Tunnelbau theorie Verständnisfragen

Die Aufgabe der Felsmechanik ist es die Zusammenhänge Gesetzmäßigkeiten für das mechanische und hydraulische Verhalten von Fels zu beschreiben.

Unterschied zu anderen Ingenieursdisziplinen wie beispielsweise dem Hoch- und Brückenbau, bei denen die Materialeigenschaften und die Belastung bereits im Voraus weitgehend bekannt und zum Teil steuerbar sind.

Im Tunnelbau entlang der Längsachse eines Tunnels sind oftmals nur vereinzelte Informationen vorhanden, die beispielsweise durch Probebohrungen gewonnen wurden. Darüberhinaus unterliegen die aus den wenigen Labor- und Feldversuchen gewonnenen Materialparameter einer statistischen Streuung,

Gotthard-Basistunnel (57 km)

Heutzutage ereignen sich die meisten Unfälle nicht mehr während des Baus der Tunnel, sondern in der Betriebsphase. Vor allem Brände in Straßentunneln haben in der jüngeren Vergangenheit für große Katastrophen gesorgt. Die meisten Menschen sterben dabei an Rauchvergiftung. Daher kommt der Brandsicherheit und insbesondere der Entrauchung bei modernen Tunneln eine hohe Bedeutung zu. 

Rechteck- und Maulprofile sind verfahrenstechnisch für eine offene Bauweise besser geeignet als Kreisprofile. Kreisprofile hingegen sind statisch günstiger und werden hauptsächlich beim maschinellen Tunnelvortrieb angewendet

Heutzutage kommen hauptsächlich Rechteck-, Maul- und Kreisprofile zur Anwendung.

Geraden, Kreisbögen und Klothoiden (Übergangsbögen)

Ein wesentlicher Unterschied zwischen Straßen- und Eisenbahntunneln liegt vor allem in der Größenordnung der Längs- und Querneigungen der Tunnel. Während bei Straßentunneln überwiegend betriebliche Gründe gegen zu hohe Neigungen sprechen, sind bei Eisenbahntunneln die Randbedingungen durch die technologischen und physikalischen Grenzen der Banhtechnik selbst vorgegeben.

Bei Straßentunneln soll die Längsneigung auf maximal 4% begrenzt werden. Bei langen Straßentunneln wird eine maximale Längsneigung von 2,5% angestrebt. Größere Längsneigungen sind technisch und baulich zwar möglich, es ergeben sich allerdings Nachteile.Die Querneigung der Fahrbahn im Tunnel muss aus entwässerungstechnischen Gründen mindestens 2,5% und darf aus fahrdynamischen Gründen bei Kurven maximal 8% betragen.

− höhere Emissionen,
− größere Gefahr von Verkehrsunfällen,
− raschere Ausbreitung brennbarer Flüssigkeiten,
− Absinken der Lkw-Geschwindigkeiten

In der Regel beträgt die maximale Längsneigung 12,5‰, bautechnisch möglich und vereinzelt auch realisiert worden sind Längsneigungen von bis zu 40‰. Die Längsneigung sollte in jedem Fall so groß sein, dass der Zug den Rollwiderstand aus eigener Kraft überwinden kann, um im Falle des Ausfalls der Oberleitung den Tunnel selbstständig verlassen zu können.

− Längslüftung: natürlich oder mechanisch,
− Halbquerlüftung,
− Querlüftung.

Punktabsaugung:
Die Rauchabsaugung eines ganzen Lüftungsabschnittes erfolgt an einer Stelle.

Absaugung über eine Zwischendecke:
Die Rauchabsaugung erfolgt über eine Zwischendecke (Deckenkanal) mit einzelnen steuerbaren Absaugklappen im Abstand von 50m bis 100m. Der Deckenkanal soll begehbar sein und eine lichte Höhe von ca. 1,9m haben. 

Leuchtdichte ist ein Maß für den Helligkeitseindruck, den das Auge von einer Fläche hat. Diese ist von der Lichtausstrahlung in eine bestimmte Richtung (Lichtstrom) abhängig und hat die Maßeinheit Candela pro m2. Bei der Durchfahrt durch den Tunnel wird die Leuchtdichte an das geringere Beleuchtungsniveau in der Innenstrecke adaptiert.

− Annäherungsstrecke: 

− Einsichtsstrecke:

— Übergangsstrecke:

− Innenstrecke: 

− Ausfahrtsstrecke:

− Gegenstrahlbeleuchtung:

Die Gegenstrahlbeleuchtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtstärkeverteilung der Leuchten vorwiegend gegen die Fahrtrichtung ausgerichtet ist.
− Symmetrische Beleuchtung: Die symmetrische Beleuchtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtstärkeverteilung der Leuchten in Fahrtrichtung und gegen die Fahrtrichtung symmetrisch − Gegenstrahlbeleuchtung: Die Gegenstrahlbeleuchtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtstärkeverteilung der Leuchten vorwiegend gegen die Fahrtrichtung ausgerichtet ist.
− Symmetrische Beleuchtung: Die symmetrische Beleuchtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtstärkeverteilung der Leuchten in Fahrtrichtung und gegen die Fahrtrichtung symmetrisch ist.

