Ist ein Luftbein-Felsbohrgerät für das Bohren im Tunnelbau geeignet?

Funktion und Anwendung des Druckluftbohrhammers im Tunnelbau verstehen

Wie ein Druckluftbohrhammer in engen unterirdischen Räumen funktioniert

Bohrgeräte mit Luftstützen funktionieren, indem Druckluft einen Kolben nach vorne drückt, der dann wiederholt den Bohrmeißel gegen die Felswand schlägt. Diese Maschinen sind zudem recht klein, normalerweise weniger als 1,5 Meter lang, und können sich vollständig in alle Richtungen drehen. Dadurch eignen sie sich ideal für den Einsatz in engen Tunneln, wo nur etwa 2 Meter Kopffreiheit zur Verfügung stehen. Der aktuelle Bericht über Ausrüstung für den Tunnelbau aus dem Jahr 2024 zeigt etwas Interessantes – diese Bohrgeräte behalten etwa 85 % ihrer Effizienz bei, selbst wenn sie seitwärts durch extrem beengte Bereiche bewegt werden, manchmal nur einen halben Meter breit. Die meisten Tunnelarbeiter verwenden kürzere Bohrstangen, typischerweise zwischen 1 und 2 Meter Länge, da dies ihnen besseren Zugang ermöglicht, ohne die Beweglichkeit der Maschine in beengten Räumen einzuschränken.

Typische Anwendungsfälle: Kleine und frühe Bauphasen von Tunnelprojekten

Mehr als 60 % der Erkundungsvortriebsprojekte unter 500 Metern setzen auf Luftgestänge-Bohrhammer (Ponemon 2023), insbesondere für:

• Lüftungsschächte, die präzises Bohren in Winkeln erfordern
• Versorgungstunnel in städtischen Gebieten mit beengten Platzverhältnissen
• Leitlöcher für geologische Untersuchungen in Gesteinsschichten mit einer Härte bis zu Mohs 6

Ihre kurze Aufbauzeit – unter 30 Minuten – und ihr geringer Energiebedarf (8–12 CFM Luftdurchfluss) machen sie ideal für Arbeiten in der Anfangsphase, bevor größere Maschinen eingesetzt werden.

Einsatz von Luftgestänge-Bohrhammern entsprechend der Gesteinshärte und dem Vortriebsabschnitt

Diese Bohrgeräte arbeiten gut in sedimentären Gesteinsformationen wie Kalkstein und Schiefer, zeigen jedoch bei härteren magmatischen Gesteinen eine verminderte Effektivität. Die Fort­schritts­ge­schwin­dig­keit sinkt deutlich beim Bohren in Granit aufgrund der höheren Druckfestigkeit:

In Tunneln mit einer Tiefe über 1 km wechseln die Bauunternehmen normalerweise zu hydraulischen Systemen, die im Vergleich zu pneumatischen Modellen eine bessere Wärmeableitung und konstante Leistungsübertragung bieten.

Leistung eines Luftgestänge-Felsbohrgeräts unter harten Gesteins-Tunnelbau-Bedingungen

Bohrtechniken und Vortriebsraten in Granit und anderen harten Gesteinen

Felsbohrgeräte mit Luftgestängen können dank ihres durch Druckluft zwischen 5 und 7 bar angetriebenen Schlagwirkprinzips Granit mit Geschwindigkeiten von etwa 40 Zentimetern pro Minute durchdringen. Diese Maschinen zeigen auch bei Gesteinen mit einer von Ingenieuren als „unbeschränkte Druckfestigkeit“ bezeichneten Messung von bis zu 250 Megapascal noch eine gute Leistung. Einige im Feld durchgeführte Tests an harten Gesteinsformationen zeigten ebenfalls beeindruckende Ergebnisse – eine bestimmte Studie berichtete über eine Betriebseffizienz von etwa 87 Prozent speziell unter Quarzit-Bedingungen, vorausgesetzt, die Bohrköpfe wurden ungefähr alle 35 bis 40 Meter gewechselt. Um gute Ergebnisse mit diesen Werkzeugen zu erzielen, sind mehrere wichtige Faktoren und Methoden zu beachten, die während des praktischen Einsatzes erwägenswert sind.

• Stufenweises Bohren : Beginnend mit 45-mm-Bohrern für Führungslöcher, bevor auf Durchmesser von 100 mm erweitert wird
• Trockenluftspülung um das Verstopfen der Bohrer in abrasivem Gestein zu verhindern
• Neigung zwischen 30° und 45°, um den natürlichen Bruchflächen des Gesteins zu folgen

Allerdings sinkt die Eindringtiefe in Basalt aufgrund seiner isotropen Kornstruktur um 15–20 %, wodurch eine häufigere Drehung des Bohrers erforderlich ist, um die Leistung aufrechtzuerhalten.

