WO2000060214A1 - Verfahren und vorrichtung zum bestimmen eines früheren spannungszustands im tunnelbau - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum bestimmen eines früheren spannungszustands im tunnelbau Download PDF

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WO2000060214A1
WO2000060214A1 PCT/DE2000/000893 DE0000893W WO0060214A1 WO 2000060214 A1 WO2000060214 A1 WO 2000060214A1 DE 0000893 W DE0000893 W DE 0000893W WO 0060214 A1 WO0060214 A1 WO 0060214A1
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support
tunnel
mountain
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determining
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PCT/DE2000/000893
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Inventor
Thiemo Hagedorn
Original Assignee
Tachus Gmbh
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21D—SHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
    • E21D9/00—Tunnels or galleries, with or without linings; Methods or apparatus for making thereof; Layout of tunnels or galleries
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21C—MINING OR QUARRYING
    • E21C39/00—Devices for testing in situ the hardness or other properties of minerals, e.g. for giving information as to the selection of suitable mining tools
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21F—SAFETY DEVICES, TRANSPORT, FILLING-UP, RESCUE, VENTILATION, OR DRAINING IN OR OF MINES OR TUNNELS
    • E21F17/00—Methods or devices for use in mines or tunnels, not covered elsewhere
    • E21F17/18—Special adaptations of signalling or alarm devices
    • E21F17/185—Rock-pressure control devices with or without alarm devices; Alarm devices in case of roof subsidence

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for determining an earlier voltage state, parts of the mountain characteristic, for tunnel construction, a measuring device for tunnel construction and a system for tunnel construction according to the preambles of the independent claims.
  • FIG. 1 schematically shows a section through a floor in which a tunnel (indicated by dashed lines through 104) is to be built in the future.
  • 101 is the terrain surface
  • 102 is a flat part of the terrain
  • 103 is a mountainous one.
  • the x and y coordinates are selected so that they run horizontally across the longitudinal direction of the tunnel or vertically.
  • Arrows 105 indicate tensions or forces that can arise under the terrain surface 101. At 101 they are zero. They increase in depth (negative y direction) and can also run differently depending on terrain formations, rock formations and the like.
  • FIG. 2 shows conditions as they arise when a tunnel 200 is built.
  • a fuse 201 is usually present, for example made of concrete.
  • the fuse 201 i will generally not be strong enough to cover the to fully absorb the load above it. Rather, it has the function of counteracting the pressing material to the extent that vaults 204 (not physically present, but only indicated schematically) are formed there, which in turn guide the forces above them outside the tunnel 200.
  • the tunnel construction results in a change in the originally existing state of tension such that tensions which were originally passed on in the area of the now existing tunnel, in particular in the vicinity 202 of the tunnel, are conducted past it.
  • the fuse 201 itself holds part of the load, but also has the function of activating the supporting forces of the surrounding material, so that (fictitious) vaults 204 are formed which divert the forces or tensions.
  • 203 in Fig. 2 denotes an arrow in the radial direction. It is pointed out in this connection that caverns or tunnels with a circular cross section are not necessarily considered.
  • the cross section can also be different, for example oval, egg-shaped, angular or the like.
  • 301 denotes mechanical supports that support a fuse 201 that may not yet have hardened.
  • 300 is the working face from which the tunnel is guided in the direction of advance z. Vault formations also arise here
  • the vaults 302, 303 find their "supports” in the undisturbed floor (right) or in the case of a young safety device in the supports 301 (302 left) or in the hardened safety device (303 left).
  • three-dimensional "vaults” result, by means of which loads are guided past the side of the tunnel or the fuse 201.
  • Such "vaults" 204, 302, 303 occur even with slight deformations or strains due to the building activity. The same considerations apply to vaulting (not shown) for catching (not shown) horizontal loads.
  • Fig. 4 generally shows a material characteristic curve as idealized for the floor in which the tunnel is to be built.
  • the absorbable stress S on the ordinate 402 is shown above the elongation e on the abscissa 401.
  • the material initially has an elastic region 411, with which with increasing elongation e (with pressure load: compression) ) the tension S transmitted through the material also increases. As a rule, this range is on the order of e ⁇ 1%.
  • a plastic region 412 follows in the case of stronger expansions / compressions e.
  • the transmitted voltage remains approximately constant. The material begins to dodge, it flows. The process is usually irreversible.
  • FIG. 4 shows voltage profiles as they can result from a tunnel 200. Tangential components (504, 505, i.e. vertical in FIG. 2) and radial components (503, thus horizontal in FIG. 2) are shown in the ground above the distance x from the tunnel wall. In this context it is pointed out that the direction "tangential" and "radial” depend on the position at the tunnel circumference.
  • the 3 o'clock position shown is tangentially vertical and radially horizontal, whereas a 12 o'clock position would be tangentially horizontal and radially vertical.
  • the radial stress component on the tunnel wall (503 on the far left) is zero if there is no expansion resistance and otherwise corresponds to the expansion resistance. Starting from this value, it strives towards the steady, undisturbed state in the direction away from the tunnel.
  • 505 shows the case in which the stress distributions are such that the floor is only loaded in the elastic region (region 411) in FIG. 4. The tangential tension then has its maximum value on the tunnel wall (since the loads directly above the tunnel are passed through this area).
  • the tangential component decreases with increasing distance x from the tunnel 200 to the steady, undisturbed state.
  • 504 shows the course in the event that the floor load is so high that the plastic region 412 of the material is used. It doesn't fail here yet.
  • a still plastic material area due to the tangential tension passed through the material
  • the elastic area is present in the area 504a.
  • curve 601 shows a mountain characteristic.
  • the necessary expansion resistance SA is shown above the elongation e.
  • the expansion resistance is the voltage or force that is taken over by a fuse introduced during construction in order to keep the tunnel once dug at the specified extension e.
  • the elongation e in tunnel construction ultimately means a narrowing of the diameter of the dug tunnel. A large stretch would correspond to a tunnel diameter that has become comparatively small.
  • the zero extension corresponds to the undisturbed state, the so-called primary voltage state SO, as would be found, for example, in FIG. 1 at 104 or in FIG. 5 with large x values.
  • this case will not be encountered, since starting from the face 300 in Fig. 3, one can only advance in the area that has already undergone changes (e.g. arch formation 302, 303) due to the previous activities. This corresponds to the area 304 m.
  • FIG. 3 m direction of advance in front of the face 300.
  • a slight deformation, the so-called pre-deformation has already taken place here.
  • Fig. 6 it is represented by ev on the ordinate.
  • an expansion resistance SA would be necessary, which has already decreased slightly compared to the primary stress state SO, the difference was taken over by a stress redistribution (e.g. virtual vaults 204, 302, 303).
  • a stress redistribution e.g. virtual vaults 204, 302, 303.
  • the expansion resistance SA initially decreases steadily, since an increasing proportion of the load is taken over by this stress redistribution.
  • the plastic area 412 of material 202 may get around the tunnel. Then no further forces can be absorbed and the curve flattens out. If the strains exceed the working capacity of the mountains, it breaks brittle. The behavior is analytically unpredictable.
  • a mountain curve is specific for a specific position z in the tunnel (and also for a specific position along the circumference of the tunnel).
  • Fig. 14 shows the third axis, the z-axis (in perspective), so that along the z-axis, other mountain characteristics that apply to the respective z-position can be plotted.
  • the result is a family of curves or a three-dimensional relief.
  • the fuse 201 is installed to activate the holding forces of the mountains. Basically, it is desirable to save time, money and material. This known requirement leads to a construction in which the supporting forces in the surrounding material itself are to be used as much as possible in order to be able to install a correspondingly weaker fuse 201.
  • Curve 602 in FIG. 6 shows a characteristic curve similar to that from FIG. 4. It represents an example of the behavior of the material of the fuse, with the hardened state being assumed here. Curve 602 is somewhat opposite to curve 601, since with stable conditions those forces that cannot be taken over by the surrounding material (curve 601) have to be taken over by the securing means (curve 602).
  • the curve begins with an expansion of the material surrounding the tunnel of approximately ev, because the material is not accessible at an earlier point in time (even smaller expansion) and, consequently, the fuse cannot be installed.
  • the two curves intersect at point 603. A stable equilibrium was established here with the material parameters shown.
  • the fuse 201 For the construction of the fuse 201, it is fundamentally desirable, as long as surface settlements can be disregarded, to hit the lowest possible area of the mountain curve 601, for example around 605, since then there are still reserves in the load-bearing capacity of the surrounding material (down to it to point 606) and on the other hand, the fuse itself still has power reserves.
  • mountain characteristic 601 is at best known qualitatively. Often, however, the voltage state SO and the slope of the Curve 601 can only be estimated. In order to prevent the tunnel from collapsing, worst-case considerations must be assumed, so that high safety reserves are often assumed and unnecessarily powerful safeguards are installed.
  • FIG. 7 shows a typical time-dependent behavior of concrete used in tunnel construction, as can be used, for example, to build the fuse.
  • the recordable voltage SS is shown over time t.
  • the concrete is liquid, but reaches a basic strength by the time t1, which is already suitable for absorbing certain forces, and which in particular ensures that the concrete remains in place.
