Vermessung im Gotthard-Basistunnel: Vortriebsvermessung, Laserscanning und Langzeit-Monitoring

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1 T. Wunderlich (Hrsg.) Ingenieurvermessung 2010 Herbert Wichmann Verlag Vermessung im Gotthard-Basistunnel: Vortriebsvermessung, Laserscanning und Langzeit-Monitoring Roland STENGELE, Adrian RYF, Ivo SCHÄTTI, Mario STUDER und Dante SALVINI 1 Projektstand und Vermessungsaufgaben im Überblick Dieser Beitrag ist eine Fortsetzung der bisherigen Berichterstattung über die Vermessungsarbeiten beim Bau des mit 57 km längsten Eisenbahntunnels der Welt (HAAG 1996, RYF 2000, EBNETER 2004, STUDER 2004 & 2007, SCHÄTTI 2007, STENGELE 2007). Diese und weitere Publikationen können auf heruntergeladen werden. Seit dem offiziellen Baubeginn im Jahr 1993 (Sondiersystem Piora) wurden bis gesamthaft km Tunnel, Schächte und Stollen ausgebrochen (Abb. 1). Der Rohbau ist damit für 91 % des Gesamtprojektes fertiggestellt. Der Tunnelvortrieb erfolgt parallel in den 5 Abschnitten Erstfeld, Amsteg, Sedrun, Faido und Bodio. Drei Hauptdurchschläge konnten erfolgreich realisiert werden. Der 4. und letzte Hauptdurchschlag Sedrun-Faido wird voraussichtlich im Jahr 2010 erfolgen. In den beiden Abschnitten Amsteg und Bodio ist der Innenausbau weit fortgeschritten und der Startschuss für den Einbau der Bahntechnik steht unmittelbar bevor. Die Inbetriebnahme des Tunnelbauwerks ist für das Jahr 2017 geplant. Abb. 1: Gotthard-Basistunnel, Überblick und Stand der Arbeiten am

2 2 R. Stengele, A. Ryf, I. Schätti, M. Studer und D. Salvini Parallel zum Baufortschritt ändern sich die Aufgaben, Zielsetzungen und Schwerpunkte der Vermessung im Projekt: In der 1. Dekade standen die Grundlagenvermessung, die Vertikallotung im 800m-Schacht Sedrun und die 3-dimensionale Vortriebsvermessung im Vordergrund. In der 2. Dekade nahm die Bedeutung der präzisen Steuerung der Tunnelbohrmaschinen, die vermessungstechnische Optimierung der Durchschläge und die Überwachungsaufgaben untertage und an der Geländeoberfläche über dem Tunnel zu. Seit Beginn des Innenausbaus im Jahr 2007 treten vermessungstechnische Aufgaben in den Vordergrund, die einen wesentlichen Beitrag zur Qualitätssicherung des Bauherrn leisten: Flächendeckende, hochauflösende Laserscanningaufnahmen des bestehenden Bauwerkes sowie Präzisionsabsteckung und -kontrolle der festen Fahrbahn und der Bahntechnikanlagen mit kinematischen Multi-Sensorsystemen. Bei einem Projekt mit einem Zeit- und Realisierungshorizont von 20 Jahren ändern sich natürlich Konzepte und Technologien zur Bewältigung der anstehenden Vermessungsaufgaben. Dies setzt ausserordentlich hohe Massstäbe an das Projekt- und Qualitätsmanagement. Aufgaben wie Innovation, Qualitätssicherung, Prozessorientierung, Vertragsmanagement und Know-how-Dokumentation sind nicht nur lästige Pflichtaufgaben sondern eine Primär-Kompetenz aller beteiligten Schlüsselpersonen. 2 Vortriebsvermessung 2.1 Die Sicht des Bauherrn Am 16. Juni 2009 um 12 Uhr hat die Tunnelbohrmaschine in Erstfeld den letzten Meter Fels mit einer Abweichung quer zur Tunnelachse von weniger als 2 cm durchbrochen. Neben etwas Glück tragen viele Faktoren sehr wesentlich zu einem so guten Resultat bei. Beim Bau des Gotthard-Basistunnels sind die Anforderungen des Bauherrn an die Vermessung extrem hoch. Zwar würden bei jedem Durchschlag Abweichungen von 25 cm quer und 12.5 cm in der Höhe toleriert, aber die Erwartungshaltung an die Vermessungsingenieure liegt deutlich höher: Je kleiner die Durchschlagsfehler in Lage und Höhe, umso geringer ist der planerische und bautechnische Aufwand nach erfolgtem Durchschlag. Im modernen Tunnelbau folgt der Innenausbau meist unmittelbar hinter dem Vortrieb und für bauliche Massnahmen gibt es wenig Spielraum. Die Vermessungsfachleute des Bauherrn müssen deshalb permanent alle möglichen Fehlerquellen unter Kontrolle haben, die Bauabläufe mitverfolgen und Bauleitung