Wesentliche Einschränkungen in Umgebungen mit hohen Spannungen und im Tiefbau

Obwohl sie bis zu einer Tiefe von 300 Metern einsetzbar sind, weisen Luftgestänge-Felsbohrgeräte 23 % Effizienzverluste in Tunneln auf, in denen die Gebirgsspannung 10 MPa überschreitet (Edge Underground 2023). Zu den Hauptproblemen gehören:

Wie in einer kürzlichen Analyse von Tunnelbaugeräten festgestellt, erfordern diese Bohrgeräte in Zonen mit hohem Überlagerungsdruck 2,3-mal häufigere manuelle Neupositionierungen als hydraulische Bohrwagen, wodurch sich ermüdungsbedingte Fehler um 18 % erhöhen. In silikathaltigem Gestein können Staubkonzentrationen ohne Wassernebelunterdrückung 8 mg/m³ überschreiten, was einen Atemschutz gemäß OSHA-Vorgaben erforderlich macht.

Sicherheitsherausforderungen und Bedieneraspekte beim pneumatischen Tunnelbohren

Hauptgefahren: Lärm, Vibrationen und Staubexposition bei Einsatz von Luftstütz-Steinbohrgeräten

Arbeitnehmer, die mit schweren Maschinen arbeiten, sind während ihrer Schichten Lärmpegeln ausgesetzt, die 115 Dezibel überschreiten, vergleichbar mit dem Standort in etwa 30 Metern Entfernung zu einem Düsenflugzeugtriebwerk. Die über die Maschinengriffe übertragenen Vibrationen überschreiten häufig 12 Meter pro Sekunde zum Quadrat, was das Risiko für das Hand-Arm-Vibrationssyndrom (HAVS) erheblich erhöht. Nach nur fünf Jahren regelmäßigen Betriebs steigt das Risiko für diese Erkrankung um 34 %. In Tunneln mit schlechter Belüftung kann sich atembare Kieselsäurestaubkonzentration auf gefährliche Werte von etwa 8 Milligramm pro Kubikmeter Luft anreichern, was das 16-fache des von der OSHA als sicher geltenden Grenzwerts entspricht. Das Tragen von NIOSH-zertifizierten P100-Atmungsfiltermasken zusammen mit vibrationsdämpfenden Handschuhen kann diese gesundheitlichen Gefahren um 40 % bis 60 % reduzieren, wobei die Effektivität davon abhängt, wie konsequent sie während des gesamten Arbeitstages getragen werden.

Portabilität und Bedienereinmüdung bei langen Schichten ausbalancieren

Luftgestützte Gesteinsbohrgeräte wiegen typischerweise zwischen 22 und 32 Kilogramm, was sie portabel genug für enge Räume macht, jedoch verursachen sie eine schnellere Ermüdung im Vergleich zu montierten Versionen – tatsächlich etwa 22 % schneller. Eine letztes Jahr veröffentlichte Studie hat zudem etwas Interessantes ergeben: Wenn Arbeiter diese Geräte alle zehn bis fünfzehn Minuten bewegen mussten, sank ihre Bohrpräzision nach nur vier Arbeitsstunden um etwa 30 %. Unternehmen, die auf 90-minütige Schichten mit vorgeschriebenen Pausen umstellten, erzielten jedoch bessere Ergebnisse. Die Produktivität stieg um rund 18 %, und es gab 41 % weniger Fälle plötzlicher Muskel- oder Gelenkschmerzen bei den Mitarbeitern. Ein weiterer erwähnenswerter Aspekt sind die Bodenflächen. Einige Feldtests zeigten, dass spezielle ermüdungsarme Matten das Unwohlsein im unteren Rückenbereich für Arbeitnehmer, die lange Tage unter Tage arbeiten, um nahezu 27 % reduzieren konnten.