  • the time tl is in the range from seconds to minutes. After the time tl there follows a rest time tl to t2, n the dielectric strength remains more or less constant. It can be hours. The provisional final curing then takes place up to time t3. Typical values for t3 since installation are 12 to 24 hours.
  • FIG. 8 shows schematically a tunnel construction method known from DE 196 50 330.2 by the same applicant, in which the invention can be applied.
  • the fuse 201 is produced here in advance.
  • a machine 800 is provided which preferably runs around the tunnel circumference in a closed manner and slits in the direction of movement in the front and presses concrete into the dug slot at the rear. The operation of the machine is controlled or regulated by suitable control mechanisms.
  • the fuse 201 After the fuse 201 has been inserted, the material is excavated and removed from the face 300. The fuse 201 which has just been exposed is then supported by connecting piece 301 until it has reached its final strength.
  • the machine 800 can rotate around the circumference of the tunnel as shown in diagrams b to e.
  • NEN circular rings are generated.
  • inclined, closed circular rings can be produced, which lead to an inclined face 300 which is less likely to collapse.
  • a helix can be followed, the pitch m of which corresponds approximately to the machining width ( ⁇ z) of the machine 800.
  • an inclined helix can be adjusted so that there is a continuous operation with an inclined face.
  • the sockets 301 are carried along with the progress of the building.
  • the object of the invention is to provide methods and devices with which material parameters are more precise at the construction site than can be determined so far and thus allow adapted construction measures.
  • a method and a device for determining an earlier voltage state are specified.
  • This is understood to mean a state of tension that is as undisturbed by construction measures as possible.
  • it can be the voltage stress state SO, as indicated in FIG. 1 in the area of the tunnel 104 to be built in the future.
  • a reference determined or determinable in its radial position is introduced as early as possible and in particular in advance. After opening a tee, a support is inserted, based on its size and / or support force, the previous state of tension can be deduced.
  • a method and a device are specified with which material parameters or partial courses of the mountain characteristic can be determined. For example, elasticity modules and thus slopes of the mountain characteristic can be determined. If the previous voltage state / primary voltage state was determined beforehand as above, the mountain characteristic curve can be determined more precisely than before. The determination is made by allowing deformations (as a rule shrinkage of the tunnel diameter) at these connections at a certain point, in particular m areas close behind the working face, in which there are variable connections. The deformations and / or the support forces or their change can be measured. The desired parameters and partial courses can be determined with reference to one or more measured values.
  • a tunnel construction method and a system for this are specified, with which the parameters can be determined as described above, these parameters then being used for the design / dimensioning / parameterization of a fuse.
  • the determined environmental parameters can also be used to control variable nozzles.
  • the nozzles can be controlled force-controlled or path-controlled.
  • a measuring device is specified with which loads and dimensions can be detected simultaneously. It is preferably a support which is initially attached, in particular immediately after opening a tee, preferably in such a way that the young safety device is supported. Support forces and / or dimensions of the support can be measured directly or indirectly.
  • fuse is understood to mean permanent installations which are particularly pressure-resistant. As a rule, it will be concrete linings. However, other materials with the same effect can also be used. In the earlier applications of the same applicant, the fuse was referred to as a "backing layer".
  • support is understood to mean a temporarily introduced device which applies support forces in a more or less radially outward direction.
  • stretching e is often understood to mean compressions. This applies in particular to the ground surrounding the tunnel in the immediate vicinity as well as to the material used for the securing. As the construction progresses as well as during the duration of the lions, the tunnel diameter will also generally decrease and converge towards a stationary final value.
  • 2 and 3 are schematic representations of voltage profiles in the area of a built tunnel
  • FIG. 9 shows a block diagram of a method according to the invention for determining an earlier voltage state
  • FIG. 11 shows a block diagram in which several tunnel construction methods according to the invention are shown schematically in combination
  • FIG. 9 schematically shows a method for determining an earlier voltage state SF, in particular the primary voltage state SO.
  • a reference for a radial position is generated.
  • the reference is preferably generated in advance (in the z direction in front of the working face 300).
  • the reference can be absolute or relative. absolutely would mean that their absolute position should be set or measured and later determined using a coordinate system that was already in the tunnel, for example. Relative would mean that two or more references are attached, the position of which will be evaluated in the following.
  • the inner surfaces 201a and 201b can serve as references, which are monitored and measured relative to one another. When the reference is introduced, this takes place absolutely or relatively comparatively precisely, so that there is a measure of a still comparatively undisturbed state (possibly pre-deformation ev in FIG. 6).
  • step 902 substantial excavation of material from the area of the future tunnel takes place.
  • material is then excavated in the + z direction starting from the face 300 by suitable equipment (not shown), for example tunnel excavators.
  • suitable equipment not shown
  • strains e material compression in the young fuse 201, shrinking of the tunnel diameter
  • step 903 which preferably takes place as soon as possible after step 902, a support 301 is brought as close as possible to the face.
  • the support 301 is designed so that it can determine dimensions and / or support forces. In particular, it can determine its own dimensions and thus indirectly the locations of the references.
  • step 904 support force F and dimension parameters, symbolized by the elongation e, are preferably combined certainly.
  • the earlier stress state in particular the primary stress state, can be determined from the variables which have become known in this way. Here, for example, the following roughly outlined considerations can be assumed.
  • the load FO stored above the tunnel (corresponding to the primary stress state SO) is absorbed by a combination of strain-dependent load take-up by the surrounding material F Ber g (e) (corresponding to vaults 204, 302, 303), and also the strain-dependent force by the support F support (s) and, if a fuse already exists, the force already taken over by the fuse
  • F0 F Be rg (s) + F SlC ago ( ⁇ ) + F st UETZE ( ⁇ ).
  • Fs tu ze (e) can be measured. The following can be determined comparatively precisely from the measured deformation and the known material parameters of the material of the fuse (see, for example, FIG. 7). In contrast, F0 and F Berg (e) are unknown a priori. If, however, an early determination of pruning forces and strains takes place (that is, when the strains are still small), F Berg (e) can be estimated with sufficient certainty. If, for example, due to the peculiarities of the construction process, the pre-deformation may be zero or very small (for example ⁇ 5%), the support force F Berg (e) that has already been taken over from the surrounding area can be set as a flat rate or neglected, ie estimated at 0. F0 or SO can then be determined. The pruning force F Ber g (e), which has already been taken over from the surrounding terrain, is estimated with reference to the values determined in step 904.
  • step 905. the fact is exploited that, when the strains are still small, the the supporting force taken over the area can be estimated with sufficient accuracy. With larger strains this is no longer possible.
  • pairs of values can be determined from changes in the supporting force and changes in the geometry of the tunnel. From this, parameters such as the modulus of elasticity of the surrounding soil can be determined.
  • the determination of support force and geometry The change can be made with a suitably designed socket 301, which will be explained later. Determinable or predetermined changes in geometry or force can be permitted by changing the supports introduced. Resulting changes in force or geometry can be measured.
  • the support force taken over from the surrounding terrain can then be determined again with reference to the formula given above, so that further absolute values result for the definition of the rock curve.
  • this can be done, for example, by first measuring a pair of values consisting of support force FI and dimension r1 in step 1001 on a support (for example, second from the right in FIG. 8). A certain deformation in the radial direction is then permitted in step 1002. In step 1003, a pair of values is then determined from the new support force F2 and the new dimension r2. Values such as strain e, strain change ⁇ e, force change ⁇ F and modulus of elasticity E can be determined from the values obtained in this way.
  • the modulus of elasticity E of the mountains can generally no longer be released in closed form, but can be determined, for example, by "adjusting" using comparative calculations. Finite element methods can be used.
  • step 1005 the supporting force taken over from the surrounding terrain can be determined qualitatively using the above-mentioned formula.
  • step 1005 the supporting force taken over from the surrounding terrain can be determined qualitatively using the above-mentioned formula.
  • step 1005 the supporting force taken over from the surrounding terrain can be determined qualitatively using the above-mentioned formula.
  • step 1005 shows schematically in combination several tunnel construction methods according to the invention.
  • step 1101 variables are determined as described with reference to FIGS. 9 or 10.
  • the data obtained in this way can be used in various ways:
  • the dimensioning of the fuse 201 to be installed in the future takes place.
  • the dimensioning can include material parameters for the material of the fuse 201 (for example mixing ratios, final strengths, ...), strength of the fuse (in the r direction), etc.
  • material parameters for the material of the fuse 201 for example mixing ratios, final strengths, ...), strength of the fuse (in the r direction), etc.
  • the considerations that were explained with reference to FIG. 6 can be used.
  • the advantage over the prior art is that the mountain characteristic can be estimated more precisely and therefore more adapted parameters can be selected. Since an earlier state of stress for an area close to the face and a mountain characteristic for an area cannot be determined too far behind the face, data are helpful for dimensioning areas in front of the face.
  • variable supports can be controlled by force or displacement.
  • this enables an adjusted elongation value e for the hardened fuse 201 to be approached.
