Mechanical Response Analysis of a Tunnel-First Subway Station Constructed with Circumferential Pipe Curtain Pre-Support

Stellen Sie sich vor, Sie bauen eine riesige unterirdische Bahnhaltestelle mitten in einer belebten Stadt. Normalerweise müssten Sie ein riesiges Loch von oben nach unten graben, was den Verkehr blockieren, die Nachbarschaft stören und den Abriss von Gebäuden erfordern würde. Aber was wäre, wenn man die Station direkt innerhalb der Tunnel bauen könnte, die die Züge bereits nutzen?

Das ist die Herausforderung, der sich die Ingenieure bei der Baidang-Südstation in Suzhou, China, stellen mussten. Sie wollten einen bestehenden Schildtunnel zu einer vollwertigen Station erweitern, ohne dass der Boden darüber einstürzt oder zu stark absinkt.

Hier ist eine einfache Aufschlüsselung ihrer Lösung, der Probleme, die sie gelöst haben, und wie sie es gemacht haben, basierend auf der Forschungsarbeit.

Das Problem: Das „Leerraum“-Dilemma

Stellen Sie sich den bestehenden U-Bahn-Tunnel wie eine lange, hohle Röhre vor, die unter der Erde vergraben ist. Um diese Röhre in eine Station zu verwandeln, müssen Ingenieure sie verbreitern.

• Der alte Weg: Wenn man einfach die Seiten der Röhre ausgräbt, verliert der Boden darüber seine Stütze und möchte einsinken (setzen). Es ist, als würde man den Teppich unter einem schweren Tisch wegziehen; der Tisch wackelt und sackt ab.
• Das Risiko: Wenn der Boden zu stark einsinkt, könnten die Straße darüber Risse bekommen, nahegelegene Gebäude beschädigt werden oder sogar der Tunnel selbst einstürzen.

Die Lösung: Der „Rohrvorhang“-Regenschirm

Die Forscher schlugen eine clevere neue Methode vor, die Circumferential Pipe Curtain (CPC)-Methode (umlaufender Rohrvorhang).

Die Analogie: Stellen Sie sich vor, Sie befinden sich in einem langen, schmalen Tunnel. Anstatt einfach nur breiter zu graben, bauen Sie zuerst eine Schutzhülle um den Bereich, den Sie erweitern wollen.

1. Die Rohre: Sie verwendeten riesige Stahlrohre (gefüllt mit Beton), um einen riesigen, gebogenen „Regenschirm“ oder eine „Hülle“ um den Stationsbereich zu errichten.
2. Der Start: Sie gruben nicht von der Oberfläche aus. Stattdessen drückten sie diese Rohre aus dem bestehenden Tunnel heraus, wobei sie sie nach oben und unten krümmten, um eine geschlossene Schleife zu bilden (wie ein Donut aus Rohren), noch bevor sie überhaupt mit dem Bau der Station begannen.
3. Das Ergebnis: Dies schuf einen vorgefertigten, starren Käfig. Als sie schließlich die Erde ausgruben, um den Raum für die Station zu schaffen, hielt der „Käfig“ den Boden an Ort und Stelle und verhinderte das Absinken.

Der Bauprozess: Ein Drei-Akt-Stück

Die Forschungsarbeit beschreibt einen spezifischen „Drei-Stufen-, Acht-Schritte“-Tanz, um dies sicher zu bauen:

• Akt 1: Das Setup (Der Schild und die Hülle)

  • Zuerat schließt die Schild-Tunnelbohrmaschine den Haupttunnel ab.
  • Dann, unter Nutzung des leeren Raums innerhalb dieses Tunnels, drücken die Ingenieure die „Pipe Curtain“-Rohre in den Boden um die zukünftige Station herum.
  • Sie bringen temporäre Stützen im Inneren des Tunnels an, um ihn vor dem Quetschen zu schützen, während sie arbeiten.

• Akt 2: Die Erweiterung (Das große Graben)

  • Nun beginnen sie, Teile der ursprünglichen Tunnelwand (Segmente) zu entfernen, um Platz für die Station zu schaffen.
  • Sie graben die Erde aus, um den großen Stationsraum zu schaffen, aber die „Pipe Curtain“-Hülle hält den Boden darüber fest, damit er nicht herabstürzt.
  • Sie bauen die permanenten Säulen und Balken in diesem neuen Raum auf.

