Adhäsion bindiger Böden an Werkstoffoberflächen von Tunnelbohrmaschinen

Die adhasiven Eigenschaften von bindigen Boden konnen bei Bearbeitung zu deren Anhaften an den Oberflachen der Bearbeitungswerkzeuge fuhren. Bei maschinellen Schildvortrieben fuhren solche Anhaftungen haufig zum Verkleben z.B. von Werkzeugen am Schneidrad oder zum Verstopfen von Transportwegen. Die Vortriebsgeschwindigkeit wird dadurch erheblich reduziert, in manchen Fallen kommt es zum Stillstand der Maschine. Verklebungen stellen daher ein erhebliches technisches und wirtschaftliches Risiko fur Tunnelprojekte dar. Als Eigenschaft des Baustoffes Boden sind dessen adhasive Eigenschaften durch den Bauherrn zu erkunden und als Grundlage fur Ausschreibung, Vergabe, Kalkulation und Risikobewertung von maschinellen Tunnelbauvorhaben zu beschreiben. Im Rahmen dieser Arbeit wurde auf der Grundlage des Standes der Forschung ein Adhasionsversuch weiter entwickelt, mit dem nunmehr ein geeignetes Verfahren zur Untersuchung der Adhasionseigenschaften zur Verfugung steht. Dem Versuch liegt ein ziehendes Trennprinzip zugrunde. Dazu wird ein Adhasionstestzylinder als Werkstoff auf eine Bodenoberflache mit einer definierten Andruckspannung und –dauer gedruckt und wieder abgezogen. Die Oberflache des Bodens wird vor dem Aufdrucken des Adhasionstestzylinders mit einer Flussigkeit benetzt. Mit diesem Versuch konnen Adhasionsspannungen im Rahmen einer fur bodenmechanische Versuche akzeptablen Reproduzierbarkeit bestimmt und schlieslich Kennwerte der Adhasionseigenschaften quantifiziert werden. Fur Adhasionsversuche werden ein leichtplastischer Ton, der aus einem Tonstein gewonnen wurde, ein mittelplastischer und zwei ausgepragt plastische Tone verwendet. Die Versuche offenbaren den erheblichen Einfluss der Flussigkeit in der Grenzflache zwischen Boden und Werkstoff. Weiterhin belegen sie, dass Rauhigkeit und Material der Oberflache der Werkstoffe einen untergeordneten Einfluss auf die Adhasionsspannungen haben. Auserdem zeigen die Versuche, dass auch leichtplastische Tone und Tone ohne quellfahige Tonminerale Adhasionseigenschaften zeigen konnen, die mit denen von Tonen mit erheblichem Anteil an quellfahigen Tonmineralen vergleichbar sind. Physikalisch wird das Anhaften von Boden durch den Kapillardruck einer Flussigkeit in der Grenzflache zwischen Boden und Werkstoffoberflache erklart. Es handelt sich dabei um einen Grenzflacheneffekt. Der Kapillardruck wird im Rahmen dieser Arbeit als Adhasionsspannung definiert. Diese steigt, je kleiner der Abstand zwischen Boden und Werkstoff wird, bzw. je geringer die Dicke der Flussigkeit bzw. je geringer das Volumen der Flussigkeit in der Grenzflache ist. Das Volumen der Flussigkeit in der Grenzflache wird durch die Eigenschaften des Bodens uber einen Transport der Flussigkeit aus der Grenzflache heraus bzw. in sie hinein gesteuert. Dabei bestimmen das Matrixpotenzial und die Durchlassigkeit des Bodens diesen Flussigkeitstransport masgebend. Der fur den Flussigkeitstransport erforderliche hydraulische Gradient wird mit Messungen des Porenwasserdrucks im Boden wahrend eines Adhasionsversuches nachgewiesen. Bei dem vorliegenden Fall handelt sich um eine nichtstationare, eindimensionale Wasserbewegung in senkrechter Richtung im ungesattigten Bereich. Mit einer vereinfachten Betrachtung nach dem Gesetz von Darcy konnen die gemessenen Adhasionsspannungen aus den Ergebnissen der Porenwasserdruckmessungen theoretisch nachvollzogen werden. Es zeigt sich, dass das Konsolidationsverhalten von Boden dabei einen erheblichen Einfluss haben kann und bei leichtplastischen Boden, die ihr Porenwasser vergleichsweise leicht abgeben, nicht vernachlassigt werden kann. Bei der Adhasion handelt es sich um ein System mit komplexen Wechselwirkungen von Bodeneigenschaften einerseits und auseren Einwirkungen andererseits. Hierfur wird ein bodenphysikalisches Modell entwickelt. Anhand dieses Modells werden die verschiedenen Einflussgrosen dargestellt und alle Ergebnisse der eigenen Adhasionsversuche als auch die Ergebnisse fruherer Forschungsarbeiten qualitativ erklart. Mit Hilfe des Adhasionsversuches kann nunmehr das Verklebungspotenzial eines Bodens quantifiziert werden. Dazu muss das Adhasionsverhalten eines Bodens uber einen Konsistenzbereich bewertet werden. Weiterhin ist es moglich, aus dem Adhasionsverhalten des Bodens Grundlagen fur die Planung des Vortriebes zur Vermeidung von Verklebungen abzuleiten.