Beim Bau von unterirdischen Hohlräumen, Kavernen und Tunnels ist dafür Sorge zu tragen, daß das Bauwerk nicht einstürzt. <BR> <BR> <BR> <BR> <P>Insbesondere in losen Böden werden deshalb Sicherungen einge- bracht, die dauerhaft das Einstürzen verhindern. Anhand der beiliegenden Figuren werden Überlegungen hierzu erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Boden, in dem zukünftig ein Tunnel (gestrichelt angedeutet durch 104) gebaut werden soll. 101 ist die Geländeoberfläche, 102 ein ebener Geländeteil, 103 ein bergiger. Die x-und y-Ko- ordinaten sind so gewahlt, daß sie horizontal quer zur Tur.- nellängsrichtung bzw. vertikal verlaufen. Durch Pfeile 105 sind Spannungen bzw. Kräfte angedeutet, wie sie sich unter der Geländeoberfläche 101 ergeben können. Bei 101 sind sie Null. In die Tiefe (negative y-Richtung) nehmen sie zu und können auch in ihrer Richtung abhängig von Geländeformatio- nen, Gesteinsformationen und ähnlichem unterschiedlich ver- laufen.

Fig. 2 zeigt Verhältnisse, wie sie sich stationär einstellen, wenn ein Tunnel 200 gebaut ist. In der Regel ist eine Siche- rung 201 vorhanden, beispielsweise aus Beton. Bei tief im Un- tergrund liegenden Hohlräumen bzw. Tunnels 200 wird die Si- <BR> <BR> <BR> cherung 201 in der Regel nicht kräftig genug sein, um die über ihr liegende Last vollständig aufzunehmen. Vielmehr hat sie die Funktion, insoweit gegen das nachdrängende Material gegenzuhalten, daß sich dort Gewölbe 204 (nicht physisch vor- handen, sondern lediglich schematisch angedeutet) ausbilden, die ihrerseits die darüber lastenden Kräfte außen um den Tun- nel 200 herum leiten. Demnach ergibt sich durch den Tunnelbau eine Veränderung des ursprünglich vorhandenen Spannungszu- stands dergestalt, daß Spannungen, die ursprünglich im Be- reich des jetzt vorhandenen Tunnels weitergeleitet wurden, insbesondere in der Nähe 202 des Tunnels, an diesem vorbeige- leitet werden. Die Sicherung 201 hält selbst einen Teil der Last, hat aber auch die Funktion, die Stützkräfte des umge- benden Materials zu aktivieren, so daß sich (fiktive) Gewölbe 204 ausbilden, die die Kräfte bzw. Spannungen umleiten.

203 in Fig. 2 bezeichnet einen Pfeil in radialer Richtung. Es wird in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, daß nicht notwendigerweise Kavernen bzw. Tunnel mit kreisförmigem Quer- schnitt betrachtet werden. Die Querschnitt können auch anders sein, beispielsweise oval, eiförmig, eckig oder ähnliches.

Ähnliche Überlegungen wie in der x-y-Ebene gelten in der y-z- Ebene, wobei z in Vortriebsrichtung des Tunnels liegt. Dies ist in Fig. 3 gezeigt. 200 ist der schon gebaute Tunnel, 201 die Sicherung, beispielsweise die umlaufende Betonschicht, 301 bezeichnet mechanische Stützen, die eine möglicherweise noch nicht ausgehärtete Sicherung 201 unter stützen. 300 ist die Ortsbrust, von der ausgehend der Tunnel in Vortriebsrich- tung z geführt wird. Auch hier stellen sich Gewölbebildungen 302 und 303 ein, die insbesondere den Bau an der Ortsbrust 300 begünstigen, da die (virtuellen) Gewölbe 302,303 insbe- sondere den Bereich an der Ortsbrust von der darüber lagern- den Last freihalten. Die Gewölbe 302,303 finden ihre "Auflager"im ungestörten Boden (rechts) bzw. bei junger Si- cherung in den Stützen 301 (302 links) oder in der ausgehär- teten Sicherung (303 links). Insbesondere im Zusammenwirken der Mechanismen, wie sie in den Figuren 2 und 3 dargestellt sind, ergeben sich dadurch dreidimensionale"Gewölbe", über die Lasten seitlich am Tunnel bzw. an der Sicherung 201 vor- beigeführt werden. Solche"Gewölbe"204,302,303 stellen sich schon bei geringen Verformungen bzw. Dehnungen aufgrund der Bautätigkeit ein. Gleiche Überlegungen gelten für (nicht dargestellte) Gewölbebildungen zum Auffangen (nicht darge- stellter) horizontaler Lasten.

Sowohl hinsichtlich der Gewölbe 204 in Fig. 2 und 302,303 in Fig. 3 ist anzumerken, daß diese kaum vorhergesagt werden können. Der umgebende Boden 202 ist nicht homogen, sondern häufig im Gegenteil stark inhomogen, beispielsweise von Zer- klüftungen und Verwerfungen durchzogen, so daß sich ortsab- hangig deutliche unterschiedliche Gewölbebildungen ergeben können.

Fig. 4 zeigt allgemein eine Materialkennlinie, wie sie der Boden, in dem der Tunnel zu bauen ist, idealisiert aufweisen kann. Dargestellt ist die aufnehmbare Spannung S an der Ordi- nate 402 über der erfolgten Dehnung e auf der Abszisse 401.

