Daten-gestützte analytische Mechanik für die Neue Österreichische Tunnelbaumethode

Abstract

Die vorliegende Arbeit widmet sich einer Daten-gestützten analytischen Mechanik für die Neue Österreichische Tunnelbaumethode (NÖT). Konkret wird eine mathematische Beschreibung für das Strukturverhalten von dünnen, flexiblen und bewehrten Spritzbetonschalen als Reaktion auf die äußere Gebirgsbeanspruchung in geschlossenen Formeln erarbeitet,die mit punktspezifischen Verschiebungsdaten gespeist werden.Einleitend wird auf die NÖT eingegangen, eine weltweit sehr erfolgreiche Bauweise, die die Vorteile eines flexiblen Ausbaus mit der Bedeutung des Faktors Zeit, der Kenntnis der Gewölbebildung im umgebenden Boden und den regelmäßigen Beobachtungen verbindet.Seit ca. 25 Jahren wird neben den Verschiebungsmessungen der Ausnutzungsgrad der Spritzbetonschale als weiterer Indikator zur Identifikation kritischer Situationen während des Tunnelvortriebs und darüber hinaus herangezogen. Für dessen Ermittlung wurde eine sogenannte hybride Methode entwickelt, bei der die Verschiebungsdaten mit einem strukturmechanischen und einem materialmechanischen Modell verbunden werden.Zu diesem Zweck werden die Grundlagen des mechanischen Gleichgewichts von kontinuierlichen Körpern erörtert und das sogenannte Prinzip der virtuellen Leistung vorgestellt, mit dem differentielle Gleichgewichtsbedingungen für die Kräfte eines schlanken zylindrischen Schalensegments mit bogenförmiger Kinematik aufgestellt werden. Die äußeren Kräfte, also Auflagerkräfte sowie Gebirgsdruck- und Gebirgsschubverteilungen, werden so analytisch mit den inneren Kräften, also Normalkräften und Biegemomenten, verknüpft. Letztere können dann über ein alterndes viskoelastisches Materialmodell für hoch beanspruchten Spritzbetonanalytisch mit radialen und tangentialen Verschiebungskomponenten verknüpft werden.Dies ermöglicht die analytische Umwandlung der lokalen Verschiebungsmessdaten in innere und äußere Kraftgrößen, Ausnutzungsgrade und die Verschiebungsgrößen zwischenden Messpunkten. Erreicht der Ausnutzungsgrad an lokalen Stellen des Schalensegments einen kritischen Wert, werden plastische Gelenke induziert, die mit einer lokalen Drehwinkeldiskontinuität einhergehen.Diese analytischen Mechanik-Werkzeuge dienten als Grundlage für die Analyse von zwei NÖT-Tunnelmessquerschnitten, konkret von einer mit drei Messpunkten ausgestatteten Kalottenschale des Sieberg Tunnels und einer mit fünf Messpunkten ausgestatteten Kalottenschale des Tunnels Stein. Dabei konnte festgestellt werden, dass die Verteilung der Kraftgrößen sowie das Ausmaß des Beanspruchungsniveaus maßgeblich durch die auf die Außenseite der Tunnelschale wirkenden äußeren Kräfte bestimmt werden, d.h. neben dem im Tunnelbau üblichen Gebirgsdruck sollte auch den Schubtraktionskräften, also dem Gebirgsschub,Beachtung geschenkt werden. Darüber hinaus kann die Zuverlässigkeit der hybriden Methode maßgeblich vom verwendeten Materialmodell des Spritzbetons sowie vonder Anzahl der zugrunde liegenden Messpunkte abhängen. Während bei der Analyse mit drei Messpunkten eine monolithische Spritzbetonschale vorliegt, offenbart die Analyse mit fünf Messpunkten die Bildung plastischer Gelenke und somit eine buchstäblich flexiblere Strukturkonfiguration, die sich ganz im Sinne der NÖT an die Umlagerungen des umgebenden Gebirges anpasst.

The present work dedicate to data-driven analytical mechanics of the New Austrian Tunneling Method (NATM). Specifically, a mathematical description of the structural behaviour of thin, flexible and reinforced shotcrete shells in response to external ground loading is developed in closed formulae, which are fed with point-specific displacement data.The introduction focuses on the NATM, a very successful construction method worldwide,which combines the advantages of flexible support with the importance of the time factor,knowledge of the vault formation in the surrounding ground and periodic observations. In addition to displacement measurements, the degree of utilization of the shotcrete lining has been used for around 25 years as a further indicator for identifying critical situations during tunneling and beyond. To determine this, a so-called hybrid method was developed in which the displacement data is combined with a structural-mechanical and a material mechanical model.To this purpose, the fundamentals of the mechanical equilibrium of continuous objects are discussed and the so-called principle of virtual power is presented, with which differential equilibrium conditions for the forces within a slender cylindrical shell segment with archlike kinematics are established. The external forces, i.e. impost forces as well as ground pressure and shear traction forces, are thus analytically linked with the internal forces, i.e.normal forces and bending moments. The latter can then be analytically linked to radial and tangential displacement components using an aging viscoelastic material model for highly stressed shotcrete. This enables the analytical conversion of the local displacement measurements into internal and external force values, degrees of utilisation and the displacement values between the measurement points. If the degree of utilisation reaches acritical value at local points of the shell segment, plastic hinges are induced, which are associated with a local discontinuity in the rotational angle.These analytical mechanics tools provided the basis for the analysis of two measurement cross-sections of NATM tunnels, specifically a top heading of the Sieberg tunnel equipped with three measurement points and a top heading of the tunnel Stein equipped with five measurement points. It could be established that the distribution of the forces and the magnitude of the level of loading are essentially dependent on the external forces acting on the outer surface of the tunnel lining, i.e. in addition to the usual ground pressure in tunneling, it is imperative to take into account the shear traction forces. In addition, the reliability of the hybrid method can depend significantly on the material model used for the shotcrete and the number of underlying measurement points. While the analysis with three measurement points shows a monolithic shotcrete shell, the analysis with five measurement points reveals the formation of plastic hinges and thus a literally more flexible structural configuration that adapts to the re-arrangements of the surrounding ground in the sense of the NATM.