Wie wählt man einen hydraulischen Bohrhammer für den Tunnelbau aus? Professionelle Methode

Die Kosten einer falschen Bohrhammerauswahl beim Tunnelbau zeigen sich in einer Buchhaltungsposition, die die meisten Beschaffungsprozesse nicht erfassen: dem Überbruchvolumen pro Sprengzyklus. Ein Bohrhammer, der nicht auf den Tunnelquerschnitt, die Gesteinsformation oder die Bohrtiefe abgestimmt ist, erzeugt ein Sprengmuster mit ungleichmäßiger Sprenglastverteilung – die Sprengladung pro Bohrloch muss mehr oder weniger Gestein bewegen, als ursprünglich geplant war; die Konturbohrungen führen zu unregelmäßigen Tunnelwänden; und das Beton- oder Spritzbetonvolumen zur Auffüllung des Überbruchs wird bei jedem Sprengzyklus über die gesamte Projektdauer in Rechnung gestellt. Bei einem 5-Kilometer-Straßentunnel mit durchschnittlich 100 Sprengzyklen führt bereits ein zusätzlicher Überbruch von 0,1 m³ pro Zyklus zu insgesamt 10 m³ zusätzlichem Beton, der nicht im Budget vorgesehen war.

Dies ist die betriebliche Relevanz der Bohrhammerauswahl beim Tunnelbau. Die technischen Entscheidungen betreffen die Bohrgenauigkeit, eine konstante Eindringgeschwindigkeit bei wechselnden geologischen Verhältnissen sowie eine zuverlässige Leistung im Dauerbetrieb – nicht die Spitzenwerte der Schlagenergie, wie sie in technischen Datenblättern angegeben sind.

Tunnel-Querschnitt bestimmt die Auslegerkonfiguration, welche wiederum die Klasse des Bohrgeräts festlegt

Ausgangspunkt ist der Tunnel-Querschnitt, nicht die Gesteinsart. Der Querschnitt bestimmt, wie viele Ausleger der Bohrwagen benötigt, was wiederum die mechanischen Einbaubegrenzungen des Bohrgeräts festlegt. Bei kleinen Tunneln unter 20 m² (engen Bergwerksstrecken, kleinen Zugangsaushämmungen) muss ein Ein-Ausleger-Gerät alle Bohrlöcher von einer einzigen Trägerposition aus erreichen können, ohne neu positioniert zu werden – das Bohrgerät muss daher kompakt genug für die kurze Auslegergeometrie sein, ohne dabei an Schlagenergie einzubüßen. Bei Straßentunneln über 80 m² ermöglicht ein Zwei- oder Dreiausleger-Bohrwagen das gleichzeitige Bohren in mehreren Bereich der Tunnelsohle; hier richtet sich die Auswahl des Bohrgeräts primär danach, die Schlagklasse an das Gestein anzupassen, während der Ausleger die geometrische Reichweite sicherstellt.

Die praktische Konsequenz: Bei einem Eisenbahntunnelquerschnitt von 6 × 7 m (42 m²) übertrifft ein Zwei-Arm-Jumbo mit Bohrgeräten der Mittelklasse (80–150 J) in der Regel eine Einarm-Anlage mit schweren Bohrgeräten, da der Zwei-Arm-Jumbo das Gesichtsbohrmuster aus 80–120 Löchern pro Aufstellung um 40–60 % schneller abschließt. Die zusätzliche Schlagenergie des schweren Bohrgeräts geht verloren, wenn der entscheidende Engpass die Positionierungszeit zwischen den einzelnen Bohrlöchern und nicht die Eindringgeschwindigkeit innerhalb jedes Lochs ist.

Klassifizierung der Gesteinsformationen zur Auswahl des Tunnelbohrgeräts

Die Geologie im Tunnelbereich ändert sich kontinuierlich entlang der Vortriebsstrecke – an manchen Abschnitten härter als erwartet, an anderen weicher und stärker gebrochen. Das Bohrgerät muss über den gesamten im Projekt tatsächlich auftretenden Gesteinsbereich hinweg ausreichend leistungsfähig sein, nicht nur bei der für die Planung zugrunde gelegten Gesteinsklasse. Projekte, bei denen ein Bohrgerät speziell für die vorherrschende Geologie ausgelegt wird und dann auf einen 40 m langen Granitabschnitt mit einer Druckfestigkeit von 180 MPa stoßen – während die Planungsgeologie aus Kalkstein mit 100 MPa Druckfestigkeit bestand – verzeichnen Einbruchsgeschwindigkeitsrückgänge, die den gesamten Projektablauf verzögern.