Das Material weist ausgehend vom ungestörten Zustand (e = 0) zunächst einen elastischen Bereich 411 auf, in dem mit zuneh- mender Dehnung e (bei Druckbelastung : Stauchung) auch die durch das Material übertragene Spannung S größer wird. In der Regel liegt dieser Bereich in einer Größenordnung von e < 1 %. Bei stärkeren Dehnungen/Stauchungen e schließt sich ein plastischer Bereich 412 an. Hier bleibt die übertragene Span- nung in etwa konstant. Das Material beginnt plastisch auszu- weichen, es fließt. Der Prozeß ist in der Regel irreversibel.

Wenn die Dehnung e noch weiter zunimmt, schließt sich der Versagensbereich 413 an, in dem das Material spröde bricht.

Es wird rollig und kann nur noch eine geringe Spannung S übertragen. Die Kennlinie der Fig. 4 gilt prinzipiell in ähn- licher Weise für alle spröden Materialien, insbesondere Ge- steine, Böden oder auch Baumaterialien wie Beton. Die absolu- ten Werte können sich natürlich unterscheiden.

Fig. 5 zeigt Spannungsverläufe, wie sie sich ausgehend von einem Tunnel 200 ergeben können. Dargestellt sind tangentiale Komponenten (504,505, also vertikal in Fig. 2) und radiale Komponenten (503, also horizontal in Fig. 2) im Boden über dem Abstand x von der Tunnelwand. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß die Richtung"tangential"und "radial"von der Position am Tunnelumfang abhängen. An der gezeigten 3-Uhr-Position ist tangential vertikal und radial horizontal, während an einer 12-Uhr-Position tangential hori- zontal und radial vertikal wäre. Die radiale Spannungskompo- nente an der Tunnelwand (503 ganz links) ist Null, wenn kein Ausbauwiderstand vorhanden ist und entspricht ansonsten dem Ausbauwiderstand. Sie strebt ausgehend von diesem Wert in Richtung weg vom Tunnel dem stationären, ungestörten Zustand zu. 505 zeigt den Fall, daß die sich einstellenden Spannungs- verteilungen so sind, daß der Boden nur im elastischen Be- reich (Bereich 411) in Fig. 4 belastet wird. Die tangentiale Spannung hat dann an der Tunnelwand ihren Höchstwert (da durch diesen Bereich die unmittelbar über dem Tunnel liegen- den Lasten hindurchgeleitet werden). Ausgehend vom Höchstwert sinkt die tangentiale Komponente mit zunehmenden Abstand x vom Tunnel 200 auf den stationären, ungestörten Zustand. 504 zeigt den Verlauf für den Fall, daß die Bodenbelastung so hoch ist, daß der plastische Bereich 412 des Materials in An- spruch genommen wird. Es versagt hier noch nicht. Im anstei- genden Bereich 504b kann ein noch plastischer Materialbereich (aufgrund der durch das Material geleiteten tangentialen Spannung) angenommen werden, während im Bereich 504a der ela- stische Bereich vorliegt. In Fällen, in denen das den Tunnel umgebende Material 202 im Bereich 413 (rolliges Material) be- lastet würde, würden ohne Ausbauwiderstand Ausbrüche und Ein- stürze erfolgen.

In Fig. 6 zeigt Kurve 601 eine Gebirgskennlinie. Dargestellt ist der notwendige Ausbauwiderstand SA über der Dehnung e.

Der Ausbauwiderstand ist diejenige Spannung bzw. Kraft, die von einer während des Baus eingebrachten Sicherung übernommen werden muß, um den einmal gegrabenen Tunnel bei der angegebe- nen Dehnung e dauerhaft zu halten. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß die Dehnung e im Tunnelbau letztendlich eine Durchmesserverengung des gegrabenen Tunnels bedeutet. Eine große Dehnung würde einem vergleichsweise klein gewordenen Tunneldurchmesser entsprechen.

Die Dehnung Null entspricht dem ungestörten Zustand, dem sog.

Primärspannungszustand S0, wie er beispielsweise in Fig. 1 bei 104 oder in Fig. 5 bei großen x-Werten anzutreffen wäre.

Praktisch wird dieser Fall nicht angetroffen werden können, da man ausgehend von der Ortsbrust 300 in Fig. 3 nur in Be- reich vorstoßen kann, die schon durch die früheren Aktivitä- ten Veränderungen (z. B. Gewölbebildung 302,303) erfahren ha- ben. Dies entspricht dem Bereich 304 in Fig. 3 in Vortriebs- richtung vor der Ortsbrust 300. Schon hier hat eine geringe Verformung, die sog. Vorverformung, stattgefunden. In Fig. 6 ist sie durch ev auf der Ordinate dargestellt. Will man (theoretisch) diesen Dehnungszustand dauerhaft halten, wäre ein Ausbauwiderstand SA notwendig, der im Vergleich zum Pri- märspannungszustand SO schon leicht abgenommen hat, die Dif- ferenz wurde durch eine Spannungsumlagerung (z. B. virtuelle Gewölbe 204,302,303) übernommen. Bei zunehmender Dehnung e sinkt zunächst der Ausbauwiderstand SA stetig, da ein zuneh- mender Anteil der Last durch diese Spannungsumlagerung über- nommen wird. Wenn jedoch eine weitere Dehnung erfolgt, kann der Fall auftreten, daß man in den plastischen Bereich 412 des Materials 202 um den Tunnel herum gelangt. Dann können insoweit keine weiteren Kräfte mehr aufgenommen werden, und die Kurve flacht sich ab. Übersteigen die Dehnungen die Ar- beitsfähigkeit des Gebirges, bricht es spröde. Das Verhalten ist analytisch nicht vorhersagbar.