und Bauherr auf die notwendigen Massnahmen hinweisen. Es ist nicht für alle Projektbeteiligten selbstverständlich, dass die Bestimmung der Vortriebsrichtung und die Bemühungen, sich stets möglichst genau der projektierten Tunnelachse entlang zu bewegen, häufig kleine Anpassungen der Koordinaten der Vermessungspunkte bewirken. Der Stellenwert der Vermessung muss immer wieder aufs Neue kommuniziert werden, um die notwendigen Freiräume im dicht gedrängten Bauprogramm zu schaffen. Für die Kostenoptimierung ist ständig das bestmögliche Resultat mit einem sinnvollen Aufwand anzustreben. Bei einer so langen Bauzeit und bei einem so langen Tunnel erfordert dies grosse Hartnäckigkeit und Ausdauer. Auch nach 15 Jahren gilt es, bei jeder Instrumentenaufstellung grösste Sorgfalt an den Tag zu legen, keine Messung zur Routine werden zu lassen und jede Auswertung, jedes Resultat unabhängig und durchgreifend nach dem Vieraugenprinzip zu prüfen. Nur so kann das Restrisiko eines Fehlers minimiert werden.

3 Vermessung im Gotthard-Basistunnel Durchschlagsergebnisse in 3 von 4 Hauptdurchschlägen Das Konzept der untertägigen Vortriebsvermessung im Gotthard-Basistunnel ist ausführlich dokumentiert (STENGELE 2007). Seit Beginn der Hauptvortriebe im Jahr 1997 wird konsequent und weitgehend kompromisslos an diesem Konzept festgehalten. Diese Grundhaltung der verantwortlichen Vermessungsingenieure hat sich in den 3 bisher realisierten Hauptdurchschlägen ausbezahlt. Die Durchschlagsergebnisse (Tab. 1) liegen weit innerhalb der vertraglich zulässigen Toleranzen von 250 mm (quer/längs) und 125 mm (hoch). Besonders interessant ist die Tatsache, dass die effektiv realisierten Durchschlagsergebnisse sehr gut mit den Durchschlagsprognosen a priori für die Eintretenswahrscheinlichkeit 68% (1σ) übereinstimmen. Dies belegt, dass nicht nur die Gesamtheit der Beobachtungen und Messungen qualitativ hochwertig ist, sondern auch die stochastische und funktionale Modellierung ein äusserst hohes Niveau erreicht. Die geodätischen Grundlagen und die bewährten mathematischen Methoden sind Grundvoraussetzungen für präzise und zuverlässige Ergebnisse. Datum Vortriebe und Längen Durchschlagsergebnis = = [km] [km]= Gesamtlänge [km] quer [mm] längs [mm] hoch [mm] Bodio 15.7 Faido Amsteg 13.3 Sedrun Erstfeld 7.8 Amsteg Ende 2010 Sedrun 8.3 Faido Tab. 1: Durchschlagsergebnisse in 3 von 4 Hauptdurchschlägen Beim Durchschlagsergebnis Amsteg-Sedrun ist zu berücksichtigen, dass der Vortrieb Sedrun über einen 800m-Vertikalschacht erfolgte. Auf GBT-Niveau standen für die Azimutbestimmung somit lediglich die Ergebnisse der Vertikallotung, die Methode der Kreiselazimute und eine Richtungsübertragung durch Koppelung von Inertialmesstechnik und Autokollimation (NEUHIERL 2005) zur Verfügung. Insofern sind die 13.7 cm quer zur Tunnelachse ein aussergewöhnlich positives Resultat. Mit diesem Durchschlag war die - aus vermessungstechnischer Sicht - grösste Herausforderung im gesamten Projekt Gotthard- Basistunnel erfolgreich bewältigt. Für den längsten und letzten grossen Hauptdurchschlag Sedrun-Faido im Jahr 2010 liegt somit bereits ein kontrolliertes Azimut untertage vor. Stellvertretend für die Vielfalt von Erfahrungen und Erkenntnissen in über 14 Jahren Vermessung Gotthard-Basistunnel soll folgender Aspekt besonders unterstrichen werden: Vermessungsfachleute richten Messung & Auswertung oft auf eine möglichst hohe Genauigkeit aus. Genaue Resultate werden vielerorst mit richtigen Resultaten gleichgesetzt. Auf Grund des Strebens nach maximaler innerer Genauigkeit wird der Aspekt der Zuverlässigkeit zu oft vernachlässigt. Es ist jedoch unbestritten, dass nur mit durchgreifenden Kontrollen und Einsatz unabhängiger Verfahren für Messung und Auswertung die oben beschriebene Qualität erreicht werden kann. Der Grundsatz besser genau und richtig, als hochpräzise und fehlerhaft nimmt mit der Tunnellänge zu und ist aktueller denn je.

