Schlögel, I. (2015). A better understanding of the tunnel boring machine as a seismic source for Tunnel Seismic While Drilling [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. https://doi.org/10.34726/hss.2015.28780
Tunnelbau; Tunnelbohrmaschine; Seismische Quelle; Prognose vor der Ortsbrust
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Tunneling; Tunnel Boring Machine; Seismic source; Prediction ahead of the tunnel face
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Abstract:
Eine gute geologische Prognose vor der Ortsbrust ist besonders wichtig um einen effizienten Tunnelbau durchzuführen. Daher werden dort derzeit geophysikalische, hauptsächlich seismische, Methoden für die Erkundung von relevanten Strukturen, wie z.B. Störungen, unterstützend eingesetzt. Für den Vortrieb mit einer Tunnelbohrmaschine (TBM) wurde das "System Tunnel Seismic While Drilling" (TSWD) entwickelt. Grundsätzlich nutzt diese Methode die durch den Schneidprozess generierten seismischen Wellen als kontinuierliche Quelle, die mit seismischen Aufnehmern registriert werden. Der zugrunde liegende Quellmechanismus wird aber bis jetzt aber noch nicht gut verstanden. In dieser Arbeit wurden daher die Daten von verschiedenen Tunnelprojekten analysiert, die in erster Linie zeigen, dass die seismischen Signale unabhängig vom TBM-Typ und der vorhandenen Geologie betrachtet werden können. In dieser Arbeit werden drei Hypothesen untersucht, die derzeit für die Auswertung und Interpretation der TSWD Daten angenommen werden; i) die Antwort des Pilotsensors auf ein einzelnes Event ist ein Signal mit größter Energie am Anfang (minimum phase); ii) die ausgesandten seismischen Wellen des Schneidprozesses der TBM können durch eine Einzelkraft repräsentiert werden und iii) weitere mögliche seismische Quellen, wie die Gripper, die die TBM während des Vortriebs gegen die Tunnelwand stabilisieren, werden vernächlässigt. Um das zu erreichen wurde versucht eine Transferfunktion zu bestimmen, die die Übertragung des ursprünglichen erzeugten Signals an der Ortsbrust zu den Pilotsensoren, die am Hauptlager der TBM angebracht sind, wiedergibt. Die Testergebnisse zeigten, dass die Daten nicht ausreichend sind um die eigentliche Transferfunktion zu bestimmen, aber dadurch eine optimale Aufnahmeposition des Pilotsensors gefunden werden kann. Zusätzlich wurde untersucht, ob beim TBM Vortrieb eine zweite seismische Quelle wirksam ist, die bei der Analyse von TSWD eine Rolle spielt. Die Ergebnisse meiner Arbeit zeigen, dass für die bisherigen TSWD Anwendungen der Gripper als weitere Quelle vernachlässigt werden kann. Dies gehört jedoch weiter untersucht um in eine seismischen Wellenmodellierung miteinbezogen zu werden. Für ein genaueres Verständnis vom Quellmechanismus des Schneidprozesses der TBM, wurde an verschiedenen Tunnelbaustellen in Österreich, wo TSWD eingesetzt wurde, das seismische Wellenfeld beobachtet. Daten von 3-Komponenten Geophone, die an der Oberfläche über der Tunnelachse platziert waren und von Bohrlochgeophonen, die in den Ulmen eines zweiröhrigen Tunnelsystems installiert waren, wurden gesammelt. Die seismischen Aufnehmer registrierten das nach vorne und nach hinten abgestrahlte Wellenfeld während des Tunnelvortriebs. Zur Analyse des Mechanismus wurden für jeden Aufnehmer die Polarisation der P-Welle und der S-Welle und deren Amplitudenverhältnisse bestimmt. Diese zeigte, dass die Abstrahlcharakteristik überwiegend einem Einzelkraftmechanismus entspricht, aber auch geringfügige Anteile aufweist, die damit nicht erklärt werden können. Im speziellen treten P-wellen auf, die senkrecht zur Tunnelachse in vertikaler Richtung abgestrahlt werden. Diese werden durch das Hinzufügen von Zugrissen, die durch den Schneidprozess erzeugt werden, erklärt.
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An efficient tunneling requires timely and accurate predictions on the geological situation ahead the tunnel face. Hence, there is a growing demand in the development of geophysical methods to improve the prognosis on changes in the rock such as the occurrence of faults. To this regard, the seismic prediction system Tunnel Seismic While Drilling (TSWD) has been proposed, considering that the cutting process of the tunnel boring machine (TBM) itself is a source of seismic waves. However, the source mechanism underlying the origin of the seismic waves is not well understood. Therefore, within this thesis we analyze datasets collected at different tunnels sites. Here, I demonstrate that an adequate processing of the measured signals provide consistent results for the modeling of the seismic source, independently on the characteristic of the TBM and geology on site. In this thesis, we investigate the validation of three hypotheses commonly assumed for the processing and interpretation of the seismic data in TSWD: i) the pilot sensor response to an individual event is a minimum delay wavelet; ii) additional seismic sources are neglected such as the reaction forces over the gripper, which are used to fix the TBM to the tunnel walls during drilling; and iii) the radiation pattern of the seismic waves due to the cutting process of the TBM represents a single force mechanism. To achieve this, an attempt to determine the transfer function is shown to consider the propagation of the source wavelet from the cutter to the used pilot sensor position at the main bearing. My test data are not sufficient to determine the actual transfer function, but criteria are proposed to localize an optimum recording position on the TBM. In case of a second seismic source, it would be then necessary to quantify it for the analysis of the data collected in TSWD. My results reveal that the effect of grippers as a further source can be considered as negligible, however further research is needed to incorporate it in the modeling of seismic waves. To investigate the source mechanism of the cutting process the seismic radiation pattern was observed at several tunnel sites in Austria, where TSWD was implemented. The data is based on 3-component geophones situated on the surface above the tunnel axis, as well as data recorded in boreholes at the tunnel wall in a two-tube tunnel system. The seismic receivers collected the forward and backward radiated wave field during the tunneling. For the analyses of the source mechanism the polarization of p-waves and s-waves and their amplitude ratio were determined. The observed seismic radiation pattern corresponds mainly to the single force mechanism. Smaller parts, especially p-waves radiated perpendicular to the tunnel axis in vertical direction, are explained by including tensile cracks, which occur during the cutting process.
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