Teilschnittmaschine

Teilschnittmaschine Gesamtansicht
Nachfolger der ersten TSM, am Fahrwerk zu erkennen.

Eine Teilschnittmaschine (TSM) ist eine Vortriebsmaschine für den Tunnel- und Bergbau.[1] Teilschnittmaschinen gehören aufgrund ihrer Bauform zu den Umfangfräsen.[2] Da heutige Teilschnittmaschinen mit Schneidköpfen arbeiten, nennt man diese Maschinen auch Schneidkopfmaschinen.[3] Sie sind geeignet für den Abbau von weichem bis mittelhartem standfesten Gestein.[4] Des Weiteren können sie unter Mixed Face-Bedingungen[ANM 1] eingesetzt werden.[5] Mit Teilschnittmaschinen können beliebig geformte Streckenquerschnitte erstellt werden.[6] Mit Teilschnittmaschinen ist es sogar möglich Kurven mit einem Radius von bis zu 100 Gon zu erstellen.[7] Sie sind somit eine gute Alternative zum herkömmlichen Streckenvortrieb mittels Bohr- und Sprengverfahren.[8]

Geschichte

Die erste Teilschnittmaschine wurde in der Mitte der 1960er Jahre in Osteuropa eingesetzt. Diese Maschine bestand aus einem Grundrahmen mit dem Raupenfahrwerk eines Arbeitspanzers. Am Grundrahmen war ein Auslegerarm befestigt, an dessen oberem Ende Fräsköpfe montiert waren. Der Ausleger hatte eine dreiachsige Beweglichkeit. Diese Maschinen wurden auch in westeuropäischen Bergwerken zur Erprobung eingesetzt.[9] Anfang der 1970er Jahre begann man in Westeuropa damit, eigene Maschinen zu entwickeln. Zuerst wurden die aus Osteuropa stammenden Maschinen in Lizenz nachgebaut und verbessert, später wurden eigene Maschinen konstruiert. Die Teilschnittmaschinen wurden parallel zu den Vollschnittmaschinen entwickelt.[6] Zu Beginn der 1980er Jahre waren Teilschnittmaschinen hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit und Funktionsvielfalt bereits sehr weit entwickelt worden.[10] Zu Beginn des 21. Jahrhunderts wurden erstmalig intelligente Teilschnittmaschinen[ANM 2] eingesetzt, die mit einer Positionserfassung und einer Grenzschnitterkennung ausgestattet waren und ein Schneiden im Automatikbetrieb ermöglichten.[11]

Aufbau

Prinzip der Teilschnittmaschine

Die Teilschnittmaschine besteht aus einem Grundrahmen (Maschinenchassis), in dem sich die Hydraulik der Maschine befindet.[12] Am vorderen Teil der Maschine ist ein Ausleger montiert.[13] Der Ausleger ist sowohl horizontal als auch vertikal schwenkbar.[14] Es gibt auch Maschinen, die mit einem Knickausleger[ANM 3] ausgerüstet sind.[15] Am oberen Ende des Auslegers befindet sich der Schneidkopf.[2] Der Schneidkopf ist mit mehreren Schneidmeißeln bestückt.[16] Die TSM ist zur Fortbewegung mit zwei Raupenfahrwerken ausgerüstet.[13] Einige TSM-Typen haben anstelle der Raupenfahrwerke zur Fortbewegung Schreitwerke.[14] Der Bediener sitzt meist wie bei einem Bagger auf der Maschine, der Bedienplatz kann bei kleinen Maschinen oder bei geringen Querschnitten aber auch hinter oder neben der Maschine angeordnet sein.[13] Zum Wegladen des Haufwerks befindet sich an der Front des Grundrahmens im Sohlenbereich ein Ladetisch, der mit einer entsprechenden Ladeeinrichtung ausgerüstet ist.[2] Für die Abförderung des Haufwerks ist in der Mitte des Maschinenchassis oder auch seitlich ein Kratzkettenförderer integriert.[3] Dieser Kratzkettenförderer ist so groß dimensioniert, dass auch größere Gesteinsbrocken abgefördert werden können. Die gesamte Fördereinrichtung ist in der Regel höhenverstellbar und schwenkbar.[17] Damit bei brächigem Hangenden unverzüglich nach dem Schneidvorgang eine Firstsicherung in Form von Ankern oder Gebirgsverfestigern eingebracht werden kann, werden Teilschnittmaschinen bei Bedarf auch mit einer Bohreinrichtung ausgerüstet.[18] Der Antrieb der einzelnen Maschinenelemente erfolgt entweder elektrisch oder elektrohydraulisch.[19] Die Energieversorgung der Maschine ist bei größeren Teilschnittmaschinen in einem Nachläuferzug integriert.[3] In diesem Nachläuferzug befindet sich auch die Entstaubungsanlage und sämtliche weiteren Betriebsmittel wie die Wetterklimatisierung.[13]

