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Schormair, Niklas

Einfluss der Anisotropie bei der Gebirgslösung im Tunnelbau - Beobachtung und Modell (Kartoniert / Broschiert / Paperback)


Reihe: Münchner Geowissenschaftliche Abhandlungen 14

Pfeil, Dr. Friedrich, Pfeil, Friedrich, Dr., September 2010


124 S. - Sprache: Deutsch - 114 farbige und 9 Schwarz-Weiß- Abbildungen, 16 Tabellen, 15 Anhänge - 297x210x18 mm

ISBN: 3899371186 EAN: 9783899371185

Die am h?ufigsten verwendeten Vortriebsarten beim Tunnelbau in Festgesteinen stellen der Bohr- und Sprengvortrieb, der Vortrieb mit einer Teilschnittmaschine oder mit einer (Hartgesteins-) Tunnelbohrmaschine dar. W?hrend die f?r eine Vortriebsprognose zu verwendenden Gesteins- und Gebirgsparameter in der ?Makroskala? durch verschiedene Arbeiten bereits gut untersucht sind, ist der Prozess der Brucherzeugung und Bruchausbreitung in der ?Mikroskala? unterhalb eines Werkzeugs bisher noch wenig erforscht. Insbesondere bei anisotropen Gesteinen wie kristallinen Schiefern und Gneisen ist eine Abh?ngigkeit der felsmechanischen Parameter und der Vortriebsleistungen von der Orientierung des Gef?ges bekannt. In dieser Mikroskala k?nnten jedoch durch die Betrachtung des L?seprozesses bei der Bearbeitung mit verschiedenen Werkzeugen entscheidende Impulse zum Verst?ndnis der Gesteinszerst?rung - unter besonderer Ber?cksichtigung der Anisotropie - ausgel?st werden. In der vorliegenden Arbeit wurden zwei Ans?tze zur Bearbeitung dieser Fragestellungen verfolgt: Zun?chst wurden in einer Reihe von isotropen und anisotropen Gesteinen unter Baustellenbedingungen verschiedene Bohrversuche mit einer im Tunnelbau ?blichen Bohrausr?stung durchgef?hrt, Proben aus der Bohrlochsohle entnommen und die Rissausbreitung im Gestein mit Hilfe von eingef?rbten D?nnschliffen untersucht. Daraus wurden Modelle der mit der Gef?georientierung verkn?pften Rissmuster in Form von Schemazeichnungen entwickelt und ein konstitutionelles Modell der Rissausbreitung und des Bruchprozesses in anisotropen Gesteinen aufgestellt. Im n?chsten Schritt wurde mit Hilfe des diskreten Elemente Programms Particle Flow Code (PFC2D, ITASCA) der Vorgang der mechanischen Gebirgsl?sung in verschiedenen anisotropen Gesteinen simuliert. Die Modellierung mit PFC2D stellt den Hauptteil der vorliegenden Arbeit dar. Im Zuge der Modellierung wurden f?nf charakteristische ?Mustergesteine? entwickelt (Sand-/Tonstein, Glimmerschiefer, Phyllit und zwei Gneise) und ihre Mikroparameter mit Hilfe eines virtuellen Biaxialversuchs im Hinblick auf ihre Makroparameter - einaxiale Druckfestigkeit und Scherfestigkeit - kalibriert. Anschlie?end wurde der L?seprozess an diesen ?virtuellen? Gesteinen mit verschiedenen, realit?tsnahen Werkzeugen simuliert. Dabei kamen verschiedene Hartmetallstifte von Bohrkronen, Schneidringe von Rollenmei?eln sowie eine Rundschaftmei?el-Spitze zum Einsatz. Um der