Ingenieurgeologische Vortriebsdokumentation und Auswertung von Hydroschildvortrieben

1. Einleitung 9
2. Problemstellung und Zielsetzung 10
3. Historische Entwicklung des maschinellen Tunnelbaus 11
4. Maschineller Tunnelvortrieb in Lockergesteinen mittels Hydroschild 13
4.1 Allgemeines 13
4.2 Vorstellung des Hydroschildvortriebs 13
4.2.1 Maschinentechnik 13
4.2.2 Vortriebs- und Ringbauphasen 15
4.2.3 Bodenseparation 17
4.2.4 Druckluftmodus 19
4.2.5 Schneidraddesign 19
4.2.6 Abbauwerkzeuge und Werkzeugbesatz 20
5. Projektübersicht der Baulose H3-4 und H8 der Unterinntalstrecke 23
5.1 Geologischer Überblick 24
5.2 Baulos H3-4 27
5.3 Baulos H8 28
5.4.3.1 Baulos H3-4 35
5.4.3.2 Baulos H8 35
5.4 Eckdaten der Schildvortriebe in den Baulosen H3-4 und H8 31
5.4.1 Maschinentechnik 31
5.4.2 Bauzeiten und Vortriebsleistungen 34
5.4.3 Oberflächenverformungen 34
6. Ingenieurgeologische Dokumentation von Hydroschildvortrieben 38
6.1 Grundlegendes zur Vortriebsdokumentation von Hydroschildvortrieben 38
6.2 Indirekte Dokumentation des Ausbruchsmaterials 39
6.2.1 Methodik und zu dokumentierende Faktoren 39
6.2.1.1 Probenahme 41
6.2.1.2 Bestimmung der Korngrößenverteilung 42
6.2.1.3 Bestimmung der petrographischen Zusammensetzung und der Oberflächenbeschaffenheit der Gesteinskomponenten 42
6.2.1.4 Beobachtung des Separationsvorganges 44
6.2.1.5 Zusammenfassung 45
6.2.2 Darstellungsform/Aufnahmeblatt 43
6.2.3 Dokumentationsintervall 44
6.3 Phänomene und Erkenntnisse aus der indirekten Dokumentation 45
6.3.1 Auftreten von Pseudogerölle beim Anschneiden bindiger Schichten 45
6.3.2 Erkennen von Blöcken an der Ortsbrust 47
6.3.3 Weitere Besonderheiten 49
6.3.3.1 Holzstücke 51
6.3.3.2 Komponenten mit sedimentären Calcit-Zementanhaftungen 51
6.3.3.3 Metall- und Kunststoffteile 52
6.4 Direkte Dokumentation der Gesteine an der Ortsbrust 51
6.5 Erstellen von Stollenbändern 55
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6.6 Zusammenfassende Beurteilung der ingenieurgeologischen Vortriebsdokumentation 58
6.6.1 Einschränkungen und Grenzen 58
6.6.2 Nutzen und Chancen 59
6.6.3 Fazit 59
7. Analyse des Vortriebsgeschehens 60
7.1 Vorbemerkungen und Einstieg in die Datenanalyse 60
7.1.1 Vorbemerkungen 60
7.1.2 Einstieg in die Datenanalyse 62
7.1.3 Weitere Vorgehensweise bei der Datenanalyse 63
7.2 Detailbetrachtung ausgewählter Vortriebsabschnitte 63
7.2.1 Korrelation von Schneidradanpresskraft und Schneidraddrehmoment mit dem Verschleißzustand am Beispiel des Vortriebsabschnittes TM 1100-1403 (Baulos H8) 63
7.2.1.1 Beschreibung der Verhältnisse 63
7.2.1.2 Interpretation der aufgetretenen Maschinenwerte 65
7.2.1.3 Fazit 67
7.2.2 Zusammenhang zwischen Vortriebskräften und Kornverteilung sowie Lagerungsdichte am Beispiel des Abschnittes TM 2450 bis TM 2850 (Baulos H8) 67
7.2.2.1 Beschreibung der Verhältnisse 67
7.2.2.2 Interpretation 68
7.2.2.3 Fazit 68
7.2.3 Zusammenhang zwischen Anpresskraft des Schneidrades und Ortsbrustaufbau in Mixed-Face-Strecken 68
7.2.3.1 Baugrundaufbau im Bereich der Mixed-Face-Strecken 68
7.2.3.2 Beschreibung und Interpretation der aufgetretenen Maschinenwerte in den Mixed-Face-Strecken, Baulos H8 69
7.2.3.3 Mixed-Face Strecke im Baulos H3-4: 70
7.2.3.4 Fazit aus der Analyse der Mixed-Face-Strecken 71
7.2.4 Anstieg der Vortriebskräfte im Streckenabschnitt TM 470-932 (Baulos H3-4) 72
7.2.4.1 Beschreibung der Verhältnisse 72
7.2.4.2 Interpretation 72
7.2.4.3 Fazit 73
7.3 Datenanalyse der Gesamtstrecke mittels geologisch unterschiedlicher Vortriebsbereiche 73
