Sonderforschungsbereich 837 „Interaktionsmodelle für den maschinellen Tunnelbau“



Auftraggeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft

Laufzeit der 1. Projektphase: Juli 2010 bis Juni 2014
Laufzeit der 2. Projektphase: Juli 2014 bis Juni 2018
Laufzeit der 3. Projektphase: Juli 2018 bis Juni 2022

Teilprojekt B1 „Multimaterielle modulare Tübbingsysteme für einen adaptiven, robusten Tunnelausbau"

1. Projektphase:
Tübbinge sind einzelne im Fertigteilwerk vorgefertigte Stahlbetonelemente, die durch den Erektor der Tunnelvortriebsmaschine zu einem Ring zusammenmontiert werden. In einschaliger Bauweise bilden sie die endgültige Auskleidung. Tübbinge sind im Bau- und Endzustand einer Vielzahl von Beanspruchungen ausgesetzt. Dabei werden sie zumindest lokal des Öfteren bis an oder sogar über die Leistungsfähigkeitsgrenze beansprucht. Dabei spielen Teilflächenbelastungen und Zwangswirkungen, z.B. aus den Vortriebspressen und lokalen Pressungen bei Kantenkontakten, sowie später aus punktueller Querkraftübertragung im Topf-Nocke-Bereich, Versätzen oder Rotationen eine wesentliche Rolle. Hieraus resultierende Rissbildungen und Abplatzungen führen in der Regel zu einer erheblichen Beeinträchtigung der Dauerhaftigkeit und damit der langzeitigen Nutzung des Tunnelbaus.

Ziel des Teilprojektes B1 ist es, den Qualitätsstandard der Tübbinge unter dem Aspekt der Sicherheit, Robustheit und Dauerhaftigkeit, zunächst unter Einsatz von Stahlfaserbeton und in einem nächsten Schritt durch Entwicklung eines neuen Tübbingtypus hinsichtlich Langlebigkeit nachhaltig zu verbessern. Dabei werden interagierend numerische und experimentelle Methoden eingesetzt und das Tübbingsystem ganzheitlich auf Material-, Bauteil- und Prozessebene betrachtet und topologisch optimiert.

2. Projektphase:
Ziel des Teilprojekts in der 2. Phase ist es, hybride Tübbings in Bezug auf Materialien, Herstellung, Robustheit und dauerhafte Tragfähigkeit ganzheitlich zu optimieren. Dabei wird auf den grundsätzlichen Untersuchungen zum Fasereinsatz in Tübbings und wesentlichen Verfahrensentwicklungen zur Designoptimierung aus der 1. Förderperiode aufgebaut. Die Optimierung bezieht sich nicht nur auf Beanspruchungen aus dem Endzustand des Tunnels, sondern schließt die Verformungs- und Lastkonstellationen der Bauzustände mit ein, um Schädigungsanfälligkeiten im Bau zu reduzieren und gleichzeitig bemessungsrelevante Zulagen der Bauzustände minimal zu halten. Die in TP B1 auf optimierungsgestützten Entwurf, Robustheitsprüfung und Experimente ausgerichteten Untersuchungen geschehen eng abgestimmt mit dem TP B2, welches detaillierte numerische Simulationsrechnungen zu den einzelnen Teilschritten durchführt.

3. Projektphase:
Ziel der 3. Förderphase ist es, die bislang erarbeiteten Methoden und Elemente hybrider Tübbingsysteme einschließlich deren spezifischer Herstellungsprozesse bis in den Realmaßstab zu modularisierten Tübbings fortzuentwickeln, konsekutiv zu multimateriellen, adaptiven Mehrschichtsystemen für den Einsatz in Störzonen mit erhöhten Gebirgsverformungen Weiterzuentwickeln und die erreichten Verbesserungen gegenüber klassischen Konzepten auf Materialebene und an prototypischen Gesamtbauteilen experimentell zu zeigen.

Forschungslinie 2 (Bausofftechnik) fokussiert sich auf die Entwicklung und Charakterisierung geeigneter Materialien für die kompressible Zusatzschicht. Essentiell ist dabei, dass diese sich unter den anfänglichen Einwirkungen (z. B. dem Ringspaltverpressdruck) nahezu elastisch erhalten, d.h. eine ausreichende Steifigkeit aufweisen. Gegenüber später einwirkendem Gebirgsdruck unter den dann triaxialen Randbedingungen verhalten sich diese nach Überschreiten eines definierten Spannungsniveaus plastisch. Primär sind dabei zementgebundene Materialen mit unterschiedlicher Porosität (z.B. durch leichte Gesteinskörnung, Schaumstoffzusätze usw.) vorgesehen, die durch entsprechende Kombinationen den jeweiligen Stauchungsanforderungen angepasst werden können. Neben den materialtechnischen Untersuchungen werden auch Ansätze für die Herstellung von Tübbings mit diesen multimateriellen, adaptiven Mehrschichtsystemen einbezogen.




