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M. Usman:
"Long-Term Behvior of Support Elements in NATM Tunnels";
Betreuer/in(nen), Begutachter/in(nen): R. Galler, H.G. Jodl; Montanuniversität Leoben, Lehrstuhl für Subsurface Engineering, 2012; Rigorosum: 31.08.2012.

Das Langzeitverhalten der Stützelemente in NÖT Tunnels wurde mittels Finite-ElementeMethode
auf Basis von neuen Erkenntnissen aus Laborversuchen, die an 30 Jahre alten
Proben aus versdliedenen Tunnels in Österreich entnommen wurden, untersucht. Die Verwitterung
des Spritzbetons unter dem Einfluss von verschiedenen physikalischen, chemischen,
mechanischen und biologischen Prozessen sowie die Gebirgsspannungen wurden
simuliert; dies geschah durch die Reduktion des E-Moduls, der Kohäsion und des Reibungswinkels.
Die Verwitterung von Spritzbeton kann zu einer Destabilisierung des Tunnelbauwerkes
beitragen, was zu erhöhten Wartungskosten und einer geringeren Lebensdauer
führt. Gleichzeitig kann daraus ein potentielles Sicherheitsrisiko resultieren. Das
dreidimensionale Finite-Elemente-Modell mit zweischahgern Ausbau, bestehend aus dem
primärem Spritzbeton und der Ortbeton-Innenschale wurde mit ABAQUS untersucht.
Der Tunnelvortrieb wurde in Kalotte, Strosse und Sohle unterteilt. Der Schwerpunkt lag
auf der Vorhersage der Verformungen und Spannungen insbesonders in der Innenschale.
Gerechnet wurde mit dem Mohr-Coulomb'schen Materialgesetz. Die Materialparameter,
die in der Analyse verwendet wurden, stammen aus 30 Jahre altem Spritzbeton,
Beton, Ankern und Dichtungsbahnen aus verschiedenen Österreichischen Tunneln. Die
Versuche wurden in den Labors der Montan-Universität, betreffend die Innenschale auch
in den Labors der Technischen Universität Graz, durchgeführt. Mit Hilfe einer Parameterstudie
wurden verschiedene Prozesse der Verwitterung simuliert. Mit der Verwitterung
der Aussenschale konnte eine progressive Zunahme von Spannungen in der Innenschale
und Spannungsänderungen im umgebenden Erdreich beobachtet werden. Die Ergebnisse
der Untersuchungen brachten wichtige Informationen für die Beurteilung der Wechselwirkungen
zwischen Innenschale, Spritzbetonschale und umgebendem Gebirge sowie die
Dimensionierung der Innenschale.

The long-time behavior of support elements in New Austrian Tunneling Method (N ATM)
tunnels was studied by applying finite element rnethod using new findings frorn laboratory
tests based on 30 years old tunnel support elernents. The gradual degradation of
reinforced shotcrete support over a period of time, its perpetual deterioration under the
influence of different physical, chemical, rnechanical and biological agents and ground
pressure was simulated by the reduction of Young's Modulus, cohesion and fr ic.:tion angle
to study the impact of this reduction on the stress distribution and overall stability
of the tunnel support system consisting of rock mass, shotcrete and the inner lining.
The degradation of sprayed com:rete linings may contribute to desta.bilization of the rock
rnass, resulting in increased rnaintenance costs, reduced service life, as weil as a potential
safety risk. A three-dimensional finite element model involving dua.l-lining system
consisting of primary shotcrete support, and the inner cast in place c.:oncrete liner was
rnodeled using the general purpose c.:ode ABAQUS. The tunnel excavation was simulated
using top-heading, benc.:h and invert tec.:hniques with simultaneaus installation of
the shotcrete support. The emphasis was on the predic.:tion of deformation and stresses
acting on the primary shotcrete lining during the exc.:avation in soil modeled with MohrCoulomb
ela.sto-plastic material behavior. The material pararneters used in the analysis
were derived from the 30 years old shotcrete, conc.:rete, steel anc.:hors, and waterproofing
geornernbranes samples from different Austrian tunnel sites tested in the laboratories of
the Montan University. The samples of the inner lining were tested at the Graz University
of Tedmology. Using a parametric study, different deterioration proc.:esses were sirnulated
by defining suitable interac.:tion between the shottrete shell and the ground, and the interaction
between the shottrete shell and the inner liner. Substantiating shotcrete shell
deterioration, the progressive inc.:rease of stresses in the inner lining and stress dissipation
into the surrounding ground was observed. This provided the possibility to illustrate the
rnain attribute of a. particular deterioration process on the basis of the obtained stress
distributions and displacernents of the support elernents. The evaluated results furnished
irnportant inforrnation to devise a virtual relationship governing the quanturn of load
shared by inner liner and construing practical solutions for dirnensiouing of inner lining
thic.:kness and reinforeerneut requirernents.