Tunnelbohrmaschine: Schlechte Schlammströmung bremst den Vortrieb

Eine 49 Fuß (rund 15 m) breite Tunnelbohrmaschine – ein riesiges unterirdisches Bohrsystem, das Gestein für den Tunnelbau zerkleinert – kann offenbar ihr eigenes Ausbruchmaterial festsetzen. Dreht sie sich zu schnell, presst die Rotation das schlammige Gemisch gegen eine kreisende Wand.

Diese Erkenntnis verändert die Erklärung für Stillstände solcher Maschinen: Nicht die Schneidleistung begrenzt den Vortrieb primär, sondern die Strömung im Inneren und der Abtransport des Abraums.

Im Druckraum

Im druckbeaufschlagten Raum eines Flüssigkeitsschilds bildete sich die Verstopfung, als frisches Ausbruchmaterial rasch absank und sich über den Boden verteilte.

Der Doktorand Hongwan Xiao von der Central South University (CSU) verfolgte diese Ablagerung und zeigte, dass die Masse zum Auslass glitt, statt nach oben abtransportiert zu werden.

Nur ein geringer Anteil gelangte durch die Öffnungen des Schneidrads nach oben. Der überwiegende Teil des Gesteins verdichtete sich dagegen zu einer hartnäckigen Schicht am Boden.

Damit rücken Drehzahl und pumpengesteuerte Strömung in den Mittelpunkt: Sie entscheiden darüber, ob der Abraum den Druckraum verlässt oder sich dort ansammelt.

Wenn höhere Drehzahl schadet

Eine schnellere Rotation des Schneidrads – der rotierenden Vorderseite, die sich in das Gestein frisst – ließ die Strömung zwar geordnet erscheinen, verschlechterte aber den Abtransport des Materials.

Sobald die Drehzahl 1,2 Umdrehungen pro Minute überschritt, überwog eine Umfangsströmung, bei der die Flüssigkeit entlang der Druckraumwand kreist.

Diese seitliche Bewegung hielt die Gesteinsfragmente im Umlauf, anstatt sie zur Öffnung zu führen, über die sie abgeführt werden sollten.

Die Blockade lässt sich daher nicht einfach durch stärkeres Drehen beseitigen – obwohl dies ein naheliegender Reflex ist, wenn der Vortrieb nachlässt.

Pumpen mit gegensätzlicher Wirkung

Die Pumpeneinstellungen waren entscheidend, da sich der Druckraum nicht wie ein einzelner Behälter mit bewegtem Schlamm verhielt.

Ein höherer Durchfluss durch Pumpe 0.1 unterstützte dabei, gebrochenes Gestein zur Austragsseite zu spülen, wo es schließlich von der Absaugung erfasst werden konnte.

Zusätzlicher Durchfluss über Pumpe 0.2 bewirkte hingegen das Gegenteil: Das Material geriet in Strömungsmuster, die es weiter zirkulieren und absinken ließen.

Bereits geringe Änderungen an den Eintrittspunkten der Flüssigkeit entschieden somit darüber, ob Ausbruchmaterial abgeführt wurde oder nur im Kreis wanderte.

Ein einzelner Strahl zählt

Ein separater Rückführstrahl, durch den Flüssigkeit erneut durch den Druckraum geleitet wird, erwies sich als eine der einfachsten Maßnahmen. Wurde dieser Strahl um 30 Grad nach unten geneigt, richtete sich seine Kraft auf das tiefliegende Ablagerungsbett statt darüber hinweg.

Bei etwa 5.300 Gallonen pro Minute (rund 20.000 Liter pro Minute) erhöhte der angepasste Strahl den Materialaustrag um 5,8 Prozent, ohne dass die gesamte Maschine umkonstruiert werden musste.

Das ist relevant, weil Baustellenteams Düsen und Pumpen meist lange vor einem umfassenden Umbau der Hardware nachjustieren können.

Kosten unter Tage

Gesteinsreicher Schlamm kann Rohre, Schneidwerkzeuge und Druckraumwände stark verschleißen, wenn festgehaltene Fragmente immer wieder über dieselben Flächen reiben.

