Thermografie in Tunnelbauwerken

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1 Thermografie in Tunnelbauwerken A.Wiesler, SPACETEC, Freiburg i.br. Einleitung Thermografie beinhaltet eine flächenhafte Messung von Oberflächentemperaturen eines Objekts. Diese wird mit speziellen Geräten gemessen, die in der Regel die ausgehende Strahlungsintensität im Wellenlängenbereichbereich von 3 μ bis 5 μ erfassen. Ein Wärmebild besteht dabei aus vielen solchen Einzelmessungen. Die einem breiteren Publikum bekannte Anwendung dieser Wärmebilder besteht im Aufspüren von Fehlern oder Mängeln in der Wärmedämmung eines Gebäudes. Gefühlsmäßig leuchtet ein, daß die beste Meßzeit für dieses Vorhaben im Winter sein dürfte, am besten Nachts, wenn Störeinflüsse durch direkte Sonneneinstrahlung ausbleiben. Auch sollte kein zu starker Wind herrschen. Im Winter wird versucht, die Wohnung auf einer Temperatur von 20 C zu halten. Draußen ist es kalt bei etwa 0 C. Die Wärme wird jede Schwachstelle nutzen, um nach außen zu gelangen. Die physikalisch korrekte Beschreibung des Sachverhaltes lautet: Wenn es ein Temperaturgefälle zwischen innen und außen gibt, dann fließt durch die Wand ein Wärmestrom. Seine Größe ist von der Wärmeleitfähigkeit des Wandmaterials abhängig. Die Temperatur auf der Oberfläche der Wand ist proportional zu Abb. 1 Mit Wärmebildern kann man bei Einhaltung bestimmter Randbedingungen Leckstellen in der Wärmeisolierung eines Gebäudes feststellen. Die Temperaturen sind farbkodiert: blau: tiefe Temperaturen, rot : hohe Temperaturen.

2 diesem Wärmestrom. Mit anderen Worten: Die Oberflächentemperatur ist ein Maß für die mittlere Wärmeleitfähigkeit der Wand. Zur Vertiefung des physikalischen Grundlagen sei an dieser Stelle auf die Literatur verwiesen [1], [2]. Wichtig ist: Die mittlere Wärmeleitfähigkeit der Wand hängt von der Ausführung und Materialzusammensetzung der Wand ab. Wenn man an das häufig gezeigte Beispiel einer verdeckten Fachwerkwand denkt, besteht in einer gewissen Weise die Möglichkeit, durch Wärmebilder eine Wand zu durchleuchten. Für die Kontrolle von Tunnelbauwerken ist diese Möglichkeit natürlich sehr interessant. Bereits vor über 20 Jahren wurden von der Firma SPACETEC erste Versuche mit Thermografiemessungen im Tunnel unternommen. Thermografie im Tunnel Zur Durchleuchtung einer Tunnelverkleidung benötigt man einen Wärmestrom. Diesen kann man sich durch Aufheizen oder Abkühlen der Luft im Tunnelinneren herstellen. Bei normalen Tunnelbauwerken (Verkehrsbauwerken) scheiden künstliche Heizquellen für dieses Vorhaben aus. Zunächst einmal müßte man den Tunnel thermisch durch Tore oder ähnliches verschließen, was aus verkehrstechnischen Gründen unmöglich ist. Für 500 m Autobahntunnel würde man darüberhinaus etwa eine Energie von 2000 kwh benötigen. Aus diesem Grunde ist man darauf angewiesen, eine natürliche Energiequelle zu nutzen, nämlich die durch die Witterung bedingten Veränderungen der Lufttemperatur. Da man das Wettergeschehen nicht steuern kann, muß man sich passiv verhalten und den geeigneten Zeitpunkt abwarten. Abbildung 2 veranschaulicht, was mit dem geeigneten Zeitpunkt gemeint ist. An einer geeigneten Stelle im Tunnel sind drei Meßfühler angebracht, die die Temperatur der Luft im Tunnel und des Auskleidungsmaterials in 5 bzw. 30 cm Tiefe mißt. Die Darstellung des zeitlichen Temperaturverlaufs in Abbildung 2 zeigt, was bei einer bestimmten Wettersituation, hier bei einem Kaltlufteinbruch, passiert: Man sieht, daß die Meßfühler in 5 und 30 cm Tiefe über eine gewisse Zeit eine Temperaturdifferenz von bis zu 2 C anzeigen. Diese Situation kann für eine Thermografiemessung im Tunnel genutzt werden.

