Numerische Simulation des Gefrierprozesses bei der Baugrundvereisung im durchströmten Untergrund Ch. Baier, D. Mottaghy, M. Ziegler, V. Rath Zusammenfassung Die künstliche Baugrundvereisung hat sich als begleitende Bauhilfsmaßnahme im Tunnelbau bereits vielfach bewährt und gewinnt gerade in jüngerer Zeit zunehmende Beachtung bei einer Vielzahl aktueller Bauvorhaben. Durch das Einbringen von Gefrierrohren und gezieltes Aufgefrieren wird die Tragfähigkeit des anstehenden Bodens erhöht, so dass dieser als temporäres Sicherungselement für das bergmännische Auffahren des Hohlraums dienen kann. Ein geschlossen ausgebildeter Frostkörper ist zugleich wasserdicht. Im Gegensatz zu Injektionsmaßnahmen werden der Boden und das Grundwasser durch die reversible Vereisung nicht nachhaltig beeinträchtigt und der Anwendungsbereich erstreckt sich auch auf inhomogene Böden mit Einschlüssen. Im stark durchströmten Boden kann das Verfahren jedoch an seine Grenzen stoßen bzw. unwirtschaftlich werden, wenn die erforderliche Kühlleistung zur Kompensation des konvektiven Wärmeeintrags aus der Grundwasserströmung zu groß wird. Auf Basis numerischer Simulationen lassen sich unter Berücksichtigung der vorhandenen Grundwasserströmung schon im Vorfeld strömungsangepasste Entwurfskonzepte mit deutlichen Einsparpotentialen erarbeiten. Der vorliegende Beitrag erläutert die Besonderheiten von thermischen Vereisungssimulationen und stellt einen Lösungsansatz zur Beschreibung des Gefrierprozesses von durchströmten Böden vor. Am Simulationsbeispiel einer Querschlagvereisung wird ein möglicher Optimierungsansatz aufgezeigt. Abstract Numerical simulation of the freezing process during artificial ground freezing applications subject to groundwater flow Due to the increasing demand for the extension of road and rail infrastructure even in difficult geological and hydrological ground conditions the freezing method has recently been given a boost for tunnelling applications. The freezing method aims to provide artificially frozen soil as a temporary support structure for successive excavation stages. It is a versatile technique that increases the strength of the ground and makes it impervious to water seepage. In contrast to grouting works the freezing method is completely reversible and has no environmental impact. Ground freezing is not limited by adverse ground conditions and may be used in any soil formation, regardless of structure, grain size or inclusions. However, groundwater flow is a crucial factor. Often excessive flow and the alleged high costs for the supply of energy are the exclusion criterion for the method. In this case numerical simulations can provide flow-adapted freeze pipe arrangements and optimized operating modes of the cooling units to achieve considerable cost saving potentials during the construction stages. The report outlines a method for modelling the freezing process in a porous medium subject to groundwater flow. The practical benefit will be exemplified for the numerical assessment of the freezing of a cross passage. 1 Einleitung Der Grundgedanke des Gefrierverfahrens liegt in der temporären Umwandlung des Porenwassers des Bodens in Eis durch künstlichen Wärmeentzug [1]. Es entsteht ein Mehrphasengemisch aus Mineralkorn, Eis, ungefrorenem Wasser und ggf. Luft, dessen Kennwerte sich wesentlich von denen des ungefrorenen Bodens unterscheiden. Nach Beendigung des Kühlprozesses taut das im Korngefüge vorhandene Eis auf und der Boden nimmt seine ursprüngliche Zusammensetzung rückstandsfrei