Tunnelbau Im Festgestein Und Lockergestein 2016
October 8, 2022 | Author: Anonymous | Category: N/A
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Fels- und Tunnelbau
3. Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein (Auflage WS 2016/17)
INHALTSVERZEICHNIS
1. BEGRIFFSDEF BEGRIFFSDEFINITION INITION ............................................................................................................... ............................................................................................................... 4 1.1. Allgemeine Definitionen .................................................................................................. .................................................................................................. 4 1.2. Definitionen aus dermitÖGG – Richtlinie die Geomechanische Planung von5 Untertagebauarbeiten zyklischem Vortriebfür ...... ................................................................ .......................................................... 1.3. Definitionen aus der ÖVBB – Richtlinie Schildvortrieb .................................................. 6 1.4. Weitere Definitionen ............................................................. ........................................................................................................ ........................................... 8 2. GESCHICHTLICH GESCHICHTLICHE E ENTWICKLUNG DES TUNNELBAUS ................................................... 9 3. SPANNUN SPANNUNGSZUSTÄNDE GSZUSTÄNDE IM GEBIRGE ................................................................................. ................................................................................. 13 3.1. Primärer Spannungszustand ............................................................... ........................................................................................... ............................ 14 3.1.1. Seitendruckverhältnis K 0 .............................................................. ................................................................................................. ................................... 14 3.1.2. Ermittlung des primären Spannungszustandes in der Praxis ...................... ........................................... .....................17 3.2. Sekundärer Spannungszustand ................................... ....................................................................................... .................................................... 18 3.2.1. Primärzustand elastisch – Sekundärzustand elastisch .....................................................18 3.2.2. Primärzustand elastisch – Sekundärzustand plastisch ..................................................... .....................................................23 3.2.3. Primärzustand plastisch – Sekundärzustand plastisch .....................................................30 3.3. Tertiärer Spannungszustand .............................................................. ........................................................................................... ............................. 30 3.4. Wechselwirkung zwischen Gebirge und Ausbau ............... ........................................................... ............................................ 31 4. BERECHNUNGS- UND BEMESSUNGSGRUNDLAGEN FÜR TUNNELBAUWERKE ...... 33 4.1. Belastungsansätze – Ermittlung der Primärspannungen.............................................. ................................................. ... 33 4.1.1. Festgesteinstunnelbau ............................................................ ...................................................................................................... ..........................................33 4.1.2. Lockergesteinstunnelbau ................................................................. ................................................................................................. ................................35 4.1.3. Einflussfaktoren auf die Tunnel- und Stollenbemessung – Zusammenfassung ..............38 4.2. Berechnungsmodelle für die Tunnelschale....................................................... ..................................................................... .............. 38 4.2.1. Überblick ......................................................................................................................... .........................................................................................................................38 4.2.2. Tunnel als Tragwerk oder gebetteter Stabzug ....................... ................................................................. ..........................................39 4.2.3. Tunnel als Hohlraum im Kontinuum ......................................................................... ............................................................................... ......44 4.2.4. Räumliche Berechnungsmodelle .....................................................................................58 4.3. Standsicherheit der Ortsbrust.................................. Ortsbrust.......................................................................................... ........................................................ 62 4.3.1. Belastungsansätze ................................................................ ............................................................................................................ ............................................62 62 4.3.2. Standsicherheitsnachweis ............................................................... ................................................................................................ .................................63 4.4. Der Eurocode 1997-1 bei der Tunnelbemessung........................................................... Tunnelbemessung............................................................. 66 5. BERGMÄNNIS BERGMÄNNISCHER CHER VORTRIEB (ZYKLISCHER VORTRIEB) ........................................... 67 5.1. Vortriebsverfahren........................................................... .......................................................................................................... ............................................... 67 Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Dietmar ADAM
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Fels- und Tunnelbau 5.2. 5.2.1. 5.2.2. 5.2.3. 5.2.4. 5.3. 5.3.1. 5.3.2. 5.3.3. 5.3.4. 5.3.5. 5.3.6. 5.3.7. 5.4. 5.4.1.
Alte traditionelle Bauweisen .......................................................................................... .......................................................................................... 67 Deutsche Bauweise (Kernbauweise) ............................................................... ............................................................................... ................67 Englische Bauweise (Längsträgerbauweise) ...................................................................69 Belgische Bauweise (Unterfangungsbauweise)...................................................... ............................................................... .........70 Alte Österreichische Bauweise (Ringbetriebsbauweise, Multiple Drift Methode) ......... 72 Neue Österreichische Tunnelbaumethode Tunnelbaumethode (NÖT bzw. NATM) NATM) ..................................... 73 Definition der Neuen Österreichischen Tunnelbauweise ................................................73 Prinzipien und Grundsätze der Neuen Österreichischen Tunnelbauweise ........ ...................... ..............73 Stützmittel ..................................................................... ....................................................................................................................... ..................................................84 Voraussicherungsmaßnahmen Voraussicherungsmaß nahmen ......................................................................................... .........................................................................................96 Tunnelausbau und Abdichtung .......... ........................................................................... ............................................................................ ...........103 NÖT/NATM in verschiedenen verschiedenen Anwendungsbereichen Anwendungsbereichen.................................................110 Ausbruchsformen, Querschnittsformen und Sonderanwendungen der NATM.............113 Richtlinien .................................................................................................................... .................................................................................................................... 125 ÖGG Richtlinie für die geotechnische Planung von Untertagebauten mit zyklischem Vortrieb ................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................125 5.4.2. ÖNORM B 2203-1 ........................................................................................... ........................................................................................................ .............131 6. MASCHINELLER VORTRIEB (KONTINUIERLIC (KONTINUIERLICHER HER VORTRIEB) ................................. 132 6.1. Systematik der Tunnelvortriebsmaschinen........................................................... ................................................................... ........ 132 6.1.1. Nicht druckhaltende Schildmaschinen Schildmaschinen („offene“ Schilde) ............................................134 6.1.2. Druckhaltende Schildmaschinen („geschlossene“ Schilde) ..........................................140 6.2. Einsatzbereiche der Schildmaschinen .......................................................................... .......................................................................... 143 6.3. . 6.3.1. 6.3.1 6.3.2. 6.4. 6.4.1. 6.4.2. 6.5. 6.5.1. 6.5.2. 6.5.3. 6.5.4. 6.5.5. 6.5.6. 6.6. 6.6.1.
Bodenund Gesteinsabbau .... ..................................................................... ....................................................................................... ...................... 145 Abbauwerkzeuge ..................................................................... ........................................................................................................... ...................................... 146 Verklebung und Abrasivität ................................................................ .......................................................................................... ..........................147 Planung von Schildvortrieben ...................................................................................... ...................................................................................... 148 Trassierung ................................................................ .................................................................................................................... ....................................................148 Untergrunderkundung.................................................................................................... ....................................................................................................148 Der maschinelle Vortrieb ............................................................................ ............................................................................................. ................. 150 Stützdruckberechnung .............................................................. ................................................................................................... .....................................150 Aus- und Einfahrsicherung .......... ........................................................................... .................................................................................. .................151 Massen-/Volumenbilanz zur Aushubkontrolle ..................... .............................................................. .........................................153 Ringspaltverpressung .................................................................. .................................................................................................... .................................. 155 155 Vortriebsunterbrechungen ......................................................... ............................................................................................. ....................................156 Ausbläser ....................................................................................................................... .......................................................................................................................157 Tunnelausbau mittels Tübbingen.................................................................................. Tübbingen.................................................................................. 158 Tübbingherstellung ........................................................................................................ ........................................................................................................159
6.6.2. 6.6.3. 6.6.4. 6.6.5. 6.7. 6.7.1. 6.7.2. 6.8. 6.8.1.
Tübbingformen .............................................................................................................. ..............................................................................................................159 Tübbingbemessung........................................................................................................161 Fugenausbildung............................................................................................................161 Querschläge und Nischen .............................................................................................. ..............................................................................................162 Penetrationsmodell nach Gehring ................................................................................ 163 Aufbau des Gehring-Modells ....................................................................... ........................................................................................ .................163 Stärken und Schwächen des Gehring-Modells .............................................................. ..............................................................165 Richtlinien .................................................................................................................... 165 ÖGG Richtlinie für die geotechnische Planung von Untertagebauten mit kontinuierlichem Vortrieb .............................................................................................165 6.8.2. ÖNORM B 2203-2: Untertagebauarbeiten – Werkvertragsnorm, Teil 2: Kontinuierlicher Vortrieb ......................................................................................................................... .........................................................................................................................169 7. TUNNELBAU IN OFFENER BAUWEISE ........................................................... .............................................................................. ................... 170 7.1. (Konventionelle) Offene Tunnelbauweise (Bottom-Up) .............................................. 170 7.2. 7.2.1. 7.3.
Deckelbauweise (Top-Down)............................................................ ....................................................................................... ........................... Kärntner Deckel ........................... ........................................................................................... .................................................................................. ..................172 174 Baugrubenumschließungen .......................................................................................... 175 Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Dietmar ADAM
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Fels- und Tunnelbau
7.3.1. Geböschte Baugrube ...................................................................................................... ......................................................................................................175 7.3.2. Baugrube mit temporärer Baugrubenumschließung ......................................................176 7.3.3. Baugrube mit verbleibender Baugrubenumschließung .................................................176 7.4. Grundwasserhaltung ..................................................................................................... ..................................................................................................... 176 7.4.1. Methoden zur Grundwasserabsenkung....................................................... .......................................................................... ...................177 7.5. Abdichtung der Baugrubensohle ............... ............................................................................... ................................................................... ... 178 7.5.1. Einbinden in einen natürli natürlichen chen Grundwasserstauer ......................................................178 7.5.2. Unterwasserbetonsohle ohne Verankerung ...................................................................178 7.5.3. Unterwasserbetonsohle mit Verankerung..................................................... ...................................................................... .................179 7.5.4. Hoch-, mitteltief- und tiefliegende DSV-Sohle bzw. tiefliegende Injektionssohle ....... .......179 8. BEHERRSCHUN BEHERRSCHUNG G DES WASSERS IM TUNNELBAU ................................................... ......................................................... ...... 180 8.1. Festgestein – Bergwasser ................................................................................ ............................................................................................. ............. 180 8.2. Lockergestein – Grundwasser, Sickerwasser ........................................................ ............................................................... ....... 180 9. GEOTECHNISC GEOTECHNISCHE HE MESSUNGEN IM TUNNELBAU – QUALITÄTSKONTROLLE ........ 182 9.1. Begleitmessungen Untertage ........................................ ........................................................................................ ................................................ 182 9.1.1. Absolute Verschiebungsmessung ............................................................ .................................................................................. ...................... 1182 82 9.1.2. Konvergenzmessungen..................................................................................................184 9.1.3. Extensometer .......................................................... ................................................................................................................. .......................................................184 9.1.4. Ring-Konvergenz-Mess Ring-Konvergenz-Messsystem system...................................................................................... ......................................................................................185 9.1.5. Spannungs- und Dehnungsmessung im Spritzbeton...................................................... Spritzbeton......................................................185 9.1.6. Profilkontrolle mit Tunnelscanner ................................................................ ................................................................................. .................186 9.2. Begleitmessungen Obertage .......................................................... ......................................................................................... ............................... 187 9.2.1. Absolutmessung der Oberflächensetzungen.................................................... .................................................................. ..............187 9.2.2. Kontinuierliche Setzungsüberwachung ................................................................. ......................................................................... ........189 10. ROHRVORTRIEB ................................................................... ..................................................................................................................... .................................................. 190 10.1. Prinzip des Rohrvortriebs ............................................................................................. ............................................................................................. 190 10.2. Übersicht der grabenlosen Verfahren („No-Dig“)........................................................ 191 10.2.1. Unbemannt arbeitende, a rbeitende, nichtsteuerbare Verfahren .......................................................191 10.2.2. Unbemannt arbeitende, steuerbare Verfahren ...............................................................194 10.2.3. Bemannt arbeitende Verfahren – Rohrvortrieb .............................................................197 10.3. Untergrunderkundung für den Rohrvortrieb................................................................. 199 10.4. Start-, Ziel- und Zwischenschächte für den Rohrvortrieb ............................................ 201 10.4.1. Aus- und Einfahrsicherung ............ ............................................................................ ................................................................................ ................203 10.4.2. Presswand im Startschacht ............................................................................................204 10.4.3. Rohrbremse (Rücklaufsperre) im Startschacht ......... .............................................................. .....................................................207 10.5. Vortriebskraft FV .......................................................................................................... 207 10.5.1. Brustwiderstand (Eindringwiderstand) FBW ..................................................................207 10.5.2. Widerstand zufolge Mantelreibung FM ..........................................................................208 10.6. Pressrohre ..................................................................................................................... ..................................................................................................................... 209 10.6.1. Zwischendehner.............................................................................................................211 10.6.2. Rohrbemessung .............................................................. ............................................................................................................. ...............................................212 11. LITERATURVERZEICH LITERATURVERZEICHNIS NIS .................................................................................. .................................................................................................... .................. 216 11.1. Literatur ........................................................................................................................ ........................................................................................................................ 216 11.2. Normen, Richtlinien und Vorschriften Vorschriften ......................................................................... ......................................................................... 217
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
1. BEGRIFFSDEFINITION 1.1.
Allgemeine Definitionen
Abbildung 1-1: Begriffsdefinition Tunnelquer- und Längsschnitt [Müller, 1978].
Abbildung 1-2: Englische Begriffsdefinition Tunnelquer- und Längsschnitt [Brandl, 2006].
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Abbildung 1-3: Querschnittsunterteilung zweihüftiger Ulmenstollenvortrieb [ÖBB Infrastruktur Bau AG, 2008].
Abbildung 1-4: Bezeichnungen bei Schildmaschinen (schematisch am Beispiel eines Erddruckschildes) 1 … Schneidrad (Bohrkopf), 2 … Schneidradantrieb, 3 … Abbaukammer, 4 … Druckwand, 5 … Vortriebspressen, 6 … Förderschnecke, 7 … Tübbingerektor, 8 … Tunnelauskleidung mit Tübbingen, 9 … Schildschwanz, 10 … Schildschwanzdichtung.
1.2. Definitionen aus der ÖGG – Richtlinie für die Geomechanische Planung von Untertagebauarbeiten Untertagebauar beiten mit zyklischem Vortrieb GEBIRGE
Teil der Erdkruste, zusammengesetzt aus Festgestein (Fels) oder Lockergestein (Boden), einschließlich der Anisotropien, Trennflächen und Hohlräume mit Füllungen aus flüssigen oder gasförmigen Bestandteilen.
GESTEIN
Durch natürliche Vorgänge entstandenes Aggregat aus mineralischen Bestandteilen, gekennzeichnet durch die Art und Menge der auftretenden Minerale und durch das Korngefüge.
FESTGESTEIN
Mineralgemenge, dessen Eigenschaften hauptsächlich durch seine physikalisch/chemische Bindung bestimmt sind.
LOCKERGESTEIN
Anhäufung von anorganischen und verschiedenkörnigen Feststoffen, fallweise auch mit organischen Beimengungen, deren Eigenschaften vorwiegend durch die Kornzusammensetzung, die Lagerungsdichte und den Wassergehalt bestimmt sind.
GESTEINSART
Locker- und Festgestein mit gleichartigen Eigenschaften.
TRENNFLÄCHEN
Zweidimensional ausgedehnte, i.a. vollständige Unterbrechungen des mechanischen Zusammenhanges im Festgestein, hervorgerufen im Zuge der Entstehung und/oder tektonischer, bruchhafter Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Dietmar ADAM
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein Überbeanspruchung des Materials. Integrale (potenzielle) Trennflächen bewirken Modifikationen des Zusammenhaltes (z.B. Schichtung – Schieferung – Klüfte) und mechanische Anisotropien.
GEBIRGSART (GA)
Gebirge mit gleichartigen Eigenschaften.
GEBIRGSVERHALTEN GEBIRGSVERHA LTEN (GV) Reaktion des Gebirges auf den A Ausbruch usbruch ohne Berück Berücksichtigung sichtigung von Stützung oder Querschnittsunterteilung. GEBIRGSVERHALTENSTYP Übergeordnete Kategorien von ähnlichen Gebirgsverhalten in Bezug (GVT) auf Versagensformen oder andere Charakteristika. ANFORDERUNGEN ANFORDERUN GEN
Definition der erforderlichen Faktoren, um Gebrauchstauglichkeit, Sicherheit und umweltrelevante Aspekte sicherzustellen.
SYSTEMVERHALTEN SYSTEMVERHA LTEN (SV)
Das Verhalten des Gesamtsystems resultierend aus Gebirge und gewählten Baumaßnahmen.
RAHMENPLAN
Zusammenfassende Darstellung der geotechnischen Planung mit Vorgaben in Bezug zu Baumaßnahmen und Beschränkungen.
1.3.
Definitionen aus der ÖVBB – Richtlinie Schildvortrieb
ABRASIVITÄT
Den Werkzeugverschleiß bestimmende Gesteinseigenschaften.
ANFAHREN
Beginn des kontinuierlichen Tunnelvortriebs (Vortriebsbeginn) an einer definierten Stelle (z.B. Anfahrwand). Es wird auch der Begriff Ausfahren synonym verwendet.
AUSBAU
Stützung der Hohlraumlaibung. Bei einschaligem Ausbau übernimmt der Ausbau die Funktion der Innenschale.
AUSKLEIDUNG AUSKLEIDUN G
Gesamtheit von Ausbau und Innenschale.
BOHRGESCHWINDIGKEIT
Eindringtiefe des Bohrkopfs Berücksichtigung von Bohrgeschwindigkeit).
BOHRKOPF
Mechanische Vorrichtung zum vollflächigen Abbau des Tunnelquerschnittes im Festgestein. Der Abbau erfolgt rotierend, die Werkzeugbestückung des Bohrkopfes erfolgt in Abhängigkeit vom Gebirge.
DURCHSCHLAGGENAUIGKEIT
Abweichung der Tunnelachse (Vortrieb/Gegenvortrieb).
EFFEKTIVER BOHRDURCHMESSER
Tatsächlich gebohrter Durchmesser des Tunnels, der sich in Folge laufender Abnützung der Bohrwerkzeuge verändert.
EINFAHREN
Abschluss des kontinuierlichen Tunnelvortriebs (Vortriebsende) in einem Bauwerk (z.B. Schacht).
EINSCHALIGER AUSBAU
Alle statischen und konstruktiven Anforderungen der Tunnelauskleidung werden von einem Schalenteil (Außenschale, auch einschalige Bauweise) erfüllt. Es wird keine Innenschale ausgeführt (siehe auch ÖVBB-Richtlinie „Spritzbeton“).
GEBIRGSVERHALTEN GEBIRGSVERHA LTEN
Im Tunnelbau wird darunter das Verhalten des ungestützten Hohlraumes verstanden. Das Gebirgsverhalten wird durch die
pro Zeiteinheit (m/h) ohne Unterbrechungen (Netto-
am
Durchschlagspunkt
Eigenschaften desBergwassersituation Gesteins und des sowie Trennflächengefüges, der Spannungs- und der Hohlraumform bestimmt. Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Dietmar ADAM
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
GESCHLOSSENE SCHILDMASCHINE
Schildmaschine, bei der durch ein druckhaltendes System eine kontrollierte Ortsbruststützung im Allgemeinen mittels Stützflüssigkeit oder Erdbrei erfolgen kann. Mittels wasserdruckabhängiger Druckluftbeaufschlagung der Druckkammer kann das Grundwasser verdrängt werden.
HINDERNISSE
Natürliche oder künstliche Einschlüsse, die ganz oder zum Teil innerhalb des Querschnittes liegen, wie z.B. Blöcke oder Fremdkörper, welche mitbewältigt den vertraglich Werkzeugen ohne Behinderung nicht werden vorgesehenen können.
INNENSCHALE INNENSCHAL E
Inneres, flächiges Konstruktionselement zur Erfüllung konstruktiver und/oder funktionaler Erfordernisse, welches nicht zur unmittelbaren Hohlraumsicherung dient und außerhalb des Vortriebsbereiches eingebaut wird.
KONTINUIERLICHER MASCHINELLER VORTRIEB
Vortrieb mit Hilfe einer Tunnelvortriebsmaschine, bei welchem die einzelnen Arbeitsvorgänge des Lösens, Ladens und des Stützmitteleinbaues im Wesentlichen gleichzeitig ausgeführt werden.
NACHLÄUFER NACHLÄUFEREINRICHTUNG
System von Arbeitsplattformen, Portalwagen u.ä., das allesamt zur Versorgung und Entsorgung der Tunnelvortriebsmaschine sowie ggf. die zur Einbringung von Stütz- und Ausbaumaßnahmen notwendigen Einrichtungen enthält.
OFFENE SCHILDMASCHINE
Schildmaschine, die kein druckhaltendes System zur kontrollierten Ortsbruststützung bzw. keine Druckluft zur Kompensation des Grundwasserdrucks aufweist. Der Abbau erfolgt unter atmosphärischem Druck.
PILOTSTOLLEN
Vorgängig zur Herstellung des Tunnels Erkundungsstollen mit kleinerem Querschnitt.
QUERSCHLAG
Verbindungsbauwer Verbindungsbauwerkk zwischen zwei Tunnelröhren oder zwischen Tunnelröhre und Schachtbauwerk. Funktionell dienen sie als befahrund begehbare Querschläge, als Fluchtwege, allgemeine Zugänge zu unterirdischen Stationsbauwerken usw.
REGELQUERSCHNITT REGELQUERSCH NITT
Geplanter typischer Querschnitt eines Hohlraumbauwerkes.
SCHILD
Stahlkonstruktion, die dem Ausbruch folgend in der Tunnelachse vorgeschoben wird und den Hohlraum gegen das Eindringen des Gebirges schützt. Gerät zum mechanischen Abbau des Gebirges im Voll- oder Teilquerschnitt im Schutze eines Schildes.
SCHILDMASCHINE SCHILDMASC HINE
aufgefahrener
SCHILDVORTRIEB SCHILDVORTRI EB
Vortrieb durch Vorpressen eines Schildmantels, unter Zuhilfenahme unterschiedlicher Löseverfahren sowie gegebenenfalls ortsbrustunterstützender Maßnahmen.
SCHNEIDRAD
Mechanische Vorrichtung zum vollflächigen Abbau des Tunnelquerschnittes im Lockergestein. Der Abbau erfolgt rotierend, die Werkzeugbestückung des Schneidrades erfolgt in Abhängigkeit vom Gebirge.
STÖRFALL
Ein vom bestimmungsgemäßen Betrieb abweichendes Verhalten.
STÜTZDRUCK
Druck eines Stützmediums (Stützflüssigkeit, Erdbrei) in der Abbaukammer einer geschlossenen Schildmaschine, welcher den Einwirkungen aus Wasser- und Erddruck an der Ortsbrust entgegenwirkt. Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Dietmar ADAM
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
SYSTEMVERHALTEN SYSTEMVERHA LTEN
Verhalten des Gesamtsystems, resultierend aus Gebirge und gewählten Baumaßnahmen.
TÜBBING
Fertigteil aus Beton, bewehrtem Beton, Stahl oder Gusseisen für die Auskleidung von Tunnel, Stollen und Schächten.
TUNNELBOHRMASCHINE TUNNELBOHRM ASCHINE
Gerät zum mechanischen Abbau von Festgestein im Vollquerschnitt mit oder ohne Schutz eines Schildes.
TUNNELVORTRIEBSMASCHINE
Gerät zum mechanischen Abbau von Fest- oder Lockergestein im Vollquer- oder Teilquerschnitt mit oder ohne Schutz eines Schildes entweder kontinuierlich oder hubweise.
VERKLEBUNGEN
Unter Verklebungen versteht man das Anhaften von Bodenteilchen an Maschinenbauteiloberflächen und das Zusammenhaften von Bodenteilchen untereinander (Klumpenbildung und in weiterer Folge auch Brückenbildung) als Folge einer Adhäsionskraft. Das Verklebungspotential kann durch die Kombination aus Konsistenzzahl und Plastizitätszahl charakterisiert werden.
ZYKLISCHER, KONVENTIONELLER VORTRIEB
Vortriebsart, bei der die einzelnen Arbeitsvorgänge des Lösens, Ladens und des Stützmitteleinbaues im Wesentlichen zeitlich nacheinander und mit Hilfe von Einzelgeräten ausgeführt werden. (siehe auch ÖNORM B 2203-1).
1.4.
Weitere Definitionen
TUNNEL
Langgestreckte unterirdische Hohlräume, Ausbruchsquerschn Ausbruchsquerschnitte itte i.d.R. > 20 m² bis ca. 300 m²; Straßen-, Eisenbahntunnel; Längen bis 60 km.
STOLLEN
Langgestreckte unterirdische Hohlräume, Ausbruchsquerschnitte funktionsabhängig; bei Neigungen > 12% Schrägstollen; Freispiegelstollen, Druck-, Umleitungs-, Erkundungs-, Fenster-, Visier-, Luftschutzstollen; Längen bis 120 km.
SCHÄCHTE
Langgestreckte, lotrechte oder steil einfallende unterirdische Hohlräume (Vertikal-, Schrägschacht); Förderschacht, Wetterschacht, Blindschacht, Wasserschloss; Teufen bis 4 km, als Zugänge.
KAMMERN
Gedrungene, unterirdische Hohlräume, bis ca. 10 m Breite; Breite; Abb Abbauhohlräume auhohlräume im Bergbau (Kammerbau), Bunkeranlagen für Luftschutzwerke, Anlagen zur Lagerung.
KAVERNEN
Gedrungene, uunterirdische nterirdische Hohlräum Hohlräumee bis ca. 35 m Breite; M Maschinenkavernen, aschinenkavernen, Speicherung von Öl, Gas etc.
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
2. GESCHICHTLICHE ENTWICKLUNG DES TUNNELBAUS Mitte des 19. Jahrhunderts stieg der Bedarf an Tunnelbauwerken durch die Entwicklung der Eisenbahn massiv an. Zu diesem Zeitpunkt war die Tunnelbautechnik noch am Anfang. Die Löse- und Abbautechniken für das Auffahren des Hohlraumes wurden weitgehend aus dem Bergbau übernommen. Diese Techniken sind jedoch nicht auf den Bau von Infrastrukturtunneln ausgelegt, sondern im Bergbau war die Ausbeutung des Gebirges das Hauptziel. Bei Verkehrstunneln sind jedoch die wesentlichen Merkmale eine lange Lebensdauer und eine hohe Betriebssicherheit. In verschiedenen Teilen Europas entwickelten sich unterschiedliche Tunnelbauverfahren. Sie unterschieden sich im Verfahrensablauf beim Öffnen des Hohlraumes und bei der Herstellung der Sicherung. Holzzimmerungen stellten eine vorübergehende Sicherung dar und wurden durch ein gemauertes Gewölbe ersetzt, welches den endgültigen Ausbau bildete.
Alte Bergmännische Bauweisen
Deutsche Bauweise (Kernbauweise) Belgische Bauweise (Unterfangungsbauw (Unterfangungsbauweise) eise) Englische Bauweise (Längsträgerbauweise) Alte Österreichische Bauweise (Ringbetriebsbauweise bzw. Multiple Drift Method) Die Felsmechanischen Grundsätze des Tunnelbaus waren zwar schon frühzeitig bekannt, jedoch konnten sie mangels technischer Möglichkeiten nicht umgesetzt werden. Zwischen dem Gebirge und dem Ausbau (Mauerwerk) konnte nur ein Kontakt hergestellt Aufgrund des Rückbaus des Holzausbaus und des Einbringens des loser Mauerwerkes kam es zu werden. schädlichen Auflockerungen des Gebirges. Auch die fehlende Abdichtung führte zu Auflockerungen und Nachbrüchen. Ende des 19. Jahrhunderts löste der Beton als Ausbaumaterial die Mauerung aus Blocksteinen und Ziegeln ab. Die Weiterentwicklung zur Sicherung mit Spritzbeton war ein großer Schritt in der Tunnelbaugeschichte. Mit Spritzbeton war es möglich, eine sofort wirksame Sicherung einzubauen, die im direkten Verbund mit dem umliegenden Gebirge steht. Dies war die Geburtsstunde der „Neuen Österreichischen Tunnelbauweise (NÖT, NATM)“.
Der erste Schildvortrieb Anfang des 18. Jahrhunderts entwickelte der französisch-britische Ingenieur Marc Brunel den Schildvortrieb. Seine Idee war es, im Jahre 1819, mit einem Schildvortrieb die Themse in London zu untertunneln. Der Schildvortrieb begann nach der Abteufung eines 20 m tiefen Schachtes, der mit Senkkästen hergestellt wurde. Bei dem eingesetzten Schild handelte es sich um ein rechteckiges Schild bestehend aus 12 Die Einzelrahmen. Jeder Rahmen war indes drei Kammern unterteilt unterteilt,, in denen jeweils ein Mineur arbeitete. Abbildung 2-1 zeigt eine Skizze BrunelSchildes.
Abbildung 2-1: Brunel Schild [Betonkalender, 2005].
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Große Eisenbahntunnel im 19. Jahrhundert Der Ausbau der Eisenbahnnetze und der Bau der ersten innerstädtischen U-Bahnlinien läuteten Mitte des 19. Jahrhunderts in Europa eine erste Phase intensiven Tunnelbaus ein. Sie war gekennzeichnet von einem gewaltigen Personaleinsatz und viel Handarbeit. Ihr Ende kam Anfang des 20. Jahrhunderts durch die beiden Weltkriege und die Weltwirtschaftskrise. Die Herstellung dieser Tunnel war gekennzeichnet durch:
vorwiegend Sprengvortrieb vorwiegend Teilausbrüche Verwendung von Sprengstoff: Schwarzpulver, später Dynamit Stützung durch gewölbeförmiges Tunnelbauwerk Tabelle 2-1: Die großen Eisenbahntunnel im 19. Jahrhundert und zu Beginn des 20. Jahrhunderts
Bauwerk
Bauzeit
Länge [m]
Land
Liverpool – Manchester
1826 - 1830
115
England
Dresden – Leipzig
1839
511
Deutschland
Semmeringtunnel
1848 - 1853
1.434
Österreich
Giovitunnel Hauensteintunnel I
1850 - 1853 1853 - 1858
3.275 2.495
Italien Schweiz
Fréjustunnel
1857 - 1871
12.234
Italien/Frankreich
Gotthardtunnel
1872 - 1880
14.912
Schweiz
Arlbergtunnel
1880 - 1884
10.250
Österreich
Tendatunnel (stillgelegt)
1883 - 1900
8.099
Italien
Simplontunnel I
1898 - 1905
19.770
Schweiz
Lötschbergtunnel
1906 - 1913
14.612
Schweiz
Abbildung 2-2: Sommeiller‘sche Bohrmaschine [Betonkalender, 2005].
Für die Bauzeit des Fréjustunnels waren ursprünglich 25 Jahre vorgesehen. Die konventionelle Bohrtechnik mit einer Vortriebsleistung von ca. 0,75 m/d wurde durch die Entwicklung der ersten Bohrmaschine durch Sommeiller ersetzt. Durch den Einsatz dieser Bohrmaschine konnte die Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Dietmar ADAM
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Vortriebsleistung auf 3 m/d gesteigert werden und somit die Bauzeit erheblich verkürzt werden. Die Bohrmaschinen wurden mit Druckluft betrieben. Der Antrieb der Kompressoren, die sich vor dem Tunnelportal befanden, erfolgte durch Wasserkraft.
Abbildung 2-3: Anordnung der Sommeillerschen Bohrmaschinen für den Fréjustunnels [Betonkalender, 2005].
Entwicklung des Tunnelbaus im 20. und 21. Jahrhundert Insbesondere dem Zweiten Weltkrieg nahm die Entwicklung des Tunnelbaus wiederum Fahrt auf. Nach 1950 setzte eine neue Phase des Tunnelbaus ein mit Schwerpunkten in i n Europa, den USA und Japan. Damit einher ging eine zunehmende Mechanisierung. Bahnbrechend war Entwicklung der „Neuen Österreichischen Tunnelbauweise“ (NÖT), die auf der ganzen Welt so bezeichnet wird (englisch: „New Austrian Tunneling Method (NATM)“), lediglich in Deutschland wird sie als Spritzbetonbauweise bezeichnet. Als Geburtsstunde gilt das Jahr 1962 mit dem Beginn des Baus des Massenbergtunnels in der Steiermark (S6 Semmering-Schnellstraße), bei dem erstmals konsequent die Grundsätze der NÖT nach entsprechenden Umplanungen in der Bauphase umgesetzt wurden. Die NÖT gilt heute noch als wichtiges „Exportgut“ Österreichs und ist sprichwörtlich Ausdruck höchster österreichischer Ingenieurskunst.
Abbildung 2-4: Massenbergtunnel (1962 – 1965), links: ursprüngliche Planung nach alten Grundsätzen, Planung in der Ausführungsphase nach den Grundsätzen der NÖT [50 Years of/ Jahre NATM, 2012].
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Der längste in bergmännischer Tunnelbauweise errichtete Straßentunnel ist der Laerdals Tunnelen in Norwegen (Bauzeit 1995 – 2001), in derartiger Bauweise errichtete Eisenbahntunnel können wesentlich länger sein. Der in den Jahren 2006 bis 2012 errichtete Lainzer Tunnel ist mit 15,4 km der längste innerstädtische Eisenbahntunnel. Durch die technische Weiterentwicklung konnten neue Anwendungsgebiete erschlossen und die Wirtschaftlichkeit der einzelnen Verfahren gesteigert werden. In offener Bauweise hergestellte Tunnel bieten heutzutage häufig keine Kostenvorteile mehr gegenüber unterirdisch vorgetriebenen. Da die geschlossene Vorteile Bauweise hinsichtlich Umweltbelastungen und Verkehrsbehinderung beträchtliche aufweist, nimmtTrassenführung, ihr Anteil Anteil ständig zu. Der Maschinelle Tunnelvortrieb nahm in den letzten Jahrzehnten gegenüber den anderen Bauweisen an Bedeutung zu. Große Tunnelbauvorhaben mit Längen bis zu rund 60 km (Basistunnel) bzw. unter sehr schwierigen Randbedingungen (Untergrundverhältnisse und Grundwasser, geringe Überlagerungen im innerstädtischen Bereich etc.) erfordern den Einsatz neuer Tunnelbaumethoden. Beispielhaft seien die in Tabelle 2-2 aufgelisteten im alpinen Raum bereits fertiggestellten bzw. in Bau befindlichen Basistunnel genannt. Nicht alle Abschnitte wurden bzw. werden maschinell vorgetrieben, sondern es kamen bzw. kommen bereichsweise auch bergmännische und offene Bauweisen zur Anwendung. Tabelle 2-2: Die großen Basistunnel im alpinen Raum R aum am Übergang vom 20. ins 21. Jahrhundert
Bauwerk
Bauzeit
Länge [m]
Land
Lötschberg-Basistunnel
1999 - 2007
34.577
Schweiz
Gotthard-Basistunnel
1993 - 2016
57.104
Schweiz
Brenner Basistunnel
seit 2007
64.000
Österreich / Italien
Koralmtunnel
seit 2009
32.893
Österreich
Semmering Basistunnel
seit 2012
27.300
Österreich
Offene Bauweisen zur Errichtung von Tunnelbauwerken kommen bei geringen Überlagerungshöhen und in Bereichen ohne bzw. nur mit geringer Bebauung. Erst in den letzten Jahren entstanden in Ergänzung zur klassischen offenen Bauweise und der Deckelbauweise im Rahmen von Tunnelprojekten neue bzw. erweiterte Errichtungsstrategien, wie beispielsweise die Trogbauweise und die Kärntner Deckelbauweise, teilweise unter Anwendung von Sohlabdichtungen, Unterwasserbetonsohlen, Verdrängung des Grundwassers mittels Druckluft, Bodenvereisung u.v.m. Beispiel dafür in Österreich sind die Tunnel Rannersdorf und Vösendorf (Schnellstraße S1, Wiener Südrandstraße) und zahlreiche Tunnel entlang der neuen Eisenbahntrasse im Tiroler Unterinntal.
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
3. SPANNUNGSZUSTÄNDE IM GEBIRGE Beim Auffahren eines Tunnels treten aufgrund des entstehenden Hohlraumes Störungen der ursprünglichen Gebirgsdruckverhältnisse auf. Dieser sog. primäre Spannungszu Spannungszustand stand ändert sich in Längs- und Querrichtung um den Hohlraum, der nach dem Ausbruch als sekundärer Spannungszustand und nach dem Ausbau als tertiärer Spannungszustand bezeichnet wird. Am Ausbruchsrand entsteht ein einaxialer (ebene Betrachtung) bzw. ein zweiaxialer Spannungszustand (räumliche Betrachtung). Abbildung 3-1 zeigt schematisch die im Gebirge auftretenden Spannungszustände während eines Tunnelvortriebes.
Abbildung 3-1: Spannungszustände im Tunnelbau.
Die theoretische Spannungsermittlung wird für den ebenen Fall an einer Scheibe mit unendlicher Ausdehnung und einer kreisrunden Lochung, der „gelochten Scheibe“, (siehe Kapitel 4.2.3) mittels Polarkoordinaten durchgeführt. mit
r … Radialspannungen t …
Tangentialspannungen
…
Schubspannungen
pv …
die in der Richtung der lotrechten Achse = 0° wirkende primäre Druckspannung
ph …
die parallel zur Achse = 90° wirkende waagrechte Druckspannung p h p v K 0
K 0 … Seitendruckbeiwert (alte Bezeichnung: 0) r a …
Halbmesser des Ausbruchsquers Ausbruchsquerschnittes chnittes
r…
Halbmesser eines beliebigen Punktes im Gebirge r ≥ r a, zu dessen Festlegung
außerdem der Winkel notwendig ist. r Zur Vereinfachung der Beziehungen wird die Hilfsgröße a eingeführt. r
Abbildung 3-2: Gelochte Scheibe. Bezeichnungen für die Ermittlung des sekundären Spannungszustandes Spannungszustandes im elastisch isotropen Raum („Gebirge“) in Polarkoordinaten.
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3.1.
Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Primärer Spannungszus Spannungszustand tand
Als primärer Spannungszustand wird der ursprüngliche räumliche Spannungszustand im Gebirge vor dem Ausbruch des Tunnels bezeichnet.
(dreidimensionale)
Der Primärspannungszustand ist durch die absolute Größe der Spannungen, aber auch durch das Seitendruckverhältnis K 0 gekennzeichnet. In einer ersten Näherung wird für die Primärspannungen üblicherweise der Überlagerungsdruck angenommen:
Abbildung 3-3: Primärer Spannungszustand im Gebirge zufolge Überlagerung.
p v h ü p h h ü K 0
mit
hü …
Überlagerungshöhe
K 0 … Seitendruckbeiwert
' … Wichte unter Auftrieb (ohne Grundwasser ist ' = ) Primärspannungen sind in den meisten Fällen durch einen primär elastischen Zustand gekennzeichnet. Das heißt, dass die vorhandenen Schubspannungen kleiner sind als der Scherwiderstand des Gebirges :
vorh primär elastisch In geologischen Störzonen, bei Überlagerungshöhen hü > 10.000 m und beispielsweise in Salzstöcken ist jedoch auch ein primär plastischer Zustand möglich:
vorh plastisch 3.1.1. Seitendruckve Seitendruckverhältnis rhältnis K 0 Der Seitendruckbeiwert K 0 ist das Verhältnis zwischen horizontalen p h und vertikalen Spannungen pv (im homogenen Fall: Verhältnis der effektiven Hauptnormalspannungen ꞌx, ꞌz): K 0
p h x p v z
Das Seitendruckverhältnis und somit der Primärspannungszustand sind abhängig von der Gebirgsart, den Trennflächen im Gebirge (Schichtung, Schieferung bzw. Klüftung), der Überlagerung, der Gebirgsentwicklungsgeschichte, der Tektonik und der Topographie (z.B. Hanglage). Im Lockergestein wirdGrundbau das Seitendruckverhältnis üblicherweise durch den Erdruhedruckbeiwert nach Jaky (siehe Vorlesung und Bodenmechanik) angegeben: K 0 1 sin
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Gerade im Lockergestein ist jedoch der Seitendruckbeiwert keine konstante Größe, sondern auch von der geologischen Vorbelastung abhängig. In stark überkonsolidierten Böden ist der Erdruhedruckbeiwert oftmals K 0 > 1 (z.B. London Clay bis zu 2). Im Festgestein wird der Seitendruckbeiwert bei angenommener homogener Isotropie des Gebirges über die Querdehnzahl m ermittelt: K 0
1 m 1 1
m
1
Wie die Poisson-Zahl bzw. die Querdehnzahl m ermittelt werden kann, ist bereits in Thema 1 (Grundlagen der Felsmechanik) diskutiert worden. Tabelle 3-1: Anhaltswerte für die Poisson-Zahl und und den Seitendruckbeiwert K 0 in Abhängigkeit von der Gesteinsart [adaptiert nach Kastner, 1971].
Festgestein
Poisson-Zahl
Seitendruckbeiwert Seitendruc kbeiwert K0
Granit
0,14 – 0,10
0,17 – 0,11
Gneis
0,30 – 0,15
0,44 – 0,18
Diabas
0,32
0,48
Marmor
0,27 – 0,23
0,37 – 0,30
Kalkstein
0,34 – 0,30
0,53 – 0,48
Sandstein
0,17 – 0,10
0,20 – 0,11
Lockergestein dicht gelagerter Sand
0,40 – 0,45
locker gelagerter Sand
0,45 – 0,50
bindiger Boden, teilgesättigt
0,60 – 0,80
Ton, wassergesättigt
1,0
Geologische oder tektonische Einflüsse auf den Seitendruckbeiwert sind beispielhaft in Abbildung 3-4 und Abbildung 3-5 dargestellt. In Sattellage (Antiklinale) können sich aufgrund eines vom Tunnel weg gerichteten Gebirgsschubs bzw. einer Gewölbewirkung Seitendruckbeiwerte einstellen, die geringer als K 0 sind. Muldenlagen (Synklinale) bewirken dagegen häufig aufgrund des möglichen seitlichen Schubs deutlich höhere Seitendruckbeiwerte. Antiklinale: p v h ü p h h ü K h ü K 0
Synklinale: p v h ü
p h h ü K h ü K 0 K 0 > 1 ist möglich Abbildung 3-4: Einfluss der Lage auf den Primärspannungszustand [Vogt, 2009].
Ein ähnlicher Einfluss auf den Gebirgsdruck ist in geklüftetem Gebirge gegeben (Störzonen sind bevorzugte Gleitzonen). Gebirgsstock, so unterteilt ist, dass keilförmige BlöckeBetrachtet entstandenman sind,einen so zeigt sich, dassder diedurch nach Verwerfungen unten verjüngten Keile A von den benachbarten Blöcken B gestützt und entlastet werden. Die primären Spannungen werden daher in Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Dietmar ADAM
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
diesen Bereichen geringer sein, während die nach oben verjüngten Keile eine zusätzliche Belastung erfahren.
Abbildung 3-5: Beeinflussung des Überlagerungsdruckes in einem durch Verwerfungen in Schollen geteiltes Gebirge nach Kastner.
Bei einem Tunnel in Hanglage mit geringer Überlagerung (Lehnentunnel) ist der Seitendruckbeiwert wesentlich durch den Böschungswinkel beeinflusst. Die Hauptspannungen richten sich normal und senkrecht zur nächstliegenden Oberfläche aus. In Kriechhängen (Grenzzustand der Tragfähigkeit) ist zusätzlich der Kriechdruck zu berücksichtigen.
Abbildung 3-6: Lehnentunnel.
Ist im Gebirge ein ausgeprägtes Trennflächengefüge vorhanden, so verändern sich die Richtungen der Hauptnormalspannungen. Die Richtung der größeren Hauptnormalspannung 1 weicht von der Lotrechten ab und neigt sich in Richtung der Trennflächenschar. Je geringer der Scherwiderstand entlang der Trennfläche ist, desto stärker neigt sich die Hauptnormalspannung 1, bis sie schließlich bei = 0 parallel zur Trennflächenschar verläuft.
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
0 p v h ü 0 p v
h ü sin
Abbildung 3-7: Verdrehung der Hauptspannungsrichtung aufgrund eines vorgegebenen Trennflächengefüges mit ( ≠ 0) und ohne Verbandsfestigkeit ( = = 0).
Kann das Gebirge homogen idealisiert werden und es stellt sich ein hydrostatischer Spannungszustand ein, bildet sich eine allseitig gleiche Radialspannung r um um den Hohlraum aus:
r p h p v K 0 1
Abbildung 3-8: Hydrostatischer Spannungszustand.
