BAUER Perforation Cutter für harte Bodenschichten im Nassabbau

Mit dem Prototypen des BAUER Perforation Cutters entwickelte die BAUER Maschinen GmbH im vergangenen Jahr für die Firma Meichle + Mohr GmbH aus Immenstaad am Bodensee eine individuelle Lösung für deren Anforderungen (Bild 1).

Der Perforation Cutter ist ein auf der bewährten, weltweit etablierten Schlitzwandfräsentechnik basierendes Hilfsgerät für den Nassabbau. Durch Ableitung der verwendeten Technik aus dem Spezialtiefbau ergeben sich neue Möglichkeiten zur Steigerung der Produktivität von Schwimmbaggern beim Auftreten von harten Bodenschichten. Im Praxiseinsatz bei der Firma Meichle + Mohr GmbH, für die der Prototyp speziell konstruiert und gebaut wurde, zeigte sich, dass der BAUER Perforation Cutter nicht nur für die ursprünglich geplante Anwendung – die Perforierung härterer Bodenschichten in verschiedenen Tiefen, um Angriffspunkte für den Hydraulikgreifer des Schwimmbaggers zu schaffen – angewendet werden kann. Es stellte sich heraus, dass der Perforation Cutter ebenfalls erheblich zur Erhöhung der Sicherheit beim Nass-abbau beitragen kann.

Ausgangssituation

Im Kieswerk der Meichle + Mohr GmbH in Radolfzell am Bodensee wird zur Kiesgewinnung im Nassabbau ein Schwimmbagger mit einem zwölf Kubikmeter-Greifer eingesetzt. Der Untergrund ist mit harten Schichten durchzogen und kann mit dem Eigengewicht des 22 Tonnen-Hydraulikgreifers nicht gelöst werden. In Vorgesprächen mit der Betriebsleitung berichteten Edgar Engler und Herman Beil, dass diese heterogenen, harten Schichten in unterschiedlichen Höhen das gesamte Abbaugebiet durchziehen.

Die harten Schichten bestehen aus Nagelfluh, einem Sedimentgestein aus groben Bestandteilen, wie Kies, Steinen und Blöcken, sowie einem feineren Bindemittel. Eine Prüfung ergab eine Festigkeit von etwa drei Megapascal. Für den Hydraulikgreifer des Schwimmbaggers war es in weiten Bereichen nicht möglich, in diese harten Schichten zuverlässig einzudringen. Vielmehr schabte die Schaufel über diese Schichten, ohne sie lösen zu können – die erzielbare Förderrate des Schwimmbaggers verringerte sich massiv. Die Lösung: der neue Perforation Cutter, dessen Prototyp die BAUER Maschinen GmbH 2014 speziell für diese Anforderungen entwickelt und konstruiert hat.

Der BAUER Perforation Cutter

Aufbauend auf den Bauer Geräten für das CSM-Verfahren (Cutter Soil Mixing), die erstmals im Jahr 2004 vorgestellt wurden und wiederum auf den Schlitzwandfräsen von Bauer basieren, entwickelte die BAUER Maschinen GmbH zunächst die Idee, mit Hilfe einer seilgeführten Fräse Schlitze in die jeweils anstehende harte Schicht zu fräsen – sozusagen die Schicht zu perforieren. Diese Schlitze sollten anschließend dem Schwimmbaggergreifer als Angriffsstelle dienen, um in die harte Schicht eingreifen und diese ausheben zu können. Auf diese Weise sollten auch die tiefer gelegenen Sand- bzw. Kiesschichten genutzt werden können.

Die Fräse des Perforation Cutters besteht im Wesentlichen aus dem Fräsengrundkörper, in dem sich unter anderem zwei Fräsgetriebe, Hydraulikmotoren, verschiedene Messsensoren, Gewichtsplatten und Hydraulikzylinder befinden (Bild 2). Die Fräsgetriebe übertragen die Rotationsbewegung, die von den Hydraulikmotoren im Fräsengrundkörper erzeugt wird, auf die Fräsräder. Mit jedem Getriebe kann ein Drehmoment von 57 kNm auf die Fräsräder übertragen werden. Durch auswechselbare Fräsräder ist es möglich, die Fräsbreite zu verändern. Das an den Kunden ausgelieferte Gerät ist mit Mischrädern für eine Fräsbreite von 800 mm ausgestattet. Die Fräsräder sind mit Fräszähnen bestückt (Bild 3), die beim Fräsen sehr stark beansprucht werden. Daher sind die Zähne mit Hartmetallstücken bestückt und lassen sich sehr einfach austauschen. Die Schlitzlänge beträgt 2,4 m. Die Fräsräder lösen die harten Bodenschichten, zusätzlich werden beim Fräsen durch zwei Leitungen, die zwischen beiden Getrieben enden, Spülwasser sowie Spülluft in den Schlitz eingebracht. Dies erleichtert das Eindringen der Fräse in den Boden. Durch die beiden seitlich am Fräsengrundkörper montierten Hydraulikzylinder kann der Perforation Cutter am Seegrund stabilisiert werden.

