ACI 533.5R-Leitfaden zu wichtigen Aspekten der Planung, Herstellung und Konstruktion von Tunnelsegmenten aus Fertigbeton

Von Mehdi Bakhshi und Verya Nasri

Der maschinelle Tunnelvortrieb mittels TBM war in den letzten zehn Jahren die vorherrschende Vortriebsmethode bei verschiedenen Bodenbedingungen wie weichem Boden, schwachem Gestein und gebrochenem Hartgestein. Hinter einer TBM werden vorgefertigte Betonsegmente installiert, um den Aushub zu stützen, permanenten Boden- und Grundwasserbelastungen standzuhalten und Wasserdichtheit zu gewährleisten. Darüber hinaus sind Fertigteilsegmente für die temporären Belastungen aus Produktion, Transport und Bau ausgelegt.

Bis zur Veröffentlichung des ACI 533-Leitfadens gab es von lokalen oder internationalen Behörden nur sehr wenige Leitlinien für Planer und Auftragnehmer. Die von den Autoren dieses Artikels geleitete Veröffentlichung von ACI 533.5R als erstem Leitfaden weltweit, der von einer internationalen Code-Agentur veröffentlicht wurde, ging auf diesen Bedarf ein und deckt alle wichtigen Aspekte des Designs, der Herstellung und der Konstruktion der Segmente in einer einzigen Veröffentlichung ab. Dieser Leitfaden enthält Verfahren, die für das Strukturkonzept und die Detailkonstruktion, die Dichtungskonstruktion, die Verbindungskonstruktion, die Haltbarkeitskonstruktion sowie für Setz- und Überwachungstoleranzen erforderlich sind. Dieses Dokument wurde auf der Grundlage weltweiter Zusammenarbeit, Tunnelbauerfahrungen und verfügbarer nationaler und internationaler Empfehlungen erstellt. Neben allgemeinen Aspekten des Designs werden die neuesten Entwicklungen im Design und die neuesten Technologien im Zusammenhang mit TBM-Tunnelauskleidungstechnologien vorgestellt.

Tunnelsegmente aus Betonfertigteilen müssen mit der Load and Resistance Factor Design (LRFD)-Methode entworfen werden. Tabelle 1 zeigt die maßgeblichen Lastfälle und faktorisierten Lastkombinationen, für die vorgefertigte Tunnelsegmente aus Beton ausgelegt sind. Für die Bemessung von Stahlbeton bzw. Faserbeton (FRC) sind Festigkeitsminderungsfaktoren in ACI 318-19 und ACI 544.7R-16 erforderlich.

Der Innenraumbedarf, abhängig vom Verwendungszweck des Tunnels und den Anforderungen des Kunden, bestimmt die Dimension der Tunnelinnenräume. ACI 533.5R klassifiziert Tunnel in vier Hauptkategorien: Eisenbahn- und U-Bahn-, Straßen-, Versorgungs- sowie Wasser- und Abwassertunnel. Der interne Platzbedarf für jede Kategorie wird im „Leitfaden“ erläutert. Abbildung 1 zeigt schematisch einen typischen Aufbau von Straßentunneln. ACI 533.5R stellt Bereiche des Verhältnisses des Innendurchmessers (ID) zur Auskleidungsdicke für verschiedene Tunnelgrößen bereit. Dies umfasst einen Bereich von 15 bis 25 Zoll für Tunnel mit einem Innendurchmesser von 13 bis 18 Fuß und einen Bereich von 18 bis 25 Zoll für Tunnel mit einem Innendurchmesser von mehr als 18 Fuß. Für Tunneldurchmesser von 19–23 Fuß wird eine Ringlänge von 5 Fuß empfohlen, die sich bei Tunneln mit einem Durchmesser von mehr als 30 Fuß auf eine Ringlänge von 6,5 Fuß erhöht.

Abbildung 1: Schematische Darstellung des Innenraums von Straßentunneln: a) Schnitt an der Pumpstation am Tiefpunkt, a) typischer Schnitt.