4 4 R. Stengele, A. Ryf, I. Schätti, M. Studer und D. Salvini 3 Dokumentation des Rohbaus durch Laserscanning 3.1 Anforderungen des Bauherrn Bei der Vergabe der Vermessungsarbeiten für den Gotthard-Basistunnel in der Mitte der 90er Jahre erahnte man erst, dass dereinst moderne Technologien zur schnellen und hochauflösenden Erfassung von Innenräumen zur Verfügung stehen werden. Heute ist das Laserscanning aus der Vermessungsarbeit nicht mehr wegzudenken und hat sich etabliert. Es benötigt aber weitere Anstrengungen, um das gesamte Potential dieser Technologie für die Baubranche zu erschliessen. Das Sensorangebot ist vilefältig, aber nur wenige Geräte bzw. Gerätekombinationen und Auswerte- und Dokumentationsmethoden erfüllen die speziellen Anforderungen im Tunnelbau. Im Gotthard-Basistunnel besteht die Forderung, alle sich bietenden Synergien konsequent zu nutzen, um möglichst viele Bedürfnisse mit einem einzigen Scan abzudecken. Die Bedürfnisse reichen von der Erfassung und Dokumentation von Rissen im Beton (ab 0.3 mm Breite) über die Baugenauigkeitskontrolle der Bankette im Subzentimeterbereich bis zur geometrischen Dokumentation des Tunnels für die Zwecke der Bahntechnik. Letztere braucht zum Beispiel genaue Informationen über die für die Gleistragplatte notwendige Menge des Betons an jeder Stelle, aber auch die genauen Masse des Innengewölbes für die Planung der Aufhängungen der Fahrleitungen. In den Abschnitten Bodio, Amsteg und teilweise Sedrun ist der Rohbau Ende 2009 abgeschlossen. Im Zuge der Übergabe des "Unternehmers Rohbau" an den "Unternehmer Bahntechnik" erfolgt eine flächendeckende Scanningaufnahme des gesamten Tunnels. Diese hochauflösenden Aufnahmen (Punktabstand < 5 mm) dienen der geometrischen Dokumentation des Rohbau-Tunnels und es werden - basierend auf den 3D-Punktwolken - verschiedene Analysen und Qualitätskontrollen durchgeführt. 3.2 Aus Laserscanning-Daten abgeleitete Produkte Für die Baugenauigkeitskontrolle der Bankette muss ein Kontrolldokument erstellt werden (Abb. 2), anhand dessen beurteilt werden kann, ob die Bankette vom Bauunternehmer mit der geforderten Toleranz von +/- 2 cm eingebaut wurden. Abb. 2: Farbcodierte Soll-Ist-Differenzbilder zur Baugenauigkeitskontrolle der Bankette

5 Vermessung im Gotthard-Basistunnel 5 Der graphische Soll-Ist-Vergleich (Projekt- vs. Scanning-Daten) erfolgt auf einer eingefärbten Abwicklung der Bankettflächen. Die Pixelgrösse wurde in Längsrichtung mit 10 cm und in Querrichtung mit 1 cm gewählt. Für jedes Pixel wird die Soll-Ist-Differenz berechnet und anhand einer vorgegebenen Farbscala eingefärbt. Die geometrische Dokumentation zu Handen der Bahntechnik erfolgt über exakt definierte Punkte. Im Abstand von 10 m werden Profile berechnet, wobei für jedes Profil 30 exakt definierte Punkte der Sohle, des Banketts und des Gewölbes aus der 3D-Punktwolke interpoliert werden (Abb. 3). Die Extraktion der einzelnen Punkte erfolgt als geometrischer Schnitt zwischen den modellierten Linienelementen aus der 3D-Punktwolke und den Profilstationen quer zur Tunnelachse. Die 3D-Koordinaten aller Profilpunkte werden nach einem vorgegeben Schema nummeriert und als ASCII-File abgeliefert. Die Berechnung erfolgt weitgehend automatisiert. Abb. 3: Tunnelprofil mit Punktdefinition für die Geometriedokumentation 