Numerische Simulation des Tunnelvortriebs mit Randelementen

Ziel dieses Projekts ist es ein neuartiges Rechenprogramm zu entwickeln welches Spannungen und Verformungen, die im Zuge des Tunnelvortriebes entstehen, berechnet. Besonderes Augenmerk wird auf die neue österreichische Tunnelbaumethode (NÖT) gelegt, die durch einen Sprengvortrieb charakterisiert ist und bei der primär Spritzbeton und Felsanker als Stützmittel verwendet werden. Die Software basiert auf der Methode der Randelemente (BEM). Deren Anwendungsbereich wird durch die Simulation des sequentiellen Tunnelvortriebes, das Einbringen von Stützmittel und ein visko-plastisches Materialverhalten erweitert. Die BEM hat den Vorteil gegenüber der Methode der finiten Elemente (FEM), dass der infinite Raum nicht durch eine "Box" mit willkürlich aufgebrachten Randbedingungen angenähert werden muss, und dass die Anzahl der verwendeten Elemente um eine Größenordnung geringer ist. Randelementnetze sind auch einfacher zu generieren und die Lösung erfolgt schneller. Die neuartige Methode, die das Programm außerordentlich benützerfreundlich macht, ist die adaptive Generierung von internen Zellen, die für die Auswertung der Volumsintegrale in einer visko-plastischen Berechnung mit der BEM notwendig ist. Zusätzlich werden numerische Methoden implementiert, die es erlauben den Tunnelaushub und den Einbau von Stützmitteln, wie sie bei der NÖT vorkommen, zu simulieren. Es wird erwartet, dass das entwickelte Rechenprogramm den Aufwand für die dreidimensionale Berechnung des Tunnelvortiebes drastisch reduziert. Als Konsequenz werden Zivilingenieurbüros solche Berechnungen routinemässig durchführen können. Dies sollte die Sicherheit von Tunnels erhöhen.

Die Resultate des Projekts liefern einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung eines innovativen EDV Programms, welches es Ingenieuren ermöglicht Computersimulationen im Tunnelbau in nahezu Echtzeit mit einem Minimum an Aufwand durchzuführen. Solche Simulationen ermöglichen es verschiedene Bauverfahren zu testen indem ein Tunnel sozusagen "im Rechner vorgetrieben wird", ähnlich wie heutzutage routinemäßig ein virtueller "crash test" an einem Auto durchgeführt werden kann. Dieses Werkzeug hilft dem Ingenieur den Tunnelvortrieb so zu optimieren, sodass die Bauzeit und Kosten verringert werden. Ziel ist es, die Simulationen so benützerfreundlich und so realistisch wie möglich zu machen. Derzeit sind die verwendeten Simulationsprogramme zu kompliziert und oft sind die erhaltenen Resultate realitätsfern. Die im Projekt erarbeiteten wissenschaftlichen Forstschritte haben eine große Bedeutung für die Forschungsarbeit welche derzeit am Institut für Baustatik im Rahmen des integrierten EU Projektes "Technologieinnovation im Tunnel und Kavernenbau" (6. Rahmenprogramm) durchgeführt wird. Ziel dieser Arbeit ist es ein schnelles, genaues und effizientes Simulationswerkzeug für den Tunnelbau zu entwickeln. Es wird erwartet, dass diese Entwicklung zu einer signifikanten Reduktion der Bauzeit und Kosten von Tunnelbauten führen wird. Dies könnte zu einer Lösung der derzeit bestehenden Verkehrs- und Umweltprobleme führen, da in Zukunft der Hauptanteil des Verkehrs untertage geführt werden kann. Numerisch Simulationsmethoden welche zurzeit verwendet werden, wie z.B. die Methode der Finiten Elemente (FEM) oder Finiten Differenzen haben wesentliche Nachteile im Hinblick auf Benützerfreundlichkeit und Effizienz. Derzeit werden z.B. 3-D Simulationen im Tunnelbau nur von Spezialisten durchgeführt und der Aufwand ist beträchtlich. Eine zukunftsträchtige Alternative ist die Methode der Randelemente. Allerdings ist diese Methode eher exotisch und die Anzahl der Wissenschafter, welche auf diesem Gebiet arbeiten klein. Daher ist der Stand der Entwicklung dieser Methode weit hinter der FEM. Die wissenschaftlichen Erkenntnisse des Projekts beziehen sich daher auf die Weiterentwicklung der Methode der Randelemente, um den Bereich der Anwendung auf den Tunnelbau zu erweitern. Die wissenschaftlichen Ergebnisse des Forschungsprojekts sind jedoch auch auf andere Bereiche im Ingenieurwesen anwendbar, welche nicht-lineares Materialverhalten und kontinuierliche Veränderung der Geometrie aufweisen.