Studie zu Schwingungsmerkmalen beim Schneiden vorgespalteten Hartgesteins mit einem Roadheader

Warum Rissbildung im Untertagebau wichtig ist

Wenn Bergwerke und Tunnel in hartes Gestein vordringen, werden die Maschinen, die dieses Gestein durchtrennen, an ihre Grenzen gebracht. Roadheader – große Schneidmaschinen mit rotierenden Köpfen – sind beim Eindringen in zähes Gestein enormen Kräften, intensiven Vibrationen und schnellem Verschleiß ausgesetzt. Diese Studie untersucht eine einfache, aber wirkungsvolle Idee: Wenn man das Gestein absichtlich vorab rissig macht, lässt sich das Schneiden reibungsloser, sicherer und schonender für die Maschine gestalten?

Gesteinsbruch auf intelligente Weise

Statt allein auf rohe Schneidkraft zu setzen, wenden die Forschenden ein Verfahren namens mechanische Vorverrissung an. Zuerst werden Löcher in die Gesteinswand gebohrt. Dann wird in jedes Loch ein hydraulisches, keilförmiges Gerät eingeführt und langsam nach außen gedrückt. Da Gestein in Zugrichtung deutlich schwächer ist als in Druckrichtung, öffnet dieser gleichmäßige Außendruck kontrollierte Risse, die von den Bohrlöchern zur Oberfläche laufen. Effektiv wird die Gesteinswand in ein Netz vorgefertigter Bruchlinien verwandelt, sodass der Roadheader später geschwächtes, bereits vorgeschädigtes Gestein statt einer massiven, ungebrochenen Wand schneidet.

Ein virtuelles Gesteinsfeld und eine Maschine aufbauen

Um diesen Prozess sicher und kostengünstig zu untersuchen, erstellte das Team detaillierte Computermodelle statt ausschließlich untertage zu experimentieren. Sie stellten die Gesteinswand als dichtes Gefüge virtueller Partikel dar, die durch bindende Verbindungen zusammengehalten werden, welche brechen können, sodass Risse entstehen. Damit konnten sie simulieren, wie Risse beginnen und sich ausbreiten, wenn der hydraulische Keil in den gebohrten Löchern arbeitet. Parallel dazu bauten sie ein dreidimensionales Modell eines realen Roadheaders – einschließlich eines flexiblen Schneidarmes und des drehbaren Tisches, der ihn steuert – um zu sehen, wie sich die Maschine verformt und vibriert, während sie arbeitet.

Interaktion von Gestein und Maschine

Der entscheidende Schritt war, diese beiden Modelle in Echtzeit miteinander kommunizieren zu lassen. Während sich der virtuelle Schneidkopf bewegte und drehte, gab das Gesteinsmodell die Kräfte aus zahllosen kleinen Kontakten an das Maschinenmodell zurück. Dieser zweiseitige Austausch reproduzierte sowohl, wie das Gestein auseinanderbrach, als auch, wie die Maschine daraufhin schwang. Die Forschenden führten zwei Szenarien unter denselben Schneidbedingungen durch: eines mit einer intakten Hartgesteinswand und eines, bei dem zuvor drei vorverrissene Löcher geöffnet worden waren, wie in einer realen Vorverriss-Operation.

Geringere Belastungen und ruhigere Schwingungen

Die Simulationen zeigten, dass Vorverrissung die Arbeit des Roadheaders spürbar erleichtert. Im Mittel sank die Gesamtbelastung auf den Schneidkopf um etwa 8 Prozent, und Schwankungen dieser Belastung – die plötzlichen Spitzen, die Bauteile schädigen können – wurden ebenfalls kleiner. Betrachtet man die Richtungen einzeln, gingen die Kräfte, die die Maschine vorwärts ziehen, seitlich in das Gestein drücken sowie auf- und abwärts drücken, alle zurück, sobald Risse vorhanden waren. Als das Team die Vibrationssignale in Frequenzdarstellungen umwandelte, stellten sie fest, dass sich der Großteil der Schwingungsenergie im Bereich von 20 bis 30 Hertz konzentrierte. In diesem Band fielen die Vibrationen am Schneidkopf, am Schneidarm und am Dreh(tisch) nach der Vorverrissung um ungefähr 15, 9 bzw. 4 Prozent, was eine deutliche schrittweise Abschwächung der Schwingung entlang der Maschine zeigt.

Validierung des Modells in der Praxis

Um sicherzustellen, dass die virtuellen Ergebnisse die Realität widerspiegeln, führten die Forschenden Volltontests mit einem echten Roadheader durch, der in Siltsteinklötze schnitt – mit und ohne vorverrissene Löcher. Sie montierten dreiachsige Vibrationssensoren am Schneidkopf und -arm und verglichen die Messungen mit den Simulationen. Die Form und Stärke der Vibrationssignale, insbesondere in vertikaler Richtung, stimmten eng überein; die statistische Übereinstimmung war sehr hoch. Das stärkte das Vertrauen darin, dass das gekoppelte Gesteins–Maschine-Modell glaubwürdig abbildet, wie Vorverrissung sowohl Schneidkräfte als auch Vibrationen verändert.

Was das für zukünftiges Tunnelbauen bedeutet

Für Laien ist die Quintessenz klar: Indem man Hartgestein kontrolliert vor dem Schneiden schwächt, lässt sich ein brutaler, hammernder Vorgang in einen glatteren, besser vorhersagbaren verwandeln. Sorgfältig positionierte Vorverrisslöcher reduzieren die Steifigkeit der Gesteinsmasse, lenken deren Bruchverhalten und senken damit sowohl die mittlere Belastung als auch die heftigen Schwingungen, denen Roadheader ausgesetzt sind. Das kann die Lebensdauer der Maschinen verlängern, Wartungskosten senken und die Sicherheit der Beschäftigten verbessern, besonders in tiefen, hochbeanspruchten Tunneln. Obwohl weitere Untersuchungen nötig sind, um Langzeitverschleiß und eine breitere Palette von Gesteinsarten abzudecken, zeigt diese Studie, dass intelligente Vorbereitung des Gesteins genauso wichtig sein kann wie die Leistungsfähigkeit der schneidenden Maschine.

Zitation: Liu, H., Li, F., He, J. et al. Study on vibration characteristics of roadheader cutting pre-cracked hard rock. Sci Rep 16, 5933 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37089-7

Schlüsselwörter: Hartgesteins-Tunneln, Vibrationen von Roadheadern, mechanische Vorverrissung, Gesteinszerspanung, Untertagebau