Warum es vorteilhaft ist, eine Tunnelbaustelle für kurze Zeit tiefzukühlen, erklärt Doktorand Rodolfo Javier Williams Moises vom Lehrstuhl für Statik und Dynamik in der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins Rubin.

Zwar ist der Nutzen von Tunneln riesig, denn es erleichtert unser Reisen, doch ist der Tunnelbau immer noch besonderen Herausforderungen ausgesetzt, wie z.B. nicht ausreichend tragendem Untergrund oder auch Grundwasserströmungen. Oftmals wird für eine temporäre Verfestigung und Abdichtung von Böden auf die Bodenvereisung zurückgegriffen. Dabei werden 30 bis 100 Meter lange Gefrierlanzen im Boden gesetzt. „Sie werden permanent von einem kalten Fluid durchströmt, wodurch um sie herum nach einiger Zeit die Temperatur so stark absinkt, dass das Porenwasser im Boden zu Eis gefriert. Als Kältemittel für die Bodenvereisung kann entweder Sole oder Flüssigstickstoff verwendet werden. Bei der sogenannten Solevereisung zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf eine Salzlösung, die in der Regel eine Gefrierrohrtemperatur zwischen minus 40 Grad Celsius und minus 25 Grad Celsius schafft.“, so Rodolfo Javier Williams Moises. Bis zu vier Wochen können vergehen, bis der Boden ausreichend gefroren ist.

Häufig werden die Gefrierlanzen in einem Halbkreis um den geplanten Tunnel positioniert, welcher etwas größer als der Tunnelquerschnitt ist. Prof. Dr. techn. Günther Meschke, Leiter des Lehrstuhls für Statik und Dynamik, erklärt: „Man treibt den Tunnel dann innerhalb der gefrorenen Zone vor und berührt dabei nur ihren inneren Rand. So arbeitet man in einer Art schützendem Eismantel.“ Mit dieser umweltfreundlichen Methode können im Inneren des Eismantels nun Grundwasserströmungen den Tunnelvortrieb nicht mehr stören sowie etwaige Setzungen und somit Gebäudeschäden aufgrund des gefrorenen Bodens nicht verursacht werden.

Derzeit steht im Fokus der Forschungsarbeit die Simulation möglicher Risiken bei der Vereisung von Tunnelbaustellen, insbesondere im maschinellen Tunnelbau. „Weil dieser Prozess automatisch abläuft, ohne dass man – anders als bei der bergmännischen Bauweise – die Gegebenheiten vor Ort sehen kann, wollen wir mithilfe von Simulationen herausfinden, welche möglichen Bedingungen existieren, die Einfluss auf die Vereisung nehmen könnten“, so Rodolfo Javier Williams Moises. Der Lehrstuhl für Statik und Dynamik setzt als weltweit erstes solche Simulationen an einem vollständigen Modell um. Für die Simulation werden alle möglichen Einflussfaktoren berücksichtigt.