Maschinentypen

Schneidköpfe der TSM

Teilschnittmaschinen werden in axial und in radial schneidende Typen eingeteilt.[20] Axial schneidende Teilschnittmaschinen haben einen Querschneidkopf.[3] Bei diesen Maschinen steht die Schneidkopfachse senkrecht zum Ausleger.[6] Bauartbedingt wirken bei dieser Maschine die Reaktionskräfte in Richtung Schneidarm.[3] Aus diesem Grund haben axial schneidende Maschinentypen ein relativ geringes Eigengewicht.[6] Radial schneidende Teilschnittmaschinen haben einen Längsschneidkopf.[3] Bei diesen Maschinen dreht sich die Schneidwalze in der Verlängerung des Schneidarms.[21] Aus diesem Grund wirken die Reaktionskräfte senkrecht zum Schneidarm.[3] Bedingt durch den langen Hebelarm wirkt sich das Gewicht des Schneidkopfes auf das erforderliche Gewicht der Maschine aus.[6] Maschinen mit radial schneidendem Kopf benötigen ein hohes Eigengewicht.[3] Das Gewicht der Maschine muss dabei so hoch sein, dass es dem Kippmoment beim Schwenken des Schneidkopfes entgegenwirken kann.[2]

Größen

Entsprechend den jeweiligen Anforderungen werden Teilschnittmaschinen mit unterschiedlichen Antriebsleistungen für den Schneidkopf und unterschiedlichem Gesamtgewicht gebaut.[21] Zurzeit gibt es Maschinen mit Antriebsleistungen von 20 Kilowatt bis 400 Kilowatt und Gesamtgewichten von 8 Tonnen bis 140 Tonnen.[22] Je nach Antriebsleistung und Gesamtgewicht werden die Maschinen kategorisiert von leicht[21] bis extraschwer[22] bzw. überschwer.[21]

Größenkategorien heutiger Teilschnittmaschinen
(nach Lammer & Gehring, 1998)
GewichtsklasseGewichtsbereich
(Tonnen)		Schneidkopfleistung
(Kilowatt)		Querschnitt (m²)
normaler Schneidbereich		Querschnitt (m²)
erweiterter Schneidbereich
leicht08–40050–170~ 25~ 40
mittel40–70160–230~ 30~ 60
schwer70–110250–300~ 40~ 70
extra schwer> 100350–400~ 45~ 80

Quelle:[22]

