Energetische Optimierung von Vereisungsmaßnahmen im Tunnelbau

Schüller, Rebecca; Ziegler, Martin; Vogt, Norbert

doi:urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-029204

Energetische Optimierung von Vereisungsmaßnahmen im Tunnelbau = Energetic optimization of artificial ground freezing applications in tunneling

Schüller, Rebecca

2015

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Rebecca Schüller

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2015

UmfangXXII, 171 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Ziegler, Martin (Thesis advisor) ; Vogt, Norbert (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-04-24

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-029204
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/479155/files/479155.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/479155/files/479155.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl für Geotechnik im Bauwesen und Institut für Grundbau, Bodenmechanik, Felsmechanik und Verkehrswasserbau (314310)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften (frei) ; Vereisung (frei) ; artificial ground freezing method (frei) ; Energieverbrauch (frei) ; energy consumption (frei) ; Optimierung (frei) ; optimization (frei) ; Erhaltungsphase (frei) ; operating phase (frei) ; Grundwasserströmung (frei) ; water seepage (frei) ; Tunnelbau (frei) ; tunneling (frei) ; Vorkühlung (frei) ; pre-cooling (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Das Vereisungsverfahren wird in den letzten Jahren vermehrt als Bauhilfsmaßnahme im Tunnelbau zur Erschließung geologisch und hydrologisch schwieriger Baugrundverhältnisse eingesetzt. Der wesentliche Vorteil des Vereisungsverfahrens liegt dabei in den Funktionen des entstehenden Frostkörpers, der sowohl statisch tragend als auch abdichtend gegen anstehendes Grundwasser wirkt. Trotz der zahlreichen Vorteile des Vereisungsverfahrens wird beim planmäßigen Einsatz des Verfahrens in der Praxis oftmals gezögert, da der Energieverbrauch aufgrund fehlender effektiver und zuverlässiger Berechnungsansätze falsch eingeschätzt wird. Weiterhin ermöglichen diese vorhandenen Berechnungsansätze zumeist nur eine unzureichende Berücksichtigung thermischer Einflüsse, wie beispielsweise einer Grundwasserströmung, wodurch sich weitere Unsicherheiten und Kostenrisiken ergeben. In früheren Forschungsarbeiten am Lehrstuhl für Geotechnik im Bauwesen der RWTH Aachen wurde bereits die Optimierung der Aufgefrierzeit von Vereisungsmaßnahmen in Abhängigkeit von der Grundwasserströmung untersucht. Um den planmäßigen Einsatz des Vereisungs-verfahrens in der Praxis zu erhöhen, muss zusätzlich zur Aufgefrierzeit auch die erforderliche Kühlleistung und der damit verbundene Energieverbrauch betrachtet sowie optimiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher eine ganzheitliche Optimierung von Vereisungsmaßnahmen im Hinblick auf die Aufgefrierzeit und insbesondere den Energieverbrauch unter Berücksichtigung der Aufgefrier- und Erhaltungsphase durchgeführt. Um eine realistische Bestimmung der Kühlleistung zu gewährleisten, müssen alle am Gefrierprozess beteiligten Komponenten (Boden, Grundwasser, Gefrierrohr) sowie deren Interaktion betrachtet werden. Dies erfordert eine numerische Betrachtung. Da geeignete Ansätze zur Bestimmung der Kühlleistung für Vereisungsmaßnahmen bislang aber fehlen, wurden im Rahmen dieser Arbeit zwei numerische Lösungsmodelle zur Bestimmung der Kühlleistung von Vereisungsmaßnahmen entwickelt. Beide Ansätze wurden in das Finite-Differenzen-Programm SHEMAT-Suite implementiert, das die gekoppelte Simulation von Wärmetransport- und Strömungsprozessen im Boden ermöglicht und bereits auf die Simulation von Vereisungs-maßnahmen angepasst wurde. Die entwickelten numerischen Lösungsmodelle unterscheiden einen vereinfachten und einen detaillierten Ansatz zur Bestimmung der Kühlleistung. Der vereinfachte Ansatz erfasst dabei lediglich den Einfluss des umgebenden Bodens auf die Kühlleistung. Der detaillierte Ansatz hingegen berücksichtigt sowohl den Gefrierrohraufbau und die Wärmetransport- und Strömungsprozesse innerhalb