3.3 Verfahren zur Aufnahme und zur Auswertung Obwohl die Technologie des Laserscannings mittlerweile als etabliert gilt, konnte für die beschriebenen Aufgaben auf keine Standardlösung zurückgegriffen werden. Sowohl für die Datenerfassung als auch für die Datenverarbeitung wurden spezielle Aufnahmesysteme sowie Auswerte- und Analyse-Werkzeuge benötigt. Aufnahmen Die Aufnahmen erfolgen mit einem Scanning-System GRP5000 von Amberg Technologies. Dieses System ermöglicht eine kinematische Aufnahme ab Gleismesswagen oder ab Pneufahrzeug. Die Position des Laserscanners wird von einem Tachymeter aus kontinuierlich während der Messfahrt bestimmt. Die Positionsdaten werden per Funk in Real-Time vom Tachymeter an den Rechner des Gleismesswagens übertragen. Zusammen mit den Neigungssensoren erfolgt die Georeferenzierung der Lasermessungen (also die Berechnung der 3D-Koordinaten auf der Tunnelwand) in Real-Time. Während der Messfahrt werden die Gleisversicherungspunkte (GLV) mit speziellen Zieltafeln markiert, so dass die Position der GLV-Punkte im Intensitätsbild eindeutig erkennbar

6 6 R. Stengele, A. Ryf, I. Schätti, M. Studer und D. Salvini ist. Die GLV-Punkte sind im Abstand von 50 m beidseitig an der Tunnelwand angebracht und repräsentieren den übergeordneten Koordinatenrahmen. Qualitätskontrolle durch Koordinatenvergleich Nach Abschluss der Laserscanning-Aufnahmen erfolgen verschiedene Qualitätskontrollen im Post-Processing. Wichtigster Teil ist die Genauigkeitskontrolle der 3D-Punktwolke. Dabei werden die Laser-Intensitätsbilder der Zielmarken im Bereich der Fixpunkte ausgewertet (Software Leica Cyclone) und für die Fixpunkte 3D-Koordinaten im System "Laserscanning" ermittelt. Abschliessend erfolgt ein Vergleich mit den Fixpunktkoordinaten im übergeordneten System. Dieser Koordinatenvergleich stellt eine unabhängige und durchgreifende Genauigkeitskontrolle für die Georeferenzierung der 3D-Punktwolke dar und gibt Hinweise, mit welcher Genauigkeit die einzelnen Geometrie-Elemente aus der 3D- Punktwolke abgeleitet werden können. Δ Max [mm] Δ Min [mm] σ Δ [mm] Anz Δ > 5 mm Anz Δ < - 5mm Δ quer (2.4%) 10 (2.4%) Δ längs Δ Höhe (3.9%) 12 (2.9%) 90.00% 80.00% D quer D längs D Höhe 70.00% 60.00% Prozent 50.00% 40.00% 30.00% 20.00% 10.00% 0.00% < > 27.5 Abweichung [mm] Abb. 4: Soll-Ist-Vergleich der 3D-Fixpunktkoordinaten für 614 Fixpunkte Die bisherigen Erfahrungen im 16 km langen Abschnitt Bodio zeigen eine sehr hohe Genauigkeit der Laserscanning-Daten (Abb. 4). Die Verteilung der Koordinatendifferenzen belegt, dass die 3D-Punktwolke weitgehend frei von signifikanten systematischen Fehlern ist. Die a priori formulierte Genauigkeitsanforderung von 5 mm (1σ) wurde quer zur Tunnelachse und in der Höhe deutlich eingehalten. Für über 95 % der Fixpunkte ergaben sich Abweichungen < 5 mm. Die um Faktor 5 schlechtere Genauigkeit längs zur Tunnelachse ist auf die ungünstige Konfiguration (schleifende Schnitte) bei der Positionierung des Gleismesswagens zurückzuführen. Längs zur Tunnelachse ist diese Grössenordnung unkritisch. Für den Fall, dass signifikante und/oder systematische Abweichungen festgestellt werden, erfolgt eine streckenweise 3D-Transformation der Punktwolke auf die Fixpunkte. Dies war jedoch bei den bisher ausgewerteten Daten noch nicht der Fall.