3 Abb. 2 Typischer Temperaturverlauf im Tunnel und Auskleidungsmaterial während einer prägnanten Änderung der Witterungsverhältnisse ( Kaltlufteinbruch ) Es bedarf etwas Übung und Erfahrung, um die richtigen Wettersituationen erkennen und vorhersagen zu können, die zu den gewünschten Meßbedingungen führen. Der genaue Meßzeitpunkt muß so gewählt werden, daß die Temperaturveränderung in eine gewisse Tiefe des Bauteils eindringen kann. Nur dann machen sich auch tieferliegende Phänomene auf der Oberfläche bemerkbar. Erkenntnisse über den optimalen Meßzeitpunkt können theoretisch am eindimensionalen Wärmeleiter als Modell gewonnen werden [2]. Es hat sich auch bewährt, die Zusammenhänge an realen Modellen auszuprobieren. Solche Modelle sollen ein Stück Tunnelwand darstellen, in die man typische Schäden eingebaut hat. So kann man Hohlstellen verschiedener Größe und Tiefenlage einbauen. Zusätzlich kann man Teile der Modellwand gezielt unter Wasser setzen, um den Einfluß solcher Veränderungen auf das Wärmebild zu untersuchen. Ein Beispiel für einen solchen Modellaufbau und die Ergebnisse von Versuchsmessungen findet man zum Beispiel in [3]. Das Fazit ist: Thermografie läßt sich auch in Tunnelbauwerken durchführen und zur Bauwerksbeurteilung einsetzen. Sie unterscheidet sich damit kaum von der normalen Bauwerksthermografie. Lediglich bei der Wahl des Meßzeitpunktes muß ein anderer Weg eingeschlagen werden.

4 Tunnelthermografie in der Praxis In der Praxis hat sich die folgende Vorgehensweise bewährt: Man installiert in dem zu untersuchenden Objekt eine automatisch arbeitende Meßanlage, mit der die Temperaturen im Tunnel und Auskleidungsmaterial an ausgewählten Stellen gemessen und aufgezeichnet werden. Die Daten dieser Messungen können jederzeit per Fernabfrage abgerufen werden. Angestoßen durch eine günstige Wettervorhersage, beobachtet man das Eintreten des Beginns der gewünschten Temperaturveränderungen durch Fernabfrage. Wenn man sich sicher ist, daß der Temperaturverlauf so ähnlich wie in Abbildung 2 eintreten wird, kann man einen Meßtermin festlegen. Die Messung muß mit einem geeigneten Gerät durchgeführt werden. Wegen der meist engen Sperrvorgaben in Verkehrstunneln muß die Messung zügig und innerhalb kürzestmöglicher Zeit erfolgen. Hierbei hat sich der Einsatz von Thermal - Scannersystemen bewährt. Solche Systeme sind aus der Fernerkundung seit langem bekannt. Allerdings besitzen sie nur ein Aufnahmewinkel von ca. 90. Für die Messung im Tunnel benötigt man einen Scanner, der in der Lage ist fast 360 zu erfassen. Hierfür hat sich die Bezeichnung Tunnelscanner eingebürgert (Abbildung 4). Abb. 4 Arbeitsweise eines Tunnel- Scannersystems Das Scannerprinzip beinhaltet, daß der Meßstrahl durch einen Drehspiegel so geführt wird, daß die gesamte Tunneloberfläche bei gleichzeitiger Vorwärtsbewegung des Geräts abgetastet wird. Man erhält auf diese Weise für einen 1 km langen Tunnel Meßzeiten von einigen Minuten.

