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Vorabklärungen zur Vorauserkundung an der Ortsbrust im Tunnelbau

Abstract:

Der Vortrieb eines Stollens- oder Tunnels, aber auch das Abteufen eines Schachtes wird von einer Spannungsumlagerung im Gebirge begleitet. Diese äussert sich in einer statischen Wechselwirkung zwischen Ausbau und Gebirge. Das Element “Ausbau” kann dabei durch eine gezielte Wahl der Materialeigenschaften sowie der Form und Grösse der Ausbauelemente beeinflusst und bestimmt werden. Im Gegensatz dazu wird beim Vortrieb der oft wenig bekannte Baustoff “Gebirge” vorgefunden. Insbesondere im Falle einer komplexen Geologie und bei grosser Gebirgsüberlagerung sind mit fortschreitendem Vortrieb laufend Ungewissheiten bezüglich dem Baustoff “Gebirge” vorhanden. Ein weiteres potentielles Überraschungselement für den Tunnelbauer stellt das Bergwasser dar, welches, je nach Menge und Druck, einerseits die Materialeigenschaften des Gebirges verschlechtern, anderseits die Vortriebsarbeiten erschweren kann. Besonders kritische Situationen entstehen durch Wasser- und Schlammeinbrüche. Es ist daher verständlich, dass eine verbesserte Kenntnis der Gebirgsverhältnisse und des Wasservorkommens vor und seitlich der Ortsbrust eines Tunnelvortriebes sehr erstrebenswert ist. Manche Schadensftie in Form von Gesteinsniederbrüchen, Schlamm- und Wassereinbrüchen hätten bei genauerer Kenntnis der geologischen und hydrologischen Verhältnisse vor der Ortsbrust vermieden oder zumindest in ihrer Auswirkung gemildert werden können. Derartige, oft schlagartig auftretende Schadensereignisse können die Vortriebsarbeiten nachhaltig beeinträchtigen, was zu einer Verlängerung der Bauzeit bzw. zu erheblichen Kostensteigerungen führen kann. In Einzelfällen war man gar gezwungen, den ‘Tunnelvortrieb auf der geplanten Achse einzustellen und eine neue Linienführung zu suchen. Das überraschende Auftreten derartiger Ereignisse hat schon des öfteren zu Todesopfern geführt. Die Voraussage der Gebirgs- und Wasserverhältnisse im Ortsbrustbereich beruhte bis anhin vorwiegend auf der von der Geländeoberfläche aus vorgenommenen geologischen Erkundung. Die geologische Prognose bezweckt die möglichst zutreffende Beschreibung der Gebirgseigenschaften und der Wasservorkommen entlang der Projektachse eines Stollens, Tunnels oder Schachtes. Grosse Gebirgsüberlagerungen oder sehr wechselhafte geologische Verhältnisse können jedoch die Genauigkeit und die Zuverlässigkeit der Voraussage beeinträchtigen. Zudem steigen die Kosten für die geologische Erkundung bei zunehmender Gebirgsüberlagerung stark an, da längere Erkundungsbohrungen notwendig sind und geophysikalische Methoden nur beschränkt angewendet werden können. Für derartige Fälle besteht im Tunnelbau der Bedarf nach einem Erkundungsverfahren, welches die Lokalisierung von geologischen Irregularitäten&en bzw. lokalen Schwächezonen im Gebirge, aber auch die Ortung von bergseits der Ortsbrust gespeicherten Wasservorkommen aus dem laufenden Vortrieb ermöglicht. Voraussetzung ist jedoch, dass das gesuchte, laufend angewendete Erkundungsverfahren die Vortriebsarbeiten nicht behindert, insbesondere beim maschinellen Tunnelvortrieb mit entsprechend hohen Vortriebsleistungen. Anzustreben ist eine vollständige Integration und Automatisierung der für die Vorfelderkundung notwendigen apparativen Installationen in die Vortriebseinrichtung. Kann eine Störzone rechtzeitig in ihrer Lage und Grösse erkannt werden, so besteht die Möglichkeit, den Vortrieb