7 Vermessung im Gotthard-Basistunnel 7 Bereinigung der Daten und Klassifizierung Wie bei allen Scanning-Aufnahmen ist auch im Tunnel eine Klassifizierung der Daten unumgänglich. Störobjekte wie Leuchtkörper, Kabel, Werkzeuge etc. müssen, sofern sie nicht vor der Aufnahme entfernt wurden, maskiert werden. Die Dateninspektion und Bereinigung verursacht einen erheblichen manuellen Bearbeitungsaufwand. Die grundlegende Qualität der 3D-Punktwolke wird aber durch diese Störkörper nicht beeinträchtigt. Problematisch wird es, wenn Verschmutzungen (z.b. Betonrückstände oder Schlammreste auf der Sohle) das Resultat eindeutig verfälschen, aber in der Punktwolke nicht eindeutig als Störkörper erkannt werden können. Generierung der Abgabeprodukte Für die Erzeugung der gewünschten Abgabeprodukte stehen verschiedene Softwarepakete zur Verfügung. Die Berechnung der Referenzbilder und die Erzeugung der Geometrien erfolgt mit Trimble-RealWorks. Für die Erstellung der Abgabeprodukte sind aber noch eine Reihe von weiteren Arbeitsschritten notwendig, für die zum Teil separate Programme implementiert werden mussten. Beim Handling von Laserscanningdaten muss immer auch die Datenmenge kontrolliert werden können. Bei einem 5mm-Punktabstand erreichen die Dateien schnell eine Grösse, mit der ein sinnvolles interaktives Arbeiten nicht mehr möglich ist. Die 3D-Punktwolke muss für einzelne Arbeitsschritte entsprechend ausgedünnt und/oder in kleinere Arbeitseinheiten "gekachelt" werden. 4 Geodätisches Langzeit-Monitoring im Hochgebirge 4.1 Die Sicht des Bauherrn Dass ein so tief im Untergrund liegender Tunnel Auswirkungen auf das Gelände an der Erdoberfläche haben kann, weil dem geklüfteten Gestein Wasser entzogen wird, konnten sich noch vor zehn Jahren die meisten Experten kaum vorstellen. In der Schweiz kannte man zwar dieses Phänomen bereits von zwei anderen Tunnelbauten, wurden aber für den Gotthard-Basistunnel wegen der sehr hohen Überdeckung als wenig wahrscheinlich beurteilt. Der AlpTransit Gotthard AG war von Anfang an klar, dass man nur mit Messungen höchster Genauigkeit, höchster Zuverlässigkeit und lückenloser Kontinuität kleine Bewegungen nachzuweisen sind. Die Anforderungen an ein entsprechendes Messsystem waren dementsprechend sehr hoch: Mit Tachymetern bestimmte relative Talflankenbewegungen > 4 mm und mit Nivellement bestimmte Höhenänderungen > 2.5 mm müssen signifikant nachgewiesen werden. Während in den Talquerschnitten im Bereich der Stauanlagen relative Bewegungen genügen, müssen Nivellementmessungen grossräumig an mehrere Fixpunktgruppen angeschlossen werden, um absolute Angaben über Setzungsmulden zu erhalten. Natürliche Oberflächenbewegungen (meist zyklischer Art, die durch den Wasserhaushalt nahe an der Erdoberfläche verursacht werden) müssen eindeutig von den vom Tunnelvortrieb verursachten Bewegungen getrennt werden. Dies erfordert kontinuierliche Messreihen, die mehrere Jahre vor Beginn der Vortriebsarbeiten beginnen um das "Normalverhalten" zu erfassen und somit die gesamte Messanlage zu "kalibrieren". Die Kontinuität der Messreihen setzt eine hohe Betriebssicherheit und Wintertauglichkeit der Messanlagen im Hochgebirge voraus.