Auswirkung des Werkzeugverschlei?es Rechnung zu tragen, wurden bei der Simulation des Schneidens mit einem Disken- oder Rollenmei?el (TBM-Vortrieb) verschiedene Verschlei?formen des Werkzeuges generiert und gestestet. Als Ergebnis konnte das charakteristische Rissmuster in Abh?ngigkeit von der Orientierung der Anisotropie in den verschiedenen Gesteinen dargestellt und verschiedenen Parametern gegen?bergestellt werden. Zusammenfassend lassen sich dabei folgende Schlussfolgerungen ziehen: - Durch die Orientierung der Anisotropie wird das Rissmuster unterhalb eines Werkzeuges stark beeinflusst. Die Anzahl der Mikrorisse ist davon weitgehend unabh?ngig. - Die Rissausbreitung in den Gesteinen wird haupts?chlich durch den Abstand der Schieferungsfl?chen bestimmt. Die Schieferungsfl?chen wurden dabei als Schw?chezonen (= Zonen verringerter Materialfestigkeit) modelliert. Der entscheidende Faktor hierbei ist der Volumenanteil an Schw?chezonen und seine Verteilung im Gestein. - Der Abstand der Schw?chezonen beeinflusst die Ausbildung der Rissmuster signifikant. - Die unterschiedlichen Werkzeuge ergeben ein f?r sie charakteristisches Rissmuster im Gestein. Mittels PFC2D war es nicht m?glich, Makrorisse direkt zu erzeugen, an denen sich beispielsweise gro?e Gesteinsbruchst?cke abl?sen k?nnen (sog. Bohrklein oder Chips). Diese sich durch Mikrorisse abzeichnenden Makrorisse m?ssen erst durch visuelle Verbindung der entsprechenden Mikrorisse manuell in das Rissbild eingetragen werden. - Die Anzahl der Mikrorisse werden von der Geometrie des Werkzeugs bzw. seiner Verschlei?form signifikant beeinflusst. Dies wirkt sich im Allgemeinen negativ auf die L?seleistung aus. So konnte beispielsweise nachgewiesen werden, dass abgestumpfte Werkzeuge eine deutlich geringere Rissanzahl erzeugen. - Die Ergebnisse aus der numerischen Modellierung unterst?tzen die konzeptionellen Modelle der L?seprozesse beim Bohren, Fr?sen bzw. Schneiden sowie die makroskopischen Beobachtungen in der Mikroskala (D?nnschliffe aus der Bohrlochsohle). Zur Modellierung des L?seprozesses mussten einige Vereinfachungen und Kompromisse hinsichtlich der Anzahl der Partikel im virtuellen Gestein, der Form der Werkzeuge und der Simulation des Eindringvorgangs eingegangen werden. Daher war klar, dass die Modellierung mit PFC2D die komplexen Vorg?nge der Gebirgsl?sung nicht vollst?ndig simulieren konnte. Insbesondere w?re nach den vorliegenden Ergebnissen der Schritt in eine dreidimensionale Modellierung - beispielsweise mit dem PFC3D - m?glich und sinnvoll. Mit der Weiterentwicklung dieses numerischen Codes und der Steigerung der Rechenleistung von PCs k?nnten Simulationen f?r solche komplexen Vorg?nge wie dem Gesteinszerst?rungsprozess durch Werkzeugeineinwirkung in Zukunft m?glicherweise sehr realit?tsnah dargestellt werden. Damit w?ren weitere Schritte in Richtung eines ann?hernd vollst?ndigen Prozessverst?ndnisses m?glich.