Eine Gebirgskennlinie ist spezifisch für eine bestimmte Posi- tion z im Tunnel (und im übrigen auch für eine bestimmte Po- sition längs des Umfangs des Tunnels). Fig. 14 zeigt als dritte Achse die z-Achse (perspektivisch), so daß längs der z-Achse weitere, für die jeweilige z-Position geltende Ge- birgskenniinien angetragen werden können. Es ergibt sich dann eine Kurvenschar bzw. ein dreidimensionales Relief.

Zur Aktivierung der Haltekräfte des Gebirges wird die Siche- rung 201 eingebaut. Grundsätzlich ist es hier wünschenswert, zeit-, kosten-und materialsparend zu arbeiten. Diese bekann- te Forderung führt zu einer Konstruktion, bei der möglichst stark die Stützkräfte im umgebenden Material selbst genützt werden sollen, um eine dementsprechend schwächere Sicherung 201 einbauen zu können. Kurve 602 in Fig. 6 zeigt eine Kenn- linie ähnlich der aus Fig. 4. Sie stellt beispielhaft das Verhalten des Materials der Sicherung dar, wobei hier vom ausgehärteten Zustand ausgegangen wird. Die Kurve 602 ist in gewisser Weise gegenläufig zur Kurve 601, da bei stabilen Verhältnissen diejenigen Kräfte, die nicht vom umgebenden Ma- terial übernommen werden können (Kurve 601) von der Sicherung (Kurve 602) übernommen werden müssen. Die Kurve beginnt bei einer Dehnung des den Tunnel umgebenden Materials von etwa ev, weil zu einem früheren Zeitpunkt (noch kleinere Dehnung) das Material nicht zugänglich ist und demzufolge die Siche- rung nicht eingebaut werden kann. Im Punkt 603 schneiden sich die beiden Kurven. Hier würde sich bei den gezeigten Materi- alparametern ein stabiles Gleichgewicht einstellen.

Für die Konstruktion der Sicherung 201 ist es, solange Ober- flächensetzungen außer Betracht bleiben können, grundsätzlich wünschenswert, einen möglichst niedrigen Bereich der Gebirgs- kennlinie 601 zu treffen, beispielsweise etwa bei 605, da dann einerseits noch Reserven in der Tragfähigkeit des umge- benden Materials vorhanden sind (bis hinunter zum Punkt 606) und andererseits auch die Sicherung selbst noch Kraftreserven aufweist.

Das grundlegende Problem im Stand der Technik ist, daß die Gebirgskennlinie 601 bestenfalls qualitativ bekannt ist. Häu- fig können aber Primärspannungszustand SO und Gefälle der Kurve 601 nur geschätzt werden. Um ein Einstürzen des Tunnels zu vermeiden, muß deshalb von Worst-Case-Betrachtungen ausge- gangen werden, so daß häufig hohe Sicherheitsreserven ange- nommen und unnötig kräftige Sicherungen eingebaut werden.

Fig. 7 zeigt ein typisches zeitliches Abbindeverhalten von im Tunnelbau verwendetem Beton, wie er beispielsweise zum Bau der Sicherung verwendet werden kann. Dargestellt ist die auf- nehmbare Spannung SS über der Zeit t. Unmittelbar nach dem Einbau ist der Beton flüssig, erreicht aber bis zum Zeitpunkt tl eine Grundfestigkeit, die schon geeignet ist, gewisse Kräfte aufzunehmen, und die insbesondere dafür sorgt, daß der Beton am eingebauten Ort bleibt. Bei schnell härtenden Beto- nen liegt die Zeit tl im Bereich von Sekunden bis Minuten.

Nach dem Zeitpunkt tl schließt sich eine Rastzeit tl bis t2 an, in der die Spannungsfestigkeit mehr oder minder konstant bleibt. Es kann sich hierbei um Stunden handeln. Bis zum Zeitpunkt t3 erfolgt dann das vorläufig endgültige Aushärten.

Typische Werte für t3 seit dem Einbau sind 12 bis 24 Stunden.

Fig. 8 zeigt schematisch ein aus der DE 196 50 330.2 vom gleichen Anmelder bekanntes Tunnelbauverfahren, in dem die Erfindung angewendet werden kann. Ausgehend von der Ortsbrust 300 wird hier vorauseilend die Sicherung 201 hergestellt.

Hierzu ist eine Maschine 800 vorgesehen, die vorzugsweise ge- schlossen um den Tunnelumfang herum umläuft und in ihrer Be- wegungsrichtung vorne schlitzt und hinten in den gegrabenen Schlitz Beton drückt. Durch geeignete Steuerungs-bzw. Rege- lungsmechanismen wird die Arbeitsweise der Maschine gesteuert bzw. geregelt. Nach dem Einbringen der Sicherung 201 wird ausgehend von der Ortsbrust 300 das Material abgegraben und entfernt. Die soeben freigelegte Sicherung 201 wird dann durch Stützen 301 unterstützt, bis sie ihre Endfestigkeit er- reicht hat.