Zu den verschiedenen Segmentringsystemen zählen Parallelringe, Parallelringe mit Korrekturringen, rechts/links konische Ringe und Universalringsysteme (siehe Abbildung 2). Parallelringe (Abbildung 2(a)) sind grundsätzlich nicht für Kurven geeignet. Bei Rechts-/Links-Ringen (Abbildung 2(b)) ist im Allgemeinen eine Umfangsfläche jedes Rings senkrecht zur Tunnelachse verjüngt und die andere Fläche ist zur Tunnelachse geneigt. Durch abwechselnde Abfolge rechts- und linkskonischer Ringe entsteht ein gerader Antrieb. Bei diesem Ringtyp kann die Wasserdichtheit gewährleistet werden, allerdings ist die Notwendigkeit unterschiedlicher Schalungssätze nachteilig. Derzeit ist das Universalringsystem (Abbildung 2(c)) das konventionellste System, bei dem häufig zwei Umfangsflächen jedes Rings zur Tunnelachse geneigt sind und die Ausrichtung durch die Drehung des Tübbingrings bewältigt werden kann. Der Hauptvorteil dieses Systems besteht darin, dass nur ein Schalungssatztyp erforderlich ist [3].

Abbildung 2: Verschiedene Ringsysteme, Verjüngungs- und Kurvenverhandlungsschemata: a) parallele Ringe, b) rechte/linke Ringe, c) universelle Ringe.

Ringe enthalten im Allgemeinen eine Anzahl von Segmenten, die ein Segment-Schlankheitsverhältnis von 8–13 ergeben. Die allgemeine Empfehlung für Tunnel mit einem Durchmesser von bis zu 20 Fuß besteht darin, den Ring in 6 Segmente zu unterteilen und 5+1- oder 4+2-Konfigurationen zu verwenden (die letztere Zahl stellt die Anzahl der Schlüsselsegmente dar). Wenn der Tunneldurchmesser zwischen 20 und 26 Fuß und 26 und 36 Fuß liegt, kann ein 7-Segment-Ring bzw. ein 8-Segment-Ring verwendet werden. Für Tunneldurchmesser zwischen 36 und 46 Fuß kann ein 9-Segment-Ring eingesetzt werden. Schließlich ist bei Tunneln mit einer Länge von mehr als 46 Fuß eine 9+1-Konfiguration die gebräuchlichste Konfiguration.

Abbildung 3: Hauptsysteme für die Segmentgeometrie: a) sechseckige, b) rechteckige, c) trapezförmige, d) rhomboide Systeme.

Die Geometrie einzelner Segmente, wie in Abbildung 3 dargestellt, kann in vier Hauptkategorien oder Systeme unterteilt werden: sechseckig, rechteckig, trapezförmig und rhombisch. Da sechseckige Segmente (Abbildung 3(a)) den effektiven Einsatz von Dichtungen verhindern, gefährden sie die Wasserdichtigkeit der Auskleidung und werden heutzutage nur noch selten verwendet. Bei rechteckigen Systemen (Abbildung 3(b)) können versetzte Längsfugen nicht immer gewährleistet werden und es kann zu Kruzifixfugen kommen, die zu Undichtigkeiten führen können. Im trapezförmigen System (Abbildung 3(c)) ist aufgrund der versetzten Längsverbindungen die Möglichkeit der Schaffung von Kruzifixverbindungen ausgeschlossen, aber der Installationsprozess macht es schwierig, mehrere Schlüsselsegmente zwischen den Gegenschlüsselsegmenten zu platzieren. Das rhomboidale System (Abbildung 3(d)) ist derzeit das gebräuchlichste System, da es Kruzifixverbindungen überflüssig macht, eine gute Dichtungsleistung aufweist und eine kontinuierliche Ringmontage ermöglicht. Ein weiterer großer Vorteil ist die abgewinkelte Segmentverbindung, die ein Reiben der Dichtungen beim Einsetzen der Segmente verhindert und den Einsatz von Schnellverbindungsdübeln bei umlaufenden Verbindungen erleichtert.

Nach dem Gießen und der ersten Aushärtung werden die Segmente von der Schalung gelöst. Bei der Konstruktion muss die erforderliche Festigkeit berücksichtigt werden, wenn die Segmente unter ihrem Eigengewicht (w) abgezogen werden (z. B. 6 Stunden nach dem Gießen). Auf die Entformung der Segmente folgt die Lagerung der Segmente, bei der die Segmente gestapelt werden, um vor dem Transport zur Konstruktion die erforderliche Festigkeit zu erreichen Website. Im Allgemeinen werden alle Segmente, aus denen ein Vollring besteht, in einem Stapel gestapelt. Der Entwurf berücksichtigt das Eigengewicht und die Eigenlast der darüber positionierten Segmente mit einer Exzentrizität von e = 4 Zoll zwischen den Standorten der Stapelstütze und den Stützen der oberen Segmente.

