Role of brittle fracture on swelling behaviour of weak rock tunnels: hypothesis and qualitative evidence / Sprödbruch in wenig festem Fels als Auslöser von Quellvorgängen: Beobachtungen und Analysen

Underground construction in rock prone to swelling behaviour may result in long-term problems, especially in the invert, if the structure cannot resist swelling pressures. Swelling phenomena are not only a consequence of ground conditions but are strongly influenced by excavation and construction procedures. Evidence of brittle failure observed in the field will be presented and analyzed to prove that brittle failure is the trigger effect of swelling phenomena in shale and clay-anhydrite rocks. Brittle fractures have also been observed in laboratory swelling tests. Brittle failure can create cracks that form pathways for water, leading to changes in the stress-state, and as a consequence trigger swelling phenomena. In clay-anhydrite rock, the swelling pressure is caused by the crystallization pressure of gypsum. The excavation and construction procedures used for the tunnel are a decisive factor for controlling swelling behaviour.
Quellvorgänge in Tongesteinen und Ton-Anhydritgesteinen führen oft zu langfristigen Problemen in Untertagebauten, insbesondere wenn der Ausbauwiderstand der Tragkonstruktion langfristig zu gering ist. Die Quellvorgänge, die besonders im Sohlbereich auftreten, sind nicht bloß eine Folge der Gesteinseigenschaften, sondern werden auch von den gewählten Bauvorgängen und der Tragkonstruktion beeinflusst. Sprödbruchvorgänge wurden in vielen Untertagbauten in Felsgesteinen mit geringer Festigkeit beobachtet. Deren Ursachen werden mit numerischen Modellen analysiert. Sprödbrüche wurden aber auch in Laborquellversuchen in Ton-Anhydritgesteinen, wo sich Gips bildete, beobachtet. Die unterschiedlichen Beobachtungen werden in einen gemeinsamen Rahmen zusammengefügt. Sprödbrüche führen zur Bildung von Rissen und damit von Wasserwegen. Weiter ergeben sich wesentlichen Änderungen des Spannungszustands um die unterirdische Öffnung, und als Folge dieser Vorgänge werden Quellerscheinungen ausgelöst. In Ton-Anhydritgesteinen wird der höhere Quelldruck durch den Kristallisationsdruck von Gips verursacht. Der gewählte Bauvorgang muss Sprödbruchvorgänge möglichst vermeiden und ist ein wesentlicher Faktor des aufzunehmenden Quelldrucks und der Quellerscheinungen.