Ein Praxisfall in China zeigte, dass Bögen und Rohrkrümmer beim Vortrieb mit gesteinsreichem Schlamm schneller verschlissen als gerade Rohrabschnitte.

Wiederholte Unterbrechungen zur Reinigung kosten zudem Arbeitszeit, weil die Teams verdichtete Druckräume räumen müssen, bevor die Maschine sicher weiterfahren kann.

Eine Verstopfung ist nicht allein teuer, weil sie den Vortrieb verlangsamt: Jede Verzögerung kann zusätzlichen Verschleiß verursachen, der später repariert werden muss.

Warum die Größe der Tunnelbohrmaschine zählt

Größere Maschinen stehen vor einem einfachen rechnerischen Problem: Mit jeder Umdrehung erzeugt ein breiterer Ausbruchquerschnitt mehr gebrochenes Gestein.

Am Haizhu-Bay-Tunnel in Guangzhou in Südchina verlief der Schildabschnitt über etwa 1,3 Meilen (rund 2,1 km); eingesetzt wurden Maschinen mit einem Durchmesser von etwa 49 Fuß (rund 15 m).

Es handelte sich um Guangzhous ersten Abschnitt mit einem ultragroßen Schild – eine Größenordnung, die jedes interne Transportproblem verstärkt.

Mit wachsenden Schilddurchmessern für Fluss- und Meeresquerungen wird der Materialtransport innerhalb der Maschine ebenso wichtig wie die Schneidleistung.

Blick auf das Gesamtsystem

Frühere Modelle betrachteten entweder das Schneidrad oder den hinteren Druckraum für sich, sodass die Verbindungen zwischen beiden Bereichen teilweise verborgen blieben.

Eine Veröffentlichung aus demselben CSU-Forschungsumfeld stellte fest, dass sich schwere Böden nahe der Mitte und am Rand des Schneidrads konzentrierten.

Dieses lokale Bild erklärte, wo Verstopfungen beginnen können, erfasste jedoch nicht, wie Pumpeneinstellungen das Material anschließend umlenken.

Die neue Studie war bedeutsam, weil sie dieselben Partikel über den gesamten Weg bis zur Austragsleitung verfolgte.

Frühere Maßnahmen waren hilfreich

Eine weitere Untersuchung zu einem Sauganschluss verbesserte den Austrag im Druckraum hinter der Ortsbrust, indem die Öffnung weiter nach vorn verlegt wurde.

Unter Tonbedingungen steigerte diese Änderung den Austrag um 75,19 Prozent und verringerte die Ablagerungen im Druckraum um 84,70 Prozent.

Dennoch konnte eine lokale Maßnahme nicht erklären, weshalb Material an anderer Stelle weiterhin stockte, sobald das gesamte Rohrleitungsnetz eine Rolle spielte.

Die neue Arbeit knüpfte an diese CSU-Erkenntnis an und behandelte die Maschine als ein zusammenhängendes Transportsystem statt als Reihe separater Problemzonen.

Vom Modell in die Praxis

Da das CSU-Team ein virtuellen Abbild im vollständigen Maßstab testete, lagen seine Empfehlungen nah genug an den Bedingungen auf der Baustelle, um sie vor Ort zu erproben.

Die Teams setzten das optimierte Konzept erfolgreich auf der Baustelle um und verringerten das Rückhalteproblem, ohne auf ein neues Maschinendesign warten zu müssen.

Die Ergebnisse bleiben jedoch von der örtlichen Geologie abhängig, da schlammiger Sandstein und andere Baugrundarten unterschiedliche Korngrößen, Klebrigkeit und Verschleißmuster verursachen.

Trotz dieser Einschränkung liefert die Studie Bauunternehmen einen kostengünstigeren ersten Ansatz: Strömung, Winkel und Drehzahl verändern, bevor neue Hardware bestellt wird.

Was die Ergebnisse bedeuten

Die Resultate weisen auf eine unbequeme Tatsache hin: Riesige Tunnelbohrmaschinen scheitern weniger an hartem Gestein als an schlecht gesteuertem Verkehr im bewegten Schlamm.

Für Bauunternehmen, die noch größere Tunnel planen, könnten die nächsten Fortschritte eher durch eine intelligentere interne Strömungssteuerung entstehen als durch leistungsstärkere Motoren allein.