Festgesteine entstehen z.B. durch Kristallisation einer natürlichen Gesteinsschmelze. Lockergesteine entstehen aus Festgesteinen durch Verwitterung, das heißt durch mechanische oder chemische Zerstörung des Gesteins z.B. unter dem Einfluss des Wetters. Infolge der Schwerkraft und eventuell weiterer Transportmedien (Wasser, Wind, etc.) wandert das Abtragungsmaterial bis zum Ablagerungsort, wo es sedimentiert und durch Diagenese (niedrige Drücke und Temperaturen) oder Metamorphose (hohe Drücke und/oder Temperaturen) wieder in ein Festgestein umgewandelt wird.

Magmatische Gesteine, Sedimentgesteine und metamorphe Gesteine

Die Umwandlung von Fest- in Lockergestein (Boden) bezeichnet man als Verwitterung. Sie wird vor allem durch das Wetter mit ständigen Wechseln von Temperatur, Niederschlägen, Sonnen- einstrahlung etc. verursacht.
 

Die physikalische Verwitterung führt insbesondere durch temperaturabhängige Volumen- änderungen der beteiligten Materialien zur Auflockerung eines Gesteinsverbandes. Dabei wird das Ausgangsgestein durch die Bildung von Rissen und Spalten mechanisch in kleinere Blöcke und schließlich in Schutt zerlegt. 

Arten von Verwitterung: Temperaturverwitterung, Frostverwitterung, physikalisch biologische Verwitterung 

Als chemische Verwitterung bezeichnet man Veränderungen, die durch Reaktionen des Mineralbestandes mit dem zirkulierenden Wasser und/oder mit darin enthaltenen Stoffen hervorgerufen werden. Art und Geschwindigkeit von Mineralabbau und -neubildung hängen dabei von der Verwitterbarkeit der Gesteine und von der chemischen Zusammensetzung sowie dem pH-Wert der angreifenden wässrigen Lösungen ab.

Bei den Biege-Erscheinungen treten im Wesentlichen bruchlose Verformungen auf; sie lassen sich in drei Gruppen unterteilen: Flexuren, Falten oder Beulen.

Flexuren sind Schichten-Abbiegungen in beliebiger Richtung. Sie stellen häufig die Vorstufe einer Abschiebung dar, die dann entsteht, wenn die Scherfestigkeit des Gesteins überschritten wird und damit eine bruchlose Verformung nicht länger möglich ist. 

Unter Beulen versteht man kuppelförmige Aufwölbungen verschiedenster Größenordnungen mit rundlicher oder langgestreckter Form im Grundriss. Sie sind nicht wie Falten durch seitliche Raumverkürzung entstanden, sondern durch vertikale Auftreibungen der obersten Kruste z.B. infolge der Zuwanderung magmatischen oder anderen Gesteinsmaterials.

Einkörpersystem (Kontinuum), das aus verschiedenen oder gleichartigen Mineralen, Bruchstücken von älteren Gesteinen und / oder Organismenresten aufgebaut wird.
 

Durch eine oder mehrere Scharen annähernd ebener, zueinander paralleler Trennflächen zerteilter homogener Festkörper. Mehrkörpersystem (Diskontinuum), das deutliche Anisotropie und Diskontinuität (unstetiges Verhalten) der mechanischen Eigenschaften aufweisen kann.

Die Gefügeelemente eines Körpers zeigen hinsichtlich ihrer Anordnung und Eigenschaften keine bevorzugte Orientierung. Gegensatz: Anisotropie.

Trennflächen (Schicht-, Kluft-, Schieferungs-, Störungsflächen) im Fels bzw. Gebirge. Unterbrechungen innerhalb des Kontinuums eines Gesteins oder Gebirges. Gegensatz: Kontinuität.

Beliebige, gleich orientierte und gleich große Teilkörper sind identisch, d.h. sie sind in der Anordnung ihrer Gefügeelemente bzw. in ihren physikalischen Eigenschaften nicht unterscheidbar und weisen an jeder Stelle gleiche Eigenschaften auf. Gegensatz: Inhomogenität.

Im großen Maßstab wird zwischen ebenen und unebenen Trennflächen unterschieden. Kleinmaßstäblich betrachtet können die Trennflächenwandungen eine glatte oder eine raue Oberfläche besitzen.

Der Abstand d gibt die kürzeste Entfernung zweier benachbarter Trennflächen an.