anzuhalten und die Störzone mit besonderen, aus dem Ortsbrustbereich eingesetzten Bauhilfsmassnahmen zu überwinden. Auch eine Änderung der Bauweise oder gar des Bauverfahrens kann dabei erforderlich sein. Eine bewahrte und oft angewandte Methode zur Vorfeldprognose ist das “Vorbohrverfahren” mit oder ohne Kerngewinnung. Dieses Verfahren wird sowohl bei konventionellen wie auch bei maschinellen Vortrieben angewendet. Die Ergebnisse sind jedoch oft nur nadelstichartige Informationen. Je nach Anzahl und Lange der Vorbohrungen werden die Vortriebsleistungen mehr oder weniger stark beeinflusst. In jüngster Zeit werden auch geophysikalische Erkundungsmethoden im Vortrieb eingesetzt. So wurden Versuche mittels Seismik aus dem laufenden Vortrieb vorgenommen, um das Vorfeld der Ortsbrust zu erkunden. Die Fachgruppe für Untertagebau (FGU) des Schweizerischen Ingenieur- und Architektenvereins befasste sich eingehend mit diesem Thema und war Initiant des vorliegenden Forschungsprojektes. Das Projekt hatte zum Ziel, Vorabklärungen betreffend der Entwicklung einer auf Radar basierenden Messmethode zur Erkundung des Vor- und Umfeldes an der Ortsbrust im Tunnelbau zu treffen und für das weitere Vorgehen Entscheidungsgrundlagen zu erarbeiten. Beim Georadar-Verfahren handelt es sich um eine relativ junge geophysikalische Messmethode. Sie wurde Anfangs der 70-er Jahre erstmals in einer amerikanischen Kohlenmine angewendet und anschliessend zur Erkundung von Salzdomen eingesetzt. Parallel dazu fand das Georadar-Messverfahren bei der zerstörungsfreien Erkundung von oberflächennahen Erdschichten und Strukturen Verbreitung, insbesondere zur Ortung von Leitungen oder zur Zustandskontrolle von Tunnelverkleidungen. Eine Georadar-Apparatur besteht aus einer zentralen Sende- und Empfangseinheit und den Antennen. Während des Messvorganges werden von der Sendeantenne elektromagnetische Impulse in den Baugrund eingeleitet. An geologischen Schichtflächen oder Objekten, wo sprungartige Änderungen der elektrischen Impedanz auftreten, werden die Wellen reflektiert oder gestreut. Dabei können sie zurück zur Empfangsantenne gelangen. Die Lokalisierung der Reflexionen erfolgt durch die Messung der Laufzeit und der Amplitude der verstärkten Signale. Angesichts der hohen Kosten der Entwicklung einer auf Radar basierenden Messmethode zur Erkundung des Vor- und Umfeldes an der Ortsbrust im Tunnelbau wurden die Forschungsrisiken durch ein schrittweises Vorgehen minimiert In diesem Sinne wurden von der FGU in einem ersten Schritt Vorversuche im Ortsbrustbereich bei zwei sich in der Vortriebsphase befindlichen Tunneln in Auftrag gegeben, wobei die konventionelle Radarmethode dem Verfahren mit synthetischen Pulsen in einem praktischen Versuch unter Tunnelvortriebsbedingungen gegenüber gestellt wurde. Bei diesen Testmessungen ging es primär um die Überprüfung der praktischen Einsetzbarkeit der zur Zeit handelsüblichen Messapparaturen, um die Interpretierbarkeit der Messdaten und um Erfahrungen mit spezialisierten Firmen. Erst in zweiter Linie wurde die Erreichung grösserer Reichweiten angestrebt. Die wesentlichsten Erkenntnisse dieser Testmessungen waren: - Die Verwendung von offenen Dipolantennen im Stollen oder Tunnel führte zu einem direkten Übersprechen von Sender und Antenne und zu Reflexionen durch die Tunnelwand, die Ortsbrust und durch Baustellenfahrzeuge. Die mangelnde Kopplung von Antenne und Gebirge führte zu Energieverlusten und reduzierte die Reichweite. - Mit dem Einsatz von konventionellem Georadar