7.3.1 Einteilung der Gesamtvortriebsstrecke in Vortriebsbereiche mit ähnlichen geologischen Verhältnissen 73
7.3.2 Auswertung der Gesamtdaten nach Einteilung in geologisch homogene Vortriebsbereiche 74
7.3.2.1 Gegenüberstellung von Anpresskraft des Schneidrades und Gesamtvortriebskraft, Baulos H3-4 74
7.3.2.2 Interpretation der Gegenüberstellung von Anpresskraft des Schneidrades und Gesamtvortriebskraft, Baulos H3-4 76
7.3.2.3 Gegenüberstellung von Anpresskraft des Schneidrades und Drehmoment des Schneidrades, Baulos H3-4 78
7.3.2.4 Interpretation der Gegenüberstellung von Anpresskraft des Schneidrades und Drehmoment des Schneidrades, Baulos H3-4 78
7.3.2.5 Gegenüberstellung von Anpresskraft des Schneidrades und Drehmoment des Schneidrades, Baulos H8 78
7.3.2.6 Interpretation der Gegenüberstellung von Anpresskraft des Schneidrades und Drehmoment des Schneidrades, Baulos H8 79
7.3.2.7 Fazit aus der Analyse der Gesamtdaten mit Unterteilung in geologisch homogene Vortriebsbereiche 79
7.3.3 Verwendung von Mittelwerten zur Analyse des Vortriebs 80
7.3.3.1 Einführung von Datentabellen mit Mittelwertdaten 80
7.3.3.2 Erste Erkenntnisse aus den Datentabellen 82
7.3.4 Korrelation Überlagerung - Gesamtvortriebskraft 83
7.3.4.1 Grafische Darstellung 83
7.3.4.2 Ergebnis und Interpretation 83
7.3.4.3 Fazit aus der Korrelation Überlagerung - Gesamtvortriebskraft 85
7.3.5 Zusammenhang von Drehmoment des Schneidrades und Werkzeugverbrauch 85
7.3.5.1 Diagrammdarstellung 85
7.3.5.2 Interpretation der Gegenüberstellung 86
7.3.6 Gegenüberstellung petrographische Zusammensetzung der Grobfraktion - Werkzeugverbrauch 86
7.3.6.1 Diagrammdarstellung 86
7.3.6.2 Interpretation der Gegenüberstellung 87
7.4 Abschließende Bemerkungen zur Datenanalyse von Hydroschildvortrieben 88
7.4.1 Grundsätzliches zur Datenanalyse von Hydroschildvortrieben 88
7.4.2 Ergebnisse der vorgestellten Datenanalyse 88
8. Vortriebsrelevante Phänomene 89
8.1 Vortriebsbedingte Ortsbrustverdichtung 89
8.1.1 Beschreibung des Phänomens der verdichteten Ortsbrust 90
8.1.2 Schneidbild der Werkzeuge an der Ortsbrust 92
8.1.2.1 Beschreibung des Schneidbildes 92
8.1.2.2 Interpretation des beobachteten Schneidbildes 93
8.1.3 Typische Verschleißformen der Werkzeuge und Werkzeugverbrauch auf Vortriebsabschnitten mit Ortsbrustverdichtung 94
8.1.3.1 Darstellung der typischen Verschleißformen 94
8.1.3.2 Analyse des Werkzeugverbrauches 95
8.1.4 Streckenabschnitte mit nachgewiesener künstlicher Verdichtung der Ortsbrust 95
8.1.5 Untersuchung von Bodenproben aus verdichteten Ortsbrustbereichen 96
8.1.5.1 Beschreibung der Versuchsergebnisse 96
8.1.5.2 Interpretation der Veränderungen in den Proben aus der Ortsbrust 98
8.1.6 Zusammenfassende Charakterisierung der Baugrundeigenschaften in betreffenden Abschnitten 98
8.1.7 Analyse der Maschinendaten in Bereichen mit verdichteter Ortsbrust 100
8.1.8 Erklärung des Phänomens der verdichteten Ortsbrust 102
8.1.8.1 Grundsätzliche Überlegungen 102
8.1.8.2 Überlegungen zum Prozess der Gebirgslösung 102
8.1.8.3 Aspekte bezüglich Werkzeugbesatz und Schneidraddesign 103
8.1.8.4 Ursachen der Ortsbrustverdichtung 104
8.1.8.5 Überlegungen zur Steuerung des Vortriebs 104
8.1.9 Schlussfolgerungen und abschließende Bemerkungen 105
8.2 Verklebungen am Schneidrad und an den Abbauwerkzeugen 105
8.2.1 Auftreten von Verklebungen im Baulos H3-4 105
8.2.1.1 Beispielstrecke Baulos H3-4 TM 2200 bis TM 2600 106