• Akt 3: Der Abschluss (Das permanente Dach)

  • Sobald die Stationsstruktur stabil ist, entfernen sie die temporären Stützen.
  • Sie gießen eine permanente Betonschicht (Sekundärauskleidung) über das Ganze, wodurch die temporäre Hülle und der ursprüngliche Tunnel zu einer soliden, permanenten Station verschmelzen.

Was die Computersimulationen zeigten

Die Forscher nutzten ein leistungsstarkes Computerprogramm (FLAC3D), um diesen gesamten Prozess vor dem eigentlichen Bau zu simulieren. Hier ist, was sie herausfanden:

1. Der Boden sank kaum ein

• Das Ergebnis: Der Boden über der Station sank nur etwa 6 Millimeter (ungefähr die Dicke eines Bleistifterradiergummis). Das ist sehr sicher und entspricht den strengen städtischen Vorschriften.
• Die Überraschung: Der Großteil des Absinkens geschah in nur zwei Momenten: als sie den großen Stationsraum ausgruben und als sie die letzten Teile der alten Tunnelwand entfernten. Diese beiden Schritte verursachten etwa 70 % der gesamten Bewegung.

2. Der „Rohrvorhang“ hatte eine schwere Zeit

• Die Belastung: Die Stahlrohre mussten anfangs viel Gewicht tragen. Als sie mit dem Graben und dem Entfernen der alten Tunnelwände begannen, stieg die Belastung auf die Rohre sprunghaft an.
• Die Schwachstelle: Die Stellen, an denen die Rohre mit den alten Tunnelwänden verbunden waren, waren die am stärksten belasteten Bereiche. Es ist wie die Nähte an einer Jeans; sie sind die ersten, die verschleißen, wenn man nicht vorsichtig ist.
• Die Erholung: Sobald die permanente Betonstruktur der Station fertiggestellt war, entspannten sich die Rohre. Die permanente Station übernahm die schwere Last, und die Rohre kehrten zu ihrer Rolle als bloße Helfer zurück.

3. Die alte Tunnelwand riss fast auf

• Die Gefahr: Als sie die alten Tunnelwände entfernten, um Platz zu schaffen, wurden die verbleibenden Teile der Tunnelwand extrem belastet. An einer Stelle war die Spannung so hoch, dass der Beton hätte reißen können.
• Die Lösung: Die Arbeit schlägt vor, zusätzliche Stahlstäbe einzusetzen und spezielle Gummipads an den Verbindungspunkten zu verwenden, um dies zu verhindern.

4. Der Boden vs. die Decke

• Die Wendung: Zuerst sank die Decke des Tunnels ein wenig ab. Aber als sie die Erde ausgruben, begann der Boden des Tunnels tatsächlich nach oben zu drücken (zu heben), weil das Gewicht der Erde fehlte. Am Ende bewegte sich der Boden stärker nach oben, als die Decke nach unten gesunken war.

Die Sicherheitsregeln, die sie vorschlagen

Basierend auf diesen Erkenntnissen schlagen die Autoren spezifische Regeln vor, um den Bau sicher zu gestalten:

• Keine starre Füllung der Verbindungen: An den Stellen, an denen die Rohre auf den Tunnel treffen, sollten sie nicht einfach mit hartem Beton zugestopft werden. Verwenden Sie flexible Gummidichtungen und spezielle Stahlrippen, um eine leichte Bewegung zuzulassen, ohne dass etwas bricht.
• Unterstützungen langsam entfernen: Man kann nicht alle temporären Stützen auf einmal herausreißen. Man muss sie nacheinander entfernen, abwechselnd auf beiden Seiten, und warten, bis der neue Beton ausgehärtet ist.
• Den Boden im Auge behalten: Wenn der Spalt zwischen den beiden Tunnelwänden zu groß wird, muss sofort Vergussmörtel (eine dicke Paste) injiziert werden, um die Lücke zu füllen.

Das Fazit

Diese Arbeit beweist, dass man eine U-Bahn-Station innerhalb eines bestehenden Tunnels mit einem „Rohrvorhang“-Schild bauen kann. Es ist, als würde man ein Haus in einem Zelt bauen, aber das Zelt besteht aus Stahlrohren, die den Boden halten, während man das Haus errichtet.

Das Computermodell zeigte, dass der Prozess zwar komplex ist und die temporären Strukturen stark belastet, er aber funktioniert. Der Boden bleibt stabil, die Station ist sicher und die Methode vermeidet das Chaos, das durch das Graben eines riesigen Lochs von der Straßenseite aus entstehen würde. Der Schlüssel liegt darin, die Schwachstellen (die Verbindungen) zu verstärken und beim Entfernen der temporären Stützen sehr vorsichtig zu sein.