Installation-Delay Effects on Passive-Bolt Anchorage in Squeezing Railway Tunnels: An Analytical Framework for Support Transition and Cost Optimization

Tief unter der Erde, wo Gesteinsmassen zerklüftet sind und unter immensem Druck stehen, ist der Bau eines Tunnels ein empfindliches Verhandeln zwischen menschlicher Ingenieurskunst und geologischer Kraft. Wenn Ingenieure durch solches „squeezing ground“ (quellendes oder kriechendes Gebirge) graben, verharrt das Gestein nicht einfach in Ruhe; es deformiert sich langsam nach innen und versucht, den durch die Aushebung geschaffenen Raum zu schließen. Um den Tunnel offen zu halten, verlassen sich die Erbauer auf ein System unmittelbarer Sicherung, das typischerweise aus Schichten von Spritzbeton und Stahlbolzen besteht, die in das Gestein gebohrt werden, um es zusammenzuhalten. Eine grundlegende Herausforderung bei dieser Arbeit ist das Timing. In dem Moment, in dem eine Tunnelvortriebsfront freigelegt wird, beginnt das Gestein zu entspannen und sich zu bewegen. Wenn das Sicherungssystem nicht sofort installiert wird, bewegt sich das Gestein weiter, bevor die Bolzen und der Beton greifen können. Diese Verzögerung verändert die Art und Weise, wie das Sicherungssystem reagiert, oft auf eine Weise, die durch Standardberechnungen nicht vorhergesagt wird. Ingenieure müssen genau wissen, wann ein einfaches System aus kurzen Bolzen und Beton versagen wird und wann sie zu einem robusteren, tieferen Verankerungssystem wechseln müssen, um einen Einsturz zu verhindern, während sie gleichzeitig die finanzielle Rentabilität des Projekts sicherstellen.

In einer neuen Studie haben Forscher einen praktischen Rahmen entwickelt, um diese Fragen für Hochgeschwindigkeitsbahntunnel zu beantworten, wobei sie speziell untersuchten, wie Installationsverzögerungen die Leistung passiver Gesteinsanker beeinflussen. Das Team kombinierte eine bekannte analytische Methode zur Vorhersage von Bodenbewegungen mit einem detaillierten Wirtschaftsmodell, um zu simulieren, was passiert, wenn die Sicherung nicht sofort erfolgt. Sie konzentrierten sich auf ein Szenario, in dem die Gesteinsqualität schlecht und der Tunnel tief ist – Bedingungen, die in den tektonisch aktiven Regionen Vietnams, wo eine neue Nord-Süd-Hochgeschwindigkeitsstrecke geplant wird, häufig vorkommen. Die Forscher wollten sehen, ob der Standardansatz – die Verwendung kurzer Bolzen und einer Schicht Spritzbeton – die durch Konstruktionsverzögerungen verursachte zusätzliche Bewegung überleben könnte oder ob das Gestein sich so stark bewegen würde, dass die Bolzen einfach aus dem Boden gezogen würden, bevor sie ihre Aufgabe erfüllen können.

Die Studie zeigt, dass das Timing der Konstruktion genauso entscheidend ist wie die Festigkeit der Materialien. In ihren Simulationen fanden die Forscher heraus, dass sich mit abnehmender Gesteinsqualität die Zone des gebrochenen, instabilen Gesteins um den Tunnel herum schnell ausdehnt. Für die im Basismodell verwendeten Standardbolzen mit einer Länge von 3,95 Metern gibt es einen spezifischen Wendepunkt. Wenn die Gesteinsqualität unter einen bestimmten Wert fällt, wächst die Bruchzone so groß, dass sie die gesamte Länge des Bolzens verschlingt, der eigentlich im festen Gestein verankert sein sollte. Sobald dies geschieht, verliert der Bolzen seinen Halt und kann den Tunnel nicht mehr zusammenhalten, ungeachtet dessen, wie stark die Betonauskleidung ist. Die Forscher identifizierten diese gefährliche Übergangszone in einem Bereich, in dem die Gesteinsqualität (Rock Mass Rating) zwischen 48,2 und 50,1 liegt. In diesem engen Band führt die Verzögerung bei der Installation der Sicherung dazu, dass sich das Gestein gerade so weit bewegt, dass die Standard-Kurzbolzen unbrauchbar werden, was einen Wechsel der Strategie erzwingt.