  • the behavior of the material of the support layer is known from diagrams corresponding to FIG. 7, in particular its load-bearing capacity for the hardened state. It can then be assessed at which elongation e (FIG. 6) a balance is established between the expansion resistance required by the surrounding terrain and the expansion resistance actually available from the fuse. This point can be approached so that a balance that is well adapted to the actual circumstances is established.
  • FIG. 14 schematically shows a map of mountain characteristics as can result from continued use of the methods described above.
  • Various mountain characteristics are shown with the z coordinate as a parameter, zo is the location of the current face.
  • the previous voltage state or primary voltage state 1401 could be determined for this.
  • Several points of the mountain characteristic curve could already be determined for locations lying behind, so that increasingly more complete characteristic curves result.
  • the curves 1402 to 1406 increasingly consist of two to six measuring points and therefore provide increasingly more complete characteristic curves.
  • Curve 1407 corresponds to a representation of the previous voltage state or phase voltage state as a function of the z coordinate.
  • zz is the location of a backup to be built in the future.
  • curve 1407 can be extrapolated in the z direction (1st derivative constant).
  • An intersection 1409 results for the location zz of the future fuse. It can be taken as a treasure value for the primary voltage state prevailing there.
  • a further safety surcharge 1410 can also take place, so that a treasure value 1411 results for the primary voltage state. This is closed Dimensioning of the parameters of the fuse can be used. In the later course it can be found, for example, that it was not the treasure value 1411 that was correct, but the value 1412 that was actually measured later.
  • Mountain characteristic curves are determined in the diagram in FIG. 14, which tend to be updated the further the location lies behind the working face.
  • the already existing values of the mountain characteristic can always be appropriately extrapolated in order to be able to make further determinations on the basis of these extrapolated mountain characteristics, for example for controlling the nozzle at the respective location. This is indicated as an example by the dashed curve 1402a.
  • the extrapolated curves can be adapted to the actual conditions by means of measured values obtained later.
  • Fig. 12 shows an example of a measuring device for tunnel construction.
  • 12a schematically shows a measuring device designed as a ring support in the installed state.
  • the ring support has struts 1201, some or all of which can be variable in length, for example hydraulically.
  • the struts act on contact plates 1202, which are flat and can be profiled according to the tunnel contour.
  • the struts 1201 are preferably articulated to the abutment plates 1202 and to adjacent struts.
  • 12b schematically shows a strut 1201d between two contact plates 1202c and 1202d.
  • the strut has a hydraulic cylinder 1204 and a hydraulic like piston 1203.
  • the hydraulic cylinder receives pressurized hydraulic fluid via line 1205, which is fed by a hydraulic source 1206.
  • a sensor system 1210 is provided on the strut.
  • the sensors can measure the length of the struts or changes in length and forward the corresponding data.
  • a position sensor system 1212 can also be provided in order to be able to determine (vector) the position of the strut and thus the direction of action of the forces generated by it. Force detection is also planned. For example, strain gauges or load cells can be used.
  • the force can also be determined from the prevailing hydraulic pressure. 1211 identifies the force detection device, 1210 the dimension detection device and 1212 the position detection device.
  • Said detection devices can be provided on several or all struts 1201. By vectorial consideration of the prevailing forces, comparatively precise values for the radially applied support forces can be determined. In addition, forces can be determined in several directions.
  • a data evaluation or processing device can be provided for a support which generates processed data from the data of the individual sensors and sensors.
  • a tunnel building system has the support 301 designed as a measuring device, which has several sets of sensors 1210 to 1212 for dimension, force and position. The system can have several of the nozzles shown.
  • a regulation or control 1300 receives the measured values. It can receive further measured values.
  • a determination device 1301 determines an earlier stress state, in particular the primary stress state and / or material parameters or partial courses or courses of the mountain characteristic.
  • a determination device 1302 uses this to determine parameters of the support layer to be formed in the future and controls the machine 800 accordingly or outputs the parameters to be set so that they are entered otherwise. can be put.
  • a second determination device 1303 determines changes to be made in one or more supports 301 and either outputs them and controls the changes itself.

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Abstract

Ein Verfahren zum Bestimmen eines früheren Spannungszustands im Bereich eines Gebirges oder Bodens umfasst die Schritte: Anbringen einer Referenz für eine radiale Position, Freigraben eines Tunnelabschnitts, Einbringen einer radial wirkenden Stütze im Bereich der Referenz, Erfassen der auf die Stütze einwirkenden Kraft und/oder der Abmessung der Stütze, und Bestimmen des früheren Spannungszustands anhand der erfassten Kraft und/oder Abmessung der Stütze. Ein Verfahren zum Bestimmen von Teilen der Gebirgskennlinie umfasst die Schritte: Einbringen graduell veränderlicher radial wirkender Sicherungen, Zulassen einer Verformung durch geometrisches Verändern der eingebrachten Stütze, Erfassen der dann auf die Stütze einwirkenden Kraft, und Bestimmen eines Verlaufs und/oder eines Parameters der Gebirgskennlinie anhand der erfassten Kraft und/oder anhand der Veränderung der Abmessung der Stütze. Die gewonnenen Werte werden in Tunnelbauverfahren und -systemen verwendet.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM BESTIMMEN EINES FRÜHEREN SPANNUNGSZUSTANDS IM TUNNELBAU
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen eines früheren Spannungszustands, von Teilen der Gebirgskennlinie, zum Tunnelbau, eine Meßvorrichtung für den Tunnelbau und ein System für den Tunnelbau gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
Beim Bau von unterirdischen Hohlräumen, Kavernen und Tunnels ist dafür Sorge zu tragen, daß das Bauwerk nicht einstürzt. Insbesondere in losen Böden werden deshalb Sicherungen eingebracht, die dauerhaft das Einstürzen verhindern. Anhand der beiliegenden Figuren werden Überlegungen hierzu erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Boden, in dem zukünftig ein Tunnel (gestrichelt angedeutet durch 104) gebaut werden soll. 101 ist die Geländeoberfläche, 102 ein ebener Geländeteil, 103 ein bergiger. Die x- und y-Ko- ordinaten sind so gewählt, daß sie horizontal quer zur Tunnellängsrichtung bzw. vertikal verlaufen. Durch Pfeile 105 sind Spannungen bzw. Kräfte angedeutet, wie sie sich unter der Geländeoberfläche 101 ergeben können. Bei 101 sind sie Null. In die Tiefe (negative y-Richtung) nehmen sie zu und können auch in ihrer Richtung abhängig von Geländeformationen, Gesteinsformationen und ähnlichem unterschiedlich verlaufen.
Fig. 2 zeigt Verhältnisse, wie sie sich stationär einstellen, wenn ein Tunnel 200 gebaut ist. In der Regel ist eine Sicherung 201 vorhanden, beispielsweise aus Beton. Bei tief im Untergrund liegenden Hohlräumen bzw. Tunnels 200 wird die Sicherung 201 i der Regel nicht kräftig genug sein, um die über ihr liegende Last vollständig aufzunehmen. Vielmehr hat sie die Funktion, insoweit gegen das nachdrängende Material gegenzuhalten, daß sich dort Gewölbe 204 (nicht physisch vorhanden, sondern lediglich schematisch angedeutet) ausbilden, die ihrerseits die darüber lastenden Kräfte außen um den Tunnel 200 herum leiten. Demnach ergibt sich durch den Tunnelbau eine Veränderung des ursprünglich vorhandenen Spannungszustands dergestalt, daß Spannungen, die ursprünglich im Bereich des jetzt vorhandenen Tunnels weitergeleitet wurden, insbesondere in der Nähe 202 des Tunnels, an diesem vorbeigeleitet werden. Die Sicherung 201 hält selbst einen Teil der Last, hat aber auch die Funktion, die Stützkräfte des umgebenden Materials zu aktivieren, so daß sich (fiktive) Gewölbe 204 ausbilden, die die Kräfte bzw. Spannungen umleiten.
203 in Fig. 2 bezeichnet einen Pfeil in radialer Richtung. Es wird in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, daß nicht notwendigerweise Kavernen bzw. Tunnel mit kreisförmigem Querschnitt betrachtet werden. Die Querschnitt können auch anders sein, beispielsweise oval, eiförmig, eckig oder ähnliches.
Ähnliche Überlegungen wie in der x-y-Ebene gelten in der y-z- Ebene, wobei z in Vortriebsrichtung des Tunnels liegt. Dies ist in Fig. 3 gezeigt. 200 ist der schon gebaute Tunnel, 201 die Sicherung, beispielsweise die umlaufende Betonschicht,
301 bezeichnet mechanische Stützen, die eine möglicherweise noch nicht ausgehärtete Sicherung 201 unter stützen. 300 ist die Ortsbrust, von der ausgehend der Tunnel in Vortriebsrichtung z geführt wird. Auch hier stellen sich Gewölbebildungen
302 und 303 ein, die insbesondere den Bau an der Ortsbrust 300 begünstigen, da die (virtuellen) Gewölbe 302, 303 insbesondere den Bereich an der Ortsbrust von der darüber lagernden Last freihalten. Die Gewölbe 302, 303 finden ihre "Auflager" im ungestörten Boden (rechts) bzw. bei junger Sicherung in den Stützen 301 (302 links) oder in der ausgehärteten Sicherung (303 links) . Insbesondere im Zusammenwirken der Mechanismen, wie sie in den Figuren 2 und 3 dargestellt sind, ergeben sich dadurch dreidimensionale "Gewölbe", über die Lasten seitlich am Tunnel bzw. an der Sicherung 201 vor- beigefuhrt werden. Solche "Gewölbe" 204, 302, 303 stellen sich schon bei geringen Verformungen bzw. Dehnungen aufgrund der Bautätigkeit ein. Gleiche Überlegungen gelten für (nicht dargestellte) Gewolbebildungen zum Auffangen (nicht dargestellter) horizontaler Lasten.
