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Prediction of performance and cutter wear in rock TBM: application to Koralm tunnel project

Brino Gabriele Peila Daniele Steidl Arnold Fasching Florian
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ISSN:
1121-9041
Rivista:
GEAM
Anno:
2015
Numero:
145
Fascicolo:
GEAM N.145/2015

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Previsione delle prestazioni e dell’usura degli utensili di una TBM da roccia: applicazione al progetto del Koralm tunnel Lo scavo con Tunnel Boring Machine (TBM) è il metodo di scavo più utilizzato per grandi progetti infrastrutturali al giorno d’oggi, in un’ampia varietà di condizioni geologiche. Negli ultimi 40 anni molti modelli predittivi sono stati sviluppati per stimare le prestazioni della TBM e l’usura degli utensili, usando come input i parametri geologici. Questa ricerca fornisce una panoramica dei modelli esistenti per la stima della penetrazione degli utensili per una TBM in roccia, identifica i parametri di ingresso più frequentemente utilizzati e sintetizza le caratteristiche dei database da cui sono stati ricavati i modelli. I modelli teorici sono stati testati attraverso il caso studio del progetto del Koralm Tunnel, una galleria di base lunga 32.9 km in costruzione in Austria, in una porzione della canna Sud di lunghezza 1000 m, facente parte del lotto KAT 2. I risultati mostrano che la stima è ragionevolmente accurata se si applicano modelli che su fondano su una base di dati con caratteristiche simili a quelle del progetto, specialmente in termini di geologia e tipologia di macchina usato per lo scavo. L’articolo propone un metodo di progetto per la creazione di un sistema di analisi dei dati della TBM e di previsione in fase costruttiva, basata su un processo di back-analysis di dati macchina raccolti in differenti condizioni geologiche. La metodologia può essere applicata in qualsiasi altro progetto, e il sistema è particolarmente utile in tunnel di grande lunghezza, nei quali una miglioria continua dell’abilità di previsione può avere un impatto rilevante in termini di tempo e costi. Parole chiave: TBM, penetrazione, usura, utilizzazione, previsione

Excavation by Tunnel Boring Machines is the tunnelling method most frequently used nowadays in long infrastructural projects, in a wide range of geological conditions. In the last 40 years, many prediction models were developed to estimate TBM performance and cutter wear, using as input geological parameters. The research gives an overview of the existing penetration models for hard rock TBMs, identifies the most frequently used input parameters and summarizes the characteristics of the datasets on which the models are based on. Theoretical background is tested through the example of Koralm tunnel project, a 32.9-km-long base tunnel in Austria, in a 1000-m-long portion of the South tube in the construction lot KAT 2. The outcomes shows that the estimation of the penetration is reasonably accurate when applying models that are based on a database consistent with the project data, especially in terms of geology and typology of machine used in the excavation. The article proposes a design method for a system of TBM data analysis and prediction at the construction stage, based on a back-analysis process about machine data in different geological conditions. The methodology can be applied in any other project and the system is particularly useful in long tunnels, in which a continuous improvement of the ability of prediction can have an effective impact on time and costs. Keywords: TBM, penetration, wear, utilization, prediction

Prévision de la performance et de la consommation des molettes pour un tunnelier à roche dure : application au projet du tunnel du Koralm. 
Le creusement avec un tunnelier à roche dure est désormais la méthode de construction plus utilisée dans les projets d'infrastructures longues, sur une fourchette très large de conditions géologiques. Dans les derniers 40 ans, beaucoup de modèles prévisionnels pour l'estimation de la performance et de la consommation des molettes pour un tunnelier à roche dure ont été développés, utilisant les paramètres géologiques comme données d'entrée. La recherche donne une vision globale des modèles existants en matière de pénétration pour les tunneliers à roche dure, elle identifie les paramètres d'entrée plus utilisés et elle synthétise les caractéristiques des séries de données à la base du modèle. Les hypothèses théoriques sont testées sur l'exemple du projet du tunnel du Koralm, un tunnel de base autrichien de 32,9 km de longueur, et notamment sur une section de 1000 m de longueur du tube sud du lot constructif KAT 2. Les résultats montrent que l'estimation de la pénétration est raisonnablement précise quand le modèle appliqué est basé sur une base de données cohérente avec les paramètres du projet, spécialement en terme de géologie et de type de tunnelier utilisé pour le creusement. L'article propose une méthode de conception pour un système d'analyse des données du tunnelier et de prévision en phase de construction, basé sur un procès d'analyse à rebours des données machine en conditions géologiques différentes. La méthode peut être appliquée sur d'autres projets et le système est particulièrement utile pour des longs tunnels, où l'amélioration continue de la capacité prévisionnelle peut avoir un retour effectif sur les délais et sur les coûts. Mots-clés: TBM, pénétration, consommation, utilisation, prévision.