FE modelling of excavation and operation of a shield tunnelling machine / FE-Modellierung des Ausbruchs und Betriebs einer Schildvortriebmaschine

A shield tunnelling machine is driven forward by applying mechanical jack forces behind the shield machine tail while excavating the soil in front of the shield machine with its cutting face. In this study, the advance and excavation processes of the shield tunnelling operation are modelled using the finite element method in order to investigate the effect of these construction processes on the ground response. An excavating finite element is introduced, which models the disturbed soil in front of the cutting face. The operation of shield advance and of soil excavation is simulated using the finite element re-meshing technique at each time step of the analysis. The proposed modelling techniques of shield tunnelling construction are applied to simulate a deep and a triple-face shield tunnelling project in Tokyo and the numerical results are compared with the field measurements.

Eine Schildvortriebsmaschine wird durch Vorschubzylinder am Maschinenende vorangetrieben, während der Schneidkopf an der Vorderseite der Maschine den Boden abbaut. In dieser Studie werden der Vortrieb und der Bodenabbau beim Betrieb einer Schildmaschine mittels der Methode der Finiten Elemente modelliert, um den Einfluss dieser Vorgänge auf die Reaktion des Baugrunds zu untersuchen. Hierzu wird ein Ausbruchelement eingeführt, das den gestörten Boden vor der Maschine modelliert. Dabei wird das FE-Netz für jeden Zeitschritt angepasst. Die vorgestellte Modellierungstechnik für den Schildvortrieb wird eingesetzt, um einen tiefen Schildvortrieb und den Einsatz einer Dreikopf-Schildmaschine zu simulieren. Die numerischen Ergebnisse werden mit den Resultaten der vor Ort Messungen verglichen.