Die Reynoldszahl fasst die drei Einflussfaktoren auf die Strömungsphase zusammen: die mittlere Strömungsgeschwindigkeit { ̄v}, die Zähigkeit des Fluids υ und den hydraulischen Durchmesser Dh.
 

• Tunnellänge/ Tunnelquerschnitt
• Tunnelart (Richtungs- und Gegenverkehr)
• Stauanfälligkeit
 

1,Einbringen der Schlitzwände mit rückwärtiger Verankerung

2,Aushub der Baugrube

3,Einbringen der Auftirebssicherungen für die UW- Betonsohle

4,Abpumpen des Grundwassers

5,Herstellung des Tunnelbauwerks

Bewegung der Wehrlage:

Nivellements / Tachymetriemessungen

Extensometer

Bewegung der Baugrubenverbau:

Nivellements / Tachymetriemessungen

Inklinometer

Der Kalottenvortrieb (KV) wird bei mäßigen Gebirgsverhältnissen verwendet. Der Ausbruchquerschnitt
ist zudem zu groß, um einen Vollausbruch durchzuführen.
Der Ulmenstollenvortrieb wird bei im Vergleich zum KV schlechteren Gebirgsverhältnissen
verwendet. Der Ausbruchquerschnitt ist i.d.R. noch größer als beim KV, so dass die
Standsicherheit einer komplett ausgebrochenen Kalotte nicht gegeben wäre.

Konvergenzmessungen: Die relativen Verformungen zwischen zwei Punkten der Tunnelschale
werden gemessen.

Geodätische Messungen: Die relativen und/oder absoluten Verformungen der Tunnelschale
werden gemessen.

- Kreisförmig gelochte Scheibe
- Homogenes, gewichtsloses Gebirge
- Isotropes, elastisches Gebirgsverhalten
- Tiefliegende Tunnel (𝒉ü≥𝟑𝒅)
- Vernachlässigung des Spannungszuwachses in vertikaler Richtung von Firste zu Sohle infolge Eigengewicht

Einaxialer oder dreiaxialer Druckversuch

Punktlastversuch

Cercharversuch

Integral-Sampling-Methode

- in der Sohle eines Bohrloches mit Durchmesser D wird koaxiale Pilotbohrung mit
Durchmesser d < D gebohrt
- in Pilotloch wird ein Metallrohr eingeführt und durch Zementmörtel mit dem umliegenden
Gebirge verbunden
- Nach Erhärten wird das Rohr mit einem Kernrohr (Durchmesser D) überbohrt und der
Bohrkern gezogen
- Das Metallrohr wirkt dabei wie eine Armierung des umgebenden Gebirges und der
gewonnene Kern bleibt praktisch ungestört

Spaltzugversuch

- Ein zylindrischer Probekörper wird in einer Druckprüfmaschine auf zwei gegenüberliegenden,
geraden Mantellinien mit einer Drucklast belastet
- Infolge der Belastung stellen sich über ca. 70 % des Probendurchmessers in Querrichtung zur
Probenachse annähernd gleichmäßige Zugspannungen ein.
- In den direkten Lasteinleitungszonen ergeben sich Druckspannungen
- Erreichen die Zugspannungen σt die Spaltzugfestigkeit des Gesteins σt,sp wird die Probe gespalten
- Die Spaltzugfestigkeit ergibt sich dann aus der Bruchlast FB

1) Abdichten eines Bohrlochabschnitts
2) Beaufschlagen mit Druck/Volumenstrom und Messung der beiden Kenngrößen
3) Stufenweise Steigerung und anschließende Entlastung
4) Auftragen der p-q-Linie und Auswertung

Vorteil: - komplette Herstellung des Bohrlochs möglich
Nachteile: - Ungenau, da die Verpressabschnitte immer länger werden.
(- Der Pumpendruck Pmax wird schnell erreicht.)

Durch Untersuchung größerer Felsvolumina ist die Erfassung des
Einflusses von vorhandenen Trennflächen besser möglich. Druckkissen können
horizontal, vertikal und geneigt eingebaut werden und somit die Lage der Trennflächen
berücksichtigen

Versuchsberschreibung:

o (Pilotbohrung mit ca. 1,5 m Tiefe)
o Schlitz für die Druckkissen werden mit einer Diamantkreissäge in die
Felsoberfläche gesägt.
o In den Schlitz wird ein Druckkissen mit halbkreisförmigen Enden, die
genau der Schlitzform angepasst sind, eingeführt.
Musterlösung zur Klausur Fels im WS 17/18, Aufgabe 4 S. 2/2
o Der Kissendruck wird mittels Handpumpe aufgebracht und an einem
Manometer abgelesen, die Schlitzaufweitung wird an mehreren Stellen
mit Verformungsgebern gemessen.