Erweitertes Simulations-Framework für den maschinellen Tunnelbau in städtischen Umgebungen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Ba Trung Cao
• Fachliche Zuordnung: Geotechnik, Wasserbau ; Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 518862444

In diesem Projekt entwickeln und wenden wir ein neuartiges Berechnungsframework basierend auf der Cut-Finite-Elemente-Methode (CutFEM) für die prozessorientierte Simulation im maschinellen Tunnelbau an. Vorteile der Diskretisierungstechniken höherer Ordnung werden übernommen, um die Genauigkeit und Robustheit der Berechnung weiter zu verbessern. Das auf CutFEM basierende Vortriebssimulationskonzept wird durch die Integration der Komponenten der isogeometrischen Analyse (IGA), nämlich des Hintergrundnetzes, der Auskleidung und der unterirdischen Strukturen, auf die übergeordnete Umgebung erweitert. Unser Ziel ist es, die High Level of Detail (LOD)-Strukturen in die Analyse einzubeziehen, da dies dazu beitragen wird, weitere Einblicke in die Wechselwirkung zwischen dem Tunnelbauprozess und der umgebenden Infrastruktur zu gewinnen. Der standardmäßige Modellierungsprozess des Building Information Model (BIM) wird verwendet, um die Dateninformationen aus dem Tunnelbauprozess sowie von Gebäuden und unterirdischen Strukturen wie der U-Bahnstation, Gebäudefundamenten und Wasserleitungen zu verwalten. Es wird ein Analyserahmen entwickelt, der die Verwendung modernster Analysesoftware mit geeigneter Verknüpfung mit der BIM-Modellierungsplattform umfasst. Dieses Framework ist auch die Grundlage für die Implementierung einer Echtzeit-Vorhersagestrategie, die Unsicherheiten aus dem Tunnelbauprozess berücksichtigt. In dieser Strategie werden Ersatzmodelle basierend auf Techniken des maschinellen Lernens (ML) entwickelt, um eine Echtzeit-Zuverlässigkeitsanalyse durchzuführen, die in der Lage ist, Boden-Tunnel-Wechselwirkungen und tunnelinduzierte Reaktionen bestehender Strukturen unter Berücksichtigung polymorpher Unsicherheiten schnell vorherzusagen. Wir wenden diese Plattform für praktische Szenarien an, indem wir zunächst das BIM-Datenmanagement, Simulationsmodelle, Ersatzmodelle und Zuverlässigkeitsanalysen für das Metroprojekt Hanoi oder Ho-Chi-Minh-Stadt (HCMC) erstellen, das in naher Zukunft beginnen soll. Unter Verwendung der vom Forschungspartner bereitgestellten Projektdaten werden verschiedene Grabungsszenarien vorgeschlagen. In jedem Szenario werden die Prozessparameter, z. B. Injektionsdruck und Ortsbrustdruck, werden gegen die Wechselwirkung mit den umgebenden Strukturen optimiert. Die zu optimierenden Parameter sind die berechneten Oberflächensetzungen, die Neigungswinkel der Gebäude und die statischen Kräfte und Verformungen der unterirdischen Strukturen. Da die seismische Belastung ein wichtiger Faktor bei der Planung des Bauprojekts in Vietnam ist, beziehen wir diese Fähigkeit in die Analyse ein, indem wir die Spektral-Finite-Elemente-Methode (SpecFEM) verwenden. Am Ende dieses Prozesses werden Richtlinien für ein optimiertes Bauszenario vorgeschlagen, um den Sicherheitsfaktor des Bauprojekts zu maximieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Vietnam
• Partnerorganisation: National Foundation of Science and Technology Development of Vietnam (NAFOSTED)
• Kooperationspartner: Professor Dr. Ngoc Anh Do
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Hoang Giang Bui, Ph.D.