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Untersuchungen zur Statik des Tunnelbaus in quellfähigem Gebirge

Abstract:

In der vorliegenden Arbeit wird ein kontinuumsmechanisches Modell zur Interpretation von Beobachtungen im Labor und Feld sowie zur Dimensionierung des Tunnelausbaus in quellfähigem Gebirge entwickelt. Das Phänomen der Hebung der Tunnelsohle bzw. der Beschädigung eines eingezogenen Sohlgewölbes ist seit dem Beginn des Eisenbahntunnelbaus, also seit der Mitte des neunzehnten Jahrhunderts bekannt. Schon damals wurde die Ursache in der Eigenschaft gewisser Gesteine gesehen, ihr Volumen durch Wasseraufnahme zu vergrössern. Die Anfänge der theoretischen Auseinandersetzung mit dem Problem des Quellens im Tunnelbau gehen auf Wiesmann (1914) zurück, der im Zusammenhang mit dem Bau des Hauenstein-Basistunnels die Statik des Tunnelmauerwerks in quellfähigem Gebirge untersucht hat. Die seither entwickelten kontinuumsmechanischen Modelle prognostizieren das Auftreten von Quellerscheinungen im Gebirge nicht nur in der Sohle, sondern auch in der Firste, was den Beobachtungen widerspricht und zu falschen Aussagen über die Beanspruchung des Ausbaus führt. Der kontinuumsmechanische Ansatz der vorliegenden Arbeit weist folgende zwei Hauptmerkmale auf: Das Quellphänomen wird hier zum ersten Mal als ein gekoppelter Spannungs-Sickerströmungs-Prozess betrachtet. Dadurch bedingt treten in die Stoffgleichungen zusätzlich zu den Spannungen und Verzerrungen auch die Porenwasserspannung und der Wassergehalt ein. Das Auftreten von Quelldehnungen oder -drücken wird hier als eine Folge des allmählichen Abbaus von negativen Porenwasserspannungen interpretiert. Ferner wird die Sickerströmung in der Umgebung eines unterirdischen Hohlraums bei der mathematischen Formulierung berücksichtigt. Zu diesem Zweck werden aus der Boden- und Felsmechanik bekannte Strömungsgesetze übernommen. Ausser dass der Quellprozess konzeptuell in neuem Licht gesehen wird, erweist sich die vorgenommene Erweiterung des theoretischen Rahmens aus folgenden Gründen als vorteilhaft: Erstens können Sohlhebungen wirklichkeitsnah modellmässig abgebildet werden, d.h. ohne das zwingende Auftreten von Quellerscheinungen auch im Firstbereich. Dies ist deswegen möglich, weil einerseits die hydraulischen Randbedingungen im First- und Sohlbereich unterschiedlich sein können, und andererseits das Strömungsgesetz die geodätische Höhe explizit enthält. Zweitens wird die zeitliche Dimension des Quellprozesses erfasst. Ein weiterer Punkt, worin sich der Ansatz der vorliegenden Arbeit von den bestehenden Ansätzen unterscheidet, liegt in den verwendeten Spannungs-Dehnungs-Beziehungen. Der quellfähige Fels wird hier als ein elastoplastisches Material betrachtet, was die Modellierung der in situ beobachteten, öfters grossen Sohlhebungen ermöglicht. Nach den Ergebnissen unserer Modellrechnungen ist der Bereich mit grösseren Quelldehnungen praktisch identisch mit der plastischen Zone. Die Möglichkeiten und - vor allem was die Zeitdimension betrifft - die Grenzen der numerischen Erfassung des Quellvorgangs durch das vorliegende Modell werden aufgrund von mehreren Modellrechnungen dargestellt. Ferner werden die Feldmessungen numerisch interpretiert, die in einem Tunnel während verschiedenen Ausbruchsphasen von unserem Institut durchgeführt bzw. betreut wurden. Im Rahmen dieser Forschungsarbeit entstand ein Rechenprogramm nach der Methode der Finiten Elemente, das die numerische Lösung auch jener tunnelstatischen Probleme ermöglicht, bei welchen die Sickerströmung einen massgeblichen Einfluss auf die Deformationen und die Stabilität eines unterirdischen Hohlraums hat. Solche Probleme treten nicht nur in Zusammenhang mit dem Quellphänomen auf. Man denke zum Beispiel an die Analyse der Vorgänge in der Umgebung eines im Grundwasser liegenden Tunnels unter den Verhältnissen des echten Gebirgsdrucks oder an die Stabilität der Ortsbrust bei Schildvortrieben.

Authors:

Anagnostou, Georgios

Index Terms:

rock; TunnelingGroup; Anagnostou, Georg

Further Information:

Date published: 1992