3.1.2. Ermittlung des primären primären Spannung Spannungszustandes szustandes in dder er Praxis In der Praxis wird der primäre Spannungszustand wie folgt ermittelt:
aufgrund örtlicher Erfahrungen und geologischen Vorerhebungen anhand von Analogieschlüssen zu ähnlichen Bauwerken mit vergleichbaren Verhältnissen durch Interpretation von Labor- und Feldversuchen (z.B. Entspannungsvorgänge) durch In-situ messtechnische Erfassung: Überbohrmethode: Die Sonde misst die Entspannung beim Überbohren. Das Überbohrverfahren ist gut anwendbar in homogenem, isotropem Gestein. Bei einem nicht homogenen, anisotropen Gestein liefert es sehr fragwürdige Ergebnisse.
a)
c)
b)
d)
e)
Abbildung 3-9: Skizze Überbohrmethode: a) Herstellen des Großbohrloches b) Herstellen der Messbohrung c) Einsetzen des Messaufnehmers d) Überbohren e) entspannter Kern.
Einbau von Druckmessdosen Durch den Einbau der Druckmessdosen selbst kommt es bereits zu einer gewissen Entspannung des Gebirges, sodass der Primärspannungszustand zu einem gewissen Maß verändert wird. Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Dietmar ADAM
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3.2.
Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Sekundärer Spannungszus Spannungszustand tand
Als sekundärer Spannungszustand wird jener Spannungszustand bezeichnet, der sich nach Auffahren (Ausbruch) eines Tunnelquerschnittes im Bereich um den Hohlraum einstellt. Da die freie Oberfläche keine Spannungen aufnehmen kann, müssen sich die vorhandenen Spannungen im Gebirge umlagern. Abbildung 3-10 zeigt eine Vorstellung der Umlagerung der Druckspannungstrajektorien nach dem Ausbruch eines kreisförmigen Hohlraumes.
Abbildung 3-10: Verlauf der Spannungstrajektorien (a) vor und (b) nach dem Ausbruch eines kreisförmigen Hohlraumes [Széchy, 1969].
Es gibt grundsätzlich drei Möglichkeiten, wie sich die Spannungen im Gebirge ausbilden können: primär elastisch – sekundär elastisch (ideal)
primär elastisch – sekundär plastisch (häufigster Fall) primär plastisch – sekundär plastisch (ungünstig, selten) Der sekundäre Spannungszustand kann selbst dann, wenn die Spannungen unter der Plastizitätsgrenze bleiben, nur in Ausnahmefällen messtechnisch messtechnisch genau erfasst werden. werden.
3.2.1. Primärzustand elastisch – Sekundärzu Sekundärzustand stand elastisch Dieser Zustand tritt in erster Linie bei gesundem, standfestem Gebirge auf (Basalt, Granit, Dolomit, Kalk, Gneis). Bei Betrachtung der „gelochten Scheibe“ sind für einen beliebigen Seitendruckbeiwert in diesem Fall die auftretenden Spannungen durch folgende Bestimmungsgleichungen gegeben (siehe Abbildung 3-2): p r v 1 2 1 K 0 1 4 2 3 4 1 K 0 cos 2 2 p t v 1 2 1 K 0 1 3 4 1 K 0 cos 2 2 p v 1 2 2 3 4 1 K 0 sin 2 2 r , a … Zur Festlegung der örtlichen Lage des betrachteten Teilchens, bezogen auf r den Tunnelquerschnitt (siehe dazu Abbildung 3-2) Vereinfachungen dieser Bestimmungsgleichungen ergeben sich für folgende ausgewählte charakteristische (Sonder-)Fälle des Seitendruckbeiwertes K 0:
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
K 0 1 K 0 0 1 K 0 3
p
p v p h h
p v
h , p h 0
p v
h , p h
p v 3
m = 2;
= 0,5
m ~ ;
~ 0
m = 4;
= 0,25
3.2.1.1. K 0 = 1 (allseitig gleicher primärer Druck: p p v p h h ) Für den Sonderfall eines hydrostatischen Spannungszustands mit K 0 = 1 (z.B. in wassergesättigtem Ton oder auch bei Myloniten) ergibt sich mit der zugehörigen Querdehnzahl m = 2 bzw. der PoissonZahl = 0,5: K 0
1 1 m 1 1
Der radialsymmetrische sekundäre Spannungszustand ist damit unabhängig vom Winkel :
r p 1 2 2 t p 1 0 Für den Ausbruchsrand r r a
r a
1 errechnen sich für die Spannungen folgende Werte:
r
r 0 t 2 p v 0
Abbildung 3-11: Verlauf der sekundären Radial- rr und Tangentialspannungen t t für K o = 1.
Für den elastischen und radialsymmetrischen primären Spannungszustand (hydrostatisch K 0 = 1) muss die einaxiale Druckfestigkeit gd im sekundär elastischen Spannungszustand am gesamten Ausbruchsrand zumindest folgenden Wert annehmen:
gd t 2 p v
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19
Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
3.2.1.2. K 0 = 0 (einachsiger primärer Spannungszus Spannungszustand: tand: p v h , p h 0 ) Dieser Sonderfall mit K 0 = 0 tritt am ehesten bei Gesteinen wie Basalt, Porphyr und senkrecht gelagertem Sandstein auf, bei denen es im primären Spannungszustand nur zu geringen horizontalen Spannungen kommt, d.h. es ist quasi keine Querdehnung m ≈ bzw. ≈ 0 vorhanden:
r
p v 1 2 1 4 2 3 4 cos 2 2
t p v 1 2 1 3 4 cos 2 2 p v 1 2 2 3 4 sin 2 2
Für die Spannungen am Ausbruchsrand
r a 1 ergeben sich folgende Werte: r
r 0 p v 2 4 cos 2 2 0
t
Randspannungen
Randspannungen
am First und in der Sohle: = 0°, = 180°
an den Ulmen: = 90°
r 0 t p v Zugspannungen! 0
r 0 t 3 p v 0
Abbildung 3-12 und Abbildung 3-13 zeigen den Verlauf der sekundären Radial- und Tangentialspannungen für = 0° und = 90° ( K 0 0 ).
t p h 0
Abbildung 3-12: Verlauf der sekundären Radialspannungen rr für K 0 ≈ 0.
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20
Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
t p h 0
K 0 ≈ 0. Abbildung 3-13: Verlauf der sekundären Tangentialspannungen t t für
Im Bereich der Firste und der Sohle treten für K 0 0 Zugspannungen auf! Für den einachsigen, elastischen primären Spannungszustand (K 0 = 0) muss die einaxiale Druckfestigkeit gd im sekundär elastischen Spannungszustand zumindest folgenden Wert (in den Ulmen) annehmen:
gd t 3 p v Dies entspricht auch dem maximal möglichen Wert im Verhältnis zu pv bei Betrachtung der „gelochten Scheibe“ für den homogenen Fall ohne Berücksichtigung von Trennflächen.
1 3
3.2.1.3. K 0 (Sonderfall, bei dem im First und in der Sohle gerade kein Zug auftritt) Dieser (Sonder-)Fall mit K 0 = 1/3 tritt bei sehr stark aufgelockertem Fels bzw. im kohäsionslosen Lockergestein bei der zugehörigen Querdehnzahl m = 4 bzw. der Poisson-Zahl = 0,25 auf: p r v 2 1 2 1 4 2 3 4 cos 2 3 p t v 21 2 1 3 4 cos 2 3 p v 1 2 2 3 4 sin 2 3 Für die Spannungen am Ausbruchsrand
r a 1 ergeben sich folgende Werte: r
r 0 4 p v t 3 1 cos 2 0 Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Dietmar ADAM
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein Randspannungen
Randspannungen
am First und in der Sohle: = 0°, = 180°
an den Ulmen: = 90°
r 0 t 0 0
r 0 spannungsfrei!
8 3
t p v
0
Abbildung 3-14: Verlauf der Tangentialspannungen für K o=1/3.
Für den elastischen primären Spannungszustand (K 0 = 1/3) muss die einaxiale Druckfestigkeit gd im sekundär elastischen Spannungszustand (in den Ulmen) zumindest folgenden Wert annehmen: 8 3
gd t p v
3.2.1.4. Verformungen am Ausbruchsrand DieFirste im sekundär elastischen Spannungszustand auftretenden w Verformungen am Ausbruchsrand (in und Sohle) und u (in den Ulmen) lassen sich für jeden beliebigen Seitendruckbeiwert nach der Theorie der „gelochten Scheibe“ mittels nachstehender Formeln berechnen: p v r a 2 m 2 3m 1 1 1 w p v r 0 p h t 0 dr E m m 1 m E r a
1 1 dr p v r a m 2 4m 1 p p u h r 1 v t1 m E m m 1 E r
a
Verformung in Firste bzw. Sohle (pos. Vorzeichen: Setzung [Firste] bzw. Hebung [Sohle]) Horizontalverformung in den Ulmen (pos. Vorzeichen: Verformung nach innen gerichtet)
an der Stelle = 0° (siehe Gleichung Seite 18) an der Stelle = 90° (siehe Gleichung Seite 18)
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u >0
Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein Konvergenz: Die Ulmen bewegen sich in den H Hohlraum ohlraum hinein, dies gilt für: 2 3 3 ,73 m 2 bzw. 0,27 0,5
u 1 4 k s R C wird die Zunahme jedoch immer geringer. Selbst ein niedriger Bettungsmodul k s setzt also das Moment bereits erheblich herab und nach Széchy „lohnt es somit nicht “ bei einer großen Ringsteifigkeit, welche mit der vierten Potenz des Tunneldurchmessers zunimmt, die Auswirkung einer seitlichen Abstützung in Rechnung zu stellen.
Während der Wert von m
m
Abbildung 4-16: Abhängigkeit der Scheitelmomente von der Ringsteifigkeit, anhand zweier zweier Rechenergebnisse nach Bugajewa und nach Davidow [Müller, 1978 nach Széchy].
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43
Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Das Scheitelmoment nimmt mit wachsendem Bettungsmodul ab, jedoch ist die Abminderung ab k S > 10 kg/cm³ nur mehr gering (vgl. Abbildung 4-17). Im Vergleich zum Zustand ohne seitliche Abstützung setzen selbst kleine Bettungsmoduln k S < 10 kg/cm³ schon die im Tragwerk auftretenden Beanspruchungen erheblich herab.
ks
Abbildung 4-17: Abhängigkeit der Scheitelmomente vom Bettungsmodul k s [Müller, 1978 nach Széchy].
4.2.3. Tunnel als Hohlraum im Kontinuum
4.2.3.1. Die Gelochte Scheibe Das mechanische Modell ersetzt das Gebirge und den Tunnel zweidimensional durch eine unendlich ausgedehnte, elastische bzw. elastisch-idealplastische Scheibe mit Loch.
Abbildung 4-18: Rechenmodelle im Tunnelbau auf Basis der gelochten Scheibe [Katzenbach/Breth, [Katzenbach/Breth, 1983].
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44
Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Die in Kapitel 3.2.1 angeführten Formeln in Polarkoordinaten gem. Abbildung 3-2 sowie die Vereinfachungen für die charakteristischen Seitendruckbeiwerte werden für die Dimensionierung der Tunnelauskleidung bzw. für die Standsicherheitsbetrachtungen herangezogen. p v 1 2 1 K 0 1 4 2 3 4 1 K 0 cos 2 2 p t v 1 2 1 K 0 1 3 4 1 K 0 cos 2
r
p2 v 1 2 2 3 4 1 K 0 sin 2 2
Mit den Ergebnissen dieser Modellvorstellung lassen sich folgende Auswirkungen des sekundären Spannungszustandes für einen Kreis- bzw. Ellipsenquerschnitt erklären:
Zusätzliche Belastungen der Ulmen und der Übergang vom dreiachsigen in den zwei- oder einachsigen Zustand.
Auftreten von Zugzonen im First bei geringem Seitendruckbeiwert (K 0 < 1/3) und Entstehen von Auflockerungszonen bei fehlender Zugfestigkeit des Gebirges (Lockergestein).
Abbildung 4-19: Verlauf der Radial- und Tangentialspannungen der gelochten elastischen Scheibe mit Seitendruckbeiwert K 0 = 1,0 (links) und K 0 = 0,25 (rechts) [Maidl, 1988].
Das Modell der elastischen Scheibe entspricht einer Tunnellage in großer Tiefe, für die der Überlagerungsdruck als äußere Belastung angesetzt wird. Die Analogien beziehen sich auf den Hohlraum ohne Sicherung und auf den lochrandverstärkten Hohlraum.
Theorie der plastischen Zonen Die rechnerische tangentiale Spannung t am Kreislochrand kann je nach Seitendruckbeiwert K 0 zwischen 2pv t 3pv (Überlagerungsdruck pv = hü) betragen. Wenn t die einachsige Gebirgsdruckfestigkeit gd übersteigt, entstehen plastische bzw. entfestigte Zonen. Diese plastischen Zonen werden durch eine Lochrandverstärkung, die einen Tunnelausbau mit Sicherungsmitteln darstellt, abgemindert. Dabei wird durch den Ausbau ein Ausbauwiderstand pA aktiviert, der die Verformung zur Lochmitte behindert und einen Gleichgewichtszustand bewirkt. Durch die Erhöhung des Ausbauwiderstands mittels z.B. einer Spritzbetonsicherung oder einer Systemankerung entfernt sich der Mohr ´sche ´sche Spannungskreis von der Bruchgeraden und die (globale) Sicherheit wird größer.
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45
Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
p A
p A,G
Abbildung 4-20: Darstellung des Ausbauwiderstands p A am Mohr´schen Spannungskreis.
4.2.3.2. Dickwandiges Rohr Häufig wird beim Tunnelvortrieb die Scherfestigkeit im Bereich des Ausbruchsrandes überschritten und es treten dort Plastifizierungen auf. Um dies zu berücksichtigen, wird um das Loch im Kontinuum ein Kreisring eingeführt, in dem das Gebirge plastifizieren kann. Der im Loch auf die Wandung (plastische Zone) wirkende Innendruck entspricht allgemein dem Ausbauwiderstand für plastische Verhältnisse. Er wirkt den Verformungen entgegen und sorgt so für einen Gleichgewichtszustand. Da sich mit zunehmendem Abstand vom Loch die Spannungen dem Primärspannungszustand annähern, kann der Grenzradius r a bestimmt werden, bei dem der plastische Zustand des Gebirges in einen elastischen Zustand übergeht. Beim Modell eines dickwandigen Rohres werden die Spannungsformeln entsprechend Kapitel 3.2.2, für den radialsymmetrischen sekundären Spannungszustand (K 0 = 1) herangezogen. Rechenbeispiel: Vergleich der Elastizitätstheorie des dickwandigen Rohres und der Kesselformel als Bemessungsgrundlage für Tunnel- und Stollenauskleidung. r i …
innerer Rohrradius
r i = 3,0 m
r a …
äußerer Rohrradius
r a = 3,6 m
d…
Rohrdicke
d = 0,6 m
pi …
Innendruck (~ Ausbauwiderstand)
pa …
Druck auf die äußere Rohrmantelfläche (~ Gebirgsdruck)
Abbildung 4-21: Maße und Bezeichnungen der Tunnelauskleidung, sowie herrschende Druckverhältnisse. Druckverhältnisse.
a) Spannungsv Spannungsverlauf erlauf bei Außendruck ohne Innendruck (pi = 0) Ermittlung der Spannungen nach der Theorie des dickwandigen Rohres: mit
r a r t p a
und
a ² ² a² 1
p i
a r a r ist i
² 1
( r p a
a² 1
a ² ²
p i
a² 1
² 1
)
a² 1
= 0, wenn pi = 0 kN/m² Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Dietmar ADAM
46
Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Untersuchung der Spannungen für:
r = r i r = r i + 0,1 m r = r i + 0,2 m r = r i + 0,3 m r = r i + 0,4 m r = r i + 0,5 m r = r i + 0,6 m = r i + d = r a
r r i r r i 0,1 r r i 0,2 r r i 0,3
a
r a 3,6 1,2 r i 3
r a
3,6 1,16 r i 0,1 3,1 3,6 1,125 3,2 3,6 1,09 3,3
r r i 0,4
33,,64 1,059
r r i 0,5
r r i 0,6 r a
1
3,6 1,028 3,5
ti p a
2a ² 6,54 p a a² 1
a² 2 6,337 p a t p a a² 1
t 6,15 p a t 5,977 p a t 5,82 p a
t 5,678 p a ta p a
a² 1 5,545 p a a² 1
Abbildung 4-22: Spannungsverlauf errechnet nach der Theorie des dickwandigen Rohres für Außendruck pa.
t
D 2r a p a 3,6 p a 6 p a d 2d 0,6
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47
Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Abbildung 4-23: Mittelwert der Spannungsfläche errechnet nach der Theorie des dickwandigen Rohres.
Ermittlung der Spannung nach der Kesselformel:
t
p a r d
Annahme: r r a 3,6 0,6
t p a 6 p a
Abbildung 4-24: Spannungsverlauf errechnet nach der Kesselformel für Außendruck pa.
Der Wert aus der Kesselformel und der Mittelwert nach der Theorie des dickwandigen Rohres sind gleich. Demnach eignet sich die Kesselformel durchaus beispielsweise auch zur raschen Abschätzung von Bauzuständen etc. b) Spannungs Spannungsverlauf verlauf bei Innendruck ohne Druck auf die äußere Rohrmantelfläche (pa = 0) Ermittlung der Spannungen nach der Theorie des dickwandigen Rohres:
t p i
² 1 a² 1 Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Dietmar ADAM
48
Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein r r i
ti 5,545 p i
r r i 0,1
t 5,34 p i
r r i 0,2
t 5,15 p i
r r i 0,3
t 4,977 p i
r r i 0,4
t 4,82 p i
r r i 0,5
t 4,67 p i
r r i 0,6 r a t 4,545 p i
Abbildung 4-25: Spannungsverlauf errechnet nach der Theorie des dickwandigen Rohres für Innendruck pi.
t
r p 3 p Z i i p i i 5 p i d d 0,6
Abbildung 4-26: Mittelwert der Spannungsfläche errechnet nach der Theorie des dickwandigen dickwandigen Rohres.
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49
Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Ermittlung der Spannung nach der Kesselformel:
t
p i r i d
Annahme: r r i
t p i
3,0
5 p i
0,6
Abbildung 4-27: Spannungsverlauf errechnet nach der Kesselformel für Innendruck pi.
Ergebnis: Wird bei der Kesselformel die Belastung entsprechend den äußeren Lasten p a und inneren Lasten pi (z.B. Innendruck bei Druckstollen) berücksichtigt, d.h. bei Außendruck ist
ta
bei Innendruck ist
ti
p a r a d
p i r i d
und ,
so ergibt diese Formel Werte für die Außenrandspannung die Innenrandspannung ta und ti, welche den Mittelwerten der Spannungsfläche nach der Theorie des dickwandigen Rohres entsprechen. Die Spannungsfläche aus der Kesselformel und dem dickwandigem Rohr ist gleich groß (siehe Darstellungen in Abbildung 4-22, Abbildung 4-24, Abbildung 4-25, Abbildung 4-27).
4.2.3.3. Schermodell nach Kastner-Rabcewicz L. Rabcewicz beschrieb als erster das Scherbruchversagen von Gebirgshohlräumen mit hoher Überlagerung. Er unterteilte die Spannungsumlagerung bzw. den Versagensmechanismus beim Tunnelausbruch in drei Stufen. Zunächst bilden sich keilförmige Bruchkörper, welche sich normal auf die Hauptdruckspannung in Richtung Hohlraum bewegen (Abbildung 4-28, I), was auf Grund der Überschreitung der Mohr ´schen ´schen Scherfestigkeit in den Gleitfugen möglich ist. Im nächsten Schritt (Abbildung 4-28, II) verursacht diese Bewegung ein Anwachsen der Spannungen in den Ulmen und eine Verschiebung der Firste und Sohle in Richtung Hohlraum. Das ständige Anwachsen der Verschiebungsvektoren in Firste und Sohle führt schließlich zum Ausknicken des Gebirges in diesen Bereichen (Abbildung 4-28, III).
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50
Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Abbildung 4-28: Sequenzen des Versagensmechanismus eines unter richtungsbetontem Primärdruck stehenden kreisrunden Hohlraums (I: Scherkeile, II: Richtung der vorherrschenden Spannungen, III: Einknicken von Firste und Sohle) [Rabcewicz, 1964].
Abbildung 4-28: Sequenzen des Versagensmechanismus eines unter richtungsbetontem Primärdruck stehenden kreisrunden Hohlraums (I: Scherkeile, II: Richtung der vorherrschenden Spannungen, III: Einknicken von Firste und Sohle) [Rabcewicz, 1964].
Die Feststellung, dass durch die Ausbildung eines Scherkörpers vergleichsweise stabilere Verhältnisse entstehen, konnte beispielsweise durch Beobachtungen am Arlberg Straßentunnel bestätigt werden. Der dort aufgetretene Scherbruch wurde mit massiven Holzstämmen abgefangen (Abbildung 4-29). Beim Entfernen dieser temporären Sicherung im Zuge der Sanierung traten nur vergleichsweise geringe zusätzliche Verformungen und keine Schwierigkeiten im Abfangen der ungesicherten Hohlraumleibung auf [Poisel/Preh, 2009].
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Abbildung 4-29: Scherbruch im Arlberg Straßentunnel [Poisel/Preh nach John, 1977].
Als Kirschkernversagen (oder Kirschkerneffekt) wird jenes Schadensbild bezeichnet, bei dem Versagen im Bereich der Ulmen auftritt und zufolge hoher Vertikalspannungen keilförmige, durch Scherbrüche begrenzte Bereiche in den Hohlraum gedrückt werden. Dabei werden zerdrückte Ulmenbereiche („Zwickel“) aufgrund der hohen In-situ-Spannungen in den Hohlraum gedrückt bzw. gequetscht. „ Dieses Verhalten ist mitvertikalen dem Auspressen eines Kirschkerns beim starken Drücken einer Kirsche vergleichbar “ Leopold Müller )).. (überliefert von
Abbildung 4-30: Kirschkernversagen – Bildung von Scherbruchkörpern bei anisotropen In-situ-Spannungen (Vertikalspannungen p0,1 , Horizontalspannungen p0,3) [Poisel/Preh, 2009].
Bei ausreichender Dimensionierung des Tunnelausbaus können die auftretenden Scherspannungen aufgenommen und eine vollständige Beruhigung des Gebirges kann erreicht werden. Ein Schubbruch kann, bei Vorhandensein großer Druckbeanspruchungen, nur unter einem flachen Winkel gegenüber der Normaldruckrichtung erfolgen. Bei Annahme dieses Bruches unter 30° gegenüber der Radialrichtung ergibt sich nach K. Sattler die die Bruchschubkraft S pro Längeneinheit [kN/m] zu: S Br d
mit
Br … Scherbruchspannung d…
Auskleidungsstärke (Spritzbetondicke) [m]
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52
Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Die zugehörige Horizontalkraft H [kN/m] des seitlich auszuquetschenden Gebirgskerns ist H 2 S . Die aufnehmbare Schubkraft erhöht sich beispielsweise durch Bewehrung der Spritzbetonschale oder bei Stahlgitterbögen nach Sattler um um H 2 A St St (mit Ast … Gesamtstahlquerschnittsfläch Gesamtstahlquerschnittsfläche). e). Der Seitendruck ps,Br [kN/m²], [kN/m²], welcher zum Versagen des Ausbaus führt, berechnet sich zu: p s,Br
mit
4 Br d b
b … Höhe der Scherzone im Tunnelprofil [m]
Die Dimensionierung des Ausbaus kann dann mittels folgender Beziehung erfolgen: d
H 2 Br
Diese Beziehungen lassen sich darüber hinaus erweitern, indem z.B. auch eine Verankerung der Spritzbetonschale berücksichtigt wird. Der Gesamtausbauwiderstand der Außenschale ergibt sich durch Aufsummieren der einzelnen Ausbauwiderstände: p a p aL p aA p aR mit
p aL ... Ausbauwiderstand Spritzbeton + Stahleinbauten (Index „L“ … Lining) p Aa ... Ausbauwiderstand der Anker
p R a ... Ausbauwiderstand des Gebirgstragringes (Index „R“ … Rock) p aL p SA p StA p Sa
d S b sin S 2
p Sta
mit
A St St b sin S 2
pS ... Ausbauwiderstand Spritzbeton [kN/m²] a St p a
... Ausbauwiderstand Stahleinbauten [kN/m²]
S ... Scherwinkel durch den Spritzbeton [°] cm²/m] A St ... Stahlquerschnittsfläche pro lfm Tunnel [[cm²/m]
St
S E St ES
Est, Es … E-Modul für Stahl bzw. Spritzbeton [kN/m²] d…
Auskleidungsstärke [m]
A1 p A 2 p A p a
p aA1
a
a St p
A St e f
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein p aA 2
mit
A St pSt a cos b e f 2
p aA1... Ausbauwiderstand Anker in radialer Richtung p aA 2 ... Ausbauwiderstand Anker in Scherrichtung A St ... Stahlquerschnittsfläche eines Ankers [cm²/m] treckgrenze [kN/m²] pSt ... Spannung an der SStreckgrenze e, f … Ankerteilung im System [m] a…
p aR
mit
s…
Bogenlänge des betrachteten Scherabschnittes [m] s R cos s nR sin b d 2 2
Länge der Scherfläche innerhalb des Gebirgstragrings [m]
R
... Scherfestigkeit des Gebirges [kN/m²] ... Neigung des Mittelpunktes (Achse Gebirgstragring – Scherfläche) des betrachteten Scherkeilabschnittes zur Horizontalen [°]
R n ... Normalspannung an der Schergrenze [kN/m²] b …
Höhe der Scherzone in Tunn Tunnelachse elachse [m]
d…
Auskleidungsstärke [m] für K 0 1
r a e k
90 Abbildung 4-31: „Ausquetschen“ von Scherkeilen aus den Tunnelulmen in Verbindung mit Scherbruch in der Tunnelauskleidung [Rabcewicz, 1973 – adaptiert]. Zeichenerklärung: … … Ankerneigungswinkel [°], w … Stärke des Gebirgstragrings
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54
Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Die Gleichung für den Verlauf der Gleitflächen bei radialsymmetrischem Primärspannungszustand (K 0 = 1, logarithmische Spirale) wurde in Kapitel 3.2.2 abgeleitet:
r a e k mit
mit
k
1 1 sin tan cos
…
Reibungswinkel [°]
a…
Parameter ohne Einfluss auf die Form der Gleitfläche
Nach Poisel/Preh (2009) haben sowohl kontinuumsmechanische als auch diskontinuumsmechanische numerische Rechenmodelle gezeigt, dass eine tiefreichende Überbeanspruchungen des Gebirges um einen Hohlraum unter einem anisotropen Primärspannungszustand in Form von Scherbruchkörpern (Kirschkernversagen) erst bei Tangentialspannungen am Hohlraumrand von einem Mehrfachen der Druckfestigkeit auftreten. Gleichzeitige haben die Rechenmodelle keine Hinweise erbracht, dass sich unter anisotropen In-situ-Spannungsverhältnissen in irgendeinem Stadium im Gebirge ein Gewölbe oder ein Gebirgstragring um den Hohlraum bilden. Nach Ausbildung von Scherbruchkörpern werden die Radialverschiebungsgeschwindigkeiten deutlich geringer. Dies deutet gemäß Poisel/Preh (2009) darauf hin, dass ein höheres Sicherheitsniveau erreicht wird. Dies legt wiederum die Vermutung nahe, dass die Akzeptanz großer Verschiebungen – und damit eines großen Überprofils – die Belastung eines Ausbaus mit hoher Verformbarkeit deutlich reduziert, was zu einer neuen Ausbauphilosophie bei tiefliegenden Tunneln führen könnte.
4.2.3.4. Kennlinienverfahren (Fenner-Pacher -Kurve) -Kurve) Das Kennlinienverfahren geht auf Fenner und Pacher zurück und wurde u.a. von Lombardi erweitert. Es basiert auf der Theorie einer kreisgelochten elastischen Scheibe mit rotationssymmetrischer Belastung (K 0 = 1), sowie Modell- und In-situ-Messungen. Durch die Entspannung infolge des Tunnelvortriebs stellt sich entlang der Tunnelkontur eine zum Hohlraum hin gerichtete Verformung des Ausbruchrandes ein. Die Gebirgskennlinie ergibt sich aus der Verformung des Ausbruchrandes in Abhängigkeit vom Gebirgsdruck ohne Ausbauwiderstand. Stellt sich langfristig ohne Ausbauwiderstand ein Gleichgewicht im Gebirge ein (Gebirgsdruck baut sich ab), spricht man von einem standfesten Gebirge, ansonsten von einem druckhaften Gebirge. Die Stützmittel werden durch die Ausbaukennlinie (= Arbeitslinie der Stützmittel) in das Kennlinienverfahren implementiert. Zur Erreichung eines Gleichgewichts müssen die durch die Stützmittel erzeugten rückhaltenden Kräfte zumindest gleich groß wie die durch das Gebirge hervorgerufenen treibenden Kräfte sein. Die Gebirgskennlinie und die Ausbaukennlinie werden getrennt in das Diagramm eingezeichnet, in ihrem Schnittpunkt besteht Gleichgewicht zwischen den belastenden Kräften des Gebirges und den stützenden Kräften des Ausbaus. Gibt es keinen Schnittpunkt der beiden Linien, muss das gewählte Stützmittelsystem als unzureichend erachtet werden.
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
u0 … Vorverformungen (zufolge Entspannung des Gebirges vor der Ortsbrust und Verformungen bis zum vollständigen Einbau des Ausbaus)
Abbildung 4-32: Gebirgsdruck und Ausbauwiderstand nach Pacher [Striegler, 1993].
Bei der rechnerischen Ermittlung der Gebirgskennlinie muss unterschieden werden, ob sich das Gebirge in Abhängigkeit von der Verformung im elastischen oder im plastischen Bereich befindet. Der elastische Bereich der Gebirgskennlinie wird beschrieben durch: u r r a r a p (1 p A ) p 2G mit
r a …
Ausbruchsradius
E…
Elastizitätsmodul
Schubmodul: G
E 2 (1 )
pA … Ausbauwiderstand
…
Querdehnzahl
Wenn mit steigender Verformung die Grenztragfähigkeit überschritten wird, treten Plastifizierungen auf. Im plastischen Bereich können die Verformungen u am Ausbruchsrand r = r a folgendermaßen ermittelt werden:
mit
p 2 p u r r a r a sin 2G n k 1 p A … Reibungswinkel b …
2 b ( n k 1)(1 b )
Stoffkonstante, welche die Dilatanz (Auflockerung) des Materials Materials beschreibt.
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Volumendehnung b r Der Winkel arctan b kann als Dilatanzwinkel bezeichnet werden. Die Ausbaukennlinie kann als Beziehung zwischen der Verschiebung u und dem Ausbauwiderstand pA verstanden werden. Der Umfang des (Spritzbeton-)Ausbaus verkürzt sich um 2 r a , d.h. der Radius verkürzt sich um u SpC r a . Daraus folgt: p A ,max a d E 2d u SpC r a r a
2 u SpC p r a E d
und
E…
Elastizitätsmodul Spritzbeton
d…
Dicke der Spritzbetonschale
a … Druckfestigkeit des Spritzbetons
r a
a p
2 a r
d
, a E
Abbildung 4-33: Beanspruchung des Ausbaus [Kolymbas, 1998].
Da der E-Modul der Spritzbetonschale mit der Zeit zunimmt, ist hier ein mittlerer Wert abzuschätzen, der die relevante Standzeit berücksichtigt. Wenn die Grenztragfähigkeit des Spritzbetons erreicht ist, kommt es zur Plastifizierung der Tunnelschale. Es ist keine weitere Erhöhung des Ausbauwiderstands pa,max möglich. Der Grenzradius zwischen elastischem und plastischem Bereich (plastischer Radius r e) kann berechnet werden, indem für den Ausbauwiderstand pa die Spannung im Gleichgewicht eingesetzt wird. Somit lässt sich aus den Kontinuumsberechnungen der gelochten Scheibe mit plastifiziertem Ring, zusammen mit dem Kennlinienverfahren unter vereinfachten Berechnungsannahmen, auf das Verhalten von Gebirge und Ausbau schließen.
r 0 … plastischer Radius r a … Ausbruchsradius .
r0
.uS
C
. u r r a r a
p
.ur=r a
2G Abbildung 4-34: Gleichgewicht zwischen Gebirgskennlinie und Ausbaukennlinie Ausbaukennlinie [Vogt, 2009].
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Eine wesentliche Vereinfachung beim Kennlinienverfahren ist, dass die Gebirgskennlinie als zeitunabhängige Größe eingeht. Tatsächlich ist diese jedoch sowohl vom Bauzustand, als auch von der Zeit abhängig. Weiters kann nur durch eine grobe Abschätzung berücksichtigt werden, dass die Ausbaukennlinie im Wesentlichen von der Festigkeitsentwicklung des Spritzbetons (bzw. der Sicherung im Allgemeinen) abhängt. Je schneller der Spritzbeton ansteift, desto geringer sind die Verformungen während des Abbindens. Daneben hängen die Verformungen der Tunnelleibung und der damit verbundene, von der Sicherung aufzunehmende Ausbauwiderstand ebenfalls maßgeblich von der Einbauzeit der Sicherung ab. 4.2.4. Räumliche Berechnungsmod Berechnungsmodelle elle Wie in Kapitel 4.2.3 wird auch bei den räumlichen Berechnungsmo Berechnungsmodellen dellen von einem ausgehöhlten Vollraum ausgegangen. Um beliebige Tunnelquerschnitte im Kontinuum berechnen zu können, wird derzeit überwiegend die Methode der Finiten Elemente (FEM) eingesetzt. Weniger häufig werden die Boundary-Element-Methode (BEM) und die Distinct-Element-Methode (DEM) eingesetzt. Bei der FE-Berechnung wird das betrachtete System in „finite“ (begrenzte) Elemente, die nur an den Knoten zusammen gehalten werden, gegliedert. Durch die Einhaltung der Gleichgewichtsbedingungen an den Knoten wird das Zusammenwirken der einzelnen Elemente im globalen System erreicht. Die Spannungs- und Verzerrungsbeziehungen belasteter elastischer Kontinua sind zu ermitteln. Dabei können vom zweidimensionalen, d.h. ebenen, bis zum vollständigen räumlichen Spannungs- und Verformungszustand zahlreiche praktische Fälle auftreten.
Abbildung 4-35: Prinzip für den Aufbau eines räumlichen Elementnetzes [Wittke, 1984].
Die Anzahl der auftretenden Verbindungspunkte zwischen den finiten Elementen ist beliebig groß. Zur Diskretisierung sind folgende Näherungen erforderlich:
Zerlegung des Kontinuums durch gedachte Linien oder Flächen in eine Anzahl von finiten Elementen ( FE-Netz). Die Feinheit des FE-Netzes hat großen Einfluss auf die Genauigkeit der Berechnung.
Knotenpunkte stellen die Verbindung der Elemente dar, deren Verschiebungen werden als grundlegende Unbekannte aufgefasst.
Der Verschiebungszustand innerhalb eines jeden Elements wird mit Hilfe eines Systems gewählter Funktionen in Abhängigkeit von den Knotenverschiebungen eindeutig festgelegt.
Aus den Verzerrungen kann unter Anwendung von Anfangsverzerrungen mit dem Stoffgesetz des Materials die Spannungsverteilung im Element und an den Rändern ermittelt werden. Nachdem die Steifigkeitsmatrix für alle Elemente vorliegt, kann durch Zusammenfügen der Elemente zum globalen System ein lineares Gleichungssystem aufgestellt werden. Die Auflösung des Gleichungssystems liefert die Knotenverschiebungen. Beim Auffahren eines Tunnels tritt eine Spannungsumlagerung ein. Die Lasten aus dem überlagernden Gebirge müssen nach dem Aufbruch um den Hohlraum umgeleitet werden. Daraus ergeben sich für die FE-Methode folgende Besonderheiten:
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
1. Die Größe und Form des Berechnungsausschnittes hängen vom Gebirgsdruck, von der Anisotropie des Gebirges, von der Ausbildung der plastischen Zonen und von den Inhomogenitäten ab. In der Regel sollte mindestens ein Bereich in der Größenordnung des Tunneldurchmessers um den gesamten Umfang des Tunnels herum diskretisiert werden. 2. Die Randbedingungen sind so zu wählen, dass der im ungestörten Zustand des Gebirges herrschende Primärspannungszustand Primärspannungszustand zutreffend simuliert wird.
die Erfassung oder von pseudoräumliche Bauzuständen istBerechnung ein besonderer Nachweis 3. Für zweidimensionale ausgeführt wird.erforderlich, der vielfach als
4. Das Elementenetz wird sinnvollerweise dort feinmaschiger gewählt, Spannungsänderungen zu erwarten sind (bspw. rund um die Hohlraumkontur).
wo
große
Stoffmodelle (auch: Stoffgesetze) sind mathematische Formulierungen, die das SpannungsVerformungsverhalten der Materialien mehr oder weniger idealisiert darstellen. In Abhängigkeit von den zur Verfügung stehenden Rechenprogrammen kann das Verhalten des Gebirges wie folgt idealisiert werden: Lockergestein
Der Boden besitzt ein ausgeprägt nicht-lineares Spannungs-Verformungsverhalten, das heißt elastische und plastische Formänderungen ohne definierbaren Bereich.
Dilatanz- oder Kontraktanzverhalten unter Scherbeanspruchung in Abhängigkeit von der Belastung Anisotropie des Ausgangszustandes Verformungsentfestigung bei Bruchvorgängen Festgestein
Bei Fels muss von der Annahme einer elastisch-viskoplastischen Spannungs-Dehnungsbeziehung ausgegangen werden.
Durch Korn- und Trennflächengefüge bedingte Anisotropie der Verformbarkeit und Festigkeit ist zu berücksichtigen. Die Festigkeit von Trennflächen kann im Allgemeinen durch das MohrCoulomb´sche Bruchkriterium beschrieben werden.
Bei richtungslosem Korngefüge des Gesteins: elastische Dehnungen sind bei ein- oder mehrachsiger Belastung unabhängig von der Belastungsrichtung. Elastizitätsmodul und Querdehnzahl reichen für das linear-elastische Spannungs-Verformu Spannungs-Verformungsverhalten ngsverhalten aus.
Bei flächigem Gefüge muss transversal isotropes Verhalten angenommen werden, sodass fünf voneinander unabhängige Elastizitätskonstanten verwendet werden.
linear-elastisch
nichtlinear-elastisch
elastisch-plastisch
Abbildung 4-36: Einfache Stoffmodelle für das Materialverhalten [Maidl, 1988].
elastisch-idealplastisch
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Abbildung 4-37: Einfluss des Stoffgesetzes auf die berechnete Geländesetzung, Vergleich von Messung mit Berechnungen für den Frankfurter Ton [Katzenbach/Breth, 1983].
Die Problematik der richtigen Erfassung der Gebirgs- bzw. Bodenparameter von der Probenentnahme oder der In-situ-Messung bis zum Übertragen der Werte in ein Berechnungsmodell eines ebenen oder räumlichen Trag- und Verformungsverhaltens wird durch die Einflüsse des Bauvorganges erheblich vergrößert. Katzenbach empfiehlt daher vor der Wertung von FE-Berechnungen und der Übernahme der Ergebnisse die Berechnungen wie folgt zu hinterfragen:
1. Welchen Einfluss hat das Elementnetz auf die Rechenergebnisse? Verschiebungsansatz, Anzahl der Stützstellen etc.
Netzdichte,
2. Wie wird der Primärspannungszustand angenommen? 3. Mit welchem Stoffgesetz wird gerechnet und wie empfindlich reagieren die Rechenergebnisse auf eine Streuung der Bodenkennwerte?
4. Wie wird der Ausbruch simuliert? 5. Zu welchem Zeitpunkt werden die Sicherungselemente in der Berechnung aktiviert? 6. Was ist das Ziel der Berechnung? Setzungsprognose, Bemessung des Ausbaus, Abschätzung der Gebirgsbeanspruchung, Abschätzung der Tunnelstandsicherheit.
4.2.4.1. Quasi-räumliche Berechnungsverfahren Berechnungsverfahren Räumliche Berechnungsmodelle sind der derzeitige Stand der Technik für Berechnungen von komplexen Tunnelkonstruktionen, wie z.B. räumliche Querungen und Verschneidungen von Tunneln, Durchbrüche, etc. Allerdings erfordert die räumliche Modellierung einen sehr hohen Ingenieur- und Rechenzeitaufwand und ist mit sehr großen Datenmengen verbunden. Deshalb werden insbesondere bei der Berechnung von Streckenvortrieben quasi-räumliche (zweidimensionale) Berechnungen durchgeführt. Bei der quasi-räumlichen Berechnung von Tunnelquerschnitten wird an einer ebenen Scheibe der Bauablauf vor, während und nach dem Einbringen der Sicherung simuliert. Neben dem primären Spannungszustand werden auch die Festigkeits- und Verformungseigenschaften des Gebirges und der Auskleidung sowie die Art des Vortriebs berücksichtigt.
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Abbildung 4-38: Darstellung der Berechnungsschritte beim -Verfahren -Verfahren [Vogt, 2009].
Beim -Verfahren wird der räumliche Einfluss des Vortriebs durch Veränderung des Steifigkeitsverhaltens des Bodens abgebildet. Im ersten Berechnungsschritt wird der Primärspannungszustand im Boden/ Gebirge berechnet und daraus die entsprechenden Kontaktkräfte an der Tunnelkontur ermittelt. Im zweiten Schritt wird der Tunnel nahe der Ortsbrust betrachtet. Unter der Berücksichtigung, dass sich die Ortsbrust zum Tunnel hin verformen kann, werden die Kontaktkräfte um den Faktor reduziert. Gleichzeitig wird im späteren Ausbruchsquerschnitt nur noch der -fache Elastizitätsmodul des Primärspannungszustandes angesetzt. Da zu diesem Zeitpunkt noch keine Sicherung eingebracht ist, verformt sich der entfestigte Bereich. Durch die Spannungsumlagerung wird der umliegende Boden durch Ringtragwirkung zur Stützung mit herangezogen. Im dritten Schritt wird gleichzeitig mit dem Entfernen des entfestigten Bodens aus dem Hohlraum eine Randverstärkung als Sicherung (Tunnelschale) eingeführt. Die Abtragung der Lasten erfolgt dann durch das Zusammenwirken des ausgebildeten Gebirgstragrings und der eingeführten Sicherung. Die -Werte sind abhängig von den Untergrundverhältnissen und der Art des Vortriebs zu wählen und im Zuge der Baugrunduntersuchungen mit Planer und Gutachter festzulegen. Häufig werden auf der sicheren Seite liegend für die Berechnung der Tunnelschale und für die Ermittlung von Oberflächensetzungen jeweils unterschiedliche Werte angesetzt. Geringe -Werte führen zu größeren
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Verformungen, jedoch zu geringeren Schnittkräften, da durch die Verformungen der umgebende Boden vor dem Einbau der Tunnelschale stärker zum Mittragen herangezogen wird. Das -Verfahren wird insbesondere für die Berechnung von NATM-Vortrieben verwendet. Beim Volume-Loss-Verfahren wird eine quasi-räumliche Berechnung durch Verringerung des Bodenvolumens simuliert. Im ersten Berechnungsschritt wird analog zum Steifigkeitsverfahren der Primärspannungszustand simuliert. Im zweiten Berechnungsschritt wird innerhalb des vorgesehenen Tunnelquerschnitts das Bodenvolumen verkleinert. Damit reduziert sich die stützende Wirkung des Bodens im Tunnelquerschnitt und das umliegende Gebirge wird zum Mittragen herangezogen. Im letzten Berechnungsschritt wird die Tunnelschale eingeführt und das in der zweiten Phase im Querschnitt verbliebene Bodenvolumen vollständig entfernt. Die Berechnungsergebnisse hängen im Wesentlichen davon ab, um welches Maß das Bodenvolumen in der zweiten Berechnungsphase reduziert wird. Es gelten die obigen Aussagen zur Ermittlung des Werts. Das Volume-Loss-Verfahren wird insbesondere für die Berechnung von Schildvortrieben eingesetzt.
4.3.
Standsicherheit der Ortsbrust
Im Lockergestein, sowie im nicht standfesten Festgestein wird es erforderlich sein, die rechnerische Standsicherheit der Ortsbrust für den Bauzustand nachzuweisen. Erforderlichenfalls, etwa im kohäsionslosen Lockergestein, müssen ortsbruststützende dimensioniertSchildmaschine werden (z.B. Stützkern, Ortsbrustanker dazu Kapitel 5; Vortrieb Maßnahmen mit einer druckhaltenden siehe siehe dazu Kapitel 6).
