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ISP

Die vortriebsbegleitende Vorauserkundung für Hartgestein

________________ Für den maschinellen Tunnelbau im Hartgestein hält der Baugrund immer wieder Überraschungen bereit. Gesteinshärte und -festigkeit, Klüftungsgrad, Störzonen sowie Karstvorkommen können von den prognostizierten Werten und Kenntnissen abweichen. Im Rahmen einer Kooperation entwickelten die Herrenknecht AG und das Helmholtz-Zentrum Potsdam Deutsches GeoForschungsZentrum (GFZ) ein vortriebsbegleitendes geophysikalisches Vorauserkundungssystem: ISP - Integrated Seismic Prediction.

Mit dem Blick voraus bleibt der Baugrund unter Kontrolle

Schlaghammer und Zugang zur Geologie (Loch im Schild), in Vortriebsrichtung rechts (gelb markiert).

Eine Besonderheit von ISP besteht darin, dass das System auch nach Vortriebsstart auf eine TBM installiert werden kann. Die hohe Erkundungsreichweite erfüllt für den Betrieb der TBM die Funktion eines Frühwarnsystems. Geologische Anomalien können zügig angefahren und aus kürzerer Distanz mit konventionellen Methoden untersucht und verifiziert werden. Damit entfallen zum Teil geforderte permanente Vorausbohrungen, die entsprechende Stillstandzeiten und damit hohe Kosten nach sich ziehen. Das ISP besteht im Wesentlichen aus drei Baugruppen:

Perspektivische Ansicht des Tunnels mit der geplanten Verteilung der Aufzeichungspunkte (blau) mittels Geophonen und Schlagpunkte (rot).

1. Quellen:
Als seismische Quelle zum Energieeintrag in den Fels werden zwei pneumatisch betriebene Schlaghämmer genutzt. Durch deren Installation auf den Grippern einer offenen Hartgesteinsmaschine bzw. auf einer Anbaukonsole im Schild einer entsprechend vorbereiteten TBM ist die Zugänglichkeit zum Fels gewährleistet. In den Ruhephasen des Vortriebs bei stehendem Schneidrad, während des Ringbaus einer Schild- oder nach dem Umsetzen der Gripper bei einer offenen TBM, werden die Schlaghämmer gegen die Tunnelwand gefahren, angepresst und Schläge ausgelöst.

Messanker mit Datenlogger.

2. Empfänger und Datenaufnahme:
Die seismischen Empfänger bestehen aus 3-Komponenten Geophonen, die in den Spitzen speziell angefertigter wiederverwendbarer Messanker platziert sind. Für eine ausreichende Anbindung dieser Messanker an den Fels sorgen Trägerrohre, die in abgebohrte Löcher in den Fels geklebt werden. Die Datenaufnahme an sich erfolgt mit Hilfe von autarken, akkubetriebenen Funkdatenloggern, die sich direkt auf den Anschlüssen an den Messankern befinden. Die akquirierten Daten werden dann an die Rechnereinheit gesendet und dort weiterverarbeitet.

3. Rechnereinheit mit Steuerungs-, Kontroll- und Processing-Software:
Als Rechnereinheit dient ein Laptop mit spezieller System-Software, der Navigationsdaten und den Maschinenstatus aus der SPS der TBM abfragt. Diese sind für die räumliche Definition des Gesamtmesssystems mit allen Komponenten, die Schlagfreigabe der Schlaghämmer und auch für die anschließende korrekte Verarbeitung und Darstellung der Daten notwendig.

Das Prinzip der Wellenkonvertierung

Durch die Anregung an der Tunnelwand mittels einer Schlagquelle werden sowohl Raum- als auch Oberflächenwellen (Rayleigh-Wellen) generiert. Letztere laufen entlang der Tunnelwand in Richtung Ortsbrust. Dort findet eine Konversion zu einer S-Welle (Scherwelle) statt. Wenn diese im Gebirge auf ein Hindernis trifft, wird sie teilweise reflektiert. Die maßgebliche physikalische Größe hierbei ist die seismische Impedanz (Schallhärte oder Wellenwiderstand), die sich aus dem Produkte der Dichte des durchschallten Mediums und der S-Wellen-Geschwindigkeit im jeweils durchlaufenen Bodenkörper ergibt.

Das Messprinzip.

Eine Reflektion der S-Welle hängt also von einem hinreichenden Impedanzkontrast ab, wie er in stark zerklüftetem und zerlegtem Fels (Störungen) bzw. durch wassergefüllte Klüfte oder Höhlen zu erwarten ist. Die reflektierte S-Welle läuft als solche wieder zurück zur Ortsbrust. Dort wird sie wiederum teilweise in eine Rayleigh-Welle konvertiert, die erneut an der Tunneloberfläche entlang läuft und anschließend von den in die Tunnelwand eingeklebten Geophonen registriert werden kann. Dieser Laufweg wird als RSSR-Wellengang bezeichnet.

Die Datenlogger messen die jeweiligen Wellenlaufzeiten, die mittels eines speziellen Rechenverfahrens die Grundlage für die Interpretation der seismischen Signale bilden und denen somit der Ort ihrer Entstehung zugeordnet werden kann.

Das Leistungsvermögen von ISP

Bei einer Erkundungsreichweite in Vortriebsrichtung von 50 bis 100 Metern, maximal aber 150 Meter vor der Ortsbrust, liegt die Auflösung bzw. Lagegenauigkeit der detektierten Strukturen bei 5 bis 10 Metern. Mit dem System können Hohlräume, sowohl wasser- als auch luftgefüllt, und geologische Schwäche- bzw. Störungszonen im Gebirge detektiert werden.

Wie bei allen geophysikalischen Erkundungsmethoden ist auch hier die Kombination verschiedener Messmethoden zur Verifizierung von Verdachtsmomenten und Detektionen empfehlenswert. Vorausbohrungen müssen jedoch nicht mehr permanent, sondern nur sehr gezielt durchgeführt werden.

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