpunkt liegt darauf, die Dichtungstechnologie von Diskenmeißeln in Umgebungen mit hohem Wasserdruck zu durchbrechen.

2.1 Prinzip der hochwasserdruckbeständigen Scheibenschneidwerkzeuge

Am Zentrum der Messerwelle wird ein Hohlraum geschaffen, der mit dem Inneren des Scheibenmessers in Verbindung steht. Gleichzeitig wird im Inneren des Hohlraums ein beweglicher Kolben installiert. Wenn das Scheibenmesser in einer Umgebung mit hohem Wasserdruck arbeitet, wird der Innendruck des Messers durch Anpassung des Volumens der inneren Luft verändert. Dadurch wird ein dynamisches Gleichgewicht mit dem Umgebungsdruck der Ausbruchsarbeitsfläche erreicht, wodurch die Betriebsstabilität der Rotation des Messers gewährleistet wird. Gemäß den PVT-Eigenschaften (Druck-Volumen-Temperatur) von Gasen wird durch Anpassung des Innenvolumens des Messers der erforderliche Innendruck des Scheibenmessers erzielt. Dies stellt sicher, dass die Druckdifferenz zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Messers die Grenze der Druckdifferenzkapazität der Dichtung nicht überschreitet. Bei der Installation dieses Typs von Scheibenmesser wird im Allgemeinen verlangt, dass der innere Hohlraum des Messers vollständig mit Schmieröl gefüllt ist.

2.2 Arten von hochwasserdruckbeständigen Scheibenschneidwerkzeugen

Hochwasserdruck-Dischenschneider gibt es hauptsächlich in zwei Ausführungen: den Typ mit beweglichem Kolben und den Typ mit aufblasbarer Blase. Der Typ mit beweglichem Kolben kann eine maximale interne Druckbeaufschlagung von 6 bar erreichen. In Kombination mit der Fähigkeit der Gleitdichtung, einer sicheren Druckdifferenz von 3 bar standzuhalten, kann dieser Hochwasserdruck-Dischenschneider die Umgebungsanforderungen von Ausgrabungsbedingungen bis zu 9 bar erfüllen.

2.3 Kammeröffnung unter Drucktechnologie in hochwasserdruckdurchlässigen Schichten

In Schildtunneln, die Flüsse und Meere unterqueren, befindet sich die Schildmaschine bei Stillstand häufig in komplexen Schichten mit hohem Wasserdruck (>0,5 MPa) und hoher Durchlässigkeit (Durchlässigkeitskoeffizient >10⁻² cm/s). Solche Schichten bieten keine Bedingungen für das Öffnen der Arbeitskammer unter atmosphärischem Druck. Daher ist es unvermeidlich, Eingriffsarbeiten in der Kammer unter Druck durchzuführen. Der Werkzeugwechsel unter Druck birgt hohe Risiken, langsame Fortschritte und erhebliche Gesundheitsgefahren für das Personal. Eingriffe in der Kammer unter Druck lassen sich in zwei Arten unterteilen: konventionelle Druckluftarbeiten und Sättigungstaucherarbeiten unter Druck. Erstere eignen sich für Bedingungen mit geringer Tiefe, relativ niedrigem Druck und kurzer Betriebsdauer. Letztere eignen sich für Bedingungen mit großer Tiefe, hohem Luftdruck und langer Betriebsdauer.

2.3.1 Konventionelle Druckluftkammer-Eingriffe unter Druck

Der Nanjing-Yangtse-Tunnel ist ein typisches frühes Projekt in China, bei dem die konventionelle Technik des Öffnens der Druckluftkammer und des Schneidwerkzeugwechsels unter Druck eingesetzt wurde. Als die Schildmaschine in eine Tiefe von 53,25 m unter dem Flussbett vordrang, trat starker Verschleiß am Schneidrad und an den Schneidwerkzeugen auf, wodurch ein weiterer Vortrieb unmöglich wurde. Um die Gasdichtheit der Schicht während der Druckluftarbeiten zu gewährleisten, ließ das Projekt zunächst eine große Menge reiner Bentonit-Suspension mit geringer Dichte und niedriger Viskosität in die Ortsbrust eindringen. Anschließend wurde die Suspension in der Druckkammer durch eine Mischsuspension aus Bentonit und Ton ersetzt, um einen dichten, gasdichten Suspensionskuchen zu bilden. Nach der Bildung des Suspensionskuchens wurde der Suspensionsspiegel um 3 m abgesenkt und durch Druckluft ersetzt. Vor dem Wechsel der Schneidwerkzeuge begaben sich die Bediener in die Personenschleuse, um sich unter Druck zu setzen, und führten anschließend die Schneidwerkzeugwechselarbeiten in der Suspensionskammer durch. Die effektive Arbeitszeit pro Sitzung betrug 45 bis 60 Minuten, bei einer Arbeitseffizienz von etwa 50 %.

Darüber hinaus ist die Vorbeugung und Behandlung der Dekompressionskrankheit (Barotrauma/Druckfall) bei den Bedienern unter pneumatischen Bedingungen ein weiteres zentrales Problem dieser Technologie. Da der Messerwechsel durch Kammeröffnung unter Druck erfordert, dass sich die Bediener für jede Aufgabe einem Druckbeaufschlagungsprozess (in der Regel 10–20 min) unterziehen müssen, müssen sie sich nach Abschluss der Inspektion und des Wechsels von Schneidrad und Messern auch einem Dekompressionsprozess (in der Regel 2–3 h) in der Personenschleuse unterziehen, bevor sie diese verlassen können. Häufige Druckbeaufschlagungs- und Dekompressionsprozesse führen leicht zu Dekompressionssymptomen bei den Bedienern. Daher ist die herkömmliche Technologie der Kammeröffnung mit Druckluft und des Messerwechsels für Messerwechselarbeiten mit großem Arbeitsaufwand nicht sehr geeignet.

2.3.2 Sättigungstaucherkammer-Eingriffe unter Druck

Der Wechsel von Schneidwerkzeugen mittels Sättigungstauchen erfordert spezifische Ausrüstung auf der Schildmaschine, wie eine Sättigungs-Druckkammer und eine Personenschleuse (Shuttle). Während der Phase des Schneidwerkzeugwechsels müssen die Bediener nur einen einzigen Druckbeaufschlagungsprozess durchlaufen. Sie ruhen und warten in der Druckkammer und führen die Arbeiten vor der Abbaufläche des Schneidrads durch. Nach Abschluss der Arbeiten müssen sie ebenfalls nur einen einzigen Dekompressionsprozess durchlaufen, um zum Atmosphärendruck zurückzukehren. Daher eignet sich der Schneidwerkzeugwechsel mittels Sättigungstauchen im Vergleich zum herkömmlichen Schneidwerkzeugwechsel mit Druckluft für Schichten mit höherem Wasser- und Erddruck. Gleichzeitig entfällt die Notwendigkeit mehrfacher Druckbeaufschlagungen und Dekompressionen, was die Arbeitseffizienz erheblich verbessert. Bei der Verwendung von Sättigungstauchen für Schneidwerkzeugwechselarbeiten kann eine einzelne Arbeitsschicht bis zu 6 bis 8 Stunden dauern. Die Arbeitseffizienz ist 8- bis 10-mal so hoch wie bei herkömmlichen Arbeiten unter Druck. Darüber hinaus kann die Sättigungskammer Personal für etwa 3 Wochen aufnehmen, was die Wahrscheinlichkeit, an Dekompressionskrankheit zu erkranken, wirksam verringert.