Teilprojekt B3 „Ringspaltmörtel – Entwicklungen unter Berücksichtigung der verschiedenen Interaktionen mit dem Gebirge und Tübbingausbau“

An Ringspaltmörtel werden i.a. gleichzeitig zwei einander entgegenlaufende Anforderungen gestellt. Zum einen wird eine lange Verarbeitbarkeitszeit und ein hohes Fließvermögen verlangt, um den Ringspalt vollständig ausfüllen zu können, zum anderen wird jedoch erwartet, dass der Mörtel unmittelbar nach dem Verpressen eine hohe Steifigkeit/ Scherfestigkeit entwickelt. Bislang werden dazu i.a. fließfähige Einkomponentemörtel eingesetzt, die nach dem Verfüllen – durch Auspressen von Wasser in das umgebende Gebirge – eine entsprechende Steifigkeit entwickeln. In der Praxis werden die Mörtel mehr oder weniger ausnahmslos auf rein empirischer Basis festgelegt, systematische Untersuchungen zum Entwässerungsverhalten und zur Entwicklung der Steifigkeit fehlen weitgehend. Neben den Einkomponentenmörteln kommen gelegentlich auch Zwei- oder Mehrkomponentenmörtel zur Anwendung, insbesondere wenn eine Entwässerung im notwendigen Ausmaß nicht möglich ist.

1. Projektphase:
In der Förderphase I wurden zunächst praxisübliche Einkomponentenmörtel hinsichtlich ihres Entwässerungsverhaltens, einschl. der Feinstteilumlagerungen im Mörtel („innerer Filterkuchen“), und ihrer damit einhergehenden Scherfestigkeitsentwicklung systematisch untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass mit größerer Feinheit der Feinststoffe die Filtratwasserabgabe abnahm, bedingt durch die Granulometrie und damit verbunden das höhere physikalische Wasserbindevermögen. Nach Beendigung der Entwässerungsversuche wurden auch an diesen Mörteln höhere Scherfestigkeiten ermittelt, was auf den physikalischen Füllereffekt dieser Feinststoffe und damit einhergehend die höhere Packungsdichte zurückzuführen war.

2. Projektphase:
In der Fortsetzungsphase II sollen die folgenden drei wesentlichen Teilziele verfolgt werden:
- Ausbildung eines „äußeren Filterkuchens“ im anstehenden Gebirge durch Feinstteilinfiltration
- Entwicklung von Mehrkomponentenmörteln mit neuartigen bzw. modifizierten Bindemittelsystemen
- Entwicklung von RSM mit dem Gebirgsdruck angepasster Steifigkeit/ Stauchungsfähigkeit

3. Projektphase:
Wesentliches Ziel in der Förderperiode III ist es, aufbauend auf den vorliegenden orientierenden Ansätzen verformungsfähige Mörtel für Ringspaltverpressungen in druckhaftem Gebirge zu entwickeln. Solche Mörtel sollen eine gewisse „radiale“ Stauchbarkeit im Ringspalt ermöglichen, sodass bei entsprechendem Gebirgsdruck der Tunnelausbau insgesamt nicht signifikant belastet wird. Diese Studien sind ein wesentlicher Bestandteil für das übergeordnete generelle Ziel im Gesamtprojektbereich „B“ einen insgesamt verformungsfähigen Tunnelausbau im System „Druckhaftes Gebirge – Ringspaltmörtel – Tübbing“ zu entwickeln.
Bei der Entwicklung solcher verformungsfähiger Ringspaltmörtel müssen die grundsätzlich von Ringspaltmörteln (RSM) erwarteten Eigenschaften (lange Verarbeitungszeit, hohe Fließfähigkeit, rasche Steifigkeits-/ Festigkeitsentwicklung) mit berücksichtigt werden. Die Modifikationen sollen im Wesentlichen durch die Beimischung unterschiedlicher stauchfähiger Komponenten (in sich poröse Systeme aus unterschiedlichen Werkstoffkonfigurationen wie z. B. Leichtzuschläge, Kunststoffschäume etc.) erfolgen. Alternativ wird der Einsatz von per se porosiertem Material fokussiert.




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