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Static effects and aspects of feasibility and sesign of drainages in tunnelling

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Inhalt

In dieser Arbeit wird die Auswirkung von Drainagemassnahmen auf zwei typische Problemstellungen im Tunnelbau durch wasserführendes, gebräches Gebirge untersucht: einerseits auf die Stabilität der Ortsbrust, andererseits auf Stabilität und Verformung eines Injektionskörpers. Die ungünstige Wirkung von Wasser auf Stabilität und Verformung von Tunnelbauten hat ihre Ursache zum einen im Porenwasserdruck und zum andern in den Strömungskräften, die infolge zum Tunnel hin gerichteter Sickerströmung entstehen. Drainagebohrungen reduzieren sowohl den Porenwasser-druck, als auch die Strömungskräfte rund um den Hohlraum. Zudem erhöht der Porenwasser-druckabbau die effektiven Spannungen und somit die Scherfestigkeit des Baugrundes („Konsolidation“), was sich günstig auf die Verformungen während und nach dem Tunnelbau auswirkt. Die Zielsetzung der Arbeit ist es, ein umfassendes Verständnis der Zusammenhänge zwischen Drainagemassnahmen und der Ortsbruststabilität sowie der Stabilität von Injektionskörpern zu erarbeiten. Die Hauptziele der Untersuchung rund um die Ortsbrust sind: (i) die Beurteilung der Ortsbruststabilität mittels Grenzgleichgewichtsmodell, welches die sich infolge Drainage einstellende, numerisch ermittelte Sickerströmung berücksichtigt; (ii) die systematische Untersuchung der Ortbruststabilität für verschiedene, praxisnahe Drainageanordnungen inklusive der Ausarbeitung von Dimensionierungs-Nomogrammen; (iii) die Berücksichtigung einer Reihe von Aspekten, die den Porenwasserdruckabbau somit die Wirksamkeit von Drainagemassnahmen limitieren. Die Hauptziele der Untersuchung rund um den Injektionskörper sind: (i) das Studium der stabilisierenden Wirkung der theoretischen, vollständigen Drainage auf Ausbauwiderstand und Plastifizierung eines Injektionskörpers im ebenen Verformungszustand; (ii) der Vergleich mit dem stabilisierenden Effekt von praxisnahen Drainageanordnungen, d.h. unter Berücksichtigung des Porenwasserdruckabbaus infolge ausgewählter Bohrschemata; jeweils, (iii), für Drainagebohrungen vor und nach dem Erstellen eines Injektionskörpers. Die Stabilität von Injektionskörpern fokussiert auf zwei Drainagekonzepte: (i) die Drainage des zentralen Bereichs eines Injektionskörpers mit dem Ziel, die Beanspruchung und das Risiko der inneren Erosion infolge grosser hydraulischer Gradienten zu reduzieren; und (ii), die vorauseilende Drainage des gesamten Bereiches des zukünftigen Injektionskörpers, um die effektiven Spannungen zu erhöhen und so den Baugrund vor der Injektionsmassnahme zu konsolidieren. Untersucht wird ein kreisförmiger Tunnel im wasserführenden Baugrund, der als elasto-plastisches, poröses Medium unter Gültigkeit des Prinzips der effektiven Spannungen und der Coulomb’schen Bruchbedingung betrachtet wird. Für den theoretischen Fall der vollständigen Drainage, d.h. der Porenwasserdruckabsenkung auf atmosphärischen Druck, wird eine analytische Lösung hergeleitet. Praxisnahe Drainageanordnungen werden mittels hydraulisch-mechanisch gekoppelter FE-Modellierung untersucht und die Unterschiede zur analytischen Lösung aufgezeigt.

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