Luftgestütztes Gesteinsbohrgerät im Vergleich zu Vollprofil-Bohrgeräten: Ein praktischer Vergleich

Automatisierung und Abdeckung: Wann man sich für Bohrgeräte anstelle manueller Werkzeuge entscheiden sollte

Die altmodischen Luftstempel-Bohrhammer erfordern bei jedem gebohrten Loch ständige manuelle Arbeit durch die Bediener, weshalb sie in kleineren Querschnitten unter 15 Quadratmetern oder in Bereichen mit ungünstiger Geologie nach wie vor sinnvoll sind. Andererseits verfügen die modernen Vollausbruchbohrgeräte über computergesteuerte Systeme, die die Bohrlöcher automatisch positionieren und laut aktueller Forschung zur Bautechnik-Automatisierung in gleichmäßigen Gesteinsformationen eine Genauigkeit von etwa 90 Prozent erreichen. Die meisten Auftragnehmer setzen weiterhin auf Luftstempel-Modelle, wenn sie an Tunneln unter 500 Metern Länge arbeiten oder wenn das Budget knapp ist. Der Preisunterschied zwischen den Geräten liegt zwischen vierzig- und achtzigtausend Dollar, und für viele Projekte überwiegt diese Kostenbelastung den möglichen Produktivitätsgewinn, da automatisierte Bohrgeräte typischerweise in derselben Zeit drei- bis fünfmal so viel leisten.

Effizienzvergleich: Arbeitskosten, Bohrgeschwindigkeit und Ausfallzeitenanalyse

Beim Granitbohren schlägt ein vollautomatischer Bohrhammer die Leistung von 6 bis 8 manuell bedienten Luftbein-Bohrgeräten deutlich, wobei laut dem Bericht der International Tunneling Association aus dem Jahr 2023 eine Bohrleistung von 3,2 Metern pro Stunde gegenüber nur 0,45 m/h bei manueller Ausführung erreicht wird. Allerdings verbrauchen diese alten pneumatischen Systeme insgesamt weniger Energie. Die Einsparungen summieren sich und senken die Energiekosten um 18 bis 22 Prozent im Vergleich zu hydraulischen Alternativen, was besonders wichtig ist, wenn die Belüftung begrenzt ist. Sicherlich benötigen diese Bohrmaschinen etwa 25 Prozent mehr monatliche Wartung als ihre Gegenstücke, doch sie umgehen völlig die ständigen Pausen, die bei maschinellen Anlagen mit menschlicher Bedienung notwendig sind. Das bedeutet einen kontinuierlichen Betrieb, ohne auf Schichtwechsel warten zu müssen, wodurch sie sich für die meisten Unternehmer bei langfristigen Projekten als die zusätzlichen Anfangsinvestitionen wert erweisen.

Häufig gestellte Fragen

Was ist ein Luftbein-Felsbohrgerät?

Ein Luftfeder-Bohrhammer ist ein pneumatisches Bohrgerät, das bei Tunnelbauarbeiten eingesetzt wird und für den Betrieb in beengten unterirdischen Räumen konzipiert ist. Es verwendet Druckluft, um einen Kolben anzutreiben, der wiederholt auf den Bohrkopf trifft und so die Gesteinsfläche bearbeitet.

Bei welchen Arten von Projekten werden Luftfeder-Bohrhämmer verwendet?

Luftfeder-Bohrhämmer werden typischerweise bei kleineren Projekten und in frühen Phasen des Tunnelbaus eingesetzt, wie zum Beispiel bei Lüftungsschächten, Versorgungstunneln in städtischen Gebieten und Erkundungsbohrungen für geologische Untersuchungen, wo nur begrenzter Platz zur Verfügung steht.

Wie beeinflusst die Gesteinshärte die Leistung von Luftfeder-Bohrhämmern?

Die Leistung von Luftfeder-Bohrhämmern variiert je nach Gesteinshärte. Sie arbeiten effizient in sedimentären Gesteinsformationen wie Kalkstein, weisen jedoch bei härteren magmatischen Gesteinen eine geringere Effektivität auf, was zu reduzierten Eindringgeschwindigkeiten bei Granit führt.

Welche Sicherheitsherausforderungen ergeben sich beim Einsatz von Luftfeder-Bohrhämmern?

Zu den Sicherheitsherausforderungen für Bediener beim Einsatz von Luftgestänge-Felsbohrgeräten gehören die Exposition gegenüber hohen Lärmpegeln, Vibrationen, die das Hand-Arm-Vibrationssyndrom (HAVS) verursachen können, sowie Staub aus dem Felsbohren, der sich auf gefährliche Konzentrationen anreichern kann.

Wie unterscheiden sich Luftgestänge-Felsbohrgeräte von Vollquerschnitts-Bohranlagen?

Luftgestänge-Felsbohrgeräte erfordern eine manuelle Bedienung und eignen sich für kleinere Querschnitte, während Vollquerschnitts-Bohranlagen automatisierte Lösungen bieten, größere Bereiche effizienter abdecken, jedoch mit höheren Kosten verbunden sind.