Robert Galler

Rock Failure and Crack Propagation Beneath Disc Cutters

Analyses of rock failure mechanisms beneath disc cutters are presented. Full-scale cutting tests are conducted to assess the global energy input in comparison with rock chips and excavated volume. Small-scale cutting tests are subsequently used for macro- and microscopic analyses of rupture modes and crack propagation. A high spatial resolution allows to obtain pictures of crack networks in different rock types. It is shown that all specimens develop lateral cracks in sufficiently confined areas whereas median cracks typically develop in boundary regions. Regarding cutting forces, a hypothesis is proposed that associates sudden force drops accompanied by sudden sound emission with grain crushing in the proximity of the cutter tip.

Analysis of Force Path Diagrams of Linear Cutting Machine - Tests regarding Geotechnical Parameters

The cutting process of disc cutters mounted on a Tunnel Boring Machine (TBM) can be simulated with linear cutting tests. The force path diagrams of such tests show that the loading of a disc cutter oscilliates strongly and that the occuring forces can reach a multiple of the values that can be found in common literature (e.g. 250 kN loading for a 17” disc cutter). The characteristics of these diagrams are not only dependent on different rock parameters, but also on parameters of the test rig and the cutter itself. These influences overlap each other. As soon as they are understood thoroughly, the geotechnical influences can be isolated and analyzed in order to gain information about the tunnel face. Assuming that cutter forces can be measured in situ, the correlation between forces and geotechnical parameters can provide a strong aid for the geological and geotechnical interpretation of the tunnel face in mechanized tunneling.

3-Dimensional Numerical Calculations Considering Geotechnical Measurement Data

This paper discusses the numerical analysis of a specific part of the deep seated Gotthard Base Tunnel. A section of the western tube situated in the Clavaniev Zone was simulated with the finite element programme ABAQUS. Geological and geotechnical documentation from the design stage and the construction stage as well as daily and monthly reports of the construction site were provided by AlpTransit Gotthard Ltd. This documentation has been used to perform 3-dimensional analyses with implementation of support elements in a realistic construction sequence. For the simulations different constitutive laws were used. The aim of this research project was to investigate whether measurements of radial deformations and the core extrusion in front of the face can be matched with the results of 3-dimensional FE simulations based on information available during the design and the construction stage.ZusammenfassungIn diesem Paper werden die Ergebnisse 3-dimensionaler numerischer Simulationen eines Abschnitts der Weströhre in der geologischen Formation der Clavaniev Zone des tiefliegenden Gotthard Basistunnels angeführt. Die geologische und geotechnische Dokumentation aus der Planungs- und der Ausführungsphase sowie die Tages- und Monatsberichte wurden von der AlpTransit Gotthard Ltd zur Verfügung gestellt. Auf Basis dieser Dokumentation wurden 3-dimensionale Simulationen unter Verwendung verschiedener Materialmodelle durchgeführt. In diesem Forschungsprojekt wurde untersucht, ob die Messergebnisse der radialen Verformungen sowie der axialen Verformungen vor der Ortsbrust mit den Ergebnissen der 3-dimensionalen Simulationen übereinstimmen.

Hydrogeologie im Gipskarst als Basis geotechnischer Langzeitprognosen im Bergbau

ZusammenfassungDie Hydrogeologie des „Haselgebirges“ ist im Zusammenhang mit Gipsbergwerken von praktischer Bedeutung. Kenntnis über den Grundwasserumsatz, Herkunft und Verweilzeit der Wässer und deren Hydrochemie bilden Grundlagen für die Beurteilung der Standsicherheit der oft oberflächennahen Grubengebäude. Neben kurzfristig über Karsthohlräume zu- und abfließenden Wässern eines lokalen Fließsystems bilden regional zirkulierende Wässer einen Teil des Gesamtabflusses. Während die lokalen Niederschlagswässer wegen ihres hohen Lösungspotenzials intensiv zur Verkarstung über dem Grubengebäude beitragen, weisen Wässer des regionalen Fließsystems bei ihrem Eintritt in das Grubengebäude Sättigung der im Gebirge vorhandenen Mineralphasen (Gips und Anhydrit) auf und sind für die Verkarstung wenig relevant.Am Beispiel eines aufgelassenen Gipsbergbaues am Kalkalpennordrand wurde eine mengenmäßige Separation von niederschlagsabhängigem Abfluss des lokalen Fließsystems und Basisabfluss eines regionalen Fließsystems vorgenommen und dabei eine Verteilung von etwa 1:3 ermittelt. Während im lokalen Fließsystem ein Umsatz innerhalb weniger Tage stattfindet, ergeben Schüttungsganglinien und Isotopenzeitreihen, dass ein wesentlicher Anteil der Wässer eine bedeutend längere Verweilzeit aufweisen muss. Die Verteilung zwischen lokalem und regionalem Fließsystem wurde mithilfe hydrochemischer Modellierungen verifiziert.AbstractThe hydrogeology of the “Haselgebirge” is of great significance in the context of gypsum mining. Knowledge of water balance, recharge areas and mean residence times, as well as hydrochemistry is crucial to assessing the long term stability of mines. Aside from a karstified local aquifer, a regional flow system can also contribute appreciable proportions to the total discharge. Groundwater from the local flow system with low mineralization is subsaturated, thus holding a high potential for karstification. Water from the regional system infiltrates the mine in a status of saturation with regard to gypsum and anhydrite. Hence, these waters have only negligible influences on karstification.The presented example of a gypsum mine in Austria describes the quantitative proportions of local and regional flow which is in the range of 1:3. The results were verified by means of hydrochemical modeling.