8 8 R. Stengele, A. Ryf, I. Schätti, M. Studer und D. Salvini 4.2 Ausgangslage und Überwachungskonzept In früheren Beiträgen wurden die Anforderungen des Bauherrn, das realisierte Überwachungskonzept und einige Resultate bereits vorgestellt (STUDER et al. 2004, STUDER, BRÄKER 2007). Der vorliegende Bericht beleuchtet zwei Fragestellungen: Welchen Nutzen bringen jährlich wiederholte, grossräumige Nivellements? Wie kann die Höhengenauigkeit über grosse Höhenunterschiede beim Monitoring mit GPS-Systemen gesteigert werden? 4.3 Höhenüberwachung mittels Nivellements Die Messanlage Zur grossräumigen Überwachung der Tiefe und Ausdehnung einer möglichen Setzungsmulde in Folge des Tunnelvortriebs bot sich aus topografischen, messtechnischen und finanziellen Randbedingungen die Methode des Präzisionsnivellements an. Für diese Aufgabe wurde ein weit verzweigtes Nivellementnetz mit 120 km Gesamtlänge installiert (Abb. 5). Die Nivellementlinien führen dabei vor allem auf Strassen entlang der Täler. Zwei quer verlaufende Linien durch die Druckstollen zwischen den Stauseen Curnera, Nalps und Sta. Maria ergeben vollständige Schlaufen und Netzversteifungen. Da die Nivellementlinien bis auf 2'250 m ü.m. hinaufführen, bleiben die Messkampagnen auf die schneefreie Zeit im Sommerhalbjahr beschränkt und können somit nur einmal jährlich durchgeführt werden. Die Nivellemente in den Druckstollen sind grundsätzlich ganzjährlich möglich, die notwendigen Stollenentleerungen verursachen jedoch sehr hohe Kosten. Abb. 5: Übersicht des Nivellementnetzes Sofern die Nivellemente weit genug über die Setzungsmulden hinausreichen, können absolute Höhenbewegungen erfasst werden. Zu beachten ist, dass die Genauigkeit einer Höhenänderung ("Setzung") mit der Quadratwurzel der Distanz abnimmt. Die Wahl der Fixpunktgruppen ist somit immer ein Kompromiss zwischen sicher ausserhalb des Einflussbereiches und bestmögliche Genauigkeit der Beobachtungspunkte Die Nullmessungen Die Nullmessung wurde in diverse Teilabschnitte unterteilt und zwischen 1996 und 2002 durch verschiedene Firmen und Organisationen durchgeführt. Unter Berücksichtigung der

9 Vermessung im Gotthard-Basistunnel 9 theoretischen Schleifenschlussdifferenzen und der bekannten Modelle für die jährliche Alpenhebung wurden alle Messungen auf das Bezugsjahr 2002 hochgerechnet und im Zuge einer Gesamtausgleichung ausgewertet. Als Ergebnis lagen ausgeglichene Höhen im Bezugsjahr 2002 für alle Beobachtungspunkte vor Der Nutzen der jährlichen Wiederholungsmessungen In den Jahren 2003 bis 2005 erfolgten die ersten Folgemessungen für jeweils unterschiedliche Teilabschnitte des Nivellementnetzes. Dabei wurden ein oder mehrere Endpunkte der Linien als Fixpunkte festgehalten und die Höhenänderungen der anderen Messpunkte dadurch abgeleitet. Die fehlende seitliche Anbindung der Nivellementlinien im Val Nalps (Verlauf parallel zum Tunnel) führten zu Unsicherheiten bei der Fixpunktwahl und verunmöglichten eine aussagekräftige Interpretation der Ergebnisse 2004 und Diese ersten Folgemessungen zeigten aber bereits relative Höhenänderungen im signifikanten Bereich von 1 bis 2 cm an der Geländeoberfläche (1'000 bis 1'500 m über der Tunnelsohle!). Um die Zuverlässigkeit und Aussagekraft der Ergebnisse zu verbessern, wurde ab 2006 das Nivellementnetz fast vollständig (mit Ausnahme des nordöstlichsten Zipfels) nachgemessen. Die Resultate zeigten in einzelnen Teilabschnitten kleine Spannungen (vermeintliche Hebungen von mehreren Millimetern) die auf die rechnerisch ermittelte Nullmessung mit Bezugsjahr 2002 zurückzuführen war. Daraufhin wurde die Messung des Jahres 2006 als neue Nullmessung deklariert. In den Jahren 2007 bis 2009 erfolgten dann jeweils vollständige Folgemessungen. Dadurch wurden die Zuverlässigkeit und Aussagekraft der Ergebnisse stark verbessert, da man einerseits an Fixpunktgruppen ausserhalb des Einflussbereiches anschloss und andererseits auf eine homogene Nullmessung ohne Netzspannungen abstützen konnte. Abb. 6: Geländesetzungen in Folge des Tunnelvortriebs von 2002 bis 2009

