Michael Kupka

Mobilisierung des räumlichen passiven Erddrucks auf Pressschilde in feinkörnigen Böden

Einleitung

Tunnelvortriebe im Lockergestein mit herkömmlichen Tunnelbohrmaschinen (TBM) erfolgen diskontinuierlich, da während des Einbaus eines Tübbingringes ein Teil der Presszylinder eingefahren werden muss und dadurch nicht genügend Vortriebskraft zur Verfügung steht. Dies stellt eine starke Einschränkung der Wirtschaftlichkeit des mechanisierten Tunnelvortriebs dar. Die HOCHTIEF Construction AG entwickelt zurzeit eine zweigeteilte Tunnelbohrmaschine mit kontinuierlichem Vortrieb im Lockergestein, den so genannten Conti-Schild (siehe Abb.1). Dabei sollen seitliche Druckplatten, die auch als Pressschilde bezeichnet werden (rot gekennzeichnet in Abb. 1), zur Abtragung von Vorschubkräften herangezogen werden. Sobald die Vortriebsleistung den Einbau eines Tübbingringes zulässt, fahren diese Press-schilde aus und mobilisieren stützende Erddruckkräfte, wodurch der vordere TBM-Bereich mit dem Schneidrad den Tunnel kontinuierlich vorantreiben kann.

Abb. 1: Aufbau des Conti-Schildes, Quelle: HOCHTIEF Construction AG

Es werden zwischen Pressschild und Tunnellaibung sowohl Normalkräfte zur Lagekontrolle der TBM als auch als Vortriebskräfte wirkende Schubkräfte abgetragen. Zusammen mit der Vortriebswirkung eines Teils der Presszylinder soll somit auch während des Tübbingringeinbaus genügend Vortriebsleistung zur Verfügung gestellt werden, um einen kontinuierlichen Vortrieb gewährleisten zu können.

Zur Untersuchung der übertragbaren Erddruckkräfte an den Pressschilden fanden bereits Versuche und numerische Untersuchungen für grobkörnige Böden am Institut für Geotechnik (IGT) Dresden statt. Da dieses Vortriebsverfahren auch in feinkörnigen Böden eingesetzt werden soll, wurde in dieser Diplomarbeit das Mobilisierungsverhalten bei undrainiertem Materialverhalten näher untersucht. Hierzu wurden numerische Untersuchungen mit dem Finite-Elemente-Programm TOCHNOG durchgeführt. Dabei kam ein vom Autor vorgeschlagenes Ersatzmodell zur Beschreibung undrainierten Materialverhaltens zum Einsatz.

FE-Modell

Abb. 2: Mittlere Spannung p in der Umgebung des Tunnels infolge des Schließens des Überschnitts, rot gefärbte Bereiche stellen Zonen niedriger Spannung dar

Es wurden sowohl ebene als auch räumliche Berechnungen durchgeführt. Für grobkörnige Böden wurde dabei das hypoplastische Stoffgesetz und für feinkörnige Böden das Modified-Cam-Clay Modell verwendet. Da das Verhalten feinkörniger Böden stark vom Überkonsolidationsgrad (OCR) abhängt, wurden Berechnungen mit OCR = 1, 2, 3 und 4 durchgeführt.

Tunnelvortriebe sind sehr komplexe Bauabläufe, bei denen verschiedenste Prozesse parallel ablaufen. Als maßgebend für die Mobilisierung des stützenden Erddrucks wur-den folgende Einflüsse berücksichtigt:

Initialspannungszustand
Schließen des Überschnitts infolge des vergrößerten Ausbruchsradius (siehe Abb. 2)
Einschubvorgang des Pressschildes.

Undrainiertes Modell

Der Vorschub des Pressschildes führt zum Aufbau von Porenwasserüber- bzw. unterdrücken im Boden. Dadurch kommt es zu Konsolidationsvorgängen. Konsolidationsberechnungen mit finiten Elementen unterliegen jedoch der Zeitschrittproblematik (Auftreten von Oszillationen unterhalb einer kritischen Zeitschrittgröße). Aus diesem Grund können nur in sehr begrenztem Umfang Konsolidationsberechnungen durchgeführt werden.

Bei schnellen Einschubvorgängen und geringen Durchlässigkeiten wird undrainiertes Materialverhalten maßgebend. Jedoch kann TOCHNOG nicht standardmäßig undrainiertes Materialverhalten wiedergeben. Deshalb wurde durch die Kombination zweier Elementnetze undrainiertes Materialverhalten vorgeschrieben (siehe Abb. 3).