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Inhaltsverzeichnis

Inhalt Danksagungen 6 1. Aufgabenstellung 9 2. Einflussgr??en der Gebirgsl?sung 10 3. Grundlagen der Gebirgsl?sung 12 3.1 Vortrieb im Bohr- und Sprengverfahren 12 3.1.1 Bohrger?te 13 3.1.2 Bohrkronen und Stifte 15 3.1.3 Der Bohrvorgang 15 3.2 Vortrieb mit Tunnelbohrmaschinen (TBM) 17 3.2.1 Eingesetzte Maschinen 18 3.2.2 L?seprozess 18 3.2.3 Disken 19 3.2.4 Bohr- bzw. Schneidvorgang 21 3.3 Vortrieb mit Teilschnittmaschinen (TSM) 21 3.3.1 Eingesetze Maschinen 21 3.3.2 Eingesetze Werkzeuge 22 3.3.3 L?seprozess 25 4. Bohrversuche und Analyse der Bohrlochsohle 27 4.1 Untersuchungsmethodik 27 4.2 Auswertung der Bohrversuche und Analyse der Bohrlochsohle 28 4.2.1 D?nnschliffauswertung Glimmerschiefer bei Bohrversuch schr?g zur Schieferung 28 4.2.2 D?nnschliffauswertung Glimmerschiefer bei Bohrversuch senkrecht zur Schieferung 30 4.2.3 D?nnschliffauswertung Glimmerschiefer bei Bohrversuch parallel zur Schieferung 31 4.3 Laboruntersuchungen 33 4.3.1 Methodik der D?nnschliffuntersuchung 33 4.3.2 Einaxialer Druckversuch 33 4.3.3 Punktlastversuch (Point-Load-Test) 35 4.3.4 Spaltzugversuch (Brazilian Test) 36 4.4 Ergebnisse der Bohrversuche und Diskussion 36 4.4.1 Br?che und Bruchverlauf 36 4.4.2 Vergleich der Rissmuster mit felsmechanischen Kennwerten 37 5. Prozesssimulation mit dem Particle Flow Code 39 5.1 Literatur?berblick 40 5.2 Methodik der Modellierung mit PFC 41 5.2.1 Erstellen eines Assemblys 41 5.2.2 Erzeugen von Anisotropie 42 5.2.3 Einaxiale Druckversuche mit den gebildeten Assemblys 42 5.2.4 Konstruktion von Bohrwerkzeugen im PFC 45 5.2.5 Modellparameter und Vereinfachungen 46 5.3 Modellierung des Bohrvorgangs mit PFC 47 5.4 Modellierung des Zerspanungsvorgangs beim TBM-Vortrieb 58 5.4.1 Vortrieb mit verschlissenen Disken 66 5.5 Modellierung des Fr?svorgangs mit Rundschaftmei?eln 70 6. Ergebnisse und Diskussion 77 6.1 Vergleich der Assemblydaten und Druckfestigkeiten 77 6.2 Bohrvorgang 81 6.2.1 Assemblys mit konischen Bits 82 6.2.2 Assemblys mit ballistischen Bits 82 6.2.3 Assemblys mit sph?rischen Bits 82 6.2.4 Vergleich Bits pro Assembly 82 6.3 Schneidvorgang (TBM) 86 6.3.1 Schneidversuche mit neuer Diske 87 6.3.2 Schneidversuche mit symmetrisch verschlissener Diske 88 6.3.3 Schneidversuche mit asymmetrisch verschlissener Diske 88 6.3.4 Vergleich der Diskenformen 88 6.4 Fr?svorgang (TSM) 93 6.5 Auswirkungen der Krafteinleitung und Rissbildung auf die Chipbildung 94 6.6 Grenzen der Methode und Ausblick 95 7. Quellenverzeichnis 97 7.1 Literatur 97 7.2 www-Informationen 98 Anhang 99 A1 Bohrversuche im Gneis 1 100 A2 Bohrversuche im Gneis 2 101 A3 Bohrversuche im Phyllit 102 A4 Bohrversuche im Sand-/Tonstein 103 A5 Bohrversuche im Glimmerschiefer 104 A6 Zerspanungsversuche im Gneis 1 105 A7 Zerspanungsversuche im Gneis 2 106 A8 Zerspanungsversuche im Phyllit 107 A9 Zerspanungsversuche im Sand-/Tonstein 108 A10 Zerspanungsversuche im Glimmerschiefer 109 A11 Fr?sversuche im Gneis 1 110 A12 Fr?sversuche im Gneis 2 113 A13 Fr?sversuche im Phyllit 116 A14 Fr?sversuche im Sand-/Tonstein 119 A15 Fr?sversuche im Glimmerschiefer 122

ISBN 3-89937-118-6

ISBN 978-3-89937-118-5

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