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KIRAS Sicherheitsforschung

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Konzeptinitiative

Standsicherheit der Ortsbrust im Tunnelbau

Grundlagen für Teilsicherheitsbeiwerte für Boden und Stützmittel sowie Bewertung der Stützmaßnahmen

Experimentelle Untersuchungen zur Ortsbruststabilität in geotechnischen Zentrifugen blieben bisher fast ausschließlich auf Modelle unter Vernachlässigung der Flexibilität der Tunnelschale beschränkt. Weiters wurde bisher vorwiegend die Stabilität von vollflächiger Ortsbrust (wie im maschinellen Tunnelbau üblich) untersucht.
Als Grundlage für numerische Untersuchungen über das Zusammenwirken von Boden und Stützmitteln beim zyklischen Vortrieb  wurde eine Serie von Modellversuchen an der geotechnischen Großzentrifuge der University of Colorado in Boulder, USA, durchgeführt.

Das Modell (siehe Abbildung) besteht aus einem Behälter, der für jeden Versuch mit feinem Quarzsand gefüllt wird, dessen Boden und drei der Seitenwände aus Aluminium bestehen und dessen Vorderseite aus klarem Acryl eine gute Beobachtung des Versuchsablaufs mit Hilfe einer Digitalkamera erlaubt. Diese Vorderfläche ist gleichzeitig Symmetrieebene des Modells. Ebenfalls aus Acryl besteht die Tunnelschale im Modell. Sie ist eine Halb-Zylinderschale und ist so gelagert, dass sie sich weitgehend wie eine echte Tunnelschale im Boden verschieben und deformieren kann. Eine Abschlussfläche (bzw. zwei im Fall eines unterteilten Vortriebs) simuliert die Ortsbruststützung und wird nach Erreichen der gewünschten Geschwindigkeit der Zentrifuge (hier entsprechend 70 g) verschiebungsgesteuert vom Boden wegbewegt, bis sich im Boden Scherbänder und ein Trichter an der Oberfläche ausbilden. Verschiebungen und Verzerrungen der Tunnelschale und des Bodens werden messtechnisch aufgezeichnet, ebenso wie die Kraft, die der Boden auf die Abschlussfläche(n) ausübt.
Im Wesentlichen wurden vier Varianten untersucht:

  • Tunnelschale bis zur vollflächigen Ortsbrust in voller Stärke
  • Tunnelschale endet 0,25 Durchmesser hinter der vollflächigen Ortsbrust
  • Tunnelschale bis zur in Kalotte und Strosse unterteilten Ortsbrust in voller Stärke
  • Tunnelschale endet 0,25 Durchmesser hinter der unterteilten Ortsbrust

Für jede Variante wurde der Versuch mit zwei unterschiedlichen Höhen der Boden-Überlagerung gefahren und meist zweimal wiederholt, um Aussagen über die Streuung der Ergebnisse zu erhalten.
Die Versuchsergebnisse zeigen deutlich die Auswirkungen der Varianten auf die Belastungen der Tunnelschale und die Ausbildung der Versagensflächen im Boden, siehe die folgenden Abbildungen.

Kontakt
Herbert Walter
Dr. A. Altmann-Str. 24
5020 Salzburg
Austria
Ph. +43 662 820644
Email: hw@zthw.at
Internet: http://www.zthw.at