4.3.1. Belastungsans Belastungsansätze ätze Bei oberflächennahen Tunneln wird allgemein davon ausgegangen, dass die Belastung des ortsbrustnahen Gleitkörpers durch das Eigengewicht des darüber befindlichen Bodenprismas erfolgt, ohne dass zusätzliche Abminderungen durch Gewölbebildung berücksichtigt werden können (vergleiche auch Kapitel 4.1). Der vorhandene Tunnelquerschnitt (in Abbildung 4-39 kreisrund dargestellt) wird in ein flächengleiches Rechteck umgerechnet, welches die Stirnfläche des Gleitkeils (Ortsbrust) darstellt.
Abbildung 4-39: Modellbildung für die Ermittlung der Ortsbrustbeanspruchung infolge Silodruck p z [adaptiert nach Schad et al., 2003]. … … Gleitflächenwinkel, S … Stützkraft, W … Wasserdruckkraft
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Bei tiefliegenden Tunneln (Überdeckungshöhe von mehr als dem 2- bis 3-fachen Tunneldurchmesser) wirkt nicht das gesamte Bodenprisma auf den Gleitkörper, sondern es können begünstigende Gewölbebildungen berücksichtigt werden. Man geht davon aus, dass sich ab einem bestimmten Abstand oberhalb der Tunnelfirste ein Stützgewölbe im Gebirge ausbildet. Sämtliche Lasten oberhalb dieses Stützgewölbes werden seitlich abgetragen, sodass die vertikalen Lasten oberhalb des Gewölbes nicht mehr auf den Gleitkeil wirken. Allerdings müssen sämtliche vertikalen Kräfte unterhalb des Gewölbes auf den Gleitkeil als Belastung angesetzt werden. Zur Ermittlung der vertikalen Belastung auf den Gleitkörper kann wieder die Silotheorie nach Terzaghi (ggf. Erweiterungen nach Houska etc.) verwendet werden (siehe Kapitel 4.1). Allerdings sind die geometrischen Randbedingungen anzupassen. Bei der Ermittlung der Ortsbruststandsicherheit wird die ideelle Silobreite 2B dem unmittelbar hinter der Ortsbrust stehenden Bruchkörper mit der Breite des Ausbruchsdurchmessers DA (siehe Abbildung 4-39) gleichgesetzt: 2B = DA Dementsprechend ist die vertikale Auflast auf den Gleitkeil pz: h h 2 K 0 tan 0 2 K 0 tan 0 D A 2c DA DA [kN/m²] p z 1 e q e 2 K 0 tan
mit
c…
Kohäsion
q…
zusätzliche äußere Belastung an der Geländeoberfläche
h0 …
Höhe der Überdeckung über der Tunnelfirste
K 0 … Seitendruckbeiwert nach der Silotheorie [-] K 0 1 sin bzw. K 0
1 m 1 1
DA … Ausbruchsdurchm Ausbruchsdurchmesser esser Die seitlich auf den Gleitkeil wirkenden Spannungen px können ebenfalls wie in Kapitel 4.1 erläutert ermittelt werden: p x ( h 0 q z) tan 2 2c tan mit
45 2
und
z … von der Tunnelfirste aus definiert
4.3.2. Standsicherheitsnachweis Der Standsicherheitsnachweis wird über den an der Ortsbrust anstehenden Gleitkörper auf einer zumeist geraden oder ggf. auch einer gekrümmten Gleitfläche (entsprechend ÖNORM B 4434) geführt. Dabei ist in der Regel durch eine Extremwertbetrachtung die ungünstigste Neigung der Gleitfläche zu ermitteln. Als brauchbarer Ausgangswert wird üblicherweise die Neigung der Gleitfläche zur Horizontalen mit = 45° + /2 angesetzt. (siehe dazu auch Vorlesung Grundbau und Bodenmechanik – Thema Erddruck.) Die Belastung des Gleitkörpers durch den Boden bzw. zusätzlicher Gebäude- oder Verkehrslasten erfolgt je nach der Tiefenlage des Tunnels in der zuvor beschriebenen Weise. In besonderen Fällen empfiehlt es sich, die Standsicherheit über dreidimensionale FE-Berechnungen nachzuweisen.
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63
Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Abbildung Vergleich D verschiedener Verfahren zur Ermittlung des Stützdruckes an der Ortsbrust p E [Brandl, 2006]. H …4-40: Überdeckung; … Ausbruchsdurchmesser
Nachfolgend wird ein Gleitkörper mit gerader Gleitfläche betrachtet (siehe Abbildung 4-39). Der Nachweis der Ortsbruststandsicherheit kann durch einen Vergleich der angreifenden und der rückhaltenden Kräfte geführt werden. Vz p z D 2A tan(90 ) mit
DA … Ausbruchsdurchm Ausbruchsdurchmesser esser Q
mit
Vz (G 2R S ) sin(90 )
G…
Gewichtskraft des Gleitkeils
R S … Reibungskraft an den Flanken des Gleitkeils: R S c
D A sin(90 ) p x tan 2
Abbildung 4-41: Kräftegleichgewicht für die Ermittlung des Stützdrucks S [Schad et al., 2003]. 2003].
Die erforderliche Stützkraft S an der Ortsbrust ergibt sich dann zu: S W Q cos( 90 ) mit
W … allfällige Wasserdruckkraft
Dabei kann mit einem globalen Sicherheitsbeiwert Sicherheitsbeiwert gerechnet werden, werden, oder es können nach dem neuen Teilsicherheitskonzept – unter Berücksichtigung von Teilsicherheits Teilsicherheitsbeiwerten beiwerten – den Einwirkungen die Widerstände gegenübergestellt werden.
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64
Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Da der Anteil der angesetzten Horizontalspannung auf den Gleitkeil die Standsicherheit der Ortsbrust stark beeinflussen kann, sollten bei Ansatz derartiger einfacher Bruchkörperbetrachtungen immer Parametervariationen durchgeführt werden. Der Einfluss kritischer Parameter auf das Berechnungsergebnis kann dadurch besser abgeschätzt und somit das Ergebnis besser beurteilt werden. Die Stützkraft S ergibt sich auch aus Integration des Stütz-, oder Bruchdrucks p f über über die Fläche der Ortsbrust. Für kreisförmige Ausbruchsquerschnitte gilt:
D 2A S p f 4
Ist in kohäsivem Boden mit > 20° kein Grundwasserdruck anstehend, so ist der Bruchdruck nach Vermeer / Ruse Ruse unabhängig von der Tiefenlage des Tunnels. Er hängt nur von den Scherparametern, der Bodenwichte und dem Tunneldurchmesser ab und lässt sich angeben durch:
p f D A N D c N C mit
ND … Durchmesserbeiwert ergibt sich empirisch zu: N D
1 0,05 9 tan
1 tan Unter Beaufschlagung der Scherparameter mit einem Sicherheitsbeiwert ergibt sich somit für einfache Fälle (kein Grundwasser, dränierte Verhältnisse, keine Schichtung des Baugrunds, etc.): c p f D A 0,05 tan 9 tan NC … Kohäsionsbeiwert N C
Durch Umformulieren der Gleichung erhält man für die Standsicherheit der Ortsbrust:
9 (c p f tan ) 0,45 tan DA
Ist der Stützdruck pf = = 0 (z.B. atmosphärischer NATM-Vortrieb ohne Stützkern), so vereinfacht sich die Gleichung nach Vermeer und und Ruse entsprechend zu:
9c 0,45 tan DA
Einfluss des Grundwassers auf den Stützdruck an der Ortsbrust: Liegen undrainierte Verhältnisse an der Ortsbrust vor, so muss bei der Ermittlung des Stützdrucks die undrainierte Kohäsion cu angesetzt werden. Bei voller Wassersättigung kann der undrainierte Reibungswinkel u ~ 0 angenommen werden. Mair/Taylor geben geben für undrainierte Verhältnisse folgende empirische Formel für < 20° an:
c 1 p f (h 0 D A ) N u 2 mit
h mit N 5,86 0 D A
DA … Ausbruchsdurchm Ausbruchsdurchmesser esser h0 …
Höhe der Überdeckung über der Tunnelfirste
0, 42
6
h0 DA
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4.4.
Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Der Eurocode 1997-1 bei der Tunnelbemessung
Seit Mitte 2009 ist in Österreich die ÖNORM EN 1997-1 (Eurocode 7: Entwurf, Berechnung und Bemessung in der Geotechnik) anzuwenden (siehe dazu auch Vorlesung Grundbau und Bodenmechanik). Hinsichtlich der Anwendung des EC7 bei der Bemessung von Tunnelbauwerken gibt es (noch) keine nationalen Regelwerke bzw. Regelungen. Die ÖNORM EN 1997-1 kann dahingehend interpretiert werden, dass sie für Bauwerke der Geotechnischen 3 –der undEC7 dasein sind jedenfalls Tunnel Lockergestein – nicht zwingend anzuwenden ist. Kategorie Weiters setzt „hinreichend duktilesinMaterialverhalten“ voraus, was im Festgestein nicht zwangsläufig gegeben ist (plötzliches sprödes Versagen ist im Festgestein möglich). Andererseits entsprechen Tunnelschalen durchaus der Definition von Stützbauwerken nach ÖNORM EN 1997-1 und der Nachweis der Ortsbruststabilität ist dem Geländebruchnachweis (Gesamtstandsicherheit) ähnlich. In Österreich ist die Berechnung und Bemessung von Tunnelbauwerken im Lockergestein unter Bebauung in der RVS 9.01.42 geregelt, in der im Prinzip die Anwendung des Nachweisverfahrens NV 2*, also die Erhöhung der errechneten Schnittgrößen mit Teilsicherheitsbeiwerten, vorgesehen ist. Auf diese Weise kann zufolge Walter (2010) die Dimensionierung der Außen- und Innenschalen gemäß EN 1992-1-1 (Eurocode 2: Entwurf, Berechnung und Bemessung von Stahlbetonbauten) und eine Nachweisführung gegen inneres Versagen oder sehr große Verformung (STR) mit dem Nachweisverfahren NV 2* gemäß ÖNORM B 11997-1-1 997-1-1 erfolgen. Bei nichtlinearem Materialverhalten (z.B. Spritzbeton) ist das NV 2* jedoch nicht mehr unmittelbar anwendbar. Daher wird im Tunnelbau voraussichtlich das Nachweisverfahren NV 3, welches die ÖNORM B 1997-1-1 für alle numerischen Verfahren grundsätzlich zulässt, eine größere Rolle spielen. Zum Nachweis der Ortsbruststabilität kann gemäß ÖNORM EN 1997-1 der Gesamtstandsicherheitsnachweis (GEO) sowieso mit dem NV 3 geführt werden. Als Vorteil des NV 3 vermerkt Walter (2010), dass durch die Abminderung der Scherparameter mittels Teilsicherheitsfaktoren die Einwirkungen „automatisch“ in den Bereichen erhöht werden, wo der Boden als Einwirkung wirkt und die Widerstände ebenso „automatisch“ reduziert werden, wo der Boden als Widerstand wirkt. Die genaue Kenntnis im Vorhinein, wo der Boden Einwirkung und wo er Widerstand ist, ist im Gegensatz zu den anderen Nachweisverfahren nicht erforderlich. Andere Autoren weisen jedoch auch auf die Notwendigkeit hin, dass die Teilsicherheitsbeiwerte auf der Widerstandsseite für den Tunnelbau grundsätzlich neu definiert werden müssen, um ein mit den bisherigen Bemessungen vergleichbares vergleichbares Sicherheitsniveau beizubehalten. Schließlich findet die in der ÖNORM EN 1997-1 verankerte Beobachtungsmethode (Überprüfung und gegebenenfalls Anpassung des Entwurfs während der Bauausführung) im Tunnelbau – vor allem bei tiefliegenden Tunneln im Festgestein – ein wesentliches Anwendungsgebiet. Anwendungsgebiet.
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
5. BERGMÄNNISCHE BERGMÄNNISCHER R VORTRIEB (ZYKLISCHER VORTRIEB) Bei der bergmännischen Bauweise ( zyklischer Vortrieb) handelt es sich um eine geschlossene, von der Oberfläche unabhängige Bauweise zur Schaffung eines unterirdischen Hohlraumes.
5.1.
Vortriebsverfahren
Die wesentliche Voraussetzung für den wirtschaftlichen und technischen Erfolg des Tunnelbaues ist die zweckmäßige Auswahlweist des eine Vortriebsverfahrens dasderAuffahren eines unterirdischen Hohlraumes. Der Tunnelbau große Entwicklungfür– von jahrhundertelangen praktischen Erfahrung des Bergbaus, dem klassischen Eisenbahntunnelbau am Anfang des 20. Jahrhunderts bis zum jetzigen Stand der Technik im Tunnelbau und bei Tunnelvortriebsmaschinen – auf. Eine Tunnelbauweise ist definiert durch den zeitlichen Ablauf von Teilarbeiten, wie Vortriebs-, Sicherungsund Ausbauarbeiten. Die Abbildung 5-1 zeigt eine Übersicht über die bergmännischen Tunnelbauweisen.
Bergmännische Tunnelbauweisen
Alte traditionelle Bauweisen Deutsche Bauweise
Neue Österreichische Österreichische Bauweise
Englische Bauweise Belgische Bauweise Alte Österreichische Bauweise Ausbauarten
Voraussicherungsmaßnahmen
Stützmittel
Spieße/ Pfändbleche
Anker
Rohrschirm
Tunnelbögen
Injektionsschirm
Spritzbeton
Stahlausbau
DSV- Schirm
Holzausbau
Bodenvereisung
Abbildung 5-1: Übersicht über die bergmännischen Tunnelbauweisen.
5.2.
Alte traditionelle Bauweisen
In verschiedenen Teilen Europas entwickelten sich unterschiedliche bergmännische Tunnelbauverfahren. Sie unterschieden sich im Verfahrensablauf beim Öffnen des Hohlraumes und bei der Herstellung der Sicherung. Holzzimmerungen stellten eine vorübergehende Sicherung dar und wurden durch ein gemauertes Gewölbe ersetzt, welches den endgültigen Ausbau bildete.
5.2.1. Deutsche Bauweise Bauweise (Kernbauw (Kernbauweise) eise) Grundsatz: „Die Herstellung der Widerlager steht vor allen anderen Bauvorgängen!“ Die Deutsche Bauweise wird auch als Kernbauweise bezeichnet. Sie wurde angewendet, wenn durch das Abstützen der Gewölbekämpfer die Tragfähigkeit des Gebirges überschritten wurde.
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Abbildung 5-2: Abfolge der Teilausbrüche bei der Deutschen Bauweise (Kernbauweise) [Széchy,1969].
Abbildung 5-3: Bauphasen der Deutschen Bauweise (Kernbauweise) ohne Kämpferstollen [Széchy,1969]. [Széchy,1969].
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Die Herstellung der Widerlager steht an erster Stelle vor allen anderen Bauvorgängen. Es wird mit dem Vortrieb von zwei Sohlstollen entlang der Widerlagerfüße begonnen. In den beiden Sohlstollen wird die endgültige Sicherung aufgemauert. Nach Fertigstellung der Widerlager werden in Kämpferhöhe zwei weitere Stollen vorgetrieben. Abbildung 5-2 und Abbildung 5-3 zeigen, wie nach und nach ein in Teilbereichen das hergestellte Gewölbe entsteht. Der Kern in der Mitte bleibt stehen. Nachdem das Gewölbe seine vollständige Tragwirkung erreicht hat und eine Abstützung des temporären Stützgewölbes auf den Kern nicht mehr notwendig ist, kann mit dem Kernabbau begonnen werden. Abschließend wird das Sohlgewölbe eingezogen. ei ngezogen. Vorteile der Kernbauweise sind:
Die Sohlstollen dienen als Erkundungsstollen. Der Kern stützt den Brustbereich ab. Nur geringe Setzungen treten auf, durch Abstützmöglichkeiten auf dem Kern und Aufsetzen des Kalottengewölbes auf ein bereits bestehendes festes Widerlager.
Der Holzverbrauch für die Zimmerung ist gering. Nachteile der Kernbauweise sind:
Es erfolgt erst ein spätes Einbringen des Sohlgewölbes. Schwierigkeiten treten beim Förderbetrieb aufgrund der engen Stollen auf. Der Zeitaufwand ist vergleichsweise groß. 5.2.2. Englische Bauweise Bauweise (Längsträgerbauweise) (Längsträgerbauweise) Grundsatz: „Ausbruch des Gesamtquerschnittes vor der Mauerung!“ Bei der Englischen Bauweise bzw. Längsträgerbauweise wird erst nach dem Ausbruch des Gesamtquerschnittes die endgültige Mauerung in 3 bis 6 m langen Ringen eingebracht. Der Ausbruch erfolgt in Teilquerschnitten, die temporär durch eine Jochzimmerung unterstützt werden. Bei dieser Jochzimmerung handelt es sich um eine Längsträgerzimmerung. Abbildung 5-4 zeigt den Ablauf der Herstellung im Querschnitt und Abbildung 5-5 zeigt einen Längenschnitt eines Tunnels nach Englischer Bauweise. Zu beachten ist, dass die Länge des Kronenbalkens aus Stabilitätsgründen nicht zu kurz sein darf. Dadurch ist die Anpassung der Abschlagslänge an die Gebirgsverhältnisse beschränkt. Der Vorteil der Längsträgerbauweise ist der leichte Abbau und die zügige Förderung des Ausbruchsmaterials. Die einzelnen Arbeitsvorgänge behindern sich nicht und die Belüftung und auch die Wasserableitung finden im Vollprofil leicht Platz. Der größte Nachteil der Längsträgerbauweise ist, dass ein deutlicher Mehrausbruch über den entwurfsmäßigen Mauerquerschnitt hinaus notwendig ist, da die Kronbalken unterfangen werden müssen. Der verbleibende Spalt zwischen Gebirge und Firstmauerung wird mit Steinen locker verpackt. Die Ortsbrust steht unter starkem Druck und muss vorübergehend abgestützt werden. Die gesamte Rüstung benötigt darüber hinaus sehr viel Holz.
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Abbildung 5-4: Nacheinander folgende Arbeitsphasen der Englischen Bauweise (Längsträgerbauweise) [Müller, 1978].
Abbildung 5-5: Längenschnitt eines nach der Englischen Bauweise (Längsträgerbauweise) völlig ausgebrochenen Abschnittes mit schräger Brustabstützung [Széchy,1969].
5.2.3. Belgische Bauweise Bauweise (Unterfangung (Unterfangungsbauweise) sbauweise) Grundsatz: „… zunächst vor allem die Firste sichern!“ Die Belgische Bauweise bzw. Unterfangungsbauweise beruht auf dem bergmännischen Grundsatz, zunächst vor allem die Firste zu sichern. Die Tunnelkalotte wird so rasch wie möglich durch die
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
endgültige Mauerung gesichert. Es wird meist auf eine provisorische Jochzimmerung zur temporären Sicherung der Firste verzichtet. Der Name „Unterfangungsbauweise“ resultiert aus dem nächsten Arbeitsschritt. Die Kalottenschale wird erst nach dem Abbau der Strosse unterfangen. Dabei wird abschnittsweise einseitig der Bereich der Ulmen durch Einschlitzen freigelegt und ein Widerlager in den Schlitz gemauert. Das Kalottengewölbe wird vom aufgemauerten Widerlager unterfangen.
Abbildung 5-6 Belgische Bauweise (Unterfangungsbauweise): a) Schema ohne Sohlstollen und b) mit Sohlstollen als Förderbasis; c) bis f) Bauphasen [Müller, 1978].
Vorteile der Unterfangungsbauw Unterfangungsbauweise: eise:
Bedeutende Holzersparnis Gute Anpassung an die Gebirgsverhältnisse Rascher Gewölbeschluss Kontinuierliche Bauweise Geringe Setzungen Nachteile der Unterfangungsbauweise: Unterfangungsbauweise:
Großen Setzungen bei Unterfangungsschw Unterfangungsschwierigkeiten ierigkeiten Später Sohlschluss Die belgische Bauweise ist in rolligem Gebirge kaum anwendbar und bei besonders druckhaftem Gebirge können aufgrund der Schwierigkeiten im Zuge der Unterfangung die Kosten enorm steigen.
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
5.2.4. Alte Österreichische Österreichische Bauweise (Ringbetriebsbauwe (Ringbetriebsbauweise, ise, Multiple Drift Method Methode) e) Grundsatz: „Kleinräumiges Auffahren des Tunnels nach altem bergmännischem Grundsatz“ Bei der Alten Österreichischen Tunnelbaumethode Tunnelbaumethode bzw. Ringbetriebsbauweise handelt es sich um ein kleinräumiges Auffahren des Tunnels. Dabei wird nach alten bergmännischen Grundsätzen gearbeitet. Die Firste wird zuerst gesichert, das heißt, dass nach dem Errichten eines Richtstollens prinzipiell der Ausbruch von oben nach unten erfolgt. Der Richtstollen verläuft im Bereich der Sohle des fertigen Profils und dient während desoben. Vortriebes Förderbasis. Die Mauerung nach dem vollständigen Ausbruch von unten nach Da dieals Mauerung der Schale erst nacherfolgt dem Ausbruch erfolgt, kommt es zu einem hohen Materialaufwand für die Stützung. Der Personalaufwand ist zudem sehr hoch, während die Vortriebsleistung sehr gering ist. Die Arbeiten können jedoch an mehreren Stellen gleichzeitig durchgeführt werden. Die Kosten der Errichtung eines Tunnels sind vergleichsweise hoch. Die alte Österreichische Tunnelbauweise wird heute noch hauptsächlich in (Nord-)Amerika eingesetzt und ist dort als „Multiple Drift Method“ bekannt.
Abbildung 5-7: Alte Österreichische Tunnelbaumethode [Müller,1978].
Abbildung 5-8: Doppelspuriger Lehnentunnel der Lötschbergbahn, errichtet nach Alter Österreichischer Bauweise [Martak, 2009].
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Gemäß Rabcewicz hat die klassische Verkleidung (Vielgelenksmauerwerksring) den Beanspruchungen durch seitliche Drücke mit wechselndem Erfolg widerstanden. Die Drücke klangen teils im Zuge der Bildung der Trompeter ’schen ’schen Zone, unter gleichzeitiger Verformung der Zimmerung, so weit ab, dass nach Fertigstellung der Verkleidung ohne sichtbare Zerstörungen, mäßigen Fugenpressungen oder geringen Abplatzungen ein dauernder Gleichgewichtszustand erreicht wurde. Teilweise wurden die Verkleidungen jedoch in typischer Weise zerstört und mussten erneuert werden. Als Hauptursache galt, dass entweder überhaupt kein Sohlgewölbe oder das Sohlgewölbe als letztes Bauglied im Zuge des Arbeitsfortschrittes Durch das nichts Fehlenmehr des änderte. Ringschlusses kam es zu Verdrückungen, an denen eingebracht auch eine sehrwurde. dicke Außenschale
5.3.
Neue Österreichische Tunnelbaumethode Tunnelbaumethode (NÖT bzw. NATM)
5.3.1. Definition der Neuen Neuen Österreichisc Österreichischen hen Tunnelbau Tunnelbauweise weise Die Neue Österreichische Tunnelbaumethode (NÖT) bzw. New Austrian Tunneling Method (NATM) folgt einem Konzept, welches das Gebirge (Fels oder Boden) um den Hohlraum durch Aktivierung eines Gebirgstragringes zu einem tragenden Bauteil macht. Dabei müssen einige Grundsätze beachtet werden:
Berücksichtigung des geomechanischen Gebirgsverhaltens Vermeidung von ungünstigen Spannungs- und Verformungszuständen durch den zeitgerechten Einbau geeigneter Stützmaßnahmen
Insbesondere rechtzeitig eingebrachter, statisch wirksamer Sohlschluss, welcher dem Gebirgstragring die statische Funktion der geschlossenen Röhre verleiht.
Optimierung des Ausbauwiderstandes in Abhängigkeit von den zulässigen Verformungen. Messtechnische Überwachung zur Kontrolle sowie zur Optimierung 5.3.2. Prinzipien und Grundsätze der Neuen Österreichischen Tunnelbauweise Tunnelbauweise Das wesentlichste Kriterium des modernen Tunnelbaues ist zweifellos die Tatsache, dass der den Hohlraum umgebende Gebirgsteil zum Mittragen herangezogen wird und somit zum Bauteil wird. Die Sicherungsarbeiten nach dem Ausbruch müssen daher rasch erfolgen, um eine kritische Entspannung und Auflockerung des Gebirges zu vermeiden. Bei größeren Tunnelprofilen bzw. bei ungünstigen Untergrundverhältnissen wird deshalb abschnittsweise ausgebrochen. Abbildung 5-9 und Abbildung 5-10 zeigen den Kalotten-, Strossen- und Sohlbereich im Quer- und Längenschnitt.
Abbildung 5-9: Tunnelquerschnitt: Begriffsdefinition [ÖNORM B 2203-1].
Abbildung 5-10: Längenschnitt: Begriffsdefinition [ÖNORM B 2203-1].
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Die Stützmittel der NATM umfassen:
Spritzbeton (mit Baustahlgitter bewehrt) Systemankerung Injektionen Streckenbögen Mit diesen Stützmaßnahmen ist für den Bauzustand (also für das „Außengewölbe“) ein Sicherheitsfaktor = 1 anzustreben. Erst durch den späteren Einbau der Stahlbeton-Innenschale wird der Sicherheitsfaktor dementsprechend erhöht. Dies bedeutet in der Praxis, dass je nach Heterogenität der Gebirgsverhältnisse (Verwerfungen, Mylonitisierungen, tektonische Restspannungen etc.) fallweise örtliche Verdrückungen, Rissbildungen und dergleichen möglich sind. An diesen Stellen muss dann besonders rasch eine Verstärkung des Verbaus, zum Beispiel durch Nachankern mit längeren Ankern, vorgenommen werden. Von den Stützmitteln der NATM sind zur Erreichung eines Gleichgewichtzustandes im Außengewölbe bzw. eines Verformungszustandes mit einer zulässigen RestVerformungsgeschwindigkeit einerseits die inneren Auskleidungen (Spritzbeton, Bögen) von Bedeutung, andererseits vor allem jene, welche ins Gebirge reichen und mit diesem einen echten Verbundkörper bilden (Anker, allenfalls auch Injektionen). Beide Stützmittel verbessern das den Hohlraum umgebende Gebirge und machen es zu einem Bestandteil des Bauwerkes. Bei extrem schlechten Gebirgsverhältnissen und großen Stützweiten ermöglichen die Stützmittel der NATM das notwendige Maß der Entspannung des Gebirges ohne schädliche Auflockerung. Die innerhalb des Hohlraumes angebrachten Stützmittel, wie Spritzbeton, Stahlbögen, Baustahlgitter etc., entsprechen dem Hilfsgewölbe der konventionellen Bauweisen und sind vorwiegend temporär im Bereich der Brust beim Übergang vom räumlichen auf den ebenen Spannungszustand von Bedeutung. Sie dienen dem Schutz der Mannschaft, da durch sie das Ablösen hohlraumnaher Gesteinspartien verhindert wird. Im geschlossenen Ring haben sie ebenfalls Anteil am Ausbauwiderstand. Alle Stützmittel zusammen bilden mit dem durch Anker und Injektionen aktivierten Gebirgstragring einen Verbundkörper, der eine große Verformbarkeit aufweist, also elastisch und nicht steif (wie frühere Tunnelbauten) ist. Er lässt daher das für einen wirtschaftlichen Gesamtausbau notwendige Maß an Druckumlagerung bzw. Spannungsabbau zu. Wesentlich ist, dass beim Übergang vom primären zum sekundären Zustand die für die Bemessung des Ausbaues maßgebenden Spannungen abnehmen. Die Verformungen dauern an, bis die Tangentialspannung t die Größe der einaxialen Druckfestigkeit erreicht hat bzw. solange kein versteifender Ausbau eingebracht wird. Die Radialspannungen r sinken während des Vortriebs am Ausbruchsrand auf Null ab, um nach Einbringung der Stützmittel wieder anzusteigen. Der Zusammenhang zwischen der Radialspannung r , der radialen Verformung r am Ausbruchsrand und dem Ausbauwiderstand p ist in Abbildung 5-11 dargestellt. Aus der Kurve für r kann man ablesen, dass der notwendige Ausbauwiderstand umso größer sein muss, je schneller der Gleichgewichtszustand erreicht werden soll (Ausbauwiderstand 2 in Abbildung 5-11). Je länger man Verformungen zulässt, desto kleiner wird der für das Gleichgewicht notwendige Ausbauwiderstand (Ausbauwiderstand 1 in Abbildung 5-11). Ab einer gewissen Größe der Verformungen beginnt allerdings eine schädliche Auflockerung des den Hohlraum umgebenden Gebirges. Diese Auflockerungen sind absolut unerwünscht und aus ihnen resultiert ein wieder steigender Ausbauwiderstand. Die daraus resultierende Kurve des Ausbauwiderstandes wird als Fenner - Pacher Kurve bezeichnet. Betrachtet man die Fenner-Pacher -Kurve -Kurve in Abbildung 5-11, erscheint es sinnvoll, jene Verformungen zuzulassen, bei denen der notwendige Ausbauwiderstand ein Minimum wird. Die Praxis lehrt aber, dass es schwierig ist, genau diesen (Zeit-)Punkt zu erreichen. Das sicherheitstechnische Optimum liegt daher bei etwas geringeren Verformungen bei gleichzeitig etwas höherem Ausbauwiderstand.
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Abbildung 5-11: Wechselbeziehung zwischen s ,r r, r/R und T: schematische Darstellung für verschiedene Ausbauwiderstände 1 und 2 und verschiedene Einbauzeitpunkte nach Fenner und Pacher Pacher [Brandl, 2006].
Die tatsächlich im Zuge der Baudurchführung festzulegenden notwendigen Stützmaßnahmen sind eine Funktion folgender Parameter:
Geologische Bedingungen wie Zerlegungsgrad, Schichtung, Klüftung etc. Gesteinsfestigkeiten und Verformbarkeit Überlagerung auch in Abhängigkeit von der Geländegestaltung Tektonische Restspannungen Baumethode Zeitfaktor Veränderung der Festigkeitseigenschaften infolge der Ausbruchsmethode Entfestigung durch Wasser Abnahme des Reibungswinkels Der erzielbare Ausbauwiderstand der Stützmittel ist hingegen eine Funktion der Güte und Menge der verwendeten Baustoffe und deren Kombination. Er hängt also ab von:
Ankertragfähigkeit, Ankerlänge, Ankerdichte, Art, Menge und Verteilung des Injektionsgutes, sowie von der Qualität des Gebirges:
Grad der Inhomogenität und Anisotropie, Größe des Reibungswinkels und der Kohäsion.
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Die Neue österreichische Tunnelbauweise ist eine semi-empirische Bauweise, bei der in erster Linie die Messergebnisse an der Baustelle für die Art und den Umfang der Sicherungs- und Ausbaumaßnahmen maßgebend sind. Dafür muss ein umfangreiches Messprogramm an der Oberfläche, im Boden und im Tunnel mit Oberflächennivellement, Gleitmikrometer, Druckmessdosen und Konvergenzmessungen etc. erstellt werden. Die Gebirgsverformung und der Spannungsverlauf zwischen Gebirge und Ausbau muss im Sinne der Beobachtungsmethode laufend gemessen werden, wodurch die Messergebnisse sofort im laufenden Vortrieb berücksichtigt werden können. Dieses Iterationsverfahren führt zuwird. einemDies umsogilt wirtschaftlicheren Ausbau,Gebirge je dichterbzw. das Netz der Messungen gewählt besonders bei und starksicheren druckhaftem stark wechselhaften Gebirge. Bei standfestem, annähernd homogenem Gebirge können die Messungen auf wenige Punkte beschränkt werden. Grundsätze der Neuen Österreichischen Tunnelbauweise nach Leopold Müller (1978) L. Müller hat erstmals 1978 22 Grundsätze aufgestellt, welche die Grundgedanken des „Neuen Österreichischen“ Tunnelbaukonzepts zusammenfassen:
1. Grundsatz: Der wesentlich tragende Bauteil eines Tunnels ist das umliegende Gebirge.
Abbildung 5-12: 1.Grundsatz der NATM [Müller, 1978].
2. Grundsatz: Die ursprüngliche Gebirgsfestigkeit muss erhalten bleiben und darf durch die Massen- und Spannungsumlagerung, welche das Auffahren eines Hohlraums mit sich bringt, nicht vermindert werden.
Abbildung 5-13: 2.Grundsatz der NATM [Müller, 1978].
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
3. Grundsatz: Auflockerungen sind zu verhindern. Sie entfestigen das Gebirge.
Abbildung 5-14: 3.Grundsatz der NATM [Müller, 1978].
4. Grundsatz: Ein- und zweiachsige Spannungszustände sind zu vermeiden, da das Gebirge Entlastungsverformungen weit schlechter verträgt als zusätzliche Belastungen.
Abbildung 5-15: 4.Grundsatz der NATM [Müller, 1978].
5. Grundsatz: Der Ausbauwiderstand ist so zu wählen, dass er entfestigenden Gebirgsverformungen zuvorkommt, aber die Ausbildung einer Schutzzone zugelassen wird.
Abbildung 5-16: 5.Grundsatz der NATM [Müller, 1978].
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
6. Grundsatz: Der Verbau muss rechtzeitig eingebaut werden, daher nicht so früh wie möglich, sondern nicht zu früh und nicht zu spät. Der Ausbauwiderstand darf auch nicht zu stark oder zu schwach gewählt werden.
Abbildung 5-17: 6. Grundsatz der NATM [Müller, 1978].
7. Grundsatz: Der spezifische Zeitfaktor für das jeweilige Gebirge muss berücksichtigt und richtig eingeschätzt werden.
Stehzeit ohne Sicherung
Abbildung 5-18: 7.Grundsatz der NATM [Müller, 1978].
8. Grundsatz: Vorversuche im anstehenden Gebirge und Verschiebungsmessungen in der Tunnelröhre während des Baues, sowie Standzeit, Verformungsgeschwindigkeit und Gebirgsklassifizierung dienen zur besseren Einschätzung des Zeitfaktors.
Abbildung 5-19: 8.Grundsatz der NATM [Müller, 1978].
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
9. Grundsatz: Die Sicherung ist kraftschlüssig mit dem Gebirge auszubilden. Die Kombination aus Spritzbeton, Bewehrungsnetzen, Tunnelbögen und Ankern bildet eine Gebirgsversiegelung, die kraftschlüssig mit dem Gebirge verbunden ist, aber nicht als Gebirgstragring wirkt.
Abbildung 5-20: 9.Grundsatz der NATM [Müller, 1978].
10. Grundsatz: Verbau und Innenausbau sind möglichst dünnschalig und daher biegeschlaff auszuführen, weil so die Aufnahme von Biegemomenten und das Auftreten von Biegebrüchen minimiert wird. Die Spritzbetonschale wirkt als dünne, biegeschlaffe Außenschale.
Abbildung 5-21: 10.Grundsatz der NATM [Müller, 1978].
11. Grundsatz: Verstärkungen der Innen- und Außenschale werden nicht durch Verdickung vorgenommen, sondern durch Bewehrungsnetze, Tunnelbögen und Anker. Der Einbau von Ankern führt zu einer Bewehrung des Gebirgstragringes und somit zu einer Verstärkung der Außenschale.
Abbildung 5-22: 11 .Grundsatz der NATM [Müller, 1978].
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
12. Grundsatz: Nach Konvergenz- und Verschiebungsmessungen in der Tunnelumgebung kann die Sicherheit der Stabilisierung des Gesamtsystems beurteilt werden. Verstärkungen oder Abminderungen der Ausbaustärke können daraus ermittelt werden.
Abbildung 5-23: 12. Grundsatz der NATM [Müller, 1978].
13. Grundsatz: Statisch wird der Tunnel als (dickwandiges) Rohr, bestehend aus Gebirgstragring und Verbau bzw. Ausbau, betrachtet.
Abbildung 5-24: 13.Grundsatz der NATM [Müller, 1978].
14. Grundsatz: Weil ein Rohr statisch nur dann als solches wirkt, wenn es nicht geschlitzt ist, kommt dem Ringschluss (Sohlschluss) besondere Bedeutung zu.
Abbildung 5-25: 14.Grundsatz der NATM [Müller, 1978].
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
15. Grundsatz: Die Ringschlusszeit ist ein wesentlicher Faktor beim Bau eines Tunnels. Sie wird vor dem Baubeginn abgeschätzt und während des Vortriebes gegebenenfalls an die tatsächlich auftretenden geologischen Verhältnisse angepasst. Weit voreilende Kalotten verlängern die Ringschlusszeit, setzen die vorkragende Tunnelhalbschale großen Biegewirkungen in Tunnellängsrichtung und das Gebirge unter den Kalottenfüßen hohen Belastungen aus.
Abbildung 5-26: 15. Grundsatz der NATM [Müller, 1978].
16. Grundsatz: Es ist tunlichst ein Vollprofilvortrieb anzustreben um die Anzahl der Spannungsumlagerungen zu minimieren. Kleine Teilvortriebe lockern das Gebirge unnötig oft auf.
Abbildung 5-27: 16. Grundsatz der NATM [Müller, 1978].
17. Grundsatz: Die Vortriebsweise kann für die Sicherheit des Bauwerks entscheidend sein, da sie den Zeitfaktor des Gebirges beeinflusst. Variierung von Angriffstiefe, Verbauzeit, Sohlschlusszeit, Kalottenlänge und Ausbauwiderstand werden systematisch zur Steuerung des Stabilisierungsvorganges im System Gebirge und Verbau benutzt.
Abbildung 5-28: 17. Grundsatz der NATM [Müller, 1978].
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
18. Grundsatz: Um dem Umstand Rechnung tragen zu können, dass der Tunnel statisch betrachtet eine Röhre darstellt, sind möglichst runde, kreisförmige oder ovale Querschnitte bevorzugt. Es kann damit zu keinen Spannungskonzentratione Spannungskonzentrationenn an einzelnen Ecken und Kanten kommen.
Abbildung 5-29: 18. Grundsatz: Möglichst gerundete Querschnittsform [Müller, 1978].
19. Grundsatz: Auch die Innenschale ist schlank zu halten. Sie soll mit der Außenschale kraftschlüssig verbunden sein, aber keinen Reibungsschluss oder Schwerverbund mit der Außenschale haben.
Abbildung 5-30: 19. Grundsatz der NATM [Müller, 1978].
: Das Gesamtsystem plus dient Schaledann soll zur im Erhöhung Wesentlichen durch (Bei den 20. Grundsatz Verbau stabilisiert werden. Die Gebirge Innenschale der schon Sicherheit. Anwesenheit von aggressivem Bergwasser muss die Innenschale allein zur vollen Stabilisierung befähigt sein.) Die Verformung Verformung u darf nach dem Einbau der Innenschale Innenschale nicht mehr zunehmen.
Abbildung 5-31: 20. Grundsatz der NATM [Müller, 1978].
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
21. Grundsatz: Die Vordimensionierung der Außenschale des nächstfolgenden Tunnelabschnittes erfolgt aufgrund von Messungen der Betonspannungen und der Kontaktspannungen zwischen Schale und Gebirge des bereits vorgetriebenen Abschnittes. Diese Messungen dienen auch zur Kontrolle der Sicherheit des Vortriebes.
Abbildung 5-32: 21. Grundsatz der NATM [Müller, 1978].
22. Grundsatz: Die Entspannung des Außenwasserdruckes oder Strömungsdruckes im angrenzenden Gebirge auf die Außenschale wird durch Abschlauchungen und Drainagen gesichert.
Abbildung 5-33: 22. Grundsatz der NATM: Wasserableitung in Schläuchen aus nachträglich durch die Betonverkleidung gebohrten Bohrlochdrainagen [Müller, 1978].
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
5.3.3. Stützmittel
5.3.3.1. Anker Anker werden im Stollen und Tunnelbau als vorübergehende Sicherung des Ausbruchsquerschnittes bis zum Zeitpunkt des endgültigen Ausbaues verwendet. Größere Verformungen und Ausbrüche werden dadurch verhindert und die Tragwirkung des Gebirges erhöht sich. Sie sind ein wichtiges Bauelement der Neuen Österreichischen Tunnelbauweise. Bei der Dimensionierung der Anker ist besonders darauf zu achten, dass sie nicht nur entsprechend dicht gesetzt werden, sondern auch tief genug in das Gebirge reichen, um eine möglichst große wirksame Tragringstärke zu erzielen. Hinsichtlich der Wirkungsweise und des Tragverhaltens wird zwischen Einzel- und Systemankerung unterschieden.
Einzelanker dienen zur individuellen Sicherung einzelner Gesteinsblöcke, -keile oder -platten (siehe Abbildung 5-34). In stark geklüftetem Gebirge dienen sie zur Sicherung der Mannschaft und der Erhaltung der geometrisch geforderten Ausbruchsform bezüglich der Tragwirkung und des Mehrausbruchs.
Abbildung 5-34: Sicherung durch einzelne Anker [Vogt, 2009].
Die Systemankerung besteht aus einem System mehrerer Ankertypen nach Abstand, Ankerlänge und Vorspannung, um neben dem Aufbau eines Gebirgstragringes einen zusätzlichen Verdübelungseffekt zu erzielen (siehe Abbildung 5-35).
Abbildung 5-35: Entstehen eines Gewölbetragringes durch Systemankerung [Maidl,1984].
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Beim Auffahren eines Hohlraumes tritt eine Spannungsumlagerung im Gebirge auf. Der dreiaxiale Spannungszustand wandelt sich durch das Fehlen der Radialspannungen am Ausbruchsrand in einen zweiaxialen Spannungszustand. Die Tangentialspannungen werden größer und können bei fehlender Randverstärkung des Gebirges die einaxiale Gebirgsdruckfestigkeit überschreiten. Durch den sich bildenden Gebirgstragring wandern die Spannungen tiefer in das Gebirge, es entsteht jedoch eine entfestigte Zone. Die Abbildung 5-36 zeigt die Spannungsverteilung nach dem Ausbruch des Hohlraumes.
Abbildung 5-36: Spannungsverteilung nach dem Ausbruch und nach Sicherung [Maidl,1984].
Das schnelle Einbringen einer Systemankerung in Kombination mit Spritzbeton wirkt als Ausbauwiderstand. Durch den Ausbauwiderstand kann sich am Hohlraumrand ein quasi-dreiaxialer Spannungszustand einstellen, welcher der Gebirgsentfestigung entgegen wirkt und Auflockerungen verhindert. Je schneller sich Gleichgewicht zwischen der Tunnelsicherung und dem Gebirgstragring einstellt, desto geringere Kräfte können sich entwickeln. Berücksichtigt man die räumlichen Verhältnisse, bildet sich ein mit dem Ausbruch nach vorne wanderndes Gewölbe aus. Abbildung 5-35 zeigt eine einfache Analogie nach Rabcewicz. Die Ankerlänge wird sehr überschlägig mit t = Abschlagslänge angegeben. Die Höhe des Auflockerungsbereiches beträgt zwischen 1/2 und 2/3 der Abschlagstiefe t. Insbesondere bei Tunneln mit großen Querschnitten ist die Ankerlänge jedoch zu gering. Auch bei von weniger standfestem beida dem Abschlagslängen gewählt werden, ist die Annahme Rabcewicz nicht Gebirge, anwendbar, in geringere einem solchen Gebirge längere Ankerungen erforderlich sind. Bei stark asymmetrischer Belastung eines Tunnelquerschnittes, daher bei einer sehr ungleichmäßigen Verteilung der Verformungen um den Umfang, hat die Praxis gelehrt, Ankerlänge und Ankerdichte über den Tunnelumfang zu variieren. Der potenzielle Scherbruch nach Rabcewicz wird dabei gezielt verhindert. Dort wo der Scherbruch unter kleinem Winkel die Tunnellaibung trifft, werden kurze Anker mit hoher Ankerdichte versetzt. Diese werden im Sinne einer Bruchbewehrung nur auf Abscheren beansprucht. In der Mitte des Bruchkeiles liegen die langen Anker mit geringer Ankerdichte, die ins unzerstörte Gebirge reichen und ausschließlich auf Zug beansprucht werden. Die Erhöhung der Ankerdichte ist ab einem gewissen Grenzwert nicht mehr sinnvoll. Die Gewölbewirkung zwischen den einzelnen Ankern nimmt nicht mehr wesentlich zu, gleichzeitig wird aber die Ausnützung der Anker geringer. Bei einer Verlängerung der Anker hingegen wird der Tragring vergrößert, da mehr Gebirge zum Mittragen herangezogen wird. Der Ausbauwiderstand steigt somit noch wesentlich an. Bei der Anordnung der Anker ist darauf zu achten, dass sie nicht parallel zu Schichtflächen verlaufen. Die Anker sind möglichst im Winkel von 45 bis 90°, aber keinesfalls unter 30° zur Schichtung zu setzen.