8.2.1.2 Beispielstrecke Baulos H3-4 TM 4400 bis TM 4800 107
8.2.2 Verklebungsscheibe an der Vorderseite des Schneidrades 108
8.2.3 Auswirkungen der Verklebungen 109
8.2.4 Maßnahmen zur Verhinderung von Verklebungen 110
8.3 Zerbrechen von Gesteinskomponenten und Verschleißbetrachtungen 111
8.3.1 Erhöhter Anteil von Bruchkorn im Ausbruchsmaterial 111
8.3.2 Einflussfaktoren auf den Verschleiß bei Hydroschildvortrieben 112
8.3.3 Quantifizierung und Qualifizierung von Verschleißerscheinungen an Abbauwerkzeugen 113
8.3.4 Zu den Schwierigkeiten bei der Erfassung der Abrasivität von Lockergesteinen durch Laborversuche 115
8.3.4.1 Einfluss der Korngrößenverteilung auf die Abrasivität 115
8.3.4.2 Überlegungen zur Übertragbarkeit von Ergebnissen aus Laborversuchen 115
8.3.5 Schlussbemerkung zu der Verschleißbetrachtung bei Hydroschildvortrieben 116
9. Auswirkungen der Vortriebe auf den Grundwasserkörper 116
9.1 Einleitung und Grundlagen 116
9.1.1 Vorbemerkungen 116
9.1.2 Grundlagen der Ortsbruststützung 117
9.1.2.1 Ortsbruststützung im Regelbetrieb 117
9.1.2.2 Ortsbruststützung bei Drucklufteinstiegen 117
9.1.2.3 Gewährleistung der Ortsbruststützung 118
9.1.3 Fragestellungen bezüglich der Auswirkungen von Hydroschildvortrieben auf den Grundwasserkörper 119
9.2 Methodik bei der Analyse der Grundwasserschwankungen 119
9.2.1 Vorhandene Datengrundlagen 119
9.2.2 Erstellen von Grundwasser­diagrammen mit Zusatzinformationen 119
9.3 Beschreibung der hydrologischen Verhältnisse in den Baulosen H3-4 und H8 121
9.3.1 Hydrologische Verhältnisse im Baulos H3-4 121
9.3.2 Hydrogeologische Verhältnisse im Baulos H8 123
9.3.3 Verschluss von Grundwassermessstellen in den Baulosen H3-4 und H8 123
9.4 Auswirkungen der Tunnelvortriebe in den Baulosen H3-4 und H8 auf den Grundwasserkörper 124
9.4.1 Auswirkungen des Regelbetriebes 124
9.4.1.1 Modellvorstellung 124
9.4.1.2 Beispielganglinien 125
9.4.1.3 Zusammenstellung der Daten (Auswirkungen des Regelbetriebes) 125
9.4.1.4 Zusammenfassung (Auswirkungen des Regelbetriebes) 126
9.4.2 Auswirkungen der Drucklufteinstiege 127
9.4.2.1 Modellvorstellung 127
9.4.2.2 Beispielganglinien und beobachtete Phänomene 129
9.4.2.3 Zusammenstellung der Daten (Auswirkungen der Drucklufteinstiege) 131
9.4.2.4 Zusammenfassung (Auswirkungen der Drucklufteinstiege) 132
9.5 Zusammenfassung der Ergebnisse aus den Vortrieben H3-4 und H8 132
9.5.1 Allgemeine Feststellungen bezüglich des Einflusses der Vortriebe 132
9.5.2 Empfehlungen für den Verschluss von Messstellen im Umfeld eines Vortriebs 134
10. Zusammenfassung der Erkenntnisse 135
10.1 Erkenntnisse für die Beispielprojekte im Unterinntal 135
10.1.1 Erkenntnisse aus der indirekten Vortriebsdokumentation 135
10.1.2 Erkenntnisse aus der direkten Vortriebsdokumentation 135
10.1.3 Erkenntnisse aus der Datenanalyse 135
10.1.4 Erkenntnisse zum Thema Verschleiß 136
10.1.5 Erkenntnisse bezüglich der Auswirkung von Hydroschildvortrieben auf den Grundwasserkörper 136
10.2 Empfehlungen für zukünftige Projekte 137
10.3 Schlussbetrachtung 138
11. Quellenverzeichnis 140
11.1 Publikationen und Berichte 140
11.2 Internetquellen 142
11.3 Unveröffentlichte Projektunterlagen der Baulose H3-4 und H8 142
11.4 Auflistung der verwendeten Baustellenunterlagen 143
11.5 Verwendete Normen 143
Anhang 1: Geologische Dokumentation TVM-Fahrt, Nr. 131, Ring 1513 bzw. TM 3045, vom 25.02.2009, Baulos H8, erstellt: ÖBA-Geologie H8 144
Anhang 2: Datenkorrektur Drehmoment des Schneidrades im Baulos H3-4 147