des Gefrierrohrs als auch die Kopplung mit dem umgebenden Boden. Der detaillierte Ansatz zur Bestimmung der Kühlleistung basiert auf der Theorie der thermischen Widerstände und wurde in Zusammenarbeit mit der Geophysica Beratungsgesellschaft mbH entwickelt. Die mathematische Berechnungsgrundlage sowie die numerische Umsetzung wurden zunächst für beide Lösungsmodelle verifiziert. Darauf aufbauend wurden beide Lösungsmodelle durch die Nachrechnung eines Modellversuchs der ETH Zürich validiert. Die Ergebnisse der Nachrechnung haben gezeigt, dass sowohl die Temperaturverteilung im Boden als auch die Kühlleistung mit beiden Lösungsmodellen mit guter Genauigkeit abgebildet werden kann. Zur Verdeutlichung der Praxistauglichkeit des detaillierten Lösungsmodells wurde weiterhin ein reales Vereisungsprojekt nachgerechnet. Die Ergebnisse dieser Simulation sind insbesondere vor dem Hintergrund der in der Praxis vorliegenden schwierigen Randbedingungen und deren oftmals unzureichender Erfassung als sehr vielversprechend zu bewerten. Aufbauend auf der Validierung der numerischen Lösungsmodelle wurden die maßgebenden Einflussfaktoren auf die Aufgefrierzeit und die Kühlleistung während der Aufgefrierphase für eine Querschlagvereisung unter Verwendung des detaillierten Lösungsmodells ermittelt. Dabei konnte die Grundwasserströmung als maßgeblicher Einflussparameter sowohl für die Aufgefrier-zeit als auch die Kühlenergie identifiziert werden. Die untersuchten Bodeneigenschaften, wie z.B. der Porenanteil, zeigen ebenfalls eine deutliche Beeinflussung der Aufgefrierzeit und der Kühlenergie, wodurch die Notwendigkeit einer zuverlässigen Baugrunderkundung unterstrichen wird. Obwohl der Einfluss der Eigenschaften des Gefrierrohrs sowie des Kälteträgers, wie z.B. die Vorlauftemperatur, vergleichsweise gering ist, bieten diese die Möglichkeit einer Optimierung im Vorfeld der Vereisungsmaßnahme und damit nutzbare Einsparpotentiale. Abschließend wurden verschiedene Ansätze zur energetischen Optimierung von Vereisungsmaßnahmen für die Aufgefrier- und Erhaltungsphase in umfangreichen numerischen Simulationen untersucht und bewertet. Für die Aufgefrierphase konnte gezeigt werden, dass das Einbringen zusätzlicher Gefrierrohre zur Vorkühlung im Anstrom des herzustellenden Frostkörpers zu einer deutlichen Verringerung der Aufgefrierzeit und der Kühlenergie führen kann. Zur energetischen Optimierung der Erhaltungsphase wurden verschiedene Betriebsvarianten, ein Betrieb mit einer erhöhten Vorlauftemperatur sowie ein intermittierender Betrieb, untersucht. Die zur Simulation des intermittierenden Betriebs erforderlichen Anpassungen des Programmcodes von SHEMAT-Suite wurden ebenfalls im Rahmen dieser Arbeit realisiert. Für die Erhaltungsphase konnte somit gezeigt werden, dass mit beiden Betriebsvarianten deutliche Einsparungen der Kühlenergie erreicht werden können. Die effektivste Betriebsvariante in der Erhaltungsphase stellt aber der intermittierende Betrieb dar, weil dieser aufgrund der individuellen Anpassung der zu definierenden Rohrgruppen an die kritischen Bereiche des Frostkörpers nicht nur die größten Energieeinsparungen erzielen kann, sondern auch das weitere Frostkörperwachstum wirksam begrenzt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden numerische Lösungsmodelle zur realistischen Bestimmung der Kühlenergie von Vereisungsmaßnahmen entwickelt, die eine Berücksichtigung aller Wärmetransport- und Strömungsprozesse im Gefrierrohr sowie im Boden ermöglichen. Mit Hilfe des vorliegenden, validierten Planungsinstruments wird somit eine ganzheitliche Optimierung von Vereisungsmaßnahmen in der Planungsphase möglich, die die Aufgefrierzeit und den Energieverbrauch einschließt. Durch numerische Simulationen in der Planungsphase der Vereisungsmaßnahme können folglich Optimierungskombinationen für die Aufgefrier- und die Erhaltungsphase ermittelt werden, die zu deutlichen Zeit-, Energie- und Kosteneinsparungen führen. Letztlich kann somit nicht nur die Wirtschaftlichkeit des Vereisungsverfahrens erhöht, sondern auch der planmäßige Einsatz des Vereisungsverfahrens in der Praxis gesteigert werden.