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Abbildung 5-37: Systemankerung: Anordnung der Anker möglichst senkrecht zu Schichten und Klüften [Maidl,1984].
Vorteile und Nachteile des Einsatzes von Ankern Vorteile:
Anpassung der gewünschten Nachgiebigkeit Flexibles Einbringen zusätzlicher Anker Kontrolle der Ankerkraft Bedingte Möglichkeit des Nachspannens der Anker Gute Anpassungsfähigkeit an wechselnde Gebirgsverhältnisse Schrägstellung von 60° bis 30° nach Einfallen des Gebirges Kombination von Ankern mit und ohne Vorspannung Gute Kombination mit anderen Sicherungsmitteln Verwendbarkeit zur Sicherung des Ortsbrustbereiches Keine Notwendigkeit einer zusätzlichen Einrichtung für das Bohren (z.B. Einsatz von Geräten für das Bohren von Sprenglöchern) Nachteile:
Keine volle Wirkung parallel zu den Schichtflächen Ankerfähigkeit des Gebirges (nicht alle Gebirgsarten sind ankerfähig) Hoher Material- und Zeitaufwand bei Systemankerung Notwendigkeit zusätzlicher (Bohr-)Einrichtung (Bohr-)Einrichtung bei maschinellen Vortrieben Beschränkung der Bohrlänge durch enge Platzverhältnisse Beschränkung der Ankerlänge von 6 m im Regelfall
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Tragverhalten von Ankern Die Tragkraft eines Ankers setzt sich aus der Tragfähigkeit des Ankerstabes, des Ankerkopfes und der Übertragung der Ankerkraft in das Gebirge zusammen.
Ankerstab, Ankerlitzen: Die Tragkraft des Ankerstabes wird durch seine Bruchlast ermittelt. Die Bruchlast ist die Betriebslast multipliziert mit dem Sicherheitsfaktor, der in der Größenordnung von 1,5 bis 2,0 liegt. Normalerweise werden schlaffe Anker aus Baustahl und vorgespannte Anker aus Spezialstahl hergestellt. Bei großen Ankerlängen kommen auch Litzen oder Seilanker zum Einsatz.
Ankerkopf, Ankerplatte: Für die Ankerplatte gibt es verschiedene Ausführungsmöglichkeiten. Die Ankerplatte sollte die Kräfte möglichst senkrecht zum Ankerstab übertragen. Abbildung 5-38 zeigt Ankerplatten mit unterschiedlicher Geometrie. Um die Kräfte besser senkrecht übertragen zu können, werden die Ankerplatten oftmals gekröpft oder mit Langloch hergestellt.
Abbildung 5-38: Beispiele für Ankerplatten [Maidl,1984].
Übertragung der Ankerkraft in das Gebirge: Es wird prinzipiell zwischen vorgespannten Ankern und schlaffen Ankern unterschieden. Schlaffe Anker wirken wie Dübel vollflächig, besonders auf Abscheren. Vorerst schlaffe Anker werden durch Gebirgsbewegungen gespannt.
Abbildung 5-39: Freispielanker. Einbauprinzip und Schema des Kraftlinienverlaufes [Maidl,1984]: a) Krafteinleitung in das Gebirge über Expansionseinrichtung (Spreizanker) b) Krafteinleitung in das Gebirge über Haftstrecke (Beton- und Klebeanker)
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Die (Vor-)Spannkraft bei vorgespannten Ankern kann entweder von außen oder auch natürlich durch die Differenz der Bewegung von Ausbruchlaibung und Verankerungsstrecke im Gebirge hervorgerufen werden. Die Vorspannkraft wird von außen mittels Drehmomentenschlüssel, Spannpressen oder Schlagschrauber aufgebracht und überprüft. Die Vorspannung darf natürlich erst nach der Erhärtung des Mörtels in der Verpressstrecke erfolgen. Vorgespannte Anker können als Freispielanker, d.h. dauernd nachspannbar und prüfbar ausgeführt werden, oder als blockierte Anker. Der Korrosionsschutz spielt bei Freispielankern eine wichtige Rolle. Beim Einbau ist daher auf den Korrosionsschutz zu achten. Abbildung 5-39 zeigt zwei verschiedene Arten der Kraftübertragung von Freispielankern in das umgebende Gebirge.
Blockierte Anker werden verwendet, wenn keine weiteren Gebirgsbewegungen mehr zu erwarten sind. Dabei wird das Ankerbohrloch nach Einbau des Ankers auf der gesamten Länge mit Mörtel verfüllt. Ankertypen Tabelle 5-1: Ankertypen [SIA Zürich, 2004] Bezeichnung
Verpressanker
Einbettung des Zugglieds
Spreizanker
Mörtelanker, Verpressanker
Freispiel
Selbstbohranker Reibrohranker Vollverbund
Werkstoff
Stahl/GFK
Stahl
Stahl/GFK
Stahl/GFK
Stahl
Form
Stab, Litze
Stab
Stab, Litze
Stab
Stab
Kunstharz/ Zementmörtel
Mechanisch (Spreizhülse)
Kunstharz/ Zementmörtel
Kunstharz/ Zementmörtel
Mechanisch (Haftreibung)
ja
ja/nein
Art des Verbundes Nutzungsdauer Ankerplatte
kurz oder lang ja
ja
ja/nein
Haftanker:
Füllmörtelanker (SN-Anker): In das Bohrloch wird mittels eines Schlauches Zementmörtel eingebracht. Die Schläuche müssen im Bohrlochtiefsten angesetzt und während des Mörtelfüllens zurückgezogen werden. Bevor der Zementmörtel erhärtet, wird der Ankerstab eingeschoben. Der SN-Anker wird meist schlaff ausgeführt. Das Aufbringen einer Vorspannung ist erst nach vollständiger Erhärtung des Mörtels möglich, daher wird schnell härtender Mörtel eingesetzt. Die Ausführung von SN-Ankern über Kopf wird durch das Auslaufen des Mörtels erschwert.
Abbildung 5-40: Setzen eines Füllmörtelankers (SN-Anker) [Maidl,1984].
Einschubmörtelanker (Perfo-Anker): Der Mörtel wird in zwei perforierte Blechhalbschalen gefüllt, die anschließend zusammengeklappt in das Bohrloch eingeführt werden. Durch das Einschlagen des Ankerstabes quillt der Mörtel durch die Perforation in den Ringraum zwischen Blechrohr und Gebirge und stellt somit einen Haftverbund zwischen Gebirge und Anker her. Der Vorteil des Perfo-Ankers ist, dass er auch gut über Kopf eingebaut werden kann, da ein steifer
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein Mörtel verwendet wird, der nicht zum Auslaufen neigt. Der Nachteil dieses Ankertyps ist der erhöhte Arbeitsaufwand und der daraus resultierende hohe Preis.
Abbildung 5-41: Einbau eines Perfo-Ankers [Maidl,1984].
Ramm-Injektionsanker: Diese Anker kommen in nicht mehr bohrbarem Gebirge, wie Hangschutt, Moränen bzw. rolligem injizierbaren Lockergestein, zum Einsatz. Der vergrößerte Rammkopf schafft einen Ringraum, der während des Rammvorganges mit Zementmörtel verpresst wird. Der Mörtel wird entweder durch ein oder mehrere Injektionsschläuche an die Spitze des Ankers gebracht,oder durch die Ankerstange, welche in diesem Fall aus einem starkwandigen Stahlrohr mit Öffnungen in entsprechenden Abständen besteht.
Abbildung 5-42: Ramm-Injektionsanker; a) Profilierte Stahlstange mit Rammkopf und Injektionschlauch, b) Spitzes Stahlrohr mit Injektionsöffnungen [Maidl,1984].
Kunstharzanker: Eine Patrone mit zwei Komponenten, der Grundmasse und der Härter werden in das Bohrloch eingeführt. Durch einschlagen oder eindrehen des Ankerstabes wird die Patrone zerstört und die beiden Komponenten vermischen sich. Dadurch wird der Aushärtungsprozess gestartet. Spreizanker: Spreizanker werden nur zur vorübergehenden Sicherung eingesetzt. Spreizanker sind immer als Vorspannanker zu verwenden. Man unterscheidet zwischen den folgenden Typen.
Schlitzkeilanker: In einem achsparallelen Schlitz am Ankerstangenende steckt ein Keil, der am Bohrlochtiefsten aufsitzt. Durch Schläge auf den Ankerkopf wird der Keil in den Schlitz getrieben, dieser weitet sich dementsprechend auf und verspannt so die Ankerstange gegen das Gebirge.
Gleitkeilanker: Am Ankerstangenende ist ein ringförmiger Keil am Stab befestigt. Auf diesem ist
ein ebenfalls ringförmiger Konus aufgebracht. Beim Ziehen des Ankerstabs verkeilt sich der Anker mit dem Konus, der dabei durch den Keil auseinandergedrückt wird und sich so gegen das Gebirge verspannt.
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Spreizhülsenanker: Am Ankerende befindet sich ein Gewinde, auf dem ein konusförmiges Stück aufgeschraubt ist. Durch Drehen der Ankerstange wird der Konus weiter auf das Gewinde gedreht. Der Konus spreizt sich in der Folge auseinander und verspannt sich so gegen die Bohrlochwandung.
Doppelkeilanker: Am Ankerende sitzen zwei Keile, von denen einer über einen Haken am Ende der Ankerstange festgehalten wird. Der zweite Keil wird durch Drehen der Ankerstange entlang dieser bewegt, wobei er den ersten gegen das Gebirge verspannt.
Abbildung 5-43: Von links nach rechts: Schlitzkeilanker, Spreizhülsenanker, Doppelkeilanker [Maidl, 1984].
Reibungsanker:
Swellex-Anker: Ein gefaltetes Stahlrohr wird in das Bohrloch eingebracht. Dort wird es mittels Hochdruckwasserpumpe aufgefaltet. Das Rohr passt sich dem Bohrloch an und überträgt die Ankerkraft über Reibung an das umliegende Gebirge. Ein Vorteil des Swellex- Ankers ist die sofortige Tragwirkung nach dem Auffalten.
Abbildung 5-44: Funktionsprinzip Swellex- Anker [Diadatenbank Institut für Geotechnik und Tunnelbau UIBK, 2009].
Selbstbohrende Anker:
Selbstbohrende Anker dienen gleichzeitig zum Herstellen des Bohrloches und sind daher mit
einer Bohrkrone versehen. Nachdem der Anker im Bohrloch bleibt, wird die Bohrkrone auch als verlorene Bohrkrone bezeichnet. Nach dem Bohrvorgang wird das Rohr und der umgebende Baugrund mit Zementmörtel verpresst. Diese Anker werden häufig im Lockergestein eingesetzt. e ingesetzt.
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5.3.3.2. Spritzbeton (shotcrete, sprayed concrete) Im Tunnel- und Stollenbau ist Spritzbeton das wichtigste Sicherungsmittel. Die Anwendungen des Spritzbetons sind sehr flexibel. Durch zusätzliche Maßnahmen wie Stahlbögen, Anker, Spieße usw. wird in Kombination mit dem Spritzbeton ein Gebirgstragring aufgebaut. Rabcewicz beschrieb bereits 1960 die Wirkungsweise des Spritzbetons folgendermaßen: Durch das Verkleiden der Oberfläche mit Spritzbeton entsteht keine Vorspannung und daher auch kein aktiver Ausbaudruck. Das Schwinden des Betons würde sogar ein Nachgeben der Konstruktion bewirken. Hingegen verhindere eine rasch erhärtende, unmittelbar nach dem Ausbrechen aufgebrachte Spritzbetonschichte den Entspannungsvorgang gänzlich oder weitestgehend .
Laut Rabcewicz ist die wichtigste Eigenschaft des Spritzbetons die Verbundwirkung. Ein Gebirge mit geringer Festigkeit wird durch den innigen Verbund zur vergüteten Oberfläche, welche eine hohe Scher- und Biegefestigkeit aufweist, in ein standfestes Gebirge umgewandelt. Die Tangentialspannungsspitze, welche beim Öffnen des Hohlraumes in die äußerste Zone fallen würde, wird vom Spritzbeton aufgenommen. Die Randzugspannungen werden durch die Gewölbewirkung herabgesetzt und die Biegedruckspannungen werden vom allseits eingeschlossenen Gebirge aufgenommen. Die Gewölbestärke kann durch den Einsatz von vorgespannten Ankern vergrößert werden. Falls ein Auflockerungsdruck auftritt, wird dieser nicht in den Spritzbeton geleitet, sondern durch das Gebirge in den Kämpfern abgeführt. Spritzbeton wird durch maschinelles Aufspritzen im Trocken- oder Nassspritzverfahren aufgebracht und gleichzeitig verdichtet. Durch Erstarrungsbeschleuniger erreicht der Spritzbeton sehr schnell hohe Festigkeiten. Die Anforderungen an den Spritzbeton sind:
Tragverhalten: direkter Verbund mit dem Gebirge, Ausbildung eines Gebirgstragringes, Aufnahme hoher Normal- und Schubkräfte, geringe Biegemomente, ausreichende Wasserdurchlässigkeit; rechtzeitiger Ausbau verhindert größere Verformungen
Materialtechnologie: gleichmäßig verdichtet, keine Fehlstellen, garantierte Festigkeiten Verfahren und Maschinen: genaues Mischverhältnis der Zuschlagsstoffe, Einhaltung des Spritzwinkels, um den Rückprall möglichst gering zu halten; Spritzabstand, Spritzen großer und kleiner Mengen, hohe Leistung
Arbeits- und Umweltbedingungen: Düsenführer außerhalb des Gefahrenbereiches, geringe Staubbelastung
Spritzbeton wird durch folgende Komponenten beeinflusst: Betontechnologie
Art des Zementes Zementanteil in der Rezeptur Mahlfeinheit Zuschlagstoffe (Kornverteilung, Kornform) Beschleunigungszusätze Temperatur der Rohstoffe (z.B. bei Bodenvereisung Verzögerung der Festigkeit) Art der Spritzbetonaufbringung Trocken- bzw. Nassspritzverfahren Maschinentechnik Luftmenge/Druck Rückprall
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Örtliche Bedingungen Auftragsfläche (Rauhigkeit, Neigung) Entfernung Düse - Fläche Umgebungstemperatur, Luftbewegungen Innendruck (bei Arbeiten unter Druckluft) Menschliche Faktoren Akkordarbeit Schutzausrüstung Ausbildungsstand Nassspritzverfahren Beim Nassspritzverfahren wird der fertige Beton pneumatisch oder mit Pumpen zur Spritzdüse transportiert. Es wird zwischen einer Dünnstrom- und einer Dichtstromförderung unterschieden. Bei der Dünnstromförderung erfolgt die Förderung pneumatisch. Die Ausgangsmischung wird in einem Luftstrom schwebend durch die Leitung transportiert. Bei der Dichtstromförderung wird die Ausgangsmischung mittels Pumpen zur Spritzdüse transportiert. Durch die größeren Reibungskräfte in der Schlauchleitung kann die Reichweite der Dünnstromförderung nicht erreicht werden. Vorteile des Nassspritzverfahrens:
Konstante Spritzbetonqualität Geringerer Rückprall Geringere Staubbelastung geringerer Luftmengenbedarf Hohe Spritzleistung
Abbildung 5-45: Schema Nassspritzverfahren [Vogt, 2009].
Trockenspritzverfahren Beim Trockenspritzverfahren wird das Trockengemisch aus Zement, Zuschlagstoff und gegebenenfalls Erstarrungsbeschleunigern pneumatisch zur Spritzdüse transportiert, wo das Anmachwasser hinzukommt. Das Gemisch wird mit 20 bis 30 m/s an die Einbaustelle aufgespritzt und gleichzeitig verdichtet.
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Vorteile des Trockenspritzverfahrens:
Kein Restbeton Höchste Frühfestigkeit Fast unbegrenzte Vorhaltezeit Leichtere Geräte Geringerer Aufwand bei der Reinigung des Gerätes Das Nassspritzverfahren eignet sich besonders bei großen Spritzbetonmengen. Das Trockenspritzverfahren kommt bei geringen Spritzbetonmengen, z.B. bei kleinen Querschnitten, zum Einsatz.
Spritztechnik Die Auftragung des Spritzbetons über den Querschnitt erfolgt immer von unten nach oben. Über den gesamten Querschnitt entsteht so ein gleichmäßiges und dichtes Gefüge. Bei standfestem Gebirge wird meist nur eine 3 bis 5 cm dicke Oberflächenversiegelung aus Spritzbeton aufgebracht, während im druckhaften Gebirge die Spritzbetonschicht bis zu 20 cm erreichen kann.
Abbildung 5-46: Spritzbetonaufbringung.
Abbildung 5-47: Rückprall abhängig von der Neigung der Spritzdüse gegen die Wand [Vogt, 2009].
Abbildung 5-48: Rückprall abhängig von der Neigung der Spritzdüse gegen die Horizontale [Vogt, 2009].
Bei Aufbringung des Spritzbetons entsteht ein Rückprall des Mischgutes. Die Menge des Rückpralls hängt von mehreren Faktoren ab. Der Winkel der Düse zur zu bespritzenden Fläche sollte möglichst senkrecht sein und der Abstand sollte dabei in etwa 1,5 m betragen. Bei einem geringeren Düsenabstand kann es zu Gefügeauflockerungen infolge des hohen Druckes kommen und wird der
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Abstand zu groß gewählt, ist die Haftung des Spritzbetons nicht mehr gewährleistet. Darüber hinaus erhöht sich in beiden Fällen der Rückprall. Der Einsatz von Spritzmanipulatoren eignet sich besonders bei großen Querschnitten. Die Spritzleistung Spritzleistung dieser Geräte ist hoch und daher verkürzt sich die Zeit für die Spritzabläufe. Die Düsenführung kann optimal gesteuert werden und somit erhöht sich die Sicherheit für Mensch und Gerätschaft.
Frühfestigkeitsklassen von Spritzbeton Für Spritzbeton gelten nachfolgende Frühfestigkeitsklassen zur Entwicklung der Festigkeit innerhalb der ersten 24 Stunden. Sie gelten sowohl für Nass- als auch für Trockenspritzbeton. Hinsichtlich der Anforderungen an die Festigkeitsentwicklung wird der junge Spritzbeton in die drei Festigkeitsklassen J1, J2 und J3 eingeteilt, welche aufgrund langjähriger Erfahrungen gemäß der Richtlinie Spritzbeton des Österreichischen Betonvereins festgelegt wurden. Eine entsprechende Festigkeitsentwicklung in den ersten Minuten ist Voraussetzung für den Auftrag über Kopf (Festigkeit nach zwei Minuten 0,1 bis 0,2 N/mm2). Die Festigkeitsentwicklung in den ersten Minuten hat einen großen Einfluss auf die Staubentwicklung und den Rückprall, weil bei einer zu raschen Festigkeitsentwicklung der Spritzbeton unmittelbar nach dem Auftreffen an der Wand erhärtet und sich die Grobanteile des nachfolgenden Spritzbetons schlecht einbetten können. Deshalb ist es zur Verringerung der Staub- und Rückprallentwicklung günstig, wenn der Messwert nach zwei Minuten bei normalen Verhältnissen für den Spritzbetonauftrag Spritzbetonauftrag 0,2 N/mm2 nicht übersteigt. Bei starkem Wasserandrang ungünstigem Untergrund eine und höhere Festigkeit nach den ersten Minuten erforderlich, dabei istoder kurzfristig mit einem höherenist StaubRückprallanfall zu rechnen.
Abbildung 5-49: Frühfestigkeitsklassen von Spritzbeton [ÖVBB-Richtlinie Spritzbeton, 2004].
Spritzbeton der Klasse J1 eignet sich für den Auftrag von dünnen Lagen auf trockenem Untergrund ohne besondere statische Anforderungen und hat den Vorteil von wenig Staubentwicklung und Rückprall. Die Anforderung der Klasse J2 ist gegeben, wenn Spritzbeton in dicken Lagen (auch über Kopf) mit hoher Leistung aufgetragen werden soll; weiters bei leichtem Wasserandrang und bei Beanspruchung durch unmittelbar nachfolgende Arbeitsvorgänge (z.B. Bohren von Ankerlöchern, Eintreiben von Dielen, Erschütterungen Sprengschlag). Die Anforderung J2 ist auch gegeben bei rasch auftretenden Einwirkungendurch aus Gebirgsdruck, Erddruck oder nachdrängenden Lasten. Die Festlegung des Bereichs richtet sich nach dem Auslastungsgrad des jungen Spritzbetons. Untersuchungen zeigen, dass bei einem Auslastungsgrad bis 40% für den jungen Spritzbeton ein lineares Kriechverhalten, bei
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einem Auslastungsgrad über 80% ein stark progressives Kriechverhalten mit Gefügestörungen zu erwarten ist. Spritzbeton der Klasse J3 sollte wegen erhöhter Staubentwicklung und vermehrtem Rückprall nur bei echtem Bedarf vorgeschrieben werden (z.B. bei großem Wasserandrang).
Faserspritzbeton Spritzbeton weist eine sehr gute Druckfestigkeit auf, seine Zug- und Biegezugfestigkeit ist jedoch sehr gering. Durch den Einbau von Bewehrungsmatten wird die geringe Zug- und Biegezugfestigkeit verbessert, was jedoch Zeit kostet. Daher wird versucht mit Stahlfaserbeton oder auch mittels Beton mit Kunststoff-, Glas-, oder Kohlenstofffasern die Zug- und Biegezugfestigkeit des Spritzbetons zu verbessern. Die Faserlängen variieren je nach System des Spritzgerätes (Düsenverstopfung) zwischen 1 und 5 cm. Das Arbeitsvermögen ist bei Faserspritzbeton wesentlich größer. Aufgrund dessen kann die Dicke des Spritzbetons deutlich reduziert werden. Der Einsatz von Faserspritzbeton bringt einen zeitlichen und arbeitstechnischen Gewinn.
Abbildung 5-50: Stahlfaserbeton [www.holcim.com, 2009].
5.3.3.3. Tunnelbögen Tunnelbögen dienen nach dem Ausbruch zur sofortigen wirksamen Abstützung des Gebirges und zum Schutz des Arbeitsraumes. Sie kommen daher bei nachbrüchigem, nicht standfestem, druckhaftem Gebirge zum Einsatz. Die Tragwirkung der Tunnelbögen beruht auf der Bogenwirkung. Sie müssen eine hohe Normalkraftaufnahmefähigkeit und Biegetragfähigkeit aufweisen. Der Verbund zwischen Stahlbogen und Spritzbetonschale muss ebenfalls gewährleistet sein. Bei der Profilwahl ist daher auf eine gute Einspritzbarkeit hinsichtlich des Spritzschattens und des Rückpralls zu achten. Die unterschiedlichen Profilformen sind in Abbildung 5-51 dargestellt.
Abbildung 5-51: Profilformen Tunnelbögen [Girmscheid,2008].
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Die Bögen werden meist in mehreren Teilen auf die Baustelle transportiert und dort gestoßen. Die Stoßverbindungen können je nach Anforderung starr oder nachgiebig ausgeführt werden. Bei besonders druckhaftem Gebirge werden die Stoßverbindungen nachgiebig ausgeführt, um dem Gebirge die Möglichkeit zu geben sich zu verformen. Die Tunnelbögen werden senkrecht zur Vortriebsrichtung aufgestellt. Sie erreichen sofort ihre vollständige Tragfähigkeit. Erfolgt der Ausbruch des Tunnels in Teilquerschnitten (Kalotte, Strosse, Sohle), werden die Kalottenbögen auf temporäre Auflager im Bereich der Kalottensohle gestellt. Diese Fußauflager können erforderlich werden, damit die Kräfte aus dem Tunnelbogen ohne Gefahr eines Grundbruchs in die Sohle eingeleitet werden. Abbildung 5-52 zeigt Beispiele für Fußauflager.
Abbildung 5-52: Beispiele von Fußauflagern für Tunnelbögen [Maidl,1984].
Durch sofortiges Einbetten der Stahlbögen mittels Spritzbeton kommt es zu einem guten Gebirgskontakt. Die wandartige Tragwirkung und der Kontakt zum Gebirge bilden eine zusammenhängende Verbundwirkung.
5.3.4. Voraussicherungsmaßnahmen
5.3.4.1. Spieße und Pfändbleche/Dielen Die einfachste Möglichkeit, das Gebirge voraus zu sichern, bildet der Einsatz von Spießen und Pfändblechen. In nichtbindigem Lockergestein eignen sich Pfändbleche/Dielen besonders gut, da sie eine flächenhafte Sicherung darstellen. Dies verhindert das Auflockern des Gebirges vor dem Einbau der Spritzbetonsicherung. Der Einbau von Pfändblechen erfolgt mittels Pressluft- oder Hydraulikhämmern. Die Pfändbleche werden dabei 2 bis 4 m tief, entweder mit einem geringen Abstand zueinander oder überlappend, ins Gebirge eingeschlagen. Aus herstellungstechnischen Gründen werden die Pfändbleche mit einer Neigung von etwa 10° bis 15° zur Tunnelachse eingebaut.
Abbildung 5-53: Beispiel für Querschnitte von Pfändblechen/Dielen [Maidl,1984].
Die Voraussicherung mit Spießen kommt in zerklüftetem Gebirge, wie zum Beispiel bei mit Harnischflächen durchzogenen Tonen und Schluffen, zum Einsatz. Die Spieße führen zu einer
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Verdübelung des Gebirges und somit kann sich ein vorauseilender Tragring ausbilden. Spieße sind Rohre mit geringem Durchmesser und werden hauptsächlich auf Abscheren beansprucht. Der Einbau erfolgt entweder bohrend oder rammend. Die Länge eines Spießes beträgt zwischen 3 und 5 m. Der Abstand zwischen den einzelnen Spießen variiert je nach den geologischen Verhältnissen üblicherweise zwischen 30 und 50 cm. Wie bei den Pfändblechen werden die Spieße mit einer Neigung zwischen 10° und 15° zur Tunnelachse eingebaut.
Abbildung 5-54: Einbau von Spießen [www.dywidag-systems.at, 2009].
In rolligem Gebirge kann noch ein zusätzliches Verpressen der Spieße erforderlich werden. Dabei wird Injektionsgut in die Spieße gepresst, welches durch Perforationen der Spieße in das umgebende Gebirge eindringt und somit einen Injektionskörper erzeugt.
Abbildung 5-55: Beispiel für Anordnung der Spieße im Abbildung 5-56: Anordnung der Spieße im Querschnitt [Schikora, 2003]. Längenschnitt [Schikora, 2003].
5.3.4.2. Rohrschirm Der Tunnel wird im Schutz einer, aus einer Vielzahl von Rohren gebildeten, temporären Sicherung hergestellt. Diese Sicherung wird als Rohrschirm bezeichnet. Die Rohre werden von der Ortsbrust in Längsrichtung des zu errichteten Tunnels vorgetrieben. Rohrschirme kommen bei kohäsionslosem und verwittertem Gebirge mit kurzer Standzeit oder zur Setzungsminimierung im Lockergestein zum Einsatz. Mittels Injektionen kann ein geschlossenes Schirmgewölbe hergestellt werden. Gegenüber Spießschirmen haben Rohrschirme den Vorteil der wesentlich größeren Trägheitsmomente. Ein weiterer Vorteil des Rohrschirmverfahrens ist die größere Einbaulänge - 15 m). verhindert Der Rohrschirm weniger oft nachgesetzt werden. weit vorauseilende(12 Rohrschirm Gebirgs-muss bzw.somit Bodenentspannungen, welche durch denDer Vortrieb entstehen können, schon weit vor der Ortsbrust.
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Abbildung 5-57: Beispiel für die Anordnung eines Rohrschirmes im Querschnitt [Züblin, 2009].
Die Haupttragwirkung des Rohrschirmes ist in Gewölberichtung. Durch eine Membrantragwirkung können Normalkräfte übertragen werden und ein versteifter Tragring entsteht. In Längsrichtung weisen die einzelnen Rohre eine Tragwirkung eines elastisch eingespannten, biegesteifen Rohres auf. Querkräfte und Momente können so übertragen werden. Um die Beulsicherheit der Rohre zu erhöhen werden diese mit Beton verpresst. Die Rohrlängen betragen üblicherweise 12 bis 15 m. Theoretisch wären bis zu 30 m möglich, allerdings wird der Aufwand für das Bohren zu groß und außerdem entsteht ein großes Überprofil (Sägezahnprofil), das wieder verfüllt werden muss. Aus wirtschaftlichen Gründen werden daher kürzere Rohrlängen gewählt. Die Rohrübergreifung in Längsrichtung beträgt zwischen 2 und 4 m. Sie ist von der Tragfähigkeit des Gebirges abhängig. Der Außenrohrdurchmesser beträgt in der Regel zwischen 140 und 200 mm und ist von dem Ausbruchsdurchmesser des Tunnels abhängig. Die Rohrwandstärke beträgt zwischen 8 und 25 mm, die Neigung der Bohrungen zur Tunnelachse rund 4° bis 5° und der Rohrabstand am Gewölbeumfang üblicherweise 40 bis 60 cm. Abbildung 5-57zeigt ein Beispiel für die Anordnung der Rohre im Querschnitt. Eine Überlappung der Rohrschirme ist aus statischen und aus sicherheitstechnischen Gründen notwendig. Ein Nachteil bei der Herstellung überlappender Rohrschirme ist die Erfordernis eines sogenannten Sägezahnprofils (analog zum Injektionsschirm vgl. Abbildung 5-60) beim Ausbruch. Durch das Sägezahnprofil kommt es zu einem Mehrausbruch an Material. Der Querschnitt weitet sich immer mehr auf und springt beim nächsten Rohrschirm wieder ins Innere. Die so entstehenden Zwickel müssen mit Spritzbeton verfüllt werden, damit eine gleichmäßig dicke Innenschale eingebaut werden kann.
5.3.4.3. DSV-Schirm Das Düsenstrahlverfahren (DSV), auch Jet Grouting bzw. früher in Österreich Hochdruckbodenvermörtelung (HDBV) oder in Deutschland Hochdruckinjektion (HDI) genannt, kommt im Tunnelbau zur Sicherung der Firste zum Einsatz, wenn die Standzeit des Gebirges sehr kurz ist. Der DSV-Schirm entweder von der Oberfläche aus,werden insbesondere bei seicht 5-58). liegenden Tunneln, oder von derkann Ortsbrust aus vorauseilend hergestellt (vgl. Abbildung Die Tragwirkung des DSV-Schirmes ist vergleichbar mit der eines Rohrschirmes (Verfahrensbeschreibung im Detail siehe Vorlesung Grundbau und Bodenmechanik).
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Abbildung 5-58: DSV- Säulen als Firstsicherung [Wiener Linien, 2000].
Zur Herstellung des DSV-Schirmes werden Bohrlängen bis ca. 25 m in Tunnellängsrichtung erreicht. Die Bohrlänge hängt jedoch gewünschten Bohrgenauigkeit ab, ca. da 1-2% mit der Länge die Abweichungen zunehmen. Esstark kannvon beimderBohren von einer Abweichung von ausgegangen werden. Geringere Abweichungen erfordern einen höheren Aufwand. Genauere Bohrungen können zum Beispiel durch steifere Bohrwerkzeuge und mit einem erhöhten Vermessungsaufwand erreicht werden. In der Regel betragen die Durchmesser der einzelnen DSV-Säulen zwischen 50 und 100 cm, in Abhängigkeit vom gewählten Verfahren und vom anstehenden Boden. Die Herstellung von horizontalen Düsenstrahlschirmen oder nach oben verlaufenden ist äußerst schwierig, da zur Vermeidung von Hebungen die Suspension jederzeit kontrolliert aus dem Bohrloch abfließen können soll, aber keinesfalls zu viel Suspension aus dem Bohrloch ausfließen darf. Um diese gegensätzliche Bedingung erfüllen zu können, müssen insbesondere in nichtbindigen Böden Zusatzmaßnahmen (Packer etc.) ergriffen werden.
Abbildung 5-59:Tunnelquer- und Längenschnitt mit DSV-Säulen [Wiener Linien, 2008].
5.3.4.4. Injektionsschirm Eine weitere Möglichkeit zur Stabilisierung der Ortsbrust stellen Injektionen dar. Dabei werden die Poren im Boden mit Injektionsgut verpresst und nicht wie bei dem Düsenstrahlverfahren geschnitten (Verfahrensbeschreibung im Detail siehe Vorlesung Grundbau und Bodenmechanik). Durch die
Verfüllung der Poren im Boden wird die Tragfähigkeit erhöht und die Durchlässigkeit geringer. Eine Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Dietmar ADAM
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Verringerung der Durchlässigkeit kann z.B. einen Druckluftvortrieb ermöglichen. Um die Ortsbrust zu sichern, werden die Injektionen, wie auch beim Düsenstrahlverfahren, von der Oberfläche aus oder von der Ortsbrust aus eingebracht. Die Länge der vorauseilenden Sicherung von der Ortsbrust aus beträgt ungefähr 10 bis 15 m und wird durch die Bohrungenauigkeit beschränkt. Ein Nachteil bei der Herstellung eines Injektionsschirmes ist analog zum Düsenstrahlverfahren die Erfordernis eines sogenannten Sägezahnprofils (siehe Abbildung 5-60) beim Ausbruch.
Abbildung 5-60: Längenschnitt eines Injektionsschirmes [Schikora, 2003].
Der erforderliche Abstand zwischen den Bohrungen für die Einbringung des Injektionsgutes und die erzielbare Festigkeitserhöhung ist abhängig vom Injektionsgut und vom Baugrund. Abbildung 5-61 zeigt verschiedene Injektionsmittel und ihre Einsatzbereiche.
Abbildung 5-61: Injektionsmittel und deren Einsatzgebiete [Vogt, 2009].
5.3.4.5. Bodenvereisung Die Bodenvereisung ist eine weitere vorauseilende Sicherungsmethode, die im Lockergesteinstunnelbau zum Einsatz kommt. Durch einen temporären Vereisungsschirm kann vorübergehend die Tragfähigkeit des Bodens erhöht werden und die Durchlässigkeit des Bodens wird temporär Diese Sicherungsmethode kann undkann soll daher auch im Grundwasser angewendet werden. reduziert. Die Herstellung des Vereisungsschirmes entweder durch Bohrungen von der Geländeoberfläche, von der Ortsbrust oder von einem Pilotstollen aus erfolgen.
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Abbildung 5-62: Gewölbevereisung. Vorstollen mit Quergefrierung [Maidl,1984].
Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Abbildung 5-63: Herstellung der Gefrierwände von der Oberfläche aus [Maidl, 1984].
Der Abstand der Gefrierrohre und ihre Lagegenauigkeit beeinflussen die Größe des Vereisungskörpers. Wenn ein durchgängiger, dichter Schirm erforderlich ist, muss besonders auf die Lagegenauigkeit der Bohrungen geachtet werden. Der Boden muss auch bestimmte Voraussetzungen erfüllen, damit sich ein Gefrierkörper ausbilden kann. Es muss ausreichend Porenwasser vorhanden sein und die Strömungsgeschwindigkeit des Grundwassers muss gering sein. Untersuchungen des Einflusses einer Grundwasserströmung auf den Gefrierprozess haben gezeigt, dass für größere Filtergeschwindigkeiten das Frostkörperwachstum an kritischen Stellen zum Erliegen kommt, sodass kein vollständiger Frostkörperschutz erzielt werden kann. Die tatsächliche Grundwassersituation ist daher schon in der Planungsphase zu berücksichtigen. Abbildung 5-64 zeigt den Frostkörperfortschritt nach 20 Tagen. Für den nicht durchströmten Fall ist zu diesem Zeitpunkt der gesamte Gefriervorgang beendet. Erwartungsgemäß hat sich die angeströmte Seite unabhängig von der Fließgeschwindigkeit als gefrierzeitbestimmend herausgestellt. Ab einer kritischen Fließgeschwindigkeit des Grundwassers geht die Gefrierzeit gegen unendlich und der Frostkörper schließt sich nicht.
Abbildung 5-64: Frostkörperfortschritt nach 20 Tagen bei unterschiedlichen Grundwasserfließgeschwindigkeiten [Ziegler, 2009].
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Um eine Vergleichmäßigung des Frostfortschritts in den durch die Strömung unterschiedlich beanspruchten Bereichen zu erreichen, können zum Beispiel zusätzliche Gefrierrohre angeordnet werden. Die zusätzlichen Rohre führen zu einer Vorkühlung des Grundwassers und es bildet sich ein keilförmiger Frostkörper aus, der zu einer Ablenkung des Grundwassers führt (vgl. Abbildung 5-65).
Abbildung 5-65: Gefrierphasen am modifizierten System mit zusätzlichen Gefrierrohren im Zustrom für f =0,75 m/d [Ziegler, 2009].
Durch die Anordnung von zusätzlichen Gefrierrohren kommt es zu einer beachtlichen Gefrierzeitverkürzung. Es entsteht ein gleichmäßiger Fristfortschritt über den kompletten Umfang. Ein Beispiel für einen Vortrieb mit Bodenvereisung ist die U2-Station Schottenring, die unter dem Donaukanal verläuft. In den Bohrungen, die parallel zur Tunnelachse hergestellt wurden, wurden Vereisungsrohre verlegt. Die bis zu 40 m langen Bohrungen wurden aus Schächten auf beiden Seiten des Donaukanals hergestellt. In der Mitte war ein Übergriff der beiden Vereisungsschirme von 5 m vorgesehen. Um die genaue Lage der langen Bohrungen zu ermitteln, wurden diese laufend räumlich vermessen. Es gibt zwei verschiedene Vereisungsverfahren, die Solevereisung und die Vereisung mit flüssigem Stickstoff: Bei der Solevereisung zirkuliert eine auf ca. -35° C gekühlte Solelösung (CaCl2) in einem geschlossenen Kreislauf. Über ein Gefrieraggregat wird die Sole durch das Rohrsystem gepumpt. Bei der Stickstoffvereisung wird flüssiger Stickstoff mit -196° C in die Vereisungslanzen eingebracht. Der flüssige Stickstoff verdampft bei dieser Temperatur und gibt sofort seine Kälte an den umliegenden Boden ab. Die rund -110° C kalten (ungefährlichen) Abgase entweichen in den Boden und an die Oberfläche. Bei der Herstellung der U2-Station Schottenring kam eine kombinierte Sole- und StickstoffBaugrundvereisung zum Einsatz. Daher wurden für jedes dieser Verfahren gesondert Bohrungen hergestellt. Zu beachten ist, insbesondere beim städtischen Tunnelbau, dass es in feinkörnigem Boden infolge der Eislinsenbildung (insbesondere bei der Solevereisung durch die höheren Temperaturen) zu Hebungen an der Geländeoberfläche kommt, die nach Abtauen des Frostkörpers nur teilweise wieder zurückgehen. Der Vorteil der Bodenvereisung gegenüber Injektionen oder eines DSV-Schirmes ist, dass die Bodenvereisung keine bleibende Maßnahme ist und die hydrologischen Verhältnisse im Boden nicht
nachhaltig beeinflusst werden. Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Dietmar ADAM
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Abbildung 5-66: Bodenvereisung U2/1 – Station Schottenring
5.3.5. Tunnelausbau und Abdichtung Ausbauarten Der Ausbau eines Tunnelquerschnittes dient zur bleibenden Sicherung des aufgefahrenen Tunnels. Eine weitere gebräuchliche Bezeichnung für den Ausbau ist „Tunnelauskleidung“. Tunnel erfordern einen Ausbau, der sich je nach Standfestigkeit des Gebirges auf den Umfang des Ausbruchsprofils oder nur auf einzelne Teile beschränkt. In Sonderfällen besteht auch die Möglichkeit, keine Auskleidung einzubauen. Nichtausgebaute Tunnel aber können nur in standfestem Fels hergestellt werden. Im standfesten Gebirge kann auch der Einbau eines Gewölbes ausreichen, während Gebirge mit einer mittleren Festigkeit zusätzliche Widerlager müssen Sohlgewölbe zwischen den Widerlagern angeordnetbenötigen. werden. Im Die druckhaften Abbildung Gebirge 5-67 zeigt die verschiedenen Ausbauarten, die im Tunnelbau zur Anwendung kommen. Das hinterpackte Gewölbe wurde hauptsächlich bei den alten Bauweisen angewendet. Der ein- oder zweischalige Ausbau kommen am häufigsten zum Einsatz.
Abbildung 5-67: Ausbauarten der Tunnel; a) hinterpacktes Gewölbe mit Widerlagern, b) einschaliger Ausbau, c) zweischaliger Ausbau, d) nicht ausgebaut [Striegler, 1993].
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Tabelle 5-2: Tunnelauskleidungssysteme
Ausbausysteme
Ausbauart Spritzbetonauskleidung
Einschalige Systeme Tübbingauskleidung Außen: Spritzbetonauskleidung Innen: Ortbetonauskleidung Zweischalige Systeme Außen: Tübbingauskleidung Innen: Ortbetonauskleidung
Funktionen Anker, Spritzbeton und Stahlausbau übernehmen die Tragfunktion Tübbingauskleidung übernimmt Tragfunktion Anker, Spritzbeton und Stahlausbau übernehmen temporär die Tragfunktion, die Innenschale übernimmt die endgültige Tragfunktion Tübbingauskleidung übernimmt die Tragfunktion, die Innenschale erhöht die Sicherheit
Abdichtungen Die Aufgabe einer Tunnelabdichtung ist, das Eindringen des Bergwassers in den Tunnel zu verhindern. Folgende verschiedene Anforderungen an die Abdichtung sowie unterschiedliche Randbedingungen beeinflussen den Abdichtungsaufwand:
Trockenhalten des Tunnels (auch geringfügige Nässe schränkt die Nutzung ein) Schutz der Auskleidung vor Beschädigungen infolge Wasserwirkung Verhinderung von Frostbildung zufolge Wasserzutritten (der Betrieb könnte dadurch gefährdet werden)
Der Bergwasserhaushalt ist so gering wie möglich zu stören, um z.B. die Quellnutzung im Einzugsgebiet zu sichern.
Verhinderung des Wasserzutrittes, um Kosten für die Ableitung und Behandlung zu minimieren. Abdichtungssysteme:
Drucklose Abdichtung („Regenschirm-Abdichtung“) Die drucklose Abdichtung wird verwendet, um Wassereintritte im Nutzraum zu vermeiden. Im alpinen Raum ist die drucklose Abdichtung die gebräulichste Methode zur Abdichtung von Verkehrstunnelbauten. Es handelt sich dabei um ein zweilagiges Abdichtungssystem, bestehend aus einem Geotextil zur Ableitung von Bergwässern und einer Isolierfolie, die die Abdichtung gegen den Hohlraum darstellt. Die anfallenden Bergwässer werden durch die Drainagewirkung des Geotextils in die Ulmendrainage eingeleitet. Aus der Ulmendrainage werden die Bergwässer entweder direkt oder über eine Hauptdrainage in die Vorflut eingeleitet. Abbildung 5-68 zeigt die Abfolge der einzelnen Schichten eines zweilagigen Abdichtungssystems Abdichtungssystems..
Abbildung 5 68: Zweilagiges Abdichtungssystem [Schubert, 2009].
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Das Geotextil erfüllt dabei eine Doppelfunktion: auf der einen Seite dient es als Drainage und ermöglicht eine weitgehend drucklose Ableitung des Bergwassers, auf der anderen Seite bietet das Geotextil der Dichtungsbahn einen Schutz vor Beschädigungen durch die raue Oberfläche der Spritzbetonschale. Die Drainagebahn wird in der Regel mit Kunststoffrondellen mittels Nagel und Beilagscheibe an der Spritzbetonschale angebracht. An den Rondellen wird die Abdichtungsbahn mittels Heißluftschweißung befestigt. Die aufgrund Abdichtungsbahnen weisen Bahnsteifigkeit meist eine Stärke zwischen 1,5nicht und 2 mm auf. Dicken über 3 mm sind der zunehmenden im Allgemeinen zu empfehlen. Die Anzahl der Rondellen zur Befestigung der Dichtungsbahn sollte im Sohlbereich mindestens ein Stück, im Ulmenbereich mindestens zwei Stück und im Kalottenbereich mindestens drei Stück pro Quadratmeter betragen. Die Abdichtungsbahnen bestehen meist aus Polyvinylchlorid (PVC), Polyäthylen (PE) oder Äthylencopolymerisat (ECB).