Arbeitsweise

Um die Ortsbrust zu bearbeiten, wird die Teilschnittmaschine mit den Raupenfahrwerken auf die Ortsbrust zu gefahren und der Schneidkopf wird in Bewegung gesetzt.[2] Anschließend wird die Ortsbrust des Tunnels bzw. der Strecke stückweise mit dem Schneidkopf abgefräst.[1] Um die Ortsbrust optimal bearbeiten zu können, muss zunächst ein sogenannter Einbruch in der Ortsbrust erstellt werden.[6] Nachdem der Einbruch erstellt wurde, kann anschließend die gesamte Ortsbrust abgefräst werden.[22] Das Material wird durch den Schneidkopf feinstückig herausgeschnitten.[23] Das von dem mit Hartmetallmeißeln bestückten Fräskopf abgetragene Material bzw. Gestein wird mit einer Ladeschaufel aufgenommen und von mehreren Ladearmen oder von rotierenden Ladescheiben zu einem mittig durch die Teilschnittmaschine laufenden Kettenkratzförderer geschoben.[3] Am Ende dieses Förderbandes wird das Gestein dann über einen Ausleger auf ein Förderband abgeworfen, das mit fortschreitender Streckenauffahrung nachgeführt werden muss.[2] Problematisch sind beim Betrieb der Maschine der hohe Verschleiß der Schneidmeißel und die große Staubentwicklung.[24]

Krafteintrag ins Gestein

Bei der Teilschnittmaschine erfolgt der Krafteintrag in das Gestein auf zwei Arten.[21] Zum einen durch die Rotationsbewegung des Schneidkopfes, zum anderen durch den Andruck an das Gestein.[22] Die den Andruck an das Gebirge hervorrufende Vorschubkraft wird durch die Raupenfahrwerke erbracht.[6] Die Maschinen können nicht mit dem Gebirge verspannt werden,[2] aus diesem Grund erfolgt die Aufnahme der Rückstellkräfte beim Schneidvorgang durch die Maschinenmasse.[3] Damit nun die Maschine eine genügend hohe Kraft ins Gestein einleiten kann, muss sie eine hohe Masse haben.[2] Je größer das Gewicht der Maschine ist, umso festere Gesteinsarten lassen sich mit der Maschine schneiden.[23]

Staubbekämpfung

Beim Fräsen des Gesteins entsteht sehr viel Staub, der mit geeigneten Mitteln bekämpft werden muss.[20] Dazu gibt es zwei Möglichkeiten, die Staubabsaugung und die Berieselung mit zusätzlicher Bewetterung.[17] Bei der Staubabsaugung wird der Staub konzentriert an der Entstehungsstelle abgesaugt und zu einer Entstaubungsanlage geleitet.[20] Zur Absaugung gibt es zwei Möglichkeiten, die Absaugung über einen vorauseilenden Pilotstollen oder die Absaugung über Absaugrohre. Die Absaugrohre werden links und recht an der Maschine montiert.[25] An die Absaugrohre werden flexible Lutten befestigt, über die dann der Staub bis zur Entstaubungsanlage geführt wird.[17] Bei der Berieselung wird der Staub mittels versprühtem Wasser benetzt und dadurch teilweise gebunden.[20] Das Wasser wird durch spezielle Innendüsen, die im Schneidkopf integriert sind, unter hohem Wasserdruck versprüht. Der Wasserdruck ist in Grenzen regulierbar. Dies ist notwendig, um die erforderliche Wassermenge an die Verhältnisse vor Ort anzugleichen. Das Wasser kühlt dabei gleichzeitig die Schneidmeißel und reduziert die Funkenbildung beim Schneidvorgang. Zusätzlich wird der noch vorhandene Staub abgesaugt und zur Entstaubungsanlage geleitet.[17] Moderne Teilschnittmaschinen sind mit einem computerüberwachten Bedüsungssystem ausgestattet.[11]

