Finite Element Simulation of shield tunneling
Final Report Abstract
Gegenstand des Forschungsprojekts war die Entwicklung eines dreidimensionalen Simulationsmodells für maschinelle Tunnelvortriebe, das alle wesentlichen Komponenten der Vortriebsmaschine, der Stützmaßnahmen und des durchörterten Bodens einschließlich ihrer Wechselwirkungen als Gesamtsystem berücksichtigt und den schrittweisen Vortriebsprozess realitätsnah abbildet. Indem bisherige Vereinfachungen bei der Modellierung überwunden wurden, ist das entwickelte Modell in der Lage, die komplexen Wechselwirkungen zwischen diesen Komponenten wirklichkeitsnäher als bisher zu erfassen. Zum Zeitpunkt der Antragstellung waren die relativ wenigen veröffentlichten dreidimensionalen numerischen Modelle für Schildvortriebe durch mehr oder weniger starke Vereinfachungen bzw. einer weitgehend isolierten Betrachtung einzelner Bestandteile (z.B. Maschine und Ausbau) gekennzeichnet, die eine Analyse der vielfältigen Interaktion zwischen den einzelnen Komponenten nicht erlauben. Die mit dem gegenständlichen Projekt verbundenen Zielsetzungen waren • die Verringerung des Schadensrisikos im maschinellen Tunnelbau durch verbesserte Prognosen der zu erwartenden Setzungen an der Geländeoberfläche und der Beanspruchungen des Tunnelausbaus und • die Optimierung von Entwurfs- und Prozessparametern durch modellbasierte Analysen der Einflüsse einzelner Entwurfs- und Vortriebsparameter auf Setzungen und Beanspruchungen während des Vortriebs. Im Laufe des ingesamt vierjährigen Förderungszeitraums wurde ein Prototyp eines dreidimensionalen Finite Elemente Modells für Schildvortriebe in Lockergesteinen entwickelt, das alle genannten Teilkomponenten weitgehend realitätsnah beinhaltet. Mit Hilfe dieses Modells lassen sich die zu erwartenden Setzungen an der Geländeoberfläche sowie die Beanspruchungen und Verformungen des Tunnelausbaus prognostizieren und die Wechselwirkungen zwischen Boden, Vortriebsmaschine, Tunnelausbau, Vortriebspressen und Verpressung des Ringspalts analysieren. Das entwickelte Modell und seine Anwendungen haben sich schwerpunktmäßig auf Tunnelvortriebe in tonigen Lockergesteinen mittels Hydro- bzw. Erddruckschilden konzentriert. Während in der ersten Projektsphase zunächst nur wassergesättigte Böden und geradlinige Trassenführungen berücksichtigt wurden, wurden in der zweiten Projektphase Erweiterungen für teilgesättigte Böden sowie für Analysen von Kurvenfahrten vorgenommen. Die gewählte integrierte Art der Modellbildung erlaubt für gewählte Entwurfs- und Prozessparameter die realitätsnahe Beschreibung • der zeitlichen Entwicklung der vor- und nacheilenden Setzungen an der Bodenoberfläche, • der durch den Vortrieb hervorgerufenen Konsolidierungprozesse im Boden, • der Bewegung von Tunnelbohrmaschinen im Boden und ihrer Steuerung über die Vorschubpressen mit Hilfe eines dafür entwickelten Steuerungsalgorithmus, • des gesamten Kräftespiels des Systems Maschine-Boden-Ausbau-Stützmedien, • sowie der zeitlichen Entwicklung der Ausbaubeanspruchungen. Damit steht ein Prototyp eines integrierten Prognosemodells zur Verfügung, das nicht nur für die Planung sondern auch als unterstützendes modellbasiertes Hilfsmittel für die Steuerung von Tunnelvortriebsmaschinen eingesetzt werden kann. Die im Vordergrund der durchgeführten Forschungsarbeiten stehende Entwicklung eines ganzheitzlichen dreidimensionalen Finite Elemente Modells stellt das primäre Ergebnis des Projekts dar. Als nicht weniger wichtig