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Ungetrübter Tunnelblick

erstellt von timo_meyer zuletzt verändert: 17.11.2016 13:36 — abgelaufen

Vorausschauendes Fahren ist nicht nur überirdisch oberstes Gebot, sondern auch unter der Erde. Die Steuermänner gigantischer Tunnelbohrer müssen wissen, was die massiven Schneidräder der Bohrer auf ihrem Weg durch den Fels erwartet. Eine genaue Vorauserkundung kann hier Kosten und Mühe sparen.

Das hat wohl jeder schon einmal erlebt: Man will ein Loch in die Wand bohren, ist sich jedoch nicht sicher, was genau sich hinter dem Putz verbirgt. Trotz Abtastung mit dem Messgerät bleibt das ungute Gefühl, jeden Moment mit der Bohrmaschine auf eine Wasser- oder Stromleitung zu treffen.

Bei großen Tunnelprojekten ist die Situation ganz ähnlich, auch wenn die hier verwendeten Bohrer natürlich um einiges größer und die zu bohrenden Löcher nicht wenige Zentimeter, sondern mitunter etliche Kilometer tief sind. Auch bei großen Tunnelbauprojekten kann man auf gefährliche Überraschungen treffen, etwa auf geologische Störzonen, Fundamente, Hohlräume oder sogar Methaneinschlüsse und Blindgänger. Deshalb arbeiten Geoforscher und Ingenieure schon seit Jahren an Erkundungstechnologien, mit denen sie in den Erdboden „hineinsehen“ können – im Rahmen umfangreicher Verbundvorhaben wie etwa dem 2010 gestarteten Projekt SOUND.

Umgehungsstollen Faido

Zwei Ingenieure inspizieren einen Umgehungsstollen an einem Zwischenstück des 57 Kilometer langen Gotthard-Basistunnels in der Schweiz. Untertage-Großprojekte wie dieses sind nur möglich dank ausgeklügelter Vorauserkundungs-Methoden. (© AlpTransit Gotthard AG)


SOUND, das steht für „Seismic Observations for Underground Development“. Der Name deutet schon an, dass es für die Forscher dabei um mehr geht als einzig und allein die Vorauserkundung für geplante Tunnelprojekte. „Es geht um die Weiterentwicklung von technischen Bestandteilen sowie entsprechenden Auswertealgorithmen zur kontinuierlichen Überwachung von aktivem Tunnelbau einerseits und bereits langjährig existierenden Bauwerken andererseits“, erläutert Projektleiter Stefan Lüth. Mit anderen Worten: Die SOUND-Hightech könnte nicht nur an den Untergrundbaustellen, sondern auch in fertigen Tunneln, in Betrieb befindlichen Bergwerken und zukünftigen Kohlendioxid-Speichern für Sicherheit sorgen. Damit geht das Projekt einen Schritt weiter als ähnliche Vorhaben wie AUTOSEIS oder ONSITE, die sich auf die Tunnelvorerkundung konzentrierten und genau wie aktuell SOUND im Rahmen des GEOTECHNOLOGIEN-Programms gefördert wurden.

Lüth ist Geophysiker am Deutschen GeoForschungsZentrum in Potsdam und Experte für Reflexions- und Refraktionsseismik, also für genau jene beiden Methoden, mit denen Geoforscher seit einigen Jahren Fels und Gestein auf Unregelmäßigkeiten „abhorchen“ können. Dabei werden künstlich erzeugte seismische Wellen, ganz ähnlich denen, die durch Erdbeben ausgelöst werden, durch den Erdboden geschickt. Aus den Reflexionen und Brechungen dieser Wellen z.B. an Grenzschichten im Untergrund können sich Geophysiker mittels kleiner Erdmikrophone, so genannter Geophone, und spezieller Software ein genaues Bild von der Untertagewelt machen.

 

Der Bohrer als Teil des Abhörsystems

Bei SOUND wird man nach dem gleichen Prinzip arbeiten und in Sachen Tunnelvorerkundung das Prinzip des „Tunnel Seismic While Drilling“ anwenden und weiterentwickeln. Die geniale Idee hinter dieser Methode: Ein spezielles System aus Vibrationsquelle und Empfänger ermöglicht ein Durchleuchten des Bereichs vor dem Bohrer im laufenden Betrieb. Das spart Zeit und Kosten gegenüber Scan-Methoden, die mit Sprengungen arbeiteten und für die die Bohrarbeiten jedes Mal unterbrochen werden mussten.

Lüth und sein Team binden dabei den Tunnelbohrer selbst in das Lauschsystem ein – ein Novum in der Tunnelseismik. Statt auf einen pneumatischen Schlaghammer wollen sie die Bohrgeräusche der gewaltigen Maschinen als Vibrationsquelle nutzen. Um zu verstehen, warum sich dies positiv auf die Messung auswirkt, muss man sich zunächst anschauen, was genau mit den Schallwellen passiert, wenn diese im Tunnel losgelassen werden.