Die Fräse wird an zwei Stahlseilen ins Wasser abgelassen. Zwischen den Stahlseilen werden sämtliche Versorgungsleitungen geführt. Die Trommel, die sowohl die Stahlseile als auch die Versorgungsleitungen aufnimmt, wurde in Absprache mit dem Kunden für eine maximale Arbeitstiefe von 60 m ausgelegt. Die Trommel ist um 180 Grad schwenkbar und auf ein Turmsegment montiert. Hierdurch können drei Positionen von dem Perforation Cutter angefahren werden, ohne die Position des Pontons, auf dem er montiert ist, zu verändern. Auf diese Weise können zwei Schlitze mit dem für die Öffnungsweite der Schwimmbaggerschaufel idealen Abstand zueinander gefräst werden. In der dritten Position kann die Fräse auf dem Deck des Pontons abgestellt und beispielsweise gewartet werden.

Der Ponton kann an dem Schwimmbagger befestigt und mit dessen Hilfe positioniert werden. Die Steuerung des Perforation Cutters wurde in die Kabine des Schwimmbaggers integriert (Bild 4). Somit ist es möglich, sowohl den Bagger als auch den Perforation Cutter bequem vom selben Platz aus zu bedienen. Über den Touchscreen werden dem Gerätefahrer alle wichtigen Maschinendaten angezeigt und können aufgezeichnet werden.

Auf  Wunsch des Kunden wird der Perforation Cutter durch ein elektrisch angetriebenes Hydraulikaggregat betrieben, das die gleiche Spannung wie der Schwimmbagger nutzt und sich auf dem Ponton des Perforation Cutters befindet. Eine Wasserpumpe für das Spülwasser sowie ein Luftkompressor für die Spülluft befinden sich ebenfalls auf dem Ponton.

Anwendungsmöglichkeiten und Praxiserfahrung

Die ursprünglich geplante und vom Kunden gewünschte Anwendung bestand darin, die harten, relativ waagerecht verlaufenden Bodenschichten zu perforieren, um die darunter liegenden Sand- bzw. Kiesschichten abbauen zu können (Bild 5). Jedoch stellten sich kurz nach Inbetriebnahme des BAUER Perforation Cutters durch den Kunden auch andere Anwendungsmöglichkeiten heraus: Zusätzlich zum Durchfräsen tiefer gelegener, harter Bodenschichten wird der Perforation Cutter derzeit hauptsächlich dazu verwendet, die teilweise unterhalb der Wasseroberfläche sehr steil abfallenden Seeflanken zum Abrutschen zu bringen (Bild 6). Mit dem Hydraulikgreifer des Schwimmbaggers ist dies nicht möglich, da dieser konstruktionsbedingt durch den Schwimmbagger nicht dicht genug ans Ufer heran geführt werden kann.

Bisher wurde der Baggersee erweitert, indem im unteren Bereich, den der Hydraulikgreifer noch erreichte, Sand bzw. Kies ausgebaggert wurde. Diese Methode birgt jedoch die Gefahr, dass der steile Abhang plötzlich ins Rutschen gerät und die Baggerschaufel unter sich begräbt. Der Perforation Cutter kann wegen seines – im Vergleich zum Schwimmbagger – geringeren Tiefgangs näher an das Ufer heran gebracht werden, um so relativ dicht unter der Wasseroberfläche den Sand bzw. Kies im oberen Bereich zum Abrutschen zu bringen. Somit kann die Wassertiefe in Ufernähe so weit vergrößert werden, dass der Schwimmbagger näher an das Ufer heran kommen und den Sand bzw. Kies sicher fördern kann.

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit des Perforation Cutters ergab sich durch die Nagelfluhschicht, die sich in bestimmten Bereichen relativ dicht unter der Wasseroberfläche befindet. Lediglich die Oberfläche dieser Schicht konnte zuvor von dem Tieflöffelbagger vom Ufer aus erreicht werden. Eine Erweiterung des Baggersees und damit eine sichere Förderung des dortigen Sandes bzw. Kieses waren bisher nur durch Sprengung der Nagelfluhschicht möglich. Sprengungen sind jedoch aufwändig, teuer und führen zu zeitweisen Stillständen in der Sand- und Kiesförderung. Ohne Sprengungen bildeten sich durch die Förderung des Kieses bzw. Sandes mit dem Schwimmbagger Unterhöhlungen und somit große Überhänge der Nagelfluhschicht. Diese Überhänge stellen ein großes Sicherheitsrisiko dar, da sie jederzeit unkontrolliert abbrechen und den Hydraulikgreifer des Schwimmbaggers verschütten können oder aber zumindest eine plötzliche starke Wellenbildung auslösen.

Um dies zu verhindern und gleichzeitig auf Sprengungen verzichten zu können, wurde mit einem Tieflöffelbagger die Nagelfluhschicht so weit wie möglich von oben her freigelegt. Die hierdurch entstehende Wassertiefe reichte aus, um den Perforation Cutter über der Nagelfluhschicht zu platzieren (Bild 7). Anschließend wurden mit dem Perforation Cutter einzelne, dicht beieinander liegende Schlitze in die Überhänge aus Nagelfluh gefräst. Durch diese Perforierung können die Überhänge kontrolliert zum Abbrechen gebracht werden.

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