The artificial ground freezing method has been used in a great number of underground construction projects under geologically and hydrologically complex subsoil conditions. The main advantage of the freezing method can be seen in the functions of the frozen ground that has an increased strength and is impervious to water seepage. Despite numerous advantages the use of the freezing method in practice is often deferred because the energy consumption is assessed inaccurately due to the lack of effective and reliable calculation approaches. Therefore the energy consumption and the related energy costs are expected to be excessively high. Former investigations at the Chair of Geotechnical Engineering at the RWTH Aachen University dealt with the optimization of the freezing time subject to water seepage. To increase the use of the freezing method in practice not only the freezing time but also the refrigeration capacity and the related energy consumption need to be optimized. Therefore, a holistic optimization of artificial ground freezing applications regarding both freezing time and energy consumption has been carried out considering the freezing phase as well as the operating phase in this thesis. To ensure a realistic determination of the refrigeration capacity the interaction of all components (soil, groundwater, freeze pipe) involved in the freezing process needs to be considered. This requires numerical simulations. Due to the lack of appropriate approaches for the determination of the refrigeration capacity of artificial ground freezing applications two numerical solution models have been developed as part of this thesis. Both a simplified approach and a detailed numerical model have been implemented in the general three-dimensional coupled heat and flow transport code SHEMAT-Suite. The simplified approach considers the influence of the surrounding soil on the refrigeration capacity only. The detailed numerical model considers not only the freeze pipe and the heat transport and flow processes inside the freeze pipe but also the coupling with the surrounding soil. The detailed numerical model is based on the theory of thermal resistances and has been developed in cooperation with the Geophysica Beratungsgesellschaft mbH. First, the mathematical formulation and the numerical implementation have been verified for both approaches. Based on this both numerical solution models have been validated by the recalculation of a laboratory model test performed at the ETH Zurich. The results of the simulations showed that both the temperature distribution in the soil and the refrigeration capacity can be determined satisfyingly with both numerical models. To illustrate the practicality of the detailed numerical model a real artificial ground freezing project has been simulated. The results of this simulation are promising especially considering the background of complex boundary conditions in practice and their insufficient detection. Based on the validation of the numerical models the decisive influencing parameters on the freezing time and the refrigeration capacity during the freezing phase for the freezing of a crosscut have been investigated. Thereby the groundwater flow velocity has been identified as the decisive influencing parameter on both the freezing time and the energy consumption. Furthermore, the soil properties e.g. the porosity show a great effect on the freezing time and the energy consumption. This underlines the need of a reliable subsoil investigation. The influence of the properties of the freeze pipe is low in comparison to the influence of the soil properties. However, the properties of the freeze pipe and the refrigeration plant can be optimized prior to the execution of the artificial ground freezing application. In conclusion, several approaches for the energetic optimization of artificial ground freezing applications during freezing and operating phase have been examined and evaluated by menas of extensive numerical simulations. The results showed significant reductions of the freezing time and the energy consumption during the freezing phase by using the pre-cooling effect of additional freeze pipes in the upstream of the frost body. To optimize the energy consumption during the operating phase different operating modes such as an increased supply temperature or an intermittent mode of the refrigeration system have been examined. The necessary adjustments of the program code SHEMAT-Suite for the simulation of an intermittent mode have been realized within this thesis. The results show that significant savings of the energy consumption can be achieved by the use of both operating modes. However, the intermittent mode is the most effective during the operating phase due to the individual allocation and control of freeze pipe groups that enables the simple control of critical areas in the frost body. Hence, the intermittent mode can not only achieve the highest energy savings but also limit the further frost body growth effectively.Within this thesis numerical solution models for the realistic determination of the refrigeration capacity of artificial ground freezing applications considering the heat transport and flow processes inside the freeze pipe and the soil have been developed. By means of the developed and validated planning tool a holistic optimization of artificial ground freezing applications including freezing time and energy consumption can be achieved in the planning phase. These optimizations can lead to significant savings in freezing time, energy consumption and construction costs. Finally, not only the economic efficiency but also the systematic use of the artificial ground freezing method in practice can be increased.

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