Der Umlauf der Maschine 800 um den Tunnelumfang kann wie in den Schemazeichnungen b bis e gezeigt erfolgen. Gemäß b kön- nen geschlossene Kreisringe erzeugt werden. Gemäß c können geneigte, geschlossene Kreisringe erzeugt werden, die zu ei- ner geneigten Ortsbrust 300 führen, die weniger einsturzge- fährdet ist. Gemäß d kann einer Schraubenlinie gefolgt wer- den, deren Ganghöhe in etwa der Bearbeitungsbreite (Az) der Maschine 800 entspricht. Gemäß e kann eine geneigte Schrau- benlinie eingeregelt werden, so daß sich ein kontinuierlicher Arbeitsvorgang bei geneigter Ortsbrust ergibt. Die Stützen 301 werden mit dem Fortschreiten des Bauwerks mitgeführt.

Hinsichtlich weiterer Eigenschaften und Details des bekannten Tunnelbauverfahrens wird auf die schon genannte Anmeldung so- wie auf die nicht vorveröffentlichte DE 198 598 21 verwiesen.

Fig. 8f zeigt schematisch den Verlauf der Dehnung e (kor- respondierend zur Schrumpfung des Tunneldurchmessers) in Ab- hängigkeit von der z-Koordinate. zo bezeichnet den (momentanen) Punkt der Ortsbrust 300. Schon rechts davon ist eine bestimmte Verformung aufgetreten, da sich das Material geringfügig in den schon gegrabenen Tunnel 200 hineinwölbt.

Dies entspricht der Vorverformung ev aus Fig. 6. Wenn Materi- al abgegraben ist (links von zo), werden weitere Stützkräfte entzogen, so daß auf der Sicherung 201 und den Stützen 301 Kräfte lagern. Im Vorgriff auf die zu beschreibende Erfindung wird von einstellbaren bzw. in ihren Abmessungen unterschied- lichen Stützen ausgegangen. Es werden dadurch weitere Verfor- mungen (Schrumpfungen des Tunneldurchmessers und damit ein- hergehende Dehnungen/Stauchungen des Materials und des Betons der Sicherung 201) zugelassen. Am Ort za wird ein ausgehärte- ter Beton angenommen. Hier werden deshalb die Stützen 301 entfernt. Es hat sich eine deutlich größere Verformung ev eingestellt, die sich jedoch auch im Laufe der weiteren Standzeit noch vergrößert, bis sie einen (hoffentlich) sta- tionären Wert es annimmt.

Aufgabe der Erfindung ist es, Verfahren und Vorrichtungen an- zugeben, mit denen Materialparameter an der Baustelle genauer als bisher bestimmt werden können und die somit angepaßte Baumaßnahmen erlauben.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprü- che gelöst. Abhängige Ansprüche sind auf bevorzugte Ausfüh- rungsformen der Erfindung gerichtet.

Nachfolgend werden Aspekte der Erfindung beschrieben, die einzeln oder kombiniert miteinander angewendet werden können.

Nach einem ersten Aspekt wird ein Verfahren und eine Vorrich- tung zum Ermitteln eines früheren Spannungszustands angege- ben. Hierunter wird ein Spannungszustand verstanden, der mög- lichst ungestört von Baumaßnahmen ist. Insbesondere kann es sich um den Primärspannungszustand SO handeln, wie er in Fig.

1 im Bereich des zukünftig zu bauenden Tunnels 104 angedeutet ist. Um einen früheren Spannungszustand SV zu ermitteln, wird möglichst frühzeitig und insbesondere vorauseilend eine in ihrer radialen Position bestimmte oder bestimmbare Referenz eingebracht. Nach dem Auffahren eines Abschlags wird eine Stütze eingebracht, anhand deren Abmessung und/oder Stütz- kraft auf den früheren Spannungszustand geschlossen werden kann.

Gemäß einem weiteren Aspekt werden ein Verfahren und eine Vorrichtung angegeben, mit denen Materialparameter bzw. Teil- verlaufe der Gebirgskennlinie ermittelt werden können. Es können beispielsweise Elastizitätsmodule und damit Steigungen der Gebirgskennlinie ermittelt werden. Sofern vorher der frü- here Spannungszustand/Primärspannungszustand wie oben ermit- telt wurde, kann die Gebirgskennlinie insgesamt genauer als bisher ermittelt werden. Die Ermittlung erfolgt dadurch, daß man an einer bestimmten Stelle, insbesondere in Bereichen na- he hinter der Ortsbrust, in denen variable Stützen stehen, an diesen Stützen Verformungen (in der Regel Schrumpfungen des Tunneldurchmessers) zuläßt. Dabei können die Verformungen und/oder die Stützkräfte bzw. deren Änderung gemessen werden.

Bezugnehmend auf einen oder mehrere gemessene Werte können die gewunschten Parameter und Teilverläufe ermittelt werden.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung werden ein Tunnelbau- verfahren und ein System hierfür angegeben, mit denen die Pa- rameter wie oben beschrieben ermittelt werden können, wobei diese Parameter anschließend zur Auslegung/Dimen- sionierung/Parametrisierung einer Sicherung verwendet werden.

Genauso können die ermittelten Umgebungsparameter auch zur Ansteuerung variabler Stützen herangezogen werden. Die An- steuerung der Stützen kann kraftgesteuert oder weggesteuert erfolgen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Meßvor- richtung angegeben, mit der gleichzeitig Lasten und Abmessun- gen erfaßt werden können. Es handelt sich dabei vorzugsweise um eine Stütze, die anfänglich, insbesondere unmittelbar nach dem Auffahren eines Abschlags, angebracht wird, vorzugsweise so, daß die noch junge Sicherung unterstützt wird. Stützkräf- te und/oder Abmessungen der Stütze können direkt oder indi- rekt gemessen werden.

