SFB 837:  Interaktionsmodelle für den maschinellen Tunnelbau

• Fachliche Zuordnung: Bauwesen und Architektur ; Geowissenschaften ; Materialwissenschaft und Werkstofftechnik ; Mathematik
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2022
• Webseite: Zur Homepage
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 77309832

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In den 20 Teilprojekten des SFB 837 wurden eine Reihe von Entwurfskonzepten, numerischen Modellen, digitalen Planungswerkzeugen und neuen Vortriebstechnologien für den maschinellen Tunnelvortrieb entwickelt. Die Forschungsziele des SFB 837 befassten sich mit planungs- und baurelevanten Aspekten der zahlreichen Komponenten des maschinellen Tunnelvortriebs. Sie gliederten sich in vier Projektbereiche mit den Bezeichnungen A bis D. Der Projektbereich A befasst sich mit der Charakterisierung und Modellierung des anstehenden Baugrunds und des durch den Vortriebsprozess im Bereich des Schneidrads gestörten Baugrunds sowie mit Vorauserkundungsmethoden. Im Projektbereich B geht es um die Modellierung neuartiger Tübbingausbaukonstruktionen mit erhöhter Robustheit und um die Wechselwirkung zwischen dem Ringspaltmörtel und dem umgebenden Boden. Projektbereich C befasst sich mit der Simulation des Vortriebsprozesses und Echtzeitprognoseverfahren zur Unterstützung der TBM-Steuerung, sowie mit optimalen Monitoringstrategien, der Simulation von Logistikprozessen und der Modellierung des Abbauprozesses und des Materialtransports in der Abbaukammer. Projektbereich D befasst sich mit der Forschung zur Risikoanalyse im urbanen Tunnelbau und der Modellintegration. Diese Forschungsthemen werden jeweils durch Rechenmodelle unterstützt, die alle in einem SFB-übergreifenden Tunnelinformationsmodell enthalten sind, das in der ersten Phase des SFB 837 entwickelt wurde. Darüber hinaus wurden Interaktionsgruppen gebildet, um die Ergebnisse der verschiedenen Teilmodelle und Analysen zu integrieren und zu kombinieren. Diese Interaktionsgruppen entstanden anhand der Untersuchung prototypischer Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge und teilweise auch durch Anwendungen der Interaktionsmodelle auf reale Tunnelbau-Referenzprojekte. Während sich die Forschung in den ersten Projektphasen vor allem auf den Tunnelbau in Lockergestein konzentrierte, lag der Schwerpunkt in jüngerer Zeit zusätzlich auf dem Tunnelbau in schwierigen geologischen Verhältnissen, die heute die Grenzen des Anwendungsbereichs des maschinellen Tunnelbaus bestimmen. Dabei ging es unter anderem um wesentliche, bisher unerforschte Faktoren, die den Tunnelvortrieb in Lockergesteinen beeinflussen, sowie um den Entwurf neuartiger verformungstoleranter Tunnelausbauten. Durch interdisziplinäre Forschung in den Bereichen Materialwissenschaften und Geophysik wurden wesentliche Erkenntnisse über den Verschleiß von Vortriebswerkzeugen und die Effzienz des Vortriebs in solch schwierigen geologischen Verhältnissen gewonnen. Die im SFB 837 entwickelten Simulations- und Risikomodelle für die Gesteinsabbau-, Maschinenvortriebs- und Logistikprozesse ermöglichen verbesserte, umweltfreundlichere und risikoärmere Planungs- und Bauprozesse. Diese Modelle wurden erweitert, um Echtzeitprognosen zu ermöglichen und eine Plattform für die interaktive digitale Planung von städtischen Tunnelbauprojekten zu schaffen. Damit will der SFB 837 neue Perspektiven für innovative partizipative Planungsinstrumente im Tunnelbau schaffen. Darüber hinaus hat der SFB 837 mit der Entwicklung von ständig aktualisierten Echtzeitmodellen einen wichtigen Schritt zur computergestützten Steuerung des maschinellen Tunnelvortriebs getan.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Hybrid ground data model for interacting simulations in mechanized tunneling. In: Journal of computing in civil engineering 27, Nr. 6, S. 708–718.
  Hegemann, F.; Manickam; P.; Lehner, K.; Koch, C. & König, M.
  
• Influencing parameters of the grout mix on the properties of annular gap grouts in mechanized tunneling. Tunnelling and Underground Space Technology, 43(2014, 7), 290-299.
  Youn, Bou-Young & Breitenbücher, Rolf
  
• A probabilistic analysis of subsoil parameters uncertainty impacts on tunnel-induced ground movements with a back-analysis study. Computers and Geotechnics, 68(2015, 7), 38-53.
  Miro, S.; König, M.; Hartmann, D. & Schanz, T.
  
