Novel insights from monitoring‐data‐driven analytical mechanics of tunnel structures

Unsichere Bodenparameter in Tunnelsimulationen bedingen typischerweise signifikante Lücken zwischen Modellvorhersagen und entsprechenden Echtzeit‐Felddaten. Als Abhilfe koppeln hybride Methoden geodätische In‐situ‐Verschiebungsdaten direkt mit innovativer Tunnelschalen‐Mechanik. Dabei werden gemessene Verformungen in Auslastungsgrade der Tunnelschale umgerechnet. Während traditionelle Ansätze auf gewählten räumlichen Verschiebungsinterpolationen beruhen, nutzen neuere Entwicklungen im Rahmen des Projekts “Rail4Future” analytische Verschiebungslösungen der alternden viskoelastischen Schalentheorie. Dies liefert nicht nur Auslastungen der Tunnelschale, sondern auch Gebirgskräfte. Bei der Anwendung auf aktuelle Großtunnelprojekte erweisen sich auf die (gedanklich freigeschnittene) Schale wirkende Gebirgsscherkräfte sowie hohe Flexibilität der Schale einschließlich der Bildung plastischer Gelenke als kritische strukturelle Charakteristika der Neuen Österreichischen Tunnelbaumethode (NÖT). Für den Nachweis von 150 Jahren Tragfähigkeit von Tübbingen bei maschinellen TBM‐Vortrieben ist die Berücksichtigung nicht‐asymptotischen Beton‐Kriechens essentiell, um punktuell mittels Schwingsaiten gemessene Dehnungen verlässlich in realistische Auslastungsgrade zu übersetzen. Während die genannten Ergebnisse auf maßgeschneiderten Gitterpunktmodellen basieren, werden zukünftige Arbeiten Fourier‐Reihen‐Darstellungen von Gebirgsdrücken heranziehen. Dies soll die aktuellen Berechnungswerkzeuge in eine mit fortschrittlichen Sensortechnologien kompatible, leistungsfähige Monitoringplattform überführen.

Uncertain ground parameters entering numerical simulations in tunneling typically imply significant gaps between model predictions and corresponding real‐time field data. As a remedy, hybrid methods directly couple in‐situ geodetic displacement data with advanced shell mechanics, so as to convert recorded lining deformation into utilization degrees. While traditional approaches rely on the ad‐hoc choice of spatial displacement interpolations, recent advancements under the “Rail4Future Project” use analytical displacement solutions from aging viscoelastic shell theory, providing not only the shell utilization, but also the ground action. When applied to recent large‐scale tunnel projects, ground shear mobilization and shell flexibility including plastic hinge formation turn out as critical structural characteristics of the New Austrian Tunneling Method (NATM). As regards tunnel boring machine (TBM)‐driven linings monitored by vibrating wire sensors providing strain data, non‐asymptotic concrete creep is the key to successful utilization determination for up to 150 years. While these results rely on tailored grid‐point models, future work will employ Fourier‐series representations of ground actions, so as to transition the current computational tools into a high‐throughput monitoring platform compatible with advanced sensing technologies.