10 10 R. Stengele, A. Ryf, I. Schätti, M. Studer und D. Salvini Die Ergebnisse (Abb. 6) zeigen die Entwicklung der Setzungsmulde für die Periode 2002 bis 2009, die sich eindeutig "parallel" zum Tunnelvortrieb ausbildet. Die Setzung erreicht im Maximum 41 mm bei Tunnel-km In den nächsten Jahren interessiert primär, ob sich die Setzungsmulde weiter ausbildet und wie sie sich im Bereich der Staumauer Nalps (ca. 1'400 m über der Tunnelachse bei km 124.1) entwickelt. Der Längsschnitt durch das Val Nalps illustriert den Kausalzusammenhang von Setzungsmulde und Tunnelvortrieb. Fazit Wenn die folgenden Voraussetzungen erfüllt sind, können grossräumige Deformations- und Setzungsüberwachungen mit der Methode Präzisionsnivellement über mehrere Jahre sehr präzise und zuverlässig erfasst werden: Die Nullmessung sollte möglichst in einer einzelnen, homogenen Messkampagne durchführt werden Folgemessungen sollten möglichst immer über dieselben Linien führen ( Gleiches mit Gleichem vergleichen ) Das ganze Netz muss genügend weit ausserhalb der potentiellen Deformationszone abgestützt werden. 4.4 Die Beobachtung von Einzelhöhenpunkten mit GPS Die Messanlage In Ergänzung zu den grossräumigen Setzungsüberwachungen durch Nivellemente mussten für einzelne Punkte über der Tunnelachse eine permanente, d.h. ganzjährige Höhenüberwachung durchgeführt werden. Für diesen Zweck wurden 10 autonome (solarbetriebene) GPS- Stationen installiert, die von einem zentralen Rechner gesteuert werden. Die Stationen liegen zwischen 1'920 und 2'600 m ü.m., die lokale Referenzstation liegt auf 2'400 m ü.m Messungen und Auswertungen Im Normalbetrieb werden während drei Nächten pro Woche die GPS-Signale aufgezeichnet. Diese Daten werden als einzelne Session mit eine Standard-GPS-Software ausgewertet. Aufgrund der grossen Höhenunterschiede zwischen den einzelnen Stationen ist der Einfluss der Atmosphäre auf die Laufzeit des GPS-Signals nicht mehr vernachlässigbar. Diese Einflüsse wurden genauer untersucht und ein Korrekturmodell entwickelt. Beim atmosphärischen Einfluss auf GPS-Messungen unterscheidet man die ionosphärische und die troposphärische Refraktion. Während sich der Einfluss der ionosphärischen Refraktion aufgrund der Zweifrequenzmessung nahezu eliminieren lässt, ist der Einfluss der Troposphäre frequenzunabhängig. Die Strahlkrümmung bewirkt eine Laufzeitverzögerung des GPS-Signals und führt zu Fehlern in der Höhenmessung in signifikanter Grössenordnung, insbesondere bei grossen Höhenunterschieden. Die troposphärische Refraktion kann in zwei Anteile zerlegt werden: Der trockene Anteil stellt mit rund 90% den Hauptanteil dar. Er ist relativ einfach zu modellieren, da Luftdruckmessungen am Boden ausreichen. Der feuchte Anteil hängt vom Wasserdampf und der Temperatur ab und ist aufgrund schneller zeitlicher sowie örtlicher Veränderungen schwer erfassbar.

11 Vermessung im Gotthard-Basistunnel 11 Aufgrund des Troposphärenmodells nach Saastamoinen wurden die GPS-Laufzeitverzögerungen seit 2005 detailliert analysiert. Die meteorologischen Daten (Temperatur, Luftdruck und feuchtigkeit) werden durch Meteosensoren an den Staumauern erfasst und für die GPS-Stationen interpoliert. Mit diesen Meteowerten wird die Differenz des feuchten Anteils der Laufzeitverzögerung zwischen Referenz und Rover berechnet und mit einer Regressionsformel ein Korrekturwert für die Höhe des Rovers berechnet (Tab. 2). Station σ H roh σ H PD-korr Verbesserung Messwerte [mm] [mm] in % # Nalps Oben Piz Scai Nalps Mauer Piz Scopi Nord Trassee Nord Ost Mauer Ost See West Val Termine Tab. 2: Standardabweichungen vor und nach der PD-(Path-Delay)Korrektur Abb. 7 zeigt den Verlauf der Höhendifferenzen bezüglich der Nullmessung. Die Datenreihe roh zeigt die gemittelten Messwerte der Standard-Auswertung. Die Datenreihe korr PD zeigt die Messwerte, die nach dem oben beschriebenen Ansatz korrigiert wurden. Die Datenreihe 3wk stellt ein gleitendes Mittel über die Messwerte von 3 Wochen dar. Es ist erkennbar, dass die Streuung der Datenreihe korr PD signifikant kleiner ist als die Streuung der Messreihe roh. SM See West (1'940m.ü.M) Datum DH [mm] roh korr PD 3wk Abb. 7: Streuung der Höhendifferenzen ohne und mit PD-(Path-Delay)Koorektur Fazit Durch die Einführung einer lokalen Path-Delay-Korrektur (abgeleitet aus gemessenen Meteodaten) konnte die Höhengenauigkeit in einem Netz mit 10 GPS-Stationen zwischen 1'920 und 2'600 m ü.m. um ca. 20% verbessert werden.