Diskenkraftmessung – Entwicklung eines Messsystems für den Einsatz unter widrigen Bedingungen unter Tage

ZusammenfassungDie Erfassung der Schneidkräfte von Diskenmeißeln ist seit den 70er Jahren des vorigen Jahrhunderts Schwerpunkt vieler Entwicklungen auf dem Gebiet des vollautomatisierten mechanischen Tunnelvortriebs. Bisher entwickelte Systeme haben sich am Markt nicht etablieren können und sind nie über den Status eines Prototyps gekommen. Durch die Entwicklung eines Diskenkraft-Monitoring Systems können in Zukunft bessere Vorhersagen bezüglich Werkzeugverschleiß und Penetration einer Tunnelbohrmaschine getätigt werden. Bei der Realisierung wird großes Augenmerk auf die Funktionstüchtigkeit des Messsystems unter widrigsten Bedingungen gelegt.AbstractAt the moment, a successful functional cutter force measurement system is not available on the market. Since the beginning of mechanized tunnelling the cutter force has been defined by the total thrust divided through the number of cutters. Several designs were developed in the past, but no system exceeded the level of a laboratory or a field test to a commercial application. In the course of the DRAGON project a disc cutter load monitoring system is designed which is fully integrated in the complex structure of a tunnel boring machine without a delaying influence of the tunnel driving operation. The development comprises the whole system beginning with the new design of the load cells over the data transmission and data acquisition to the visualization in the control cab. The disc cutter load monitoring system provides continuous data for a better comprehension in fields of cutter wear and fatigue or the geological characteristics of the excavated rock.

Stabilitätsanalyse eines aufgelassenen Gipsbergbaus – von der geologisch-hydrogeologisch-geotechnischen Datenerfassung zur numerischen 3D-Simulation

ZusammenfassungDie Beurteilung der Stabilität von Hohlraumbauten umfasst ein interdisziplinäres Aufgabengebiet, welches die Bereiche Geologie, Hydrogeologie, Vermessungswesen sowie Gebirgsmechanik umfasst. Dieser Beitrag zeigt anhand eines aufgelassenen Gipsbergbaues, wie die Methoden und Informationen der einzelnen Fachbereiche ineinander greifen, um ein komplexes drei-dimensionales Simulationsmodell zu erstellen. Dies soll aufzeigen, dass vor allem die Komplexität von alten, „gewachsenen“ Hohlraumbauten nicht mit zwei-dimensionalen Analysen bzw. Modellen dargestellt werden kann und diese kein realistisches Ergebnis für die Stabilitätsbeurteilung liefern. Ein nicht zu vernachlässigender Faktor auf die Stabilität des Grubenbaues ist der Einfluss von Wasser, sei es Oberflächen- bzw. Niederschlagswasser oder Grundwasser. Der Laugungsprozess des Gipses führt zu einer Schwächung des umliegenden Gebirges und damit einhergehend zu einer Verringerung der Festigkeit. Dieser Entfestigungsprozess muss auf längere Sicht in der Simulation berücksichtigt werden. Mit Hilfe der vorhandenen analytischen und numerischen Methoden bietet sich die Möglichkeit, ein zeitabhängiges Auftreten/Entstehen von Schwachstellen im Gebirge vorherzusagen, um frühzeitig Stützmaßnahmen einbringen zu können.AbstractThe assessment of the stability of underground structures is an interdisciplinary task which consists of geology, hydrogeology, surveying and geotechnical engineering. This paper gives an example of how these disciplines, their methods and the acquisition of data work together to create a complex three-dimensional computer-model of underground structures. It demonstrates, that especially the complex layout of old and “grown” underground structures cannot be represented accurately in two-dimensional analyses or models and provide no realistic results for stability investigations. Related to the stability of underground structures, a non-negligible factor is the influence of water, whether surface, rain or groundwater. The occurring leaching process of gypsum leads to a weakening of the surrounding rock which causes a strength reduction. This softening of the material must be considered in long-term simulations. The presented comprehensive approach tries to provide a possibility to predict the time-dependent occurrence of vulnerabilities in the rock mass and thus gives the possibility to install support measures in an early stage.