Um die finanziellen Auswirkungen dieses mechanischen Versagens zu verstehen, erstellte das Team ein normalisiertes Kostenmodell, das Währungsschwankungen und Inflation eliminiert, um die tatsächlichen Ressourcenkosten verschiedener Sicherungsstrategien zu vergleichen. Sie testeten ein extremes Szenario, in dem die Gesteinsqualität mit einem Wert von 35 sehr schlecht war. In dieser Situation versagten die Standard-Kurzbolzen vollständig, da die Bruchzone viel zu tief reichte. Das bloße Hinzufügen von mehr Kurzbolzen oder das Verdicken des Betons löste das Problem nicht, da diese Maßnahmen nicht tief genug in das stabile Gestein reichten, um eine sichere Verankerung zu gewährleisten. Die einzige Lösung, die in der Simulation funktionierte, war der Wechsel zu tiefen, vorgespannten Felsankern. Das mathematische Optimum für diese Tiefverankerung lag bei einer Länge von 9,61 Metern. Da der Bau jedoch praktische, ganze Zahlen erfordert und Materialverluste berücksichtigt, berechneten die Forscher, dass eine Standard-Spannstahlkabel-Seele (Cable Tendon) von 10 Metern die einsatzbereite Lösung vor Ort wäre. Diese Anpassung brachte die geschätzten Kosten auf 3.105,4 Kosteneinheiten pro Tunnelmeter, ein Wert, der den effizientesten Weg darstellt, den Tunnel unter diesen schwierigen Bedingungen zu sichern, ohne durch ineffektive Maßnahmen zu viel auszugeben.

Die Forscher validierten ihren Ansatz, indem sie ihre Ergebnisse mit realen Daten aus dem Driskos-Doppeltunnel in Griechenland verglichen, einem Standort, der für schweres „squeezing ground“ und schlechte Gesteinsqualität bekannt ist. In diesem Tunnel mussten Ingenieure lange, gespannte Kabel installieren, da die anfänglichen Kurzbolzen und der Beton nicht ausreichten, um die Deformation zu stoppen. Das neue Modell reproduzierte erfolgreich den allgemeinen Trend der Bodenbewegung, die in Griechenland beobachtet wurde, und sagte eine endgültige Tunneldeformation voraus, die innerhalb von 8,2 Prozent der dort aufgezeichneten tatsächlichen Messwerte lag. Diese enge Übereinstimmung deutet darauf hin, dass der Rahmen zuverlässig vorhersagen kann, wann ein Sicherungssystem aufgrund von Installationsverzögerungen versagt. Die Studie bestätigt, dass in schlechtem Gelände bereits ein kurzes Abwarten vor der Installation der Sicherung dazu führen kann, dass das Gestein den Punkt überschreitet, an dem Kurzbolzen halten können, was einen teureren, aber notwendigen Wechsel zu einer Tiefverankerung erforderlich macht.

Letztlich bietet diese Arbeit den Ingenieuren ein Werkzeug, um bessere Entscheidungen in der frühen Planungsphase großer Tunnel zu treffen. Sie geht über die Annahme hinaus, dass alle Teile eines Sicherungssystems vom Moment der Installation an perfekt zusammenarbeiten. Stattdessen erkennt sie an, dass Verzögerungen in der Realität vorkommen und dass diese Verzögerungen die Physik des Problems völlig verändern können. Durch die Identifizierung der spezifischen Schwellenwerte der Gesteinsqualität, bei denen Kurzbolzen versagen, hilft die Studie den Ingenieuren, die richtige Art der Sicherung zu planen, bevor der Bau beginnt. Dies verhindert den kostspieligen Fehler, einen Tunnel mit einem System zu bauen, das auf dem Papier angemessen erscheint, in der Praxis jedoch versagt, weil sich das Gestein zu stark bewegt hat, bevor die Bolzen greifen konnten. Die Ergebnisse legen nahe, dass der Schlüssel zur Sicherheit und Kosteneffizienz bei Tunneln in quellendem Gebirge darin liegt, zu erkennen, wann das Gestein zu stark gebrochen ist für einfache Lösungen, und die Weitsicht zu besitzen, tiefere, aktivere Verankerungssysteme einzusetzen.