Vor-Ort-Belastungsprüfung der Auskleidungssegmente für den U-Bahn-Tunnel in Barcelona

In Barcelona wird derzeit die als Tunnel auf 2 Ebenen geplante neue U-Bahn-Linie L9 gebaut. Im Dezember 2005 erfolgten dazu Belastungsprüfungen an den Auskleidungssegmenten in einem Erprobungsabschnitt im Maßstab 1:1

Einleitung

In Barcelona wird derzeit die als Tunnel auf 2 Ebenen geplante neue U-Bahn-Linie L9 gebaut. Im Dezember 2005 erfolgten dazu Belastungsprüfungen an den Auskleidungssegmenten in einem Erprobungsabschnitt im Maßstab 1:1. Die Auskleidungssegmente wurden aus stahlfaserverstärktem Beton SFRC (Steel Fiber Reinforced Concrete) ohne Bewehrungsstäbe gefertigt. Das Hauptziel der eigens für diese Untersuchung konzipierten Belastungsprüfung bestand darin, einen experimentellen Nachweis für das Verhalten der mit SFRC und ohne jede herkömmliche Verstärkung ausgeführten Tunnelauskleidungselemente unter konzentriertem Erddruck zu erhalten. Zur Messung der Belastung wurden dabei Druckaufnehmer von HBM eingesetzt.

 

Das Projekt L9 umfasst einen Tunnel von ungefähr 40 km Länge, der mit einer Tunnelbohrmaschine mit einem Durchmesser von 12 m gegraben wird. Die Röhre setzt sich aus 7 + 1 Segmenten mit einer Breite von jeweils 1,8 m und einer Dicke von 0,35 m zusammen (Abb. 1). Der Einsatz von SFRC in Fertigbetonteilen ist zwar keineswegs üblich, aber er erhöht die Zähigkeit der Segmente und verringert damit die Gefahr von Schäden beim Entformen, beim Transport, beim Anheben und beim Einbau. In diesem Fall wurde der Bewehrungskorb vollständig durch 60 kg/m3 Stahlfasern ersetzt. Experimente an Auskleidungssegmenten im 1:1- Maßstab unter Laborbedingungen wurden bereits in den Niederlanden und in Deutschland durchgeführt. Belastungsprüfungen unter realen Baubedingungen vor Ort haben dagegen bisher noch nicht stattgefunden.

 

Versuchskonzept und Messaufbau

Das Ziel der Belastungsprüfung bestand darin, das Verhalten der SFRC-Tunnelauskleidungssegmente besser zu verstehen. Dabei ist eine Prüfung vor Ort sinnvoll, weil dadurch auch bewertet werden kann, welchen Anteil die angrenzenden Ringe am Verhalten des untersuchten Segmentes besitzen.

 

 

Abb. 1: Querschnitt der Auskleidung für die U-Bahn-Linie L9 (Abschnitt 4a)

 

Es wird angenommen, dass dies im Wesentlichen von der verbleibenden Druckbeanspruchung in Längsrichtung zwischen den Ringen aufgrund des Axialdrucks der Tunnelbohrmaschine abhängt. Darüber hinaus sind die Ergebnisse sehr wertvoll für die Überprüfung der Lastannahmen und Berechnungsverfahren, die für die statische Berechnung der Auskleidungssegmente verwendet wurden. Ebenso dienen sie zur Beurteilung der Eignung des stahlfaserverstärkten Betons SFRC für den Bau der Segmente.

 

Das Versuchskonzept sieht vor, die Belastung durch drei Hydraulik-Flachpressen aufzubringen, die in die äußere Gewölbefläche von zwei Segmenten eines Rings eingebettet wurden. Diese Flachpressen wurden entsprechend Abbildung 2 so angeordnet, dass sie einen Kreisausschnitt von 48° in einer vertikal symmetrischen Anordnung am oberen Ende der Wölbung umspannen.

 

Abb. 2: Position des Segments K im Ring, vorgesehene Belastungsrichtungen der Hydraulik-Flachpressen

 

In Abbildung 3 sind die Position der Aussparungen und der Einbau der Flachpressen dargestellt.

Die Entscheidung für eine Prüfung vor Ort fiel aus technischen und wirtschaftlichen Gründen.