Einsetzbarkeit und Grenzen

Teilschnittmaschinen können zur Auffahrung in Gesteinen mit bis zu mittlerer Festigkeit eingesetzt werden.[26] Insbesondere bei geschichtetem und geklüftetem Gestein sind Teilschnittmaschinen gut geeignet.[23] Sie sind im Trockenen als auch in leicht wasserführenden Gesteinsschichten einsetzbar.[4] Man kann mit einer Teilschnittmaschine unterschiedliche Streckenprofile auffahren.[17] Die Einsatzgrenzen der Teilschnittmaschine liegen in erster Linie in der Druckfestigkeit des Gesteins.[3] So liegt die wirtschaftlich noch beherrschbare Gesteinsdruckfestigkeit[ANM 4] nach Lammer & Gehring bei maximal 120 bis 140 Newton pro Quadratmillimeter.[27] Allerdings sind diese Grenzen nicht fest, sondern werden von vielen Faktoren wie Kornbindung, Zugfestigkeit, Zähigkeit, Trennflächen und Gebirgsklassifizierung beeinflusst.[21] Ein einschränkendes Kriterium für den TSM-Einsatz ist die Staubentwicklung insbesondere bei quarzhaltigen Gesteinen, sowie die dabei auftretenden starken Vibrationen.[27] Wesentliche Faktoren sind auch die Standfestigkeit der Schneidwerkzeuge sowie die Antriebsleistung und das Gesamtgewicht der Maschine.[28] Eine weitere Grenze für die Einsetzbarkeit von Teilschnittmaschinen ist der Streckenquerschnitt.[29] Bei zu kleinen Streckenquerschnitten können Teilschnittmaschinen nicht eingesetzt werden, da so kleine Maschinen nicht die erforderliche Schneidleistung erbringen können.[23]