Laugungsversuche als Grundlage zur Stabilitätsuntersuchung von Grubengebäuden in wasserlöslichen Gebirgsformationen

ZusammenfassungDie Beurteilung der Stabilität von Grubengebäuden umfasst ein interdisziplinäres Aufgabengebiet verschiedener Fachbereiche. Neben den Bereichen Geotechnik und Geologie spielt die Hydrogeologie, in Abhängigkeit der geologischen Gegebenheiten, eine große Rolle. Wasser kann die Stabilität eines Grubengebäudes stark beeinträchtigen. Dies gilt vor allem für wassersensitive Bereiche wie beispielsweise bei Salzen und Gips. Je nach Herkunft und Verweilzeit im Untergrund können Gruben- sowie Oberflächenwässer die Standfestigkeit des Bergwerkes beeinflussen. In Verbindung mit hydrochemischen Analysen der Grubenwässer kann die Herkunft der Wässer, ihre untertägigen Verweilzeiten sowie die damit verbundenen Lösungsprozesse, welche die Standfestigkeit des Grubengebäudes beeinflussen können, bestimmt werden. Ein nicht zu vernachlässigender Lösungsanteil des Berg- und Niederschlagswassers, der in den meisten Betrachtungen bis dato unberücksichtigt blieb, wird bedingt durch die Austragung feinstkörniger Materialanteile, die chemisch nicht in Lösung gehen. Diese Feinstkornanteile können nach chemischer Umwandlung der wasserlöslichen Bestandteile ausgeschwemmt werden und erhöhen somit den gesamten Materialaustrag. In diesem Beitrag wird ein neuartiger Versuchsaufbau zur Ermittlung der Feinstkornanteile dargestellt und die Auswirkung von Laugungsprozessen auf Gesteine an verschiedenen Beispielen und Varianten zur Implementierung derartiger Prozesse in numerische Simulationen aufgezeigt.AbstractThe assessment of the stability of underground structures comprises an interdisciplinary area of various special fields. In addition to the fields of geotechnical engineering and geology, hydrogeology plays a major role depending on the geological conditions. Water can heavily influence the stability of underground structures. This applies especially for water-sensitive areas such as salt and gypsum. Depending on the origin and residence time in the subsurface, rainwater and groundwater can affect the stability of the underground structure. In combination with different hydro-chemical water analyses, the origin and the residence time of the water, which is responsible for the leaching process and accompanying stability reduction, can be determined. A non-negligible part of the leaching process of the water, which so far has not always been taken into account, is fine-grained material which does not go chemically in solution. These fine particles can be washed out with the chemical leaching process and increase the whole amount of material loss. In this paper, a new experimental setup for the determination of very fine particles is presented. The effect of the leaching process on the stability, including different variants for the implementation of such processes in numerical simulations, will be shown.