• Application ranges of EPB shields in coarse ground based on laboratory research. Tunnelling and Underground Space Technology, 50(2015, 8), 296-304.
  Budach, Christoph & Thewes, Markus
  
• Model update and real-time steering of tunnel boring machines using simulation-based meta models. Tunnelling and Underground Space Technology, 45(2015, 1), 138-152.
  Ninić, Jelena & Meschke, Günther
  
• Advanced finite element modeling of excavation and advancement processes in mechanized tunneling. Advances in Engineering Software, 100(2016, 10), 198-214.
  Alsahly, Abdullah; Stascheit, Janosch & Meschke, Günther
  
• Multilevel computational model for failure analysis of steel-fiber-reinforced concrete structures. In: Journal of Engineering Mechanics 142 (2016), Nr. 11, S. 04016090.
  Zhan, Y.;& Meschke, G.
  
• Radar interferometry based settlement monitoring in tunnelling: Visualisation and accuracy analyses. In: Visualization in Engineering 4 (2016), S. 1–16.
  Schindler, S.; Hegemann; F.; Koch, C.; König, M. & Mark, P.
  
• Simulation-based analysis of integrated production and jobsite logistics in mechanized tunneling. In: Journal of Computing in Civil Engineering 30 (2016), Nr. 5, S. 4016002.
  Scheffer, M.; Rahm, T.; König, M. & Thewes, M.
  
• A tunnel information modelling framework to support management, simulations and visualisations in mechanised tunnelling projects. Automation in Construction, 83(2017, 11), 78-90.
  Koch, Christian; Vonthron, Andre & König, Markus
  
• Assessing maintenance strategies for cutting tool replacements in mechanized tunneling using process simulation. In: Journal of Simulation 11 , Nr. 1, S. 51–61.
  Conrads, A.; Scheffer, M.; Mattern, H.; König, M. & Thewes, M.
  
• Excavation tool concepts for TBMs – Understanding the material-dependent response to abrasive wear. Tunnelling and Underground Space Technology, 68(2017, 9), 22-31.
  Küpferle, Jakob; Röttger, Arne & Theisen, Werner
  
• Fatigue and surface spalling of cemented carbides under cyclic impact loading – Evaluation of the mechanical properties with respect to microstructural processes. Wear, 390-391(2017, 11), 33-40.
  Küpferle, Jakob; Röttger, Arne & Theisen, Werner
  
• Adaptive constitutive soil modeling concept in mechanized tunneling simulation. In: International Journal of Geomechanics 18 (2018), Nr. 9, S. 04018114.
  Lavasan, A. A.; Zhao, C. & Schanz, T.
  
• Full Waveform Inversion for Advance Exploration of Ground Properties in Mechanized Tunneling. In: International Journal of Civil Engineering, S. 1–14.
  Lamert, A. & Friederich, W.
  
• Numerical investigation of tunneling in saturated soil: the role of construction and operation periods. In: Acta Geotechnica 13, S. 671–691.
  Lavasan, A. A.; Zhao, C.; Barciaga, T.; Schaufler; A.; Steeb, H. & Schanz, T.
  
• Optimal measurement design for parameter identification in mechanized tunneling. Underground Space, 3(1), 34-44.
  Hölter, Raoul; Zhao, Chenyang; Mahmoudi, Elham; Lavasan, Arash Alimardani; Datcheva, Maria; König, Markus & Schanz, Tom
  
• A concept for the estimation of soil-tool abrasive wear using ASTM-G65 test data. In: International Journal of Civil Engineering 17, S. 103–111.
  Hoormazdi, G.; Küpferle; J.; Röttger, A.; Theisen, W. & Hackl, K.
  
• Aufnehmbare Teilflächenspannung von hochfestem Stahlfaserbeton. In: Beton- und Stahlbetonbau 114 (2019), Nr. 9, S. 653–662.
  Plückelmann, S.; Breitenbücher; R.; Smarslik, M.; Mark, P.
  
• Development of a test setup for the simulation of the annular gap grouting on a semi technical scale. In: Tunnels and Underground Cities: Engineering and Innovation meet Archaeology, Architecture and Art. CRC Press, 2019. – ISBN 9780429424441, S. 3070–3077
  Schulte-Schrepping, C. & Breitenbücher, R.
  
• Hybrid reinforcement design of longitudinal joints for segmental concrete linings. Structural Concrete, 20(6), 1926-1940.
  Smarslik, Mario & Mark, Peter
  
• Analytische und simulationsbasierte Planungsgrundsätze im mechanisierten Tunnelbau. In: Bauingenieur 95, Nr. 6.
  Duhme, R.; Thewes & M. & König, M.
  