Sowohl hinsichtlich der Gewölbe 204 in F g. 2 und 302, 303 m Fig. 3 ist anzumerken, daß diese kaum vorhergesagt werden können. Der umgebende Boden 202 ist nicht homogen, sondern häufig im Gegenteil stark inhomogen, beispielsweise von Zerklüftungen und Verwerfungen durchzogen, so daß sich ortsab- hangig deutliche unterschiedliche Gewolbebildungen ergeben können .
Fig. 4 zeigt allgemein eine Materialkennlinie, wie sie der Boden, in dem der Tunnel zu bauen ist, idealisiert aufweisen kann. Dargestellt ist die aufnehmbare Spannung S an der Ordinate 402 über der erfolgten Dehnung e auf der Abszisse 401. Das Material weist ausgehend vom ungestörten Zustand (e = 0) zunächst einen elastischen Bereich 411 auf, m dem mit zunehmender Dehnung e (bei Druckbelastung: Stauchung) auch die durch das Material übertragene Spannung S großer wird. In der Regel liegt dieser Bereich in einer Größenordnung von e < 1 % . Bei stärkeren Dehnungen/Stauchungen e schließt sich ein plastischer Bereich 412 an. Hier bleibt die übertragene Spannung in etwa konstant. Das Material beginnt plastisch auszuweichen, es fließt. Der Prozeß ist in der Regel irreversibel. Wenn die Dehnung e noch weiter zunimmt, schließt sich der Versagensbereich 413 an, m dem das Material spröde bricht. Es wird rollig und kann nur noch eine geringe Spannung S übertragen. Die Kennlinie der Fig. 4 gilt prinzipiell m ahn- licner Weise für alle spröden Materialien, insbesondere Gesteine, Boden oder auch Baumaterialien wie Beton. Die aosolu- ter. Werte können sich natürlich unterscheiden. Fig. 5 zeigt Spannungsverlaufe, wie sie sich ausgehend von einem Tunnel 200 ergeben können. Dargestellt sind tangentiale Komponenten (504, 505, also vertikal in Fig. 2) und radiale Komponenten (503, also horizontal in Fig. 2) im Boden über dem Abstand x von der Tunnelwand. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß die Richtung "tangential" und "radial" von der Position am Tunnelumfang abhangen. An der gezeigten 3-Uhr-Posιtιon ist tangential vertikal und radial horizontal, wahrend an einer 12-Uhr-Posιtιon tangential horizontal und radial vertikal wäre. Die radiale Spannungskomponente an der Tunnelwand (503 ganz links) ist Null, wenn kein Ausbauwiderstand vorhanden ist und entspricht ansonsten dem Ausbauwiderstand. Sie strebt ausgehend von diesem Wert in Richtung weg vom Tunnel dem stationären, ungestörten Zustand zu. 505 zeigt den Fall, daß die sich einstellenden Spannungs- verteilungen so sind, daß der Boden nur im elastischen Bereich (Bereich 411) in Fig. 4 belastet wird. Die tangentiale Spannung hat dann an der Tunnelwand ihren Höchstwert (da durch diesen Bereich die unmittelbar über dem Tunnel liegenden Lasten hindurchgeleitet werden) . Ausgehend vom Höchstwert sinkt die tangentiale Komponente mit zunehmenden Abstand x vom Tunnel 200 auf den stationären, ungestörten Zustand. 504 zeigt den Verlauf für den Fall, daß die Bodenbelastung so hoch ist, daß der plastische Bereich 412 des Materials in Anspruch genommen wird. Es versagt hier noch nicht. Im ansteigenden Bereich 504b kann ein noch plastischer Materialbereich (aufgrund der durch das Material geleiteten tangentialen Spannung) angenommen werden, wahrend im Bereich 504a der elastische Bereich vorliegt. In Fallen, in denen das den Tunnel umgebende Material 202 im Bereich 413 (rolliges Material) belastet wurde, wurden ohne Ausbauwiderstand Ausbruche und Einstürze erfolgen.
In Fig. 6 zeigt Kurve 601 eine Gebirgskennlinie. Dargestellt ist der notwendige Ausbauwiderstand SA über der Dehnung e. Der Ausbauwiderstand ist diejenige Spannung bzw. Kraft, die von einer wahrend des Baus eingebrachten Sicherung übernommen werden muß, um den einmal gegrabenen Tunnel bei der angegebenen Dehnung e dauerhaft zu halten. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß die Dehnung e im Tunnelbau letztendlich eine Durchmesserverengung des gegrabenen Tunnels bedeutet. Eine große Dehnung wurde einem vergleichsweise klein gewordenen Tunneldurchmesser entsprechen.
Die Dehnung Null entspricht dem ungestörten Zustand, dem sog. Primarspannungszustand SO, wie er beispielsweise in Fig. 1 bei 104 oder m Fig. 5 bei großen x-Werten anzutreffen wäre. Praktisch wird dieser Fall nicht angetroffen werden können, da man ausgehend von der Ortsbrust 300 in Fig. 3 nur m Bereich vorstoßen kann, die schon durch die früheren Aktivitäten Veränderungen (z.B. Gewolbebildung 302, 303) erfahren haben. Dies entspricht dem Bereich 304 m Fig. 3 m Vortriebsrichtung vor der Ortsbrust 300. Schon hier hat eine geringe Verformung, die sog. Vorverformung, stattgefunden. In Fig. 6 ist sie durch ev auf der Ordinate dargestellt. Will man (theoretisch) diesen Dehnungszustand dauerhaft halten, wäre ein Ausbauwiderstand SA notwendig, der im Vergleich zum Primarspannungszustand SO schon leicht abgenommen hat, die Differenz wurde durch eine Spannungsumlagerung (z.B. virtuelle Gewölbe 204, 302, 303) übernommen. Bei zunehmender Dehnung e sinkt zunächst der Ausbauwiderstand SA stetig, da ein zunehmender Anteil der Last durch diese Spannungsumlagerung übernommen wird. Wenn jedoch eine weitere Dehnung erfolgt, kann der Fall auftreten, daß man in den plastischen Bereich 412 des Materials 202 um den Tunnel herum gelangt. Dann können insoweit keine weiteren Kräfte mehr aufgenommen werden, und die Kurve flacht sich ab. übersteigen die Dehnungen die Arbeitsfähigkeit des Gebirges, bricht es spröde. Das Verhalten ist analytisch nicht vorhersagbar.
Eine Gebirgskennlinie ist spezifisch für eine bestimmte Position z im Tunnel (und im übrigen auch für eine bestimmte Position längs des Umfangs des Tunnels) . Fig. 14 zeigt als dritte Achse die z-Achse (perspektivisch) , so daß längs der z-Achse weitere, für die jeweilige z-Position geltende Ge- birgskennlinien angetragen werden können. Es ergibt sich dann eine Kurvenschar bzw. ein dreidimensionales Relief.
Zur Aktivierung der Haltekrafte des Gebirges wird die Sicherung 201 eingebaut. Grundsätzlich ist es hier wünschenswert, zeit-, kosten- und materialsparend zu arbeiten. Diese bekannte Forderung fuhrt zu einer Konstruktion, bei der möglichst stark die Stutzkrafte im umgebenden Material selbst genutzt werden sollen, um eine dementsprechend schwächere Sicherung 201 einbauen zu können. Kurve 602 in Fig. 6 zeigt eine Kennlinie ähnlich der aus Fig. 4. Sie stellt beispielhaft das Verhalten des Materials der Sicherung dar, wobei hier vom ausgeharteten Zustand ausgegangen wird. Die Kurve 602 ist in gewisser Weise gegenläufig zur Kurve 601, da bei stabilen Verhaltnissen diejenigen Kräfte, die nicht vom umgebenden Material übernommen werden können (Kurve 601) von der Sicherung (Kurve 602) übernommen werden müssen. Die Kurve beginnt bei einer Dehnung des den Tunnel umgebenden Materials von etwa ev, weil zu einem früheren Zeitpunkt (noch kleinere Dehnung) das Material nicht zugänglich ist und demzufolge die Sicherung nicht eingebaut werden kann. Im Punkt 603 schneiden sich die beiden Kurven. Hier wurde sich bei den gezeigten Mateπ- alparametern ein stabiles Gleichgewicht einstellen.
