tunnel-Serie: Interaktionsmodelle für den maschinellen Tunnelbau, Teil 3

Ortsbruststützung, Bodenkonditionierung und Materialtransport in Hydro- und Erddruckschilden

Der Stützdruck von Tunnelvortriebsmaschinen (TBM) bestimmt die Standsicherheit der Ortsbrust beim Vortrieb. Die Ermittlung des erforderlichen Stützdrucks erfordert wiederum ein grundlegendes Verständnis des Verhaltens des Abbauprozesses und des abgebauten Bodens in der Abbaukammer. In diesem Beitrag werden experimentelle Methoden und Untersuchungen für Erddruck- und Hydroschilde sowie numerische Modelle zur Simulation von Materialtransport- und Mischungsprozessen in der Abbaukammer vorgestellt.

1 Bodenkonditionierung beim Vortrieb mit EPB-Schilden

Die Beurteilung des Stützmediums in der Abbaukammer während des Vortriebs ist nur indirekt durch die Interpretation von Maschinendaten der TBM oder durch die Beobachtung des Abraums auf dem Förderband möglich. Sofern der Baugrund nicht die für den EPB-Vortrieb entsprechenden Eigenschaften aufweist, kann durch den gezielten Einsatz von Konditionierungsmitteln, z. B. Schaum, vorübergehend ein geeignetes Stützmedium erzeugt werden. Deshalb wurden rheometrische Experimente und die Entwicklung von rheologischen Materialparametern für verschiedene Bodentypen und Konditionierungsmittel von der Mikro- und Meso- bis zur Makro-(Real-)Skala mit verschiedenen Testgeräten durchgeführt [1]. Für Untersuchungen im realen Maßstab wurde ein Kugelmesssystem (BMS) entwickelt und in der Großversuchseinrichtung COSMA installiert (Bild 1, links).

1 | Großversuchsstand COSMA mit eingebautem Kugelrheometer (links); kraftgesteuerter Penetrationstest (rechts)
Credit/Quelle: RUB

1 | Großversuchsstand COSMA mit eingebautem Kugelrheometer (links); kraftgesteuerter Penetrationstest (rechts)
Credit/Quelle: RUB

Sowohl im Labor als auch auf der Baustelle ist der Slump-Test [2] eine häufig verwendete Prüfmethode, um die Verarbeitbarkeit von Boden-Schaum-Gemischen zu untersuchen. Da der Slump-Test nicht für die Untersuchung grobkörniger, kiesiger oder rein bindiger Böden geeignet ist, wurde ein neuer Penetrationstest entwickelt, mit dem die Verarbeitbarkeit von konditionierten Böden untersucht werden kann. Zunächst wurde ein kraftgesteuerter Versuchsstand konstruiert (Bild 1, rechts), welcher auf der Methode des Kelly-Ball Tests aus der Betontechnologie und dem Fallkegeltest aus der Bodenmechanik basiert. In weiteren Unter­suchungen wird eine weggesteuerte Versuchsvariante zur Ermittlung rheologischer Parameter entwickelt. Ein weiteres Ziel ist die Entwicklung eines Konditionierungsmittels für sehr grobe Böden und Fels.

2 Lokal instationäre Suspensionsstützung bei Flüssigkeitsschilden

Das übergeordnete Ziel des Teilprojektes zur flüssigkeitsgestützten Ortsbrust ist die Untersuchung der zeitabhängigen Vorgänge während der Stützdruckübertragung bei gleichzeitigem Bodenabbau. Dabei wird die Ortsbrust durch den Stützdruck einer Bentonitsuspension stabilisiert, der dem anstehenden Erd- und Grundwasserdruck entgegenwirkt. Während des Vortriebs wird diese Zone der Stützdruckübertragung periodisch durch die Abbauwerkzeuge abgetragen; dieses beeinflusst den Penetrationsvorgang der Suspension und führt zu einem zeitabhängigen Verlauf des Druckgradienten im Bereich der Ortsbrust [3, 4].

Verschiedene Faktoren beeinflussen die Übertragung des Stützdrucks: Rheologie der Suspension, Durchlässigkeit des kohäsionslosen Lockergesteins, Vortriebsgeschwindigkeit der Schildmaschine, etc. Basierend auf dem Verhältnis der Eindringtiefe der Schneidwerkzeuge zur Eindringtiefe der Suspension können zwei Arten von Stützszenarien unterschieden werden.

Case A: Die gesamte penetrierte Zone wird durch die Abbauwerkzeuge vollständig abgetragen und hinter dem Durchgang des Werkzeuges neu aufgebaut. Unmittelbar nach dem Werkzeugdurchgang sind erhöhte Porenwasserdrücke (∆u) außerhalb des theoretischen Gleitkeils die Folge (Bild 2, links).

Case B: Nur ein Teil der penetrierten Zone wird abgetragen, der hinter dem Werkzeugdurchgang neu aufgebaut wird. Hinter dem Durchgang des Abbauwerkzeugs verbleibt eine penetrierte Zone mit veränderten boden- und hydromechanischen Eigenschaften, in die die Bentonitsuspension erneut eindringt (Bild 2, rechts). Diese Effekte gilt es in konstitutive Modelle für Standsicherheitsberechnungen der Ortsbrust zu überführen [3, 4].