Siehe auch

Einzelnachweise

  1. ↑ a b Walter Bischoff, Heinz Bramann, Westfälische Berggewerkschaftskasse Bochum: Das kleine Bergbaulexikon. 7. Auflage, Verlag Glückauf GmbH, Essen 1988, ISBN 3-7739-0501-7.
  2. ↑ a b c d e f g h Eric Drüppel: Entwicklung eines Konzeptes für die schneidende Gewinnung im Steinsalz. Dissertation an der Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, Aachen 2010, S. 17–19.
  3. ↑ a b c d e f g h i j k Ernst-Ulrich Reuther: Lehrbuch der Bergbaukunde. Mit besonderer Berücksichtigung des Steinkohlenbergbaus. Erster Band, 12. Auflage, VGE Verlag GmbH, Essen 2010, ISBN 978-3-86797-076-1, S. 334, 347–355, 464, 472, 489.
  4. ↑ a b Horst König: Maschinen im Baubetrieb. Grundlagen und Anwendung. Studium, 2. aktualisierte und erweiterte Auflage, Vieweg + Teubner Verlag Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2008, ISBN 978-3-8351-0250-7, S. 324.
  5. ↑ Katharina Christina Zach: Ein Datenmodell zur digitalen Dokumentation des Bauprozesses im Tunnelbau. Masterarbeit am Lehrstuhl für Subsurface Engineering der Montan Universität Leoben, Leoben 2011, S. 5, 20.
  6. ↑ a b c d e f g Heinrich Otto Buja: Ingenieurhandbuch Bergbautechnik, Lagerstätten und Gewinnungstechnik. 1. Auflage, Beuth Verlag GmbH Berlin-Wien-Zürich, Berlin 2013, ISBN 978-3-410-22618-5, S. 268–271, 309, 310, 497.
  7. ↑ Nikolaus A. Sifferlinger: Stand der mechanischen Löseverfahren im Bergbau. In: Berg- und Hüttenmännische Monatshefte BMH. 167 Jahrgang, Heft 2, 2022, S. 46, 47.
  8. ↑ Ralf J. Plinninger: Teilschnittmaschinen als alternatives Vortriebsverfahren im innerstädtischen Tunnel- und Stollenbau - Chancen und Risiken. In: 18. Tagung für Ingenieurgeologie und Forum Junge „Ingenieurgeologen“. Tagungsband, Berlin 2011, S. 139–145.
  9. ↑ Heading machines. Abgerufen am 17. August 2011 (englisch, Homepage der Jasinowatskier Maschinenfabrik, in der die erste TSM gebaut wurde.).
  10. ↑ Martin Junker et al.: Technische Entwicklung bei der RAG in den letzten 50 Jahren. In: Gesamtverband Steinkohle e.V.: Mining Report – Glückauf. Fachzeitschrift für Bergbau, Rohstoffe und Energie, 155 Jahrgang, No. 1, Verlag Bergbau-Verwaltungsgesellschaft mbH, Essen 2019, ISSN 2195-6529, S. 28–30, 34–37.
  11. ↑ a b Jürgen Kroker: Eine Erfolgsgeschichte: Bottrop und der Bergbau. In: Gesamtverband Steinkohle e.V.: Mining Report – Glückauf. Fachzeitschrift für Bergbau, Rohstoffe und Energie, 154 Jahrgang, No. 6, Verlag Bergbau-Verwaltungsgesellschaft mbH, Essen 2018, ISSN 2195-6529, S. 535.
  12. ↑ Horst Roschlau, Wolfram Heinze: Bergmaschinentechnik. 1. Auflage, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1976, S. 201–206.
  13. ↑ a b c d Wirtschaftsvereinigung Bergbau e.V.: Das Bergbau Handbuch. 5. Auflage, Verlag Glückauf GmbH, Essen, 1994, ISBN 3-7739-0567-X, S. 45, 47, 294, 295.
  14. ↑ a b Heinz M. Hiersig (Hrsg.): VDI-Lexikon Maschinenbau. VDI-Verlag GmbH, Düsseldorf 1995, ISBN 978-3-540-62133-1.
  15. ↑ Leopold Müller: Der Felsbau. Band 3, Tunnelbau. Bodenmechanik und Felsmechanik, Springer Spektrum Verlag, Berlin 2018, ISBN 978-3-662-58197-1, S. 413, 414.
  16. ↑ Maxim Vorona: Optimierung des Schneidprozesses und Prognose der relevanten Arbeitsgrößen bei der Gesteinszerstörung unter Berücksichtigung des Meißelverschleißes. Dissertation 2012, Technische Universität Bergakademie Freiberg, S. 7–14, 16, 19–21.
  17. ↑ a b c d e Gerhard Girmscheid: Baubetrieb und Bauverfahren im Tunnelbau. 2. Auflage. Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH und Co.KG., Berlin 2008, ISBN 978-3-433-01852-1, S. 136–138, 141–145, 148–152.
  18. ↑ Harald Korfmann: Teilschnittmaschinenauffahrung in Kombi-Technik. In: Thyssen Schachtbau GmbH. (Hrsg.): Report, Werkszeitschrift für die Unternehmen der Thyssen Schachtbau Gruppe. Druck Color-Offset-Wälter GmbH & Co. KG (Dortmund), Mülheim an der Ruhr 2001, S. 4–6.
  19. ↑ Hans-Gustav Olshausen (Hrsg.): VDI-Lexikon Bauingenieurwesen. Zweite, überarbeitete und erweiterte Auflage. VDI-Gesellschaft Bautechnik, Springer Verlag, Berlin Heidelberg 1997, ISBN 978-3-642-48098-0.
  20. ↑ a b c d Friedrich Brune: Erfahrungen beim Einsatz einer Teilschnittmaschine in Tübingen. In: Deilmann-Haniel GmbH. (Hrsg.): Unser Betrieb, Werkszeitschrift für die Unternehmen der Deilmann-Haniel-Gruppe. Nr. 14, Druck Firma A. Heilendorn (Bentheim), Dortmund September 1974, S. 24–28.
  21. ↑ a b c d e f Kurosch Thuro: Geologisch-felsmechanische Grundlagen der Gebirgslösung im Tunnelbau. Habilitationsschrift 2002, ETH Zürich, ISSN 1430-5674, S. 4, 26–39.
  22. ↑ a b c d e Klaus Eichler und 11 Mitautoren: Fels und Tunnelbau. Verwitterung und Verbauung - Baustoffe und Umwelt - Vortrieb und Sicherung - Abdichtung und Ankerung. Mit 237 Bildern, 56 Tabellen und 124 Literaturstellen, Kontakt und Studium Band 592, Expert Verlag, Renningen-Malmsheim 2000, ISBN 3-8169-1741-0, S. 127–129.
  23. ↑ a b c d Dimitrios Kolymbas: Geotechnik-Tunnelbau und Tunnelmechanik. Springer Verlag, Berlin Heidelberg New York 1998, ISBN 3-540-62805-3, S. 48.
  24. ↑ Gerhard Bischoff, Werner Gocht (Hrsg.): Energietaschenbuch. Mit 95 Bildern und 71 Tabellen. Friedrich Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig / Wiesbaden 1979, ISBN 978-3-663-00046-4, S. 92.
  25. ↑ Willy Meyeroltmanns: Staubbekämpfung beim Einsatz von Teilschnittmaschinen. In: Schweizer Ingenieur und Architekt Zeitschrift. 102 Band, Heft 13, Zürich 1984, S. 239–249.
  26. ↑ Julia Sauer: Ökologische Betrachtungen zur Nachhaltigkeit von Tunnelbauwerken der Verkehrsinfrastruktur. Genehmigte Dissertation am Lehrstuhl für Massivbau der Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt, München 2016, S. 13.
  27. ↑ a b Helmut Prinz, Roland Strauß: Ingenieurgeologie. 5. bearbeitete und erweiterte Auflage, Spektrum akademischer Verlag, Heidelberg 2011, ISBN 978-3-8274-2472-3, S. 549.
  28. ↑ Karlheinz Wennmohs: Verfahrenskonkurrenz: Teilschnittmaschine / Bohrjumbo. In BTM-1983 Heft 3.
  29. ↑ Gerhard Girmscheid: Bauprozesse und Bauverfahren im Tunnelbau. 3. überarbeitete und erweiterte Auflage. Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH und Co.KG., Berlin 2013, ISBN 978-3-433-03047-9, S. 150–152, 155–159, 162–166, 169.
Commons: Teilschnittmaschinen – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Anmerkungen