 

Abb. 3: Position und Einbau der Hydraulik-Flachpressen

 

Die technischen Vorteile sind:

1. Die Reaktion der Betonkonstruktion wird unter den tatsächlich vor Ort herrschenden Bedingungen ermittelt.
2. Der Beitrag aller Elemente geht in die Untersuchung ein, woraus folgt, dass sowohl die tangentiale Komponente des Kontakts zwischen der Auskleidung und dem Erdboden als auch die radiale Komponente berücksichtigt wird.
3. Die Vorspannung in Längsrichtung zwischen den Ringen und ihre Entspannung erfolgt unter realen Bedingungen.
4. Der Spannungs-Dehnungs-Zustand vor der Prüfung entspricht dem „Normalzustand“ im Tunnel, nachdem die Auskleidung in üblicher Weise eingebaut wurde.

 

Die wirtschaftlichen Vorteile einer Prüfung vor Ort sind:

1. Es wird keine spezielle viel Raum beanspruchende und teure Laborausrüstung benötigt.
2. Die vor Ort verwendeten Messgeräte können auch für andere Zwecke genutzt werden, da mit ihnen während und auch nach der Prüfung gemessen werden kann.

 

Die Prüfung der Auskleidung vor Ort besitzt in einigen Bereichen auch Nachteile:

1. Es gibt Schwierigkeiten bei der Interpretation der Ergebnisse aufgrund naturgegebener Unsicherheiten im mechanischen Verhalten des Geländes und des Einpressmörtels.
2. Die Messungen erfolgen bei vordefinierten Lastangriffsstellen, da es nicht möglich ist die Position der Spannpressen nachträglich zu verändern.
3. Die Belastungen müssen unter der Bruchlast liegen, um größere Schäden an der Auskleidung zu vermeiden.
4. Der Prüfablauf muss mit den Produktionsbedingungen koordiniert werden.

 

Der in das Experiment einbezogene Abschnitt umfasste 16 SFRC-Ringe (ohne Bewehrungsstäbe), von denen fünf an den Fugen mit eingebetteten Dehnungsmessstreifen (DMS), Druckaufnehmern und Wegaufnehmern ausgestattet waren. Insgesamt wurden zur Überwachung der Prüfung 150 DMS und 18 Druckaufnehmer in diese Ringe eingebettet. Zusätzlich wurden sieben Aufnehmer für die vertikalen Bewegungen (Abbildung 4) und 52 weitere Wegaufnehmer angebracht, um die tangentialen und vertikalen Bewegungen in den Fugen zwischen den Segmenten zu messen. Das sind vier 2D-Wegaufnehmer in den Fugen zwischen den Ringen (Abbildung 5) und 44 Wegaufnehmer zur Messung der tangentialen Bewegungen in den Fugen zwischen den Segmenten eines Rings. Alle Sensoren wurden vor Beginn der Prüfungen mit außen liegenden Messgeräte verbunden.

 

Abb. 4: Messung der Verformung durch Wegaufnehmer

 

Abb. 5: 2D-Wegaufnehmer (radial und längs) am Scheitelpunkt des Gewölbes zwischen zwei Ringen

 

Hydraulikanlage und Druckaufnehmer

Die drei eingebetteten Flachpressen wurden einzeln über drei handbetätigte Ventile gesteuert, deren alleiniger Zweck darin bestand, die Ölzufuhr zur Presse zu ermöglichen oder zu unterbrechen. Der Druck im Leitungssystem wurde über eine für 900 bar ausgelegte elektrische Ölpumpe erzeugt und geregelt, wobei die Drücke unter Einsatz der Druckaufnehmer vom Typs P2VA1/200 (HBM), die eine sehr hohe Messempfindlichkeit besitzen, gemessen und von einer Datenerfassungseinheit aufgezeichnet werden (Abbildung 6); 1 bar in der Presse entspricht einer Kraft von 10 kN. Die technischen Daten der Druckaufnehmer sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

 

Hersteller	HBM
Modell	P2VA1
Arbeitsbereich	bis 200 bar
Druckart	Absolutdruck
Genauigkeitsklasse	0,2%
Wiederholbarkeit	< ± 0,05%

 

Tab. 1: Technische Daten der verwendeten Druckaufnehmer

 

Aufgrund der Tatsache, dass die Belastung rein statisch und die Wahrscheinlichkeit des Versagens der Konstruktion sehr gering ist, war keine Datenerfassungsanlage mit einer hohen Abtastrate erforderlich. Vielmehr konnte ein mit Multiplextechnik arbeitendes Datenerfassungssystem (Daten-Logger) mit einer Auflösung von 6 1/2 Stellen und einer maximalen Abtastgeschwindigkeit von 60 Kanälen / Sekunde verwendet werden. Die Datenerfassung erfolgte mit einer Frequenz von einem Messwert alle zwei Sekunden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Druckaufnehmer sehr zuverlässig arbeiten. In Abbildung 6 sind die Ölpumpe, die Ventile und der Druckaufnehmer und in Abbildung 7 die Anordnung des Hydraulikkreises dargestellt.