Obwohl der Baugrund ein entscheidender Faktor im Gesamtsystem eines Hydroschildvortriebs ist, wurde bisher während der Bauausführung wenig Augenmerk auf die Dokumentation der angetroffenen geologischen Verhältnisse gelegt. Dies mag zum Großteil der erschwerten Bedingungen durch die meist unzugängliche Ortsbrust geschuldet sein.

Die Ziele der Arbeit sind, die während der Bauausführung der Vortriebe der Baulose H3-4 und H8 im Unterinntal (Tirol) entwickelte, neue Art der Vortriebsdokumentation von Hydroschildvortrieben vorzustellen und die sich daraus ergebenden Möglichkeiten der Vortriebsanalyse darzustellen.

Die entwickelte ingenieurgeologische Vortriebsdokumentation setzt sich aus der indirekten Dokumentation des Ausbruchsmaterials und der direkten Dokumentation der Ortsbrustverhältnisse bei Drucklufteinstiegen zusammen. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Vorgehensweise bei der Vortriebsdokumentation und gibt Empfehlungen, welche geologischen, geotechnischen, technischen und hydrologischen Eigenschaften wo, wie und wie oft erhoben werden sollten. Zudem werden die ingenieurgeologischen Stollenbänder als graphische Zusammenfassung der erhobenen geologischen, geotechnischen und technischen Daten eingeführt und als Grundlage für die Datenanalyse verwendet.

Bezüglich der indirekten Dokumentation durch die Begutachtung des Ausbruchsmaterials ist herauszustellen, dass hierdurch nützliche Erkenntnisse über die an der Ortsbrust anstehenden Gesteine und die Zustände in der Abbaukammer gewonnen werden, ohne dass der Vortrieb unterbrochen und Drucklufteinstiege durchgeführt werden müssen. Das Potenzial der indirekten Dokumentation darf keinesfalls unterschätzt werden, sondern muss bestmöglich ausgenutzt werden. Ergänzend zu der indirekten Dokumentation sind die Ortsbrustdokumentationen bei Drucklufteinstiegen ein äußerst wichtiger Teil der Vortriebsbetreuung.