Für die Konstruktion der Sicherung 201 ist es, solange Oberflachensetzungen außer Betracht bleiben können, grundsatzlich wünschenswert, einen möglichst niedrigen Bereich der Gebirgskennlinie 601 zu treffen, beispielsweise etwa bei 605, da dann einerseits noch Reserven in der Tragfähigkeit des umgebenden Materials vorhanden sind (bis hinunter zum Punkt 606) und andererseits auch die Sicherung selbst noch Kraftreserven aufweist .
Das grundlegende Problem im Stand der Technik ist, daß die Gebirgskennlinie 601 bestenfalls qualitativ bekannt ist. Häufig können aber Pπmarspannungszustand SO und Gefalle der Kurve 601 nur geschätzt werden. Um ein Einstürzen des Tunnels zu vermeiden, muß deshalb von Worst-Case-Betrachtungen ausgegangen werden, so daß häufig hohe Sicherheitsreserven angenommen und unnötig kraftige Sicherungen eingebaut werden.
Fig. 7 zeigt ein typisches zeitliches Abbmdeverhalten von im Tunnelbau verwendetem Beton, wie er beispielsweise zum Bau der Sicherung verwendet werden kann. Dargestellt ist die aufnehmbare Spannung SS über der Zeit t. Unmittelbar nach dem Einbau ist der Beton flussig, erreicht aber bis zum Zeitpunkt tl eine Grundfestigkeit, die schon geeignet ist, gewisse Kräfte aufzunehmen, und die insbesondere dafür sorgt, daß der Beton am eingebauten Ort bleibt. Bei schnell hartenden Betonen liegt die Zeit tl im Bereich von Sekunden bis Minuten. Nach dem Zeitpunkt tl schließt sich eine Rastzeit tl bis t2 an, n der die Spannungsfestigkeit mehr oder minder konstant bleibt. Es kann sich hierbei um Stunden handeln. Bis zum Zeitpunkt t3 erfolgt dann das vorläufig endgültige Ausharten. Typische Werte für t3 seit dem Einbau sind 12 bis 24 Stunden.
Fig. 8 zeigt schematisch ein aus der DE 196 50 330.2 vom gleichen Anmelder bekanntes Tunnelbauverfahren, m dem die Erfindung angewendet werden kann. Ausgehend von der Ortsbrust 300 wird hier vorauseilend die Sicherung 201 hergestellt. Hierzu ist eine Maschine 800 vorgesehen, die vorzugsweise geschlossen um den Tunnelumfang herum umlauft und m ihrer Bewegungsrichtung vorne schlitzt und hinten in den gegrabenen Schlitz Beton druckt. Durch geeignete Steuerungs- bzw. Rege- lungsmechanismen wird die Arbeitsweise der Maschine gesteuert bzw. geregelt. Nach dem Einbringen der Sicherung 201 wird ausgehend von der Ortsbrust 300 das Material abgegraben und entfernt. Die soeben freigelegte Sicherung 201 wird dann durch Stutzen 301 unterstutzt, bis sie ihre Endfestigkeit erreicht hat.
Der Umlauf der Maschine 800 um den Tunnelumfang kann wie in den Schemazeicnnungen b bis e gezeigt erfolgen. Gemäß b kon- nen geschlossene Kreisringe erzeugt werden. Gemäß c können geneigte, geschlossene Kreisringe erzeugt werden, die zu einer geneigten Ortsbrust 300 fuhren, die weniger einsturzgefährdet ist. Gemäß d kann einer Schraubenlinie gefolgt werden, deren Ganghohe m etwa der Bearbeitungsbreite (Δz) der Maschine 800 entspricht. Gemäß e kann eine geneigte Schraubenlinie eingeregelt werden, so daß sich ein kontinuierlicher Arbeitsvorgang bei geneigter Ortsbrust ergibt. Die Stutzen 301 werden mit dem Fortschreiten des Bauwerks mitgefuhrt .
Hinsichtlich weiterer Eigenschaften und Details des bekannten Tunnelbauverfahrens wird auf die schon genannte Anmeldung sowie auf die nicht vorveroffentlichte DE 198 598 21 verwiesen.
Fig. 8f zeigt schematisch den Verlauf der Dehnung e (korrespondierend zur Schrumpfung des Tunneldurchmessers) m Abhängigkeit von der z-Koordmate . zo bezeichnet den (momentanen) Punkt der Ortsbrust 300. Schon rechts davon ist eine bestimmte Verformung aufgetreten, da sich das Material geringfügig in den schon gegrabenen Tunnel 200 hmemwolbt. Dies entspricht der Vorverformung ev aus Fig. 6. Wenn Material abgegraben ist (links von zo) , werden weitere Stutzkrafte entzogen, so daß auf der Sicherung 201 und den Stutzen 301 Kräfte lagern. Im Vorgriff auf die zu beschreibende Erfindung wird von einstellbaren bzw. in ihren Abmessungen unterschiedlichen Stutzen ausgegangen. Es werden dadurch weitere Verformungen (Schrumpfungen des Tunneldurchmessers und damit einhergehende Dehnungen/Stauchungen des Materials und des Betons der Sicherung 201) zugelassen. Am Ort za wird ein ausgehärteter Beton angenommen. Hier werden deshalb die Stutzen 301 entfernt. Es hat sich eine deutlich größere Verformung ev eingestellt, die sich jedoch auch im Laufe der weiteren Standzeit noch vergrößert, bis sie einen (hoffentlich) stationären Wert es annimmt.
Aufgabe der Erfindung ist es, Verfahren und Vorrichtungen anzugeben, mit denen Materialparameter an der Baustelle genauer als bisher bestimmt werden können und die somit angepaßte Baumaßnahmen erlauben.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelost. Abhangige Ansprüche sind auf bevorzugte Ausfuh- rungsformen der Erfindung gerichtet.
Nachfolgend werden Aspekte der Erfindung beschrieben, die einzeln oder kombiniert miteinander angewendet werden können.
Nach einem ersten Aspekt wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln eines früheren Spannungszustands angegeben. Hierunter wird ein Spannungszustand verstanden, der möglichst ungestört von Baumaßnahmen ist. Insbesondere kann es sich um den Pπmarspannungszustand SO handeln, wie er in Fig. 1 im Bereich des zukunftig zu bauenden Tunnels 104 angedeutet ist. Um einen früheren Spannungszustand SV zu ermitteln, wird möglichst frühzeitig und insbesondere vorauseilend eine in ihrer radialen Position bestimmte oder bestimmbare Referenz eingebracht. Nach dem Auffahren eines Abschlags wird eine Stutze eingebracht, anhand deren Abmessung und/oder Stutzkraft auf den früheren Spannungszustand geschlossen werden kann .
Gemäß einem weiteren Aspekt werden ein Verfahren und eine Vorrichtung angegeben, mit denen Materialparameter bzw. Teil- verlaufe der Gebirgskennlinie ermittelt werden können. Es können beispielsweise Elastizitätsmodule und damit Steigungen der Gebirgskennlinie ermittelt werden. Sofern vorher der frühere Spannungszustand/Primarspannungszustand wie oben ermittelt wurde, kann die Gebirgskennlinie insgesamt genauer als bisher ermittelt werden. Die Ermittlung erfolgt dadurch, daß man an einer bestimmten Stelle, insbesondere m Bereichen nahe hinter der Ortsbrust, in denen variable Stutzen stehen, an diesen Stutzen Verformungen (in der Regel Schrumpfungen des Tunneldurchmessers) zulaßt. Dabei können die Verformungen und/oder die Stutzkrafte bzw. deren Änderung gemessen werden. Bezugnehmend auf einen oder mehrere gemessene Werte können die gewünschten Parameter und Teilverlaufe ermittelt werden.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung werden ein Tunnelbauverfahren und ein System hierfür angegeben, mit denen die Parameter wie oben beschrieben ermittelt werden können, wobei diese Parameter anschließend zur Auslegung/Dimen- sionierung/Parametnsierung einer Sicherung verwendet werden. Genauso können die ermittelten Umgebungsparameter auch zur Ansteuerung variabler Stutzen herangezogen werden. Die An- steuerung der Stutzen kann kraftgesteuert oder weggesteuert erfolgen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Meßvorrichtung angegeben, mit der gleichzeitig Lasten und Abmessungen erfaßt werden können. Es handelt sich dabei vorzugsweise um eine Stutze, die anfänglich, insbesondere unmittelbar nach dem Auffahren eines Abschlags, angebracht wird, vorzugsweise so, daß d e noch junge Sicherung unterstutzt wird. Stutzkraf- te und/oder Abmessungen der Stutze können direkt oder indirekt gemessen werden.
Unter "Sicherung" werden in dieser Beschreibung dauerhafte Einbauten verstanden, die insbesondere druckfest sind. In der Regel wird es sich um Betonauskleidungen handeln. Es können jedoch auch andere, gleich wirkende Materialien verwendet werden. In den früheren Anmeldungen des gleichen Anmelders wurde die Sicherung als "Stutzschicht" bezeichnet.
Unter "Stutze" wird in dieser Beschreibung eine temporar eingebrachte Vorrichtung verstanden, die Stutzkrafte in mehr oder minder radial nach außen zeigender Richtung aufbringt.