Zunächst laufen die Wellenfronten, egal ob von einem Schlaghammer oder einer elektromagnetischen Quelle ausgelöst, als Tunneloberflächenwellen über die zylindrische Innenwand des bereits gebohrten Tunnelstücks. Treffen sie auf dessen Ende, dort wo das Schneidrad arbeitet, verwandeln sich die Wellen in Raumwellen, die sich in alle Richtungen, vorrangig jedoch – und praktischerweise – nach vorn in Richtung des Tunnelvortriebs ausbreiten. Werden sie dort an Störstellen oder anderen Problemzonen reflektiert, laufen sie zurück und gehen an der Innenseite des Tunnels wieder in Oberflächenwellen über. Dort können sie von geeigneten Empfängern registriert werden. Stefan Lüth: „Unsere Sensortechnologie wird nicht unmittelbar ins Schneidrad integriert, sondern einige Meter dahinter in der Felswand oder der Betonverschalung. Somit umgehen wir auch die extremen Bedingungen im Schneidrad.“

Die Signale, mit denen man in den Berg horcht, werden also zuerst an den Tunnelwänden ausgelöst. Und genau hier hat der Kopf des Tunnelbohrers einen entscheidenden Vorteil gegenüber einer kleinen, einzelnen Vibrationsquelle wie beispielsweise einem Schlaghammer: Der Bohrkopf schickt das „Horchsignal“ über eine viel größere Fläche in den Untergrund, und das auch noch permanent, während der gesamten Bohrtätigkeit.

Den Bohrer als seismische Quelle zu betrachten, bringt aber auch Probleme mit sich. „Im Gegensatz zu einer klassischen seismischen Quelle ist das Signal, das vom Schneidrad kommt, nicht definiert“, erläutert Geophysiker Lüth. „Es muss mit Hilfe eines Sensors am Schneidrad oder über Kreuzkorrelation von mehreren Sensoren im Umfeld des Tunnels bestimmt werden.“

 

Die richtige Interpretation der Daten

Erste Feldtests an einer aktiven Tunnelbaustelle sind in Planung. Dabei geht es zunächst um die Art und Weise der Datengewinnung. Lüth: „Die technischen Voraussetzungen sind für bestimmte Vortriebstypen vorhanden. Es fehlen aber noch Ansätze für eine breite Anwendung nahezu unabhängig vom verwendeten Vortriebsverfahren.“ Die größte Herausforderung aber liegt in der Auswertung und Verarbeitung der Daten. Forschungsbedarf bestünde, so Stefan Lüth, vor allem in der Verknüpfung geotechnischer Parameter mit den geophysikalischen Messergebnissen – also darin, die aufgenommenen seismischen Signale mit der tatsächlich vor dem Bohrer liegenden Geologie in Beziehung zu setzen. „Die geophysikalischen Messergebnisse liefern räumliche Verteilungen von Reflektivität und unter Umständen die Verteilung von Ausbreitungsgeschwindigkeiten seismischer Wellen“, so Lüth weiter. „Für den Tunnelbauer sind aber eher statische Elastizitätsmodule bzw. Informationen über Klüfte und Kluftfüllungen interessant. Hier gibt es aus dem Vergleich von geotechnischen und geophysikalischen Messungen zwar empirische Beziehungen, die gelten aber nur für bestimmte Gesteinsarten unter relativ eng definierten Randbedingungen. Wir untersuchen die Möglichkeit, mit Hilfe von mehrdimensionaler Mustererkennung die geophysikalischen Messergebnisse mit Messdaten aus dem Betrieb der Tunnelbohrmaschine zu verknüpfen.“

 

Langzeittest im Bergwerk

Was bei der Tunnelvorerkundung in Planung ist, haben die Potsdamer Geophysiker im Themengebiet der Langzeitüberwachung des Untergrunds bereits gestartet. „Für den Komplex des Langzeitmonitorings von bestehenden Bauwerken wurde eine Versuchsanordnung im Forschungsbergwerk Reiche Zeche in Freiberg aufgebaut, die in regelmäßigen Abständen für Wiederholungsmessungen eingesetzt wird“, erzählt Stefan Lüth. Mithilfe fest installierter Vibrationsquellen und Empfänger wird hier nach Möglichkeiten gesucht, so genannte Spannungsumlagerungen im Gestein und eine damit verbundene Gefahr der Versagens unterirdischer Strukturen wie etwa der Tunnelwände frühzeitig erkennen zu können, um dann durch geeignete Sicherungsmaßnahmen Schlimmeres zu verhindern.

Praxistest im Bergwerk

Das Bild zeigt die Bedienung der permanent installierten seismischen Quelle zur Überwachung der laufenden Ausbrucharbeiten im Forschungsbergwerk Reiche Zeche in Freiberg. (Foto: Kay Krüger, GFZ)

 

Wichtiges Werkzeug für Großprojekte

Längst wacht die Öffentlichkeit mit Argusaugen über Großprojekte, erst recht, wenn diese in bzw. unter bewohnten Gebieten in Angriff genommen werden. Die Proteste rund um Stuttgart21 haben letztendlich nicht nur mit der Finanzierung des Projekts zu tun, sondern auch mit Sorgen um die Sicherheit. Genau hier kommt der Tomographie des Untergrunds eine wichtige Rolle zu. Viele Stadtplaner haben den Raum unter unseren Füßen als nutzbare Brachflächen ausgemacht. Ihre Pläne werden sich aber nur mit innovativen Vorauserkundungs- und Überwachungstechnologien realisieren lassen. Ohne ausreichende Sondierung in die unbekannten Weiten des Untergrunds vorzustoßen, kann schnell zu großen Problemen führen. Schließlich würde auch niemand mit verbundenen Augen Autofahren.

TM, iserundschmidt 05/2011


Mehr Informationen zu SOUND und den acht weiteren Projekten des GEOTECHNOLOGIEN-Schwerpunkts „Tomografie der Erdkruste - Von der Durchschallung zum Echtzeitmonitoring“ finden Sie hier.