Unter"Sicherung"werden in dieser Beschreibung dauerhafte Einbauten verstanden, die insbesondere druckfest sind. In der Regel wird es sich um Betonauskleidungen handeln. Es können jedoch auch andere, gleich wirkende Materialien verwendet werden. In den früheren Anmeldungen des gleichen Anmelders wurde die Sicherung als"Stützschicht"bezeichnet.

Unter"Stütze"wird in dieser Beschreibung eine temporär ein- gebrachte Vorrichtung verstanden, die Stützkräfte in mehr oder minder radial nach außen zeigender Richtung aufbringt.

Die Größen Spannung S und Kraft F hängen über S = F/A zusam- men, wobei A die Fläche ist, durch die hindurch die Kraft F lauft. Insbesondere soweit Materialparameter betrachtet oder Materialverhalten beschrieben wird, ist es sinnvoll, von Spannungen auszugehen, da diese das Materialverhalten gut charakterisieren.

Unter Dehnung e werden in diese Beschreibung häufig Stauchun- gen verstanden. Dies gilt insbesondere für den den Tunnel in nachster Nähe umgebenden Boden wie auch für das Material der Sicherung. Im Laufe des Baufortschritts sowie im Laufe der Lebensdauer wird sich darüber hinaus in der Regel auch der Tunneldurchmesser verkleinern und gegen einen stationären Endwert konvergieren.

Nachfolgend werden bezugnehmend auf die Zeichnungen einzelne Ausführungen der Erfindung beschrieben. Es zeigen : Fig. 1 eine schematische Darstellung von Spannungsverläufen im Boden, Fig. 2 und 3 schematische Darstellungen von Spannungsverläu- fen im Bereich eines gebauten Tunnels, Fig. 4 schematisch eine Kurve zur Darstellung von Material- verhalten, Fig. 5 prinzipiell Spannungsverläufe ausgehend von einem ge- bauten Tunnel, Fig. 6 eine Gebirgskennlinie, Fig. 7 das Zeitverhalten von Beton, Fig. 8 schematisch ein bekanntes Tunnelbauverfahren, Fig. 9 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung eines früheren Spannungszustands, Fig. 10 ein Blockdiagramm zum Bestimmen von Materialparame- tern oder Teilen der Gebirgskennlinie, Fig. 11 ein Blockdiagramm, in dem in Kombination mehrere er- findungsgemäße Tunnelbauverfahren schematisch darge- stellt sind, Fig. 12 eine erfindungsgemäße Meßvorrichtung, Fig. 13 eine erfindungsgemäßes Tunnelbausystem, und Fig. 14 eine Kurvenschar.

Fig. 9 zeigt schematisch ein Verfahren zur Ermittlung eines früheren Spannungszustands SF, insbesondere des Primärspan- nungszustands S0. In einem frühen Verfahrensschritt 901 wird eine Referenz für eine radiale Position erzeugt. Vorzugsweise wird die Referenz vorauseilend (in z-Richtung vor der Orts- brust 300) erzeugt. Die Referenz kann absolut oder relativ sein. Absolut hieße, daß ihre absolute Position eingestellt bzw. gemessen und später bezugnehmend beispielsweise auf ein im schon gebauten Tunnel vorhandenes Koordinatensystem ermit- telt wird. Relativ hieße, daß zwei oder mehrere Referenzen angebracht werden, deren Position zueinander im weiteren aus- gewertet wird. Im Verfahren der Fig. 8 können beispielsweise die Innenoberflächen 201a und 201b als Referenzen dienen, die relativ zueinander überwacht und vermessen werden. Beim Ein- bringen der Referenz erfolgt dies absolut oder relativ zuein- ander vergleichsweise genau, so daß ein Maß für einen noch vergleichsweise ungestörten Zustand (allenfalls Vorverformung ev in Fig. 6) vorhanden ist.

Im Schritt 902 erfolgt das substantielle Abgraben von Materi- al aus dem Bereich des zukünftigen Tunnels. In Fig. 8 wird dann ausgehend von der Ortsbrust 300 durch geeignete Geråt- schaften (nicht gezeigt), beispielsweise Tunnelbagger, in +z- Richtung Material abgegraben. Als Resultat dieser Maßnanme können weitere Dehnungen e (Materialstauchungen in der jungen Sicherung 201, Schrumpfung des Tunneldurchmessers) erwartet werden. Dadurch ändert sich auch die Lage der Referenz.

In Schritt 903 der vorzugsweise möglichst bald nach dem Schritt 902 erfolgt, wird eine Stütze 301 möglichst nahe vor die Ortsbrust gebracht. Die Stütze 301 ist so ausgelegt, daß sie Abmessungen und/oder Stützkräfte bestimmen kann. Insbe- sondere kann sie ihre eigenen Abmessungen bestimmen und damit mittelbar auch die Lagen der Referenzen.

Im Schritt 904 werden vorzugsweise Stützkraft F und Abmes- sungsparameter, symbolisiert durch die Dehnung e, gemeinsam bestimmt. Aus den so bekannt gewordenen Größen kann der frü- here Spannungszustand, insbesondere der Primärspannungszu- stand, ermittelt werden. Hierbei kann beispielsweise von fol- genden grob skizzierten Betrachtungen ausgegangen werden.