Das Segmenthandling erfolgt durch speziell entwickelte Hebegeräte wie mechanische Klemmvorrichtungen, Vakuumheber und Gabelstapler. Für die Handhabung durch mechanische Klemmung und Vakuumheber wird das Konstruktionsverfahren wie bei der Tübbingentformung und für die Handhabung mit Gabelstaplern ein Beladungsschema und eine Exzentrizität ähnlich der Tübbinglagerung übernommen.

Während der Tübbingtransportphase werden vorgefertigte Tübbinge zur Baustelle und schließlich zum TBM-Nachlaufwerk transportiert. Die Hälfte oder alle Segmente jedes Rings werden auf einem Wagen zur TBM transportiert. Für den Entwurf wird im Allgemeinen ein Entwurfsverfahren ähnlich der Lagerungsphase und eine Exzentrizität von 4 Zoll empfohlen.

Zusätzlich zu den in Tabelle 1 aufgeführten Belastungsfaktoren wird für Lastfälle des Umschlags und Transports ein dynamischer Stoßfaktor von 2,0 empfohlen. Abbildung 4 zeigt Belastungsschemata und Stützbedingungen für die oben genannten Lastfälle.

Abb. 4 a) Kräfte, die während der Entformung und Handhabung durch Hebegeräte auf die Segmente wirken, b & c) Kräfte, die während der Lagerung, Handhabung mit Gabelstaplern und Transport auf Segmente wirken, d) Schema der Handhabung mit Gabelstaplern

Beim Verfüllen des Ringraums zwischen Boden und Tübbingen mit halbflüssigem Vergussmörtel entstehen Belastungen auf die Auskleidung. Dies wird durch die Anwendung eines radialen Drucks modelliert, der linear vom minimalen Mörteldruck an der Krone bis zum maximalen Mörteldruck an der Tunnelsohle variiert. Für die Belastungskombination aus Eigengewicht und Vergussdruck gemäß Tabelle 1 wird ein Belastungsfaktor von 1,25 für beide Belastungen empfohlen.

Abbildung 5: Lastfall der TBM-Vortriebskräfte: a) schematische Darstellung der auf Umfangsfugen drückenden Vortriebszylinder, b) schematische Darstellung der Berstzugkräfte und entsprechender Parameter bei Verwendung vereinfachter Gleichungen von vorgespannten Verankerungszonen in Spannbeton, c) Iyengar (1962)-Diagramm als gängige Analysemethode, d) Ergebnisse der 3D-FEA.

Zur Berechnung der erforderlichen Festigkeit können die in Tabelle 1 (Lastfall 8) aufgeführten Lastfaktoren verwendet werden. Dieser Lastfall kann unter anderem mit elastischen Gleichungen, Balken-Feder-Modellen (Abbildung 6), FEM und der Methode der diskreten Elemente (DEM) analysiert werden.

Abb. 6 a) Doppelring-Balkenfedermodell mit Radialfedern, die den Boden simulieren, und Gelenkfedern, die Längs- und Umfangsverbindungen simulieren; und (b) Schema der Ringverbindung

Die in der Auskleidung entstehenden Umfangskräfte werden über einen reduzierten Querschnittsbereich entlang der Längsfugen übertragen, wo Dichtungen und Entspannungsnuten vorhanden sind. Ähnlich wie beim Lastfall der TBM-Schubzylinderkräfte umfassen die Analysemethoden vereinfachte Berstgleichungen [2, 4] (Abbildung 7), die Analysemethode des Iyengar-Diagramms [5] und 2D/3D-FEM-Simulationen.

Abbildung 7: Von DAUB [4] empfohlene Kraftübertragung in Längsfugen mit dem vereinfachten Spannungsblockkonzept.

Der Leitfaden ACI 533.5R [1] fasst die verfügbaren Richtlinien internationaler Behörden zur empfohlenen Druckfestigkeit von Tunnelsegmenten aus Fertigbeton zusammen. Die Bewehrung wird in drei verschiedene Typen eingeteilt: a) Querbewehrung – die Hauptbewehrung, die senkrecht zur Tunnelachse angeordnet ist, b) Längsbewehrung – parallel zur Tunnelachse angeordnet und oft als Mindesttemperatur- und Schwindbewehrung konzipiert, c) Verbindungsbewehrung – platziert im Bereich von Fugen, um Berst- und Abplatzbeanspruchungen standzuhalten. Die gängigsten Bewehrungsdetails werden im „Leitfaden“ dargestellt, einschließlich der Bewehrungsstabgröße und der empfohlenen Mindestbetondeckung und Bewehrungsstababstände.

