Die Anwendung des Gefrierverfahrens zur Herstellung von tragenden und dichten Frostkörpern hat sich vielfach als sichere Bauhilfsmaßnahme im Tunnelbau bewährt. Im Gegensatz zu anderen Verfahren bietet die künstliche Baugrundvereisung ein breites Einsatzspektrum in den unterschiedlichsten Bodenarten und ist reversibel durchführbar, so dass keine nachteiligen Rückstände im Boden bzw. Grundwasser verbleiben.
Die Hauptanwendungsfelder sind die Herstellung von Querschlägen und die bergmännische Aufweitung von Haltestellen im Nachgang zum maschinellen Tunnelvortrieb. Oftmals stellen jedoch die hohen Kosten für die bereitzustellende Kühlleistung ein Ausschlusskriterium für den planmäßigen Einsatz des Verfahrens dar. Die zuverlässige Prognose der Frostausbreitung unter den vorherrschenden thermischen Einflüssen ist damit eine unerlässliche Planungsgrundlage für den Entwurf eines Vereisungskonzeptes. Eine vorhandene Grundwasserströmung lässt sich als maßgeblicher thermischer Eintrag und damit wesentlich gefrierzeit- und kostenbestimmend charakterisieren. Durch den Strömungseinfluss ergibt sich ein gekoppeltes Wärmetransport-Grundwasserströmungsproblem, das sich einer geschlossenen analytischen Lösung entzieht. Zudem verleihen die Temperaturabhängigkeit der thermischen Bodenkennwerte und der Phasenwechsel des Porenwassers dem Problem einen stark nichtlinearen Charakter. Erst numerische Verfahren bieten die Möglichkeit, das komplexe Verhalten gefrorener Böden und den thermischen Einfluss einer Grundwasserströmung zu erfassen. Eine Vielzahl heute verfügbarer Programmsysteme kann diese Problemstellung nicht praxistauglich lösen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird durch gezielte Weiterentwicklung des Programmpakets SHEMAT (Simulator for Heat and Mass Transfer) ein praktikables, numerisches Lösungsmodell zur Beschreibung des Frostwachstums bei Vereisungsmaßnahmen unter Strömungseinfluss bereitgestellt…