 

Abb. 6: Ölpumpe, Ventile und Druckaufnehmer

 

Abb. 7: Schematische Darstellung des Hydraulikkreises

 

Belastungsvorgang

Der Belastungsvorgang umfasste drei Phasen und ist in Abbildung 8 dargestellt. In Phase 0 wurde zunächst eine Belastung von 100 kN pro Presse aufgebracht und fast achtzehn Stunden lang aufrechterhalten. Diese Vorbereitungsphase lieferte Informationen über die Entspannung des Drucks der Pressen und den Zustand des Gesamtsystems. In Phase 1 wurde eine Belastung von 500 kN pro Presse aufgebracht. Zu Beginn dieser Phase versagte die Presse Nr. 3. In Phase 2 wurde eine Belastung von 1500 kN durch die Pressen 1 und 2 aufgebracht, und zwar sowohl gleichzeitig als auch getrennt.

 

Abb. 8: Kraft-Zeit-Verlauf während der Prüfung

 

Messergebnisse

In Tabelle 2 ist zunächst die vertikale Durchbiegung am Scheitelpunkt des Gewölbes für unterschiedliche Belastungskombinationen angegeben. Die maximale vertikale Durchbiegung von 3,1 mm wird in Phase 2 bei einer Belastung mit der Presse 2 von 1500 kN erreicht. Die nach dem gesamten Belastungsprozess verbleibende vertikale Durchbiegung beträgt 1,2 mm (38 % der Durchbiegung bei Belastung).

 

Phase	Belastung [kN]	Vertikale Durchbiegung [mm]	Verbleibende vertikale Durchbiegung [mm]
1	500 (P1+P2)	0,531	0,231
	500 (P1)	0,222	0,222
	500 (P2)	0,543	0,246
2	1500 (P1+P2)	2,627	0,840
	1500 (P1)	0,585	0,198
	1500 (P2)	3,076	1,220

 

Tab. 2: Maximale und verbleibende vertikale Durchbiegung am Scheitelpunkt

 

Weitere Ergebnisse sind in den folgenden Diagrammen dargestellt, bei denen der Druck und die Verformungswege auf den y-Achsen über der Zeit auf der x-Achse dargestellt sind. Abbildung 9 stellt die Verläufe des Drucks und der radialen Verschiebungen zwischen den Ringen am Scheitelpunkt des Gewölbes in Phase 2 dar, als beide Pressen die Auskleidung so lange belasteten, bis bei jeder 1500 kN erreicht waren. Das ist die maximale Belastung, die während der Prüfung aufgebracht wurde. Die radialen Verschiebungen sind auf beiden Seiten des belasteten Rings (1838) nicht symmetrisch. Zwischen den anderen Ringen sind sie, wie in Abbildung 9 auch ersichtlich ist, praktisch nicht wahrnehmbar.

 

 

Abb. 9: Druck und Verschiebungen in radialer Richtung zwischen Ringen am Scheitelpunkt des Tunnels (Belastungsphase 2)

 

Abbildung 10 stellt den Druck und die relative vertikalen Verschiebungen zwischen den Ringen am Scheitelpunkt ebenfalls im Verlauf von Phase 2 dar. Die beiden Pressen bringen auch hier die maximale Belastung auf. Auch in diesem Fall sind die Umfangsverschiebungen an der Längsfuge zwischen den Segmenten A2 und A3 nicht symmetrisch. Diese fehlende Symmetrie kann auf die exzentrische Position der Pressen während des Baus der Segmente zurückgeführt werden.

