Geophysikalische Vorauserkundung im Tunnelbau · GRAVIMETRIE Prinzip Untersuchung der räumlichen Variationen der Anziehungskraft/des Schwerefeldes Dichte-Inhomogenitäten z.B. Hohlräume

Lehrstu

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Geophysikalische Vorauserkundung imTunnelbau

Geophysikalische Vorauserkundung im Tunnelbau Lehrstu

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EINFÜHRUNG

Was ist Geophysik?

. . . Anwendung von physikalischen/mathematischen Methoden zurErstellung eines Abbildes des Erdinnern.

DefinitionWissenschaft von der Erforschung und Beschreibung der Erde („Geo“) mitden Methoden der Physik. Teilgebiet der Geowissenschaften bzgl.Forschungsobjekt, Teilgebiet der Physik bzgl. Methodik.Gliederung:

Physik des „Erdkörpers“ (im tiefen Erdinnern und in der Nähe derErdoberfläche)

Physik der Hydrosphäre (Ozeanographie, Hydrologie, etc.)

Physik der Atmosphäre (Meteorologie) und Magnetosphäre

TU Bergakademie Freiberg | Institut für Geotechnik | A.Kieslich | Geophysikalische Vorauserkundung im Tunnel-bau | 20.11.2017 1


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ZielInformationen über Strukturen und physikalische Eigenschaftenunter der Erdoberfläche aus physikalischen Messungen erhalten

ProblemUntersuchungsobjekt nicht direkt zugänglich (ausser Bohrungen,aber max. 12 km Tiefe)



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Anwendungsbereiche

Rohstoffexploration: Öl / Gas / Minerale / Wasser / etc.

Energiegewinnung: z.B. Geothermie

Endlagerung: z.B. CO2

Sequestrierung

Ingenieurgeophysik (Baugrunduntersuchung,Altlasten/Deponien, Erdfälle, Archäologie, Tunnelbau, etc.)

etc.



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Methoden der Angewandten Geophysik

Potentialverfahren Diffusionsverfahren WellenverfahrenGravimetrie Magnetotellurik GeoradarMagnetik Elektromagnetik Seismik

Geoelektrik VLF-Verfahren SeismologieGeothermikVektorfelder wie elliptische DGL, Wellengleichung

stationär aber instationär instationär→ elliptische DGL → parabolische DGL → hyperbolische

DGL



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VORAUSERKUNDUNG IM TUNNELBAU

Geophysikalische Standardmaßnahmen zurTerassenerkundung von der Oberfläche aus

1. Refraktions-/Reflexionsseismik

2. Gravimetrie

3. Geoelektrik

4. Bohrlochgeophysik



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REFRAKTIONS-/REFLEXIONSSEISMIK

Prinzip

Reflexion/Refraktion/Streuung von elastischen Wellen anSchichtgrenzen/Objekten

Ausbreitungsgeschwindigkeit abhängig von elastischenEigenschaften des Gesteins

typische Eindringtiefen: 0.1 - 1 km (Tiefenseismik bis 100 km)

Anwendungsbereiche

Rohstoffexploration, Energiegewinnung, Endlagerung(Reflexionsseismik)

Ingenieurgeophysik (Refraktionsseismik)



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Grundlagen

(a) Raumwellen (b) Oberflächenwellen



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Grundlagen



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GRAVIMETRIE

Prinzip

Untersuchung der räumlichen Variationen derAnziehungskraft/des Schwerefeldes

Dichte-Inhomogenitäten z.B. Hohlräume (Massendefizite)ergeben Anomalien des Schwerefeldes

Quelle

Schwerefeld (Anziehungskraft) der Erde

Aber:Lösung nicht immer eindeutig!



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GEOELEKTRIK

Prinzip

Einspeisung von Gleichstrom (Elektroden AB)

Messung der elektrischen Potentialdifferenz (Sonden MN)



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Parameter

gute Leitfähigkeit: Tone, graphithaltige Gesteine, etc.

schlechte Leitfähigkeit: kristalline Gesteine, Sandsteine, etc.

Anwendungsbereiche

Erkundung von Grundwasserleitern

Baugrund

Altlasten

Archäologie

→ Tiefenerfassung bis 30m

→ Objekte müssen entsprechend groß sein (Ausdehnung ≥Tiefenlage)



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BOHLOCHGEOPHYSIK

Prinzip

Anwendung geophysikalischer Messungen in Bohrlöchern

Verschiedene Methoden: SP (Selfpotential),Widerstandsmessungen, Induktions-Log, Leitfähigkeits-Log,Kaliper-Log, Dipmeter, Radioaktive Methoden (gamma-Log),Sonic-Log, Density-Log, Mud-Log, etc.

