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Bodenvereisungsmodelle erstellen

Das Bohren von Tunneln während Untergrundaushebungen ist in Anbetracht eines stets zunehmenden urbanen Wachstums mehr und mehr mit Gefahren verbunden. Verbesserte Modelle zur künstlichen Bodenvereisung (AGF, Artificial Ground Freezing) optimieren die Anwendung neuer Stabilisierungsverfahren.

Klimawandel und Umwelt

Aushebungen sowie der Untergrundbau von Bahnsystemen oder Bergbauinfrastruktur müssen gemeinhin in unmittelbarer Nähe von Gebäuden erfolgen. Die künstliche Bodenvereisung gesättigter oder teilweise gesättigter Böden ist eine vielversprechende, umweltfreundliche Alternative gegenüber konventionellen Stabilisierungsmethoden, bei denen Böden mit chemischen Injektionsmitteln oder Zement aufgefüllt werden. Wie bei anderen Methoden auch, stabilisieren AGF-Verfahren den Boden und bieten strukturelle Unterstützung. Ferner wird Wassereinfluss in einen Aushebungsstandort verhindert. Das chemische Kältemittel wird über geschlossene Rohrleitungen transportiert und in der Atmosphäre freigesetzt oder rezykliert, sodass keine Verunreinigung des Grundwasser eintritt. Das von der EU geförderte Projekt "Numerical modelling of artificial ground freezing" (NUMAGF) trug dazu bei, Wissenschaftlern und Ingenieuren hinsichtlich der Anwendung von AGF-Verfahren eine bessere Vorhersage der Auswirkungen auf Lockergestein zu ermöglichen. Hierdurch ist eine bessere Einschätzung der Bauzeiten und -kosten sowie eine Optimierung der Verfahren gegeben. Die Teammitglieder trugen umfangreiche Daten zusammen, die während der AGF-Überwachung im Zuge der Bauarbeiten an der Linie 1 der neapolitanischen U-Bahn gesammelt wurden. Die Daten berücksichtigten Gebäudeverschiebungen, Veränderungen der Bodentemperatur sowie Änderungen des Grundwassersystems und der Kräfte, die auf die Stützanker für die Aushebung ausgeübt werden. Die Wissenschaftler überarbeiteten ein nicht lineares elasto-plastisches mechanisches Modell für die Bodenvereisung und -auftauung und entwickelten ein vollständig gekoppeltes thermo-hydro-mechanisches Modell (THM), um das bauliche Verhalten der Gesteinsmaterialien zu erfassen. Die Modelle wurden mit experimentellen Daten gegengeprüft, die während Tests an vulkanischer Asche an zwei Standorten in Neapel gesammelt wurden. Die AGF-Methode entwickelt sich in vielen Anwendungsbereichen zu einer äußerst vielversprechenden und wichtigen Technik. Zusätzlich zur Verwendung im Bereich der Untergrundaushebung wurde das Verfahren genutzt, um Pisten zu stabilisieren, um reine Bodenproben zu sammeln und um den Permafrost unter beheizten Gebäuden zu erhalten. Es gab sogar Überlegungen, das AGF-Verfahren zur Eindämmung der radioaktiven Grundwasserversuchung in der Nähe des Kernkraftwerks von Fukushima anzuwenden. Die im Rahmen des NUMAGF-Projekts erstellten THM-Modelle zum Lockergesteinsverhalten stellen sicher, dass AGF-Verfahren mit einer vorausgehenden wissensbasierten Untersuchung zur Stabilität und Sicherheit angewandt werden. Es gibt vielfältige Anwendungsmöglichkeiten im Maschinen- und Bergbau. Angesichts der Erderwärmung und des Permafrostrückgangs sind die Informationen über das Vereisen und Auftauen auch für Klimaforscher von Interesse, die den Klimawandel in Kälteregionen untersuchen.

Schlüsselbegriffe

Boden, Tunnelbohren, Untergrundaushebung, künstliche Bodenvereisung, Stabilisationsverfahren, gesättigter Boden, chemisches Kältemittel, Grundwasser, Gesteine, Gebäudeverschiebungen, Bodentemperatur, Bodenvereisung, thermo-hydro-mechanisch

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