Die Großen Spannung S und Kraft F hangen über S = F/A zusammen, wobei A die Flache ist, durch die hindurch die Kraft F lauft. Insbesondere soweit Materialparameter betrachtet oder Mateπalverhalten beschrieben wird, ist es sinnvoll, von Spannungen auszugehen, da diese das Materialverhalten gut charakterisieren .
Unter Dehnung e werden m diese Beschreibung häufig Stauchungen verstanden. Dies gilt insbesondere für den den Tunnel in nächster Nahe umgebenden Boden wie auch für das Material der Sicherung. Im Laufe des Baufortschritts sowie im Laufe der Leoensdauer wird sich darüber hinaus m der Regel auch der Tunneldurchmesser verkleinern und gegen einen stationären Endwert konvergieren.
Nachfolgend werden bezugnehmend auf die Zeichnungen einzelne Ausfuhrungen der Erfindung beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung von Spannungsverlaufen im Boden,
Fig. 2 und 3 schematische Darstellungen von Spannungsverlaufen im Bereich eines gebauten Tunnels,
Fig. 4 schematisch eine Kurve zur Darstellung von Material- verhalten,
Fig. 5 prinzipiell Spannungsverlaufe ausgehend von einem gebauten Tunnel,
Fig. 6 eine Gebirgskennlinie,
Fig. 7 das Zeitverhalten von Beton,
Fig. 8 schematisch ein bekanntes Tunnelbauverfahren,
Fig. 9 ein Blockdiagramm eines erfmdungsgemaßen Verfahrens zur Bestimmung eines früheren Spannungszustands,
Fig. 10 ein Blockdiagramm zum Bestimmen von Mateπalparame- tern oder Teilen der Gebirgskennlinie,
Fig. 11 ein Blockdiagramm, in dem in Kombination mehrere er- fmdungsgemaße Tunnelbauverfahren schematisch dargestellt sind,
Fig. 12 eine erfmdungsgemaße Meßvorrichtung,
Fig. 13 eine erfmdungsgemaßes Tunnelbausystem, und
Fiσ. 14 eine Kurvenschar. Fig. 9 zeigt schematisch ein Verfahren zur Ermittlung eines früheren Spannungszustands SF, insbesondere des Primärspan- nungszustands SO. In einem frühen Verfahrensschritt 901 wird eine Referenz für eine radiale Position erzeugt. Vorzugsweise wird die Referenz vorauseilend (in z-Richtung vor der Ortsbrust 300) erzeugt. Die Referenz kann absolut oder relativ sein. Absolut hieße, daß ihre absolute Position eingestellt bzw. gemessen und später bezugnehmend beispielsweise auf ein im schon gebauten Tunnel vorhandenes Koordinatensystem ermittelt wird. Relativ hieße, daß zwei oder mehrere Referenzen angebracht werden, deren Position zueinander im weiteren ausgewertet wird. Im Verfahren der Fig. 8 können beispielsweise die Innenoberflächen 201a und 201b als Referenzen dienen, die relativ zueinander überwacht und vermessen werden. Beim Einbringen der Referenz erfolgt dies absolut oder relativ zueinander vergleichsweise genau, so daß ein Maß für einen noch vergleichsweise ungestörten Zustand (allenfalls Vorverformung ev in Fig. 6) vorhanden ist.
Im Schritt 902 erfolgt das substantielle Abgraben von Material aus dem Bereich des zukünftigen Tunnels. In Fig. 8 wird dann ausgehend von der Ortsbrust 300 durch geeignete Gerätschaften (nicht gezeigt) , beispielsweise Tunnelbagger, in +z- Richtung Material abgegraben. Als Resultat dieser Maßnahme können weitere Dehnungen e (Materialstauchungen in der jungen Sicherung 201, Schrumpfung des Tunneldurchmessers) erwartet werden. Dadurch ändert sich auch die Lage der Referenz.
In Schritt 903 der vorzugsweise möglichst bald nach dem Schritt 902 erfolgt, wird eine Stütze 301 möglichst nahe vor die Ortsbrust gebracht. Die Stütze 301 ist so ausgelegt, daß sie Abmessungen und/oder Stützkräfte bestimmen kann. Insbesondere kann sie ihre eigenen Abmessungen bestimmen und damit mittelbar auch die Lagen der Referenzen.
Im Schritt 904 werden vorzugsweise Stützkraft F und Abmessungsparameter, symbolisiert durch die Dehnung e, gemeinsam bestimmt. Aus den so bekannt gewordenen Großen kann der frühere Spannungszustand, insbesondere der Pπmarspannungszu- stand, ermittelt werden. Hierbei kann beispielsweise von folgenden grob skizzierten Betrachtungen ausgegangen werden.
Die über dem Tunnel lagernde Last FO (entsprechend dem Pri- marspannungszustand SO) wird aufgefangen durch eine Kombination aus dehnungsabhangiger Lastubernahme durch das umgebende Material FBerg(e) (entsprechend Gewölben 204, 302, 303), der ebenfalls dehnungsabhangigen Kraft durch die Stutze Fstutze(e) und, sofern schon eine Sicherung vorhanden ist, der von der Sicherung schon übernommenen Kraft
FsicheiJ e ) , die ebenfalls dehnungsabhangig ist. Vereinfacht kann deshalb geschrieben werden:
F0 = FBerg ( e ) + FSlCher ( β ) + Fstütze ( β ) .
Fstu ze(e) kann gemessen werden. FΞlCher(e) kann aus der gemessenen Verformung und den bekannten Materialparametern des Materials der Sicherung (siehe z.B. Fig. 7) vergleichsweise genau bestimmt werden. F0 und FBerg(e) sind dagegen a priori unbekannt. Sofern jedoch eine frühzeitige (d.h. bei insgesamt noch kleinen Dehnungen erfolgende) Bestimmung von Stutzkraf- ten und Dehnungen erfolgt, kann FBerg(e) hinreichend sicher abgeschätzt werden. Wenn beispielsweise aufgrund der Eigenheiten des Bauverfahrens die Vorverformung ev Null oder sehr klein ist (beispielsweise < 5 %), kann die schon vom umgebenden Gelände übernommene Stutzkraft FBerg(e) pauschaliert angesetzt oder vernachlässigt, d.h. zu 0 geschätzt werden. Somit kann dann F0 bzw. SO bestimmt werden. Die Abschätzung der schon vom umgebenden Gelände übernommenen Stutzkraft FBerg(e) erfolgt bezugnehmend auf die im Schritt 904 ermittelten Werte.
Die eben angesprochenen Überlegungen werden im Schritt 905 durchgeführt. Es wird dabei insbesondere die Tatsache ausgenutzt, daß bei noch kleinen Dehnungen die schon vom umgeben- den Gelände übernommene Stützkraft hinreichend genau abgeschätzt werden kann. Bei größeren Dehnungen ist dies nicht mehr möglich.
Sofern eine Sicherung noch nicht vorgesehen ist, kann der frühere Spannungszustand bzw. Primärspannungszustand natürlich ohne Betrachtung der Sicherung erfolgen. Zur Abschätzung der schon vom umgebenden Material übernommenen Stützkräfte FBerg(e) können mathematische Verfahren wie Finite-Elemente- Verfahren oder ähnliches herangezogen werden.
Es wird in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, daß die obige Gleichung lediglich qualitativ zu verstehen ist. Vektoreigenschaften der Kräfte bzw. Tensoreigenschaften der Spannungen können zusätzlich berücksichtigt werden. Es können Finite-Elemente-Verfahren verwendet werden.
Zur Ermittlung des früheren Spannungszustands und insbesondere zur Abschätzung der schon vom umgebenden Material übernommenen Stützkräfte können weitere Einflußgrößen berücksichtigt werden, insbesondere: neu vor Ort gewonnene geologisch Erkenntnisse, Erkenntnisse, die aus in Vortriebsrichtung weiter hinten liegenden Tunnelabschnitten gewonnen wurden, allgemeine Erfahrungswerte von Bedienungspersonen, Abschätzung der Vorverformung, usw.
Als Ergebnis erhält man schließlich einen früheren (also möglichst unbeeinflußten) Spannungszustand SF, insbesondere den Primärspannungszustand SO. Letzterer entspricht dem Schnittpunkt der Kurve 601 mit der Ordinate.
Fig. 10 zeigt ein Verfahren zum Bestimmen von Teilen bzw. Parametern einer Gebirgskennlinie. Ganz allgemein gesprochen können Wertepaare aus Stützkraftänderung und Geometrieänderung des Tunnels ermittelt werden. Hieraus können Parameter wie beispielsweise Elastizitätsmodul des umgebenden Bodens bestimmt werden. Die Bestimmung von Stützkraft und Geometrie- anderung kann mit einer geeignet ausgelegten Stutze 301 erfolgen, was spater erläutert wird. Es können bestimmbare oder vorbestimmte Geometrie- oder Kraftveranderungen durch Andern der eingebrachten Stutze zugelassen werden. Sich daraus ergebende Kraft- oder Geometrieanderungen können gemessen werden.