  1. ↑ Mixed Face-Bedingung treten dann auf wenn Gesteine mit sehr unterschiedlichen Löseverhalten vorhanden sind. Die Bezeichnung bezieht sich gemäß der Ö-Norm B 2203 für Bedingungen bei einem Abschlag mit solchen Gesteinen, die einerseits mit Sprengarbeit und zusätzlich mit einem Bagger oder einer Teilschnittmaschine bearbeitet werden müssen. Mixed Face-Bedingen dürfen nicht mit der Mischbrust (Mixed-Face), also einer Ortsbrust mit unterschiedlichen Lithologien, verwechselt werden. (Quelle: Katharina Christina Zach: Ein Datenmodell zur digitalen Dokumentation des Bauprozesses im Tunnelbau.)
  2. ↑ Diese Teilschnittmaschinen sind mit mehreren technischen Erneuerungen ausgestattet. Zudem sind sie auch in der Lage eigenständig den Funktionszustand der Maschine zu überprüfen. Dadurch lassen sich Fehler frühzeitig erkennen. Dadurch bedingt wird die Instandhaltung der Maschine erheblich erleichtert. (Quelle: Jürgen Kroker: Eine Erfolgsgeschichte: Bottrop und der Bergbau.)
  3. ↑ Durch den Knickausleger ist eine bessere Anpassung an die Vortriebsarbeit möglich. (Quelle: Leopold Müller: Der Felsbau. Band 3, Tunnelbau.)
  4. ↑ Bei höheren Gesteinsdruckfestigkeiten (> 200 N/mm2) kommt es zu sinkenden Vortriebsleistungen. Des Weiteren führen diese hohen Gesteinsdruckfestigkeiten zu einem hohen Verschleiß an den Meißeln und dadurch verbunden zu hohen Kosten. Letztendlich ist hier in der Regel die Umstellung auf eine andere Vortriebsmethode erforderlich. (Quelle: Helmut Prinz, Roland Strauß: Ingenieurgeologie. 5. bearbeitete und erweiterte Auflage.)
Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Teilschnittmaschine