Abbildung 5-69: Abdichtungsfolie [ÖBB- Infrastruktur AG, 2009].
Die einzelnen Bahnen werden an den Rändern um mindestens 5 cm überlappt, um die Dichtigkeit sicherzustellen. Die Bahnen werden anschließend mittels einer Doppelschweißnaht miteinander verbunden. Durch die Doppelschweißung ist eine Dichtigkeitskontrolle der Schweißnähte möglich. Dafür wird in den Kanal zwischen den beiden Schweißnähten Druckluft eingebracht. Entweicht diese Luft, ist die Schweißnaht fehlerhaft.
Abbildung 5-70: Detail eines Abdichtungsfußpunktes mit Längssammler, Querleitung und Tunnelhauptentwässerung [Maidl, 1984].
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Die Ulmendrainage besteht in der Regel aus geschlitzten PVC-Rohren. Das Drainagerohr wird entweder durch Drainagekies oder Filterbeton ummantelt. Aufgrund der Gefahr der Versinterung des Drainagerohrs müssen in regelmäßigen Abständen Putzschächte angeordnet werden. Der Drainagendurchmesser richtet sich nach dem prognostizierten anfallenden Bergwasser und dem Reinigungsgerät. Eine Ulmendrainage hat einen Durchmesser von mindestens 150 mm.
Druckwasserdich Druckwasserdichte te Abdichtungss Abdichtungssysteme ysteme Ist eine Ableitung der Wässer aufgrund der Erhaltung des ursprünglichen Wasserhaushaltes nicht erwünscht oder wirtschaftlich, müssen die Tunnelschalen druckwasserdicht ausgeführt werden. Bei einem zweischaligen Ausbau kann entweder eine Auskleidung mit wasserundurchlässigem Beton oder eine Rundumabdichtung mit Dichtungsfolien zur Anwendung kommen. Die Innenschale muss auf den resultierenden Wasserdruck bemessen werden. Diese Art der Abdichtung ist somit nur für oberflächennahe Tunnel geeignet, da ansonsten die auf die Innenschale wirkenden Kräfte zu groß werden. Bei der Anwendung von wasserundurchlässigem Beton (WU-Beton) sind die besonderen Anforderungen an den Beton und besonders an die Fugenabdichtung zu stellen. Rissbreitenbeschränkungen, Korrosionsgefahr der Bewehrung und eventuell Stoffe im Grundwasser, die den Beton angreifen könnten, sind bei der Bemessung der Betonstärke und der Bewehrung zu berücksichtigen. In allen Block- und Arbeitsfugen sind Bleche oder Fugenbänder einzubauen. Weiters Wei ters sind die unterschiedlichen Schwindverhalten von zu verschiedenen Zeiten betonierten Bauteilen, die miteinander verbunden werden, zu beachten. Kommen Rundumabdichtungsfolien zum Einsatz, ist darauf zu achten, dass Querabschottungen in regelmäßigen Abständen eingebaut werden. Durch diese Querabschottungen können Fehlstellen in der Abdichtung lokalisiert und nachträglich abgedichtet werden.
Abbildung 5-71: Fugenkonstruktionen zur Wasserabdichtung [Maidl, 1984].
Abbildung 5-72: Arten der Tunnelabdichtung [Striegler,1993].
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In der Abbildung 5-72 sind verschiedene Möglichkeiten der Tunnelabdichtung abgebildet. In den beiden unteren Zeichnungen ist jeweils eine Rundumabdichtung Rundumabdichtung zu erkennen.
Beherrschung des Bergwasserandrangs beim Tunnelvortrieb im Festgestein Maßnahmen zur Wasserfassung:
Punktförmige Fassungen Abschlauchen Linienförmige Fassung Halbschalendrainage Filterstreifen Filterschläuche Halbschalendrainierung Filterstreifen Filterschläuche Flächenhafte Fassung Sondermaßnahmen:
Injektionen Quellfassung Innenschale Bei den alten Bauweisen erfolgte der Ausbau vorwiegend mit Naturstein- oder Mischmauerwerk. Später wurden Ziegelklinker, Betonformsteine, Beton und Stahlbeton verwendet. Ortbetonausbau Ein großer Vorteil des Ortbetonausbaus ist, dass er sich den Unebenheiten des Ausbruchsprofiles anpasst. Dies ist für das Gewölbe und das Widerlager günstig. Zur Betonierung werden fahrbare Schalungen aus Stahl oder Leichtmetall Le ichtmetall verwendet. Die Betonierung erfolgt in Abschnitten oder kontinuierlich. Der flüssige Beton wird durch Fenster in den Schalungselementen eingebracht und mit Innenrüttlern verdichtet. Ist die Betondicke gering, können auch Außenrüttler verwendet werden. In den folgenden Bildern wird die Herstellung der Innenschale mit WU-Beton am Beispiel des Lainzer Tunnels, Baulos LT 31, Wien [ÖBB- Infrastruktur AG, 2009] gezeigt:
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5.3.6. NÖT/NATM in verschiedenen verschiedenen Anwendungsbere Anwendungsbereichen ichen
5.3.6.1. NÖT/NATM im Festgestein Festgestein mittels Sprengvortrieb In den meisten Festgesteinen ist der Sprengvortrieb einsetzbar, wenn keine allzu strengen Erschütterungsgrenzen einzuhalten sind. Der Arbeitszyklus beim Sprengvortrieb setzt sich aus Bohren, Laden, Sprengen, Lüften, Absichern, Schuttern und Stützmitteleinbau zusammen. Die wirdZeit in Borlöcher eingebracht undwodurch zur Explosion gebracht. ImDruckwellen Bohrloch entwickeln sich Sprengladung dadurch in kurzer extrem hohe Gasdrücke, sich dynamische radial im Gebirge ausbreiten. Das Gestein um das Bohrloch versagt aufgrund des hohen Druckes, dem es nicht mehr standhalten kann. Die Druckwellen reflektieren an freien Oberflächen, wodurch Zugspannungen, die das Gestein ablösen, entstehen. Das Trennflächengefüge kann die Sprengung beeinflussen, da die Druckwelle auch an den Trennflächen reflektieren kann und zusätzliche Ablösungen des Gesteins entlang der Trennflächen entstehen können.
Abschlagstiefe, Abschlagslänge Die Tiefe eines Abschlages hängt vor allem vom Ausbruchsquerschnitt und von den Gebirgseigenschaften ab. Die größte Abschlagstiefe beträgt in etwa 4 m, da größere Abschlagslängen meistens an der zu großen Verspannung des Gebirges scheitern.
Bohr- und Zündschema Im Tunnelbau werden drei Arten von Bohrlöchern und -schüssen unterschieden:
Einbruchsschüsse – Aufbrechen der Verspannung an der Ortsbrust Helferschüsse – Vergrößerung des durch den Einbruch geschaffenen Hohlraums Kranzschüsse – Erweiterung des Hohlraums auf das gewünschte Profil Um ein befriedigendes Sprengergebnis zu erzielen, ist ein auf die örtlichen Verhältnisse abgestimmtes Sprengschema erforderlich. Das Sprengschema zeigt die Aufteilung der Bohrlöcher, die Zündfolge und die Sprengmittelmenge und -art für jedes Bohrloch (siehe z.B. Abbildung 5-73).
Abbildung 5-73: Beispiel eines Zündschemas [Petri, 2005].
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Der Einbruch ist für den Sprengerfolg sehr wichtig. Er schafft zur einzig vorhandenen freien Fläche (Ortsbrust) eine zweite freie Fläche. Auf die Optimierung des Einbruches ist besonderer Wert zulegen, da ein „stehengebliebener“ Einbruch zur Folge hat, dass die Folgeschüsse meist ebenfalls nicht auswerfen. Dies führt nicht nur zu einem Zeit- und Materialverlust, sondern trägt auch noch zur Gebirgszerrüttung und zu hohen Erschütterungen bei, die unnötige Auflockerungen hervorrufen. Besonders bei den Kranzlöchern ist auf schonendes Sprengen zu achten. Die Auswirkungen der Sprengung sollen sich möglichst auf den Ausbruchsbereich beschränken, um unnötige Auflockerungen zu vermeiden. Durch die Anordnung einer künstlichen Schwächezone, in Form von in kurzen Abständen aneinandergereihten Bohrlöchern, kann eine schonende Wirkung der Sprengladung erzielt werden. Die Bohrlöcher werden nur mit einer geringen Sprengstoffmenge geladen, deren Energie zu niedrig ist, um um die Löcher zu zerstören, und das Gebirge zu lösen. Die Sprengung soll lediglich einen Trennspalt zwischen den Bohrlöchern herstellen. So kann eine maßgenaue Begrenzung ohne zusätzlichen Mehrausbruch hergestellt werden und das umliegende Gebirge wird geschont.
5.3.6.2. NÖT/NATM im druckhaften druckhaften Gebirge Druckhaftes Gebirge entsteht durch eine Kombination aus einer hohen Überlagerung (tiefliegende Tunnel), tektonischen Spannungen und ungünstigen Gesteinseigenschaften. Es stellen sich ohne Gegenmaßnahmen große langanhaltende Verformungen ein. Der Hohlraum tendiert dazu, sich wieder zu schließen. Die Spritzbetonschale kann den vom Gebirgsdruck hervorgerufenen Bewegungen nur eine gewisse Zeit entgegenwirken. Drückt das Gebirge weiter gegen die Spritzbetonschale, kann diese dem Druck nicht mehr standhalten und versagt. Um eine Schädigung der Spritzbetonschale zu vermeiden, werden sogenannte Kontraktionsschlitze in die Spritzbetonschale eingebaut. Die Schale kann sich somit entlang der vorgegebenen Schwächungszone verformen, ohne in anderen Bereichen Schaden zu nehmen. Die Kontraktionsschlitze werden nicht zugespritzt und bei besonders druckhaftem Gebirge werden zusätzliche Stauchelemente in die Kontraktionsschlitze eingebaut, um die Spannungen kontrolliert abbauen zu können. Die Stoßverbindungen der Tunnelbögen werden ebenfalls beweglich ausgeführt. Die Laschenverbindungen werden nach dem Einbau der Tunnelbögen wieder geöffnet.
Abbildung 5-74: Stauchelemente für stark druckhaftes Gebirge [www.tat-ti.ch, 2009].
5.3.6.3. NÖT/NATM unter Druckluft Druckluft Der Druckluftvortrieb ist eine Alternative zur Grundwasserabsenkung oder -entspannung. Es ist daher keine großflächige Grundwasserhaltung notwendig und Bauwerkssetzungen zufolge der Absenkung/Entspannung werden vermieden. Der aufzubringende Überdruck muss größer sein als der maximale an der Ortsbrust wirkende Wasserdruck (vgl. Abbildung 5-75). Die Druckluft wird mittels einer Kompressoranlage erzeugt. Der Personen- und Materialtransport erfolgt über Schleusen. Die Abbildung 5-77 zeigt schematisch die Baustelleneinrichtungen die für einen Vortrieb mit Druckluft notwendig sind. Zur Dimensionierung der Kompressorstation ist der Druckluftverbrauch, der sich auch aus Verlusten an der Ortsbrust, durch das Schleusen und durch die Tunnelschale ergibt, zu ermitteln. Die Verordnung über den Schutz des Lebens und der Gesundheit
der Arbeitnehmer bei Arbeiten unter Druckluft sowie bei Taucharbeiten (Druckluft- und Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Dietmar ADAM
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Taucharbeitenverordnung) regelt die sicherheitstechnischen Aspekte beim Druckluftvortrieb sowie auch die Schleusungszeiten in Abhängigkeit vom Luftüberdruck. Druckluftvortriebe mit mehr als 1,4 bar, das entspricht 14 m Wassersäule, sind in der Regel nicht mehr wirtschaftlich, da die Schleusungszeiten für das Personal stark ansteigen.
Abbildung 5-75: Prinzip Druckluftstützung [Maidl, 1984].
Schutterschleuse
Materialschleuse
Personenschleuse
Abbildung 5-76: Beispiel einer Drucklufteinrichtung [Kölner Verkehrsbetriebe AG, 2009].
Abbildung 5-77: Baustelleneinrichtung bei Vortrieb mit Druckluftstützung [Wiener Linien, 2000].
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Werden bei einem Druckluftvortrieb Bereiche mit stärker luftdurchlässigem Boden durchfahren, müssen diese vorher mittels Injektionen abgedichtet werden.
5.3.6.4. NÖT/NATM im Lockergestein Lockergestein Auch (nahezu) kohäsionslose Böden können nach den Grundsätzen der Neuen Österreichischen Tunnelbauweise durchfahren werden. Stahlbögen und Stollendielen bilden in Kombination mit einer bewehrten Spritzbetonschale ein tragfähiges Gewölbe. Dieses Außengewölbe wird auch am Ulm bis zur Betonsohle heruntergezogen und mit dieser zu einem geschlossenen Ring verbunden. Allerdings treten bei kohäsionslosem Material größere Setzungen auf, da Hohlräume über der Firste durch Materialverluste unvermeidlich sind. Da sich kein Gewölbetragring ausbilden kann, wirkt hier oft die gesamte Überlagerung als Auflast. Die Bauweise mit Stollendielen im Lockergestein ist daher im bebauten Gebiet nicht anwendbar. Damit sich rund um den Hohlraum dennoch ein Tragring ausbilden kann, muss das umliegende Gebirge z.B. mittels Injektions- oder DSV-Schirmen vergütet werden. Im Ton und Schluff werden Stahlspieße zur Firstsicherung herangezogen (vgl. Kapitel 5.3.4.1).
5.3.6.5. NÖT/NATM im innerstädtischen innerstädtischen Raum Im besiedelten Gebiet unterliegen oberflächennahe Hohlraumbauten meist strengen Verformungsbeschränkungen und es ist für größtmögliche Sicherheit zu sorgen. Die Setzungs- und Verformungsbeschränkungen sollen Schäden an Gebäuden und an der Infrastruktur vermeiden. Der Baugrund ist oft gering kohäsiv und sehr weich. Diese Randbedingungen zwingen zu einer Mehrfachunterteilung des Ausbruchsquerschnittes. Durch die Teilung des Ausbruchsquerschnittes, und damit eine des Ausbruchsvolumens, sowie durch den die sofortigen Einbau von Stützmitteln wirdBegrenzung die Entspannung des Gebirges verringert. Durch Verkleinerung der Ausbruchsquerschnitte wird die Gefahr der Ortsbrustinstabilität vermindert. Bei seicht liegenden Hohlraumbauten würde aufgrund der Ortsbrustinstabilität die Gefahr von Tagbrüchen bestehen. Ein Bespiel für die Querschnittsunterteilung ist der Ulmenstollenvortrieb. Der Ulmenstollenvortrieb wird näher im Kapitel 5.3.7.1 erläutert.
5.3.6.6. NÖT/NATM im Hochgebirge Hochgebirge Im Hochgebirge kann es insbesondere zu Frost-Taubeanspruchungen in der Tunnelstrecke kommen. Besonders die Portalbereiche sind gefährdet, da die kalte Umgebungsluft dort in den Tunnel eindringt. Das anstehende Gebirge ist daher auf das Verhalten bei Frost-Tauwechseln zu untersuchen.
5.3.7. Ausbruchsfor Ausbruchsformen, men, Quersch Querschnittsformen nittsformen und So Sonderanwendu nderanwendungen ngen der NÖT NÖT/NATM /NATM
5.3.7.1. Ausbruchsformen
Die Unterteilung des Gesamtquerschnitte Gesamtquerschnittess in einzelne Teilvortriebe hängt unter anderem auch von der Hohlraumform und -größe ab. Ein weiterer Faktor, der die Unterteilung beeinflusst, ist die Organisation des Tunnelvortriebes. So ist es zum Beispiel bei guten Gebirgsverhältnissen möglich, im Vollausbruch aufzufahren, jedoch aus Gründen des Geräteeinsatzes und der Zeiteinsparung wirtschaftlich sinnvoller im Kalotten-Strossen-Vortrieb. Eine Tunnelbaustelle ist eine Linienbaustelle und daher liegen praktisch alle Vorgänge an der Ortsbrust auf dem kritischen Weg und eine Unterteilung des Profils in mehrere Einzelvorgänge ist oftmals sinnvoller. So können zum Teil Arbeiten parallel ausgeführt werden. Im Lockermaterial ist ein Auflösen des Querschnittes aufgrund der Ortsbruststabilität und aus Gründen der Setzungsminimierung oftmals erforderlich.
Vollausbruch Beim Vollausbruch wird das gesamte Profil in einem Arbeitsgang ausgebrochen. Dieses Verfahren kommt meist nur bei Tunnelbauwerken mit Querschnittsflächen von maximal 100 m² und geeigneten Baugrundverhältnissen zur Anwendung. Dabei können mechanische Lösemethoden und
Vollschnittmaschinen zum Einsatz kommen oder der Vortrieb erfolgt mittels Sprengen. Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Dietmar ADAM
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Abbildung 5-78: Tunnelortsbrust in Vollausbruch [www.alptransit.ch, 2010].
Die Vorteile des Vollausbruchs sind, dass der Einsatz von größeren Geräten möglich ist und es zu einem raschen Ringschluss der Auskleidung kommt. Weiters kommt es nur zu einer einmaligen Spannungsumlagerung im Gebirge. Ein großer Nachteil des Vollausbruchs ist die Instabilität der Ortsbrust. Es kommt zu großen Verformungen, teilweise schon vor dem Ausbruch. Durch die langen Zykluszeiten können die Stützmittel erst sehr spät eingebaut werden. Die langen Zykluszeiten resultieren aus der großen Querschnittsfläche, da das Bohren, Laden, Schuttern und Sichern relativ lange dauert. Eine ausreichende Standzeit des Gebirges ist für die Anwendung des Vollausbruches daher eine Grundvoraussetzung. Ein weiterer Nachteil des Vollausbruches ist die geringe Anpassungsmöglichkeit bei variierenden Gebirgsverhältnissen. Dies führt häufig zum Einsatz von Zusatzmaßnahmen.
Teilausbruch der Querschnittsfläche Beim Teilausbruch wird die Ortsbrust in Teilen gelöst. Die Teilung des Querschnittes in Kalotte, Strosse, Sohle ist die gebräuchlichste Methode der Unterteilung (vgl. Abbildung 5-79). Die Kalotte wird der Strosse und Sohle vorauseilend ausgebrochen und bei Bedarf gestützt. Vorteile des Teilausbruches:
Minimierung des Aufwandes für die Ortsbruststützung Rascher Einbau der Stützmittel aufgrund der kurzen Zykluszeiten Möglichkeit des parallelen Vortriebs der Teilquerschnitte Nachteile des Teilausbruches:
Beengte Platzverhältnisse und daher keine Möglichkeit des Einsatzes von größeren Geräten Spannungsumlagerung bei jedem Teilausbruch Neuerliche Spannungsumlagerung Zeitintensiv
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Kalotte
Strosse
Sohle
Abbildung 5-79: Teilausbruch, Querschnittsunterteilung Kalotte, Strosse, Sohle [Schubert, 2009].
Ulmenstollenvortrieb (side-wall-drift) Der Ulmenstollenvortrieb kommt hauptsächlich dort zum Einsatz, wo Setzungen des Überbaues zu minimieren sind. Ein Nachteil dieser Querschnittsunterteilung ist die große Zahl an verloren gehenden Stützmitteln. Die innere Wand der Ulmenstollen wird nach Fertigstellung des Kernes entfernt. Die beschränkten Platzverhältnisse in den Ulmen und im Kern beschränken die Größe der Baugeräte. Man unterscheidet zwischen einhüftigem und zweihüftigem Ulmenstollenvortrieb.
Zweihüftiger Ulmenstollen Es werden zwei symmetrische Ulmenstollen aufgefahren, wobei der eine Stollen dem anderen vorauseilt.
Abbildung 5-80: Querschnittsunterteilung, Zweihüftiger Ulmenstollenvortrieb [ÖBB Infrastruktur Bau AG, 2008].
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Abbildung 5-81: Zweihüftiger Ulmenstollenvortrieb, Lainzertunnel LT 33.
Einhüftiger Ulmenstollen
Abbildung 5-82: Bauphase eines einhüftigen Ulmenstollens [Wiener Linien, 2000].
Zwillingsröhren
Abbildung 5-83: Auffahren eines einhüftigen Ulmenstollens [Wiener Linien, 2000].
Abbildung 5-84: Bauphasen Bauphasen bei einer Zwillingsröhre Zwillingsröhre [Brand [Brandl,2006 l,2006]. ].
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Beispiele für weitere Querschnittsunterteilungen
Wiener U-Bahn
Abbildung 5-85: 5-85: Ausbruchsfolgen Ausbruchsfolgen der der in NÖT he hergestellten rgestellten dreiröhrige dreiröhrigenn U3-Station "Westbahnhof" "Westbahnhof" [Wiener [Wiener Linien, 2000]. 2000].
Abzweigung Brenner
Abbildung 5-86: Abzweigung Brenner [Schubert, 2009].
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
5.3.7.2. Querschnittsformen
Abbildung 5-87: Querschnittsformen der Tunnel: a) Kreisprofil, b) Kreisprofil mit abgeflachter Sohle (Maulprofil), c) Hufeisenprofil, d) nordisches Profil, e) Rechteckprofil, f) Trapezprofil, g) Doppelröhrenprofil, h) Zwillingsröhren [Striegler, 1993].
Abbildung 5-88: Querschnitt zweigleisiger Streckentunnel [Schimetta, 2007].
Abbildung 5-89: Dreigleisiger Querschnitt mit seitlichen Pfeilerstollen [Schimetta, 2007].
5.3.7.3. Querschläge Unter einem Querschlag versteht man einen Verbindungstunnel, z.B. zwischen zwei Tunnelröhren oder zwischen einem Tunnel und einem Sonderbauwerk. Bei zwei parallelen Tunnelröhren (z.B. UBahn) werden Querschläge als Fluchtwege genutzt. Personen können im Bedarfsfall aus der einen Röhre über den Querschlag in die andere Röhre fliehen. Baubetrieblich können Querschläge ebenfalls genutzt werden, indem beispielsweise das Schuttern durch den Paralleltunnel erfolgt.
Abbildung 5-90: Querschläge [www.vde8.de, 2010; www.alptransit.ch, www.alptransit.ch, 2010].
5.3.7.4. Engstehende Tunnel (zweiröhrige Tunnel) Das Problem der engstehenden Tunnel ist vor allem im städtischen Tunnelbau aktuell, da es im
verbauten Gebiet beschränkte Platzverhältnisse gibt. Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Dietmar ADAM
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Es gibt zwei Möglichkeiten, wie sich das Gewölbe bei engstehenden Tunneln ausbildet (siehe Abbildung 5-91). Bilden sich zwei Einzelgewölbe aus, so entsteht zwischen den beiden Röhren ein Bereich (Abbildung 5-91, Fall 1), in dem sich die Spannungen konzentrieren. Im kritischen Zustand berührt der Spannungskreis die Bruchgerade. Bildet sich nur ein Gewölbe über beide Tunnelröhren aus (Abbildung 5-91, Fall 2), kommt es an den äußeren Seiten der beiden Tunnelröhren zu Spannungskonzentrationen. Ein Einzelgewölbe kann sich nur bei ausreichender Überdeckung ausbilden, da dieses eine große Gewölbehöhe aufweist. Welcher Spannungszustand sich ausbildet ist abhängig von:
den Fels- und Bodeneigenschaften, der Überdeckungshöhe, dem Abstand zwischen den beiden Tunnelröhren, dem Bauablauf. Der Bauablauf spielt eine entscheidende Rolle. Bei synchronem Vortrieb der beiden Röhren bilden sich häufig zwei Einzelgewölbe aus. Bei schlechtem Gebirge ist die Ausbildung von zwei Einzelgewölben zu vermeiden und der Bauablauf auf einen asynchronen Vortrieb umzustellen, sodass sich ein größeres Einzelgewölbe ausbildet. Falls dies nicht möglich ist, sollte der Bereich zwischen den beiden Tunnelröhren, z.B. durch Injektionen bzw. mit dem Düsenstrahlverfahren, verbessert werden.
Abbildung 5-91: Tragverhalten des Zwischenstützkörpers bei engstehenden Tunneln [adaptiert nach Brandl, 2006].
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Im kritischen Bereich kommt es zu Spannungskonzentrationen, die zum Versagen des Bodens/ Gebirges führen können. Es bildet sich ein eindimensionaler Spannungszustand zwischen den beiden Tunnelröhren aus. Um ein Versagen des Bodens in diesem Bereich zu verhindern, können folgende Maßnahmen ergriffen werden:
Injektionen DSV Ersatz des Bodens durch Beton Gegenseitiges Verspannen der beiden Tunnelröhren mit Ankern Das Problem engstehender Tunnel entsteht auch beim Übergang von einem zweiröhrigen Tunnel zu einem einröhrigen Tunnel. Abbildung 5-93 zeigt die verschiedenen Querschnitte im Übergangsbereich. Bei abnehmendem Pfeilerverhältnis p/D steigen die Setzungsdifferenzen an der Oberfläche durch die Überlagerung der Setzungsmulden deutlich an. Der Grund dafür ist in erster Linie die höhere vertikale Spannung im Pfeiler, infolge der zusätzlichen Krafteinleitung, die aus der Gewölbewirkung über der Firste des zweiten Tunnels entsteht (vgl. Abbildung 5-91, Fall 1). Weiters führt der synchrone Vortrieb zu größeren Setzungen als der versetzt synchrone Vortrieb. Beim versetzt synchronen Vortrieb nimmt die schon vorhandene Spritzbetonschale des ersten Vortriebes Kräfte aus der Gewölbewirkung auf und der Boden wird daher weniger belastet.
Abbildung 5-92: Überlagerung der Setzungsmulden [Vogt, 2009].
5.3.7.5. Aufweitungen (Trompeten) Bei zusammenlaufenden Tunnelröhren treten Spannungskonzentrationen im Aufweitungsbereich zwischen den beiden Röhren auf. Diese würden zum Versagen des Bodens führen und daher wird im Übergangsbereich der Boden zwischen den beiden Tunnelröhren meist durch Beton ersetzt, der die Druckspannungen aufnehmen kann.
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Abbildung 5-93: Übergang von einem zweiröhrigen Tunnel zu einem einröhrigen Tunnel [Brandl, 2006].
5.3.7.6. Sanierung von alten Eisenbahntunn Eisenbahntunneln eln Die meisten Eisenbahntunnelbauwerke wurden Ende des 19. Jahrhunderts gebaut und sind mittlerweile sanierungsbedürftig. Es gibt mehrere Möglichkeiten zur Sanierung alter Eisenbahntunnel:
Neuverfugen von Mauerwerk Durch brüchigen Mörtel in den Fugen ist der Schubverbund zwischen den einzelnen Mauersteinen nicht mehr gewährleistet. Der brüchige Mörtel muss aus den Fugen geräumt werden und anschließend satt mithergestellt. Spritzbeton verfüllt werden. Durch den Spritzbeton wird der Schubverbund im Gewölbe wieder
Einbau einer Spritzbetonschale Vor dem Aufbringen des Spritzbetons muss die Auflagefläche gesäubert werden und etwaige Schadstellen im Mauerwerk ausgebessert werden. Anschließend wird eine mindestens 5 cm dicke unbewehrte oder eine mindestens 7,5 cm dicke bewehrte Spritzbetonschicht aufgespritzt.
Einbau von Drainagen Beim Einbau einer Spritzbetonschale muss vorauseilend eine Drainage eingebaut werden. Dies ist notwendig, damit sich kein Wasserdruck hinter der Spritzbetonschale aufbauen kann. Für den Einbau der Drainage werden rippenförmige Schlitze in das Mauerwerk eingeschnitten und in diesen Schlitzen wird die Drainage verlegt. Anschließend wird die Spritzbetonschicht aufgebracht. Alternativ können Filtervliese zwischen Mauerwerk und Spritzbetonschicht verlegt werden, die das Wasser in ihrer Ebene abführen.
Injektionen Durch Injektionen zwischen Tunnelmauerwerk und dem anstehenden Gebirge können Hohlräume
verfüllt werden. Somit wird ein kraftschlüssiger Verbund zwischen Gebirge und Mauerwerk hergestellt. Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Dietmar ADAM
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
5.3.7.7. Auffahren sehr großer Felshohlräume (Kavernen) Rib-in-Roc-Methode Hierbei werden vor dem Ausbruch des Hohlraumes Schächte bzw. Stollen in Form vertikaler Ringe in einem gewissen Abstand um die spätere Kaverne herum ausgebrochen. Von hier aus wird eine systematische Felsankerung in Richtung des zukünftigen Hohlraumes versetzt. Die Schächte selbst werden bewehrt und ausbetoniert. Auf diese Weise entsteht vor dem Hauptausbruch ein Verbundtragwerk aus bewehrten Betonrippen und geankertem Fels.
Abbildung 5-94: Isometrische Ansicht des Rib-in-Roc Systems [Brandl, 2006].
Methode mit ringförmigen Stollen
Abbildung 5-95: Anordnung bei einem großen Hohlraum mit ringförmigen Stollen für Spannglieder und einem
perimetrischen Stollen [Brandl, 2006].
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Ringschlitz-Methode
Abbildung 5-96: Ausbruchschema nach dem Ringschlitzverfahren im unteren Kuppelbereich Kuppelbereich [Brandl, 2006].
Ein Ringschlitz wird spiralförmig ansteigend ausgebrochen und die Sicherung einschließlich des bewehrten Betons der Innenschale wird sofort eingebaut (Kaverne). Die Kalotte wird hingegen mit radial zum Scheitel führenden Einzelstollen aufgefahren.
Spiralstollen-Methode Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, einen Stollen spiralförmig an der Peripherie des zukünftigen Hohlraums von einem Zugangsstollen aus hochzuführen. Als Beispiel zu diesem Ausbruchsverfahren ist eine kreisförmige Kaverne mit 65 m Durchmesser und 70 m Höhe in Abbildung 5-97 und Abbildung 5-98 dargestellt. Zwei Bauzustände sind aufgezeigt.
Kavernenabmessungen: Kavernendurchmesser
65 m
Spiralstollenabmessungen: Querschnitt 25 m²
Kavernenhöhe
70 m
Länge
1300 m
Gesamtausbruch
200.000 m³
Steigerung
4,8-5,5 %
Schutterschacht
20 m²
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Abbildung 5-97: Auffahren des Spiralstollens zur Erschließung und Sicherung [Brandl, 2006].
Abbildung 5-98: Betriebsweise beim Kernausbruch [Brandl, 2006].
Diese Bauweise mittels Spiralstollen erfüllt folgende Aufgaben:
Die Peripherie des Hohlraums wird systematisch für geologische Untersuchungen und felsmechanische Messungen erschlossen. Diese Messung können während des Auffahrens des Spiralstollens und während des Ausbruches des Kerns fortgeführt und die Veränderung der Messwerte beobachtet werden. Die nach Auswertung der Aufschlüsse und Messungen erforderlichen Sicherungsarbeiten können vor Ausbruch des Kerns durchgeführt werden.
Störungen im Gebirge können von diesem Spiralstollen aus frühzeitig erkannt, sorgfältig saniert und beobachtet werden, ohne den Ausbruchsbetrieb zu stören oder ihn einstellen zu müssen.
Das spiralförmige Sicherungsband bleibt bis zum Kernausbruch auf die jeweilige Ausbruchssohle zugänglich. Nachträglich notwendige Verstärkungen, wie etwa zusätzliche Anker, können mühelos und ohne Störung des übrigen Betriebs eingebaut werden.
Die Sekundärspannungen werden sukzessiv in dem gesamten Baukörper geweckt. Sie werden mit dem fortschreitenden Ausbruch des Spiralstollens kontinuierlich, jedoch wegen der zwischen den einzelnen Gängen verbleibenden Felsbank nicht in voller Höhe, erzeugt. Die Sicherung kann aber im vollen erwarteten Umfang, dem Vortrieb des Spiralstollens folgend, eingebaut werden. Eine Teilvorspannung der Felsanker ist in dieser Bauphase möglich.
Bei einem von oben dem Spiralsollen folgenden Abbau des Kerns kann die noch vorhandene Verbindung des Kerns mit dem umgebenden Gebirge durch Bohrungen reduziert werden. Er ist
damit fast vollständig abgelöst und kann ohne störende Einwirkung auf Gebirge und Sicherung abgetragen werden. Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Dietmar ADAM
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
5.4.
Richtlinien
5.4.1. ÖGG Richtlinie für die geotechnisch geotechnischee Planung von Untertagebauten mit zyklischem Vortrieb Ziel der geotechnischen Planung ist die wirtschaftliche Optimierung der bautechnischen Maßnahmen unter Berücksichtigung der jeweils vor Ort anstehenden Gebirgsverhältnisse bei Gewährleistung der Sicherheit, der Umwelterfordernisse und der Langzeitstabilität. Die Richtlinie der Österreichischen Gesellschaft für Geomechanik (ÖGG) gibt ein klar strukturiertes geotechnisches Dimensionierungskonzept mit der bestmöglichen Anpassung der Baumaßnahmen an die jeweiligen Verhältnisse des Untergrundes vor Ort. Die geotechnische Planung setzt sich aus zwei Phasen zusammen:
Phase 1: Planung Die Phase 1 umfasst die Bestimmung der Gebirgsarten und des Gebirgsverhaltens, die Wahl eines tunnelbautechnischen Konzeptes, die Abschätzung des Systemverhaltens und die Erstellung eines tunnelbautechnischen Rahmenplanes.
Phase 2: Bauausführun Bauausführungg Die geotechnisch relevanten Gebirgsparameter zur Bestimmung der aktuellen Gebirgsart werden während des Baues erfasst und ausgewertet. Auf Basis dieser Auswertung wird unter Berücksichtigung Einflussfaktoren das aktuelle Rahmenplans Systemverhalten im die Ausbruchsbereich abgeschätzt. Unter der Beachtung des tunnelbautechnischen werden bautechnischen Maßnahmen für das prognostizierte Systemverhalten festgelegt. Definitionen aus der ÖGG Richtlinie:
Gebirgsart (GA): Gebirge mit gleichartigen Eigenschaften Gebirgsverhalten (GV): Reaktion des Gebirges auf den Ausbruch ohne Berücksichtigung von Stützung oder Querschnittsunterteilung
Gebirgsverhaltenstyp (GVT): Übergeordnete Kategorien von ähnlichen Gebirgsverhalten in Bezug auf Verformungscharakteristika und Versagensmechanismen
Systemverhalten (SV): Verhalten des Systems aus Gebirge und gewählten Baumaßnahmen, unterteilt in:
Systemverhalten im jeweiligen Ausbruchsbereich Systemverhalten im gesicherten Bereich Systemverhalten im Endzustand
Abbildung 5-99: Unterteilung der Bereiche für das Systemverhalten [ÖGG-Richtlinie, 2008].
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
5.4.1.1. Phase 1 – Planung Die Abbildung 5-100 zeigt ein Flussdiagramm, welches den grundsätzlichen Ablauf der geotechnischen Planung von der Bestimmung der Gebirgsart bis hin zur Erstellung des Tunnelbautechnischen Tunnelbautechnis chen Rahmenplans zeigt.
Abbildung 5-100: Schematischer Ablauf der geotechnischen Planung (Phase 1) [ÖGG- Richtlinie, 2008].
Der Ablauf gliedert sich in die folgenden Schritte: Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Dietmar ADAM
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
1. Schritt – Bestimmung der Gebirgsarten (GA) Unter Gebirgsart versteht man ein geotechnisch relevantes Gebirgsvolumen, bestehend aus Matrix, Trennflächen und tektonischer Struktur (Gebirge), welches gleichartig ist in Bezug auf folgende Eigenschaften:
im Festgestein: mechanische Eigenschaften (Gestein – Gebirge), Trennflächencharakteristika und eigenschaften, Gesteinsart, Gesteins- und Gebirgszustand, hydraulische Eigenschaften
im Lockergestein: mechanische Eigenschaften, Parameter des Korngemisches, Parameter der Bodenkomponenten, Parameter der Matrix, Lagerungsdichte, Bodenwasser, hydraulische Eigenschaften Nach der Bestimmung der Gebirgsarten sind diese den einzelnen Bereichen des Untertagebauwerkes zuzuordnen.
2. Schritt – Bestimmung des Gebirgsverhaltens (GV) Das Gebirgsverhalten beschreibt die Reaktion des Gebirges auf den Ausbruch des Gesamtquerschnittes. Es wird ein unendlich langer, ungestützter Hohlraum ohne Querschnittsunterteilungen und ohne Stützmittel betrachtet. Folgende Einflussfaktoren werden für die Bestimmung des Gebirgsverhaltens (GV) berücksichtigt:
Gebirgsart Primärspannungszustand Form, Lage und Länge des Hohlraumes Lage des Hohlraumes zur Oberfläche Orientierung des Trennflächengefüges zum Hohlraum Schichtgrenzen von Gebirgsarten Bergwasser, hydrostatischer Druck, Strömungsdruck Folgende Untersuchungen werden zur Bestimmung des Gebirgsverhaltenstypen herangezogen:
Kinematische Untersuchungen um gefügebedingte Nachbrüche zu erfassen Analytische oder numerische Berechnungen, um die Gebirgsbeanspruchung zu ermitteln. Die Gebirgsbeanspruchung beschreibt das Verhältnis zwischen dem vorherrschenden räumlichen Spannungszustand und den Verformungs- und Festigkeitseigenschaften des Gebirges Untersuchung von Bruchmechanismen und qualitative Beschreibung Die Abbildung 5-101 zeigt die 11 verschiedenen Gebirgsverhaltenstypen (GVT) nach der ÖGG Richtlinie. In einem Querschnitt können auch mehrere GVT auftreten. Für jeden GVT sind folgende Mindestangaben erforderlich:
Gebirgsart(en) Orientierung der Trennflächen zum Hohlraum Beanspruchung des Hohlraumrandes Bergwasserverhältnisse: Abgrenzung von Mengen und Druck unter denen der GVT gültig ist Skizze der zu erwartenden Gebirgsstruktur Gebirgsverhalten (GV) Größenordnung der Verschiebungen des ungestützten Hohlraumrandes und Angabe der
Hauptverschiebungsrichtung und Unterscheidung, ob es sich um rasch abklingende, oder lang anhaltende Verschiebungen handelt. Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Dietmar ADAM
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Abbildung 5-101: Übergeordnete Kategorien von Gebirgsverhaltenstypen [ÖGG- Richtlinie, 2008].
3. Schritt – Wahl eines Tunnelbautechnis Tunnelbautechnischen chen Konzeptes Das Tunnelbautechnische Konzept basiert auf der Bestimmung der Gebirgsart und des Gebirgsverhaltens. Es beinhaltet folgendes:
Baugrundverbessernde Maßnahmen Grundwasserabsenku Grundwasserabsenkung, ng, Drainagemaßnahmen Lösemethode Querschnittsunterteilungen (Kalotte, Strosse, Sohle) und Teilflächen (Unterteilung der Kalotte in Teilflächen)
Vorauseilende Sicherungsmaßnahmen Ausbaukonzept (welche Sicherungsmaßnahmen werden benötigt)
Mögliche Abschlagslängen Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Dietmar ADAM
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
4. Schritt – Abschätzung des Systemverhaltens (SV) im Ausbruchsbereich Basierend auf dem Tunnelbautechnischen Konzept wird das Systemverhalten im Ausbruchsbereich abgeschätzt. Die Faktoren, die das SV beeinflussen, sind:
Gebirgsverhalten Ausbruchsquerschnittes ittes Form, Größe und Unterteilung des Ausbruchsquerschn
Abschlagslänge Lösemethode räumliche Spannungszustand Bergwasser räumliche Entwicklung des Bauablaufes (Sohlschlussdistanz, möglicherweise temporärer Ringschluss)
Stützmittel, wenn diese das Verhalten im Ausbruchsbereich beeinflussen 5. Schritt – Detailfestlegung der bautechnischen Maßnahmen und Ermittlung des Systemverhaltens im gesicherten Bereich Die vorangegangene Abschätzung des Systemverhaltens im Ausbruchsbereich dient als Basis für die Festlegung der bautechnischen Maßnahmen im Detail. Das Systemverhalten wird nach der Festlegung der Maßnahmen untersucht und denund Anforderungen Bauablauf und bautechnischen die Baumaßnahmen sind so lange zu variieren das jeweilige gegenübergestellt. Systemverhalten zuDer ermitteln, bis eine sichere und wirtschaftliche Vorgangsweise gefunden ist.
6. Schritt – Erstellung des Tunnelbautechnischen Rahmenplanes Die Schritte eins bis fünf der geotechnischen Planung dienen als Basis zur Abgrenzung von bautechnisch gleichartigen Vortriebsbereichen. Die Angaben für Ausbruch und Stützung sind im bautechnischen Rahmenplan anzugeben. Weiters sind die Grenzen und Kriterien der möglichen Anpassung der bautechnischen Maßnahmen vor Ort für jeden Bereich zu definieren. Der Tunnelbautechnische Rahmenplan soll folgende Angaben enthalten:
Geologisches Modell mit Verteilung der erwarteten Gebirgsarten im Längsschnitt Darstellung des erwarteten Systemverhaltens im Ausbruchsbereich für die jeweiligen Gebirgsarten und Einflussfaktoren für die Festlegung der Baumaßnahmen vor Ort, bezogen auf das Systemverhalten im Vorgaben Ausbruchsbereich
Kriterien für die Zuordnung der bautechnischen Maßnahmen Vorgaben für Ausbruch und Stützung (z.B. Abschlagslängen, Abbaufolgen, Übermaß, Vortriebsgeschwindigkeiten, Sohlschlussbedingungen, Sohlschlussbedingungen, Stütz- und Sicherungsmaßnahmen etc.)
Anwendungskriterien für die bautechnischen Maßnahmen Angabe jener Maßnahmen, die vor Ort festzulegen sind (z.B. vorauseilende Stützmaßnahmen, Ortsbruststützung, Entwässerungsmaßnahmen etc.)
Angaben zum erwarteten Systemverhalten in den gesicherten Bereichen (Verformungsverhalten, Auslastungsgrad der Stützmittel etc.)
Warnkriterien und Alarmwerte sowie Angabe der durchzuführenden Maßnahmen entsprechend dem geotechnischen Sicherheitsmanagementplan
7. Schritt – Ermittlung der Vortriebsklassen
Der letzte Planungsschritt ist die Ermittlung der Vortriebsklassen nach ÖNORM B2203-1. Die Vortriebsklassen dienen der Erstellung der Ver Vergütungsregelungen gütungsregelungen in den Ausschreibungsunterlagen. Ausschreibungsunterlagen. Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Dietmar ADAM
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
5.4.1.2. Phase 2 – Bauausführung Die tatsächlichen Gebirgsverhältnisse sind vor Baubeginn nicht vollständig bekannt. Daher müssen die bautechnischen Maßnahmen während des Baues an die tatsächlichen Gebirgsverhältnisse angepasst werden. Die Abbildung 5-102 zeigt schematisch den Ablauf der Festlegung und Überprüfung der Baumaßnahmen. a) Bestimmung der aktuellen Gebirgsart und Prognose der Gebirgsverhältnisse b) Abschätzung des Systemverhaltens im Ausbruchsbereich c) Festlegung von Ausbruch und Stützung, Prognose des Systemverhaltens im gesicherten Bereich d) Überprüfung des Systemverhaltens
Abbildung 5-102: Grundsätzlicher Ablauf der Festlegung und Überprüfung von Baumaßnahmen während der der
Ausführung (S VVpp= prognostiziertes Systemverhalten, S Vb Vb=beobachtetes Systemverhalten) [ÖGG- Richtlinie, 2008].
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
5.4.2. ÖNORM B 2203-1 Die ÖNORM B 2203-1 enthält Verfahrens- und Vertragsbestimmungen für die Ausführung von Untertagebauarbeiten im zyklischen Vortrieb.
Einteilung in Vortriebsklassen Bei den Ausbruchsarbeiten sind technisch erforderliche Lösemethoden (z.B. Sprengen, mechanisches Lösen), Unterteilung der Teilquerschnitte und Längsentwicklung des Vortriebsablaufes anzugeben. Der Vortrieb ist unter Beachtung der geotechnischen Planung in Vortriebsklassen zu unterteilen. Die Einteilung der Vortriebsklassen, die zweckmäßigerweise in einer Matrix dargestellt werden, ist folgendermaßen vorzunehmen:
Der Ausbruch der Kalotte, der Strosse oder des Querschnittes von Kalotte mit Strosse wird nach dem Abschlagslängenbereich unterteilt. Daraus ergibt sich die erste Ordnungszahl.
