Prozessorientierte numerische Simulation schildgestuetzter Tunnelvortriebe in Lockerboeden / Process-oriented numerical simulation of shield-supported tunnelling in soft soils

Der vorliegende Beitrag praesentiert ein auf der Methode der Finiten Elemente basierendes Simulationsmodell zur Analyse schildgestuetzter Tunnelvortriebsprozesse. Die prozessorientierte Abbildung des Tunnelvortriebs ermoeglicht Prognosen der Auswirkungen unterschiedlicher Vortriebsparameter, wie Stuetz- und Verpressdruecke oder der Vortriebsgeschwindigkeit, auf die Bodenverformungen und Bodenbeanspruchungen, die Grundwasserverhaeltnisse oder die Belastungen von Schildmaschine und Tuebbingausbau. Dies erfordert neben der wirklichkeitsnahen numerischen Abbildung des sequenziellen Vortriebsprozesses, der Prozesskomponenten und des umgebenden Baugrunds adaequate numerische Modelle zur Beschreibung der vielfaeltigen Boden-Prozess-Interaktionen infolge der Ortsbruststuetzung, des Kontakts zwischen Schildmantel und Baugrund, der Schildschwanzverpressung, der Maschinensteuerung und des Ausbaus. Diese prozessabhaengigen Wechselwirkungen praegen das strukturmechanische Verhalten vor, ueber und hinter der Tunnelvortriebsmaschine in erheblichem Umfang. Ausgewaehlte Beispielrechnungen demonstrieren die Moeglichkeiten des vorgestellten Simulationsmodells fuer die Analyse von Interaktionsmechanismen im maschinellen Tunnelvortrieb. (A) ABSTRACT IN ENGLISH: A numerical simulation model for the analysis of shield-supported tunnelling processes based on the finite element method is presented. The process-oriented computational representation of the tunnel drive enables forecasts of the effects of different tunnelling process parameters, like support and grouting pressures or the advance rate, on ground deformations and stresses, groundwater conditions or the loading of the shield machine and segment lining. This requires, in addition to the realistic numerical modelling of the sequential tunnelling process, the supporting measures and the surrounding ground, to employ adequate numerical models to describe the intricate interactions between the ground and the tunnelling process resulting from the face support, the contact between shield skin and ground, the shield tail grouting, the steering of the machine and the lining. These process-oriented interactions determine the structural behaviour above and behind the machine to a considerable degree. Selected numerical applications demonstrate the capabilities of the simulation model described here for the analysis of interaction mechanisms in mechanical tunnelling. (A)