Die über dem Tunnel lagernde Last FO (entsprechend dem Pri- märspannungszustand SO) wird aufgefangen durch eine Kombina- tion aus dehnungsabhängiger Lastübernahme durch das umgebende Material FBerg (e) (entsprechend Gewölben 204,302,303), der ebenfalls dehnungsabhängigen Kraft durch die Stütze Fstutze (e) und, sofern schon eine Sicherung vorhanden ist, der von der Sicherung schon übernommenen Kraft Fsicher (e) , die ebenfalls dehnungsabhängig ist. Vereinfacht kann deshalb geschrieben werden : FO = FBerg (e) + Fsicher (e) + Fstütze (e).

Fstütze (e) kann gemessen werden. Fsicher (e) kann aus der gemesse- nen Verformung und den bekannten Materialparametern des Mate- rials der Sicherung (siehe z. B. Fig. 7) vergleichsweise genau bestimmt werden. FO und FBerg (e) sind dagegen a priori unbe- kannt. Sofern jedoch eine frühzeitige (d. h. bei insgesamt noch kleinen Dehnungen erfolgende) Bestimmung von Stützkräf- ten und Dehnungen erfolgt, kann FBerg (e) hinreichend sicher ab- geschätzt werden. Wenn beispielsweise aufgrund der Eigenhei- ten des Bauverfahrens die Vorverformung ev Null oder sehr klein ist (beispielsweise < 5 %), kann die schon vom umgeben- den Gelände übernommene Stützkraft FBerg (e) pauschaliert ange- setzt oder vernachlässigt, d. h. zu 0 geschätzt werden. Somit kann dann FO bzw. SO bestimmt werden. Die Abschätzung der schon vom umgebenden Gelände übernommenen Stützkraft FBerg (e) erfolgt bezugnehmend auf die im Schritt 904 ermittelten Wer- te.

Die eben angesprochenen Überlegungen werden im Schritt 905 durchgeführt. Es wird dabei insbesondere die Tatsache ausge- nützt, daß bei noch kleinen Dehnungen die schon vom umgeben- den Gelände übernommene Stützkraft hinreichend genau abge- schätzt werden kann. Bei größeren Dehnungen ist dies nicht mehr möglich.

Sofern eine Sicherung noch nicht vorgesehen ist, kann der frühere Spannungszustand bzw. Primärspannungszustand natür- lich ohne Betrachtung der Sicherung erfolgen. Zur Abschätzung der schon vom umgebenden Material übernommenen Stützkräfte FBerg (e) können mathematische Verfahren wie Finite-Elemente- Verfahren oder ähnliches herangezogen werden.

Es wird in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, daß die obige Gleichung lediglich qualitativ zu verstehen ist. Vek- toreigenschaften der Kräfte bzw. Tensoreigenschaften der Spannungen können zusätzlich berücksichtigt werden. Es können Finite-Elemente-Verfahren verwendet werden.

Zur Ermittlung des früheren Spannungszustands und insbesonde- re zur Abschätzung der schon vom umgebenden Material übernom- menen Stützkräfte können weitere Einflußgrößen berücksichtigt werden, insbesondere : neu vor Ort gewonnene geologisch Er- kenntnisse, Erkenntnisse, die aus in Vortriebsrichtung weiter hinten liegenden Tunnelabschnitten gewonnen wurden, allgemei- ne Erfahrungswerte von Bedienungspersonen, Abschätzung der Vorverformung, usw.

Als Ergebnis erhält man schließlich einen früheren (also mög- lichst unbeeinflußten) Spannungszustand SF, insbesondere den Primärspannungszustand SO. Letzterer entspricht dem Schnitt- punkt der Kurve 601 mit der Ordinate.

Fig. 10 zeigt ein Verfahren zum Bestimmen von Teilen bzw. Pa- rametern einer Gebirgskennlinie. Ganz allgemein gesprochen können Wertepaare aus Stützkraftänderung und Geometrieände- rung des Tunnels ermittelt werden. Hieraus können Parameter wie beispielsweise Elastizitätsmodul des umgebenden Bodens bestimmt werden. Die Bestimmung von Stützkraft und Geometrie- änderung kann mit einer geeignet ausgelegten Stütze 301 er- folgen, was später erläutert wird. Es können bestimmbare oder vorbestimmte Geometrie-oder Kraftveränderungen durch Ändern der eingebrachten Stütze zugelassen werden. Sich daraus erge- bende Kraft-oder Geometrieänderungen können gemessen werden.

Sofern der frühere Spannungszustand bzw. Primärspannungszu- stand wie oben beschrieben bestimmt wurde, kann dann abermals bezugnehmend auf die oben angegebene Formel die vom umgeben- den Gelände übernommene Stützkraft ermittelt werden, so daß sich weitere absolute Werte zur Festlegung der Gebirgskennli- nie ergeben. In Fig. 10 kann dies beispielsweise so erfolgen, daß an einer Stütze (beispielsweise zweite von rechts in Fig.

8) zunächst ein Wertepaar aus Stützkraft F1 und Abmessung rl im Schritt 1001 gemessen wird. Im Schritt 1002 wird dann eine bestimmte Verformung in radialer Richtung zugelassen. Es wird dann im Schritt 1003 abermals ein Wertepaar aus neuer Stütz- kraft F2 und neuer Abmessung r2 ermittelt. Aus den so gewon- nenen Werten können Größen wie Dehnung e, Dehnungsänderung Ae, Kraftänderung AF und Elastizitätsmodul E bestimmt werden.