2 | Lokale Verteilung der effektiven Spannung ∆σ' und des Porenwasserdrucks ∆u an der Tunnelachse [3, 4]
Credit/Quelle: RUB

2 | Lokale Verteilung der effektiven Spannung ∆σ' und des Porenwasserdrucks ∆u an der Tunnelachse [3, 4]
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3 Materialtransport- und Mischungsprozesse in Erddruckschilden

Um Einsichten zu den Einflüssen des Maschinendesigns, der Prozessparameter und der Konsistenz des Erdbreis auf die transienten Strömungs- und Druckverhältnisse in Erddruckvortriebsmaschinen zu erhalten, wurde ein numerisches strömungsmechanisches Modell entwickelt. Dieses berücksichtigt alle wesentlichen Interaktionen des durch das drehende Schneidrad eindringenden viskosen Boden-Schaum-Gemisches mit den rotierenden Mischarmen, Rotatoren und dem Schneckenförderer [5]. Wesentliche, in Messungen beobachtete Zusammenhänge, wie z. B. die unsymmetrische Druckverteilung in der Kammer und deren Abhängigkeit von der Kompressibilität und damit von der Bodenkonditionierung, der Drehgeschwindigkeit sowie anderen Parametern konnten damit abgebildet werden und erlauben eine Bewertung der Ortsbruststabilität (Bild 3). Um eine direkte Generierung des numerischen Modells für unterschiedliche, häufig extrem komplexe Geometrien der Druckkammer und des Schneidrads direkt auf Basis von CAD-Daten zu ermöglichen, wird dieses Modell derzeit im Rahmen der Finite-Cell-Methode erweitert [6].

3 | a) Numerisches Modell der Druckkammer einer 17,5 m EPB-TBM, b) berechnete Druckverteilungen für quasi-inkompressibles (oben) und kompressibles Boden-Schaum-Gemisch (unten), c) Druckprofile entlang des Umfangs der Druckwand für quasi-inkompressibles (links) und kompressibles Boden-Schaum-Gemisch (rechts) [5]
Credit/Quelle: RUB

3 | a) Numerisches Modell der Druckkammer einer 17,5 m EPB-TBM, b) berechnete Druckverteilungen für quasi-inkompressibles (oben) und kompressibles Boden-Schaum-Gemisch (unten), c) Druckprofile entlang des Umfangs der Druckwand für quasi-inkompressibles (links) und kompressibles Boden-Schaum-Gemisch (rechts) [5]
Credit/Quelle: RUB

References/Literatur
[1]        Galli, M. (2016): Rheological Characterisation of Earth-Pressure-Balance (EPB) Support Medium composed of non-cohesive Soils and Foam. Ph.D. Thesis, Ruhr-Universität Bochum, 2016.
[2]        EN 12350-2: Testing fresh concrete - Part 2: Slump-test; German version. DIN Deutsches Institut für Normung e. V., Beuth Verlag GmbH, Berlin 2009.
[3]        Zizka, Z. (2019): Stability of slurry supported tunnel face considering the transient support mechanism during excavation in non-cohesive soil. Ph.D. Thesis, Ruhr-Universität Bochum. DOI: 10.13154/294-6514
[4]        Kuepferle, J.; Zizka, Z.; Schoesser, B.; Röttger, A.; Alber, M.; Thewes, M.; Theisen, W. (2018) Influence of the slurry-stabilized tunnel face on shield TBM tool wear regarding the soil mechanical changes – Experimental evidence of changes in the tribological system. Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 74, pp 206-216. DOI: 10.1016/j.tust.2018.01.011
[5]        Dang, T.S.; Meschke G. (2020): Influence of muck properties and chamber design on pressure distribution in EPB pressure chambers – Insights from computational flow simulations. Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 99, pp. 103333. DOI: 10.1016/j.tust.2020.103333
[6]        Saberi, S.; Vogel A.; Meschke G. (2020) Parallel finite cell method with adaptive geometric multigrid. Euro-Par 2020. Springer. DOI: 10.1007/978-3-030-57675-2_36

Danksagung

Die Autoren danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für die finanzielle Unterstützung im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 837 „Interaktionsmodelle für den maschinellen Tunnelbau“ (Projektnummer 77309832).

Sonderforschungsbereich „Interaktionsmodelle für den maschinellen Tunnelbau“ (SFB 837)

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) hat 2010 den Sonderforschungsbereich „Interaktionsmodelle für den maschinellen Tunnelbau“ (SFB 837) an der Ruhr-Universität Bochum eingerichtet. Der SFB 837 ist derzeit das weltweit größte Verbundforschungsvorhaben im Bereich Tunnelbau. Die Forschungsthemen betreffen verschiedene, für die Planungs- und die Ausführungsphase relevante numerische und informatische Modelle, experimentelle Methoden und Konzepte für neue Ausbau- und Stützmaterialien für den maschinellen Tunnelbau.

In einer Serie kurzer Beiträge werden in der Zeitschrift tunnel ausgewählte Forschungsergebnisse mit Fokus auf das Transferpotential für die Tunnelbaupraxis vorgestellt.

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