5 Eine schnelle Messung in einem Durchgang ist auch aus einem anderen Grund wichtig: Die Oberflächentemperaturen im Tunnel ändern sich während der Meßzeit. Wenn man versucht die Tunneloberfläche aus Einzelbildern einer Thermokamera zusammenzusetzen, dann können sich zwischen den einzelnen Bildern doch deutliche Temperaturunterschiede einstellen. Dieser Umstand erschwert nachher die sichere Interpretation erheblich, weil man in Gedanken diesem Temperaturdrift Rechnung tragen muß. Eine numerische Anpassung ist nicht immer möglich und sehr zeitaufwendig. Abbildung 5 Ergebnis einer Thermalaufnahme im Tunnel. Dargestellt ist die von innen betrachtete Abwicklung des Gewölbes. Der Scheitel ist etwa in Bildmitte und läuft von links nach rechts. Man sieht dort Leitungsträger und Beleuchtungskörper (rechteckige schwarze Strukturen). Die Größe des gezeigten Ausschnitts ist: horizontal ca. 32 m und vertikal ca. 22 m. Die gemessenen Temperaturen sind wie folgt farbkodiert dargestellt: (kälter <- )blau grün braun rot violett gelb weiß ( ->wärmer) Auf die absoluten Werte kommt es bei diesen Betrachtungen zunächst nicht an. Insgesamt hat das Bild 16 Farbstufen und die Temperaturdifferenz zwischen den Farbstufen beträgt ca. 0.1 C.

6 Der Wärmefluß war bei dieser Aufnahme vom Gebirge her (d.h. in 30 cm Tiefe war eine höhere Temperatur als auf der Oberfläche). Dieser Wärmfluß werde im folgenden als positiv bezeichnet (+WF). Man erkennt zwei dominante Bereiche mit besserer Wärmeleitung (violett) und schlechterer Wärmeleitung (blau). Es ist naheliegend diese Unterschiede sofort mit bautechnischen Phänomenen in Zusammenhang zu bringen. In dieser Sprechweise würde man das Resultat wie folgt beschreiben: - In die Verkleidung (vom Gebirge her) eingedrungenes Wasser (Pfeil, roter Fleck) - Hohlstellen (Pfeil, blauer Fleck) - Leerrohre als künstliche Hohlstelle (kleine Pfeile) Die Technik funktioniert auch bei einem negativen Wärmefluß (-WF), wenn das Gebirge kälter ist als die Oberfläche der Auskleidung. Eine solche Situation kann z.b. im Sommer eintreten. Die gewinnbaren Aussagen sind für beide Richtungen des Wärmeflusses in folgender Tabelle noch einmal zusammengefaßt. Typ der Anomalie bei +WF bei WF Die Wärmeleitung in der Auskleidung ist.. Aufgrund folgender möglicher Phänomene warm kalt besser - Guter thermischer Kontakt zwischen Auskleidung und Gebirge - Wasser im Auskleidungsmaterial - höhere Dichte des Materials kalt warm schlechter - Schlechter thermischer Kontakt zwischen Auskleidung und Gebirge - Aufgelockerter Fels - Geringere Dichte des Materials - Erhöhte Porosität, Hohlräume Obwohl es für die Zuordnung zu bautechnischen Phänomenen eigentlich keine strengen Beweise gibt, ist sie zumindest plausibel. Sie orientiert sich an Modellversuchen und Erfahrungen aus nachfolgenden Untersuchungen. Mit dieser Tabelle ist auch grob umrissen, welche Aussagen die Tunnelthermografie liefern kann. Nicht immer sind die Zuordnungen eindeutig. Manchmal sind gezielte weiterführende Untersuchungen notwendig. Wichtig ist, daß man den entscheidenden Hinweis auf Problemstellen erhält.

