Tunnel im Sandkasten

Die Konstruktion seicht liegender Tunnel stellt Ingenieure vor allem in sandigem Gelände vor große technische Herausforderungen. Der Bereich des Vortriebs, die sogenannte Ortsbrust, muss dabei besonders gestützt werden. Dr. Ansgar Kirsch vom AB für Geotechnik und Tunnelbau hat experimentell überprüft, wie verlässlich vorhandene Modellrechnungen die notwendige Stützkraft bestimmen.
Der ursprünglich dicht gelagerte Sand (li.) und locker gelagerter Sand (re.) verschieben sich in Richtung der Tunnelöffnung, wenn die Ortsbrust nachgibt. (Bild: Ansgar Kirsch)
Bild: Der ursprünglich dicht gelagerte Sand (li.) und locker gelagerter Sand (re.) verschieben sich in Richtung der Tunnelöffnung, wenn die Ortsbrust nachgibt. (Bild: Ansgar Kirsch)

Um die Verhältnisse beim Tunnelbau in sandigem Gelände nachvollziehen zu können, hat Ansgar Kirsch in Rahmen seiner Doktorarbeit einen kleinen „Sandkasten“ gebaut. Der Modellkasten aus Stahl und Glas ist einen halben Meter hoch und mit trockenem Sand gefüllt. Ein Halbzylinder aus Plexiglas bildet den Modelltunnel. Mit einer Vorrichtung lässt sich ein Stempel am Tunneleingang verschieben. Damit simulierte Kirsch das Versagen der Ortsbrust, jenes Bereichs eines Tunnels, an dem der Vortrieb gerade stattfindet. Der Bauingenieur führte mehrere Messreihen durch: mit lockerem und dichtem Sand und unterschiedlichen Füllständen im Sandkasten. Mit Hilfe eines kleinen Druckkraftsensors konnte er zudem den notwendigen Stützdruck für die Ortsbrust ermitteln. „Ich konnte zeigen, dass für den untersuchten Sand weder die Überdeckungshöhe noch die Lagerungsdichte einen signifikanten Einfluss auf den erforderlichen Stützdruck haben“, fasst Ansgar Kirsch die Ergebnisse zusammen. „Die Lagerungsdichte des Bodens beeinflusste jedoch stark, wie sich der entstehende Bruch zur Geländeoberfläche fortpflanzt.“

 

Theoretische Modelle überprüft

Die Konstruktion seicht liegender Tunnel ist, vor allem in Sand, bis heute eine große technische Herausforderung. Tunnel mit geringer Überdeckung werden oft mit Flüssigkeits- oder Erddruckschildmaschinen vorgetrieben. „Um Setzungen an der Geländeoberkante zu minimieren und einen Verbruch vor der Ortsbrust zu verhindern, muss die Ortsbrust gestützt werden“, erklärt der Ingenieur. Für die Bestimmung des dazu erforderlichen Stützdrucks existiert eine Vielzahl an theoretischen und numerischen Modellen. Mit Hilfe seiner Daten konnte Dr. Kirsch nun die Brauchbarkeit dieser Rechenmodelle überprüfen. „Unsere Ergebnisse zeigen eine erhebliche Bandbreite an Prognosen, sogar für einen einheitlichen Satz an Eingabeparametern. Nur wenige Modelle sind in der Lage sowohl den notwendigen Stützdruck als auch den Versagensmechanismus korrekt vorherzubestimmen.“

 

Vielfach engagiert

Ansgar Kirsch hat an der RWTH Aachen und am Imperial College London Bauingenieurwesen studiert und an dem von Prof. Dimitrios Kolymbas geleiteten Arbeitsbereich für Geotechnik und Tunnelbau der Universität Innsbruck promoviert. Als wissenschaftlicher Mitarbeiter des Arbeitsbereichs ist er auch in der Lehre stark engagiert. Neben der Betreuung von Fachveranstaltungen bietet Kirsch auch Lehrveranstaltungen zum wissenschaftlichen Schreiben an und wurde dafür 2008 auch mit dem Preis „Lehre Plus!“ ausgezeichnet. Dass ihm ferner die Wissenschaftskommunikation ein Anliegen ist, hat er mit seiner Teilnahme an der ersten Innsbrucker Ausscheidung für den Talentewettbewerb FameLab bewiesen.

 

(cf)