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Abstract (German)

Die Dissertation befasst sich mit der Verwendbarkeit und den Eigenschaften von zementfreien Mörteln zur Ringspaltverpressung beim Tunnelbau im Schildvortriebsverfahren mit Tübbingausbau. Vor dem Hintergrund, dass diese Verpressmaterialien in Abhängigkeit der Baugrundeigenschaften sehr zeitnah, d.h. mitunter schneller als ein konventioneller Zementmörtel, eine Festigkeits- und Steifigkeitsentwicklung durch Auspressen von Porenwasser in den umgebenden Baugrund erfahren können, sind mit dieser Art von Mörtel Vorteile gegenüber zementgebundenen Baustoffen zu erwarten. Die Untersuchungen zielen darauf ab, die unterschiedlichen Anforderungen an ein solches Material im Zuge der einzelnen Prozessschritte (Pumpförderung, Drainierung und Bettung der Tübbingröhre) genauer definieren zu können.

Dabei wird zunächst der Einfluss der Ortsbruststützung bei Tunnelvortriebsmaschinen mit Flüssigkeitsstützung erfasst und eine hybride Modellvorstellung der Stützdruckübertragung entwickelt. Diese berücksichtigt sowohl den Mechanismus der Filterkuchenausbildung wie sie in feinkörnigen Böden dominiert als auch die Eindringung einer Suspension mit Stagnation im Porenraum des Bodens.

Für die Festlegung von Materialanforderungen zur Gewährleistung der Pumpfähigkeit werden zunächst Pumpversuche im Zuge des Befüllens der Förderleitung durchgeführt und bodenmechanische Eigenschaften von sogenannten Stopfern betrachtet. Es folgen rheologische Oszillations-Messungen, mit denen der Einfluss des Blutens der zementfreien Ringspaltmörtel beobachtet werden soll. Schließlich werden Indexwerte zur Gewährleistung des Wiederanlaufens des Fördersystems nach ausgedehnten Stillstandszeiten ermittelt.

Die Beobachtung des Drainierungsvorganges erfolgt mittels eines modifizierten Filterpressenversuchs, in dem maßgebende Kennwerte des Drainierungsvorgangs zur quantitativen Beschreibung ermittelt werden können. Anhand eines rechnerischen Modells wird herausgestellt, welchen Anforderungen ein solches Verpressmaterial bei den speziellen örtlichen Baugrundeigenschaften genügen muss, um zielsicher eingesetzt werden zu können. Darüber hinaus werden Empfehlungen bezüglich des Mischungsentwurfs eines solchen Mörtels erarbeitet und dessen ökologischen Auswirkungen bewertet.

Abschließend erfolgt eine bodenmechanische Charakterisierung des verfestigten Ringspaltmörtels als künstliches Bodenmaterial und eine Abschätzung der Auswirkungen auf das Bettungsverhalten für die Tübbingröhre.

Zusammenfassend kann dargestellt werden, dass ein zementfreies Ringspaltmaterial bei geeignetem Umgebungsboden gleichwertig zu einem konventionellen Zementmörtel anzusehen ist und mitunter sogar eine höhere Früh-Bettungswirkung aufweist, die zur Vermeidung von Tübbingschäden von Bedeutung sein kann.

Abstract (English)

The present thesis considers the applicability of grout mortar without any cement for tail gap grouting during hydro-shield tunnelling with segmental lining. This mortar develops a certain strength and a reasonable stiffness only by expelling porewater into the voids of the surrounding soil of the tunnel. According to this fact, the present investigation aim is to define the different requirements for this kind of grouting material during all the several steps of the different tunnelling process phases (including pumping, draining and bedding of the tunnel lining).

First the influence of hydrostatic face support pressure is regarded and a hybrid model of pressure transmission for bentonite suspensions is developed which takes into account the formation of a filtercake as well as the penetration depth of slurry into the soil.

In order to determine the material requirements to ensure pumpability, several pumping tests were carried out, including the description of geotechnical properties of blockages. In the following, rheological oscillation tests were used to quantify bleeding behaviour of such grout mortar and to define applicable index values to ensure the trouble-free restart of the grouting process after extended shutdown periods.

A modified filter-press set-up is presented in order to collect characteristic parameters of the draining process within the grout mortar. By using different geotechnical models, the influences of soil properties around the tunnel in this process are rated and recommendations on the composition recipe of such a grout mortar are given. In addition possible ecological effects because of the expelled pore water are evaluated.

In a final step soil mechanical investigations on this drained mortar as some kind of type of artificial soil and consequences on the bedding behaviour of the tunnel are presented.

Summarized it could be stated, that tail gap grouting with cement free mortar can be at least as effective as using conventional cement based materials, provided that suited surrounding soil conditions are given. In certain cases a higher strength can be already achieved in early stages, which can be important to avoid damages in the lining segments.

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