Vergleichsrechnungen zu Modellierungsvarianten für Tunnel mit Tübbingauskleidung

Zur Schnittgrößenermittlung, Verformungsberechnung, Spannungsanalyse und zur Bemessung von maschinell aufgefahrenen Tunneln mit Tübbingauskleidung werden heutzutage verschiedene Modellierungsmethoden herangezogen. Zum Entwurf und zur Bemessung des Tunnelausbaus dienen üblicherweise Bettungsmodelle, die den umliegenden Boden mit nur Druckkraft übertragenden Federn idealisieren und den Ausbau als kreisförmige Balkenabschnitte abbilden. Um eine dreidimensionale Wirkung des Tunnels im Baugrund aufzuzeigen, werden numerische Kontinuumsmodelle genutzt. Die Baugrundeigenschaften werden dabei zumeist unter Verwendung eines nichtlinearen Materialgesetzes abgebildet, wobei der Tunnelausbau vorwiegend als kreisförmige Schalenabschnitte mit Druck- und Reibkontakt zum Baugrund erfasst ist. Dabei können einerseits relevante Bauzustände wie der sequenzielle Tunnelvortrieb, die schrittweise Installation des Tunnelausbaus im umliegenden Boden sowie ausgewählte Belastungsszenarien aus dem Verpressdruck und dem Stützdruck abgebildet werden. Andererseits lassen sich durch Simulationsmodelle mit sofortiger Aktivierung des Tunnelausbaus Endzustände realisieren. Neben diesen nichtlinearen numerischen Berechnungsmethoden liefern klassische analytische Lösungen z. B. im elastischen Halbraum wichtige Grundlagen (Last- und Modellierungsansätze) und Kontrollmöglichkeiten (Größe von Schnittgrößen und Verformungen). Der Beitrag stellt demnach Unterschiede zwischen den einzelnen Modellierungsvarianten gegenüber, bewertet sie im Hinblick auf die Abbildungseigenschaften und vergleicht sie hinsichtlich der Schnittgrößenkombinationen und radialen Verschiebungen unter Variation ausgewählter Parameter des Baugrunds.

Comparative Analyses of Modeling Alternatives of Tunnels with Concrete Lining Segments
Task-oriented alternative modelling techniques are popular in mechanised tunnelling to calculate internal forces and deformations, to analyse stresses or to design. For detailing and designing lining segments beams on elastic foundation are often favoured. Those models idealise the soil-structure interaction employing compression-only springs and approximate the circular tunnel shell by polygonal beam members. By contrast and to account for a holistic three-dimensional impact of the tunnel on the soil more sophisticated continuum models, utilising nonlinear constitutive laws, are preferred. Here, the circular tunnel shell interacts in compression with the surrounding soil by contact and friction. Apart from the final state scenario associated with an immediately activated tunnel lining, intermediate construction stages due to sequential driving along with a stepwise consecutive installation of lining segments and specific loading scenarios from grouting or back pressure can explicitly be accounted for. Complementary to nonlinear numerical simulation well-known analytical results provide a sound fundamental basis for control. The contribution contrasts and assesses alternative modelling approaches regarding features, demands and adequacy. For the last one, numerical results are analysed in variation of decisive soil properties with respect to radial deformations in relevant load combinations.