Die entwickelte Art der Vortriebsdokumentation ist gekennzeichnet durch eine enge Verknüpfung von geologischen Beobachtungen mit technischen Faktoren wie den auftretenden Maschinenwerten, Vortriebsbehinderungen, Werkzeugverschleiß oder besonderen Vortriebsereignissen. Sie beschreibt nicht nur die angetroffenen Verhältnisse, sondern stellt die geologischen Aspekte in den Gesamtkontext des Hydroschildvortriebs und ermöglicht dadurch eine Analyse der Wechselwirkungen zwischen Baugrund und Vortriebsmaschine. Die ingenieurgeologische Vortriebsdokumentation stellt die Basisinformationen bezüglich der Baugrundeigenschaften zur Verfügung, ohne derer das Systemverhalten nicht analysiert werden kann.

Die Datenanalyse ergab, dass die Gesamtvortriebskraft gut mit der Überlagerungshöhe über Tunnelfirste korreliert, oder dass die Anpresskraft des Schneidrades in Wechselwirkung mit den Festigkeitseigenschaften der Gesteine an der Ortsbrust steht. Des Weiteren hat sich gezeigt, dass bei gleich bleibenden geologischen Verhältnissen ein ansteigendes Schneidraddrehmoment ein eindeutiger Hinweis auf zunehmenden Verschleiß ist. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnten diese Zusammenhänge erkannt und durch verschiedene Auswertemethoden verifiziert werden.

Außerdem konnte durch die intensive Dokumentation und Analyse der Verhältnisse an der Ortsbrust in Zusammenschau mit den aufgetretenen Verschleißerscheinungen und Maschinenparametern das vortriebsrelevante Phänomen einer verdichteten Ortsbrust erfasst und erstmals detailliert beschrieben und analysiert werden. Hier wird die Komplexität des Hydroschildvortriebs mit seinen zahlreichen Einflussgrößen aber auch Zwangspunkten überaus deutlich.

Durch die intensive Vortriebsanalyse wurden Korngrößenverteilung, Lagerungsdichte und Scherfestigkeit der anstehenden Lockergesteine als für einen Hydroschildvortrieb entscheidende geotechnische Parameter identifiziert. Des Weiteren sollten auch die Oberflächenbeschaffenheit und petrographische Zusammensetzung aller Kornfraktionen bestimmt und vor allem bei der Verschleißbetrachtung berücksichtigt werden. Bei bindigen Gesteinen ist zudem das Verklebungspotenzial ausschlaggebend. Zusammen mit dem generellen Baugrundaufbau bestimmen die zuvor genannten Eigenschaften wesentlich den Abbauprozess bei Hydroschildvortrieben. Schon geringe Unterschiede in einzelnen Parametern oder Gegebenheiten, beispielsweise eine Veränderung der Lagerungsdichte oder das Anschneiden geringmächtiger bindiger Lockergesteinsschichten, können zu einem veränderten Systemverhalten und zu vortriebsrelevanten Behinderungen führen.

Ferner sind in der vorliegenden Arbeit die Grundwasserschwankungen durch die Hydroschildvortriebe thematisiert und analysiert worden. Aus der Auswertung der Grundwasserdaten ergaben sich wertvolle Erkenntnisse bezüglich der Auswirkung von Hydroschildvortrieben auf den Grundwasserspiegel und bezüglich des nötigen Verschlusses von Grundwassermessstellen im Umfeld von Hydroschildvortrieben.

Die in der vorliegenden Arbeit vorgestellte Arbeitsweise ist als ingenieurgeologische Vortriebsdokumentation und Vortriebsbetreuung zu bezeichnen, die nicht nur eine klassische, überwiegend deskriptive geologische Dokumentation vornimmt, sondern versucht, kausale Zusammenhänge im Systemverhalten zu ergründen. Auf dem Gebiet der geologischen Dokumentation von Hydroschildvortrieben stellt diese Vorgehensweise eine Innovation dar. Der daraus hervorgehende Wissenszugewinn bezüglich des Gesamtsystems eines Hydroschildvortriebs nutzt allen an derartigen Großprojekten beteiligten Akteuren.

Die Erkenntnisse aus vorliegender Arbeit bezüglich der Vortriebsdokumentation an sich und hinsichtlich des Potenzials für die Ergründung des Systemverhaltens, rechtfertigen die Forderung, dass bei zukünftigen Hydroschildvortrieben eine detaillierte ingenieurgeologische Vortriebsdokumentation und Vortriebsbetreuung durchgeführt werden muss.