mit einer Frequenz von 60 MHz und offenen Dipolantennen konnten in einem Sedimentgestein, bestehend aus Nagelfluh, Sandstein, Siltstein und Mergel, Reichweiten von 3 bis 5 m erreicht werden. - Die mit synthetischem Pulsradar mit einer Versuchsapparatur durchgeführten Messungen ergaben bei einer mittleren Frequenz von 28 MHz mit offenen Dipolantennen in einer Wechsellagerung aus Kalksandsteinen und Mergelschiefern im Reflexionsmodus eine maximale Reichweite von 17 m. In einem zweiten Schritt wurden Modellversuche mit synthetischen Pulsen durchgeführt. Modellversuche sind in der Elektrotechnik ein wertvolles und oft verwendetes Hilfsmittel. Das Ziel dieser Modellversuche war die Entwicklung eines Abbildungssystem für Tunnelbohrmaschinen. Messungen an einem Modell sind bei der Einhaltung der Transformationsregeln exakt durchführbar. Es waren vor allem ökonomische Grunde, welche dazu führten, dass weitere Abklärungen nicht im Massstab 1:1, sondern an Modellen mit einem Verkleinerungsfaktor von 150 vorgenommen wurden. Die an der TU Bochum durchgeführten Versuche ergaben neue Erkenntnisse betreffend dem Einsatzbereich von Georadar im Tunnelvortrieb und betreffend der Realisierbarkeit eines geeigneten Abbildeverfahrens. Die Erfahrungen mit Georadar haben gezeigt, dass im Nahbereich der Ortsbrust interessante Resultate erzielbar sind. Die gegensätzlichen Forderungen einer grossen Reichweite, welche im Falle von Georadar mit niedrigen Frequenzen erreicht werden, und einem guten Auflösungsvermögen, welches hohe Frequenzen erfordert, führt zur Wahl eines Radar-Frequenzbandes von ca. 10 MHz bis 70 MHz. In-Situ Versuche und Modellbetrachtungen haben ergeben, dass insbesondere tonhaltiges oder stark wasserhaltiges Gestein eine hohe Dämpfung der Radarwellen bewirkt und die Reichweite des Verfahrens einschränken. In stark tonhaltigen Sedimentgesteinen betragt diese nur noch ca. 5 m. Anderseits stellen Wassereinschlüsse in trockenem Gestein, wie z.B. Karsthöhlen, sehr gute Reflektoren dar und können auf grössere Distanzen noch erkannt werden. Die Erfolgschancen für die Entwicklung einer auf Georadar basierenden Vorfeldprognose werden unterschiedlich beurteilt. Einerseits lassen die zusammenfassende Beurteilung der Modellversuche von Herrn Prof. Dr. Hansen (Uni Bochum) sowie die Schlussbemerkungen und der Ausblick von Herrn Dr. Caspers (CERN, Genf) vom Standpunkt der Elektrodynamik eine kritische, doch grundsätzlich positive Beurteilung der Erfolgschancen entnehmen. Dieser vorsichtige Optimismus äussert sich in einem, diesem Bericht angefügten Vorschlag zur Realisierung des nächsten Forschungsschrittes. Anderseits betrachtet der Vorstand der Fachgruppe für Untertagbau des SIA aufgrund der bisherigen Arbeiten zur Vorabklärung der Vorauserkundung an der Ortsbrust im Tunnelbau die Aussichten für die erfolgreiche Entwicklung eines praktisch anwendbaren Gerätes zur Zeit als gering, kosten- und &intensiver als prognostiziert, sodass eine weitere Unterstützung dieses Vorhabens durch FGU-eigene bzw. öffentliche Mittel nicht vertreten werden kann. Die Entwicklung einer praxisgerechten Anlage ist nach Auffassung des Vorstandes FGU mit einem hohen Risiko verbunden und es wird angezweifelt, ob die tunnelbautechnisch relevanten Informationen aus den Messwerten wirklich und dazu noch mit vertretbarem Zeitaufwand erbracht werden können.

Authors:

Amstad, Christian

Index Terms:

Vorauserkundung; tunneling; underground openings; rock; TunnelingGroup

Further Information:

Date published: 1990