Sofern der frühere Spannungszustand bzw. Primärspannungszustand wie oben beschrieben bestimmt wurde, kann dann abermals bezugnehmend auf die oben angegebene Formel die vom umgebenden Gelände übernommene Stutzkraft ermittelt werden, so daß sich weitere absolute Werte zur Festlegung der Gebirgskennlinie ergeben. In Fig. 10 kann dies beispielsweise so erfolgen, daß an einer Stutze (beispielsweise zweite von rechts in Fig. 8) zunacnst ein Wertepaar aus Stutzkraft FI und Abmessung rl im Schritt 1001 gemessen wird. Im Schritt 1002 wird dann eine bestimmte Verformung in radialer Richtung zugelassen. Es wird dann im Schritt 1003 abermals ein Wertepaar aus neuer Stutzkraft F2 und neuer Abmessung r2 ermittelt. Aus den so gewonnenen Werten können Großen wie Dehnung e, Dehnungsanderung Δe, Kraftanderung ΔF und Elastizitätsmodul E bestimmt werden. Der Elastizitätsmodul E des Gebirges ist dabei in der Regel nicht mehr geschlossen losbar, sondern kann beispielsweise durch "Justieren" anhand von Vergleichsrechnungen ermittelt werden. Es können Finite-Elemente-Verfahren eingesetzt werden.
Sofern der fr here Spannungszustand bzw. Primärspannungszustand bestimmt wurde, kann dann im Schritt 1005 die vom umgebenden Gelände übernommene Stutzkraft qualitativ anhand der oben genannten Formel ermittelt werden. Es ergibt sich dadurch ein weiterer Punkt auf der Gebirgskennlinie m Fig. 6. Durch wiederholtes Anwenden des Verfahrens in Fig. 10 gelangt man so zu einer genaueren Ermittlung der Gebirgskennlinie. Wie schon gesagt, ist diese für einen bestimmten Ort z m Vortriebsrichtung spezifisch. Sie kann jedoch als Abschätzung für kommende Kennlinien verwendet werden, so daß ein genauer angepaßter Bauvorgang möglich wird. Fig. 11 zeigt schematisch in Kombination mehrere erfindungs- gemaße Tunnelbauverfahren. Im Schritt 1101 werden Größen wie bezugnehmend auf die Figuren 9 oder 10 beschrieben bestimmt. Es können der frühere Spannungszustand SF bzw. Primärspannungszustand SO, Materialparameter (z.B. Elastizitätsmodul E) oder auch die Gebirgskennlinie bestimmt worden sein. Die so gewonnenen Daten können in verschiedener Weise verwendet werden :
Im Schritt 1102 erfolgt die Dimensionierung der zukünftig einzubauenden Sicherung 201. Die Dimensionierung kann Materialparameter für das Material der Sicherung 201 (beispielsweise Mischungsverhältnisse, Endfestigkeiten, ...), Stärke der Sicherung (in r-Richtung) , usw., umfassen. Zur Ermittlung der Parameter der zukünftigen Sicherung können beispielsweise die Überlegungen herangezogen werden, die anhand der Fig. 6 erläutert wurden. Der Vorteil gegenüber dem Stand der Technik ist, daß die Gebirgskennlinie genauer abgeschätzt werden kann und somit angepaßtere Parameter gewählt werden können. Da ein früherer Spannungszustand für einen Bereich nahe an der Ortsbrust und eine Gebirgskennlinie für einen Bereich nicht allzu weit hinter der Ortsbrust bestimmt werden kann, liegen hilfreich Daten vor, um Dimensionierungen für Bereiche vor der Ortsbrust vorzunehmen.
Im Schritt 1103 können variable Stützen kraft- oder weggesteuert angesteuert werden. Insbesondere kann dadurch ein angepaßter Dehnungswert e für die ausgehärtete Sicherung 201 angefahren werden. Beispielsweise ist aus Diagrammen entsprechend Fig. 7 das Verhalten des Materials der Stützschicht bekannt, insbesondere ihre Lastaufnahmefähigkeit für den ausgeharteten Zustand. Es kann dann beurteilt werden, bei welcher Dehnung e (Fig. 6) sich ein Gleichgewicht zwischen dem vom umgebenden Gelände geforderten Ausbauwiderstand und dem von der Sicherung tatsachlich lieferbaren Ausbauwiderstand einstellt. Dieser Punkt kann gezielt angefahren werden, so daß ein an die tatsächlichen Gegebenheiten gut angepaßtes Gleichgewicht eingestellt wird.
Da gebaute Tunnel bestimmte Mindestdurchmesser nicht unterschreiten dürfen, die stattfindende Dehnung aber nur ungenau bekannt war, mußte zur Sicherstellung des Mindestdurchmessers eine bestimmte Sicherheitsreserve zuviel ausgebrochen werden. Da mit dem beschriebenen Verfahren die Dehnung besser vorhersagbar ist und insbesondere für die unmittelbar vorausliegen- den Ausbruche besser vorhergesagt werden kann, kann auch die Sicherheitsreserve beim Ausbruch verringert werden.
Fig. 14 zeigt schematisch eine Karte von Gebirgskennlmien, wie sie sich bei fortwahrender Anwendung der oben beschriebenen Verfahren ergeben kann. Dargestellt sind verschiedene Gebirgskennlmien mit der z-Koordmate als Parameter, zo ist der Ort der momentanen Ortsbrust. Hierfür konnte der frühere Spannungszustand bzw. Primärspannungszustand 1401 bestimmt werden. Für dahinter liegende Orte konnten schon mehrere Punkte der Gebirgskennlinie ermittelt werden, so daß sich zunehmend vollständigere Kennlinien ergeben. So bestehen die Kurven 1402 bis 1406 zunehmend aus zwei bis sechs Meßpunkten und liefern daher zunehmend vollständigere Kennlinien.
Kurve 1407 entspricht einer Darstellung des früheren Span- nungszustands bzw. Pπmarspannungszustands in Abhängigkeit von der z-Koordinate . Gezeigt ist ein Beispiel mit deutlich variierenden Werten, zz ist der Ort einer zukunftig zu bauenden Sicherung. Zu ihrer Dimensionierung kann beispielsweise auf Extrapolation bisher gewonnener Werte zurückgegriffen werden. Beispielsweise kann Kurve 1407 in z-Richtung extrapoliert werden (1. Ableitung konstant) . Für den Ort zz der zukunftigen Sicherung ergibt sich ein Schnittpunkt 1409. Er kann als Schatzwert für den dort herrschenden Primärspannungszustand genommen werden. Es kann auch eine weiterer Si- cherheitszuschlag 1410 erfolgen, so daß sich ein Schatzwert 1411 für den Primärspannungszustand ergibt. Dieser kanr zu Dimensionierung der Parameter der Sicherung verwendet werden. Im spateren Verlauf kann sich dann beispielsweise herausstellen, daß nicht der Schatzwert 1411 richtig war, sondern der spater tatsächlich gemessene Wert 1412.
Mit 1104 sind weiterfuhrende Sicherungsmaßnahmen angedeutet. Wenn z.B. festgestellt wird, daß die Stutze 301 eine Stutzkraft aufnimmt, die die Sicherung 201 selbst dann nicht bernehmen wird können, wenn sie ausgehartet ist (oder Sicherheitsreserven zu klein sind) , können weitergehende Maßnahmen veranlaßt werden, etwa das Einbringen zusätzlicher Sicherungen, Flucht oder ähnliches. Es können Alarme ausgegeben werden.
Im Diagramm der Fig. 14 werden Gebirgskennlinien ermittelt, die tendentiell um so weiter fortgeschrieben sind, e weiter der Ort hinter der Ortsbrust liegt. Immer jedoch können die schon vorhandenen Werte der Gebirgskennlinie geeignete extrapoliert werden, um anhand dieser extrapolierten Gebirgskennlinien weitere Bestimmungen treffen zu können, etwa zur An- steuerung der Stutzen am jeweiligen Ort. Beispielhaft angedeutet ist dies durch die gestrichelte Kurve 1402a. Durch spater hinzugewonnene Meßwerte können die extrapolierten Kurven an die tatsächlichen Verhaltnisse angepaßt werden.