7 Interpretation der Ergebnisse Bei allen Untersuchungen mit Wärmebildern kommt es neben der Aufnahmegüte (Temperaturauflösung) auch auf die richtige Interpretation der Ergebnisse an. Für ein aussagekräftiges Ergebnis muß das Meßsystem in der Lage sein, Temperaturunterschiede von mindestens 0,1 C anzuzeigen. Im Idealfall eines völlig intakten Bauwerks ohne Ecken und Kanten stellt man sich vor, daß die Oberflächen eine konstante Temperatur aufweisen sollten. Es ist daher üblich, alle lokalen Temperaturabweichungen als Anomalien zu bezeichnen, obwohl diese noch nichts mit Schäden im bautechnischen Sinne zu tun haben. Für das Auftreten von Anomalien gibt es mehrere Ursachen: - Oberflächeneffekte durch unterschiedlichen Kontakt mit der Luft - Wärmeleitfähigkeitsunterschiede - Wasser auf der Oberfläche Die erste Ursache ist ein Nebeneffekt der warmen oder kalten Luft, die durch den Tunnel strömt und die ja auch den Wärmefluß aufbauen soll. Unterschiede in der Rauhigkeit der Oberflächen führt zu mehr oder minder intensivem thermischen Kontakt. Aber auch einzelne aus der Oberfläche herausragenden Objekte (z.b. Kabel, Signale etc.) führen zu Luftverwirbelungen mit entsprechenden Anomalien. Die zweite Ursache ist gewollt und bei einer Durchleuchtung das eigentliche Ziel der Interpretation. Die dritte Ursache basiert auf der Abkühlung von feuchten Oberflächen durch Verdunstung. Es ist ein durchaus gewünschtes Nebenprodukt für die Zustandsbeurteilung eines Tunnels. Aufgabe bei der Interpretation eines Thermalbildes ist es, die Anomalien hinsichtlich ihrer Ursache zu trennen. Was die Eindeutigkeit bei der Interpretationen angeht, ist daher ein visuelles Bild der Tunneloberfläche im gleichen Format unbedingt notwendig. Dies soll am Beispiel des Autobahntunnels in Abbildung 6 demonstriert werden. Auf dem visuellen Bild links erkennt man die Blockfugen, die Beleuchtungskörper, Kabelträger und andere Einbauten. Diese Objekte erscheinen auch auf der Thermografie mit ihren jeweils typischen Anomalien. Damit wird die Zuordnung dieser Anomalien klar. Übrig bleiben dominante rot-orange Flächen, z.t. auch mit violetten Einschlüssen. Bei dem hier vorliegenden positiven Wärmefluß weisen diese Anomalien mit großer Wahrscheinlichkeit auf Wasser hin, das in das Verkleidungsmaterial vom Gebirge her eingedrungen ist. Auf der sichtbaren Oberfläche ist nichts davon zu sehen, die Oberfläche ist völlig trocken.

8 Abb. 6 Für die richtige Interpretation ist ein visuelles Bild (links) im gleichen Format wie das Thermalbild (rechts) unerläßlich. Abbildung 7 zeigt das Thermalbild von Abbildung 6 in einer 3D-Darstellung, so daß man einen realistischen Eindruck vom Ausmaß des Schadens erhält. Abbildung 7 Das Thermalbild von Abbildung 6 in einer realistischen 3D- Darstellung Das hier beschriebene Verfahren hat sich seit 1990 in vielen Anwendungen bewährt. Viele Ergebnisse sind seitdem auch mit dem Endoskop und durch Probennahmen überprüft worden. Die Ergebnisse der Interpretation haben sich in der überwiegenden Zahl der Fälle bestätigt.