Abb. 3: Undrainiertes Berechnungsmodell, Ku - Kompressionsmodul des undrainierten Materials, K' - Kompressionsmodul des Korngerüstes, Kw* - Kompressionsmodul des Porenwassers

Berechnungsergebnisse

Die Berechnungsergebnisse werden für ausgewählte Fälle detaillierter dargestellt.

Grobkörniger Boden, drainierte Berechnung, ebener Fall

Das Schließen des Überschnittes führt zu einer Entspannung im umliegenden Boden
Nichtlinearer Mobilisierungsverlauf (siehe Abb. 4)
Anstieg der maximal mobilisierten Normalspannung bei dichter Lagerung um 63.2 % gegenüber der lockeren Lagerung
Nach ausreichend großen Verschiebungswegen liegt eine Unabhängigkeit der mobilisierten Spannungen von vorangehenden Verformungen vor

Abb. 4: Mobilisierung des stützenden Erddrucks am Pressschild für verschiedene Lagerungsdichten bei reinem Schildvorschub (Fall V) und bei einer dem Vorschub vorangehenden Entspannung infolge des Schließens des Überschnitts (Fall E+V)

Feinkörniger Boden, undrainierte Berechnung, räumlicher Fall

Nichtlinearer Verlauf der effektiven Normalspannungen am Pressschild, anschließend Konstanz (siehe Abb. 5)
Mit zunehmendem Überkonsolidationsgrad steigt die mobilisierte Normalspannung an
Nur bei sehr hohen Überkonsolidationsgraden ist ein kontinuierlicher Vortrieb möglich, da ansonsten der Anstieg der Spannungen am Pressschild zu gering ist
Eine vorangehende Verformung der Tunnellaibung führt zu einer Abnahme der übertragbaren Spannungen am Pressschild

Abb. 5: Mobilisierung des räumlichen stützenden Erddrucks für verschiedene Überkonsolidationsgrade OCR bei bindigem Boden und undrainiertem Materialverhalten

Feinkörniger Boden, räumlicher Fall, Langzeitentwicklung der Spannungen

Die Langzeitentwicklung der Spannungen (Porenwasserdruck + effektive Spannungen) nach Abschluss des Einschubvorganges wurde untersucht. Dabei konnten folgende Zusammenhänge festgestellt werden
Abnahme der totalen Spannungen mit fortschreiten der Konsolidation vor dem Schild (siehe Abb. 6)
Anstieg der effektiven Horizontalspannungen um ca. 30 %
Keine wesentliche Zunahme der übertragbaren Spannungen für
Auch bei grobkörnigen Böden ist eine Anpassung der Einpressgeschwindigkeit an die Durchlässigkeit des Bodens erforderlich, um eine Annäherung an den undrainierten Verlauf zu vermeiden

Abb. 6: Langzeitentwicklung der totalen horizontalen Spannungen am Pressschild für normalkonsolidierten Boden nach 2, 4 und 6 cm maximalen Vorschubweg aufgetragen gegen eine Relativzeit t

Ausblick

Für weitergehende Untersuchungen ergeben sich vielfältige Möglichkeiten. Beispielhaft seien genannt

Einfluss der Tunnelgeometrie/Überlagerungshöhe
Optimierung der Pressschildabmessungen
Vergleichsrechnung mit verschiedenen Böden
Lastausbreitung infolge des Einpressens
Einfluss der Bentonitsuspension
Mobilisierungsverhalten bei inhomogenem Boden

Bearbeitungszeitraum:

07/2006 - 09/2006

Wissenschaftliche Betreuer:

Leiter des Institutes für Geotechnik

Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Ivo Herle

Leiter Professur für Bodenmechanik und Grundbau

E-Mail senden

Kontaktinformationen

Professur Bodenmechanik und Grundbau

work

Besuchsadresse:

Neuffer-Bau (NEU), NEU 111 George-Bähr-Str. 1a

01069 Dresden

Zeige Karte von diesem Ort.

work Tel.

Sprechzeiten:

nach Vereinbarung

Dr. M. Arnold, Technische Universität Dresden

Verleihung des Johann-Ohde-Preises 2007 an Michael Kupka

Die Diplomarbeit von Herrn Dipl.-Ing. Michael Kupka wurde im Rahmen des Tags der Fakultät am 26.10.07 mit dem von der Fa. BAUER Spezialtiefbau GmbH gestifteten Johann-Ohde-Preis ausgezeichnet.