Advanced computational techniques for mechanized tunneling along arbitrary alignments and tunnel face stability analysis

Numerische Simulationen des maschinellen Tunnelvortriebs werden zunehmend als Prognosemodelle während der Planungs- und der Konstruktionsphasen eingesetzt. Im ersten Teil der Arbeit wird ein neuentwickeltes prozessorientiertes Finite-Elemente-(FE)-Simulationsmodell vorgestellt, welches den Vortriebsprozess und den Vorschub der Tunnelvortriebsmaschine entlang beliebiger Tunneltrassen abbilden kann. Darüber hinaus wurde ein vollautomatisches BIM-basiertes Modellerzeugungsmodul für Schildvortriebssimulationen entwickelt und anhand von Projektdaten der WEHRHAHN-LINE in Düsseldorf angewendet. Der zweite Teil befasst sich mit der Entwicklung einer numerischen Berechnungsstrategie zur Analyse von Scherversagenszuständen auf Basis einer Kombination aus der Enhanced Assumed Strain (EAS) Methode und der Embedded Strong Discontinuity (ESD) Methode, um eine realitätsnahe Bewertung der Ortsbruststabilität sowie Prognosen bezüglich potentieller Versagensmechanismen der Ortsbrust vornehmen zu können.In mechanized tunneling projects, large-scale 3D numerical models are increasingly used as predictive tools during the planning and the construction stages. In this thesis, advanced computational strategies to address certain unresolved problems inherent to the modeling of the tunnel boring process have been developed. In the first part, a novel computational framework is developed to simultaneously simulate the TBM movement and excavation processes during tunneling along arbitrary alignments using the FE- method. In addition, a fully automatic BIM-based modeler of shield tunneling simulations is developed and demonstrated by means of project data from WEHRHAHN-LINE metro in Düsseldorf. The second part presents a new approach based on the combination of the Enhanced Assumed Strain (EAS) method the Embedded Strong Discontinuity (ESD) method for shear failure analysis that is applied to accurately assess tunnel face stability and to predict potential tunnel face collapse mechanisms