Vorteiledirekte, hochauflösendeMessungen

Nachteile„Nadelstich“, z.T. schwierig zuinterpretieren

→ Kombination mit oberflächenbasierten Verfahren



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Crosshole Tomographie

Strukturerkundung zwischenBohrungen

Hochauflösende Erkundung überkleine Bohrabstände



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Vortriebsbegleitende Erkundungsmaßnahmen

1. Tunnel Seismic Prediction (TSP)

2. Geothermal Diagnosis for Tunneling (GDT)

3. Bore-Tunneling Electrical Ahead Monitoring (BEAM)

4. Integrated Seismic Imaging System (ISIS)

5. Sonic Softground Probing (SSP)

6. Measurement While Drilling (MWD)

7. Bohrlochradar



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TUNNEL SEISMIC PREDICTION (TSP)

Grundlagen

bei konventionellem Vortieb und TBM-Vortrieben im Festgesteinanwendbar (SSP für Lockergesteine)

künstlich erzeugte seismische Echos

Rückschlüsse auf Lage und Ausdehnung geologischer Grenzflächen,Störungszonen, Karsthohlräume, wasserführende Schichten

liefert Geschwindigkeiten der P- und S-Wellen und Poissonzahl

→ daraus Berechnung von gebirgsmechanischen Kennwerten wie Dichteund E-Modul

basiert auf VSP-Verfahren (Vertical Seismic Profiling) aus derBohrlochgeophysik (Annahme: Tunnel = überdimensionale,horizontale Bohrung)



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Messung

an Tunnelflanke werden bis zu 30 seismische Sprengladungenin Bohrungen (1,5 m lang) installiert

beidseits der Tunnelachse ein 2 m langer Empfänger(registriert P- und S-Wellen)

nicht direkt an Ortsbrust, jedoch möglichst kurz dahinter

→ maximale Erkundungsreichweite im Vorfeld

Dauer Datenerfassung: ≈ 2 h (Vortrieb muss ruhen)

Analyse der Messergebnisse ≈ 6 h

Fehler nehmen bei höherer Erkundungsweite zu

steil stehende Formationen genauer verhersagbar

Empfehlung: alle 150 - 200 m Vortriebsstrecke neue Messung



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Aufbau des TSP



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Beispiel (Abwassertunnel unter Zuckerberg bei Stuttgart)

Auffahrung in Muschelkalk

Karsterscheinungen nach2,1 km (→ Überausbruch,deshalb weitere Arbeitennötig)

TSP zur Erkundung desEndes der Karstzone undweitere kritischeGebirgsabschnitte

→ Vorhersage der Karstzoneauf 2 m genau



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GEOTHERMAL DIAGNOSIS FOR TUNNELING(GDT)

Grundlagen

Temperaturfeld im Gebirgskörper wird beeinflusst von:

Wärmeleitung

Topographieeinfluss (Berge/Täler)

Wärmeströmung durch zirkulierende Bergwässer

Wärmeproduktion durch radioaktiven Zerfall

→ Wasserströmung (wasserführende Zonen) sehr sensitiv



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Messung

nutzt die von zirkulierendem Wasser verursachtenTemperatursignale

baubegleitende Erfassung der Felstemperaturen

numerische Auswertung (3-D Modellrechnungen)

Abweichungen der Messdaten vom Modell deuteninsbesondere auf zirkulierende Bergwässer hin

Identifizierung dieser Signale bereits in großer Entfernung(projektrelevante Rückschlüsse möglich)

ab ≈ 500 m Entfernung sind genauere Aussagen zuEigenschaften einer Störzone möglich



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Beispiel Piora Sondierstollen



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BORE-TUNNELING ELECTRICAL AHEAD MO-NITORING (BEAM)

Grundlagen

sowohl in Locker- als auch in Festgestein einsetzbar

hydrologische und geotechnische Gebirgsklassifikation und-dokumentation parallel möglich

besonders geeignet Kluftzonen, Karststrukturen,wasserführende Schichten und Verwitterungszonen imFestgestein zu lokalisieren



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Messung

Kombination aus induzierter Polarisation und fokusierter Geoelektrik

induzierte Polarisation: erkennt Kontraste in den elektrischenEigenschaften des Bodens

Fokussierung des eingeleiteten Stroms: Erhöhung der Auflösung

Messung vortriebsbegleitend und vortriebsentkoppelt möglich

BEAM-Varianten

BEAM-TBM . . . für TBM-VortriebBEAM-Drill & Blast . . . für den konventionellen SprengvortriebBEAM-Perimeter . . . für die Umfelderkundung im TunnelBEAM-Surface . . . für Kartierungsmaßnahmen von der

Oberfläche aus



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BEAM-TBM

beim Vortrieb mit Tunnelbohrmaschine

Strominduzierung über mehrere isolierte Meißel im Schneidrad(bilden A0-Elektroden)

Schild und Schneidrad dienen als Steuereletrode A1 (um fokussiertenSchirmstrom ringförmig anzulegen)