Zu den Nachweisen für SLS in Tunnelsegmenten gehören Spannungsnachweise, Verformungsnachweise und Rissnachweise. Besonderes Augenmerk wird auf Risse gelegt, da sie einen wesentlichen Beitrag zur Beeinträchtigung der Gebrauchstauglichkeit aufgrund möglicher Wassereindringung leisten. Die Konstruktion sollte sicherstellen, dass die Biegerissbreite nicht größer ist als die im „Leitfaden“ aufgeführten zulässigen Rissbreiten.

Beim einlagigen Tübbingausbau wird die Wasserdichtheit des Tunnels durch die Tübbinge und Dichtungen gewährleistet, die in Längs- und Umfangsfugen zwischen den Tübbingen angebracht werden. Im „Leitfaden“ werden Verfahren zur Auswahl von Dichtungsmaterialien, Lösungen für unterschiedliche Wasserdrücke, geeignete Sicherheitsfaktoren unter Berücksichtigung der Entspannung, Dichtungsprofile unter Berücksichtigung der Tunnelgröße, Toleranzen und erforderliche Bauspalte/-versatz bereitgestellt. Es werden Wasserdichtheits- und Last-Durchbiegungs-Tests sowie Details zur Dichtungsnutgestaltung vorgestellt. Es wird das Kurzzeitverhalten der Dichtung erläutert und die Gestaltung von Verbindungssystemen für die Dichtungsbelastung nach kurzfristiger Entspannung diskutiert. Neue Entwicklungen bei Dichtungssystemen werden vorgestellt, darunter verankerte Dichtungen und die zuletzt entwickelte Faserverankerungstechnologie für Dichtungen; Soft-Corner-Lösungen zur Eliminierung von Punktbelastungen durch stiftbasierte Hohlräume; und neue Reparaturmethode zur nachträglichen Abdichtung von Segmentverbindungen, basierend auf direktem Bohren und Einspritzen durch das Dichtungsprofil.

Verbindungen zwischen Segmenten innerhalb eines Rings und zwischen Ringen lassen sich in drei Kategorien einteilen: Bolzen, Dübel und Führungsstangen. Bolzen (Abbildung 8(a)) werden im Allgemeinen zwischen Segmenten innerhalb eines Rings und zwischen Ringen rechteckiger Systeme verwendet. Aufgrund der Kinematik des Montageprozesses werden Dübel (Abbildung 8(b)) nur zwischen den Ringen in Umfangsverbindungen verwendet. Führungsstangen (Abbildung 8(c)) können als Zentriervorrichtung verwendet werden, die während der Segmentinstallation für Führung und Zentrierung mit Verriegelungsfunktion sorgt. Führungsstangen werden üblicherweise in Verbindung mit Dübeln verwendet. Zu den neuesten Entwicklungen bei Verbindungsgeräten gehört die Integration einer schraubbaren Muffe auf einer Seite des Dübels, um die Montagetoleranz zu verringern und den Arbeitern einen reibungsloseren Montageprozess zu ermöglichen. Herkömmliche Befestigungssysteme sind nachträglich installierte Anker mit Bohrungen, die Beton, Bewehrung oder Segmentdichtungen beschädigen können, was sich negativ auf das Strukturverhalten, die Dichtleistung, den Korrosionsschutz und die Langzeithaltbarkeit auswirkt. ACI 533.25 [1] präsentiert ein neues eingegossenes Befestigungssystem für Segmente als langlebige und nachhaltige Lösung.

Abbildung 8: Segmentverbindungsvorrichtungen: a) Bolzensysteme in Längsfugen, b) Dübelsysteme in Umfangsfugen, c) Führungsstangen in Längsfugen

Toleranzen sind zulässige Abweichungen der tatsächlichen Abmessungen von Segmenten, entweder als Einzelkomponenten oder als System, von ihren Konstruktionsabmessungen. Im ACI 533.5R Guide [1] werden Toleranzen in zwei Hauptkategorien von Produktions- und Konstruktionstoleranzen erläutert. Durch Richtlinien und Normen vorgegebene Toleranzen für Produktionssegmente werden vorgestellt und verschiedene Messprogramme und deren Mängel diskutiert. Als Best Practice wird die 3D-Lasermessung mittels Interferometer und Trackersystem vorgestellt. Der Testring wird als Methode zur Kontrolle der Systemtoleranz erläutert, und Ovalisierung und Gelenkfehlausrichtung werden als zwei wesentliche Konstruktionstoleranzen angesehen.

