Prognose der Felstemperatur Gotthard Basistunnel

Zusammenfassung Der Verlauf der ursprünglichen Felstemperatur in tiefen Tunneln ist von bautechnisch grosser Relevanz und dient u.a. als Auslegungsgrösse für die Dimensionierung der Tunnellüftung/-klimatisierung. Angesichts der hohen Überlagerung (bis zu 2’500 m) sind im Gotthard Basistunnel (GBT) hohe Felstemperaturen zu erwarten. Die Felstemperatur-Verteilung in einem Gebirgsmassiv ist das Resultat von Wärmetransportvorgängen (Wärmeleitung und Advektion) und hängt von Randbedingungen (Oberflächentemperatur, basaler Wärmefluss) sowie von weiteren Einflussfaktoren ab (3D-Topographie, geologischer Bau/W ärmeleitfähigkeitsstruktur, Tiefengrundwasserzirkulation/hydraulische Leitfähigkeitsstruktur). Als Prognose-Werkzeug wurde das numerische FE-Simulations-programm FRACTure ( Kohl 1992 ) mit speziellem 3D-Maschengenerator eingesetzt, womit auch Kopplungen (z.B. Hydraulik/Thermik) behandelt werden können. Dabei wurden sukzessive höhere Komplexitäten modelliert: reine Wärmeleitung→Advektion durch Tiefengrundwasserzirkulation, 2D→3D, homogen, isotrop→inhomogen, anisotrop, statio-när→instationär. Die Sensitivität von relevanten Einflussgrössen wurde ebenfalls mittels Parametervariationen ermittelt, wobei sich vorallem die Wärmeleitfähigkeit und die hydraulischen Leitfähigkeit sowie ihre Verteilung als ausschlaggebend herausgestellt haben. Das Prognoseprofil wurde aufgrund eines rund 75 × 15 × 50 km grossen Modells mit nahezu 200’000 Elementen gekoppelt/instationär berechnet. Verglichen mit rein konduktiv/stationär berechneten Felstemperaturen führt die Tiefengrundwasserzirkulation, hervorgerufen durch das ausgeprägte Relief des Bergwasserspiegels, zu einer Umverteilung der Wärme: generell sind unter Bergkämmen die Temperaturen erniedrigt und um Talböden erhöht. Dies führt dazu, dass die Felstemperatur im GBT selbst in Bereichen höchster Überlagerung unter 45°C bleibt. Bei Tunnelkilometer 35 (ab Nordportal Erstfeld) zeichnet sich der Kühleffekt der zum Tunneltrassee quer verlaufenden Wasserzirkulation in der Piora-Zone überdeutlich ab (ΔT nahezu 20°C). The distribution of natural rock temperatures at depth is of high importance in deep tunnel construction. Among others it is used to design the tunnel ventilation/climate system during construction and operation. Considering the great overburden (up to 2’500 m) elevated rock temperatures along the Gotthard Base Tunnel (GBT) must be expected. The rock temperature field within a mountain massif is the result of heat transport processes (heat conduction and advection) and is dependent on the boundary conditions involved (surface temperature, basal heat flow) as well as on certain parameters (3-D topography, distribution of geological units/of thermal conductivity, water circulation pattern/distribution of hydraulic conductivity). As a tool to conduct this prediction the numerical FE code FRACTure ( Kohl 1992 ) equipped with a special 3-D mesh generator, tailored to handle coupling (e.g. hydraulics/thermics) has been used. The complexity of the models has been increased gradually: pure conduction→advection due to deep water circulation, 2-D→3-D, homogeneous, isotropic→inhomogeneous, anisotropic, steady state→transient. The sensitivity of relevant 258 parameters has been found by sensitivity analysis, during which especially the thermal and hydraulic conductivity as well as their distribution proved to be the deciding factors. The prediction profile is based on a 75 × 15 × 50 km sized model including nearly 200’000 elements, coupled/transiently computed. Compared to the rock temperature distribution modelled for a pure conductive/steady state manner it becomes clear that the deep water circulation due to the high topography of the water table causes a redistribution of heat: generally there is a decrease of rock temperature observable under ridges and an increase under valleys. This is why the rock temperatures along the GBT, even in regions of highest overburden, should not exceed 45 °C. Around tunnelling kilometer 35 (from the north portal Erstfeld) the cooling effect due to the perpendicularly striking water circulation in the Piora zone manifests itself drastically (ΔT nearly 20°C). Resume La distribution des températures de la roche le long d&s;un tunnel profond est d&s;importance majeur pour la construction de tunnel. Entre autre elle est utilisé pour la conception du système de ventilation/climat du tunnel pendant la construction et l&s;exploitation. En considérant l&s;épaisse couverture de roche (jusqu’à 2’500 m) des températures de la roche élevées le long du tunnel de base du Gothard (GBT) doivent être prises en compte. La distribution de la température de la roche dans un massif de montagne est le résultat des procédés de transport de chaleur (conduction et advection) et dépend des conditions de bord impliqués (la température de surface, le flux de chaleur de base) ainsi que des paramètres divers (3-D topographie, distribution des unités géologiques/conductivités thermiques, circulation des eaux profondes/distribution des conductivités hydrauliques). Cette prévision fut conduit avec le code numérique d&s;éléments finis, FRACTure ( Kohl 1992 ), équipé d&s;un générateur spécial de maillage 3-D, conçu pour le traitement des procédés couplés (par exemple hydrauliques/thermiques). La complexité des modèles fut augmentée graduellement: conduction pure→advection par la circulation des eaux profondes, 2-D→3-D, stationnaire→transient, homogène isotrope→inhomogene anisotrope. La sensitivité des paramètres relevants fut trouvée par une variation des variables principales. Il apparaît particulièrement que la conductivité thermique et hydraulique sont des facteurs décidantes. Le profil pronostic est basé sur un modèle d’approximativement 75 × 15 × 50 kilomètres comprenant presque 200’000 éléments. Les calculs transients ont respectés le couplage hydro-thermique. En comparaison à la distribution de la température de roche modélisée conductivement/stationnairement il apparaît clairement que la circulation profonde des eaux initiées par la topographie élevée de la nappe aquifère cause une redistribution de la chaleur: généralement il y a une diminution observée de la température de roche sous des arêtes et une augmentation sous des vallées. Pour cela les températures de roche le long du GBT, même dans les régions de recouvrement le plus élevé, ne devraient pas excéder 45°C. Autour du kilomètre 35 de perçage du tunnel (du portal de nord à Erstfeld) l&s;effet de refroidissement par la circulation de l&s;eau de direction perpendiculaire dans la zone de Piora se manifeste rigoureusement (ΔT presque 20°C).