A0 und A1 gleiche Polarität und Spannung → kein Potentialgefälle

Gegenpol B (z.B. Anker, Bohrungen, lange Metallspieße) mindestens200 m vor TBM im feuchten Untergrund

Einspeisung von Strömen mit wechselnder Frequenz (konstanteSpannung)

→ frequensabhängige Widerstände und prozentualer Frequenzeffekt(PFE) berechnen

PFE: wie groß ist el. Energie, die im Gestein gespeichert werden kann



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PFE von Luft und Wasser = 0

→ niedrige/negative Werte weisen auf hohen Kluftanteil,Karthohlräume, locker gelagerte Sand-/Kiesschichten

→ hohe Werte sind Indikator für dicht gelagerte, homogeneGebirgsformationen (ton-, graphit-, erzhaltige Böden)

zusätzlich Ausgabe von Ground Change Indicator (GCI)

→ Verhältnis zwischen dem aktuellen durchschnittlichen PFE-Wertan der Ortsbrust und dem 10 m zurückliegenden PFE-Wert

→ Anzeige von kritischen Gesteinswechseln im Voraus

Echtzeitanzeige der Werte möglich

Reichweite: zwei- bis fünffache des Tunneldurchmessers

→ Auflösung nimmt mit zunehmender Entfernung ab

→ Gefahr von Fehlinterpretationen wird größer



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Aufbau des BEAM-TBM



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BEAM-Drill & Blast

beim konventionellen Sprengvortrieb

Bewehrung des bereits gesicherten Abschnitts oder mehrereelektrisch verbundene Anker dienen als A1-Kontakt

Bohrgestänge = A0-Elektrode

Gegenelektrode B im rückwärtigen Tunnelbereich

Messung während des Bohrens der Sprenglöcher

→ große Messintervalle→ keine Messung mehr in Echtzeit

Reichweite = dreifacher Durchmesser der Schirmelektrode(Tunneldurchmesser + Ankerlänge)



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Aufbau des BEAM-Drill & Blast



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BEAM-Perimeter

zur Umfelderkundung von bereits fertiggestellten Tunneln

Bewehrung der Tunnelschale = A1-Kontakt für Schirmstrom

Stromeinspeisung mit Handbohrmaschinen (A0) in Außenhaut

Gegenpool B in einigen hundert Metern vom Messort entfernt

Erkundungsreichweite = 1 Tunneldurchmesser

zur Lokalisierung von Hohlräumen und Karstmorphologien

BEAM-Surface

Spundwände der Baugrubenumschließung als A1-Elektrode

Metallspieß als A0-Kontakt

Reichweite = 10 m



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INTEGRATED SEISMIC IMAGING SYSTEM (ISIS)

Grundlagen

Verbesserung des TSP-Systems (seismische Effekte zur Erkundung)

Innovation: Felsanker werden als Empfänger mitgenutzt

→ radiale Anordnung zum Tunnel → besseres Abbild des Gebirges

(vgl. TSP: nur zwei Empfänger senkrecht zur Tunnelachse inzusätzlichen Bohrungen)

Miniaturgeophone in der Spitze der Gebirgsanker

können ohne Behinderung des Bauablaufes an jedem beliebigenPunkt der Tunneloberfläche eingebaut werden

→ reduziert Arbeits- und Kostenaufwand

auch möglich: Einbau der Geophone in Richtung des Tunnels nachvorne → Erhöhung der Auflösung



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Aufbau des ISIS



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Quelle

TSP: seismische Sprengungen

Vorteil: hochfrequente Energie/starke Signale

Nachteile: teure/zeitaufwendige Sprengbohrungen, nur mitSprengberechtigung, Vortrieb muss eingestellt werden

→ Entwicklung mechanischer Impulsquellen mit Zielvorgaben:reiner SignalpulsReproduzierbarkeit (Signale gleicher Energie)handliches Gerätfreie PositionierungFernbedienbarkeit

→ Pneumatischer Hammer (Impulsgenerator) & Sweepvibrator (mechanische Schwingungen)



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Messprinzip von ISIS



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Auswertung

Vergleich direkte und transformierte Wellen

→ Aussagen zu Diskontunuitäten über Reflexion, Beugung,Streuung der Signale

erste Interpretation der Daten nach 2 - 3 h nach Abschluss derMessungen

Erkundungsweite = 10 - 100 m

Qualität abhängig von Störgeräuschen (nimmt in Entfernungzur Tunneloberfläche ab)



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Beispiel Gotthard-Basistunnel



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SONIC SOFTGROUND PROBING (SSP)

Grundlagen

Reflexionsseismisches Verfahren für maschinellen Tunnelbau imLockergestein (Kies, Sand, Ton, leichter Fels: Mergel, Sandstein)Aufgaben:

Orten von Diskontinuitäten mit unregelmäßiger Oberfläche (z.B.Findlinge) in max. 50 m vor OrtsbrustLokalisierung von planaren Diskontinuitäten(Gesteinsübergänge, Verwerfungszonen)Ausgabe eines 3D-Bodenmodells in EchtzeitKlassifizierung der Festigkeit und Homogenität desdurchfahrenen Lockergesteins

Sender (Inertialvibrator) und Empfänger im Schneidrad

→ Maschinendurchmesser min. 5 m (sonst Abstand zu klein)



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Arbeitsschritte der Datenverarbeitung

1. Rauschunterdrückung (Trennung Nutzsignal undHintergrundrauschen)

2. Energieausgleich (später registrierte Wellen stärker gewichtet,da sie stärkere Dämpfung erfahren haben)

3. Wellenfeldtrennung (Trennung direkte und reflektierte Wellen)

4. Geschwindigkeitsberechnung (iterative Berechnung derseismischen Wellengeschwindigkeit)

5. 3D-Strukturmodell (Kombination der 2D-Entfernungsbilder)



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Anmerkungen

Kalibrierung des Systems während Vortrieb

→ im Allgemeinen noch Vergleich mit anderenVortriebsparametern (z.B. Drehmoment, Bohrfortschritt)

Erkundungsreichweite ≥ 40 m

Auflösung im Nahbereich ≤ 1 m

Sondierung hauptsächlich axial (in Vortriebsrichtung)

→ Auflösung lateral (seitlich) geringer



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Beispiel Citytunnel Leipzig



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MEASUREMENT WHILE DRILLING (MWD)

Anmerkungen

Nutzung der Erkundungsbohrungen durch den Schild

Detektionsreichweite ≈ 45 mAufgezeichnete Parameter:

RotationsgeschwindigkeitPenetrationsrateDrehzahlVortriebskraftBohrgutWasserHohlräume(optional: Kernbohrung)



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Aufbau MWD



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BOHRLOCHRADAR

Drei VariantenReflexionsmessung:

Sender und Empfänger in konstantemAbstand in einem Bohrloch (BL)

Aussagen über Strukturen um das BL

Crosshole-Messung:Sender und Empfänger getrennt, aberparallel

Aussagen über mittlereGeschwindigkeit abhängig von derStrecke zwischen den BL

Tomographische Messung:Sender und Empfänger getrennt

Verteilung von Geschwindigkeit in derEbene zwischen den BL



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Messdurchführung1. Bohrung

1 - 3 BLmax. 30 m lang

2. Installation der RohrePFC-Rohre zum Schutz derRadarantennen

3. MessungReflexionsmessung injedem BLCrosshole-Messungzwischen zwei BL

4. Ergebnisse



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Radargramm einer Reflexions-Messung



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VERGLEICH

TSP GDT BEAM ISIS SSP MWD BL-Radar

Prinzip Reflexions- Temperatur- induzierte Reflexions- Reflexions- Bohren Georadarseismik feld Polarisation seismik seismik

Geologie Festgestein Locker- & Locker- & Festgestein Lockergestein Locker- & nicht in TonFestgestein Festgestein Festgestein und Salz-

wasserPosition Tunnel- - Ortsbrust Tunnel- Ortsbrust BL BLSender flanke flankePosition Tunnel- Tunnel- Ortsbrust Tunnel- Ortsbrust BL BL

Empfänger flanke flanke flankeReichweite 150 - 200 m 500 m 2 - 5 Ø 200 m 40 m 30 m 10 mAuflösung ≥ 5 m - - ≥ 5 m ≥ 0.5 m 0.1 m 0.1 mVorteile große Auswertung in Messung Messung direkte Infos, großes

Reichweite Echtzeit, während während günstig, Einsatz-großes Vortrieb Vortrieb, großes spektrumEinsatz- kontinuierliche Einsatz-

spektrum, Messung spektrumkontinuierliche

MessungNachteile im Stillstand, nur wasser- geringe geringe geringe punktuell

lange führende Reichweite Auflösung, ReichweiteAuswertung Zonen lange

Auswertung

Tab. 1: Verlgleich der verschiedenen Methoden



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Fazit

keine absolute Sicherheit!

Auflösung nimmt mit Entfernung rapide ab

→ unproblematisch: in Entfernung nur große Höhlen für Statikgefährlich

Systempreise oft teuer (sechsstelliger Bereich)

→ geophysikalische Vorauserkundung noch nicht alltäglich imTunnelbau

Arbeit an weiterer Optimierung



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QUELLEN

Thomas Edelmann: Vorauserkundung im Tunnelbau (Bochum,30.09.2013)

Dipl.-Ing. J. Schmitt, Dr.-Ing. J. Gattermann, Prof. Dr.-Ing. J.Stahlmann: Hohlraumerkundung im Tunnelbau


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