Fig. 12 zeigt beispielhaft e ne Meßvorrichtung für den Tunnelbau. Fig. 12a zeigt schematisch eine als Ringstutze ausgelegte Meßvorrichtung im eingebauten Zustand. Die Ringstutze weist Verstrebungen 1201 auf, von denen einige oder alle lan- genveranderlich sein können, beispielsweise hydraulisch. Die Verstrebungen wirken auf Anlageplatten 1202, die flachig ausgebildet sind und entsprechend der Tunnelkontur profiliert sein können. Die Verstrebungen 1201 sind vorzugsweise gelenkig an den Anlageplatten 1202 sowie an benachbarten Verstrebungen angelenkt. Fig. 12b zeigt schematisch eine Verstrebung 1201d zwischen zwei Anlageplatten 1202c und 1202d. Die Verstrebung weist einen Hydraulikzylinder 1204 und einen Hydrau- likkolben 1203 auf. Der Hydraulikzylinder empfange unter Druck stehendes Hydraulikfluid über eine Leitung 1205, die von einer Hydraulikquelle 1206 gespeist wird. An der Verstrebung ist eine Sensorik 1210 vorgesehen. Die Sensorik kann die Lange der Verstrebung oder Langenanderungen messen und entsprechende Daten weiterleiten. Daneben kann auch eine Lage- sensorik 1212 vorgesehen sein, um die Lage der Verstrebung und damit die Wirkrichtung der durch sie erzeugten Kräfte (vektoπell) bestimmen zu können. Auch eine Krafterfassung ist vorgesehen. Es kann sich beispielsweise um Dehnungsmeßstreifen oder Kraftmeßdosen handeln. Andererseits kann die Kraft auch aus dem herrschenden Hydraulikdruck ermittelt werden. 1211 kennzeichnet die Krafterfassungseinrichtung, 1210 die Abmessungserfassungsemrichtung und 1212 die Lageerfassungseinrichtung. Die genannten Erfassungseinrichtungen können an mehreren oder allen Verstrebungen 1201 vorgesehen sein. Durch vektorielle Betrachtung der herrschenden Kräfte können vergleichsweise genaue Werte für die radial aufgebrachten Stutzkräfte ermittelt werden. Darüber hinaus können Kräfte in mehrere Richtungen ermittelt werden. Für eine Stutze kann eine Datenauswertungs- bzw. -aufbereitungseinrichtung vorgesehen sein, die aus den Daten der einzelnen Sensoren und Aufnehmer aufbereitete Daten erzeugt.
Fig. 13 zeigt ein Tunnelbausystem. Es weist die als Meßvorrichtung ausgebildete Stutze 301 auf, die mehrere Satze von Sensoren 1210 bis 1212 für Abmessung, Kraft und Lage aufweist. Das System kann mehrere der gezeigten Stutzen aufweisen. Eine Regelung bzw. Steuerung 1300 empfangt die Meßwerte. Sie kann weitere Meßwerte empfangen. Eine Bestimmungseinrichtung 1301 bestimmt wie oben beschrieben einen früheren Spannungszustand, insbesondere den Primärspannungszustand und/oder Materialparameter bzw. Teilverlaufe oder Verlaufe der Gebirgskennlinie. Eine Ermittlungseinrichtung 1302 ermittelt daraus Parameter der zukunftig zu bildenden Stutzschicht und steuert dementsprechend die Maschine 800 an oder gibt die einzustellenden Parameter aus, damit sie anderweitig einge- stellt werden können. Eine zweite Ermittlungseinrichtung 1303 ermittelt vorzunehmende Veränderungen einer oder mehrerer Stützen 301 und gibt diese entweder aus steuert die Veränderungen selbst ein.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Bestimmen eines früheren Spannungszustands im Bereich eines Gebirges oder Bodens, in dem ein Tunnel gegraben wird, gekennzeichnet durch die Schritte Anbringen einer Referenz für eine radiale Position, Freigraben eines Tunnelabschnitts, Einbringen einer radial wirkenden Stütze im Bereich der Referenz, Erfassen der auf die Stütze einwirkenden Kraft und/oder der Abmessung der Stütze, und Bestimmen des früheren Spannungszustands anhand der erfaßten Kraft und/oder Abmessung der Stütze.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung des früheren Spannungszustands auch bezugnehmend auf eine Abschätzung der schon vom Gebirge übernommenen Stützkräfte erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschätzung bezugnehmend auf eine Abschätzung der stattgefundenen Dehnung und/oder auf lokale Gebirgspara- meter und/oder auf Erkenntnisse aus in Vortriebsrichtung weiter hinten liegenden Tunnelabschnitten erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Freigraben des Tunnelabschnitts vorauseilend eine vorzugsweise um den Tunnelumfang umlaufende Sicherung gebildet wird, wobei
- ein Bereich der Sicherung, vorzugsweise ihre Innenoberfläche als Referenz für radiale Positionen dient,
- die Stütze an der Innenoberfläche der Sicherung angreift, und
- die Bestimmung des früheren Spannungszustands auch bezugnehmend auf eine Ermittlung der von der Stützschicht übernommenen Stützkräfte erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung bezugnehmend auf Kenngrößen und/oder Kennlinien des Materials der Sicherung erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als früheren Spannungszustand der Primärspannungszustand des Gebirges oder Bodens bestimmt wird.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Finite-Elemente-Verfahren angewendet wird.
8. Verfahren zum Bestimmen von Teilen der Gebirgskennlinie im Bereich eines Gebirges oder Bodens, in dem ein Tunnel gegraben wird, gekennzeichnet durch die Schritte
Einbringen graduell veränderlicher radial wirkende Sicherungen,
Zulassen einer Verformung durch geometrisches Verändern der eingebrachten Stütze,
Erfassen der dann auf die Stütze einwirkenden Kraft, und Bestimmen eines Verlaufs und/oder eines Parameters der Gebirgskennlinie anhand der erfaßten Kraft und/oder anhand der Veränderung der Abmessung der Stütze.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein früherer Spannungszustand mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 bestimmt wird, wobei das Bestimmen eines Verlaufs und/oder eines Parameters der Gebirgskennlinie auch anhand des bestimmten früheren Spannungszustandes erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 9 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Bestimmen des Teils der Gebirgskennlinie auch bezugnehmend auf Kenngrößen und/oder Kennlinien des Materials der Sicherung erfolgt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Finite-Elemente-Verfahren angewendet wird.
12. Tunnelbauverfahren, bei dem ein in einem Gebirge oder Boden zu bauender Tunnel mit einer Sicherung ausgekleidet wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein früherer Spannungszustand und/oder ein Teil der Gebirgskennlinie mit einem Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche bestimmt wird, und ein oder mehrere Parameter der zukünftig zu bildenden Sicherung bezugnehmend auf den bestimmten Spannungszustand und/oder den bestimmten Teil der Gebirgskennlinie eingestellt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke und/oder Materialparameter der Sicherung eingestellt werden.
14. Tunnelbauverfahren, bei dem ein in einem Gebirge oder Boden zu bauender Tunnel mit einer Sicherung ausgekleidet wird, dadurch gekennzeichnet, daß graduell veränderliche radial wirkende Stützen eingebracht werden, ein Spannungszustand und/oder ein Teil der Gebirgskennlinie mit einem Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche bestimmt wird, und eine graduelle Veränderung zumindest einer Stütze bezugnehmend auf den bestimmten Spannungszustand und/oder den bestimmten Teil der Gebirgskennlinie erfolgt.
15. Meßvorrichtung für den Tunnelbau, gekennzeichnet durch eine Stutze (301) , die im Tunnel Stutzkrafte radial nach außen einbringen kann und die über den Tunnelumfang zumindest bereichsweise an der Tunnelaußenwand anliegt, eine Krafterfassungseinrichtung (1211) , mit der eine oder mehrere Stutzkrafte der Stutzeinrichtung erfaßt werden können, und eine Abmessungserfassungseinπchtung (1210) zum Erfassen der Abmessung der Stutze.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Krafterfassungseinrichtung einen Dehnungsmeßstreifen und/oder eine Kraftmeßdose aufweist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Abmessung und/oder ihre Stutzkraft hydraulisch einstellbar ist, wobei die Krafterfassungseinrichtung einen Drucksensor zur Erfassung des Drucks der Hydraulikflussigkeit aufweist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch mehrere Drucksensoren, die Kräfte in mehrere Richtungen erfassen können.
19. System für den Tunnelbau, gekennzeichnet durch eine Meßeinrichtung (301) nach einem der Ansprüche 15 bis 18, eine Bestimmungseinrichtung (1300, 1301) , die nach Maßgabe von Meßwerten der Meßeinrichtung mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14 einen Spannungszustand und/oder einen Teil der Gebirgskennlinie bestimmt, eine Ermittlungseinrichtung (1302), die bezugnehmend auf den bestimmten Spannungszustand und/oder den bestimmten Teil der Gebirgskennlinie einen oder mehrere Parameter der zukunftig zu bildenden Stutzschicht ermittelt, und eine Anzeige- und/oder Einstellvorrichtung, mit der ein oder mehrere Parameter der zukunftig zu bildenden Stützschicht angezeigt und/oder eingestellt werden.
20. System für den Tunnelbau, insbesondere nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch eine Meßeinrichtung (301) nach einem der Ansprüche 15 bis 18, eine Bestimmungseinrichtung (1300, 1301), die nach Maßgabe von Meßwerten der Meßeinrichtung mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14 einen Spannungszustand und/oder einen Teil der Gebirgskennlinie bestimmt, eine zweite Ermittlungseinrichtung (1303), die bezugnehmend auf den bestimmten Spannungszustand und/oder den bestimmten Teil der Gebirgskennlinie eine vorzunehmende Veränderung einer Stütze bezugnehmend auf den bestimmten Spannungszustand und/oder den bestimmten Teil der Gebirgskennlinie ermittelt, und eine Anzeige- und/oder Einsteilvorrichtung (1206), mit der eine vorzunehmende Veränderung einer Stütze angezeigt und/oder eingestellt wird.
21. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
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