9 3-Kanal-Scanner Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß zur eindeutigen Interpretation ein deckungsgleiches visuelles Bild des Objekts vorliegen muß. Dies wurde bei der Auslegung der ersten Tunnelscanner berücksichtigt. Dabei läuft ein Laserstrahl mit, der die Oberfläche punktuell beleuchtet. Aus der gemessenen reflektierten Lichtintensitäten kann dann synchron zum Thermalbild ein Videobild generiert werden. Im Jahr 2004 wurde das Meßprinzip zu einem 3 Kanal-Scanner weiterentwickelt. Der dritte Kanal mißt Abstände, so daß man den Tunnel auch vermessen kann. Weil dabei für jeden einzelnen Bildpunkt eine solche Messung vorliegt, kann man 3D-Bilder herstellen, die die Struktur der Oberfläche zeigen. Der Nutzen dieser Entwicklung soll an folgendem Beispiel illustriert werden (Abbildung 8). Abbildung 8 Der rote Punkt auf dem Thermalbild kann erst mit dem 3D-Bild (hier als Gitternetz dargestellt) als Loch in der Betonschale identifiziert werden.

10 Betrachtet man den roten Punkt im Thermalbild (Pfeil, rechts), dann erschließt sich dessen Interpretation nicht ohne weiteres. Auch das visuelle Bild weist außer einem grauen Fleck nichts aus. Erst unter Verwendung der 3D-Vermessung erkennt man, das der fragliche Befund durch ein Loch verursacht ist. Die Thermografie liefert also einen klaren Hinweis auf dieses Phänomen, verstehen und richtig interpretieren läßt sich das Temperaturmuster erst unter Zuhilfenahme des dritten Kanals. Ein anderes Beispiel ist in Abbildung 8 gezeigt. Hier handelt es sich um einen alten Eisenbahntunnel. Abbildung 9 Bild- und Thermografie Gezeigt ist ein Ausschnitt aus der Auskleidung eines alten Tunnels. Die Oberfläche ist mit Spritzbetonauftrag versehen. Auf der Thermografie fallen drei deutliche, rote Flecken auf. Bei dem hier vorliegenden negativen Wärmefluß legt dies eine Hohlstelle nahe. Man erkennt auf dem visuellen Bild, daß der Spritzbetonauftrag stellenweise Lücken aufweist. Das könnte ein Hinweis darauf sein, daß der Spritzbetonauftrag sich im Zustande der allmählichen Ablösung befindet.

11 Abb. 10 3D-Oberflächenbild eines losen Spritzbetonstückes Die Betrachtung einer 3D-Darstellung bestätigt diese Vermutung (Abbildung 10). Tatsächlich liegt bei dem mittleren der roten Flächen eine fortgeschrittene Ablösung vor, das Teil beginnt sich förmlich abzuheben. Das macht die Vermutung über die allmähliche Ablösung des Spritzbetons wahrscheinlicher.