12 12 R. Stengele, A. Ryf, I. Schätti, M. Studer und D. Salvini Literatur BRÄKER F., STÄHLI D., STUDER M. (2002): Oberflächenbewegungen als Folge des Tunnelvortriebs. Baublatt (Schweizerische Baufachzeitschrift) EXTRA 03/2002, p EBNETER F. (2004): AlpTransit Gotthard: Aufgaben und Organisation der Vermessung. XIV. Internationaler Kurs für Ingenieurvermessung, Zürich HAAG R., RYF A., STENGELE R. (1996): Grundlagenvermessung für extrem lange Tunnel am Beispiel des Gotthard-Basis-Tunnels. XII. Internationalen Kurs für Ingenieurvermessung, Graz HAAG R., STENGELE R. (1997): The Gotthard-Basetunnel. Surveying of a 57 km long Underground Project in the Swiss Alps. FIG-Symposium "Surveying of Large Bridge and Tunnel Projects", Kopenhagen HAAG R., BRÄKER F., STENGELE R. (1998): A 57 km long Railway Tunnel through the Swiss Alps and its planned Survey. XXI. International Congress FIG Brighton NEUHIERL T. (2005): Eine neue Methode zur Richtungsübertragung durch Koppelung von Inertialmesstechnik und Autokollimation, Dissertation TU München RICHNER H., RIECKER J., RUPPERT P. (1999): Die Auswertung von Radiosondendaten. In Richner H. und Hünerbein, S: Grundlagen aerologischer Messungen speziell mittels der Schweizer Sonde SRS 400, Veröffentlichung der SMA-Meteo Schweiz, Nr. 61 RYF A., HAAG R., SCHÄTTI I. (2000): AlpTransit Gotthard-Basistunnel: Aktueller Projektstand, ingenieurgeodätische Aspekte. XIII. Internationaler Kurs für Ingenieurvermessung, München SAASTAMOINEN J. (1972): Atmospheric correction for the troposphere and stratosphere in radio ranging of satellites. In Henriksen, S.W.; Mancini, A.; Chowitz, B.H. et al: The use of artificial satellites for geodesy, Geophys. Mongr. Ser., AGU, 15: SCHÄTTI I., RYF A. (2004): Hochpräzise Lotung im Schacht Sedrun des Gotthard- Basistunnels. XVI. Internationaler Kurs für Ingenieurvermessung, Zürich SCHÄTTI I.., RYF A. (2007): AlpTransit Gotthard-Basistunnel: Grundlagenvermessung, letzte Kontrollen vor dem ersten Durchschlag. XV. Internationaler Kurs für Ingenieurvermessung, Graz STENGELE R. (2004): Geodätische Grundlagen für den Gotthard-Basistunnel. XIV. Internationaler Kurs für Ingenieurvermessung, Zürich. STENGELE R. (2007): Erster Hauptdurchschlag im Gotthard-Basistunnel: Tunnelvermessung in Theorie und Praxis. XV. Internationaler Kurs für Ingenieurvermessung, Graz. STUDER M., BRÄKER F., RUTISHAUSER M., SCHÄTTI I., STENGELE R. (2004): Geodätisches Monitoring im Hochgebirge. XIV. Internationaler Kurs für Ingenieurvermessung, Zürich STUDER M., BRÄKER F. (2007): Kombinierter Einsatz von automatischen und manuellen Messmethoden bei einem Langzeitmonitoring. XV. Internationaler Kurs für Ingenieurvermessung, Graz TROLLER M. (2004): GPS based determination of the integrated and spatially distributed water vapour in the troposphere. In Geodätisch-geophysikalische Arbeiten in der Schweiz; Band 67. Schweizerische Geodätische Kommission