Ultimate limit state design for linings of bored tunnels
Authors: Bakker Klaas Jan , Blom C.B.M. (Kees) 
Published: August 2009

According to modern design codes such as the Eurocode 7, soilretaining structures should also be designed according to Ultimate Limit State (ULS) analysis. From an economic point of view, the design of the lining, its thickness and reinforcement, would be optimal if the loading during construction is less critical than the loading during service life, i.e. under overburden loading. If necessary, measures could be taken to prevent any loading during construction becoming more critical than the overburden loading. If this can be achieved, the structural design would be limited to establishing the overburden pressures and calculating equilibrium between lining strength and overburden. For optimisation, one could use probabilistic theory and risk analytic techniques to establish a sufficient distance between actual loading and design parameters to get the most economic lining thickness and reinforcement.

In order to evaluate the present situation with respect to lining design, some observations from engineering practice are discussed: firstly with the example of the construction of the 2nd Heinenoord tunnel, where damage to the lining during construction was above average; and secondly from the construction of the Green Hart tunnel, where measurements show that flexibility of the tube and the influence of interaction between structure and ground can also lead to critical loading conditions for the lining. Finally, the analyses and observations are generalised and some conclusions with are drawn respect to lining design.

Die neuen Bemessungsnormen in der Geotechnik wie der EC 7 sehen auch eine Bemessung von Verbaukonstruktionen im Boden im Grenzzustand der Tragfähigkeit (ULS) vor. Aus wirtschaftlicher Sicht wäre eine Dimensionierung der Tübbinge, das heißt ihrer Dicke und Bewehrung, optimal, wenn die Beanspruchung während des Bauzustands geringer wäre als die Beanspruchung aus der Überlagerung im Endzustand. Falls notwendig könnten Maßnahmen gesetzt werden, die eine Beanspruchung im Bauzustand verhindern, die kritischer als infolge der Überlagerung ist. Sofern dies erreicht werden kann, wäre die baustatische Bemessung auf die Ermittlung der Überlagerungsdrücke und die Berechnung des Gleichgewichtszustands zwischen der Festigkeit der Tübbinge und des Überlagerungsdrucks begrenzt. Für eine Optimierung könnten probabilistische Theorien und risikoanalytische Methoden verwendet werden, um eine ausreichende Sicherheit zwischen vorhandener charakteristischer Beanspruchung und den Bemessungswerten festzusetzen und um die wirtschaftlichste Tübbingstärke und Tübbingbewehrung zu erhalten.

Zur Beurteilung des derzeitigen Stands der Tübbingbemessung werden einige Beobachtungen aus der Ingenieurspraxis erörtert: Die erste vom Bau des zweiten Heinenoord Tunnels, bei dem überdurchschnittlich viele Beschädigungen der Tübbinge während der Bauphase auftraten; die zweite vom Bau des Groene Hart Tunnels, bei dem Messungen zeigen, dass die Nachgiebigkeit der Tübbingringe und der Einfluss der Interaktion zwischen Baugrund und Bauwerk zu kritischen Beanspruchungen der Tübbinge führen können. Abschließend werden die Berechnungen und Beobachtungen verallgemeinert und einige Schlussfolgerungen im Hinblick auf die Tübbingbemessung gezogen.