Erfahrungen mit der FEM-Simulation im Rahmen des Prozesscontrollings beim Schildvortrieb: Fid-Bau Portal

Erfahrungen mit der FEM-Simulation im Rahmen des Prozesscontrollings beim Schildvortrieb

Maidl, B. / Maidl, U. / Ruse, N.

Der Beitrag zeigt, wie bei einem modernen Schildvortrieb ein neuartiger Ansatz des Prozesscontrollings über einen Soll-Ist-Vergleich gemessener Maschinendaten und geodätischer Messungen in Echtzeit mit den entsprechenden Prognosen aus vorangegangenen Berechnungen gefunden wurde. Der Ansatz des Prozesscontrollings basiert auf der Verknüpfung der Finiten Elemente Methode zur Simulation des Schildvortriebes und dem Datenmanagement während der Bauausführung. Ziel ist es, Maßnahmen, die vor Beginn der Bauausführung festgelegt wurden, während der Bauausführung über Messsysteme zu verifizieren, Prognosen zu überprüfen bzw. die Berechnungsmethode anzupassen und Gegenmaßnahmen einzuleiten, wenn sich das Verhalten von Baugrund und Bauwerk nicht wie erwartet einstellt. Für den maschinellen Schildvortrieb stehen dazu folgende Tools zur Verfügung: Datenanalyse, Fehleranalysen, Risikoanalysen, Sensitivitätsanalysen und Simulationen. Schwerpunkt der Ausführungen sind dabei die bisherigen Praxiserfahrungen mit der FEM-Simulation sowie Ansätze zur Implementierung von wissensbasierten Methoden. Die FEM-Simulation gliedert sich dabei in folgende 4 Phasen: (1) Geometrische und verfahrenstechnische Modellierung mit wirklichkeitsgetreuer Diskretisierung aller Maschinenelemente (Schildschwanzverpressung, Schildspaltinjektion, Ortsbruststützung). (2) Stoffliche Modellierung mit Wahl des geeigneten Materialgesetzes (Berücksichtigung von Porenwasserüberdrücken, Kriecheinflüssen, nichtlinear elastischem Verhalten). (3) Step-by-step-Analyse zur Berücksichtigung der Einflüsse unterschiedlicher Bauphasen auf den Spannungszustand im Baugrund. (4) Verifikation der Ergebnisse und Plausibilitätsüberprüfung. Durch diese Vorgehensweise ist es möglich, Maschinenmessdaten ohne Zeitverzögerung direkt in das Modell einzulesen und wahlweise Berechnungsergebnisse (bspw. zu Oberflächensetzungen, Gebirgsspannungen oder zur Beanspruchung der Tunnelauskleidung) zu erhalten. Unter Nutzung der gemessenen Druckverteilungen im gesamten Bereich der Schildmaschine wurde darauf aufbauend ein neues Berechnungskonzept zur dreidimensionalen Simulierung des Vortriebs entwickelt. Bei diesem neuen Ansatz wird nicht die Tunnelbohrmaschine detaillgetreu simuliert, sondern vielmehr direkt auf die Interaktion Maschine - Baugrund eingegangen. Mithilfe des dazu vorgestellten Druckmodells wird zur Stützung der Ortsbrust und Simulation der Ringspaltverpressung ein Druck an entsprechender Stelle mit der jeweiligen Gradiente des Stützmediums gegen den Baugrund aufgebracht. Die Verformungen und Konvergenzen während der Schildpassage ergeben sich dann abhängig von der anliegenden Druckverteilung.