Development of a disc cutter force and face monitoring system for mechanized tunnelling / Ortsbrustmonitoring und Leistungsprognose bei TBM‐Vortrieben

2015

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A wide range of different minerals is found in materials excavated in tunnels. The DRAGON project therefore has the aim of investigating the requirements of the industries producing products from mineral raw materials and who thus could be interested in raw materials derived from underground construction sites. In parallel to the development of advanced online technologies for the analysis of excavated materials, DRAGON is researching the significant requirements for raw materials used in industrial processes; these include grain size distribution, mineralogical composition, geochemistry as well as water content and water absorption properties.Tunnel construction – not only with TBMs – is already a highly industrialized and technologically demanding process, with high advance rates. One important condition for both machine manufacturers and construction companies has been that advance rate should not be adversely affected by the new developments from DRAGON. Another objective of the DRAGON project was to consider the wider strategic objectives of EU policy and to highlight any areas where barriers may exist to the benefits of applying the DRAGON technology.In Tunnelausbruchmaterial können unterschiedlichste mineralische Rohstoffe enthalten sein. Das Forschungsprojekt DRAGON hat sich daher zum Ziel gesetzt, die Anforderungen jener Industriezweige zu studieren, die ihre Produkte auf Basis von mineralischen Rohstoffen herstellen und daher an Tunnelausbruchmaterial interessiert sein könnten. Parallel zur Entwicklung von Online Analyseverfahren für Tunnelausbruchmaterialien wurden die wesentlichen Anforderungen der mineralischen Rohstoffe für die verschiedenen Industriezweige erhoben; dazu gehören Korngrößenverteilungen, mineralogische Zusammensetzung, geochemische Parameter aber auch der Wassergehalt und das Wasserabsorptionsvermögen.Tunnelvortriebe – nicht nur solche mit Tunnelvortriebsmaschinen – sind heute hochindustrialisiert und erreichen daher hohe Vortriebsraten. Eine wesentliche Bedingung sowohl der Maschinenhersteller als auch der Bauindustrie war daher, dass die Vortriebsgeschwindigkeiten durch die neuen Entwicklungen im Projekt DRAGON nicht negativ beeinflusst werden dürfen. Weitere Aufgabenstellung des Projektes war, dass die diesbezüglichen strategischen Ziele der europäischen Politik verfolgt und eventuell vorhandene Unwegbarkeiten, die eine Umsetzung der neuen Technologien im Tunnelbau behindern, aufgezeigt werden.

Section: Dclm -Disc Cutter Load Monitoringmentioning

confidence: 99%

Development of resource‐efficient tunnelling technologies – Results of the European research project DRAGON

2015

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“…The compact nature of the camera system makes it suitable for face imaging. [4]. Der in [4] vorgestellte Ansatz des Imagestitchings leidet jedoch unter der von der Optik hervorgerufenen Verzeichnung und der perspektivischen Verzerrung einer nicht exakt lotrecht auf die Ortsbrust ausgerichteten Kamera, welche die Passgenauigkeit des anzufügenden Frames mindern.…”

Section: Photogrammetry At the Faceunclassified

“…[4]. Der in [4] vorgestellte Ansatz des Imagestitchings leidet jedoch unter der von der Optik hervorgerufenen Verzeichnung und der perspektivischen Verzerrung einer nicht exakt lotrecht auf die Ortsbrust ausgerichteten Kamera, welche die Passgenauigkeit des anzufügenden Frames mindern. Daher wird er in einem FFG-Forschungsprojekt gemeinsam mit der Geodata GmbH durch eine Anwendung photogrammetrischer Methoden erweitert, die Volumina und Tiefen von Ausbrü-chen, die Raumstellung von Klüften, entlang denen Ausbrüche vorkommen, oder beispielsweise auch Flächen von Fremdgesteinseinschlüssen bestimmbar machen.…”

Section: Photogrammetry At the Faceunclassified

“…Außer-dem wird die Generierung von Orthofotos von der Ortsbrust ermöglicht und der Objektivierung der Ortsbrustdokumentation wird Hilfe geleistet. Die in [4] vorgestellten Videos dienen im Forschungsprojekt als Testaufnahmen, anhand derer die Fragestellung bearbeitet wird, ob eine bildbasierte 3D-Rekonstruktion machbar ist. Die Photogrammetrie im Umfeld des Bohrkopfs wird bestimmt durch Staub, Reflexionen der Ortsbrust unterhalb von Wasserzutritten bei Beleuchtung, die exakt kreisförmige Kamerafahrt und die hohe Anzahl von Bildern (mehrere 100), notwendig für eine angemessene Überlappung, worin sie sich wesentlich von der Aufnahmesituation und der Prozessierung der Photogrammetrie des konventionellen Vortriebs unterscheidet.…”

Section: Photogrammetry At the Faceunclassified

“…Bild 1 zeigt eine 3D-Rekonstruktion der in [4] Bilder 1 bis 3 legen nahe, dass eine bildbasierte 3D-Rekonstruktion an der Ortsbrust auch unter den rauen Bedingungen eines maschinellen Vortriebs machbar ist. Die nächsten Entwicklungen gehen dabei in die Richtung einer Aufnahmeeinheit, die an die Drehgeschwindigkeit des Bohrkopfs angepasste Belichtungszeiten erlaubt und damit bessere Ergebnisse bei der dichten 3D-Rekonstruktion ermöglicht.…”

Section: Auswertungsmöglichkeiten Photogrammetrischer 3d-rekonstruktiunclassified

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The transparent face – development work to solve problems in mechanized hard rock tunnelling / Die gläserne Ortsbrust – Entwicklungsarbeiten zur Lösung von Fragestellungen rund um maschinelle Vortriebe im Festgestein