12 Thermografie ohne Einhaltung bestimmter Meßbedingungen Es wurde oben schon darauf hingewiesen, daß unter Umständen eine Durchleuchtung der Wand mit dem Tunnelscanner nicht möglich ist, wenn der erforderlich Wärmeflußbedingungen nicht erreicht werden können. Es gibt Gebiete oder Länder, bei denen es aus administrativen Gründen unmöglich ist, auf so kurze zeitliche Distanz Zugang zu einem Tunnelbauwerk zu bekommen. Es gibt außerdem Gebiete, in denen aufgrund der klimatischen Verhältnisse solche Situationen, wie in Abbildung 2 dargestellt, fast nie vorkommen. In diesem Fall beschränkt man sich meistens auf eine rein visuelle Inspektion, die zumindest alle oberflächlichen Phänomene deutlich zeigt. Wenn überhaupt kein Wärmefluß vorliegt, dann werden auf den Thermalbildern keine prägnanten Temperaturunterschiede zu erkennen sein. Nun haben aber viele Aufnahmen, die man ohne Einhaltung geeigneter Bedingungen angefertigt hat, gezeigt, daß auf der Thermografie häufig deutliche Signale zu erkennen sind. Hierfür gibt es die folgenden möglichen Ursachen: - Wasser bildet stets deutliche Temperaturanomalien - Die Temperaturschwankungen zwischen Tag und Nacht können einen Oberflächennahen Wärmefluß bewirken. - In die Verkleidung eingebaute Wärmequellen Da man die Wärmeflüsse nicht genau kennt, sind die entsprechenden Temperaturmuster nicht immer eindeutig zu interpretieren. Dennoch stellen diese Temperaturmuster ergänzende Information zum rein visuellen Bild dar. Ihr Nutzen besteht darin, daß sie auf gewisse Dinge aufmerksam machen. In Bezug auf Wasser, das im Tunnel nicht immer gern gesehen wird, führen schon geringe Mengen zu einem deutlichen kaltes Signal aufgrund der Verdunstungskälte. Auf einem visuellen Bild sieht man allenfalls einen dunklen Fleck, der auch durch Staub o.ä. verursacht sein könnte. Der Tag/Nacht Temperaturgang kann dazu führen, daß Phänomene nahe der O- berfläche erkannt werden. Die Aufnahme zu dem Beispiel in Abbildung 9 wurde ohne besondere Vorkehrungen aufgenommen. Jahreszeitlich bedingt lagen aber sehr starke Temperaturunterschiede zwischen Tag und Nacht vor. Für die Beurteilung des Zustands des Spritzbetons (Auffinden von Ablösungen) reicht das aus. Der Fall eingebaute Wärmequellen soll anhand des Beispiels in Abbildung 11 näher erläutert werden.

13 Abb. 11 Alter Eisenbahntunnel mit Drainagen Für dieses Thermalbild wurden der bessere Sichtbarkeit wegen ausnahmsweise Graustufen verwendet. Hell liegt auf der warmen Seite. Es handelt sich um einen alten Eisenbahntunnel, der mit Spritzbeton saniert wurde. Der Scheitel liegt wieder in der Mittelachse des Bildes, man erkennt elektrische Fahrleitungen und Tragwerke. Um die Wasserausbreitung hinter dem Spritzbeton in geordnete Bahnen zu lenken, sind Drainagen in den Beton eingespritzt worden. Der Verlauf dieser Drainagen ist deutlich zu erkennen, weil das Wasser in ihnen vom Gebirge stammt und ein bißchen wärmer ist als der Spritzbeton. Gleichzeitig kann man aus dem Ergebnis ableiten, daß die Drainagen funktionieren. Würde nämlich das Wasser in ihnen stehen, dann hätte das Wasser längst seine Temperatur an die des Spritzbetons angeglichen. Diese Beispiele belegen, daß es sinvoll ist, bei einer sowieso auszuführenden Scannerbefahrung des Tunnels, ein Thermalbild mit aufzunehmen. Es ist wahrscheinlich und tritt auch in der Praxis häufig auf, daß dadurch zusätzliche und wertvolle ergänzenden Informationen erhalten werden.

14 Zusammenfassung Die Untersuchung des Tunnelgewölbes mit Thermografie wird heute von vielen Tunnelbetreibern angewandt. Das hier beschriebene Verfahren hat sich bewährt, weil es bei vergleichsweise niedrigen Kosten Hinweise auf die Lage möglicher Schwachstellen geben kann. Dem Nachteil, daß einige Aussagen u.u. durch Nachuntersuchungen genauer abgeklärt werden müssen, stehen die Vorteile eines flächendeckenden, berührungslosen und schnellen Verfahrens gegenüber.

15 Literatur [1] S. Flügge, Lehrbuch der theoretischen Physik I, Berlin 1961 [2] Schmidt, Einführung in die technische Thermodynamik, Berlin 1945 [3] J. Schreyer, G. Jackel, Zerstörungsfreies Prüfen von Tunnelauskleidungen, STUVA Forschungsbericht 26/91