Der Elastizitätsmodul E des Gebirges ist dabei in der Regel nicht mehr geschlossen lösbar, sondern kann beispielsweise durch"Justieren"anhand von Vergleichsrechnungen ermittelt werden. Es können Finite-Elemente-Verfahren eingesetzt wer- den.

Sofern der frühere Spannungszustand bzw. Primärspannungszu- stand bestimmt wurde, kann dann im Schritt 1005 die vom umge- benden Gelände übernommene Stützkraft qualitativ anhand der oben genannten Formel ermittelt werden. Es ergibt sich da- durch ein weiterer Punkt auf der Gebirgskennlinie in Fig. 6.

Durch wiederholtes Anwenden des Verfahrens in Fig. 10 gelangt man so zu einer genaueren Ermittlung der Gebirgskennlinie.

Wie schon gesagt, ist diese für einen bestimmten Ort z in Vortriebsrichtung spezifisch. Sie kann jedoch als Abschätzung für kommende Kennlinien verwendet werden, so daß ein genauer angepaßter Bauvorgang möglich wird.

Fig. 11 zeigt schematisch in Kombination mehrere erfindungs- gemäße Tunnelbauverfahren. Im Schritt 1101 werden Größen wie bezugnehmend auf die Figuren 9 oder 10 beschrieben bestimmt.

Es können der frühere Spannungszustand SF bzw. Primärspan- nungszustand S0, Materialparameter (z. B. Elastizitätsmodul E) oder auch die Gebirgskennlinie bestimmt worden sein. Die so gewonnenen Daten können in verschiedener Weise verwendet wer- den : Im Schritt 1102 erfolgt die Dimensionierung der zukünftig einzubauenden Sicherung 201. Die Dimensionierung kann Materi- alparameter für das Material der Sicherung 201 (bei- spielsweise Mischungsverhältnisse, Endfestigkeiten,...), Stärke der Sicherung (in r-Richtung), usw., umfassen. Zur Er- mittlung der Parameter der zukünftigen Sicherung können bei- spielsweise die Überlegungen herangezogen werden, die anhand der Fig. 6 erläutert wurden. Der Vorteil gegenüber dem Stand der Technik ist, daß die Gebirgskennlinie genauer abgeschätzt werden kann und somit angepaßtere Parameter gewählt werden können. Da ein früherer Spannungszustand für einen Bereich nahe an der Ortsbrust und eine Gebirgskennlinie für einen Be- reich nicht allzu weit hinter der Ortsbrust bestimmt werden kann, liegen hilfreich Daten vor, um Dimensionierungen für Bereiche vor der Ortsbrust vorzunehmen.

Im Schritt 1103 können variable Stützen kraft-oder wegge- steuert angesteuert werden. Insbesondere kann dadurch ein an- gepaßter Dehnungswert e für die ausgehärtete Sicherung 201 angefahren werden. Beispielsweise ist aus Diagrammen entspre- chend Fig. 7 das Verhalten des Materials der Stützschicht be- kannt, insbesondere ihre Lastaufnahmefähigkeit für den ausge- härteten Zustand. Es kann dann beurteilt werden, bei welcher Dehnung e (Fig. 6) sich ein Gleichgewicht zwischen dem vom umgebenden Gelände geforderten Ausbauwiderstand und dem von der Sicherung tatsächlich lieferbaren Ausbauwiderstand ein- stellt. Dieser Punkt kann gezielt angefahren werden, so daß ein an die tatsächlichen Gegebenheiten gut angepaßtes Gleich- gewicht eingestellt wird.

Da gebaute Tunnel bestimmte Mindestdurchmesser nicht unter- schreiten dürfen, die stattfindende Dehnung aber nur ungenau bekannt war, mußte zur Sicherstellung des Mindestdurchmessers eine bestimmte Sicherheitsreserve zuviel ausgebrochen werden.

Da mit dem beschriebenen Verfahren die Dehnung besser vorher- sagbar ist und insbesondere für die unmittelbar vorausliegen- den Ausbrüche besser vorhergesagt werden kann, kann auch die Sicherheitsreserve beim Ausbruch verringert werden.

Fig. 14 zeigt schematisch eine Karte von Gebirgskennlinien, wie sie sich bei fortwährender Anwendung der oben beschriebe- nen Verfahren ergeben kann. Dargestellt sind verschiedene Ge- birgskennlinien mit der z-Koordinate als Parameter. zo ist der Ort der momentanen Ortsbrust. Hierfür konnte der frühere Spannungszustand bzw. Primärspannungszustand 1401 bestimmt werden. Für dahinter liegende Orte konnten schon mehrere Punkte der Gebirgskennlinie ermittelt werden, so daß sich zu- nehmend vollständigere Kennlinien ergeben. So bestehen die Kurven 1402 bis 1406 zunehmend aus zwei bis sechs Meßpunkten und liefern daher zunehmend vollständigere Kennlinien.

Kurve 1407 entspricht einer Darstellung des früheren Span- nungszustands bzw. Primärspannungszustands in Abhängigkeit von der z-Koordinate. Gezeigt ist ein Beispiel mit deutlich variierenden Werten. zz ist der Ort einer zukünftig zu bauen- den Sicherung. Zu ihrer Dimensionierung kann beispielsweise auf Extrapolation bisher gewonnener Werte zurückgegriffen werden. Beispielsweise kann Kurve 1407 in z-Richtung extrapo- liert werden (1. Ableitung konstant). Für den Ort zz der zu- künftigen Sicherung ergibt sich ein Schnittpunkt 1409. Er kann als Schätzwert für den dort herrschenden Primärspan- nungszustand genommen werden. Es kann auch eine weiterer Si- cherheitszuschlag 1410 erfolgen, so daß sich ein Schätzwert 1411 für den Primärspannungszustand ergibt. Dieser kann zu Dimensionierung der Parameter der Sicherung verwendet werden.

