Dipl.-Geol. Steffen Praetorius
Herrenknecht AG
Business Unit Utility Tunnelling
Schlehenweg 2, 77963 Schwanau – Allmannsweier
Dr.-Ing. Britta Schößer
Ruhr-Universität Bochum
Lehrstuhl für Tunnelbau, Leitungsbau und Baubetrieb
Universitätsstr. 150, 44801 Bochum
Titelbild: Prinzipieller Aufbau der Bentonitschmierung im
Standardsystem Herrenknecht
Quelle: Herrenknecht AG
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation
in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische
Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.
© 2016 Wilhelm Ernst & Sohn,
Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG,
Rotherstraße 21, 10245 Berlin, Germany
Alle Rechte, insbesondere die der Übersetzung in andere Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form – durch Fotokopie, Mikrofilm oder irgendein anderes Verfahren – reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen, verwendbare Sprache übertragen oder übersetzt werden.
All rights reserved (including those of translation into other languages). No part of this book may be reproduced in any form – by photoprinting, microfilm, or any other means – nor transmitted or translated into a machine language without written permission from the publisher.
Die Wiedergabe von Warenbezeichnungen, Handelsnamen oder sonstigen Kennzeichen in diesem Buch berechtigt nicht zu der Annahme, daß diese von jedermann frei benutzt werden dürfen. Vielmehr kann es sich auch dann um eingetragene Warenzeichen oder sonstige gesetzlich geschützte Kennzeichen handeln, wenn sie als solche nicht eigens markiert sind.
Print ISBN: 978-3-433-03136-0
ePDF ISBN: 978-3-433-60659-9
ePub ISBN: 978-3-433-60657-5
eMobi ISBN: 978-3-433-60658-2
oBook ISBN: 978-3-433-60656-8
Für Angela, Lucia und Luana
S.P.
Für Holger, Leo und Ole
B.S.
Der intensive fachliche Austausch über Herausforderungen in der Vortriebspraxis und über Erkenntnisse der Wissenschaft hat Eingang in das vorliegende Bentonithandbuch gefunden und lässt neue (Forschungs-)Ideen wachsen. Für wertvolle Beiträge danken wir den Mitarbeitern der Abteilung After Sales der BU Utility Tunnelling der Herrenknecht AG sowie dem erfahrenen und engagierten Fachpersonal auf den Rohrvortriebsbaustellen. Für vertiefte Diskussionen sprechen wir Frau Dipl.-Ing. Geotechnik/Bergbau Christel Flittner, Herrn Dipl.-Ing. Tiefbohrtechnik Oliver Knopf, Frau Irmhild Lauter, Herrn Ulrich Schröder, Herrn Hermann Spengler und Herrn Dipl.-Geol. Björn Zenner unseren Dank aus.
Einen besonderen Beitrag hat Herr Dipl.-Geol. Matthias Botzenhardt durch seine fachliche Unterstützung bei der Erarbeitung der Thematik zu den Additiven geleistet. Die Erstellung der Zeichnungen und Texte wurden durch Herrn Dipl.-Ing. Nick Biermann, Frau Melanie Ruff, Herrn Roman Duda und Herrn Tobias Bucher unterstützt.
Wir danken aufrichtig Herrn Prof. Dr.-Ing. Markus Thewes und Herrn Dr.-Ing. Marc Peters sowie den Kollegen der Forschungs- und Entwicklungsabteilung BU Utility Tunnelling der Herrenknecht AG und am Lehrstuhl für Tunnelbau, Leitungsbau und Baubetrieb der Ruhr-Universität Bochum für die wohlwollende Unterstützung und die angenehme Atmosphäre. Dem Verlag Ernst & Sohn und insbesondere Herrn Dr. Helmut Richter, Frau Esther Schleidweiler und Herrn Dr. Michael Bär gebührt unser Dank für die Unterstützung bei der Umsetzung und Gestaltung dieses Buchs.
Anregungen und Hinweisen werden gern entgegengenommen.
Steffen Praetorius und Britta Schößer
Der Rohrvortrieb ist ein unverzichtbares Bauverfahren für den Bau unterirdischer Leitungen. Die konsequente Verbesserung der Maschinentechnik in den letzten Jahrzehnten hat dazu geführt, dass Vortriebsprojekte in nahezu jeder Geologie und Hydrogeologie mit anspruchsvoller Trassierung realisiert werden. Der Erfolg eines Rohrvortriebs wird vom reibungslosen Zusammenspiel der Vortriebstechnik und der verfahrenstechnischen Abläufe getragen. Potenzielle Risiken zu minimieren und er-reichbare Vortriebslängen zu erhöhen, sind Teil der Herausforderungen, die sich bei Rohrvortriebsprojekten täglich stellen.
