28-37 Online-Qualit−tskontrolle - Bauverlag

kömmlicher Newton’scher
Fluide einfach mit einer einzigen
Größe, der dynamischen
Viskosität �, beschrieben
werden können, wird
das Fließverhalten von Bohrspülungen,
in diesem Fall
von Bentonit-Suspensionen,
vereinfacht durch Bingham’sches
Verhalten charakterisiert
(Bild 1).
Maßgebliche Größen für
Bingham’sches Verhalten sind
die Fließgrenze �0 und die
Bingham’sche Viskosität �B,
auch Konsistenz genannt.
Fluide, die sich in einem
Übergangszustand zwischen
Feststoff und Flüssigkeit befinden,
verfügen im ruhenden
Zustand oft über typischeFestkörpereigenschaften
wie z. B. eine, wenn auch
kleine, Druckfestigkeit. Das
strömungstechnische Äquivalent
dazu ist die Fließgrenze
�0. Diese ist z. B. verantwortlich
für einen Mindestdruckverlust
in einer Rohrleitung,
der überwunden
werden muss, um die Förderung
in Gang zu bringen.
Außerdem bestimmt sie die
maximale sedimentationsstabile
Korngröße in Suspensionen.
Beim Hydroschildvortrieb
verhindert die Fließgrenze
�0 z. B. das Eindringen
der Bohrspülung in das
Gebirge.
Die scheinbare Viskosität
�s vergleicht die Fließwiderstände
nicht Newton’scher
Fluide mit der dynamischen
Viskosität Newton’scher Fluide.
Im Gegensatz zur dynamischen
Viskosität � ist die
scheinbare Viskosität �s abhängig
vom Schergefälle,
was ihre direkte Berechnung
unmöglich macht. Zur Viskositätsmessung,
d. h. zur
Bestimmung der Fließeigenschaften
nach Bingham mit
� = �0 + �B · � (Strukturexponent
n = 0) werden in der Industrie
verschiedene Messgeräte
wie z. B. Rotations-
und Rohrviskosimeter eingesetzt.
Eine ausführliche
Betrachtung des Stands der
Technik findet sich in [1].
2 Aufgaben der
Bohrspülung im
Tunnelbau
Die Bohrspülung hat in
der Tunnelbautechnik mit
Flüssigkeitsschild mehrere
Aufgaben (1–7) zu erfüllen,
welche im Folgenden näher
erläutert werden.
1. Dispergierung des
Bohrkleins
Da die Bohrspülung unter
sehr hohem Druck in den
Raum zwischen Druckwand
und offenem Schneidrad
eingebracht wird, weicht das
anstehende Erdmaterial zunächst
auf. Das Bohrklein
lässt sich so leichter abbauen
und dispergiert in der Bohrspülung.
2. Transport des
Bohrkleins aus dem
Bohrloch
Die wichtigste Aufgabe
der Bohrspülung ist der
Qualitätskontrolle
Quality Control
2 Prinzipskizze und Foto des Marsh-Trichters [11] zur Bestimmung
der Auslaufzeit, einer der dynamischen Viskosität ähnlichen Größe
im Tunnelbau
2 Drawing of the principle and photo of the Marsh funnel [11] for
determining the outflow time, one of the parameters similar to the
dynamic viscosity in tunnelling
sions, in this case, bentonite
suspensions, is characterized
in simplified form through
Bingham behaviour (Fig. 1).
The determining parameters
for Bingham are the flow
limit �0 and the Bingham viscosity
�B, also known as consistency.
Fluids that find themselves
in a transition stage between
solid material and fluid
often possess typical solid
matter properties in quiescent
state such as compressive
strength albeit small. The flow
technical equivalent to this is
the flow limit �0.This is e.g. responsible
for a minimal pressure
loss in a pipeline, which
has to be overcome in order to
start delivery. In addition, it
governs the maximum grain
size in suspensions that is stable
in sedimentations. In the
case of the hydro-shield drive,
the flow limit �0 e.g. prevents
the suspension penetrating
the rock.
The apparent viscosity �s
compares the flow resistances
of non-Newtonian fluids
with the dynamic viscosity
of Newtonian fluids. In con-
trast to the dynamic viscosity
�, the apparent viscosity �s
depends on the shear rate,
which makes it impossible to
work it out directly. To measure
viscosity, i.e. to establish
the flow properties according
to Bingham with � = �0 + �B · �
(structure exponent n = 0) various
measurement units are
employed in industry such as
e.g. rotation and tube viscometers.
A lengthy appraisal
of the state of the art is to be
found in [1].
2 Tasks of Slurry in
Tunnelling
The slurry has a number of
tasks to fulfil in tunnelling
technology involving fluid
shields (1–7), which are more
closely examined in the following.
1. Dispersing the
Cuttings
As the slurry is subjected
to extremely high pressure in
the space between the pressure
wall and the open cutting
wheel, the in situ earth material
initially softens. The cuttings
can be more easily excavated
in this way and are dispersed
in the slurry.
2. Transporting the
Cuttings from the Hole
The slurry’s most important
task is to transport the
cuttings from the hole. After
dispersion, the cuttings are
pumpable. Solid matter contents
of up to 40 Vol.-% can be
transported with the slurry.
This value depends on the carrying
capacity and flow speed
of the slurry. A flow speed of
0.5 m/s prevents the cuttings
becoming deposited on the
hole wall or in the pipeline.
Any substantially lower return
flow of the cuttings indicates a
borehole collapse, in other
words that the face has caved
in.
Tunnel 5/2003 29