Der Ausbruch der Sohle wird nach dem Öffnungslängenbereich unterteilt. Die Stütz- und Zusatzmaßnahmen der Kalotte, der Strosse oder des Querschnittes von Kalotte mit Strosse werden bewertet und die Stützmittelzahl als zweite Ordnungszahl errechnet. Die Größe des Gültigkeitsbereiches der zweiten Ordnungszahl ist in den Grenzen festzulegen.
Bei der Sohle bestimmt die Ausbauart die zweite Ordnungszahl.
Abbildung 5-103: Vortriebsklassenmatrix für den Vortrieb der Kalotte, der Strosse oder der Kalotte mit Strosse [ÖNORM B 2203-1, 2001].
Abbildung 5-104: Gültigkeitsbereich der zweiten Ordnungszahl [ÖNORM B 2203-1, 2001].
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
6. MASCHINELLER VORTRIEB (KONTINUIERLICHER VORTRIEB) Der maschinelle Tunnelvortrieb hat, vor allem in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts, eine rasante und in vielen Ländern zeitgleich stattgefundene technische Entwicklung durchlaufen. Unter Einbeziehung des Wissenstands vom konventionellen Tunnelbau und den grabenlosen Technologien ist der maschinelle Tunnelbau im Wesentlichen von Bauausführenden, Maschinenherstellern und Tunnelplanern anhand ihrer Praxiserfahrungen ständig verbessert worden. Als Konsequenz dieser Entwicklung besteht heute jedoch im deutschsprachigen Raum eine gewisse Vielfalt an Bezeichnungen für die Maschinentypen, die durch die international üblichen englischen Bezeichnungen noch zusätzlich vergrößert wird. Aus diesem Grund sollte daher versucht werden, die prinzipielle Funktionsweise der verschiedenen Maschinentypen zu verstehen und sich nicht auf die z.T. irreführenden Bezeichnungen zu verlassen.
6.1.
Systematik der Tunnelvortriebsmas Tunnelvortriebsmaschinen chinen
Tunnelvortriebsmaschinen (TVM) werden grundsätzlich in Tunnelbohrmaschinen (TBM) und Schildmaschinen (SM) unterschieden. Es gibt geschildete Tunnelbohrmaschinen und solche ohne Schild, welche im Prinzip bei einem klassischen NATM-Vortrieb eingesetzt werden. Bei den Schildmaschinen wird in Vollschnitt- und Teilschnittmaschinen unterschieden, wobei es in jeder dieser Kategorie Maschinentypen mit und ohne Ortsbruststützung Ortsbruststützung gibt. Eine übersichtliche Darstellung der verschiedenen Maschinentypen gibt die Abbildung 6-1.
Abbildung 6-1: Systematik der Tunnelvortriebsmaschinen [ÖVBB-Richtline Schildvortrieb, 2009].
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Darauf aufbauend soll folgende Übersicht die systematische Einteilung der Tunnelvortriebsmaschinen erläutern. Die Tabelle ist im ÖVBB-Arbeitsausschuss zur Erstellung der Richtlinie Schildvortrieb entstanden und in etwas abgeänderter Form auch im Anhang der Richtlinie enthalten. Schildmaschinentypen, welche gegenwärtig in der Praxis kaum Verwendung finden, sind in der Auflistung nicht enthalten. Tabelle 6-1: Tunnelvortriebsmaschinen – Systeme [ÖVBB-Richtline Schildvortrieb, Schildvortr ieb, 2009 – adaptiert] Sicherung Maschinen des Arbeitstyp bereichs
TVM Systeme
Abbau
Kurzbezeichnung gemäß RVS 09.01.31
Beschreibung, beispielhafte Darstellung
Einsatzbereich (Baugrund)
nicht Gegenstand der Richtlinie Schild (wird auch dem zyklischen Vortrieb zugerechnet) Teilschnittmaschine / Teilschnittmaschine Boom-type tunneling machine
M B T
e n i e K
teilflächig
nicht Gegenstand der Richtlinie Schild
s u a b b A s e d t r A
Festgestein mit mittlerer bis hoher Standzeit
---
Gripper TBM / Main-beam TBM
vollflächig
Festgestein geringer mit Nachbrüchigkeit
TBM-O
nicht Gegenstand der Richtlinie Schild Aufweitungs-TBM / Tunnel reaming machine
teilauf vollflächig
TBM-A
teilflächig
SM-T1
longitudinal: ) n e s s i n t l ä h r e v e k d c l i u h r c D S n e e n h e c f s f i o r ä h p s o m t a t i m (
TBM mit / Einfachschild Single shield
g n u b i a l l e n n u T
e t f ä r k b u h c s r o V r e d g n u t i e l b A
radial bzw. longitudinalTBM mit Doppelschild / Double shield
vollflächig
SM-V1
vollflächig
TBM-S
vollflächig
TBM-DS
mit Pilotstollen im Festgestein mit geringer Nachbrüchigkeit
(Hauben-) Schild mit TeilschnittLöseeinrichtung (Bagger, Fräse, etc.) Schild mit Schneidrad. Mechanische Stützung der Ortsbrust im Stillstand möglich. Schild mit Bohrkopf. Mechanische Stützung der Ortsbrust im Stillstand möglich. Bohrkopf mit Front- und Gripperschild; Vortriebskräfte werden im DS-Modus über Gripper auf das Gebirge, im S-Modus auf den Fertigteilausbau übertragen; im DS-Modus kann der Tübbingausbau kontinuierlich erfolgen oder auch entfallen.
Lockergestein, standfest bis nachbrüchig, kein Grundwasserdruck
Festgestein, standfest bis nachbrüchig
Festgestein, standfest bis nachbrüchig
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Sicherung Maschinen des Arbeitstyp bereichs
n ) e e h e c n s s i d i s l i r n h ä l t c h S p ä h r e s n o e v m e k f f t a c o t i u r D m (
t s u r b t s r ) g O n u d z n t ü u t g S n e u i v b i t k a l a l ( e n n u T
TVM Systeme
t s u r b s t r O r e d g n u z t ü t S
Abbau
Kurzbezeichnung gemäß RVS 09.01.31
Beschreibung, beispielhafte Darstellung
Einsatzbereich (Baugrund)
wie SM-T1, jedoch mit Ortsbruststützung durch mechanisch / mechanical (Haubenschild, Stützplatten, Erdkeil)
horizontale Z wischenbühnen Zwischenbühne n und/oder segmentweises Andrücken von Brustplatten teilflächig
SM-T2
Lockergestein, mit geringer Standfestigkeit, wenig oder keinem Wasserzutritt
wie SM-T1, jedoch mit Druckwand; Druckwand; Schildschwanzdichtung
) k c u r d r e s a w g r e B r e d o d n u r G m e d d n e h c e r p s t n e e s s i n t l ä h r e k v c u r D ( e d l i h c S e n e s s o l h c s e g
mit Druckluft beaufschlagt / compressed air (lediglich Verdrängung des anstehenden Wassers)
teilflächig
vollflächig ) g n u z t ü t S e v i t k a ( t s u r b s t r O d n u g n u b i a l l e n n u T
t s u r b s t r O r e d g n u z t ü t S
mit Suspension / slurry
mit Erddruck / earth pressure balance
veränderbar / mixed
vollflächig
vollflächig
vollflächig
SM-T3
SM-V3
Ortsbruststützung nur durch Ortsbruststützung zusätzliche mechanische Einrichtungen; Druckwand erforderlich; Schildschwanzdichtung.
SM-V4
Stützdruckregelung mittels Luftblase (Tauchwand); in der Regel Steinbrecher und Rechen vorhanden; Schildschwanzdichtung; geschlossener Spül- bzw. Förderkreislauf mit Separationsanlage
SM-V5
SM-V-M
Stützdruckregelung Stützdruckregel ung über Penetration und Drehzahl der Förderschnecke bei gefüllter Abbaukammer; Schildschwanzdichtung; Förderschnecke
Kombination unterschiedlicher Betriebsmodi erfordert zumeist teilweisen Umbau der TVM; Schildschwanzdichtung Schildschwanzdichtung
6.1.1. Nicht druckhaltende druckhaltende Schildmaschine Schildmaschinenn („offene“ Schilde Schilde))
Festgestein und kohäsives Lockergestein geringer Durchlässigkeit bzw. eine undurchlässige Schicht in der Überdeckung
Grob- bis feinkörniges Lockergestein, geringe bis hohe Durchlässigkeit, auch mit Festgesteinsabschnitten Grob- bis feinkörniges Lockergestein, wenn es in der Abbaukammer zu einer weichen bis steif-plastischen Masse verarbeitet werden kann. Auch mit Festgesteinsabschnitten.
Abschnittsweise unterschiedliche Böden, von Lockergestein bis hin zum Festgestein
Als offene Schilde werden Vortriebsmaschinen bezeichnet, die kein geschlossenes System zum Druckausgleich an der Ortsbrust besitzen. Das heißt, es ist keine Abbaukammer definiert. TBM mit Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Dietmar ADAM
134
Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Schild werden bei brüchigen Felsformationen oder weichem Gestein eingesetzt. Sie weisen ein sehr großes Einsatzspektrum im Festgestein auf.
6.1.1.1. Geschildete Teilschnittmaschinen Die besondere Flexibilität der Schilde mit Teilflächenabbau wird anhand der Möglichkeit des schnellen Wechsels der Abbautechnik sichtbar. Auf einem Basisgerät können verschiedene Abbauwerkzeuge installiert werden, der Wechsel ist mit nur geringem Aufwand verbunden und kann in kürzester Zeit realisiert werden. Teilschnittmaschinen können aufgrund ihrer offenen Bauweise an der Ortsbrust keinen Stützdruck über ein Stützmedium aufbauen. Daher werden verschiedene andere Verfahren angewendet, um eine Stützung der anstehenden Geologie zu erreichen. Eine Möglichkeit ist der Einsatz eines Haubenschildes, bei dem die Firste des Schildmantels verlängert (nach vorne auskragend) ist. Dabei wird die Schildschneide an den Reibungswinkel des Bodens angepasst, um einen permanenten Kontakt zur Ortsbrust zu realisieren. Dadurch kann kein Boden von oben nachbrechen und übermäßige Setzungen werden vermieden. Als weitere Maßnahme kann über eine oder mehrere Querbühnen der Schuttwinkel zusätzlich verkürzt werden.
Abbildung 6-2: Ortsbruststützung mittels waagrechter Brustlamellen im rolligen Boden [Széchy, 1961].
Steine oder Blöcke im Untergrund sind für ein Haubenschild oftmals problematisch, da diese – insbesondere bei Lage in der Firste oder in den Ulmen – ein Hindernis für die Schildschneide darstellen können. Bei offenen Teilschnittmaschinen können zudem ausfahrbare Verbauplatten installiert werden, die bei Bedarf als weitere Sicherheitsmaßnahme hydraulisch gegen die Ortsbrust gedrückt werden.
Abbildung 6-3: Mechanische Ortsbruststützung bei einer Teilschnittmaschine [www.herrenknecht.de, 2009].
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Bei Messerschilden wird der Schildmantel in einzelne „Messer“ aufgelöst, welche sich – ähnlich dem Haubenschild – dem Vortrieb voreilend in den Untergrund drücken.
Abbildung 6-4: Schemaschnitt durch ein Messerschild [Brandl, 2006].
In gering wasserführenden Böden wird üblicherweise eine vortriebsbegleitende, offene Wasserhaltung EineistGrundwasserabsenkung, wie beispielsweise in offener Bauweise (sieheinstalliert. Kapitel 7), ebenfalls denkbar. Ist dies nicht möglich beim oder Tunnelbau nicht gewünscht, so können bei Vortrieb unter Grundwasser die Teilschnittmaschine und ein Teil des Tunnels über ein Schleusensystem mit Druckluft beaufschlagt werden (siehe Kapitel 6.1.1.6).
6.1.1.2. Aufweitungstunne Aufweitungstunnelbohrmaschinen lbohrmaschinen (Aufweitungs-TBM) Bei großen Querschnitten besteht die Möglichkeit, eine Pilot-Gripper-TBM mit einer AufweitungsTBM zu kombinieren. Beide Maschinentypen können entweder getrennt voneinander oder miteinander verbunden arbeiten. Zunächst wird über die gesamte Tunnellänge ein Pilotstollen kleineren Durchmessers aufgefahren. Danach wird die Aufweitungsmaschine eingesetzt, die sich mit einem vorlaufenden Grippersystem in den Pilotstollen abstützt. Das Nachläufersystem, mit den Versorgungs- und Antriebsaggregaten, wird an die Erweiterungsbohrmaschine angehängt. Damit steht unmittelbar hinter dem Bohrkopf mit dem Enddurchmesser der gesamte Querschnitt für Abdichtungs- und Ausbauarbeiten zur Verfügung.
Abbildung 6-5: 6-5: Aufweitungs-TBM, Aufweitungs-TBM, Schemaschnitt Schemaschnitt durch durch eine zw zweistufige eistufige Erwe Erweiterungsb iterungsbohrmasch ohrmaschine ine Fa. Wirth [Maidl, [Maidl, 1984].
Die Aufweitungs-TBM ergänzt in technischer und wirtschaftlicher Hinsicht den Einsatzbereich der
Vollschnittmaschinen. Sie eignet sich besonders in Gebirgsverhältnissen, in denen durch Sondierstollen besondere Risikofaktoren erfasst werden sollen. Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Dietmar ADAM
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
6.1.1.3. Einfachschildmas Einfachschildmaschinen chinen (Einfachschild-TBM) Die Einfachschild-TBM gehört zum Maschinentyp der mit einem offenem Schild und Bohrkopf bzw. Schneidrad ausgestattet ist. Im Schutz des Schildes wird der Tunnel weitgehend automatisiert aufgefahren und ausgebaut. Im Lockergestein wird häufig ein weitgehend geschlossenes Schneidrad eingesetzt, da von einer gewissen Stützwirkung des Schneidrads ausgegangen wird.
1 Schild(mantel), 2 Vortriebspressen, 3 Tübbingauskleidung, 4 Bohrkopf, 5 Räumer, 6 Förderband Abbildung 6-6: Schemadarstellung einer Einfachschild TBM [www.herrenknecht.de, 2009].
Um sich vorzubohren, stützt sich die Einfachschild-TBM mittels hydraulischer Vortriebspressen am zuletzt eingebauten Tübbingring ab. Der Bohrkopf ist im Festgestein mit Disken bestückt, die an der Ortsbrust abrollen und diese einkerben. Die Räumer, die sich etwas hinter den Disken zurückgesetzt befinden, führen den abgebauten Fels hinter das Schneidrad. Über Fördereinrichtungen wird das abgebaute Material dann über Tage transportiert. Das benötigte Antriebsdrehmoment des Bohrkopfes kann bei Einfachschild-TBM am genauesten von allen Vollschnittvortriebsmaschinen berechnet werden. Das Moment richtet sich nach dem Grad der Penetration der Disken und ihrem Anpressdruck.
6.1.1.4. Gripper-TBM Für das Funktionsprinzip einer Gripper-TBM sind vor allem das Bohrsystem, das Verspann- und Abstützsystem sowie das Sicherungssystem entscheidend. Der Bohrkopf ist mit Rollenmeißeln (Disken) bestückt, die mit hohem Druck gegen die Ortsbrust gepresst werden und so das anstehende Gebirge lösen. Das Bohrklein, allgemein als Chips bezeichnet, wird von Öffnungen im Bohrkopf, sog. Räumern, aufgenommen und über Rutschen auf ein Förderband befördert. Das Maschinenband transportiert das Material über die Länge der TBM auf das Übergabeband zwischen TBM und Nachläufer. Von dort gelangt der Aushub entweder direkt über Bänder nach Außen oder zur Beladestelle eines Tunnelzuges. Die TBM verspannt sich radial mit Grippern an der Tunnelwand. Hydraulikzylinder pressen dabei den Bohrkopf an die Ortsbrust, so dass ein weiteres Stück Tunnel aufgefahren werden kann. Der maximale Bohrhub ist abhängig von der Länge der Kolben im Vorschubzylinder. Nach dem Abbohren eines Bohrhubs wird der Bohrvorgang unterbrochen und die Maschine nach vorne umgesetzt. Dabei wird die Gripper-TBM von einem zusätzlichen Abstützsystem stabilisiert. Die Vortriebsleistung einer Gripper-TBM hängt entscheidend vom Zeitbedarf für die Felssicherungsmaßnahmen ab. Zur Sicherung werden die aus dem konventionellen Tunnelbau stammenden Sicherungsmittel Felsanker, Bögen, Netze und Spritzbeton sowie der TBM-
charakteristische Sohltübbing und besonders geeignete Stahleinbauten verwendet. Die GripperMaschine ermöglicht bereits kurz hinter dem Bohrkopf, im so genannten L1*-Arbeitsbereich, Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Dietmar ADAM
137
Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
umfassende Felssicherungsmaßnahmen. Für den Stützmitteleinbau können beispielsweise Ringerektoren, Ankerbohrgeräte oder Netzversetzeinrichtungen vorgesehen werden. Im Nachläuferbereich erfolgt der Einbau des Spritzbetons sowie der Sohltübbinge. Sohltübbinge. L1*-Arbeitsbereich
1 7 2
5 6 4
3
1 Spannschild, 2 Fingerschild, 3 Ringerektor, 4 Ankerbohrgeräte, 5 Arbeitskorb mit Schutzdach, 6 Netzversetzeinrichtung, 7 Gripperplatten Abbildung 6-7: Darstellung einer Gripper-TBM [www.herrenknecht.de, 2009 – adaptiert].
6.1.1.5. Doppelschild TBM Im vorderen Teil einer Doppelschild-TBM befindet sich ein vorpressbarer Frontschild. Die beim Bohren auftretenden Reaktionskräfte (Drehmoment und Längskräfte) werden durch die ausgefahrenen Gripperschuhe, die im mittleren Abschnitt der Tunnelbohrmaschinen angeordnet sind, in das Gebirge abgeleitet. Durch die Trennung des Kraftflusses können die Tübbingsegmente, im Gegensatz zur herkömmlichen Vorgehensweise, während des Tunnelvortriebs gesetzt werden, was hohe Vortriebsleistungen gewährleistet. Nach Abschluss eines Vorschubtaktes werden die Gripperschuhe eingefahren und der hintere Maschinenabschnitt durch die Hilfsvortriebspressen gegen das Frontschild vorgeschoben. Die Umsetzphase dauert nur wenige Minuten und anschließend kann der nächste Tunnelabschlag aufgefahren werden.
1 Frontschild, 2 Bohrkopf, 3 Gripperschuhe, 4 Hilfspressen, 5 Tübbingauskleidung
Abbildung 6-8: Schemadarstellung einer Doppelschild TBM [www.herrenknecht.de, 2009].
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Doppelschilde zählen zu den technisch anspruchsvollsten Tunnelbohrmaschinen im Festgesteinstunnelbau. Sie können flexibel an die jeweilige Geologie der Tunneltrasse angepasst werden, da sie das Gripper-Prinzip und den Segmentausbau in einem fein aufeinander abgestimmten Prozessverfahren verbinden. Dieser Maschinentyp ist damit prädestiniert für das Auffahren langer Tunnel im Festgestein, bei denen geologische Störzonen auftreten. Der kontinuierliche Vortrieb (DS-Modus) kann allerdings nur in ungestörten Gebirgsabschnitten gefahren werden, denn die Gripperschuhe benötigen das umliegende Gestein als Widerlager. Erreicht das Doppelschild einen Gebirgsabschnitt mit Störzonen, wird das teleskopierbare Frontschild zusammengefahren. Die gesamte Bohrmaschine wird für den Vortrieb dann nur noch mit den Hilfsvortriebspressen vorgetrieben, die sich auf die Tunnelauskleidung abstützen. Diese Vortriebsart wird als diskontinuierlich (S-Modus) bezeichnet, da hier wie bei einem konventionellen Schild der Vortrieb mit den Pressen nur nach Abschluss eines Tübbingringes möglich ist.
6.1.1.6. Druckluftbeaufsch Druckluftbeaufschlagte lagte Schildmaschinen Der Einsatz von Druckluft verhindert bei Schild- oder TBM-Vortrieben – ebenso wie beim konventionellen Tunnelbau (NÖT) – den Zutritt von Grundwasser durch die Ortsbrust in den Vortrieb. Die Druckluft-“Stützung“ darf – besonders bei durchlässigen Böden – nicht zur Aufnahme des Erddrucks angesetzt werden. Dieser ist zusätzlich nach dem Prinzip der natürlichen Stützung (standfeste Ortsbrust) oder durch mechanische Ortsbruststützung (wie beispielsweise bei geschildeten Teilschnittmaschinen) aufzunehmen. Der Luftdruck ist in der gesamten Abbaukammer gleich groß und muss dem Wasserdruck an der Sohle des Ausbruchsquerschnitts entsprechen. Dadurch kommt es in der Firste der Abbaukammer zwangsläufig zu einem resultierenden Überdruck (siehe Abbildung 6-9 links). Durch diesen Überdruck besteht bei zu geringer Überdeckungshöhe die Gefahr eines Ausbläsers (siehe dazu weiter in Kapitel 6.5.6).
Abbildung 6-9: Prinzip der Druckluftstützung (links) im Gegensatz zur Ortsbruststützung mittels Erdbrei oder Suspension (rechts) [Maidl, 1994].
Abbildung 6-10: Schemadarstellung Druckluftschild [Brandl, 2006].
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Eine Weiterentwicklung des Druckluftschilds ist der sog. Membranschild, bei dem in der Abbaukammer Bentonitsuspension auf die Ortsbrust gespritzt wird. Dadurch entsteht eine einige Millimeter dicke, undurchlässige „Membran“, wodurch der aufgebrachte Luft-Überdruck auch dem Erddruck entgegenwirkt.
Abbildung 6-11: Schemadarstellung Membranschild [Brandl, 2006].
6.1.2. Druckhaltende Schildmaschinen („ („geschlossene geschlossene“ “ Schilde) Bei jedem Tunnelvortrieb besteht das Risiko, dass sich während des Auffahrvorgangs das umgebende Gebirge entspannt und auflockert. Dadurch verschlechtert sich die Bettung der einzubauenden Tunnelauskleidung und an der Geländeoberfläche können Schäden an Gebäuden und Einbauten entstehen. Diese nachteiligen Folgen des Tunnelbaus können vermieden werden, wenn es gelingt, den primären Spannungszustand im umliegenden Gebirge während des Auffahrvorgangs weitgehend zu erhalten. Dieser ideale Auffahrvorgang kann durch die Verfahrenstechnik des maschinellen Tunnelbaus annähernd verwirklicht werden, indem einerseits die Entspannung an der Ortsbrust durch druckhaltende Schildmaschinen hintangehalten wird und andererseits der Ringspalt zwischen Tunnelauskleidung und Gebirge sofort hinter der Schildmaschine (Schildschwanz) verpresst wird (siehe dazu Kapitel 6.5.4).
6.1.2.1. Erddruckschildma Erddruckschildmaschinen schinen (Earth-Pressure-Balanced-Shield = EPB-Schild) Beim Erddruckschild dient, im Gegensatz zu anderen Schilden, die auf ein sekundäres Stützmedium angewiesen sind, der vom Schneidrad gelöste Boden zur Stützung der Ortsbrust. Allenfalls wird der Boden in der Abbaukammer mit Konditionierungsmitteln (i.d.R. Tenside oder Bentonit) aufbereitet und zu breiiger Konsistenz vermischt. Der Schildbereich, in dem das Schneidrad rotiert, wird als Abbaukammer bezeichnet und ist vom unter atmosphärischem Druck stehenden Schildabschnitt durch die Druckwand getrennt. Ein unkontrolliertes Eindringen des Bodens von der Ortsbrust in die Abbaukammer wird durch die Übertragung der Vortriebspressenkräfte von der Druckwand auf den Erdbrei vermieden. Wenn der Erdbrei in der Abbaukammer durch den anstehenden Erd- und Wasserdruck nicht weiter verdichtet wird, ist der Gleichgewichtszustand erreicht. Das abgebaute Material wird durch einen Schneckenförderer aus dem Abbauraum gefördert. Die Regelung der Fördermenge erfolgt über die Schneckendrehzahl und den Öffnungsquerschnitt des oberen Schneckenschiebers. Die Stützdruckregelung erfolgt daher ganz wesentlich über die
Fördermenge der Schnecke im Verhältnis zur Vortriebsgeschwindigkeit.
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Die Förderschnecke übergibt den Abraum an das erste Förderband der Förderband-Kaskade. Über diese Bänder gelangt das abgebaute Material zum so genannten Reversierband, über welches die Abraumtransportwagen in den Nachläufern im Reversierbetrieb beladen werden.
1 Schneidrad, 2 Abbaukammer, 3 Druckwand, 4 Vortriebspressen, 5 Förderschnecke, 6 Erektor, 7 Tübbingausbau Abbildung 6-12: Schemadarstellung eines EPB-Schilds [www.herrenknecht.de, 2009].
Erddruckschilde besitzen gegenüber Vortriebsmaschinen mit flüssigkeitsgestützter Ortsbrust den Vorteil, dass ein schlagartiger, großvolumiger Einbruch in die mit breiigem und verdichtetem Material gefüllte Abbaukammer aus dem System her gesehen nicht möglich ist. Die breiige Konsistenz des Materials bringt jedoch Nachteile bei der Messung und Kontrolle des Stützdrucks.
6.1.2.2. Suspensions Suspensions-Schildmaschinen -Schildmaschinen (Hydro-Schild) Bei überwiegend kohäsionslosen Böden, die eine instabile Ortsbrust oder eine Mischgeologie erwarten lassen, werden Schilde mit flüssigkeitsgestützter Ortsbrust eingesetzt. Die Stützflüssigkeit dringt an der Ortsbrust in den anstehenden Boden ein und versiegelt ihn mit einem Filterkuchen. Auf diese Weise kann der Stützdruck über die Suspension auf den Boden übertragen werden.
1 Schneidrad, 2 Abbaukammer, 3 Druckwand, 4 Speiseleitung, 5 Luftblase (Druckluftpolster), 6 Tauchwand, 7 Tübbingausbau, 8 Erektor
Abbildung 6-13: Schemadarstellung eines EPB-Schilds [www.herrenknecht.de, 2009].
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141
Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Der Boden wird an der Ortsbrust vollflächig durch das in der Bentonitsuspension rotierende Schneidrad (i.d.R. mit Schälmessern und Rollenmeißeln bestückt) gelöst und vermischt sich mit der Suspension. Der Schildbereich in dem das Schneidrad rotiert wird als Arbeitskammer bezeichnet und ist vom unter atmosphärischem Druck stehenden Schildabschnitt durch die Druckwand getrennt. Die durch die Speiseleitung zugeführte Bentonitsuspension wird in der Arbeitskammer über eine Luftblase mit Druckluft beaufschlagt, der dem anstehenden Erd- und Wasserdruck entspricht und somit ein unkontrolliertes Eindringen des Bodens bzw. einen Stabilitätsverlust an der Ortsbrust verhindert. Die Steuerung des Stützdruckes in der Abbaukammer erfolgt nicht direkt über den Suspensionsdruck, sondern über ein kompressibles Luftpolster. Aus diesem Grund ist die Abbaukammer hinter dem Schneidrad durch eine sogenannte Tauchwand von der Druckwand getrennt. Der Bereich Tauch- und Druckwand wird als Druck- bzw. Arbeitskammer bezeichnet. Zusammen mit der Suspension wird der gelöste Boden durch eine Förderleitung herausgepumpt. Größere Steine oder Blöcke zerkleinert ein Steinbrecher (Backen-, Kasten-, Greifer- oder Konusbrecher). Außerhalb des Tunnels werden Boden und Suspension in einer Separieranlage voneinander getrennt und die gereinigte Bentonitsuspension wird anschließend durch die Speiseleitung der Maschine wieder zugeführt. Im Unterschied zum Hydro-Schild verfügt ein sog. Slurry-Schild über keine Luftblase zur aktiven Stützdruckregelung. Der Stützdruck wird beim Slurry-Schild über die Zu- und Abfuhrmenge der Fördersuspension gesteuert, was vergleichsweise ungenau ist. Der Einsatz beschränkt sich daher auf Vortriebe mit kleinerem Durchmesser (Rohrvortriebe). Beim sog. Thixschild wird eine Teilschnittmaschine innerhalb der suspensionsgefüllten Abbaukammer zum Bodenabbau eingesetzt.
Abbildung 6-14: Schemadarstellung eines Thixschilds [Brandl, 2006].
Abbildung 6-15: Fräsarm und Abbaukammer eines Thixschilds [Brandl, 2006].
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142
Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
6.1.2.3. Schildmaschine Schildmaschinenn mit veränderbarer Ortsbruststützung Heterogenem Boden kommt dieses Prinzip mit besonderer Anpassungsfähigkeit bei: Durch den mittenfreien Antrieb mit schwimmender Lagerung des Schneidrades und dem modularen Aufbau der Maschine kann der Betriebsmodus je nach den angetroffenen Bodenverhältnissen im Tunnel gewechselt werden. Alle Kombinationen von Flüssigkeits-, Erddruck-, Druckluft- oder offenem Schild sind bei umbaubaren Schilden generell möglich.
6.2.
Einsatzbereiche der Schildmaschinen
Schildmaschinen werden sowohl bei Festgesteinsvortrieben als auch im Lockergestein eingesetzt. Hinsichtlich der möglichen Schild- bzw. Tunneldurchmesser reichen diese von unbegehbaren Querschnitten (siehe dazu Kapitel 10.2.2) bis zu den derzeit maximal realisierten Durchmessern von mehr als 15 m (z.B. 4. Röhre Elbtunnel, Hamburg, D = 14,2 m [1999/2000]). Aufgrund der Vielzahl an unterschiedlichen Maschinentypen kann praktisch für jeden Boden eine passende Maschine konzipiert werden. Die geologischen und hydrogeologischen Verhältnisse im Bereich der Vortriebstrasse haben nicht nur auf die Berechnung und Bemessung der Auskleidung (siehe Kapitel 6.6.3) Einfluss, sondern auch auf die Wahl des Vortriebsverfahrens. Dabei sind gewisse grundsätzliche Vorzüge bzw. Nachteile zu berücksichtigen, worüber nachfolgende Tabelle einen Überblick vermitteln sollte. Tabelle 6-2: Bewertung der Eignung von Schildmaschinen Abhängigkeit von der6-1). Bodenart [ÖVBB-Richtlinie Schildvortrieb, 2009 – adaptiert] (Bezeichnungen des TVMinTyps gemäß Abbildung
TVM Typ TBM-S TBM-DS SM-T1 SM-T2 SM-T3 SM-V1 SM-V3
Grund-, Bergwasserdruck – 1) – 1) – 1) – 1) + – 1)
+
Tone, Schluffe, steif bis halbfest + 2) + 2) + 2)
+ + + 2) + 5)
SM-V4 SM-V5
+ +
+
+ geeignet
Lockergestein Fels / Festgestein sandige Tone nachSand, Kies, Sand, Kies, hoher Anteil standfest oder Schluffe, brüchig locker dicht Steine, bis nachschluffige bis gelagert gelagert Blöcke brüchig Sande gebräch 2) 2) 7) + – + 2) – 2) 7) 2) 2) 7) 8) + – 3) 2) 3) 7) 8) + + + + + 3) + + 2) 4) + 8) – 4) 7) 2) – 2) 2) 7) + 2) 4) 4) 7) – + + 2) + 5)
+ + – nicht geeignet
+ 6)
+ 6)
+
+ + 6)
+ + 6)
mit Sondermaßnahmen geeignet
Anmerkungen zu Tabelle Anmerkungen Tabelle 6-2: 1) Ohne Grundwasserabsenkung während der Bauphase nicht geeignet. 2) Nur bei ausreichende ausreichenderr Standfestigkeit Standfestigkeit der Orts Ortsbrust brust und der der Leibung im Bohrkopf-/Schneidra Bohrkopf-/Schneidradbereich. dbereich. 3) Wirksame mechanische Stützung der Ortsbrust ist Voraussetzung. 4) Nur bei geringer Durchlässigkeit des Bodens. 5) Bei der Separierung bzw. der Suspensionszusammensetzung zu berücksichtigen. 6) Aufbereitung des abgebauten Materials zu einem Erdbrei ist Voraussetzung. 7) Zur Beurteilung der Ortsbruststandfesti Ortsbruststandfestigkeit gkeit ist die Bodenmatrix, in welcher die Steine oder Blöcke eingebettet sind, wesentlich. 8) Abhängig von der G Gebirgsfestig ebirgsfestigkeit. keit.
Die in Tabelle 6-2 angegebenen Eignungen der Schildmaschinen beziehen sich ausschließlich auf die Boden- und Grundwasserverhältnisse, jedoch nicht auf die Anforderungen aus speziellen
Anlageverhältnissen und Nutzungen aus dem Umfeld. Für die Beurteilung der Eignung ist auch die Größe des Ausbruchsquerschnitts einzubeziehen. Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Dietmar ADAM
143
Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Bei Suspensions-Schildmaschinen (SM-V4) muss das Ausbruchsmaterial nach der Abförderung von der Stützflüssigkeit separiert (getrennt) werden. Je feinkörniger der Boden ist, umso aufwändiger gestaltet sich dieser Vorgang. Bei feinkörnigen Böden besteht in Abhängigkeit von der Plastizität auch die Gefahr von Verklebungen im Abbaubereich, die den Vortrieb stark beeinträchtigen können. Schilde mit flüssigkeitsgestützter Ortsbrust werden daher hauptsächlich bei Sanden und Kiesen angewendet. Die Durchlässigkeit des anstehenden Bodens darf dabei i.d.R. nicht mehr als ca. 1x103
m/s betragen, sind damit nicht zu viel Stützflüssigkeit durch die Ortsbrust entweicht. Bei größerer Durchlässigkeit Zusatzmaßnahmen (z.B. Porenrauminjektionen) erforderlich.
Erddruckschilde (SM-V5) können in bindigen Böden mit breiiger bis weicher Konsistenz gut und vorteilhaft eingesetzt werden. Günstig sind relativ undurchlässige Böden (k f f < < 1x10-5 m/s), deren Konsistenz die Bildung eines Erdbreies möglichst ohne Wasserzugabe ermöglicht. In feinkörnigen Böden hoher Konsistenz mit geringem Wassergehalt wird viel Energie zur Verbreiung des Bodens benötigt. Unterhalb der Grenz-Körnungslinie steigen die Wasserdurchlässigkeit und die innere Reibung des Bodens stark an. Die Anwendbarkeit von Erddruckschilden hängt hier stark vom anstehenden Grundwasser ab. Gegebenenfalls ist bei diesen Böden die Zugabe von Konditionierungsmitteln vorzusehen, sodass noch ein stützender Erdbrei hergestellt werden kann.
Abbildung 6-16: Empfehlung eines Schildmaschinenherstellers bezüglich Einsatzbereich von Schildmaschinen mit flüssigkeitsgestützter bzw. erdbreigestützter Ortsbrust [www.herrenknecht.de, 2009].
Der Einsatz von Druckluftschilden (SM-T3, SM-V3) beschränkt sich im Wesentlichen auf Sande, bzw. Wechselschichten aus Sanden mit feinkörnigen Böden. Da die Luftdurchlässigkeit von Boden rund 70-mal höher ist als die Wasserdurchlässigkeit, ist bei stark durchlässigen Böden mit etwa k f f > 1x10-4 m/s der Druckluftverbrauch zu groß, sodass nur nach vorheriger Reduzierung der Durchlässigkeit (z.B. durch Injektionen) eine Druckluftstützung möglich ist. Über der Tunnelfirste ist in homogenen Untergrundverhältnissen eine Mindestüberdeckung von ca. dem zweifachen Schilddurchmesser zur Gewährleistung der Ausbläsersicherheit (siehe Kapitel 6.1.1.6 und 6.5.6) zu berücksichtigen.
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144
Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Abbildung 6-17: Einsatzbereich von Druckluftschilden.
6.3.
Boden- und Gesteinsabbau
Für den teilflächigen Abbau im Zuge eines maschinellen Vortriebs kommen Teilschneidköpfe, Baggerarme, Zughacken und Hydraulikhammer in Betracht. Für den vollflächigen Abbau bei einem Schildvortrieb kommt grundsätzlich ein Schneidrad (Lockergestein) bzw. ein Bohrkopf (Festgestein) zum Einsatz. Form, Ausführung, konstruktive Auslegung und Werkzeugbestückung sind in erster Linie von Geologie und Hydrologie sowie von projektspezifischen Randbedingungen abhängig. abhängig. Für eine bessere Steuerbarkeit ist es von Vorteil, wenn das Schneidrad gelenkig gelagert ist. Weiters wird das Schneidrad üblicherweise mit größerem Durchmesser ausgebildet (Überschnitt), sodass sich der sog. Steuerspalt ausbildet. Im Lockergestein sind im Überschnittbereich auch radial verstellbare Werkzeuge möglich. Ein Zentrumsschneider ist ein mit Schälwerkzeugen bestückter, meist konischer Bohrkopf im Zentrum eines Schneidrads (Durchmesser i.d.R. 15% – 20% des Schneidraddurchmessers), der dazu dient, der Verklebungsproblematik am Schneidradwerkzeug entgegenzuwirken.
Abbildung 6-18: Schemadarstellungen unterschiedlicher Schneidradformen [STUVA, 2001].
Ist eine mechanische Stützung der Ortsbrust nicht erforderlich, kann das Schneidrad als Speichenrad ausgebildet werden. Auf diese Weise wird eine gute Zugänglichkeit zu den installierten Werkzeugen erreicht. Der gelöste Boden kann zwischen den Speichen hindurch nach hinten fallen. Da jede einzelne Speiche in der Lage sein muss, den auftretenden Kräften aus Drehung und Vorschub zu widerstehen, ist eine stabile Konstruktion erforderlich. Bei inhomogenen Schichten oder beim Auftreten von Vortriebshindernissen ist dagegen ein
Felgenspeichenrad vorzuziehen, da es einseitige Überbeanspruchungen verhindert, indem es die örtlich angreifenden Kräfte über eine umlaufende Felge auf mehrere Speichen verteilt. Bei Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Dietmar ADAM
145
Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
entsprechend großem Schilddurchmesser können die Speichen begehbar gestaltet werden, sodass ein Auswechseln der Abbauwerkzeuge möglich ist. Eine geschlossene Schürfscheibe – mit vergleichsweise schmalen Durchlassschlitzen für den abgebauten Boden – bietet den Vorteil, dass eine gewisse mechanische Stützwirkung durch das Schneidrad auf die Ortsbrust aufgebracht werden kann. Weiters bietet die Schürfscheibe ausreichend Platz für die Unterbringung der erforderlichen Abbauwerkzeuge. Als nachteilig sind das große erforderliche Antriebsdrehmoment und die klassifizierende Wirkung (es wird nur Abbaumaterial das kleiner ist als die Durchlassöffnungen abtransp abtransportiert) ortiert) zu nennen.
6.3.1. Abbauwerkze Abbauwerkzeuge uge Der Bohrkopf bzw. das Schneidrad einer Schildmaschine ist mit jeweils auf den zu erwartenden Boden abgestimmten Abbauwerkzeugen bestückt. Für den Bodenabbau kommen im Regelfall folgende Werkzeugtypen bzw. Kombinationen daraus in Betracht:
Rollende (Rollmeißel) Ritzende (Reißzähne) Schälende (Rundschaftmeißel, Schälmesser) Einen Überblick über mögliche Werkzeugbestückungen soll Tabelle 6-3 verschaffen. Tabelle 6-3: Abbauwerkzeuge in Abhängigkeit der Bodenklasse [Girmscheid, 1997 – adaptiert] Nr. 1 2
3
4
5
Bodenklasse Leicht lösbare Bodenarten Nicht bis schwach bindige Sande, Kiese, etc. Mittelschwer lösbare Bodenarten Bindige Böden leichter bis mittlerer Plastizität Sande, Kiese Schluffe, Tone Schwer lösbare Bodenarten Wie 1 und 2, jedoch Korngröße > 63 mm, Steine bis 0,1 m³, Findlinge bis 1 m³ Leicht lösbarer Fels oder vergleichbare Bodenarten o Fels, bröckelig, schiefrig, weich, verwittert o Vergleichbare verfestigte, nichtbindige sowie bindige Böden Schwer lösbarer Fels, hohe Gefügefestigkeit
Abbauwerkzeug / konstruktive Gestaltung Schälmesser Durchgehende Schneidkante
Schälmesser, Stichel Zusätzlich vorauseilender Zentrumsschneider Wie bei 2 sowie Rollendisken und kleine Steinbrecher Disken Rollenmeißel Meißel Abräumzähne Disken Rollenmeißel Meißel
Abbildung 6-19: Meißelformen: a, b Ein Ein- und Zweischeiben-Diskenmeißel; c Diskenmeißel Diskenmeißel mit Hartmetallknöpfchen; d Warzen Warzen- und Zahnrollenmeißel [Maidl, 1984].
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146
Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Rollenmeißel zerstören das Gestein durch Druck, den die hohen punktförmigen Warzen oder linienförmigen Disken ausüben. Es kommt zu örtlichen Überbeanspruchungen im Gestein, dadurch entstehen Zugspannungen (radiale Risse, siehe Abbildung 6-20) die zu Abplatzungen führen. Die Abplatzungen sind in der Regel scheibenartig und werden Chips genannt.
Abbildung 6-20: 6-20: Bruchvorgänge Bruchvorgänge im Gestein durch durch Rollenme Rollenmeißel: ißel: a Warzenrollenmeißel Warzenrollenmeißel im zähen Gestein; b Warzenrollenmeißel Warzenrollenmeißel im spröden Gestein; c Diskenrollenmeißel Diskenrollenmeißel [Maidl, 1984].
6.3.2. Verklebung und Abrasivität Unter Verklebungen versteht man das Anhaften von Bodenteilchen an den Oberflächen von Maschinenbauteilen der Tunnelbohrmaschine (Schneidrad, Fördereinrichtungen etc.) und das Zusammenhaften von Bodenteilchen untereinander (Klumpenbildung und in weiterer Folge auch Brückenbildung). Das bedeutet zunächst einen erhöhten Energieaufwand für den Vortrieb, führt aber auch nicht selten zu kostenintensiven Blockaden und in der Folge zu Stillständen der Maschine. Verklebungen können beispielsweise durch die Zugabe von Polymeren und Tensiden (Konditionierungsmittel), die die Adhäsion des Materials an den Schneidwerkzeugen verringern sollen, besser bewältigt bzw. vermieden werden. Als wesentlicher Bodenparameter charakterisiert das Adhäsionsverhalten und damit die Konsistenz bzw. die Plastizität die Tendenz des Bodens zu verkleben. Neben den bodenmechanischen Eigenschaften können auch maschinentechnische bzw. baubetriebliche Beweggründe für Verklebungen verantwortlich sein. 1,5 1,4
fest fest
1,3 1,2
Hohes Verklebungspotential
halbhalbfest fest
c 1,1 I l h 1 a z z n 0,9 e t s i s 0,8 n o K 0,7
hohes Verklebungspotential
steif steif Tunnel Westerschelde
weich
mittleres Verklebungspotential
w ei eich ch
0,6 0,5
Nie edriges driges Verklebungspotentia Verklebungspotentiall niedriges Verklebungspotential
breiig
0,4
breiig
0,3 0
10
20
30
40
50
60
70
Plastizitätszahl Plastizitäts zahl lp [%]
Abbildung 6-21: Beurteilung der Klebrigkeit von Böden (Thewes, 1999) Hinweis: Nach neuer Definition Konsistenzzahl 0,25 < I < I < 0,5 „sehr „sehr weich“, I < I < 0,25 breiig. breiig.
c
c
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147
Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Abrasivität wird in der ÖN B2203-2 definiert als die „den Werkzeugverschleiß bestimmende Gesteinseigenschaft“. Der Werkzeugverschleiß (Abrasivverschleiß aber auch Gewaltverschleiß) ist mittlerweile bei maschinellen Vortrieben sowohl im Festgestein als auch im Lockergestein ein wesentlicher Leistungs- und damit Kostenparameter.
Abbildung 6-22: Extremer Verschleiß am(„secondary Werkzeug einer Suspensions-Schildmaschine, („primary wear“) und Gewaltverschleiß wear“) [Nilsen, et al., 2007]. Abrasivverschleiß
6.4.
