Geomechanische und Numerische Anwendung zum U-Bahnbau im Nürnberger Keupersandstein

Dieses Buch enthält die geomechanischen Eigenschaften des Nürnberger Keupersandsteins, die Kalibrierung und praktische Anwendung des Stoffgesetzes (Hardening-Soil-Model) sowie die Anwendungs- und Praxiserfahrungen zum U-Bahnbau mittels der numerischen Berechnungsmethode (FEM). Der Nürnberger Keupersandstein setzt sich aus einer Wechsellagerung von mürben, mittelharten bis harten, fein- bis grobkörnigen Sandsteinen mit zwischengeschalteten, geringmächtigen, sehr harten Quackenlagen und Ton- bzw. Tonsteinlagen zusammen. Er lässt sich deshalb als Übergangsmaterialien zwischen Locker- und Festgesteinen mit veränderlichen geomechanischen Eigenschaften, und als geologisch weiches Gestein („Soft Rock“) bezeichnen. In diesem Buch wird der Nürnberger Keupersandstein entsprechend der LGA-Felsklassifizierung dem HSSR-System (Hard Soil Soft Rock) zugeordnet. Dann werden seine geomechanischen Eigenschaften bzw. Merkmale durch Auswertung umfangreicher Laborversuche an Gesteinsproben von Baustellen bzw. Bauprojekten des Untertagebaus und zahlreicher Feldversuche ausgewertet, geomechanisch bewertet und zusammenfassend dargestellt. Auf dieser Basis wird dann eine Modellvorstellung zur Erfassung der geomechanischen Eigenschaften des Nürnberger Keupersandsteins mittels der Spannungsdehnungskurven aus Triaxial- und Oedometerversuchen hergeleitet. Dazu wird das Stoffgesetz Hardening-Soil-Model (HSM) ausgewählt, kalibriert und angewandt. Die wesentlichen Abhängigkeiten der Steifigkeiten wie z.B. von der Seitendruckspannung und von den Belastungsästen werden je nach Felsklassifizierung ermittelt und dargestellt. Die Stoffparameter werden abgeleitet und anhand von zahlreichen Feldversuchsergebnissen überprüft und ergänzt. Davon ausgehend wird eine Bandbreite (A/B – B/C) der Verformungsparameter zum HSM für den Nürnberger Keupersandstein ermittelt. Auf diese Weise werden die Schwankungen und Inhomogenität der natürlichen Geomaterialien in geotechnisch relevanten Tiefen bzw. Bereichen abgedeckt. In einem weiteren Teil des Buches werden die aktuellen LGA-Erfahrungen der Nürnberger U-Bahnbaupraxis zur Spritzbetonbauweise zusammenfassend dargestellt. Das tunnelbautechnische Ausführungskonzept zu Ausbruch und Sicherung wird mit Angaben über Querschnittstypen, Vortriebsabfolgen, Anwendungsrandbedingungen sowie Sicherungsmittel bzw. Maßnahmen beschrieben. Ein maßgeblicher Teil des Buchs wird den praktischen Anwendungen der gewonnenen geomechanischen Gesetzmäßigkeiten und Erkenntnissen zum Nürnberger Keupersandtsein gewidmet. Dabei wird die bekannte, geomechanische Leitlinie nach Karl Terzaghi mit der gegenwärtigen Etablierung angewandt. Es werden vier Anwendungsbeispiele zum Ausbau der U3, die in den ersten Jahrzehnten des neuen Jahrhunderts in Spritzbetonbauweise realisiert wurden, ausgewählt und aufgezeigt: • Gleisverbindungsbereich im Innenstadtgebiet • Innerstädtischer Tunnelvortrieb mit großer Ausbruchweite und geringer Überdeckung • Unterfahrung einer DB-Güterzugstrecke • Unterquerung des Main-Donau-Kanals. Dabei findet das numerische Berechnungsverfahren nach FEM zur rechnerischen Simulation der Tunnelherstellung stetig Anwendung. Bei der Ausführung bzw. Realisierung wurden diese U-Bahnröhren intensiv mit der Beobachtungsmethode begleitet, wobei zahlreiche Messungen bzw. Monitorings zur Sicherstellung der Standsicherheit beim Vortrieb und der innerstädtischen Bebauung sowie zur Überprüfung der theoretischen Prognosen bzw. ggfs. zur iterativen Anpassung der Ausführungsplanung durchgeführt wurden. Somit ist Sinn und Anwendbarkeit der geotechnischen Leitlinie „Kombination der Drei“ (Bodenmechanische Theorie, Labor- und Feldversuche sowie Ingenieurpraxis), demonstriert. Die Zielgruppe dieses Buchs kann z.B. Geomechaniker, geotechnische Ingenieure, Prüfsachverständige, Bauherren, Planer und Studenten sein.