Das geeignete Auswahlkriterium für Tunnel in variabler Geologie: Wählen Sie die Bohrgerät-Klasse für die härtesten 20 % der erwarteten Gesteinsformation, nicht für den Durchschnitt. Die Leistungsreserve in weicheren Gesteinen wird durch eine höhere Bohrgeschwindigkeit als die konstruktiv vorgesehene Schätzung kompensiert – ein willkommenes Problem. Die Leistungseinbuße in härterem als dem konstruktiv vorgesehenen Gestein wird durch Verzögerungen ausgeglichen.

Auswahltabelle für Bohrgeräte bei Tunnelanwendungen

Bohrgenauigkeit: Die tunnelbauspezifische Leistungskenngröße

Bei oberflächennahem Bohren ist die Bohrlochabweichung in der Tiefe für die Sprenggeometrie relevant, kann jedoch häufig durch die Ladungsplanung ausgeglichen werden. Beim Tunnelbau bestimmt die Bohrlochabweichung, ob der Brandstich funktioniert – die eng beieinander liegenden, ungesprengten Entlastungsbohrungen in der Mitte der Tunnelwand müssen innerhalb einer Toleranz von 20–30 mm ihrer vorgesehenen Positionen liegen; andernfalls versagt die Zündsequenz des Brandstichs, wodurch der Vortrieb pro Schlag reduziert wird. Ein Schlag mit einem fehlgeschlagenen Brandstich führt zu einem Vortrieb von nur 1,5–2 Metern statt der geplanten 4–5 Meter und erfordert das erneute Bohren der nächsten Tunnelwand.

Der Halbgußfaktor ist das Standardmaß für die Qualität des Konturbohrens: das Verhältnis der sichtbaren Halbgußstellen an den Sprenglöchern auf der gesprengten Fläche zur gesamten Konturlöcherlänge. In festem Gestein mit gut ausgeführten Bohrmustern sind Halbgußfaktoren von 50–80 % erreichbar. Eine ungeeignete Wahl des Bohrgeräts – beispielsweise eines Geräts mit zu hoher Empfindlichkeit gegenüber freiem Hammerbetrieb, unzureichender Vorschubkontrolle oder ungenügender Blockierverhinderungsfunktion für die jeweilige Geologie – führt zu gekrümmten Löchern, die unabhängig von der Qualität der Sprengstoffe niedrige Halbgußfaktoren bewirken. Computergesteuerte Bohrjumbos mit Parallelhalterungs-Boomgeometrie und automatischen Anbohrfunktionen erzielen in homogenem Gestein deutlich bessere Halbgußergebnisse als manuell justierte Bohranlagen mit denselben Bohrgeräten.

Spülungsanforderungen in Tunnelumgebungen

Die Tunnelbohrung beruht nahezu ausschließlich auf Wasser-Spülung, im Gegensatz zur oberflächennahen Bankbohrung, bei der Luftspülung praktikabel ist. Die erforderlichen Spülwasserdrücke für typische Tunnelbohrlochdurchmesser (45–76 mm, Tiefen 3–5 m) liegen zwischen 15 und 25 bar. Drifters mit höherer Spülpressurkapazität (Epiroc COP 1638+ bis zu 25 bar) gewährleisten die Abfuhr der Bohrbrüche auch bei steigender Eindringgeschwindigkeit in weichen bis mittelharten Gesteinsformationen; Drifters mit geringerer Spülpressurspezifikation (20 bar) können bei einer höher als erwarteten Eindringgeschwindigkeit eine Verpackung der Bohrbrüche erfahren.

Die Wasser-Spülung wirkt zudem direkt auf die Spülungs-Dichtungen ein – die kritische Grenze zwischen dem Wasserkreislauf und dem Schlagöl-Kreislauf. In Tunneln, in denen die Grubenwasserqualität schwankt oder mineralhaltig ist, weisen PTFE-beschichtete Spülungs-Dichtungen eine deutlich längere Lebensdauer als Standard-Lippen-Dichtungen auf. Kurze Austauschintervalle für Dichtungen bei Tunnelanwendungen (typischerweise 350–400 Schlagstunden im Vergleich zu 450–500 Stunden im Oberflächenbetrieb) sollten von Anfang an geplant werden. HOVOO liefert Dichtungssätze aus Polyurethan (PU), Hydriertem Nitrilkautschuk (HNBR) und PTFE-beschichtet für alle gängigen Tunnel-Bohrhammer-Modelle. Referenzen unter hovooseal.com.