Einfluss der Ringspaltverpressung auf die Beanspruchung der Tübbingröhre in Tunnellängsrichtung

Die Dissertation befasst sich mit der Beanspruchung und der Verformung der Tunnelröhre in Längsrichtung während der Bauphase des Tunnels im Schildvortrieb vor dem Hintergrund der Ringspaltverfüllung mit flüssigem Mörtel. Da teilweise Beschädigungen an den Tübbingen festgestellt werden, die bereits früh nach Erstellung eines Rings auftreten, besteht eine technische und wirtschaftliche Motivation für ein besseres Verständnis der Beanspruchung der Tunnelröhre in der Bauphase. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, eine zusammenhängende Berechnungsmethode zur Betrachtung dieser Situation auf Basis analytischer Ansätze zu entwickeln und relevante Gesichtspunkte, die die Beanspruchung der Tunnelröhre in der Bauphase beeinflussen, zu sammeln, zu beschreiben und zu quantifizieren. In der vorliegenden Arbeit werden weitestgehend analytische Ansätze verwendet, um eine verständliche und transparente Berechnungsmetho­dik zu gewährleisten, anstatt allein auf hochkomplexe Modelle zurückzugreifen.

Zunächst wird die Idealisierung der Tunnelröhre als elastisch gebetteter Balken beschrieben, mit der die Schnittgrößen und Verschiebungen in Tunnellängsrich­tung berechnet werden können. Es werden Ansätze erläutert, mit denen die sukzessive Erweiterung des Tunnels durch den Bau der Ringe berücksichtigt werden kann und beschrieben, welche Auswirkung dieser schrittweise Bauprozess auf die Beanspruchung der Tunnelröhre in Längsrichtung hat. Darauf aufbauend wird das Modell des elastisch gebetteten Balkens zusätzlich in einer numerischen Modellierung umgesetzt, um spezielle Ansätze wie eine nichtlineare Biegesteifigkeit in Abhängigkeit von Biegemoment und Normalkraft abbilden zu können. Anschließend wird die Belastung der Röhre durch die Auftriebskraft im flüssigen Mörtel anhand eines analytischen Berechnungsmodells zur Bestimmung der zeitlichen Druckentwicklung im Ringspalt quantifiziert. Dazu werden bestehende Ansätze zur Beschreibung der Strömung eines Bingham-Fluids im Ringspalt und der Dränierung des Mörtels verwendet, die in einer Modellrechnung zusammengefügt werden. Des Weiteren wird erläutert, welche Auswirkung die Segmentierung der Tunnelröhre in einzelne Ringe auf das Verhalten der Tunnelröhre in Tunnellängsrichtung hat und wie diese Einflüsse anhand getrennter Ansätze quantifiziert werden können.

Abschließend werden das Balkenmodell sowie die Ansätze zur Auftriebskraft und Steifigkeit der Tunnelröhre in Berechnungsbeispielen angewendet. Damit soll die Verwendung der Berech­nungsmethoden unter praxisrelevanten Randbedingungen dargestellt und die Ansätze auf ihre Eignung überprüft werden.

The dissertation deals with the loading and deformation of the tunnel tube in longitudinal direction during the construction phase of the tunnel in shield driving in the context of annular gap filling with liquid mortar. Since in some cases damage to the lining segments is detected which occurs early after a ring has been constructed, there is a technical and economic motivation for a better understanding of the internal stresses in the tunnel during the construction phase. The aim of the present work is to develop a coherent calculation method to consider this situation on the basis of analytical approaches and to collect, describe and quantify relevant aspects which influence the loading of the tunnel during the construction phase.  In the present work, analytical approaches are used for the most part to ensure a comprehensible and transparent calculation method instead of relying solely on highly complex models.

First, the idealization of the tunnel tube as a beam on an elastic foundation is described, with which the internal forces and displacements in the longitudinal direction of the tunnel can be calculated in a simplified way. In this context, methods are explained with which the successive extension of the tunnel by the construction of the rings can be considered and the effects of this step-by-step construction process on the internal stresses in the tunnel tube in the longitudinal direction are described. Based on this, the model of the elastically bedded beam is also implemented in a numerical modelling in order to be able to represent more complex aspects such as a non-linear bending stiffness as a function of bending moment and normal force. Subsequently, the load of the tube by the buoyancy force in the liquid mortar is estimated separately using an analytical calculation model to determine the temporal pressure development in the annular gap. Based on this, the model of the elastically bedded beam is also implemented in a numerical modelling in order to be able to represent more complex aspects such as a non-linear bending stiffness as a function of bending moment and normal force. In the Following, the load of the tube by the buoyancy force in the liquid mortar is estimated separately using an analytical calculation model to determine the temporal pressure development in the annular gap. For this purpose, existing approaches to describe the flow of a Bingham fluid in the annular gap and the drainage of the mortar are used, which are combined in a calculation model. Furthermore, the effects of segmentation of the tunnel tube into individual rings on the behaviour of the tunnel tube in the longitudinal direction are described and discussed how these influences can be quantified using separate approaches.

Finally, the beam model as well as the approaches for the buoyancy force and stiffness of the tunnel tube are applied in a calculation example to illustrate the use of the calculation methods and to check the approaches for their suitability.

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Hausmann, M., 2021. Einfluss der Ringspaltverpressung auf die Beanspruchung der Tübbingröhre in Tunnellängsrichtung. Report Geotechnik Universität Duisburg-Essen. https://doi.org/10.17185/duepublico/73992
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