Neue Messtechnologien für TBMs und ihr Nutzen

ZusammenfassungEffiziente Messtechnologien sind eine essenzielle Voraussetzung für die erfolgreiche Abwicklung von Tunnelgroßprojekten. Die aktuelle Realisierung solcher Projekte befeuert die Entwicklung neuer Messtechnologien und die Optimierung vorhandener. Gegenwärtige Innovationen fokussieren speziell den Vortriebsbereich von Tunnelvortriebsmaschinen (TVMs). Im Beitrag näher betrachtet werden daher ein neuartiges TVM-Steuerleitsystem, ein Verfahren zur kontinuierlichen Diskenkraftmessung, die geologische 3D-Dokumentation der TVM-Ortsbrust mittels eines Kamerasystems und ein 3D-Laserscannersystem für das Monitoring des Tübbingausbaus. Die neuen Messtechnologien bieten ein reiches Forschungsfeld und tragen zu einem tieferen Verstehen der Interaktion zwischen TVM und Gebirge bei.AbstractEfficient measurement technologies are essential for the successful realization of big tunnel projects. The currently running projects are the basis for the development of new and improved technologies. Recent innovations concentrate right on the heart of interaction between TBM and surrounding rock/soil. Therefore, the article presents a new navigation system, the continuous monitoring of the cutting process using a disc cutter load system, the geological documentation of the TBM-face with a newly developed camera system and a 3D-laserscanning system for the monitoring of tunnel segments. The measurement systems covered in the contribution aim at a deepened knowledge of the interaction between TBM and rock/soil.

Untersuchungen zur mechanischen Beständigkeit von Tunneldichtungsbahnen im Verbund mit Spritzbeton in Tunnelschalen

ZusammenfassungVerkehrstunnel mit einer geplanten Lebensdauer von mehr als 100 Jahren müssen gegen die Einwirkung von Grund- und Bergwasser geschützt werden. Entsprechend hoch sind die Anforderungen an die Tunnelkonstruktion und an das Abdichtungssystem. In Laboruntersuchungen wurden Versuche zum mechanischen Verbundverhalten von Tunnelschalen und Abdichtungssystemen in einem zweischaligen Tunnel durchgeführt. Ziel der Analysen ist es, die Eigenschaften von Dichtungsbahnen und Geotextilien beim Einbau im Tunnel und bei Reduzierung der Tragfähigkeit der primären Spritzbetonschale zu bestimmen. Zu diesem Zweck wurden verschiedene Tests durchgeführt, um das Verhalten bei unterschiedlichen mechanischen Einwirkungen auf das Verbundsystem, bestehend aus Spritzbeton, Schutzvlies, Dichtungsbahn und Innenschalenbeton zu untersuchen. Die Untersuchungen zeigen den Einfluss der Oberflächenrauheit von Spritzbeton auf die Dichtungsbahn und das Geotextil.AbstractTraffic tunnels with a planned technical life time of more than 100 years must be protected against the effects of ground- and mountain water. This leads to requirements for tunnel construction and to the sealing system. In this study the mechanical behaviour of the interface connection in a double shell lining tunnel was investigated in laboratory tests. The aim of the analysis is to determine the characteristics of sheet membranes and geotextiles in case of reduced load-bearing capacity caused by degraded primary lining. For this purpose different types of tests were performed to examine the behaviour at various mechanical loads placed onto the composite system consisting of sprayed concrete, geotextile, sheet membrane and cast in place concrete. The investigations show the influence of the surface roughness of sprayed concrete on the sheet membrane and geotextile.

Laborversuch und numerische Simulation des Keilspalttests an Sandstein- und Granitproben

ZusammenfassungIm Rahmen dieser Arbeit werden die bruchmechanischen Parameter an Granit- und Sandsteinproben mit Hilfe des Keilspalttests nach E. Tschegg bestimmt. Allgemein stellt der Keilspalttest eines der gebräuchlichsten Verfahren zur bruchmechanischen Charakterisierung von heterogenen Werkstoffen unter Modus I Belastung dar. Die Bestimmung der spezifischen Bruchenergie und der nominellen Kerbzugfestigkeit erfolgt unmittelbar aus dem Versuch, die direkte Zugfestigkeit wird invers ermittelt. Die experimentellen Ergebnisse werden mit dem FEM-Programmpaket ABAQUS numerisch nachgebildet und für die Materialien Granit und Sandstein repräsentative Materialparametersätze generiert. Die experimentellen und numerischen Resultate werden mit den Ergebnissen von direkten Zugversuchen und Brazilian-Tests verglichen und verifiziert.AbstractThe purpose of this paper is the determination of the fracture mechanical characteristic values of granite and sandstone samples using the wedge splitting test according to E. Tschegg. The wedge splitting test is one of the most common techniques used for the determination of the fracture mechanical characterization of heterogeneous materials under crack mode I. The specific fracture energy and the nominal notch tensile strength will be calculated directly from the testing and the tensile strength has to be ascertained inversely. The results gained from the experiments were used in the finite element software ABAQUS. Furthermore, the results were used for the creation of a set of representative material parameters for granite and sandstone. For reasons of verification, the numerical and experimental results were compared with the results of direct tensile tests and Brazilian tests.