Gemessene Setzungen:

Die räumliche Spannungsumlagerung führt zu Spannungskonzentrationen im Bereich der Ulmen, an der Ortsbrust und dem dahinter liegenden Bereich, d.h. bis zu ca. 1,0 -1,5 -fachem des Ausbruchsdurchmessers. Durch erhöhte Lasteinleitung und daraus resultierender

Spannungszunahme kann es zu Festikeitsüberschreitungen im Bereich der Ortsbrust und des Schild-und Ringspaltes kommen; daraus resultierend zu Verformungen und Setzungen. [1] Die Verformungen, insbesondere die Setzungen an der Geländeoberfläche, wurden u.a. mittels automatischer tachymetrischer Messtationen, welche ihr Messprogramm im Halbstundentakt ausführten, in einem engen Netzraster gemessen. Das Netz wurde zusätzlich durch feste Messpunkte außerhalb des Messfeldes bei jeder Messroutine überprüft und kontrollierte sich somit stetig selbst. Plausibilisiert wurden die Tachymetrie- Messungen mit Nivellements, Inklino- und Extensometermessungen, sowie den Konvergenzmessungen während des Vortriebs. Die Messergebnisse wurden den Projektbeteiligten für Ihre Überwachungsarbeit über eine virtuelle Projektplattform zu Verfügung gestellt. Die gemessenen und berechneten Setzungen sind in Grafik 5 und 6 dargestellt.

Grafik 2 Idealisierter geologische Querschnitt des Unterfahrungsbereiches TM 8150 (DB PB 2007)

Berechnete Setzungen:

In Grafik 3 ist qualitativ zu sehen, wie sich bestimmte Parameter auf das grundsätzliche Setzungsverhalten des Baugrunds auswirken. Hierzu wurden ca. 100 Messquerschnitte sowohl für den zyklischen Spritzbetonvortrieb als auch für den maschinellen Vortrieb ausgewertet. [8]

Grafik 3 Setzungsbeeinflussende Parameter (S: vertikale Setzung, Es: Steifemodul, Hü: Überdeckung, D: Ausbruchdurchmesser) (Köster 1987)

Darüber hinaus gibt es verschiedene Verfahren zur Prognose von Setzungen. Nachfolgend wird erläutert, welche Berechnungsverfahren in diesem Fall angewendet wurden. Häufig werden empirischen Verfahren zur Plausibilisierung angewendet. Diese sind gekennzeichnet durch eine vergleichbar einfache Handhabung hinsichlichtlich ihrer Berechnungsweise mit geschlossenen Formeln. [2] Bei den empirischen Verfahren wurden die Gaussche Funktion, die Herzog Formel und das Köster Verfahren angewendet. Die Gaußsche Funktion berücksichtigt das Setzungsverhalten des Vortriebs durch Anwendung des sogenannten Ground Loss Faktors, womit näherungsweise der

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Volumenverlust durch die Konizität des Schildes zum Tübbing (Ringraum) simuliert wird. Im dargestellten Fall wurde der Ground Loss Faktor wegen der Vergleichbarkeit der Rechnungen sowohl bei den relevanten empirischen, als auch bei den numerischen Setzungsberechnungen mit 1,5 angesetzt; was einem tendenziell leicht erhöhten Ansatz nach [3] entspricht. Bodenmechanische Eigenschaften, sowie Lasten auf Geländeoberkante, können bei der Gausschen Funktion nicht berücksichtigt werden.

Die Herzog Formel berücksichtigt die strukturellen Randbedingungen eines vorhanden Querschnitts mit folgenden Parametern: der Oberflächenlast, der Bodenwichte, der Überlagerungshöhe, des Steifemoduls und Winkels der inneren Reibung φ. Hierbei wird angenommen, dass die Querschnittsfläche der Setzungsmulde gleich der Querschnittsfläche der Hohlraumverengung ist. Die Breite der Setzungsmulde ermittelt sich aus der Annahme des aktiven Rankin'schen Zustandes über den Gleitflächenwinkel. [4] [5]

Das Köster Verfahren ist ebenfalls ein empirisches Berechnungsverfahren und basiert auf der Auswertung von Setzungsmessquerschnitten verschiedener Vortriebsarten in unterschiedlichen Baugrundtypen und der sie hierbei maßgeblich beeinflussenden Parameter. [8]

Die differenziertere Betrachtung erfolgt durch die numerische Berechnung, im allgemeinen durch die Anwendung der Finiten Element Methode. Für diesen Fall wurden zur Analyse sowohl 2D und 3D FEM Berechnungen durchgeführt. Bei den 2D Berechnungen wurden folgende Stoffgesetze angewendet:

1.

2.

Beim Anwenden des Mohr Coulombschen Stoffgesetzes werden die nichtlinearen Eigenschaften des Baugrundes berücksichtigt. Das Modell findet überlicherweise bei der Berechnung von Lockerböden seine Anwendung. Das geklüftete Felsmodell ist vom theoretischen Ansatz her gut geeignet für die rechentechnische Erfassung von Gebirgseigenschaften. Es können damit die maßgeblichen Felsparameter, wie z.B. der Winkel der inneren Reibung der Gebirgstrennflächen und die dazugehörige Kohäsion und somit in Anlehnung an die Annahme eines Anistropen Baugrundverhaltens die transversale Isotropie beim Berechnen berücksichtigt werden.

Bei der 3D FEM Berechnung wurde ebenfalls das Mohr Coulombsche Stoffgesetz mit Berücksichtigung des Entlastungs- und Wiederbelastungsverhaltens des Bodens angewendet. Im Gegensatz zur 2D Berechnung kann bei einer 3D Berechnung der Bauablauf der Tunnelvortriebsmaschine mit Ortsbruststützung, Schildspalt- und Ringspaltverpressung, Vortriebshub sowie eine realitätsnähere räumliche Spannungsumlagerung infolge Hohlraumerstellung abgebildet werden

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