Im späteren Verlauf kann sich dann beispielsweise herausstel- len, daß nicht der Schätzwert 1411 richtig war, sondern der später tatsächlich gemessene Wert 1412.

Mit 1104 sind weiterführende Sicherungsmaßnahmen angedeutet.

Wenn z. B. festgestellt wird, daß die Stütze 301 eine Stütz- kraft aufnimmt, die die Sicherung 201 selbst dann nicht über- nehmen wird können, wenn sie ausgehärtet ist (oder Sicher- heitsreserven zu klein sind), können weitergehende Maßnahmen veranlaßt werden, etwa das Einbringen zusätzlicher Sicherun- gen, Flucht oder ähnliches. Es können Alarme ausgegeben wer- den.

Im Diagramm der Fig. 14 werden Gebirgskennlinien ermittelt, die tendentiell um so weiter fortgeschrieben sind, je weiter der Ort hinter der Ortsbrust liegt. Immer jedoch können die schon vorhandenen Werte der Gebirgskennlinie geeignete extra- poliert werden, um anhand dieser extrapolierten Gebirgskenn- linien weitere Bestimmungen treffen zu können, etwa zur An- steuerung der Stützen am jeweiligen Ort. Beispielhaft ange- deutet ist dies durch die gestrichelte Kurve 1402a. Durch später hinzugewonnene Meßwerte können die extrapolierten Kur- ven an die tatsächlichen Verhältnisse angepaßt werden.

Fig. 12 zeigt beispielhaft eine Meßvorrichtung für den Tun- nelbau. Fig. 12a zeigt schematisch eine als Ringstütze ausge- legte Meßvorrichtung im eingebauten Zustand. Die Ringstütze weist Verstrebungen 1201 auf, von denen einige oder alle län- genveränderlich sein können, beispielsweise hydraulisch. Die Verstrebungen wirken auf Anlageplatten 1202, die flächig aus- gebildet sind und entsprechend der Tunnelkontur profiliert sein können. Die Verstrebungen 1201 sind vorzugsweise gelen- kig an den Anlageplatten 1202 sowie an benachbarten Verstre- bungen angelenkt. Fig. 12b zeigt schematisch eine Verstrebung 1201d zwischen zwei Anlageplatten 1202c und 1202d. Die Ver- strebung weist einen Hydraulikzylinder 1204 und einen Hydrau- likkolben 1203 auf. Der Hydraulikzylinder empfange unter Druck stehendes Hydraulikfluid über eine Leitung 1205, die von einer Hydraulikquelle 1206 gespeist wird. An der Verstre- bung ist eine Sensorik 1210 vorgesehen. Die Sensorik kann die Länge der Verstrebung oder Längenänderungen messen und ent- sprechende Daten weiterleiten. Daneben kann auch eine Lage- sensorik 1212 vorgesehen sein, um die Lage der Verstrebung und damit die Wirkrichtung der durch sie erzeugten Kräfte (vektoriell) bestimmen zu können. Auch eine Krafterfassung ist vorgesehen. Es kann sich beispielsweise um Dehnungsmeß- streifen oder Kraftmeßdosen handeln. Andererseits kann die Kraft auch aus dem herrschenden Hydraulikdruck ermittelt wer- den. 1211 kennzeichnet die Krafterfassungseinrichtung, 1210 die Abmessungserfassungseinrichtung und 1212 die Lageerfas- sungseinrichtung. Die genannten Erfassungseinrichtungen kön- nen an mehreren oder allen Verstrebungen 1201 vorgesehen sein. Durch vektorielle Betrachtung der herrschenden Kräfte können vergleichsweise genaue Werte für die radial aufge- brachten Stützkräfte ermittelt werden. Darüber hinaus können Kräfte in mehrere Richtungen ermittelt werden. Für eine Stüt- ze kann eine Datenauswertungs-bzw.-aufbereitungseinrichtung vorgesehen sein, die aus den Daten der einzelnen Sensoren und Aufnehmer aufbereitete Daten erzeugt.

Fig. 13 zeigt ein Tunnelbausystem. Es weist die als Meßvor- richtung ausgebildete Stütze 301 auf, die mehrere Sätze von Sensoren 1210 bis 1212 für Abmessung, Kraft und Lage auf- weist. Das System kann mehrere der gezeigten Stützen aufwei- sen. Eine Regelung bzw. Steuerung 1300 empfängt die Meßwerte.

Sie kann weitere Meßwerte empfangen. Eine Bestimmungseinrich- tung 1301 bestimmt wie oben beschrieben einen früheren Span- nungszustand, insbesondere den Primärspannungszustand und/oder Materialparameter bzw. Teilverläufe oder Verläufe der Gebirgskennlinie. Eine Ermittlungseinrichtung 1302 ermit- telt daraus Parameter der zukünftig zu bildenden Stützschicht und steuert dementsprechend die Maschine 800 an oder gibt die einzustellenden Parameter aus, damit sie anderweitig einge- stellt werden können. Eine zweite Ermittlungseinrichtung 1303 ermittelt vorzunehmende Veränderungen einer oder mehrerer Stützen 301 und gibt diese entweder aus steuert die Verände- rungen selbst ein.