Geologische Vorerkundungsverfahren im Tunnelbau; Technologie, Einsatzspektrum, Anwendungsbereich, Gerätschaft, baubetriebliche Konsequenz

Abstract

Die Planung und Herstellung eines Tunnelbauwerks ist sehr stark von der Geologie des zu durchörternden Untergrundes abhängig. Da das komplette Bauwerk in Interaktion mit dem umgebenden Untergrund steht, ist eine genaue Untersuchung der Geologie in der Planungsphase unumgänglich. Zum einen müssen die Strukturen und das Verhalten des Untergrundes bei der Ausschreibung des Projekts bekannt sein, damit eine ordnungsgemäße Vergabe stattfinden kann, und zum anderen bedeuten plötzlich auftretende Anomalien im Untergrund (Störungs- und Kluftzonen, wassergefüllte Hohlräume, anthropogene Einbauten, usw.) während des Vortriebes großes Risikopotential für Mensch und Maschine. Zur Vorerkundung des Untergrundes stehen zahlreiche Methoden zur Verfügung, die oft in Kombination eingesetzt werden, um eine bestmögliche Erkundung des Untergrundes zu erzielen. Ziel dieser Arbeit ist, die in den einzelnen Projektphasen eingesetzten Vorerkundungsmethoden zu vergleichen und ihre Stärken und Schwächen darzustellen. Bei der Ausarbeitung der Untersuchungsmethoden wurden die Themenbereiche Technologie, Einsatzspektrum, Anwendungsbereich, Gerätschaft und baubetriebliche Konsequenz berücksichtigt. Die Arbeit unterteilt sich in drei Hauptkapitel, die den einzelnen Projektphasen "Vorprojektphase", "Bauprojektphase" und "Ausführungsphase" entsprechen.<br />Im Kapitel "Vorprojektphase" werden einfache Methoden beschrieben, wie erste Informationen über den geologischen Aufbau des Untergrundes gesammelt werden können. Dazu zählen unter anderem die Begutachtung von Bestandsplänen, Luftbildaufnahmen und Karten sowie die Begehung des Geländes. Daraus können erste wichtige Erkenntnisse gewonnen werden, die für die Trassenstudie von Bedeutung sind.<br />Genaue Informationen über die Eigenschaften des Untergrundes können jedoch erst durch den Einsatz von direkten und indirekten Vorerkundungsmethoden beschaffen werden. Das Kapitel "Bauprojektphase" behandelt dabei sowohl Bohrungen im Locker- und Festgestein als auch ausgewählte geophysikalische Untersuchungsmethoden, wobei das Hauptaugenmerk auf den geophysikalischen Untersuchungsmethoden liegt.<br />Das dritte Hauptkapitel der Arbeit beschäftigt sich mit Vorauserkundungsmethoden, die baubegleitend zum maschinellen Tunnelvortrieb eingesetzt werden können. Durch den stetig steigenden Einsatz von Tunnelbohrmaschinen in den letzten Jahren sind einige Verfahren entwickelt worden, die dem Bedürfnis nach einer baubegleitenden, kontinuierlichen und hochauflösenden Untergrunderkundung gerecht werden. Dadurch soll das oben beschriebene Risiko plötzlich auftretender Anomalien, die speziell beim maschinellen Tunnelvortrieb großes Gefährdungspotential bedeuten, gesenkt werden. Die meisten dieser Verfahren sind noch sehr jung und stehen in stetiger Weiterentwicklung. Dieses Kapitel zeigt einen Stand der Technik und behandelt dabei die Verfahren Bohrlochradar (BoRaTec), Tunnel Seismic Prediction (TSP), Integrated Seismic Imaging System (ISIS), Tunnel Seismic While Drilling (TSWD), Sonic Softground Probing (SSP), Geothermal Diagnosis in Tunnels (GDT) und Bore-Tunneling Electrical Ahead Monitoring (BEAM).<br />Die Ergebnisse der Arbeit sind im letzten Kapitel zusammengefasst. Für eine bessere Vergleichbarkeit der Erkenntnisse sind die Ergebnisse für die geophysikalischen Untersuchungsmethoden in der Bauprojektphase und für die baubegleitenden Vorerkundungsverfahren in der Ausführungsphase in Tabellenform dargestellt.<br />

The planning and construction of a tunnel is highly dependent on the geology of the underground. Because of the interaction between tunnel and underground the geology has to be examined very carefully in the construction project phase. On one hand, the structures and behavior of the subsurface must be known at the time of tender, to enable a proper award of the project, and on the other hand, sudden anomalies in the subsurface (faults and fracture zones, water-filled cavities, man-made internals, etc.) mean great potential risk for humans and machines. For the exploration of the subsurface there are numerous methods available, which are often used in combination to achieve the best exploration of the underground.<br />The aim of this study is to compare different geological investigation methods for tunneling and to describe their pros and cons. Therefore the methods have been compared in the themes technology, range of applications, scope, equipment and possession planning consistency. The master's thesis is divided into three main chapters, which comply the project-phases preliminary phase, construction project phase and execution phase.<br />In the first main chapter simple methods are described, which enable to obtain initial information for the geological structures of the underground in the preliminary phase. These include the review of plans, aerial photographs and maps as well as the site inspection. Out of this, first important findings for the route study can be gained.<br />Accurate information about the structures and behavior of the underground can just be obtained by the use of direct and indirect underground examination methods. The chapter "construction project phase" compares different methods for drilling boreholes in soft ground and hard rock as well as geophysical underground examination methods, as the focus is on geophysical underground examination methods.<br />The third main chapter deals with examination methods which can be used throughout the excavation of tunnel by tunnel boring machines (TBM).<br />Since the use of TBMs increased in the last few years several examination methods have been developed, which produce high-resolved and continuous results. Thereby, the above described risks of sudden anomalies that mean especially hazard potential in mechanized tunneling can be lowered. Most of these methods are still very young and are in constant evolution. This chapter shows the state of the art and compares following methods: Borehole-Radar (BoRaTec), Tunnel Seismic Prediction (TSP), Integrated Seismic Imaging System (ISIS), Tunnel Seismic While Drilling (TSWD), Sonic Softground Probing (SSP), Geothermal Diagnosis in Tunnels (GDT) und Bore-Tunneling Electrical Ahead Monitoring (BEAM).<br />The results of this study are summarized in the last chapter. For a better comparison of the findings, the results of the geophysical underground examination methods in the construction project phase and the examination methods of the execution phase are presented in tabular form.<br />