werden jedoch die Erkenntnisse, die aus der prototypischen Anwendung des Simulationsmodells auf einen Hydroschildvortrieb eines oberflächennahen Tunnels in bmdigem Boden unterhalb des Grundwasserspiegels gewonnen wurden, erachtet. Mit Hilfe systematischer Sensitivitätsstudien wurde der Einfluß verschiedener Geometrie-, Vortriebsuad Maschinenparameter sowie der Materialeigenschaften des Bodens und des Ringspaltmörtels speziell auf die Schildfahrt, die Oberflächensetzungen und die Beanspruchungen und Verformungen des Tunnelausbaus untersucht. Auf diese Weise konnten Einblicke in das komplexe Wechselspiel zwischen dem Boden, der Schildmaschine, den Vortriebspressen, der Ringspaltverpressung und dem Tunnelausbau gewonnen und der Einfluß verschiedener Parameter auf entwurfsrelevante Größen wie z.B. Oberflächensetzungen für den untersuchten Tunnelvortrieb quantifiziert werden. Derartige Studien können eine wertvolle Entscheidungsgrundlage für den Entwurf und die Planung von Schildvortrieben liefern. Hervorzuheben ist, dass die im gegenständlichen Forschungsprojekt erzielten Ergebnisse die Grundlagen und die Voraussetzungen für die Teilnahme an einem Integrierten Europäischen Forschungsprojekt zum Thema Innovation im Tunnelbau geliefert haben, in dessen Rahmen das Simulationsmodell in einem interdisziplinären Kontext weiterentwickelt wird.
Publications
- Dissertation T. Kasper: Finite Elemente Simulation maschineller Tunnelvortriebe in wassergesättigtern Locker gestern, 2004.
- G. Meschke, F. Nagel, J. Stascheit & T. Kasper: Advanced Numerical Simulation in Shield Tunnelling and its role in design and steering, Computational Modelling in Tunnelling (EURO:TUN 2007), 2007, J. Eberhardsteiner, G. Beer, C. Hellmich, H.A. Mang, G. Meschke and W. Schubert (Hsg.).
- Kasper, T. & Meschke, G-, Numerische Untersuchungen zu den Wechselwirkungen bei Schildvortrieben im Lockergestein, Bauingenieur, 80. 413-421, 2005 11
- Kasper, T. & Meschke, G.: 3D modelling of shield tunnelling in saturated soft soils, Computer Methods and Advances in Geomechanics, G. Barla {Hsg.), 497-508, 2005.
- Kasper, T. & Meschke, G.: A 3D finite element model for TBM tunneling in soft ground, International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, 28, 1441-1460, 2004.
- Kasper, T. & Meschke, G.: Modeling aspects and numerical simulation of shield tunneling in soft soils, Computational Plasticity 2003, CIMNE, Barcelona, 2003.
- Kasper, T. & Meschke, G.: On the influence of face pressure, grouting pressure and TBM design in soft ground tunnelling, Tunnelling and Underground Space Technology, 21, 160-171, 2006.
- Kasper, T. &: Meschke, G.: A numerical study on the effect of soil and grout material properties and cover depth in shield tunnelling, Computers &; Geotechnics, 33, 234-247, 2006.
- Kasper, T. &; Meschke, G.: Three-dimensional Finite Element Simulations of Hydroshield Tunnelling, (Re) Claiming the Underground Space - ITA World Tunnelling Congress 2003, J. Saveur (Hsg.), Balkema, 779-786, 2003.
- Kasper. T. &; Meschke, G.: Finite Elemente Simulation maschineller Tunnelvortriebe, Geotechnik, 27, 178-181, 2004.
- Meschke, G. &; Kasper, T.: Sirnulationsgestützte Quantifizierung von Setzungseinflüssen im maschinellen Tunnelbau, Baustatik-Baupraxis 9, 2005, TU-Dresden, B. Möller, W. Graf, P. Rüge & B. Zastrau, 295-306,
- T. Kasper & G. Meschke: Numerische Simulationen im maschinellen Tunnelbau, Interaktionsprobleme im Ingenieurbau, TU Dresden, Möller B. (Hsg.), 31-56, 2005.
