Novel method for ductile lining pre‐design / Neues Verfahren zur Vorbemessung eines duktilen Ausbaus

The design of a ductile lining has to incorporate a number of influences. Both the influences of the ground conditions and the construction have to be considered in order to develop a safe and economical solution. Special focus has to be set on a plausible prediction of the time‐ and excavation‐dependent displacement development and its interaction with the transient shotcrete properties, load‐displacement behaviour of the yielding elements and the entire excavation sequence. The rather underdeveloped state of the state‐of‐the‐art methods for ductile support pre‐design is somewhat contrasting the frequent practical usage of this support concept. Especially the development of semi‐empirical or analytical methods, allowing a quick initial assessment of the system behaviour and incorporating the influences mentioned above, has been neglected in favour of the numerical analysis methods. A novel calculation method, analogous to the convergence confinement method, applicable to non‐circular excavation geometries and unsymmetrical displacement fields is presented in the course of this paper. Castigliano's second law and the associated balance of the outer work enable determining the equilibrium point between the ground and the installed support measures and the determination of the support capacity. Additional semi‐empirical relationships, derived from a series of systematic 3D numerical simulations, allow prediction of the pre‐relaxation and of the longitudinal displacement profiles for a top heading advance. The combination of these relationships with the proposed energy‐based equilibrium criterion allows the establishment of a coherent calculation method, addressing and incorporating all relevant geomechanical and constructional influences. A practical application example and the verification of the method are shown and discussed, with the calculation results compared to the measurement data from the exploratory tunnel Paierdorf (Lavanttal fault system). The same ideas regarding the balance of outer work between the support measures and the rock mass can be used for finding clear boundaries of ground conditions where a flexible support becomes imperative. Die Planung eines duktilen Ausbaus muss eine Vielzahl an Einflüssen berücksichtigen. Sowohl die Gebirgsverhältnisse als auch die bautechnischen Einflüsse sind in dieser Phase zu berücksichtigen, um einen wirtschaftlichen und sicheren Vortrieb zu gewährleisten. Besonderes Augenmerk muss dabei auf eine schlüssige Prognose der zeit‐ und vortriebsbedingten Verschiebungsentwicklung und deren Wechselwirkungen mit den zeitabhängigen Spritzbetoneigenschaften, Last‐Verformungsverhalten der Stauchelemente und der gesamten Vortriebssequenz gelegt werden. Trotz einer Vielzahl an praktischen Erfahrungen mit Vortrieben in verformungsfreudigem Gebirge sind die Berechnungsmethoden zur Vorhersage des Systemverhaltens bei solchen geotechnischen Verhältnissen immer noch teilweise rudimentär. Vor allem die Weiterentwicklung von analytischen Methoden, die eine Vorabschätzung des Systemverhaltens unter Berücksichtigung der oben genannten Einflüsse erlauben, wurde in den letzten Jahren zugunsten numerischer Berechnungsmethoden stark vernachlässigt. In dieser Publikation wird ein neues Rechenverfahren präsentiert, das eine Analogie zum Kennlinienverfahren bei nicht kreisrunden Ausbruchsgeometrien und unsymmetrischen Verschiebungsbildern darstellt. Der zweite Satz von Castigliano und die damit verbundene Bilanz von äußeren Arbeiten des Gebirges und des Ausbaus werden verwendet, um ein Gleichgewicht und die maximale Ausbaukapazität zu bestimmen. Weitere semi‐empirische Beziehungen, die aus einer Reihe von numerischen 3DRechnungen hergeleitet wurden, erlauben die Vorhersage der Vorentlastung und der Verschiebungsentwicklung bei einem Kalottenvortrieb. Gemeinsam mit dem neuen Gleichgewichtskriterium ergibt sich ein in sich geschlossenes Rechenverfahren, das alle wesentlichen geotechnischen und bautechnischen Einflüsse erfassen kann. Ein praktisches Anwendungsbeispiel sowie die Verifikation des Verfahrens werden anhand der Verschiebungsmessdaten aus dem Erkundungstunnel (EKT) Paierdorf des Koralmtunnels (Lavanttaler Störungssystem) gezeigt. Die gleichen Überlegungen zur Energiebilanz werden auch zur Bestimmung einer klaren “Grenze” hinsichtlich Gebirgsverhältnisse, bei denen ein nachgiebiger Ausbau zum Einsatz kommen muss, verwendet.