Die Entwicklung der Vortriebskraft über die Vortriebslänge – und insbesondere die Mantelreibung entlang des Rohrstrangs – ist ein zentraler Punkt bei der Durchführung von Rohrvortrieben. Mithilfe hoher Ausführungsstandards können erhöhte Pressenkräften und daraus resultierende Vortriebsverzögerungen oder Vortriebsstillstände vermieden werden. Ein wesentliches Element zur Begrenzung der Mantelreibung ist eine funktionierende Ringspaltschmierung, bei der das Schmiermittel und die Schmiertechnik auf die Randbedingungen des Vortriebs und insbesondere auf den Baugrund abgestimmt sind. Beide Komponenten – Schmiermittel und Schmiertechnik – hängen von wichtigen Details ab und erfordern ein gutes Grundlagenverständnis der Ausführungsbeteiligten.
Das Schmiermittel besteht meist aus einer Bentonitsuspension, deren rheologische Parameter Fließgrenze und Viskosität an die bestehenden geologischen Randbedingungen der Vortriebsmaßnahme angepasst werden müssen. Es ist fachgerecht herzustellen und die rheologischen Parameter sind normgerecht zu messen. Mithilfe der Schmiertechnik wird das Schmiermittel in ausreichender Menge kontinuierlich in den Ringspalt eingebracht. Vorab sind die Verbrauchsmengen des Schmiermittels über den Vortriebsverlauf zu bestimmen, zeitgerecht herzustellen und in ausreichenden Volumina vorzuhalten. Diese Zahlen hängen direkt von der Größe der Vortriebsmaschine und der Vortriebsrohre sowie von den bodenmechanischen Parametern Kornverteilung, Lagerungsdichte und Durchlässigkeit ab. Beim Einsatz eines automatischen Bentonitschmiersystems sind die Anzahl der Injektionsstutzen im Rohrquerschnitt einer Schmierstation ebenso festzulegen wie der Abstand der Schmierstationen und deren Schmierintervalle in Vortriebsmaschine und Rohrstrang.
Die präzise Abstimmung der einzelnen Aspekte aufeinander ermöglicht es, den Ringspalt um den Rohrstrang aufrecht zu erhalten, den Reibungsbeiwert zwischen Vortriebsrohr und Boden deutlich herab zu setzen und zusammenfassend die Mantelreibung im Vortriebsverlauf beherrschbar zu halten.
Das vorliegende Bentonithandbuch behandelt umfassend die relevanten Komponenten der Ringspaltschmierung. Es kann als Planungshilfe und als Leitfaden für den Baustelleinsatz gute Dienste leisten. Darin können jedoch nicht alle Problemstellungen der Praxis des Rohrvortriebs erschöpfend behandelt werden. Eigenverantwortliches Handeln gut ausgebildeter Ingenieure muss auch bei Anwendung dieses Buchs die Grundlage einer guten und erfolgreichen Ausführungspraxis bleiben.
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Markus Thewes
| I. Griechische Symbole | |
| γ | Wichte |
| γStahlbeton | Wichte von Stahlbeton |
| γSuspension | Wichte der Suspension |
| γTeilchen | Wichte von Feststoffteilchen |
| η | (dynamische) Viskosität |
| η′ | differenzielle Viskosität |
| ηs | scheinbare Viskosität |
| ηp | plastische Viskosität |
| λ | Rohrreibungszahl |
| μ | Reibungsbeiwert |
| ρ | Dichte |
| ρf | Dichte der Suspension |
| ρs | Dichte von Feststoffteilchen |
| ρSuspension | Dichte der Suspension |
| ρTeilchen | Dichte von Feststoffteilchen |
| σc | Gesteinsfestigkeit |
| τ | Scher- oder Schubspannung |
| τB | Bingham’sche Fließgrenze |
| τF | Fließgrenze |
| φ | innerer Reibungswinkel (Scherfestigkeit) |
| φ′ | Winkel des Scherwiderstands (Drucksondierung); dränierter Reibungswinkel (Scherfestigkeit) |
| φu | undränierter Reibungswinkel (Scherfestigkeit) |
| χ | Anpassungsparameter nach Slichter (Gl. 6.13) |
| II. Lateinische Symbole | |
| a | halbe Kluftöffnungsweite |
| A | Anpassungsparameter nach von Soos (Gl. 6.17) |
| ARohrstrang | Mantelfläche des Rohrstrangs |
| B | Anpassungsparameter nach von Soos (Gl. 6.17) |
| c | Formbeiwert nach Kozeny (Gl. 6.14) |
| c′ | dränierte Kohäsion (Scherfestigkeit) |
| cTeilchen | |
| cu | undränierte Kohäsion (Scherfestigkeit) |
| cw | Widerstandskoeffizient |