 

Abb. 10: Druck und Verschiebungen in Umfangsrichtung an der Längsfuge zwischen den Segmenten A2 und A3

 

Abb. 11: Rissmuster auf der abgewickelten Gewölbeinnenfläche nach der Beendigung von Phase 2

 

Der erste Riss trat in der Nähe des Scheitelpunktes des Gewölbes im Segment A2 bei einer Belastung zwischen 400 und 500 kN auf, die gleichzeitig durch die beiden Pressen 1 und 2 im Verlauf von Phase 1 aufgebracht wurden. Das Rissmuster bei 1500 kN pro Presse ist in Abbildung 11 dargestellt. Man kann feststellen, dass die Hauptrisse parallel zur Längsachse des Tunnels verlaufen. Dies und die Tatsache, dass sich die angrenzenden Ringe fast nicht bewegt haben, kann so gedeutet werden, dass der belastete Ring den größten Teil der Belastung aufgenommen hat. Abbildung 12 zeigt die Risse an der Gewölbeinnenseite nach Phase 2. Durch diese Risse sickerte Wasser hindurch. Diese Undichtigkeit war erwartet worden, weil der Grundwasserspiegel zehn Meter über dem Gipfelpunkt des Tunnels liegt.

 

Abb. 12: Risse nach Phase 2

 

Schlussbemerkungen

An der Auskleidung der im Bau befindlichen U-Bahn-Linie L9 in Barcelona wurde vor Ort eine Belastungsprüfung durchgeführt. Das Hauptziel der Prüfung bestand darin, einen experimentellen Nachweis für die Tragfähigkeit der SFRC-Segmente unter Betriebsbedingungen zu liefern. Die aufgebrachten Belastungen waren groß genug, um signifikante Rissbildungen in den Segmenten sowie Bewegungen zu erzeugen. An der Auskleidung wurden durch Kombination unterschiedlicher Drücke an den eingesetzten Flachpressen sechs verschiedene Belastungsvarianten realisiert. Die maximale Belastung der Außenfläche des Rings betrug dabei 3000 kN.

 

Aus den experimentellen Untersuchungen ergeben sich folgende Schlussfolgerungen:

• An der Gesamtreaktion des belasteten Rings sind die angrenzenden Ringe nur geringfügig beteiligt. Eindeutig wurden Verschiebungen zwischen den belasteten Segmenten und den angrenzenden Ringen beobachtet.
• Der von den Belastungen betroffene Bereich blieb auf die obere Hälfte des belasteten Rings begrenzt. Die im unteren Teil des belasteten Rings installierten Aufnehmer (sowohl innen als auch außen) zeigten bei der Belastung kaum Veränderungen an.
• Die Verformung der belasteten Ringe kann hauptsächlich auf eine Rotation an den Längsfugen zwischen den Segmenten zurückgeführt werden.
• Die während der Planungsphase durchgeführten nichtlinearen 2D-Analysen ergaben für einen einzelnen Ring Deformationen, die mit den gemessenen Werten durchaus vergleichbar sind. Um die Ergebnisse besser interpretieren zu können werden weitere Analysen durchgeführt.

 

Danksagung

Die Verfasser danken dem für die Planung und den Bau der U-Bahn-Linie L9 in Barcelona zuständigen öffentlichen Unternehmen Gestió d’Infraestructures, S.A. (GISA) für die Finanzierung dieser Forschungsarbeiten, die im Fachbereich für Bauingenieurwesen der Technischen Universität von Katalonien UPC durchgeführt wurden. Die Verfasser danken weiterhin allen Mitarbeitern von UTE L9, Payma Cotas und der UPC, die daran beteiligt waren. Dank gilt insbesondere den Mitarbeitern des Labors für Baustatik, Herrn Carlos Hurtado und Herrn Jordi Lafuente sowie Frau Roser Valls, Frau Marta de la Torre und Frau Gemma Viladomat.

 

Literatur

[1] Molins, C.: Investigación teórica y experimental del revestimiento de túneles a base de anillos de dovelas prefabricadas: diseño de un ensayo in situ del revestimiento del túnel de la L9 del Metro de Barcelona. Sèrie Investigació: 706-I01-05. Departamento de Ingeniería de la Construcción, Universitat Politècnica de Catalunya. Barcelona 2005

 

[2] Molins, C., Marí, A. R., Aguado, A., P: Proyecto de prueba de carga del revestimiento del túnel a base de dovelas prefabricadas de la L9 del Metro de Barcelona. Procedings of the III ACHE - Congreso de Puentes y Estructuras de Edificación de la Asociación, 14. bis 17. November 2005, 893-905, Zaragoza, Spanien