Simplified design of excavation support and shafts for safety against hydraulic heave / Einfache Bemessung von Baugruben und Schächten im Hinblick auf die Sicherheit gegen hydraulischen Grundbruch
Authors: Aulbach Benjamin , Ziegler Martin 
Published: August 2013

Within tunnelling starting and target pits are required as well as several pits and shafts e.g. for stations or grouting works. Here the failure by hydraulic heave has to be considered. For the determination of the required embedded length for the safety against hydraulic heave often approximate solutions are used. However these approximate solutions can lead to unsafe or overdesigned results. Others are unpractical as the embedded length is input parameter and target value at the same time. Thus extensive numerical investigations have been carried out for plane and spatial conditions as well as for homogenous, isotropic and for both stratified and anisotropic soil. More than 100 design charts (Fig 1). have been evolved from these results. These design charts allow the determination of the required embedded length considering the soil conditions and the geometrical conditions. In addition to the numerical investigations and the related design charts a formula for the determination of the required embedded length has been developed. The basic formula is quite simple and can be used for two‐dimensional conditions. However an extended formula can be used for spatial conditions, separated for the corner, the front and the long side of construction pits. Furthermore by the use of add‐ons the formula allows the determination of the required length for different unity weights or a variant safety‐level. Hence the formula is a tool which can replace extensive calculations in many cases or can provide realistic reference values for complicated construction pits and soil conditions. Moreover the formula can be implemented into software for the determination of the statically required embedded length. Thus the effortful switchover between software for the static and flow calculation becomes lapsed.

Für den Tunnelbau und den Rohrvortrieb sind in der Regel Start‐ und Zielbaugruben sowie weitere Nebenbauwerke etwa für Haltestellen erforderlich. Für diese Baugruben und Schächte ist im Grundwasser auch immer die Problematik des hydraulischen Grundbruchs zu beachten. Gängige Näherungslösungen zur Bestimmung der für die Sicherheit gegen hydraulischen Grundbruch erforderlichen Einbindetiefe liefern teils weit auf der unsicheren Seite liegende Ergebnisse. Andere Lösungen hingegen sind zu konservativ oder unpraktisch, da die Einbindetiefe selbst Eingangsgröße für einen iterativen Prozess ist. Daher wurden umfangreiche numerische Strömungsberechnungen für ebene und räumliche Verhältnisse, für homogen, isotropen und für geschichteten sowie anisotropen Baugrund durchgeführt, mit dem Ziel ein einfach handhabbares, sicheres und dennoch wirtschaftliches Bemessungsverfahren für die Bestimmung der Sicherheit gegen hydraulischen Grundbruch zu entwickeln. Dazu wurden in Summe über 100 Bemessungsdiagramme [1] abgeleitet, mit denen die erforderliche Einbindetiefe für beliebige Baugrundsituationen und unter Berücksichtigung der geometrischen Randbedingungen direkt abgelesen werden kann. Auf Grundlage dieser Diagramme und der dazu durchgeführten numerischen Strömungsberechnungen wurde weiterhin eine Formel entwickelt, mit der sich alternativ zu den Diagrammen die erforderliche Einbindetiefe direkt bestimmen lässt. Hierzu wurde zunächst für ebene Verhältnisse eine relativ einfache Grundformel aufgestellt. Die daraus erweiterte Formel ermöglicht schließlich auch die Bestimmung der erforderlichen Einbindetiefe für räumliche Verhältnisse getrennt für die Ecke, die Stirn‐ und die Längsseite einer Baugrube. In Ergänzung dazu wurden außerdem Ansätze zur Berücksichtigung verschiedener Wichten des Baugrunds und beliebiger Sicherheitsfaktoren entwickelt. Somit steht mit der Formel ein umfassendes Bemessungsinstrument zur Verfügung, das in vielen Fällen eine aufwändige Berechnung ersetzen kann. Auch für komplizierte Baugruben‐ oder Baugrundverhältnisse werden realistische Anhaltswerte für die erforderliche Einbindetiefe erhalten. Die Formel kann insbesondere direkt in Rechenprogramme implementiert werden, die zur Ermittlung der statisch erforderlichen Einbindetiefe verwendet werden. Die aufwändige Iteration verbunden mit dem Wechsel von einem Statik‐ zu einem Strömungsprogramm entfällt dadurch.