• Cementitious Composites with High Compaction Potential: Modeling and Calibration. Materials, 13(21), 4989.
  Vu, Giao; Iskhakov, Tagir; Timothy, Jithender; Schulte-Schrepping, Christoph; Breitenbücher, Rolf & Meschke, Günther
  
• Influence of muck properties and chamber design on pressure distribution in EPB pressure chambers – Insights from computational flow simulations. Tunnelling and Underground Space Technology, 99(2020, 5), 103333.
  Dang, Thai Son & Meschke, Günther
  
• Metamodel-Based Prediction of Structural Damages due to Tunneling-Induced Settlements. ASCE-ASME Journal of Risk and Uncertainty in Engineering Systems, Part A: Civil Engineering, 6(4).
  Obel, Markus; Ahrens, Mark Alexander & Mark, Peter
  
• Acoustic waveform inversion in frequency domain: Application to a tunnel environment. Underground Space, 6(5), 560-576.
  Riedel, Christopher; Musayev, Khayal; Baitsch, Matthias; Zhu, Hehua & Hackl, Klaus
  
• Investigations on the transient support pressure transfer at the tunnel face during slurry shield drive Part 2: Case B – Deep slurry penetration exceeds tool cutting depth. Tunnelling and Underground Space Technology, 118(2021, 12), 104169.
  Zizka, Zdenek; Schoesser, Britta & Thewes, Markus
  
• Investigations on transient support pressure transfer at the tunnel face during slurry shield drive part 1: Case A – Tool cutting depth exceeds shallow slurry penetration depth. Tunnelling and Underground Space Technology, 118(2021, 12), 104168.
  Zizka, Zdenek; Schoesser, Britta & Thewes, Markus
  
• Peridynamic analysis of dynamic fracture: influence of peridynamic horizon, dimensionality and specimen size. In: Computational Mechanics 67 (2021), S. 1719–1745.
  Butt, S. N. & Meschke, G.
  
• Residual water content of excavated soil in EPB tunnelling. Tunnelling and Underground Space Technology, 114(2021, 8), 103991.
  Galli, Mario; Thewes, Markus; Freimann, Sascha & Schröer, Marius
  
• A hybrid exploration approach for the prediction of geological changes ahead of mechanized tunnel excavation. Journal of Applied Geophysics, 203(2022, 8), 104684.
  Riedel, Christopher; Mahmoudi, Elham; Trapp, Maximilian; Lamert, Andre; Hölter, Raoul; Zhao, Chenyang; Musayev, Khayal; Baitsch, Matthias; König, Markus; Hackl, Klaus; Nestorović, Tamara & Friederich, Wolfgang
  
• A restricted additive Vanka smoother for geometric multigrid. Journal of Computational Physics, 459(2022, 6), 111123.
  Saberi, S.; Meschke, G. & Vogel, A.
  
• An approach for cross-data querying and spatial reasoning of tunnel alignments. Advanced Engineering Informatics, 54(2022, 10), 101728.
  Stepien, Marcel; Jodehl, Annika; Vonthron, André; König, Markus & Thewes, Markus
  
• Non-gradient full waveform inversion approaches for exploration during mechanized tunneling applied to surrogate laboratory measurements. Tunnelling and Underground Space Technology, 120(2022, 2), 104252.
  Trapp, Maximilian & Nestorović, Tamara
  
• Normal indentation of rock specimens with a blunt tool: role of specimen size and indenter geometry. In: Rock Mechanics and Rock Engineering 55 (2022), Nr. 4, S. 2027–2047.
  Yang, H.; Renner, J.; Brackmann, L. & Röttger, A.
  
• Real-Time Risk Assessment of Tunneling-Induced Building Damage Considering Polymorphic Uncertainty. ASCE-ASME Journal of Risk and Uncertainty in Engineering Systems, Part A: Civil Engineering, 8(1).
  Cao, Ba Trung; Obel, Markus; Freitag, Steffen; Heußner, Lukas; Meschke, Günther & Mark, Peter
  
• Reliability based optimization of steel-fibre segmental tunnel linings subjected to thrust jack loadings. Engineering Structures, 254(2022, 3), 113752.
  Neu, Gerrit E.; Edler, Philipp; Freitag, Steffen; Gudžulić, Vladislav & Meschke, Günther
  
• Simulation of crack propagation through voxel-based, heterogeneous structures based on eigenerosion and finite cells. In: Computational Mechanics 70 (2022), Nr. 2, S. 385–406.
  Wingender, D. & Balzani, D.
  
• Stress evolution around a TBM tunnel in swelling clay shale over four years after excavation. Tunnelling and Underground Space Technology, 128(2022, 10), 104649.
  Ziegler, Martin; Alimardani Lavasan, Arash & Loew, Simon
  
• Material reduced tunnel lining segments for moderately swelling soils. Structural Concrete, 24(4), 5150-5166.
  Petraroia, Diego N.; Medeghini, Filippo; Plückelmann, Sven; Mark, Peter & Breitenbücher, Rolf