Thermisch-hydraulische Simulationen zur Optimierung von Vereisungsmaßnahmen im Tunnelbau unter Einfluss einer Grundwasserströmung

Die Anwendung des Gefrierverfahrens zur Herstellung von tragenden und dichten Frostkörpern hat sich vielfach als sichere Bauhilfsmaßnahme im Tunnelbau bewährt. Im Gegensatz zu anderen Verfahren bietet die künstliche Baugrundvereisung ein breites Einsatzspektrum in den unterschiedlichsten Bodenarten und ist reversibel durchführbar, so dass keine nachteiligen Rückstände im Boden bzw. Grundwasser verbleiben. Die Hauptanwendungsfelder sind die Herstellung von Querschlägen und die bergmännische Aufweitung von Haltestellen im Nachgang zum maschinellen Tunnelvortrieb. Oftmals stellen jedoch die hohen Kosten für die
bereitzustellende Kühlleistung ein Ausschlusskriterium für den planmäßigen Einsatz des Verfahrens dar. Die zuverlässige Prognose der Frostausbreitung unter den vorherrschenden thermischen Einflüssen ist damit eine unerlässliche Planungsgrundlage für den Entwurf eines Vereisungskonzeptes. Eine vorhandene Grundwasserströmung lässt sich als maßgeblicher thermischer Eintrag und damit wesentlich gefrierzeit- und kostenbestimmend charakterisieren. Durch den Strömungseinfluss ergibt sich ein gekoppeltes Wärmetransport- Grundwasserströmungsproblem, das sich einer geschlossenen analytischen Lösung entzieht. Zudem verleihen die Temperaturabhängigkeit der thermischen Bodenkennwerte und der Phasenwechsel des Porenwassers dem Problem einen stark nichtlinearen Charakter. Erst numerische Verfahren bieten die Möglichkeit, das komplexe Verhalten gefrorener Böden und den thermischen Einfluss einer Grundwasserströmung zu erfassen. Eine Vielzahl heute verfügbarer Programmsysteme kann diese Problemstellung nicht praxistauglich lösen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird durch gezielte Weiterentwicklung des Programmpakets SHEMAT (Simulator for Heat and Mass Transfer) ein praktikables, numerisches Lösungsmodell zur Beschreibung des Frostwachstums bei Vereisungsmaßnahmen unter Strömungseinfluss bereitgestellt. Das Hauptaugenmerk ist dabei darauf gerichtet, hinreichend genaue Gefrierzeitprognosen bei Vorgabe nur weniger bodenmechanischer Standardgrößen zu erzielen. Dazu wird ein vereinfachtes Phasenwechselmodell zur Beschreibung des Gefrierprozesses in vollkommen wassergesättigten Böden vorgestellt, das als einzige Zustandsgröße des
Gefrierverlaufs und zur Ableitung der thermischen Kennwerte Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität den ungefrorenen Wassergehalt heranzieht. Durch Laborversuche kann gezeigt werden, dass sich dieser für nichtbindige Böden mit problemadäquater Genauigkeit über die spezifische Oberfläche aus der Körnungslinie ableiten lässt. Das numerische Lösungsmodell wird mittels eines analytischen Ansatzes zur Frostausbreitung und durch die Nachrechnung von zwei Modellversuchen verifiziert. Die Nachrechnung einer realen Vereisungsmaßnahme zeigt eine hinreichende Übereinstimmung gemessener und berechneter Temperaturwerte und macht zugleich deutlich, dass die Kenntnis der Strömungssituation essentiell für eine zuverlässige Vereisungssimulation ist. Am Beispiel einer fiktiven Querschlagvereisung unter Strömungseinfluss werden Optimierungsansätze aufgezeigt und allgemeingültige Empfehlungen für eine Gefrierzeitverkürzung angegeben. Es wird deutlich, dass die Aufgefrierzeit mit zunehmender Fließgeschwindigkeit exponentiell ansteigt und jeweils andere Entwurfsvarianten vorteilhaft sein können. Selbst ohne Installation zusätzlicher Gefrierrohre lässt sich als Folge einer strömungsangepassten Anordnung die Aufgefrierzeit im vorliegenden Beispiel um 20% reduzieren. Das Hinzufügen weniger weiterer Rohre im kritischen Luvbereich kann die Aufgefrierzeit nahezu halbieren. Die größte Wirkung würde durch eine Vorkühlung des Grundwassers bei Positionierung zusätzlicher Rohre im Zustrom erzielt. Weiterhin bietet sich durch die Bildung von Rohrgruppen in den unterschiedlich stark thermisch beanspruchten Bereichen die Möglichkeit, durch einen bedarfsgerechten Energieeintrag Kosten einzusparen, ohne die geplante Frostkörpergeometrie zu gefährden. Es steht damit ein vereinfachtes numerisches Modell zur Verfügung, welches eine Basis zur Optimierung zukünftiger Vereisungsmaßnahmen unter Strömungseinfluss bietet.