Limit Support Pressure and Critical Cover-to-Diameter Ratio of Shallow-Buried Tunnel Faces in Sand-over- Clay Composite Ground

Technische Zusammenfassung: Grenzdruckunterstützung und kritisches Überdeckung-zu-Durchmesser-Verhältnis von flach liegenden Tunnelvorderseiten in Sand-über-Ton-Verbundböden

Problemstellung
Flach liegende Tunnel in städtischen Umgebungen stoßen zunehmend auf komplexe Verbundbodenbedingungen, insbesondere auf Sand-über-Ton-Stratigraphien. Im Gegensatz zu homogenen Böden weisen diese geschichteten Systeme kontrastierende Festigkeits- und Deformationscharakteristika auf, die die Stabilität der Tunnelvorderseite signifikant beeinflussen. Während die bestehende Forschung die Stabilität von Tunnelvorderseiten in homogenen sandigen oder tonigen Böden bereits behandelt hat und einige Studien auch geschichtete Böden untersucht haben, besteht weiterhin eine Lücke im Verständnis der spezifischen Versagensmechanismen, der Erdruckfreisetzungsmuster und des Übergangs von globalem zu lokalem Versagen in Sand-über-Ton-Verbundböden. Insbesondere fehlen systematische Vergleiche der Deformationsunterschiede zwischen Sand- und Tonschichten, der progressive Versagensprozess in Bezug auf die Position der Boden-Schicht-Grenzfläche (Mitte vs. First) sowie ein quantitatives Kriterium für das kritische Überdeckung-zu-Durchmesser-Verhältnis ($C/D$) unter variierenden Scherfestigkeiten.

Methodik
Diese Studie verwendete einen facettenreichen Ansatz, der physikalische Modellversuche mit numerischer Simulation kombiniert:

1. Zentrifugen-Modellversuche: Durchgeführt bei 60g unter Verwendung eines TLJ-3 Geotechnik-Zentrifugen. Es wurden vier Testfälle mit einem Prototyp-Tunneldurchmesser von 6 m entworfen. Die Grenzfläche der Bodenschichten wurde entweder in der Mitte der Tunnelvorderseite oder am Tunnelfirst positioniert, mit Überdeckung-zu-Durchmesser-Verhältnissen ($C/D$) von 0,8 und 1,2.
2. Überwachungstechniken: Die Particle Image Velocimetry (PIV) wurde verwendet, um die Bodenverschiebungsfelder und die Entwicklung der Versagenszone zu analysieren. Laser-Wegsensoren maßen die Rückverformung der Tunnelvorderseite, während Erddruckzellen die Spannungsfreisetzung an der Tunnelvorderseite und innerhalb des Bodens vor der Front überwachten.
3. Dreidimensionale untere-Grenze-Finite-Elemente-Limit-Analyse: Ein numerisches Modell wurde entwickelt, um den minimal erforderlichen Stützdruck für die Stabilität zu bestimmen. Diese Methode nutzte statisch zulässige Spannungsfelder, die das Gleichgewicht, die Randbedingungen und das Mohr-Coulomb-Fließkriterium erfüllen. Sie wurde verwendet, um die experimentellen Ergebnisse zu validieren und eine parametrische Analyse des inneren Reibungswinkels ($\phi$) der oberen Sandschicht durchzuführen.

Wesentliche Beiträge und Ergebnisse

• Versagensmechanismen und Grenzflächenposition:

  • Wenn die Boden-Schicht-Grenzfläche die Mitte der Tunnelvorderseite schnitt, wurde die Instabilität primär durch die obere Sandschicht bestimmt. Die Versagenszone breitete sich nach oben und außen aus und erreichte schließlich die Bodenoberfläche (globales Versagen).
  • Wenn die Grenzfläche am Tunnelfirst lag, begrenzte die darunter liegende Tonschicht die Aufwärtsausbreitung der Versagenszone effektiv. In diesen Fällen blieb die Versagenszone innerhalb von etwa 1,5 Tunneldurchmessern vor der Front beschränkt, und es bildete sich selbst bei einer Rückverformung der Front von 30 mm keine kontinuierliche Versagensfläche aus.