Schuller

Barwart

et al. 2015

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While image‐based face documentation is well established in conventional tunnelling, even photogrammetric 3D reconstruction, this technical aid is not available in mechanized tunnelling. In a research project of the Chair of Subsurface Engineering with Geodata GmbH, work is underway to develop an imaging device, which is mounted in the cutterhead of a TBM and takes pictures during the maintenance shift that can be used for a photogrammetric reconstruction of the face. In the present article, the results of the first test images are presented. These were undertaken on a tunnel boring machine on the ÖBB project Koralm Tunnel KAT2 in agreement with the research initiative of the ÖBB‐Infrastruktur AG. Beside the optical imaging of the face, the determination of the load acting on disc cutters is another focus of research at the Chair. The Disc Cutter Load Monitoring (DCLM) system can be used to provide detailed information about the face and its properties affecting excavation with discs, and further forecasts about penetration and tool wear can also be made. The development of the disc cutter load monitoring system is part of the DRAGON project, which is supported by the European Commission under the FP7 Programme. Finally, the small scaled cutting test of the Chair of Subsurface Engineering is presented. This test rig is designed as an addition to conventional hydraulic testing presses and offers the capability of setting penetration and cutting track spacing. The samples used are half cylinders made from drill cores. The first comparison of the test results with those from large‐scale cutting tests have shown that the model cutting test delivers results that are well suitable for the forecasting of TBM performance. Während die bildbasierte Ortsbrustdokumentation bis zur photogrammetrischen 3D‐Rekonstruktion in konventionellen Vortrieben gut etabliert ist, fehlt es im maschinellen Tunnelbau an diesen Hilfsmitteln. In einem Forschungsprojekt des Lehrstuhls für Subsurface Engineering mit der Geodata GmbH wird an der Entwicklung einer Aufnahmeeinheit gearbeitet, die im Bohrkopf einer TBM montiert wird und in der Wartungsschicht Bilder von der Ortsbrust aufnimmt, die Grundlage einer photogrammetrischen 3D‐Rekonstruktion der Ortsbrust bilden. Im vorliegenden Beitrag werden Ergebnisse erster Testaufnahmen präsentiert, die auf einer Tunnelvortriebsmaschine des ÖBB‐Projekts Koralmtunnel KAT2 in Übereinstimmung mit der Forschungsinitiative der ÖBB‐Infrastruktur AG vorgenommen wurden. Neben der optischen Aufnahme der Ortsbrust ist die Schneidkraftermittlung von Diskenmeißeln ein weiterer Forschungsschwerpunkt des Lehrstuhls. Durch den Einsatz eines Disc Cutter Load Monitoring (DCLM) Systems können detaillierte Aussagen über die Ortsbrust und deren Abbaueigenschaften mit Disken als auch weiterführend Prognosen über die Penetration und den Werkzeugverschleiß getätigt werden. Die Entwicklung des Diskenkraftmesssystems erfolgt im Rahmen des DRAGON‐Projekts, das von der Europäischen Kommission im Rahmen des FP7 Programms...

The determination of performance‐ and payment‐relevant parameters in TBM tunnelling – State of the technology and outlook / Ermittlung leistungs‐ und vergütungsrelevanter Parameter für TVM‐Vortriebe – Stand der Technik und Ausblick

Handke²,

Nolden³

2014

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The success of mechanised tunnelling is greatly influenced by the interactive behaviour of machine and ground. A multitude of published research and practice reports documents the problem of a targeted forecast based on tests and forecasting models [19]. The paper describes the currently used methods of estimating performance-relevant parameters, including current research into the subject of crack propagation in solid rock and developments in disc force measurement on the tunnel boring machine and its forecasting from laboratory tests. IntroductionIn order to determine a theoretical performance forecast for a TBM drive at the design stage, the entire tunnelling process is divided into partial elements and process activities. These include, at the interface to the ground, 1:1 measurements of disc forces and in the future also the minidisc cutting test newly developed at the Montanuniversität Leoben. Final statements to forecast the performance are, however, first possible based on knowledge of the in-situ stress conditions, the prevailing geological and hydrogeological conditions in interaction with the tools used and the tunnel boring machine -in other words, through tests during the construction phase. Performance-relevant parameters in TBM tunnellingState of the technology 2.1 OverviewThe resulting advance rate is determined by the interaction of geological, mechanical and process-technical and construction operational factors. The cutterhead penetration is defined as the average advance into a rock or rock mass for one single rotation of the cutterhead [1]. The penetration in collaboration with the disc track spacing greatly determines the formation of fractures in the rock while boring solid rock. With decreasing size of the chips and increasing fines content in the muck, the danger of wear and clogging increase, and this is worsened by insufficient material transport. In cohesive soils, cutting wheels with a EinleitungZur Ermittlung der theoretischen Leistungsprognose eines TVM-Vortriebs im Planungsstadium wird der gesamte Vortriebsprozess in Teilelemente und Prozessabläufe untergliedert. Hierzu gehören an der Schnittstelle zum Baugrund auch 1:1-Diskenkraftmessungen sowie zukünftig u. U. ein an der Montanuniversität Leoben neu entwickelter Minidiskenschneidversuch. Endgültige Aussagen zur Leistungsprognose sind i.d.R. aber erst auf Basis der in situ vorherrschenden Spannungsverhältnisse, der anstehenden geologischen und hydrogeologischen Verhältnisse in Wechselwirkung mit dem eingesetzten Werkzeug, der Tunnelvortriebsmaschine -also durch Versuche während der Bauausführung -möglich. R. Galler/D. Handke/M. Nolden · The determination of performance-and payment-relevant parameters in TBM tunnelling -State of the technology and outlook small degree of opening tend to clog. With the danger of clogging, the wear also increases, and is worsened by insufficient material transport from the face.