| C | Proportionalitätsfaktor nach Hazen (Gl. 6.15); Anpassungsparameter nach von Soos (Gl. 6.17) |
| CKlufthohlraum | Kluftvolumen in Festgesteinen |
| CMantel | Zuschlagsfaktor zur Mantelfläche für Verpressung in den Untergrund |
| CPorenvolumen | Porenvolumen in Lockergesteinen |
| d | Kluftabstand |
| d10 | Korndurchmesser entsprechend 10 Massen-% Siebdurchgang |
| d60 | Korndurchmesser entsprechend 60 Massen-% Siebdurchgang |
| d50 | Korndurchmesser entsprechend 50 Massen-% Siebdurchgang |
| ds | Durchmesser von Feststoffteilchen |
| d Teilchen | Durchmesser eines Bodenteilchens |
| dw | wirksamer Korndurchmesser |
| D | Lagerungsdichte; Geschwindigkeitsgefälle |
| e | Porenzahl; Kluftöffnungsweite |
| emax | maximal mögliche Porenzahl |
| emin | minimal mögliche Porenzahl |
| f | Filtratwasserabgabe |
| fs | lokale Mantelreibung (Drucksondierung) |
| F | Fläche; Kraft |
| FA | Auftriebskraft |
| FAuftrieb | Auftriebskraft der Vortriebsrohrs |
| FBohrloch | Mantelfläche des Ausbruchsquerschnitts |
| FG | Gewichtskraft |
| FGewicht | Gewichtskraft der Vortriebsrohrs |
| FGewicht Einbauten | Gewichtskraft der Einbauten (Kabel, Leitungen etc.) im Vortriebsrohr |
| FR,spez | spezifische Mantelreibung |
| FVorpress | Vorpresskraft des Rohrstrangs |
| FW | Widerstand gegen das Einsinken eines Bodenteilchens in die Suspension |
| g | Erdbeschleunigung |
| h | Druckhöhenunterschied |
| IA | Aktivitätszahl |
| IC | Konsistenzzahl |
| ID | bezogene Lagerungsdichte |
| IP | Plastizitätszahl |
| J | hydraulischer Gradient, Gefälle |
| Ja | Kennzahl für die Beschaffenheit der Kluftflächen |
| Jn | Kennzahl für Kluftscharen |
| Jr | Kennzahl für Kluftrauigkeit |
| Jw | Abminderungsfaktor für Gebirgswasser |
| kf | Durchlässigkeit, Durchlässigkeitsbeiwert |
| kk | Kluftdurchlässigkeit (Gl. 6.18) |
| ks | Sandrauheitshöhe |
| kT | Gebirgsdurchlässigkeit mit einer Trennflächenschar |
| K | Koeffizient |
| l | Länge, Strecke |
| lÜberschnitt | Überschnitt |
| LVergleich | Länge einer Vergleichsstrecke |
| mD | Trockenmasse der Körner mit Durchmessern größer als 0,4 mm |
| mT | Trockenmasse der Körner mit Durchmessern kleiner als 0,002 mm |
| MBallastierung | Zur Ballastierung des Vortriebsrohrs benötigte Masse |
| n | Porenraum (= Porenanteil, Porosität) |
| ne | nutzbare Porosität |
| nmax | maximal möglicher Porenraum |
| nmin | minimal möglicher Porenraum |
| N0 | Anpassungsrammung: Zahl der Schläge für die ersten 15 cm Eindringtiefe (Rammsondierung) |
| N10 | Zahl der Schläge für 10 cm Eindringtiefe (Rammsondierung) |
| N30 | Gesamtzahl der Schläge für 30 cm Eindringtiefe nach der Anpassungsrammung (Rammsondierung) |
| p | Druck |
| qc | Spitzendruck (Drucksondierung) |
| Q | Q-Wert (Maß für die Gebirgsqualität); Durchflussmenge eines Fluids |
| QMaschine | Pumprate an der Vortriebsmaschine |
| QRohrstrang | Pumprate im Rohrstrang |
| Re | Reynoldszahl |
| s | Eindringtiefe (der Suspension in den umgebenden Baugrund) |
| t | Zeit; Temperatur |
| t10′ | Gelstärke nach 10 min |
| t10″ | Gelstärke nach 10 s |
| tM | Marsh-Zeit |
| tM1500 | Marsh-Zeit bis zum Auslaufen von 1500 ml Suspension |
| w | Wassergehalt |
| wL | Wassergehalt eines Lockergesteins am Übergang von der flüssigen zur breiigen Konsistenz (Fließgrenze) |
| wP | Wassergehalt eines Lockergesteins am Übergang von der steifen zur halbfesten Konsistenz (Ausrollgrenze) |
| wS | Wassergehalt eines Lockergesteins am Übergang von der halbfesten zur festen Konsistenz (Schrumpfgrenze) |
| U | Ungleichförmigkeitsgrad |
| v | Strömungsgeschwindigkeit |
| vf | Filtergeschwindigkeit |
| vVortrieb | Vortriebsgeschwindigkeit |
| V | (Gesamt-) Volumen |
| VH | Hohlraumvolumen |
| VMaschine | Erstverpressvolumen |
| VMehrverpressung | Mehrverpressvolumen |
| VRingspalt | Ringspaltvolumen |
| VRohrstrang | Nachverpressvolumen |
| Vt | Feststoffvolumen |
| ws | Sinkgeschwindigkeit |