Tunnel sind typischerweise für eine Nutzungsdauer von 100–125 Jahren ausgelegt. Bei Bohrtunneln steht die Haltbarkeit des Tunnels in direktem Zusammenhang mit der Haltbarkeit der Segmente. Die häufigsten Abbaumechanismen werden im „Leitfaden“ besprochen. Dazu gehören Korrosion der Bewehrung durch Chlorid- und Karbonatisierung, Sulfat- und Säureangriffe, Alkali-Aggregat-Reaktionen, Frostangriff und Frost-Tau-Schäden. Es wird erläutert, dass durch Streuströme verursachte Korrosion ein großes Problem hinsichtlich der Haltbarkeit von Eisenbahn-/U-Bahn-Tunneln darstellt. Außerdem werden Minderungsmethoden für unterschiedliche Haltbarkeitsfaktoren vorgestellt. Es werden Verfahren zur Korrosionsminderung durch Streuströme, einschließlich der Verwendung von FRC-Segmenten, vorgestellt und die Haltbarkeit von Segmenten unter Kopplungseffekten von Streuströmen mit anderen herkömmlichen Verschlechterungsfaktoren erläutert. Für den Dauerhaftigkeitsentwurf werden präskriptive Ansätze eingeführt, bei denen verschiedene Umweltexpositionsklassen als Haupteingabefaktoren berücksichtigt werden. Empfehlungen zur Sicherstellung der typischen Lebensdauer von Tunneln werden erläutert, einschließlich der Betonfestigkeit, des maximalen Wasser-Zement-Verhältnisses (W/Z), des minimalen Zementgehalts und des minimalen Luftgehalts.

Der ACI 533.5R Guide [1] fasst die neuesten Entwicklungen, internationale Best Practices und aktuelle Informationen zu allen Aspekten der Planung und Konstruktion von Fertigteilsegmenten zusammen und kann als allgemeiner Leitfaden für Tübbingtunnelauskleidungen verwendet werden. Zusätzlich zu den strukturellen Entwurfsregeln befasst sich diese Richtlinie mit Einzelheiten der Segmentringgeometrie, -formen, -konfiguration und -systemen sowie mit detaillierten Überlegungen zum Betonentwurf. Besprochen werden Dichtungsdesign, Verbindungsgeräte, Toleranzen, Maße, Maßkontrolle und Haltbarkeit. Der erstellte „Leitfaden“ stellt den aktuellen Stand der Praxis in einem sich ständig weiterentwickelnden Technologiebereich dar.

[1] ACI 533.5R: Leitfaden für vorgefertigte Tunnelsegmente aus Beton. American Concrete Institute (ACI), 2020.[2] ACI 318: Anforderungen der Bauvorschriften für Konstruktionsbeton und Kommentare. American Concrete Institute (ACI), 2019.[3] ÖVBB: Richtlinie für Beton-Tübbingausbausysteme. Österreichische Gesellschaft für Beton und Bautechnik (ÖVBB), 2011.[4] DAUB: Lining Segment Design: Empfehlungen für die Konstruktion, Produktion und den Einbau von Tübbingringen. Deutscher Tunnelbauausschuss (DAUB), 2013.[5] Iyengar, KT: Zweidimensionale Theorien der Verankerungszonenspannungen in vorgespannten Trägern. ACI 59 (1962), Nr. 10, S. 1443–1466.

Mehdi Bakhshi, AVP – Leitender Tunnelingenieur | AECOM Dr. Bakhshi hat einen Doktortitel in Bauingenieurwesen von der Arizona State University. Er verfügt über mehr als 18 Jahre Erfahrung im Bau-, Bau-, Tunnel-, Tiefbau- und Geotechnikbau in nationalen und internationalen Projekten als leitender Tunnelingenieur und leitender Tunnelingenieur. Mehdi hat mehr als 75 Fachzeitschriften und von Experten begutachtete Konferenzbeiträge zum Thema Tunnelbau und Betonkonstruktionen veröffentlicht.

Verya Nasri, Vizepräsidentin – Cheftunnelingenieurin | AECOM Dr. Nasri hat einen Doktortitel in Geotechnik und Bauingenieurwesen von der École Centrale Paris. Er verfügt über mehr als 30 Jahre Erfahrung als leitender Tunnelingenieur für große Tunnelbauprojekte im Großraum New York City sowie in ganz Nordamerika, Europa, Asien, Afrika und dem Nahen Osten. Dr. Nasri hat mehr als 200 Zeitschriften- und Konferenzbeiträge zum Entwurf und Bau von Tunneln und unterirdischen Bauwerken verfasst.