Numerische Simulation des Gefrierprozesses bei der Baugrundvereisung im durchströmten Untergrund: Fid-Bau Portal

Numerische Simulation des Gefrierprozesses bei der Baugrundvereisung im durchströmten Untergrund

Baier, Christian / Ziegler, Martin / Mottaghy, Darius / Rath, Volker

Die künstliche Baugrundvereisung hat sich als begleitende Bauhilfsmaßnahme im Tunnelbau bereits vielfach bewährt und gewinnt gerade in jüngerer Zeit zunehmende Beachtung. Durch das Einbringen von Gefrierrohren und gezieltes Aufgefrieren wird die Tragfähigkeit des anstehenden Bodens erhöht, so dass dieser als temporäres Sicherungselement für das bergmännische Auffahren des Hohlraums dienen kann. Ein geschlossen ausgebildeter Frostkörper ist zugleich wasserdicht. Im Gegensatz zu Injektionsmaßnahmen werden der Boden und das Grundwasser durch die reversible Vereisung nicht nachhaltig beeinträchtigt und der Anwendungsbereich erstreckt sich auch auf inhomogene Böden mit Einschlüssen. Im stark durchströmten Boden kann das Verfahren jedoch an seine Grenzen stoßen, wenn die erforderliche Kühlleistung zur Kompensation des konvektiven Wärmeeintrags aus der Grundwasserströmung zu groß wird. Auf Basis numerischer Simulationen lassen sich unter Berücksichtigung der vorhandenen Grundwasserströmung schon im Vorfeld strömungsangepasste Entwurfskonzepte mit deutlichen Einsparpotenzialen erarbeiten. Der Beitrag erläutert die Besonderheiten von thermischen Vereisungssimulationen und stellt einen Lösungsansatz zur Beschreibung des Gefrierprozesses von durchströmten Böden vor. Am Simulationsbeispiel einer Querschlagvereisung wird ein möglicher Optimierungsansatz aufgezeigt. Dieser besteht in einer radialen Umpositionierung der Gefrierrohre auf der Luv-Seite aus der Mittellinie 'hin zur Strömung'. Eine weitere Optimierung ergibt sich in einer an die thermischen Einflüsse angepassten Betriebsweise der Kälteaggregate.