Tunnelbohrmaschine: Interne Strömung bremst den Vortrieb

Eine 49 Fuß (rund 15 m) große Tunnelbohrmaschine – ein gewaltiges unterirdisches Bohrsystem, das Gestein für Tunnel aus dem Weg schneidet – kann offenbar ihr eigenes Ausbruchmaterial festsetzen. Bei hoher Drehzahl presst die Rotation das schlammige Gemisch gegen eine kreisförmige Wand.

Diese Erkenntnis verändert die Erklärung für Stillstände solcher Maschinen: Nicht die Schneidleistung begrenzt den Vortrieb vor allem, sondern die interne Strömung und der Transport des Ausbruchmaterials.

Im Druckraum

Im Druckraum eines Flüssigkeitsschilds bildete sich die Blockade, als frisches Ausbruchmaterial rasch absank und sich über den Boden verteilte.

Der Doktorand Hongwan Xiao von der Central South University (CSU) verfolgte diese Ansammlung und zeigte, dass sich die Masse zum Auslass bewegte, anstatt angehoben und abgeführt zu werden.

Nur ein kleiner Anteil gelangte durch die Öffnungen im Schneidrad nach oben. Der überwiegende Teil des Gesteins verdichtete sich dagegen zu einem hartnäckigen Bett am Boden.

Damit rückt die Frage in den Mittelpunkt, wie Drehzahl und pumpengetriebene Strömung bestimmen, ob Material aus dem Druckraum ausgetragen wird oder sich dort ansammelt.

Wenn höhere Drehzahlen schaden

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

Sobald die Drehzahl über 1,2 Umdrehungen pro Minute stieg, gewann die Umfangsströmung, also die entlang der Kammerwand kreisende Flüssigkeit, die Oberhand.

Diese seitliche Bewegung hielt die Bruchstücke in Umlauf, statt sie zur Öffnung zu führen, durch die sie die Maschine verlassen sollten.

Einfach stärker zu drehen, wie es Bediener bei nachlassendem Vortrieb häufig versuchen, konnte die Verstopfung daher nicht beseitigen.

Pumpen mit gegensätzlicher Wirkung

Die Pumpeneinstellung war entscheidend, weil sich der Druckraum nicht wie ein einzelner Behälter mit bewegtem Schlamm verhielt.

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

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

Schon geringe Änderungen am Eintrittspunkt der Flüssigkeit entschieden somit darüber, ob das Ausbruchmaterial abgeführt wurde oder lediglich im Kreis lief.

Ein einzelner Strahl zählt

Ein separater Rückführstrahl – Flüssigkeit, die erneut durch den Druckraum geleitet wird – erwies sich als eine der einfachsten Lösungen. Eine Neigung dieses Strahls um 30 Grad nach unten richtete die Kraft auf das tiefliegende Materialbett statt darüber hinweg.

Bei etwa 5.300 Gallonen pro Minute erhöhte der angepasste Strahl den Materialaustrag um 5,8 Prozent, ohne dass die gesamte Maschine neu konstruiert werden musste.

Das ist relevant, weil Teams Düsen und Pumpen oft lange vor einem umfangreichen Umbau der Hardware nachjustieren können.

Kosten unter Tage

Gesteinsreicher Schlamm kann Rohre, Schneidwerkzeuge und Kammerwände verschleißen, wenn eingeschlossene Fragmente immer wieder über dieselben Oberflächen schaben.

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

Wiederholte Stopps zur Reinigung kosten zudem Arbeitszeit, da die Teams verdichtete Druckräume räumen müssen, bevor die Maschine wieder sicher vorfahren kann.

Eine Verstopfung verteuert den Bau also nicht nur durch langsameren Fortschritt: Jede Verzögerung kann zusätzlichen Verschleiß verursachen, der später repariert werden muss.

Warum die Größe entscheidend ist

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 ultraschweren Großschild – eine Dimension, die jedes interne Transportproblem verstärkt.

Wenn die Durchmesser von Schilden für Fluss- und Meeresquerungen wachsen, wird der Materialtransport im Inneren der Maschine ebenso wichtig wie ihre Schneidleistung.

Das gesamte System der Tunnelbohrmaschine

Frühere Modelle betrachteten entweder das Schneidrad oder die hintere Kammer für sich und ließen die Verbindungen zwischen beiden Bereichen teilweise im Verborgenen.

Eine Arbeit aus demselben CSU-Forschungsumfeld stellte fest, dass sich schwerer Boden nahe der Mitte und am Rand des Schneidrads konzentrierte.

Dieses lokale Bild half zu erklären, wo Verstopfungen beginnen, erfasste jedoch nicht, wie Pumpeneinstellungen das Material anschließend umlenken.

Die neue Untersuchung war bedeutsam, weil sie dasselbe Ausbruchmaterial entlang des gesamten Wegs bis zur Austragsleitung verfolgte.

Frühere Lösungen waren hilfreich

Eine weitere Studie zu einem Absauganschluss verbesserte den Austrag in der Kammer hinter der Ortsbrust, indem die Öffnung nach vorn verlegt wurde.

Unter tonigen Bedingungen stieg der Austrag durch diese Änderung um 75.19 Prozent, während sich die Materialansammlung im Druckraum um 84.70 Prozent verringerte.

Dennoch konnte eine lokale Anpassung nicht erklären, weshalb Material an anderer Stelle weiterhin stockte, sobald das gesamte Rohrleitungsnetz Einfluss nahm.

Die neue Arbeit knüpfte an diese CSU-Erkenntnis an und behandelte die Maschine als ein verbundenes Transportsystem statt als mehrere voneinander getrennte Problemzonen.

Vom Modell zum Einsatz

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

Die Teams setzten das optimierte Konzept erfolgreich vor Ort um und verringerten das Rückhalteproblem, ohne auf eine neue Maschinenkonstruktion warten zu müssen.

Die Ergebnisse hängen weiterhin von der lokalen Geologie ab, da schlammiger Sandstein und andere Baugrundarten unterschiedliche Korngrößen, Haftverhalten und Verschleißmuster verursachen.

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

Was die Ergebnisse bedeuten

Die Resultate weisen auf eine unbequeme Wahrheit hin: Riesige Tunnelbohrmaschinen scheitern weniger an hartem Gestein als an schlechtem Verkehrsfluss im bewegten Schlamm.

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