Soil-structure interaction in tunnel lining analyses

Boden-Bauwerks-Interaktion bei der Berechnung von Tunnelschalen.

Der Tunnelbau und die wirklichkeitsnahe Berechnung und Bemessung von Tunnelschalen gehören zu den anspruchsvollsten Aufgaben im konstruktiven Ingenieurbau. Dies begründet sich vor allem durch die komplexen nichtlinearen Effekte, die (bereits unter charakteristischen Lasten) das Gesamttragverhalten bestimmen, weil sich die Einwirkungen und Widerstände nicht voneinander trennen lassen (Teilsicherheitskonzept), und vor dem Hintergrund einer Vielzahl von Abhängigkeiten und Interaktionen, die in den meisten Fällen nicht vernachlässigt werden dürfen. Um das tatsächliche Verhalten wirklichkeitsnah abzubilden und belastbare Ergebnisse zu erzielen, müssen bei der Modellbildung sowohl die nichtlinearen Effekte im Baugrund als auch physikalische und geometrische Nichtlinearitäten in der Tunnelschale ebenso wie die Boden-Bauwerks-Interaktion systematisch berücksichtigt werden. Sofern Vereinfachungen eingeführt werden, ist darauf zu achten, dass diese eher konservative Ergebnissen liefern, die damit berechneten Verformungen in einer realistischen Größenordnung liegen und schließlich, dass diese zu baubaren und wirtschaftlichen Lösungen führen.
Mit Blick auf die Berücksichtigung dieser teilweise divergierenden Anforderungen hat sich in den letzten Jahren die Finite-Elemente-Methode (FEM) international zunehmend als allgemeines und vielseitiges numerisches Hilfsmittel in der Tunnelplanung etabliert. Bei richtiger Anwendung erlaubt die FEM eine weitestgehend "allumfassende" Berechnung mit Abbildung sämtlicher relevanter Effekte bis hin zur genauen Erfassung der Interaktion von Boden und Bauwerk und ist in der Lage, wirklichkeitsnahe Ergebnisse zum Trag- und Verformungsverhalten zu generieren. Vor allem bei nichtlinearen Analysen kommt dabei der Ermittlung der Steifigkeitsverhältnisse in der Boden-Bauwerks-Interaktion besondere Bedeutung zu, da u. a. die Bodenreaktionskräfte (Bettung) und der anteilige Lastabtrag von Tunnelschale und Baugrund durch diese Steifigkeits- und Interaktionsparameter maßgeblich bestimmt werden. Eine unzutreffende Wahl dieser bestimmenden Parameter kann zur fehlerhaften Einschätzung des Tragverhaltens und damit - abhängig vom Vorzeichen und der Größe der Abweichung - zu unwirtschaftlichen oder unsicheren Ergebnissen führen. Im Zuge der langjährigen Tätigkeit der Autoren sowohl im Design Management und der Ausführungsplanung als auch in prüfender und entwerfender Funktion bei großen internationalen Tunnelprojekten konnte immer wieder festgestellt werden, dass Finite-Elemente-Berechnungen nur ungeeignete Ergebnisse liefern, wenn die grundlegenden Kompatibilitätsbeziehungen nicht in angemessener Weise berücksichtigt werden; vor allem entsprechenden Plausibilitätskontrollen kommt daher auch eine besondere Bedeutung zu. Vor diesem Hintergrund werden in Abschnitt 5 typische Fallbeispiele aus der Baupraxis vorgestellt und diskutiert.
Der vorliegende Beitrag setzt sich zum Ziel, die wesentlichen Zusammenhänge, Interdependenzen und typischen Probleme und Fehlerquellen bei der numerischen Berechnung von Tunnelbauwerken (FEM) unter Einbeziehung der Boden-Bauwerks-Interaktion aufzuzeigen und kritisch-konstruktiv zu diskutieren. Insbesondere sollen dabei Empfehlungen und Hinweise gegeben werden, die eine sowohl wirklichkeitsnahe als auch praxisgerechte, zuverlässige und robuste Modellbildung ermöglichen und damit nicht zuletzt die Gesamtqualität von Tunnelberechnungen fördern.