Planung von Schildvortrieben
6.4.1. Trassierung Hinsichtlich der Trassierung in Längsrichtung sind beim maschinellen Vortrieb, aufgrund der Länge der Schildmaschine inklusive Nachläuferkonstruktion und des starren Tübbingausbaus, gewisse Mindestradien einzuhalten. Bei Kurvenradien kleiner 300 m verbessert ein Gelenk in der Schildmaschine die Steuermöglichkeit und die Qualität des Ausbaus. Die Tübbinggeometrie (Breite, Teilung, Ring- und Längsfugen) ist dementsprechend anzupassen. An die Toleranzen der Schildfahrt werden üblicherweise sehr hohe Anforderungen gestellt, wenige Zentimeter seitliche Abweichungen oder Höhenabweichungen von der Solllage sind im Lockergestein durchaus möglich.
6.4.2. Untergrunderkundung Bereits in der Aufschlussphase sind für maschinelle Vortriebe hinsichtlich der erforderlichen Untergrunderkundung einige Spezifika zu beachten. Das Untersuchungsprogramm ist daher in Abstimmung auf das vorgesehene Maschinenkonzept zusammenzustellen. Für die Erkundung der Untergrundverhältnisse im Festgestein sind neben den Kennwerten zur Beurteilung des Gebirgsverhaltens und der Stabilität des Hohlraumes auch die Einflussfaktoren auf die Bohrleistung und den Werkzeugverschleiß zu erkunden. Das Auftreten von größeren Wassermengen kann zu Problemen für den Maschinenvortrieb führen. Neben der direkten Beeinträchtigung durch den Wasserandrang kann Kluft- oder Schichtwasser auch die Gebirgs-/Bodenfestigkeit (Druckfestigkeit, Scherfestigkeit) beeinflussen. Im Lockergestein sind neben den üblichen physikalischen und mechanischen Eigenschaften auch Untersuchungen im Hinblick auf Verschleiß (Abrasivität der Minerale), Klebrigkeit, Quellverhalten,
Förder und Deponierfähigkeit und Separierverhalten durchzuführen. Besondere Bedeutung kommt auch der Wechselhaftigkeit der anstehenden Bodenschichten sowie der Häufigkeit und Größe von Steinen und eingelagerten Blöcken („Vertragsstein“) zu. Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Dietmar ADAM
148
Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Nachfolgende Tabellen sollen einen Überblick über mögliche Einflüsse der Boden- bzw. Felseigenschaften auf die wesentlichen Verfahrensprozesse des maschinellen Vortriebs verschaffen. Tabelle 6-4: Zu erkundende Baugrundeigenschaften und Angabe ihrer Einflüsse Einflüss e auf den Schildvortrieb im Festgestein [ÖVBB-Richtline Schildvortrieb, 2009] Einfluss auf Eigenschaften im Festgestein
u a b b A
t s g u r n u b z s t t r ü t O s
s g n u n e m r t l o a f r h r e e V v
x
x
g n u r e d r ö F
n o i t a r a p e S
x
x
Gesteinsfestigkeit
x
Mineralogischer Aufbau
x
Mineralhärte
x
Abrasivität
x
x
Zähigkeit
x
x
Trennflächen
x
Klüftigkeit
x
x
x
x
x
x
x x
x
x
x
x
Durchlässigkeit
x
x
Gase
x x
t - i e s h t r i e e h b r c A i s
x
Wasseranfall
Wasser- und Bodenchemismus
g - n l a u g i r r e s o t a t n M e
x
x
x
x x
x
x
x
x
x
x
x
x
Tabelle 6-5: Zu erkundende Baugrundeigenschaften und Angabe ihrer Einflüsse Einflüss e auf den Schildvortrieb im Lockergestein [ÖVBB-Richtline Schildvortrieb, 2009] Einfluss auf Eigenschaften im Lockergestein
Kornverteilung Kornform Steine Lagerungsdichte Konsistenz mineralogische Zusammensetzung Chem./mineralogische Verfestigungen Klebrigkeit Abrasivität Grundwasser Durchlässigkeit Bodenschichtung Scherfestigkeit Natürlicher Wassergehalt Gase Wasser- und Bodenchemismus
u a b b A
x x x x x x x x x
x
t s g u r n u b z s t t r ü t O s
s g n u n e m r t l o a f r h r e e V v
x x x x
g n u r e d r ö F
n o i t a r a p e S
g - n l a u g i r r e o t s a t n M e
t - i e s t r i h e e h b r c A i s
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6.5.
Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Der maschinelle Vortrieb
6.5.1. Stützdruckberechnung Bei mittlerer bis hoher Standzeit des Bodens kann im Festgestein und im Lockergestein auf eine Stützung der Ortsbrust verzichtet werden, allenfalls wird zur Grundwasserverdrängung Druckluft eingesetzt. In allen anderen Fällen muss die Stabilität der Ortsbrust gewährleistet werden, indem der so Kräfte eingestellt dass er im Gleichgewicht demeinen vorhandenen Druck Stützmediums äußeren des Druck steht. Wenn die nicht wird, mehr im Gleichgewicht sind, kann mit auf der Seite bei zu geringem Druck die Ortsbrust instabil werden, auf der anderen Seite kann es durch einen zu hohen Druck zu Ausbläsern des Stützmediums kommen. Eine exakte Ermittlung des Erddrucks zufolge des Bodeneigengewichts ist aufgrund der räumlichen Tragwirkung des Bodens und der Verformbarkeit der Ortsbrust nicht möglich. Es werden daher in den verschiedenen Berechnungsmodellen idealisierende Annahmen getroffen, um die Belastung zufolge Erddruck zu ermitteln (siehe dazu Vorlesung Grundbau und Bodenmechanik, sowie Kapitel 4.3.1). Die Annahme des Wasserdrucks erfolgt als hydrostatische Druckzunahme mit der Tiefe. Auf Grundlage der berechneten angreifenden Erd- und Wasserdruckkräfte wird der Stützdruck an den maßgebenden Berechnungsquerschnitten und in Abhängigkeit vom jeweiligen Betriebszustand so festgelegt, dass die erforderlichen Nachweise
der inneren Standsicherheit, der äußeren Standsicherheit und gegen Bodenaufbruch und Ausbläser an der Orstbrust erfüllt sind. Die Wahl des Berechnungsansatzes und der Nachweisführung sind im deutschsprachigen Raum nicht einheitlich geregelt. Beim Schildvortrieb mit suspensionsgestützter Orstbrust werden die Ansätze für die Standsicherheitsnachweise der Schlitzwandtechnologie angewendet (siehe dazu auch Vorlesung Grundbau und Bodenmechanik). Demnach wird die innere Standsicherheit ( „Sicherheit gegen Abgleiten von Einzelkörnern oder Korngruppen“) und die äußere Standsicherheit ( „Sicherheit gegen den Schlitz gefährdende Gleitflächen im Boden“) nachgewiesen. Bei der Nachweisführung gegen Bodenaufbruch und Ausbläser finden entweder das Modell der totalen Spannungen oder das Reststützdruck-Modell Anwendung. Der erforderliche globale Sicherheitsbeiwert wird dabei in der Literatur im Bereich von = 1,1 – 1,2 angegeben. Ansatz der totalen Spannungen:
mit
z w z p 0
z … Spannungen aus Bodenauflast (effektiv) w·z … Wasserdruck in der Tiefe z p0 …
Stützdruck an der Tunnelfirste
Ansatz des Reststützdruckes:
mit
z
z Sr p 0 p w 0
z … Spannungen aus Bodenauflast (effektiv)
Sr …
Reststützdruck an der Firste
p0 …
Stützdruck an der Tunnelfirste
pw0 … Wasserdruck in Höhe der Firs Firste te Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Dietmar ADAM
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Unabhängig von dem gewählten statischen Ansatz der Kräfte übernimmt die Spannung aus Bodenauflast beim Nachweis der Aufbruch- und Ausbläsersicherheit eine wichtige stützende Funktion.
6.5.2. Aus- und Einfahrsicherung Einfahrsicherung Zu Beginn eines maschinellen Vortriebs im Festgestein liegt aufgrund der Gebirgstopografie zumeist eine grundsätzlich andere Anfahrsituation vor sind als bei im der Lockergestein. Oberflächennah anstehende instabile Gebirgsformationen (z.B. Hangschutt) Projektplanung ebenso zu beachten, wie die Forderung einer ausreichenden Firstüberdeckung. Derartige Randbedingungen können es unter Umständen erforderlich machen, den Anfahrbereich (bzw. ggf. auch den Durchschlagsbereich) vorab konventionell (nach den Grundsätzen der NATM) oder mittels Voreinschnitt in offener Bauweise herzustellen. Im Lockergestein wird ein Schildvortrieb üblicherweise von einem Startschacht aus begonnen bzw. in einem Zielschacht beendet. Liegt die Vortriebstrasse unter dem Grundwasserspiegel, sodass der Einsatz einer geschlossenen Schildmaschine erfolgt, sind gesonderte Maßnahmen zur Aus- bzw. Einfahrsicherung erforderlich, um den Gradient des Wasserdrucks zu beherrschen. Der Grundwasserdruck hinter der Baugrubenwand steht den atmosphärischen Bedingungen im Schacht gegenüber. Zusätzlich muss berücksichtigt werden, dass Stahlbewehrung der Schachtumschließung oder Stahlspundbohlen etc. üblicherweise nicht vom Abbauwerkzeug der Schildmaschinen durchörtert werden diesem Grund muss bzw. Einfahrquerschnitt Stahlteilen gehalten können. werden, Aus wodurch insbesondere bei der tiefenAusSchächten Sondermaßnahmenfrei zur von Aufnahme des anstehenden Erd- und Wasserdrucks erforderlich sind. Eine praxiserprobte Möglichkeit zur Aus- bzw. Einfahrsicherung bei Schildvortrieben stellen erdseitig angeordnete Dichtblöcke dar, die die auftretenden Erd- und Wasserdrücke nach dem („händischen“) Öffnen der Schachtwand und Entfernen der statischen Bewehrung aufnehmen und gleichzeitig die erforderliche Abdichtfunktion erfüllen, bis der hergestellte Tübbingtunnel ausreichende Länge dafür besitzt. Eine andere Möglichkeit ist der Einbau von Glasfaserbewehrung (GFK-Bewehrung) in den zu durchörternden Bereichen der Baugrubenwand. Die Glasfaser-Stabbewehrung hat ähnliche Zugfestigkeitseigenschaften wie Stahl, bringt jedoch den wesentlichen Vorteil der Spanbarkeit mit sich. Somit ist es den Schneidwerkzeugen der Tunnelvortriebsmaschine möglich, die SchlitzwandAußenschale rotierend zu durchörtern. Zusätzlich sind zumeist innen liegende Dichtkonstruktionen (z.B. Anfahrbrille, unbewehrter Dichtblock) erforderlich. Schließlich sind auch Sonderverfahren, wie beispielsweise ein vorgesetzter Dichttopf zum Aufbrechen der Schachtwand unter Druckluft oder eine Grundwasserabsenkung zur alleinigen oder ergänzenden Aus- bzw. Einfahrsicherung, möglich.
Möglichkeiten für außenliegende Dichtblöcke zur Aus- bzw. Einfahrsicherung Die Unstetigkeitsstelle, die entsteht, wenn sich die Schildmaschine durch die Schachtwandung in den Boden arbeitet, bis die ersten Tübbingringe gegen die Schachtwand hin abgedichtet werden können (i.d.R. mittels Injektionen), muss überbrückt werden, wofür verschiedene Möglichkeiten bestehen. Bei erosionsstabilen Böden und geringem Wasserdruck kann eine Bodenverbesserung (z.B. mittels Rütteldruckverfahren, Niederdruckinjektionen usw. (siehe dazu Vorlesung Grundbau und Bodenmechanik) hinter der Ausfahrwand bereits ausreichend sein. Bei hohen Wasserdrücken und erosionsgefährdeten Böden ist es Stand der Technik, dass in jeder Phase der Anfahrsituation zwei unabhängige redundante Dichtebenen wirksam sind. Die erste Sicherheitsebene ist ein erdseitig angeordneter Dichtkörper, angeordnete sog. Anfahrbrille (Lippendichtung) unterstützt wird. welcher durch eine im Schacht
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Zur Herstellung des vorgelagerten Dichtkörpers kommen folgende Verfahren in Betracht:
Düsenstrahlverfahren überschnittene und unbewehrte Schlitzwandlamellen oder Bohrpfähle „konventionelle“ Herstellung eines Betonblocks, z.B. temporäre Spundwandsicherung und Unterwasserbetonblock
Dichtwandkasten mittels Schlitzwandlamellen oder Bohrpfählen (ev. mit ergänzender innen liegender Wasserhaltung) oder DSV-Lamellen, Schmalwände etc.
Bodenvereisung Senkkastenlösungen
Abbildung 6-23: Schemadarstellung eines Dichtwandkastens mit vorgelagertem Verfestigungskörper [Schwarz, 2005].
Bei allen Verfahren zur Herstellung eines Dichtblocks muss berücksichtigt werden, dass ein unbeabsichtigt verbleibender Stahlteil im Ausfahrquerschnitt (z.B. verlorenes Bohrgestänge, nicht mehr zu ziehende Spundbohle etc.) zu massiven Problemen beim Anfahr- (bzw. Einfahr-)vorgang führt! Einfahren in einen Zielschacht (unterhalb des Grundwasserspiegels) Für das Einfahren in den Zielschacht stehen im Prinzip dieselben Maßnahmen zur Verfügung wie beim Ausfahren aus dem Startschacht. Atmosphärische Bedingungen im Zielschacht sind während des Einfahrvorganges jedoch nicht zwingend notwendig. Ist der Einfahrquerschnitt der Schachtwand frei von Stahlteilen (z.B. indem in diesem Bereich GFK-Bewehrung vorgesehen wurde), kann in den aufgefüllten und/oder gefluteten Zielschacht eingefahren werden und der Grundwasserdruckgradient wird somit ausgeglichen bzw. zumindest reduziert. Der „Vortrieb“ erfolgt dann im Zielschacht so lange, bis der letzte Tübbingring gegen die Schachtwandung abgedichtet werden kann (z.B. mittels Injektionen vom Schild aus). Anschließend wird der Schacht ausgehoben bzw. gelenzt und die Schildmaschine kann geborgen werden.
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Abbildung 6-24: Beispiele für Schildeinfahren in Zielschächte [Japanese Standard for Shield Tunneling, 2001].
Dichtungssysteme Einfachdichtung Verwendung bei größeren Tunneldurchmessern Vorteile:
Geringeres Gewicht der Dichtung, Stahlbau zur Befestigung der Dichtung ist nicht so stabil ausgebildet.
Ausgleich größerer Toleranzen im Stahlbau der Anfahrdichtung bei der TBM und bei der Anfahrsituation der Maschine ist erforderlich. Nachteile:
Zwei separate Dichtungsaufnahmen im Stahlbau werden benötigt. Montageaufwand ist größer. Doppellippendichtung Verwendung bei kleineren Tunneldurchmessern Vorteile:
Es wird nur eine Dichtungsaufnahme (Stahlbau) benötigt, dadurch geringerer Stahlbauaufwand. Montageaufwand der Dichtung ist geringer. Nachteile:
Der Abstand der einzelnen Lippen ist geometrisch vorgegeben, d.h. nur dieser Abstand kann zum Toleranzausgleich genutzt werden
Das Gewicht ist höher. 6.5.3. Massen-/Volumen Massen-/Volumenbilanz bilanz zur Aus Aushubkontrolle hubkontrolle Bei der Volumen- oder Massenbilanz, die ein wesentliches Kontrollsystem im maschinellen Tunnelbau ist, wird der tatsächliche Aushub (z.B. pro Hub) der theoretisch hergestellten Hohlraumkubatur im selben Abschnitt gegenüber gestellt. Auf diese Weise lassen sich unerwünschte
Auswirkungen des Tunnelvortriebs (z.B. Hohlraumbildung außerhalb der Tunnelauskleidung und ggf. daraus resultierende Geländesetzungen bei Mehraushub bzw. Geländehebungen bei Minderaushub) rechtzeitig erkennen und im Vortrieb können ggf. entsprechende Gegenmaßnahmen ergriffen werden. Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Dietmar ADAM
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Die Aufzeichnung der Aushubmengen (Massen- oder Volumenstrom) während der Schildfahrt ist, neben anderen wesentlichen Maschinendaten, als Teil der Qualitätssicherung und -dokumentation des Vortriebs zu betrachten. Alle Bilanzierungssysteme zur Aushubkontrolle vergleichen einen Zahlenwert für den effektiv geförderten Boden mit einem theoretischen Sollwert. Derartige Bilanzen können jedoch nur so genau sein, wie es gelingt, den theoretischen Sollwert exakt zu ermitteln, der im Lockergestein ganz entscheidend von der Lagerungsdichte abhängig ist und im Festgestein von der Kluftgröße, -anzahl etc.
6.5.3.1. Möglichkeiten der Volumenbilanz Bei allen Varianten einer Volumenbilanz bei Erddruckschilden kann als Zahlenwert für das eindringende Volumen nur ein oberer Grenzwert angegeben werden. Dieser Grenzwert ergibt sich aus dem Ausbruchsquerschnitt multipliziert mit der Vortriebsgeschwindigkeit. Er entspricht damit dem Volumen der Bodenkörner und dem Porenvolumen, auch wenn gemäß dem Stützprinzip der abgebaute Boden in der Förderschnecke so undurchlässig sein soll, dass nur Boden ausgetragen und eventuelles Grundwasser zurück gehalten wird. Gegebenenfalls ist die Zugabe von Konditionierungsmittel mit zu berücksichtigen. Eine Volumenbilanz über die Messung der Umdrehungen der Förderschnecke sollte aufgrund zu hoher Unsicherheiten unterlassen werden.
Volumenbilanz über Durchflussmes Durchflussmessungen sungen Bei Tunnelvortriebsmaschinen mit flüssigkeitsgestützter Ortsbrust (oder auch nur mit Nassförderung des Bohrguts) werden sowohl in der Speiseleitung als auch in der Förderleitung Durchflussmengenzähler installiert. Bei der Bilanzierung wird für jeden Vortriebszyklus die Differenz der zu- und abgeführten Volumenströme ermittelt. Die Volumenbilanz beinhaltet die grundsätzliche Problematik, die in den umgebenden Boden abfließende Suspensionsmenge nicht zu kennen. Gleichzeitig tritt auch Grundwasser über die Ortsbrust in die Abbaukammer ein. Die Menge ist abhängig von der Eindringtiefe der Stützsuspension und von der Penetrationstiefe der Abbauwerkzeuge, jedoch nicht eindeutig quantifizierbar. Die Aussagekraft der Volumenbilanz beim flüssigkeitsgestützten Schildvortrieb wird deshalb geringer als die einer Massenbilanz (Wägung des separierten Aushubmaterials) erachtet.
Volumenbilanz über Zählung der gefüllten Aushubwagen Die Zählung der gefüllten Aushubwagen ist eine gängige Vorgehensweise beim Vortrieb mit offenen Schilden undversehen, bei Erddruckschilden. Üblicherweise sind die Wagen an der Innenwand mit einer Markierung bis zu der sie mit Aushub befüllt werden. Auflockerungsfaktor (Schüttdichte), Quelleffekt und Bodenkonditionierung beeinflussen das Ergebnis, können aber bei vergleichenden Analysen der Ringwerte, bei gleichbleibenden Bodenverhältnissen, vorsichtig abgeschätzt werden.
Volumenbilanz über Zählung der Kolbenhübe bei Verwendung von Dickstoffpumpen Bei Anordnung einer Dickstoffpumpe als Verschlussorgan am Austrag des Schneckenförderers kann aus den Hubzahlen der Pumpe pro Vortrieb auf das geförderte Volumen unter der Voraussetzung geschlossen werden, dass das mögliche Fördervolumen der Pumpe vollständig genutzt werden kann. Der Förderzustand der Dickstoffpumpe ist abhängig von der vorgeschalteten Förderschnecke, der momentanen Bodenbeschaffenheit und den Druckverhältnissen.
6.5.3.2. Möglichkeiten der Massenbilanz Alle Varianten der Massenbilanz beim Erddruckschild basieren auf einer Wägung des Aushubmaterials. Es wird der komplette Aushub erfasst, ein eventuell mit ausgetragener Wasseranteil geht in das Messergebnis mit ein. Als Zahlenwert für die in die Abbaukammer eindringende Masse können deshalb nur Grenzwerte angegeben werden. Als unterer Grenzwert fungiert die Feststoffmasse
der Bodenkörner. Den oberen Grenzwert stellt die Feststoffmasse des Aushubs zuzüglich der Masse des Wassers für den Vortriebszyklus dar. Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Dietmar ADAM
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Generell ist die Durchführung einer Massenbilanz, einer Volumenbilanz vorzuziehen, da Auflockerungsfaktor und Quelleffekt des geförderten Bodens nicht berücksichtigt werden müssen. Als vorteilhaft bei der Massenbilanz erweist sich die einfache, vergleichsweise genaue Erfassung der Konditionierungsstoffe, sowohl auf der theoretischen Eingangsseite als auch auf der messtechnischen Seite beim Wiegen des Aushubs.
Massenbilanz über Wägung des Aushubs mit Bandwaagen Die Bandwaage ist üblicherweise bereits im Nachläufer der Schildmaschine innerhalb des Förderbands installiert. Anbackungen von bindigem Fördermaterial am Fördergurt, welche mehrfach in die Messung eingehen würden, werden durch die Installation von Abstreifern vermieden.
Massenbilanz über Wägung der Aushubwagen Zur Wägung der Aushubwagen kann z.B. direkt unter der Abwurfstelle des Förderbands eine Schienenbrücke auf Wägezellen angeordnet werden. Bei Anhaftungen von bindigem Bodenmaterial an den Aushubwagen werden diese jeweils leer und gefüllt gewogen und daraus resultierende Abweichungen erfasst.
Massenbilanz über Wägung am Portalkran des Startschachts oder der LKW bei Materialübergabe Bei der Wägung am Portalkran besteht noch die Möglichkeit der Zuordnung der Messwerte zum jeweiligen Vortriebszyklus. Bei der Wägung der LKW kann im Allgemeinen ein Massenvergleich nur über einen gewählten Zeitraum, z.B. z .B. 24 Stunden, durchgeführt werden. Auf diese Weise ist eine grobe, überschlägige Aushubkontrolle mit einem Zeitversatz möglich, eine Rückkoppelung der Ergebnisse auf die Vortriebsweise (z.B. Stützdruckkorrektur) kann in der Regel nicht mehr erfolgen.
Massenbilanz über Wägung des separierten Aushubmaterials Bei Suspensionsschilden wird in der Separieranlage die Stützflüssigkeit vom Aushubmaterial getrennt. Zur Massenbestimmung des separierten Aushubmaterials wird am Ausgang der Separieranlage eine Bandwaage installiert, welche in Kombination mit der Bandgeschwindigkeit die transportierte Gesamtmasse ermittelt. Bei dieser Methode ist von Nachteil, dass die Masse des Bodenaushubs der einzelnen Vortriebszyklen zeitversetzt ermittelt wird, da erst der Materialdurchgang durch die Förderleitung und die Separieranlage abgewartet werden muss. Gerade bei längeren Vortrieben liegt das Messergebnis unakzeptabel spät vor. Weitere Fehlerquellen sind z.B. das Anbacken von bindigem Bodenmaterial am Fördergurt der Bandwaage oder der in der Suspension verbleibende Feinstanteil des Aushubs. Der Wasseranteil Aushubmaterial ist abhängig von der Kornverteilung geförderten Bodens und im vomseparierten Betrieb der Separationsanlage und kann somit ebenfalls dasdesMessergebnis verfälschen.
Feststoffmassenb Feststoffmassenbilanz ilanz über Dichte- und Durchflussmess Durchflussmessung ung Jeweils an der Speise- und an der Förderleitung werden mit einer gleichzeitig durchgeführten induktiven Durchflussmessung und einer radiometrischen Dichtemessung die Feststoffmasseströme ermittelt. Für die Feststoffmasse, die theoretisch während eines Vortriebszyklus vom Schneidrad abgebaut wird, sind die Messung der tatsächlichen Vortriebsstrecke (Pressenhub) und die Kenntnis Lagerungsdichte im Vortriebsbereich notwendig. Um die messtechnischen Fehlereinflüsse sowie die Bandbreite der Lagerungsdichte zu berücksichtigen, wird beim Tunnelvortrieb entweder das Messergebnis auf einer Kalibrierstrecke mittels eines Proportionalitätsfaktors der zu erwartenden Feststoffmenge angepasst oder die Auswertung der Vortriebszyklen erfolgt durch Vergleich mit den Werten der vorangegangenen Vortriebszyklen (qualitative Massenbilanzkontrolle).
6.5.4. Ringspaltverpre Ringspaltverpressung ssung
Der sog. Ringspalt befindet sich an der Außenwand der maschinell hergestellten Tunnelröhre, zwischen Tübbing und Gebirge. Er setzt sich aus dem Maß des Schneidrad-Überschnitts (Steuerspalt), Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Dietmar ADAM
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
der Schildkonizität, der Dicke des Schildmantels sowie der Dicke der Schildschwanzfuge zusammen und kann zwischen 8 cm bis 25 cm dick sein. Verformungen des Tübbingrings können die Ringspaltdicke ebenfalls beeinflussen.
Abbildung 6-25: Entstehung des Ringspalts [Schmitt/Stahlmann, 2009].
Ziel ist es, beim Auffahren eines Tunnels den ursprünglichen Spannungszustand im umgebenden Gebirge weitgehend zu erhalten, bis die Tunnelauskleidung kraftschlüssig mit dem Gebirge eingebaut ist. Dazu muss die Schildschwanzfuge zeitgleich mit dem Vorschub der Vortriebsmaschine unter einem vorbestimmten auf den Primärspannungszustand abgestimmten und konstanten Druck verpresst werden. Dadurch wird verhindert, dass sich das Gebirge in den Ringspalt hinein verformt, wodurch es sich entspannen und auflockern würde. Das Verpressmaterial wird während des Vorschubs durch mehrere am Umfang des Schildmantels verteilte Öffnungen in den Ringspalt eingepresst. Die elastische Schildschwanzdichtung (Gummioder Bürstendichtung) hindert das Verpressmaterial am Eindringen in die Schildmaschine zwischen Tübbingaußenseite und Schildmantel. Wird zu wenig Verpressmaterial zugeführt, fällt der Verpressdruck ab, wobei Boden und Grundwasser in den Ringspalt eindringen können, was Setzungen an der Geländeoberfläche zur Folge hätte. Wird zu viel zugeführt, steigt der Verpressdruck über das vorgesehene Maß an und Hebungen können entstehen. Aus diesem Grund erfolgt die Ringspaltverpressung i.d.R. volumen- und druckgeregelt. Als Verpressmaterial können Zementmörtel, Zweikomponenten-Mörtel (mit Härter) oder Trockengranulat (sog. Perlkies) verwendet werden.
6.5.5. Vortriebsunterbrechungen Vortriebsunterbrechungen sind Stillstandszeiten, die nicht dem Vortrieb bzw. Ringbau zuzuordnen sind. Es sind planmäßige und unplanmäßige Unterbrechungen zu unterscheiden. Als planmäßige Vortriebsunterbrechungen sind gemäß ÖVBB-Richtlinie Schildvortrieb folgende, stetig wiederkehrende Ereignisse definiert:
Wartungs- und Reinigungsarbeiten Geplante Reparaturarbeiten Logistikarbeiten (Band-, Hochspannungskabelverlängerung etc.) Begehung der Abbaukammer (Werkzeugkontrolle etc.) Umrüsten der TVM, Wechsel des Vortriebsverfahrens und der Betriebsweise Als unplanmäßige Vortriebsunterbrechungen sind ebendort als nicht im Vorhinein erkennbare Stillstände definiert. Als Ursachen kommen in Betracht:
Bewältigung von Vortriebshindernissen Instabilitäten der Ortsbrust und der Tunnelleibung, Festfahren der TVM
Unzulässige Setzungen Wasser-, Schlammeinbruch, Gasvorkommen Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Dietmar ADAM
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Geologische Störzonen (Erkundung) Ausfall von bzw. Schäden an Maschinenkomponenten Ausfall von Versorgungs- und Logistikeinrichtungen Unsachgemäße Bedienung (Fehlfahrt der TVM) Unplanmäßige Mehrförderung von Ausbruchmaterial Schäden des Ausbaus (unzulässige Verformungen, Risse, Abplatzungen) Unfall, Brand Arbeiten in der Abbaukammer erfordern während diesem Zeitraum eine entsprechende Sicherung bzw. Stützung der Ortsbrust, um die Sicherheit des Personals Personals zu gewährleisten und evtl. Schädigungen von Gebäuden an der Geländeoberfläche zu minimieren. Bei druckhaltenden Schildmaschinen (Flüssigkeits- und Erddruckschilden) erfolgt die Stützung der Ortsbrust im Einstiegsfall durch den Einsatz von Druckluft. Dazu wird die Abbaukammer teilweise oder vollständig vom Stützmedium geleert und gleichzeitig mit Druckluft beaufschlagt (statischer Nachweis erforderlich!). In kohäsionslosen Böden bewirkt der Filterkuchen, der sich infolge der Flüssigkeitsstützung während des Vortriebs ausbildet hat, eine luftundurchlässige Schicht an der Ortsbrust. Erforderlichenfalls wird auch die Ortsbrust beim Erddruckschild vor/während der Druckluftbeaufschlagung mit Bentonitsuspension „versiegelt“. Für den Einstieg des Personals in die Abbaukammer sind alle für Druckluftarbeiten erforderlichen Einrichtungen und Sicherheitsvorkehrungen vorzusehen (siehe Kapitel 5.3.6.3). Die Schildmaschinen haben hierzu eine entsprechende Druckluftschleuse und Zugangsmöglichkeiten zum Schneidrad zumeist fix installiert. Zusätzlich zu den vorgenannten Maßnahmen ist eine Erhöhung der Ortsbrustsicherheit, z.B. durch Bodenertüchtigungsmaßnahmen von der Maschine bzw. von Obertage aus, möglich. Die Schildmaschine muss die dafür erforderlichen konstruktiven Anforderungen erfüllen. Eventuelle Maßnahmen von Obertage sind planerisch zu berücksichtigen.
6.5.6. Ausbläser Bei zu geringer Überdeckungshöhe besteht bei Druckluftschilden oder bei Erddruck- und FlüssigkeitsSchilden im Betriebszustand Druckluftstützung beim Einstieg in die Abbaukammer die Gefahr eines Ausbläsers. Dabei dringt Luft aufgrund des Druckgefälles in den Boden ein und versetzt die Bodenteilchen in ein labiles Gleichgewicht, da die aufströmende Luft der Gewichtskraft des Bodens entgegenwirkt. Die Druckluft entweicht explosionsartig und es kommt zu einem Wassereinbruch in die Abbaukammer.
Abbildung 6-26: Betriebszustand Druckluftstützung beim Hydroschild [Babendererde Ingenieure, 2009].
Um die Ausbläsergefahr (siehe Kapitel 6.5.1) zu reduzieren – etwa bei Gewässerunterquerungen – kann vorsorglich ein abgestufter Belastungsfilter an der Geländeoberfläche (Gewässersohle) aufgebracht werden. Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Dietmar ADAM
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6.6.
Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Tunnelausbau mittels Tübbingen
Die Auskleidung eines maschinell aufgefahrenen Tunnels erfolgt in der Regel mit sog. Stahlbetontübbingen, die im Schildbereich (hinter der Druckwand, unter atmosphärischen Druckverhältnissen) mittels Erektor zu einem Ring zusammen gebaut werden. Gusseisen war lange Zeit, heute als duktiler Sphäroguss bekannt, das vorherrschende Material für TübbingTunnelauskleidungen (z.B. U-Bahnlinie U1 in Wien, Bereich Karlsplatz). Heute werden, zumeist für Sonderverwendungen (z.B. Öffnungen für Querschläge), auch Stahltübbinge hergestellt. Bei besonderen Brandschutz-Anforderungen werden beispielsweise auch Faserzement-Tübbinge verwendet (z.B. U-Bahnlinie U1 in Wien, Bereich Kagraner Platz).
Abbildung 6-27: Bezeichnungen beim Tübbingausbau [STUVA, 2001].
Die Vorteile eines Tübbingausbaues liegen in der sofort nach dem Einbau zur Verfügung stehenden Tragfähigkeit, der Geometrietreue und der einfach zu kontrollierbaren Qualität. Als Nachteile sind die praktisch nicht gegebene Flexibilität in der Geometrie, der fehlende Schubverbund zum Gebirge und die wegen des Produktionsvorlaufes geringe Abstimmbarkeit auf die jeweiligen Gebirgsverhältnisse zu nennen. Der Tübbingeinbau in der Schildmaschine erfolgt mit Hilfe eines sog. Erektors, welcher zumeist mit Vakuumsaugplatten die einzelnen Tübbingsteine aufnimmt und positioniert.
Tübbingtunnel haben grundsätzlich (aufgrund des fixen Schilddurchmessers) einen über die gesamte Länge gleichbleibenden Durchmesser. Durchmesser in Ausnahmefällen durchwird, ein Spreiztübbingsystem realisiert werden,Variable wobei als Schlusssteinkönnen ein Spreizelement eingesetzt welches den Tübbingring an das umgebende Gebirge anpresst.
Doppelte Dichtungsbahnen
Erektor Verschraubungslöcher Holzdübel als Zentrierhilfe Spanholzplatten zur Druckverteilung
Abbildung 6-28: Ringbau [ÖBA WSKE, 2004].
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Der Schlussstein ist das Segment welches beim Ringbau zuletzt eingesetzt wird und somit den kompletten Ring schließt und zentriert. Er ist i.d.R. keilförmig. Es gibt auch Tübbingkonstruktionen bei denen auf einen Schlussstein verzichtet verzichtet wird (siehe Abbildung 6-29). 6-29). Zur Lagesicherung werden die Tübbinge temporär gegenseitig verschraubt, die Verschraubungen können i.d.R. im Nachläuferbereich wieder gelöst werden. Nur in den Portalbereichen und bei Sonderbauwerken (Querschläge, Nischen, etc.) bleiben die Tübbinge gegebenenfalls permanent verschraubt. Zur dauerhaften Übertragung von Querkräften werden sog. „Topf-Nocke-Systeme“ ausgebildet. Der verbleibende Spalt zwischen Tübbingaußenseite und Gebirge wird über Injektionsöffnungen im Schildschwanz oder direkt über Öffnungen im Tübbing kontinuierlich z.B. mit Mörtel verpresst (siehe Kapitel 6.5.4). Bei Tunnelvortrieben unterhalb des Grundwasserspiegels sind spezielle Dichtkonstruktionen an den Tübbingfugen vorzusehen. Eine zweischalige Ausführung eines maschinell aufgefahrenen Tunnels ist ebenfalls möglich. Hinsichtlich der Innenschalenausbildung sind die Ausführungen in Kapitel 5 sinngemäß zu beachten.
6.6.1. Tübbingherstellung Stahlbetontübbinge werden als Betonfertigteile im Werk vorgefertigt. In Bezug auf den TübbingBeton werden Anforderungen an die Festigkeitsklasse und Expositionsklassen, sowie – je nach Herstellungsverfahren – an die Frühfestigkeitsentwicklung gestellt. Neben den Anforderungen an den Baustoff Beton werden auch Qualitätskriterien an die Oberfläche von Tübbingen gestellt. Die ÖVBB-Richtlinie Tübbingsysteme aus Beton legt darüber hinaus weitere Anforderungen an die Produktion fest, z.B. hinsichtlich Schalungen, Manipulation und Lagerung im Werk, sowie Prüfungen und Produktionskontrollen. Üblicherweise kann jeder einzelne Stein vom Zementwerk, bzw. Steinbruch der Zuschlagstoffe, über den Tag und die Stunde der Betonierung bis hin zum Einbau in den Tunnel nachverfolgt werden. Diese aufwendige Qualitätssicherung ist – insbesondere beim einschaligen Tübbingausbau – dadurch zu begründen, dass ein einmal eingebauter, schadhafter Tübbingstein nur mit größtem Aufwand saniert oder sogar ausgetauscht werden kann.
6.6.2. Tübbingformen Gemäß ÖVBB-Richtlinie „Tübbingsysteme aus Beton“ werden rechteckige, trapezförmige, rhomboidale und hexagonale Tübbinggeometrien unterschieden. In Abbildung 6-27 sind Blocktübbinge schematisch dargestellt, weitere mögliche – jedoch seltener eingesetzte – Tübbingformen sind in Abbildung 6-29 gezeigt.
Wendeltübbinge
Tübbinge in Achtform
Abbildung 6-29: Mögliche Tübbinggeometrien [STUVA, 2001].
Zur Realisierung von Raumkurven der Tunneltrasse gibt es ebenfalls verschiedene Möglichkeiten.
Bei Parallelringen können Richtungskorrekturen und Kurvenfahrten (eingeschränkt) durch Beilagen in den Ringfugen, oder durch Einbau von Korrekturringen bewerkstelligt werden. Tübbingdichtungssysteme sind dann nur mehr aufwendig realisierbar. Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Dietmar ADAM
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Häufiger werden planmäßige Raumkurven der Tunneltrasse durch den Einsatz von sog. Rechts-LinksTübbingsystemen oder durch Universalring-Systeme realisiert. Hierbei ist die Tübbinggeometrie derart, dass die Ringfuge beidseitig oder einseitig zur Orthogonalen der Tunnelachse abgewinkelt ist. Durch Rotation des Tübbingrings kann eine beliebige Raumkurve, mit gegebenem minimalen Systemradius realisiert werden.
Abbildung 6-30: Möglichkeiten der gekrümmten Tunnelführung mit Tübbingauskleidung, Tübbingauskleidung, schematisch. Links: Uni-Ring. Rechts: Parallel-, Rechts- und Linksring. [STUVA, 2001].
Die Vorteile der Uni-Ring bzw. Links-Rechts-Ringsysteme liegen in der vergleichbaren hohen Flexibilität (z.B. hinsichtlich Korrekturfahrten) und insbesondere sind gedichtete Tübbingschalen ausführbar. Als nachteilig kann sich der erhöhte Logistik-Aufwand herausstellen (Gefahr von Fehlversatz), bei Links-Rechts-Ringen sind verschiedene Schalungssätze bei der Tübbingherstellung notwendig.
Sohltübbinge Bei maschinellen Vortrieben im Festgestein mit konventionellem Ausbau (Spritzbeton, etc.) werden häufig sog. Sohltübbinge eingesetzt, die während der Bauphase dem Nachläufer als Gleisfahrbahn dienen und für das endgültige Bauwerk bereits die Einbauten enthalten (z.B. Sohldrainage etc.).
Abbildung 6-31: Kombinierter Ausbau Spritzbeton mit Sohltübbingen – Lötschberg Basistunnel.
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
6.6.3. Tübbingbemessung Zur Bemessung der Tunnelausk Tunnelauskleidung leidung kommen grundsätzlich analytische Verfahren, Kontinuumsoder Diskontinuumsmodelle sowie gebettete Stabwerksmodelle (siehe Kapitel 4) in Frage. Der Einsatz von Schildmaschinen macht es jedoch i.d.R. erforderlich, dass die Vortriebs- und Steuerkräfte in den Tübbingring eingeleitet werden. Die Tübbingringe sind daher in jedem Fall für diese Kräfte zu bemessen (ausgenommen Doppelschild TBM, wenn die Einleitung der Vortriebskräfte über die Gripperverspannung radial in das umliegende Gebirge erfolgt). Die RVS 09.01.31 gibt beispielsweise folgende zusätzliche Einwirkungen an, welche bei einer Tübbingauskleidung zu berücksichtigen sind:
Anpressdrücke der Vortriebspressen Lasten aus der Ringspaltverpressung Lasten aus Zusammendrückung der Dichtungen Lasten beim Transport der Tübbinge Lasten aus dem Einbau der Tübbinge 6.6.4. Fugenausbildung Die Wahl der Tübbinggeometrie bestimmt die Fugenausbildung und Einbaubedingungen. Tabelle 6-6: Tübbinggeometrie [RVS 09.01.31]
Geometrie
Längsfuge
Ringfuge
Schlussstein
Einbaufolge
Rechteckig
versetzt
durchgehend
erforderlich
Ring für Ring
Rhomboidal
versetzt
durchgehend
erforderlich
Ring für Ring
Trapezförmig
versetzt
durchgehend
nicht erforderlich
Ring für Ring oder kontinuierlich
Hexagonal
verzahnt / durchgehend
verzahnt / durchgehend
nicht erforderlich
kontinuierlich
Tabelle 6-7: Kriterien der Anwendung verschiedener Fugenarten [RVS 09.01.31]
Fugenart
Anwendung
Vorteile
Nachteile
Vollflächig ebene Fuge
Für nicht gedichtete, niedrig belastete Ringfugen
Schalungstechnisch einfache Lösung
Schäden bei geringfügiger Verkantung
Ebene Teilflächenfuge
Für gedichtete Ringfugen und niedrig belastete Längsfugen (konvex/konkav oder konvex/konvex)
Zentrale Lastübertragung, gut mit Selbstzentrierung kombinierbar
Kerbbeanspruchung bei geringfügiger Verkantung
Für hochbelastete Längsfugen
Zentrale Lastübertragung auch bei geringfügiger Verdrehung und/oder Ausmittigkeit
Spaltzugbewehrung erforderlich
Wälzgelenkfuge
Selbstzentrierende Selbstzentr ierende Fuge
Schäden bei nicht
Für Längs- und Ringfugen
Systemsteifigkeit der Tübbingauskleidung
exaktem Einbau, Lastkonzentration an den Nutkanten
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
6.6.5. Querschläge und Nischen Sowohl an die Planung als auch an die Herstellung von Querschlägen und Nischen werden bei schildvorgetriebenen Tunneln mit Tübbingauskleidung besondere Anforderungen gestellt. Im Bereich von Anschlüssen (z.B. Querschläge, Nischen, Pannenbuchten) werden im Haupttunnel nicht die normalerweise verwendeten Stahlbetontübbinge gesetzt, sondern es werden üblicherweise welcheSondertübbinge nachträglich ohne der gesamten Sondertübbinge ausgebaut werden eingebaut, können. Solche sind Zerstörung häufig aus Stahl gefertigt Tunnelauskleidung oder bestehen z.B. aus einem Stahlrahmen mit entfernbarem Füllbeton. Wichtig ist die funktionale Wasserhaltung im Querschlagsbereich, z.B. durch Grundwasserabsenkung, Druckluft oder Vereisung. Auch Bodenverfestigungen, etwa mittels Injektionen, kommen in Frage. Bei Vereisungen ist darauf zu achten, dass der Boden-Frostkörper den Haupttunnel nicht unzulässig belastet und verformt (Eislinsenbildung). Die Anschlüsse zwischen den Haupttunneln und dem Querstollen bzw. der Nische müssen generell wasserdicht ausgeführt werden. Die Herstellung von Nischen und Querschlägen erfolgt nach dem Öffnen der Tübbingauskleidung in der Regel bergmännisch nach den Grundsätzen der NATM. Querschläge können im Prinzip auch maschinell aufgefahren und mit Tübbingen oder Pressrohren ausgekleidet werden, jedoch wird in den meisten Fällen wegen der üblicherweise kurzen Längen der Verbindungstunnel die klassische NATM gewählt.
Abbildung 6-32: Herstellung des Querschlags zwischen zwei Tunnelröhren, schematisch [STUVA, 2001].
Bei Anordnung und Ausbildung von Nischen und dem Anschluss von Querschlägen ist darauf zu achten, dass:
das Tragsystem der Tübbingauskleidung zur Aufnahme der Lasten erhalten bleibt, die Bettung der verbleibenden Tübbinge erhalten bleibt, d.h. im Falle einer Kiesbettung diese durch Injektionen gewährleistet wird und
die Spannungsumlagerungen im Tübbinggewölbe zufolge Öffnungen in der Auskleidung mit ausreichender Sicherheit aufgenommen werden können. In der Regel werden die Tübbinge rund um die Öffnung und auch einige Ringe vor und nach der Öffnung gegenseitig verschraubt und ggf. werden zusätzliche Abstütz- oder Zugverbindungen angebracht.
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Abbildung 6-33: Herstellung eines Querschlags mit Vereisung Herrentunnel Lübeck [Weigl, 2005].
6.7.