• Progressive Versagensstadien:
  Der Prozess der Rückverformung der Front wurde in drei Stadien identifiziert:

  1. Lokale Deformation: Konzentriert nahe der Front.
  2. Progressives Versagen: Aufwärts- und Außenverbreitung der Verschiebungszone mit kontinuierlicher Erddruckfreisetzung.
  3. Reststabilität: Stabilisierung des Stützdrucks und Bildung eines kontinuierlichen Verschiebungsbandes.
     Die Fälle D1 und D2 erreichten den Grenzzustand bei einer Rückverformung der Front von etwa 10 mm.

• Erddruckfreisetzung und Stützdruck:

  • Die Erddruckfreisetzung in der Sandschicht war signifikant größer als in der Tonschicht. Beispielsweise erreichte das Spannungsfreisetzungsverhältnis in der Sandschicht 66 % gegenüber 56 % in der Tonschicht (Fall D1).
  • Die Grenz-Stützdrücke für die Versagensfälle lagen bei 12,7 kPa (D1, $C/D=0,8$) und 13,4 kPa (D2, $C/D=1,2$). Eine Erhöhung von $C/D$ von 0,8 auf 1,2 führte nur zu einer Steigerung des Grenz-Stützdrucks um 5,5 %, was auf eine begrenzte Sensitivität gegenüber der Überdeckungstiefe innerhalb dieses spezifischen Bereichs für diese Grenzflächenkonfiguration hindeutet.
  • Die Fälle D3 und D4 (Grenzfläche am First) erreichten innerhalb des Testbereichs keinen Grenzzustand, wobei die Stützdruckverhältnisse über 0,85 blieben.

• Numerische Validierung:
  Die dreidimensionale untere-Grenze-Limit-Analyse lieferte Grenz-Stützdrücke mit Abweichungen von weniger als 10 % im Vergleich zu den Zentrifugen-Testergebnissen (−9,4 % für D1 und −4,5 % für D2). Das numerische Modell reproduzierte die Versagenscharakteristika erfolgreich und bestätigte, dass die Tonschicht eine stabilisierende Wirkung ausübt, wenn sie unterhalb der Tunnelvorderseite liegt.

• Kritisches Überdeckung-zu-Durchmesser-Verhältnis:
  Die parametrische Analyse zeigte eine starke Beziehung zwischen dem inneren Reibungswinkel ($\phi$) der oberen Sandschicht und dem kritischen $C/D$-Verhältnis, das für den Übergang von globalem zu lokalem Versagen erforderlich ist.

  • Mit steigendem $\phi$ von 15° auf 35° sank das kritische $C/D$ von 2,20 auf 1,10.
  • Eine lineare Regression ergab eine Beziehung: $(C/D)_{krit} = 3,02 - 0,056\phi$, mit einem Bestimmtheitsmaß $R^2 = 0,995$.
  • Eine höhere Scherfestigkeit in der Sandschicht verstärkt den Bodenbogen-Effekt (Soil-Arching), wodurch die Versagenszone bei geringeren Überdeckungstiefen vor der Front schließen kann.

Bedeutung
Die Autoren geben an, dass diese Erkenntnisse eine Referenz für die Bestimmung von Tunnelvorderseiten-Stützparametern und die Bewertung des Risikos eines globalen Versagens bei flach liegenden Tunneln in Sand-über-Ton-Verbundböden bieten. Die Studie hebt hervor, dass die Position der Boden-Schicht-Grenzfläche ein kontrollierender Faktor für die Versagensmodi ist und dass der Übergang von globalem zu lokalem Versagen basierend auf dem inneren Reibungswinkel und der Überdeckungstiefe quantitativ vorhergesagt werden kann. Die validierte Methode der unteren-Grenze-Limit-Analyse bietet ein zuverlässiges Werkzeug zur Identifizierung potenzieller Fließzonen und Versagensmodi in ähnlichen komplexen Bodenverhältnissen.