Penetrationsmodell Penetrationsmode ll nach Gehring
Zur Leistungs- und Verschleißprognose bei TBM-Vortrieben hat Gehring Mitte der 90er Jahre ein Penetrationsmodell entwickelt, um die Anforderungen des damaligen Maschinenherstellers Voest Alpine Bergtechnik zu erfüllen. Folgende Anforderungen an das Prognosemodell wurden gestellt:
Repräsentation der damaligen neuesten Maschinentechnik von einfach gewinnbaren und vergleichbaren Parametern (z.B. auf Grundlage der Verwendung Ausschreibungsparameter)
Anwendung von gesicherten (sowohl bewiesenen als auch vermuteten) Zusammenhänge und Korrelationen
Einfach und schnell anwendbares Modell, nicht streng wissenschaftlich (Dimensionsreinheit) 6.7.1. Aufbau des Gehring-Modells Gehring-Modells Das Penetrationmodell von Gehring baut auf der einaxialen Gesteinsdruckfestigkeit auf und ermittelt daraus die Basisfunktion der Penetration. Anschließend wird die Basisfunktion unter Berücksichtigung verschiedener Korrekturfaktoren an die tatsächlichen Gegebenheiten angepasst (vgl. Abbildung 6-34).
Abbildung 6-34: Vorgangsweise zur Ermittlung der Penetration nach dem Gehring-Modell [Leitner, 2004].
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
In der folgenden Formel ist die Basisfunktion p200 nach Gehring dargestellt, die für folgende Randbedingungen gültig ist (c … Schneidring bzw. Meißel):
Schneidspurabstand s = 80 mm Schneidringdurchmesser DC = 17´´ Schneidringbreite BC = 5/8´´ Mittlere Andruckkraft eines Meißels F N = 200 kN p 200 a d b mit
p200… Penetration in mm/rev bei einer Andruck Andruckkraft kraft eines Schneidringes von F N = 200 kN/c a…
Koeffizient gemäß Tabelle 6-8
b …
Exponent gemäß Tabelle 6-8
d … einaxiale Gesteinsdruckfestigkeit in MPa Tabelle 6-8: Funktionsparameter für die Basisfunktion auf Basis der Ansätze verschiedener Autoren [Leitner, 2004]
Die Basisfunktion mit den Parametern a und b aus Tabelle 6-8 gilt für den Bereich der einaxialen Gesteinsdruckfestigkeiten zwischen d = 100 – 250 MPa. In diesem Bereich liefern die Untersuchungen der verschiedenen Autoren sehr ähnliche Ergebnisse. Gehring hat aus den zuvor dargelegten Zusammenhängen folgende Basispenetration p unter Berücksichtigung der Andruckkraft F N=200 kN pro Meißel abgeleitet, wobei hier auch schon die Anwendung der verschiedenen Korrekturfaktoren k i (durch Linearkombination) mit eingearbeitet ist:
p
4 F N k 1 k 2 ... k n
d
Korrekturf aktoren
Basispenetration
mit
p …
Penetration in mm/rev bei einer Andruckkraft eines Meißels von F N = 200 kN/c
F N … Andruckkraft eines Meißels in kN/c
d … einaxiale Gesteinsdruckfestigkeit in MPa k 1…n Berücksichtigung cksichtigung von Abweichungen der Modellbildung 1…n… Korrekturfaktoren zur Berü Folgende Faktoren werden durch die Korrekturfaktoren (k i) berücksichtigt:
k 1 Bruchenergie Wf k Abstand und Orientierung der Trennflächen a und α 2
0
k 3 Spannungszustand k 4 Schneidringdurchmesser DC k 5 Schneidspurabstand Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Dietmar ADAM
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
6.7.2. Stärken und Schwächen des Gehring-Modells Folgende Stärken und Schwächen weist das Penetrationsmodell nach Gehring auf:
Stärken: Modularer Aufbau: Das Modell kann leicht um Korrekturfaktoren erweitert werden. Alle „hard facts“ können im Modell berücksichtigt werden (Einflussparameter). Die Eingangsparameter (σd, Wf , …) basieren auf Standardtestverfahren und sind somit einfach zu ermitteln.
Schwächen: Es steht nur eine kleine Datenbasis für Regressionsanalysen und deren Validierung zur Verfügung.
Die Datenbasis beruht auf Werten aus den 1990-er Jahren mit Ausbruchsdurchmessern von 3,5 – 4,5 m.
Die Prognoseformel des Modells ist nicht dimensionsrein (reines Ingenieurmodell).
6.8.
Richtlinien
6.8.1. ÖGG Richtlinie für die geotechnische Planung von Untertageba Untertagebauten uten mit kontinuierlichem Vortrieb Ziel der geomechanischen Planung ist die wirtschaftliche Optimierung der bautechnischen Maßnahmen unter Berücksichtigung der jeweils vor Ort anstehenden Gebirgsverhältnisse bei Gewährleistung der Sicherheit, der Umwelterfordernisse und der Langzeitstabilität. Die Richtlinie der Österreichischen Gesellschaft für Geomechanik (ÖGG) gibt ein klar strukturiertes geotechnisches Dimensionierungskonzept mit der bestmöglichen Anpassung der Baumaßnahmen an die jeweiligen Verhältnisse des Untergrundes vor Ort. Die geotechnische Planung setzt sich aus drei Phasen zusammen:
Phase 1: Planung Phase 1 umfasst die Bestimmung der Gebirgsarten (GA) und des Gebirgsverhaltens (GV), die Wahl der TVM, die Festlegung der bau- und maschinentechnischen Maßnahmen unter Berücksichtigung der Randbedingungen, Vortriebsklassen nachdie ÖN Abschätzung B 2203-02. des Systemverhaltens (SV) und die Ermittlung der
Phase 2: Planung TVM für die Bauausführung Seitens des Bieters ist im Rahmen der Angebotsbearbeitung ein maschinentechnisches Konzept der vorgesehenen Tunnelvortriebsmaschine (TVM) auszuarbeiten. Die maschinentechnische Detailplanung der TVM erfolgt für die Bauausführung durch den Auftragnehmer unter Berücksichtigung des Bauvertrages und der geotechnischen Planung.
Phase 3: Bauausführun Bauausführungg Die geotechnisch relevanten Gebirgsparameter zur Bestimmung der aktuellen Gebirgsart (GA), bauund maschinentechnische Maßnahmen sowie TVM-betriebstechnische Daten werden während des Baues erfasst und ausgewertet. Auf Basis dieser Auswertung wird unter Berücksichtigung der Einflussfaktoren das aktuelle Systemverhalten (SV) im Ausbruchsbereich abgeschätzt. Unter Beachtung des Tunnelbautechnischen Rahmenplans werden die bautechnischen Maßnahmen für das prognostizierte Systemverhalten (SV) (SV) festgelegt.
6.8.1.1. Phase 1 – Planung Abbildung 6-35 zeigt ein Flussdiagramm, welches den grundsätzlichen Ablauf der geotechnischen Planung von der Bestimmung der Gebirgsart bis zur Erstellung des Ausschreibungsunterlagen zeigt. Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Dietmar ADAM
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Abbildung 6-35: Schematischer Ablauf der geotechnischen Planung (Phase 1) [ÖGG- Richtlinie, 2013]. 2013].
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6.8.1.2. Phase 2 – Planung TVM für die Bauausführung Die maschinentechnische Detailplanung der TVM durch den Arbeitnehmer erfolgt auf Basis der geotechnischen Planung des Arbeitgebers (Baugrundmodell). Die Detailplanung der tatsächlich zum Einsatz kommenden TVM ist das Ergebnis eines Optimierungsprozesses der maschinentechnischen Möglichkeiten und der Wirtschaftlichkeit unter Berücksichtigung der geotechnischen Anforderungen der Ausschreibung. Vor Vortriebsbeginn wird die Entscheidungsmatrix gemäß dem geotechnischen Sicherheitsmanagementplan unter Berücksichtigung der tatsächlich zum Einsatz kommenden TVM überprüft und ggf. adaptiert. Diese Matrix enthält die der Planung zugrundeliegenden Parameter mit folgenden SOLL-Werten:
Detaillierte Festlegung der maßgebenden Maschinenparameter und der Betriebsweisen vor Vortriebsbeginn
Detaillierte Festlegung für den Einsatz von Zusatz- und Sondermaßnahmen und der Kriterien für die Betriebsweisen
6.8.1.3. Phase 3 – Bauausführung Die tatsächlichen Gebirgsverhältnisse sind vor Baubeginn nicht vollständig bekannt. Daher müssen die bautechnischen Maßnahmen während des Baues an die tatsächlichen Gebirgsverhältnisse angepasst werden. Die Abbildung 6-36 zeigt schematisch den Ablauf der Festlegung und Überprüfung der Baumaßnahmen:
Bestimmung der aktuellen Gebirgsart (GA) und Kurzzeitprognose der Gebirgsverhältnisse Abschätzung des Systemverhaltens Detailfestlegung Vortrieb und Vortriebsvorschau (SOLL) Vortriebsnachschau (IST), Überprüfung des Systemverhaltens und Fortschreibung des Tunnelbautechnischen Rahmenplan und der Entscheidungsmatrix
Freigabe für nachfolgende Gewerke
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Abbildung 6-36: Schematischer Ablauf der Geotechnischen Planung, Phase 3 Bauausführung [ÖGG Richtlinie, 2013].
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6.8.2. ÖNORM B 2203-2: Untertagebauarbe Untertagebauarbeiten iten – Werkvertrag Werkvertragsnorm, snorm, Teil 2: Kontinuierlicher Vortrieb Die ÖNORM B 2203-2 enthält Verfahrens- und Vertragsbestimmungen für die Ausführung von Untertagebauarbeiten im kontinuierlichen Vortrieb.
Einteilung in Vortriebsklassen Der Vortrieb ist unter Beachtung der Gebirgscharakterisierung in Vortriebsabschnitte und innerhalb dieser Abschnitte gegebenenfalls in Vortriebsklassen zu unterteilen. Die erste Ordnungsgruppe (Vortriebsabschnitt) ist abhängig vom Löseverhalten (Gesteinsart, Mineralbestand, Zerlegungsgrad u.a. oder Penetration, Verschleiß u.a.) und kann auch vom Gebirgsverhalten (GV) abhängig gemacht werden. Die zweite Ordnungsgruppe ist abhängig von Art und Umfang der leistungsbestimmenden Maßnahmen. Sie unterscheidet sich je nach Typ der eingesetzten TVM.
Abbildung 6-37: Vortriebsklassenmatrix TBM-O, TBM-A[ÖNORM B 2203-2, 2005].
Abbildung 6-38: Vortriebsklassenmatrix TBM-S, TBM-DS, SM [ÖNORM B 2203-2, 2005].
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7. TUNNELBAU IN OFFENER BAUWEISE Die offene Tunnelbauweise wird durch das Einschneiden von der Oberfläche in den Baugrund und die anschließende Überdeckung des Bauwerks definiert. Die offene Tunnelbauweise wird auch als „Cut and Cover“-Bauweise bezeichnet. Grundsätzlich unterscheidet man zwei verschiedene Vorgangsweisen: Bei der eigentlichen konventionellen offenen Tunnelbauweise (Bottom-Up) wird der Tunnel der Sohle in und einerdie offenen Baugrubevon hergestellt. Bei der Deckelbauweise werden dievon Tunnelwände Tunneldecke der Oberfläche hergestellt und (Top-Down der weitere) Tunnelbau erfolgt untertage unter der schon fertigen Tunneldecke. Tabelle 7-1: Übersicht über offene Tunnelbauweisen
Offene Tunnelbauw Tunnelbauweise eise
Deckelbauweise
Baugrubenumschließung
geböschte Baugrube
verbleibende Sicherung
temporäre Sicherung
Trägerbohlenwand
Spundwand
Schlitzwand
Bohrpfahlwand
Um einen Tunnel in offener Bauweise errichten zu können, müssen folgende Aspekte berücksichtigt werden:
Die Baugrundverhältnisse beeinflussen die Rammbarkeit langer Träger, vor allem in von Geröll und Gesteinen durchsetztem Baugrund. Die Rammträger müssen gegebenenfalls in vorgebohrte Löcher gesetzt und anschließend noch einige Meter gerammt werden.
Um die Baugrube trocken zu legen, kann eine großflächige Absenkung des Grundwasserspiegels erforderlich sein. Während des Absenkvorganges muss zuströmende Grundwassermenge übersteigen. Dafür Regenwasserkanäle und Rohrleitungen vorhanden sein. Die Kostenfaktor bei der offenen Tunnelbauweise. Durch die infolge großer Baugrubentiefen ist bei etwa 20 m Tiefe Bauweise erreicht.
die geförderte Wassermenge die müssen ausreichend bemessene Wasserhaltung ist ein maßgebender großen anfallenden Wassermengen die Wirtschaftlichkeit der offenen
Die Auftriebssicherheit des im Grundwasser liegenden Tunnelkörpers muss durch eine ausreichende Überdeckung oder durch zusätzlichen Ballast-Beton sichergestellt sein.
Die Grundwasserfließrichtung wird durch dichte bauzeitliche Baugrubenwände, durch den Tunnelkörper, aber auch durch die Grundwasserabsenkung beeinflusst. Aufgrund dessen sind Filterschichten um den Tunnelkörper zum Ausgleich der Grundwasserström Grundwasserströmung ung anzuordnen.
7.1.
(Konventionelle) Offene Tunnelbauweise (Bottom-Up)
Die konventionelle offene Bauweise wird bei geringer Überdeckung oder auf freier Strecke (keine Überbauung) angewendet. Abbildung 7-1 zeigt einen Kostenvergleich zwischen offenem und
geschlossenem Vortrieb. Die Baugrube bleibt bei der herkömmlichen offenen Bauweise während der gesamten Bauzeit offen.
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Abbildung 7-1: Vergleich Kosten pro lfm an Abhängigkeit von der Überdeckung bei bergmännischer und offener Tunnelbauweise [Spang, 2006].
In den meisten einfachen Fällen wird zunächst die entsprechende Baugrubenwand hergestellt und anschließend wird mit dem Baugrubenaushub begonnen. Dabei können je nach Bedarf und Möglichkeit begleitende Maßnahmen, wie Verankerungen der Baugrubenwände, (mit Zugpfählen verankerte) Unterwasserbetonsohlen etc., gesetzt werden. Nach Herstellen der (dichten) Baugrubensohle kann mit dem Aufbau der Bauwerkskonstruktion begonnen werden.
Abbildung 7-2: Herstellungsschritte eines Tunnels in offener Baugrube mit Schlitzwänden und einer verankerten Unterwasser-Betonsohle.
Die Herstellung desBauweise Tunnels kann entweder mit Ortbeton oder mit Fertigteilen erfolgen. Derwerden große Vorteil der offenen ist, dass auf einfache Weise ein Rechteckquerschnitt hergestellt
kann. Das Lichtraumprofil der Eisenbahn oder einer Straße entspricht eher einem Rechteckquerschnitt als einem Kreis.
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Abbildung 7-3: Bauphasen der Berliner und der Hamburger Bauweise [Striegler,1993].
7.2.
Deckelbauweisee (Top-Down) Deckelbauweis
Im Unterschied zur oben beschriebenen, konventionellen Bauweise, wird bei der Deckelbauweise eine Bauwerksdecke nahe der Geländeoberkante als aussteifendes Element für die Baugrubenwände herangezogen. Ein Teilaushub der Baugrube vor Errichtung der Decke ist mög möglich. lich. Der restliche Aushub erfolgt unter der bestehenden Decke. Entsprechende, logistische Maßnahmen müssen dafür getroffen werden. Der Vorteil dieser Bauweise liegt in der Tatsache, dass keine Verankerungen der
Baugrubenwände hergestellt werden müssen. Im städtischen, eng verbauten Bereich werden dadurch keine fremden Rechte durch Ankerungen berührt.
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Bauphase 1
Herstellung einer bewehrten Betonwand
Bauphase 2
teilweiser Aushub ev. temporäre Aussteifung der Baugrube Herstellung der Tunneldecke
Bauphase 3
Aushub der Erdmassen unter der Tunneldecke Herstellung der Straßenoberfläche
Bauphase 4
Betonieren der Tunnelsohle Abdichtung Innenauskleidung
Abbildung 7-4: Bauphasen der Deckelbauweise [Striegler, 1993].
Vorteile:
Die Tunneldecke und die seitlichen Baugrubenwände sind eine gute Aussteifung der Baugrube. Es gibt keine Behinderungen des Erdaushubes durch die Aussteifungen. Der Verkehr wird nur teilweise gestört. Eine völlige Sperrung der Oberfläche ist nur für die Zeit des Aushubes des oberen Bereiches der Baugrube und der Herstellung der Tunneldecke erforderlich.
Felsige, harte Schichten können durchfahren werden. Nennenswerte seitliche Verformungen und Erschütterungen können weitestgehend vermieden werden.
Bei einer sorgfältigen Herstellung der Baugrubenwände aus Stahlbeton können diese als Teil der
Tunnelauskleidung herangezogen werden.
Die Beeinträchtigung von Anrainern ist gering. Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Dietmar ADAM
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Nachteile:
In Bereichen mit Grundwasser müssen die Baugrubenwände auf den vollen Wasserdruck bemessen werden.
Durch zahlreiche Leitungsbauten im Untergrund kann es zu einer teuren Verlegung dieser Rohrleitungen kommen.
Der Einbau von Unterstützungen für Behelfsfahrbahnen während des Baues ist teuer und schwierig.
7.2.1. Kärntner Deckel Der sog. „Kärntner Deckel“ ist gekennzeichnet durch eine gekrümmte bzw. gewölbeartige Tunnelgeometrie. Vorteile:
Gewölbewirkung: Die Lasten aus der Überlagerung werden durch die Gewölbewirkung im Beton in die Seitenwände übertragen.
Tunnelausbau: Falls sowohl der bergmännischer Vortrieb als auch die offene Bauweise auf einer (Linien-)Baustelle zur Anwendung kommen, ist nur ein einziger Schalwagen für die Innenschale erforderlich.
Abbildung 7-5: Schema der Kärntner Deckelbauweise [ http://tu-freiberg.de/fakult3/gt/bilder/exkurs/02b-66.jpg, http://tu-freiberg.de/fakult3/gt/bilder/exkurs/02b-66.jpg, 2009 ].
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Abbildung 7-6: Kärntner Deckel: oben: in geböschter Baugrube, unten: mit Bohrpfahlwand [www.tk perschling.at, 2009].
7.3.
Baugrubenumschließungen
7.3.1. Geböschte Baugrube Auf freien unbebauten Flächen außerhalb der städtischen Bebauung kann der Tunnel in geböschten, nicht eingefassten Baugruben errichtet werden (siehe Abbildung 7-7 a). Eine geböschte Baugrube benötigt jedoch viel Platz. Weiters ist das Aushubvolumen und dadurch der Umfang an Transport-, Zwischenlagerungs- und Verfüllarbeiten sehr groß. Die Reichweite der Hebezeuge und Baumaschinen, die außerhalb der Baugrube arbeiten, muss daher größer sein. Demgegenüber wirken sich der Wegfall der Verbauarbeiten und die dadurch fehlende Behinderung in der Baugrube positiv auf die Tunnelherstellung und den Bauablauf aus. Als Alternative können teilweise geböschte Baugruben ausgeführt werden (siehe Abbildung 7-7 b, c). Dies führt zu einer Einsparung des Platzbedarfs und zu einer Verringerung des notwendigen Erdaushubs. Zur Stabilisierung steiler, erosionsgefährdeter Böschungen können Spritzbeton, Vernagelungen oder Geotextilien Anwendung finden. Man spricht in diesen Fällen von einer mittels Spezialtiefbaumaßnahmen gesicherten Böschung.
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Abbildung 7-7: Abgeböschte Baugruben: a) normale Ausführung; b) senkrechter Verbau in der Baugrubensohle; c) senkrechter Verbau an der Böschungsoberkante [Striegler, 1993].
7.3.2. Baugrube mit temporärer temporärer Baug Baugrubenumschließ rubenumschließung ung (siehe Vorlesung Grundbau und Bodenmechanik) Zu den temporären vertikalen Baugrubensicherungen zählen die Trägerbohlwand (Bohrträgerverbau) und die Spundwand . Beide Verbauarten können nur bedingt neben bestehenden Gebäuden eingesetzt werden. Temporäre Baugrubensicherungen können rückgebaut und zum Großteil wiederverwendet werden. Die Spundwand gilt als technisch dichte Verbauwand und unterscheidet sich in diesem Merkmal von der Trägerbohlwand, welche nicht im Grundwasser eingesetzt werden kann.
7.3.3. Baugrube mit verbleibender verbleibender B Baugrubenumsc augrubenumschließung hließung (siehe Vorlesung Grundbau und Bodenmechanik) Besonders verformungsarme Methoden der Baugrubensicherung, wie Schlitzwände und Bohrpfahlwände (überschnitten, tangierend, aufgelöst, ev. mit DSV-Zwickelabd DSV-Zwickelabdichtung) ichtung), können als tragende Bauteile in das statische System des Bauwerkes mit eingebunden werden. Dies hat nicht nur den Synergieeffekt der Materialeinsparung zur Folge, sondern ermöglicht auch eine gute Ausnutzung des vorhandenen Bauplatzes. Je nach Ausführung der Wand kann diese auch als technisch dichte Maßnahme im Grundwasser herangezogen werd werden. en.
7.4.
Grundwasserhaltung
(siehe Vorlesung Grundbau und Bodenmechanik) Wenn der natürliche Grundwasserspiegel oberhalb der Aushubsohle einer Baugrube liegt, würde – ohne weitere Maßnahmen zur Beherrschung des Grundwassers – Wasser in die Baugrube eintreten
und die Baugrube geflutet werden. Maßnahmen, um dies zu vermeiden, sind:
Wasserhaltung: Grundwasserabsenkung durch offene Wasserhaltung bzw. geschlossene (Brunnen-)Wasserhaltung, Grundwasserentspannung, Elektroosmose. Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Dietmar ADAM
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Abdichtung von Baugruben: durch eine wasserundurchlässige Baugrubenumschließung (z.B. Spundwand, Schlitzwand, überschnittene Bohrpfahlwand), welche in einen natürlichen Grundwasserstauhorizont einbindet oder an eine dichte Baugrubensohle anschließt; erforderlichenfalls mit einer Grundwasserab Grundwasserabsenkung senkung oder -entspannung kombiniert.
Grundwasserverdrängung: aus geschlossenen Arbeitsräumen (z.B. Senkkasten) durch Druckluft. Welche der Möglichkeiten zur Beherrschung des Grundwassers angewendet wird, hängt in der Praxis von den Projektrandbedingungen ab. Neben dem Boden sind zumeist das zu errichtende Bauwerk selbst (Art der Gründung, Abmessungen etc.), das Projektumfeld (benachbarte Bebauung, Naturschutz etc.), bauverfahrenstechnische sowie bauzeitliche Überlegungen maßgebend.
7.4.1. Methoden zur Grundwassera Grundwasserabsenkung bsenkung
7.4.1.1. Offene Wasserhaltung Die Grundwasserabsenkung erfolgt gleichzeitig mit dem Baugrubenaushub bzw. ist dem Aushub nur wenig vorauseilend. Das vorhandene und zufließende Wasser wird in Drainagegräben gesammelt und aus Pumpensümpfen („offen“) in der Baugrube selbst entnommen.
7.4.1.2. Geschlossen Geschlossenee Wasserhaltung (Brunnenwasserhaltung) Grundwasserabsenkung Mittels Brunnen, die unter die Baugrubensohle reichen, wird das zuströmende offene Grundwasser abgepumpt und dadurch der Grundwassersp Grundwasserspiegel iegel unter die gewünschte Ebene (i. d. R. Baugrubensohle) abgesenkt.
Grundwasserentspannung Bindet die Baugrubenumschließung in eine dichte Bodenschicht ein, unter der jedoch gespanntes Grundwasser ansteht, so besteht ggf. die Gefahr des Aufschwimmens der Baugrubensohle. In solchen Fällen wird oft die Grundwasserdruckhöhe des gespannten Horizonts unter jenes Niveau abgesenkt (entspannt), damit ein Aufbrechen der Baugrubensohle verhindert wird. Dies wird mittels Brunnen, die innerhalb oder außerhalb der Baugrubenumschließung situiert sein können, erreicht. Innen liegende Brunnen können auch als Überlaufbrunnen (Entspannungslanzen) betrieben werden, also ohne aktives Abpumpen des Grundwassers. GW
GW
k f1
kf2 1 ausreichend ausreichend standsicher b) Sicherheitsbeiwert = 1 noch noch standsicher c) Sicherheitsbeiwert < 1 nicht nicht standsicher! [Scherle, 1977]
Vzul … zulässige Vortriebsk Vortriebskraft raft [kN] bwid … Breite der Presswand h…
Schachttiefe
Es …
E-Modul des Bodens im Bereich der Presswand [kN/m³]
…
(effektive) Wichte des Bodens [kN/m³]
…
(effektiver) Reibungswinkel des Bodens [°]
Kurven Tragfähigkeit maßgebend
Kurven E S Verformung maßgebend h Abbildung 10-21: Diagramm zur Abschätzung der Tragfähigkeit des Pressenwiderlagers [Schad, 2003 nach SIA 195, 1992, adaptiert].
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Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
In der SIA 195, Ausgabe 1992, war ein Diagramm enthalten, mit dessen Hilfe eine genauere Abschätzung der Widerlagertragfähigkeit möglich war. Zusätzlich zum Kräftegleichgewicht fand hierbei die bei der Einleitung der Vortriebskraft auftretende horizontale Verschiebung des Widerlagers Berücksichtigung. Kann der Schacht die einzuleitenden Vortriebskräfte nicht aufnehmen, sind entweder Maßnahmen zur weiteren der Pressenkräfte (insbesondere Mantelreibung) und/oder Maßnahmen zur ErhöhungReduzierung des Erdwiderstands hinter der Schachtwand zu treffen. Bei Doppelpressschächten (Doppelstartbaugruben) erfolgt der Vortrieb aus einem Startschacht in zwei zumeist entgegengesetzten Richtungen. Dazu sind zwei Druckwände erforderlich, da es unzulässig ist, die zuerst vorgepresste Rohrstrecke nach Abschluss des Vortriebes als Widerlager für den Vortrieb in entgegengesetzter Richtung in Anspruch zu nehmen.
10.4.3. Rohrbremse Rohrbremse (Rücklaufsperre (Rücklaufsperre)) im Startschacht Eine weitere für den Rohrvortrieb typische Einrichtung im Startschacht ist die sog. Rohrbremse, welche zur Aufgabe hat, das zuletzt eingebaute Rohr nach dem Zurückziehen der Hauptpresse festzuhalten. Die ölhydraulisch wirksame Rohrbremse wird an der Ausfahrwand montiert, sie spannt das Pressrohr zangenartig ein und leitet die Kräfte, welche nicht durch die Mantelreibung aufgenommen werden können, in die Baugrubenwand ein. Folgende Kräfte in Rohrachse können nach Entlastung durch Rückziehen der Hauptpressen wirksam werden: a) Reaktionskraft der Ortsbruststützung bei druckhaltenden Schildmaschinen. Diese kann bei ausreichend langem Vortrieb durch die Mantelreibung entlang des Rohrstrangs abgetragen werden, die Reaktionskraft der Ortsbruststützung nimmt also mit der Vortriebslänge ab. b) Rückfederung der Rohrstrecke infolge elastischer Entspannung der Druckausgleichsringe (siehe Kapitel 10.6). Als Richtwert kann angenommen werden: Rückfederweg = 0,05 d Ausgleichs ringe AnzahlRohre Der Rückfederweg nimmt mit der Vortriebslänge zu. c) Eigengewichtsanteil der Rohre in Vortriebsachse bei stark steigendem Vortrieb (vermindert um die Mantelreibung)
10.5. Vortriebskraft FV
Die Vortriebskraft FV dient zur Überwindung des Brustwiderstands der Vortriebsmaschine bzw. des Schneidschuhs FBW und der Reibungswiderstände der Mantelfläche der Vortriebsmaschine sowie des Rohrstrangs FM: FV F BW FM Die richtige Einschätzung der Vortriebskraft im jeweiligen Anwendungsfall ist nicht nur für die Bemessung der Vortriebsrohre (siehe Kapitel 10.6.2) von großer Bedeutung, sondern auch für die Festlegung der Vortriebslänge bzw. Anzahl und Abstand der Zwischenpressstationen (siehe Kapitel 10.6.1) und für die Ausbildung des Startschachts und der Presswand (siehe Kapitel 10.4.2).
10.5.1. Brustwiderstand Brustwiderstand (Eindringwiderstand) F BW Der Brustwiderstand FBW ( auch: Eindringwiderstand, wenn ein Schneidenwiderstand vorhanden ist) setzt sich entsprechend Tabelle 10-3, je nach Vortriebsverfahren, zusammen aus:
FBW F S FA FSt FS … Schneidenwiderstand [kN]
mit
FA … Andrückkraft des Abbauwerkzeugs [kN] FSt … Stützkraft = Ortsbrustfläche da2· /4 · Stützdruck pf (z.B. (z.B. gemäß Kapitel 4.3) Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Dietmar ADAM
207
Tunnelbau im Festgestein und Lockergestein
Tabelle 10-3: Zusammensetzung des Brustwiderstandes (Eindringwiderstand) F BW in Abhängigkeit vom Vortriebsverfahren (unmittelbarer Brustwiderstand ohne Schneidenwiderstand F B = F A + F SSt t ) [Stein, 2003] FBW FS
Verfahren
FB FA
FSt
x x
x
x x
x
x
x
Schildmaschinen mit teilflächigem Abbau und Druckluftstützung (SM-T31)) Handschilde mit Druckluftstützung (im nicht standfesten Lockergestein); Schildmaschinen mit hydraulisch teilflächigem Abbau; offene Schildmaschinen mit mechanisch teilflächigem Abbau und Teilstützung (SM-T2); Sonderfälle SM-T2S und SM-T4S sowie Blindschilde (SM-B) Offene, mechanisch teilflächig abbauende Schildmaschinen (in der Regel mit fest installiertem Exkavator) und natürlicher Stützung der Ortsbrust (Ortsbrust ohne Stützung)
x
x
Alle Mikrotunnelbauverfahren mit Ausnahme des Mikrotunnelbaus mit Schneckenförderung und Antrieb des Bohrkopfes über Förderschnecke, Schildmaschinen mit vollflächigem Abbau (außer offene, vollflächig abbauende Schildmaschinen mit natürlicher Stützung (Ortsbrust ohne Stützung)), Schildmaschinen mit mechanisch teilflächigem Abbau und Druckluftstützung (SM-T3 1)) Horizontal-Pressbohrverfahren, Mikrotunnelbau mit Schneckenförderung und Antrieb des Bohrkopfes über die Förderschnecke, offener Handschild mit natürlicher Stützung (Ortsbrust ohne Stützung)
x
Offene, mechanisch teilflächig abbauende sowie offene, vollflächig abbauende Schildmaschinen, beide mit natürlicher Stützung (Ortsbrust ohne Stützung) x
Handschilde mit Druckluftstützung (nur im Festgestein) Handschilde mit natürlicher Stützung (Ortsbrust ohne Stützung) im Festgestein (FBW = 0)
1) Gilt nur für Schilde mit mitgeführter Druckluftschleuse im Nachläufer.
10.5.2. Widerstand zufolge Mantelreibung F M Nach dem Reibungsgesetz errechnet sich die erforderliche Kraft zur Überwindung des Mantelreibungsanteils FM beim Vorpressen eines Rohrstrangs zu: FM d a L M mit
da …
Außendurchmesser Pressrohr [m]
L…
Länge des betrachteten Abschnitts [m]
M r … Spezifischer Mantelreibungsw Mantelreibungswiderstand iderstand (ohne Adhäsion) [kN/m²] [kN/m²] mit
...
Reibungsbeiwert [-]: = tan (mit … Wandreibungswinkel)
r …
Von außen auf das Rohr wirkende Radialspannung, die sich aus dem Erddruck (Auflast + Seitendruck) oder aus dem Suspensionsdruck ergibt [kN/m²].
Tabelle 10-4: Richtwerte für den Reibungsbeiwert nach nach [Scherle,1977]
Beton auf Kies oder Sand
Haftreibung
Gleitreibung (ohne Gleitmittel)
Gleitreibung (mit Gleitmittel)
0,5 – 0,6
0,3 – 0,4
Für Flüssigkeitsreibung, bei
Beton auf Ton Faserzement auf Kies oder Sand
0,3 – 0,4 0,3 – 0,4
0,2 – 0,3 0,2 – 0,3
Faserzement auf Ton
0,2 – 0,3
0,1 – 0,2
Verwendung einer als Gleitmittel ist Bentonitsuspension abhängig von der Fließgrenze der Bentonitsuspension: 0,1 < < 0,3
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Die Größe der Mantelreibung lässt sich durch Verwendung von Gleitmitteln deutlich herabsetzen. So reduziert sich der Reibungskoeffizient bei Verwendung von Bentonitsuspension als Stütz- und Gleitmittel auf Werte = 0,1 – 0,3, abhängig auch von der dynamischen Fließgrenze der Suspension (siehe Vorlesung Grundbau und Bodenmechanik). Der mit Gleitmittel ausgefüllte Spalt zwischen Rohr und Boden, als Ringspalt bezeichnet, muss während Vortriebes UmDas dies zu das ermöglichen, das Gleitmitteldes dengesamten Boden daran hindern,aufrechterhalten sich an das Rohrwerden. anzulegen. heißt, Gleitmittel muss muss den Boden gegen den jeweils herrschenden Bodendruck abstützen. Daraus folgt, dass im Gleitmittel ständig ein Flüssigkeitsdruck aufrechterhalten werden muss, der dem Druck des Bodens entspricht. Damit wird das Gleitmittel gleichzeitig zum Stützmittel. Die Reaktionskraft für den Stützdruck übernimmt das Vortriebsrohr (siehe Abbildung 10-22).
Abbildung 10-22: Schema der Stützung des Ringspalts [nach Scherle/Rößler, 2003].
Damit der zwischen Rohr und Boden erforderliche Spalt entstehen kann, wird der Durchmesser des Schildes (bzw. des Schneidrads) um ein geringes Maß größer ausgeführt als der Durchmesser der Rohre, der als Überschnitt bezeichnet wird. Da die Größe der Mantelreibung bei Verwendung von Gleitmitteln von zahlreichen baustellenspezifischen, geotechnischen und schmiertechnischen Faktoren abhängt, können zuverlässige Zahlenwerte oft erst im Zuge des Pressvorganges bestimmt werden. Für die Planung und Dimensionierung der Pressrohre muss üblicherweise auf Erfahrungswerte zurückgegriffen werden. Es ist zu beachten, dass auch baubetriebliche Aspekte einen entscheidenden Einfluss auf die Mantelreibung beim Rohrvortrieb haben. So wird bei einem Durchlaufbetrieb der Rohrstrang laufend bewegt und geschmiert, was sich minimierend auf die Mantelreibung auswirkt. Bei Einschichtbetrieb oder bei längeren Vortriebsunterbrechungen besteht jedoch das Risiko, dass die Schmiersuspension in den Boden verdriftet und der stützende Ringraum verbricht. Das Wiederanfahren kann in diesen Fällen problematisch werden.
10.6. Pressrohre Wesentliches Element bei jeder Rohrvorpressung ist, dass der gesamte Rohrstrang zwischen Start- und Zielschacht während der gesamten Vortriebsdauer in Bewegung bleiben muss. Dadurch ergeben sich spezielle Anforderungen an die Pressrohre und an die Verfahrenstechnologie.
spezielle Anforderungen an die Pressrohre und an die Verfahrenstechnologie. Die Pressrohre (inkl. Sonderrohre) werden in den meisten Fällen als Stahlbetonfertigteile im Betonwerk vorgefertigt. Es kommen aber auch andere Werkstoffe beim Rohrpressverfahren zum Einsatz, so sind Pressrohre aus Gusseisen, Stahl, Glasfieber (GFK), Steinzeug, Faserzement etc. durchaus üblich. Darüber hinaus kann auch eine Vielzahl an möglichen Querschnittsformen realisiert werden. Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Dietmar ADAM
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Abbildung 10-23: Querschnittsvielfalt [Firmenprospekt, 2009].
Dichtung der Rohrfugen Bei Rohrpressungen unterhalb des Grundwasserspiegels sind die Pressrohrfugen mit Dichtungen zu versehen.
Abbildung 10-24: Prinzipskizze einer Rohrverbindung mit einseitig befestigtem Führungsring bei Vortriebsrohren aus Beton, Stahlfaserbeton und Stahlbeton [DWA-A 125].
Druckübertragungsringe Druckübertragung sringe (Druckausgleichsringe) Die zentrale Problematik bei der Übertragung der Vortriebskräfte von Rohr zu Rohr besteht darin, dass sich bei Kurvenfahrten und Steuerbewegungen der Rohrstrang nicht kontinuierlich krümmt, sondern dass das recht steife Rohr weitgehend gerade bleibt und in den Rohrverbindungen Abwinkelungen entstehen. Dabei kann sich eine sogenannte klaffende Fuge ausbilden, wodurch sich die Druckübertragungsfläche verkleinert und die Kontaktdruckspannungen zwangsläufig ansteigen. Dieser unerwünschte Effekt wird in der Regel durch die Verwendung von Druckübertragungsringen aus Holz oder Holzprodukten gemildert, die sich unter Last infolge ihrer geringeren Steifigkeit verformen und beidseitig an die Rohrspiegel anlegen, den Kontaktbereich vergrößern und somit spannungsreduzierend wirken.
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Abbildung 10-25: Lastverteilende Wirkung des Druckübertragungsringes bei Abwinklung der Rohrfuge (s D … ursprüngliche Dicke, mmax ax … maximale Stauchung, pl … bleibende Stauchung als Funktion der Vorbelastung 1) [Firmenprospekt CoJack, 2007].
Dabei wird infolge der großen Kräfte der Werkstoff Holz weit über seine Elastizitätsgrenze hinaus beansprucht. Es entstehen plastische Stauchungen, die nicht reversibel sind und somit auch nach einer Entlastung bestehen bleiben. Im Laufe eines räumlich gekrümmten Vortriebs wird jeder Druckübertragungsring vielfach be- und entlastet, wobei sich zudem ständig die Abwinkelung ändert. Er verliert zunehmend seine lastverteilende Wirkung und „verhärtet“. Mit gut ausgeführten Rohrvortrieben mit mäßigen Pressenkräften und guter Steuerung lässt sich dieses Phänomen zwar in der Auswirkung mildern, aber nicht vermeiden.
10.6.1. Zwischendehner Zwischendehner Zwischenpressstationen, oder Dehner(-stationen) bestehen aus mehreren Vorschubzylindern, die gleichmäßig verteilt im Schutze eines speziellen Stahlführungsringes zwischen den Rohrstirnflächen zweier Sonderrohre – sog. (Dehner-)Vorlauf- und Nachlaufrohre – eingebaut werden. Durch die Zwischendehner wird der Rohrstrang in separate Vortriebsabschnitte unterteilt, die bei Bedarf taktweise mit entsprechend reduzierter Mantelreibung vorgedrückt werden.
1 Ausgangsstellung 2 Vortrieb der Schildmaschine, Vorpressen bei C um das Maß a 3 Vorpressen bei B um das Maß a, Zusammenfahren des Dehners bei C 4 Vorpressen bei A (Hauptstation) um das Maß a, Zusammenfahren des Dehners bei B
Abbildung 10-26: Arbeitsprinzip beim Einsatz von Zwischenpressstationen [Stein, 2003].
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Abbildung 10-27: Für den Vortrieb vorbereitetes Dehnerrohr [Drucker, 2009].
10.6.2. Rohrbemessung Rohrbemessung Wie bei jedem unterirdischen Hohlraumbauwerk wird auch der Pressrohrstrang normal zur Rohrachse belastet. Die für diesen Bemessungsfall verwendeten Belastungsansätze und Rechenverfahren wurden bereits im Kapitel 4 vorgestellt. Als Besonderheit muss jedoch beim Rohrvortriebsverfahren auch der Bauzustand mit den maßgebenden Belastungen in Richtung der Rohrachse untersucht werden. Die Pressrohre müssen auf die zu erwartenden Vortriebskraft (siehe Kapitel 10.5) dimensioniert werden, oder anders ausgedrückt, die zulässigen Pressenkräfte sind auf die von den Rohren schadlos aufnehmbaren Normalkräfte zu beschränken.
Abbildung 10-28: Typische Überlastungsschäden an Vortriebsrohren – fatal für die Dauerhaftigkeit, jedoch von innen nicht erkennbar [Firmenprospekt].
Bei der Bemessung von Vortriebsrohren wird davon ausgegangen, dass
die Spannungsverteilung linear verläuft, der E-Modul der Fugenzwischenlage konstant ist und das gewählte Verhältnis z/da während des Vortriebs nicht überschritten wird.
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Schließlich müssen die Pressrohre, insbesondere die Rohrlängen, auf die aufzufahrenden Kurvenradien dimensioniert sein. Die maximal zulässige Vorpresskraft für Pressrohre wird auf der Grundlage des Arbeitsblattes ATV-A 161 (Arbeitsblatt der Abwassertechnischen Vereinigung Deutschlands) festgelegt. Sie wird für eine theoretische Rohrverwinkelung z/da ermittelt.
z a 0 a min s m d a a max a min 2 s m mit
a0 …
mit
m a max a min di
Dicke des Druckübertragungsr Druckübertragungsringes inges im vorbelasteten Ruhezustand [mm]
amin … kleinste F Fugenspaltweite ugenspaltweite [[mm] mm] amax … größte Fugens Fugenspaltweite paltweite [mm] s…
Rohrwanddicke am Spitzende [mm]
da …
Rohraußendurchmesser [mm]
di …
Rohrinnendurchmesser [mm]
Bei geradem Rohrvortrieb ist
z 1. da
Abbildung 10-29: Schematische Darstellung zur Ableitung des Kennwertes z/d a [Scherle/Rößler, 2004].
Die Berechnung der Vortriebskraft ist nach DIN EN 1916 abhängig von der vom Rohrhersteller
angegebenen charakteristischen Betondruckfestigkeit f ck (abgemindert mit einem Sicherheitsfaktor von 0,6) und von der auf Druck beanspruchten Stirnfläche Ac.
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da
Linie 1 „geschlossene“ Fuge Linie 2 „klaffende“ Fuge
Abbildung 10-30: Auf Druck beanspruchter Bereich der Stirnfläche und Spannungsdiagramm bei Abwinkelung [DIN EN 1916].
Die maximale theoretische Vortriebskraft ist mit der Annahme zu berechnen, dass die Vortriebskraft rechtwinkelig zu den Stirnflächen wirkt (ohne Abwinkelung und mit vollkommen rechtwinkligen Rohstirnflächen): Fzul,max 0,6 f ck A c mit
f cck k … Betondruckfestigkeit des Vortriebsrohrs Ac … auf Druck beanspruchte Stirnfläche
A c (d a2 d i2 ) … bei Rohren mit Führungsringen 4 Im Falle eines von der Geraden abweichenden Rohrvortriebs ist ein Zustand „klaffende Fuge“ gegeben. In diesem Zustand darf die größte Druckspannung am Rande der Stirnfläche 0,6·f cck k nicht überschreiten. Die zulässige Vortriebskraft ist kleiner als bei geradem Vortrieb. Der auf Druck beanspruchte Bereich der Stirnfläche muss mit den kleinsten Wanddicken im Fugenbereich (da-di) berechnet werden. 1 z Fzul A c Rand 2 da
Rand 0,6 f ck Auch die Druckübertragungsringe müssen in der Lage sein, die Spannung Rand aufzunehmen.
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Kurvenfahrt Anlass von Steuerungen beim Rohrvortrieb können geplante und/oder ungeplante (Korrekturfahrt) Änderungen der Vortriebsgradiente sein. Geplante Änderungen ergeben sich im Allgemeinen aus den örtlichen Planungsvorgaben. Ihre Ausführung erfolgt meist auf Grundlage von Kreisbögen deren Radien Grenzen gesetzt sind. Das Maß der Rohrklaffung begrenzt den möglichen Kurvenradius bei Rohrvortrieben: l di k R mit
k…
Differenz der Fugenspaltweiten zweier gegenüberliegender Fugen
l…
Länge der beidseitigen Rohre einer Fuge
di …
Innendurchmesser der beidseitigen Rohre einer Fuge
R…
Radius der beidseitigen Rohre einer Fuge, bezogen auf deren Achsen
Abbildung 10-31: Schema des Fugenklaffens [Scherle/Rößler, 2003].
R R
di 2
d l R i cos k k k cos
ABC ist ähnlich
CEM
ABD ist ähnlich
ABC
Daraus folgt für den möglichen Kurvenradius R ꞌ des Pressrohrstranges: R
di l d cos i k 2
k 2 d i k d i l R 1 R 2
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unter
Bebauung;
Österr.
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