GeTec Ingenieurgesellschaft für Informations- und Planungstechnologie mbh. Überreicht durch

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1 Bohrlochabweichung und Bohrlochvermessung Dipl.-Ing. Henry Knitsch GeTec Ingenieurgesellschaft mbh, Offenbach Dipl.-Ing. Paul Pandrea GeTec Ingenieurgesellschaft mbh, Offenbach Überreicht durch GeTec Ingenieurgesellschaft für Informations- und Planungstechnologie mbh Head Office D Aachen, Rotter Bruch 26a Fax Rhein-Main Office Fax Vortrag anlässlich 15. Darmstädter Geotechnik-Kolloquium am 13. März 2008 Fachaufsatz GT D

2 Bohrlochabweichung und Bohrlochvermessung Dipl.-Ing. Henry Knitsch GeTec Ingenieurgesellschaft mbh, Rhein-Main Dipl.-Ing. Paul Pandrea GeTec Ingenieurgesellschaft mbh, Rhein-Main 1 Warum müssen Bohrungen vermessen werden? Die überwiegende Mehrheit aller Verfahren in der Geotechnik setzt voraus, dass Bohrungen in den Untergrund abgeteuft werden. Mit der stetigen Ausweitung der Anwendungsgrenzen der Verfahren steigt auch die Länge der Bohrungen an. Ankerlängen von über 40 m, Injektionsbohrungen von über 70 m und Dichtsohlen in über 30 m Tiefe werden heute bereits ausgeführt. Projektplanungen, die noch größere Bohrlängen erforderlich machen, liegen vor. Für den Erfolg und die Qualität der in und aus diesen Bohrungen heraus hergestellten Produkte spielt die Lagegenauigkeit der Bohrungen dabei eine nicht zu unterschätzende Rolle. Die zugesicherte Qualität des Produktes lässt sich bei zu großen Abweichungen nicht realisieren oder es können Schäden auftreten. Keine reale Bohrung folgt exakt ihrem vorgegebenen Verlauf. Folgende Gründe können zu der Abweichung führen: Der Bohransatzpunkt wurde in den x-y-koordinaten nicht exakt angefahren Die Ausrichtung der Lafette entspricht nicht dem vorgesehenen Bohrvektor Hindernisse im Baugrund Verformungen im Bohrgestänge Unsymmetrisch gewordene Bohrkronen (z.b. durch Abnutzung) Bei geneigten Bohrungen das ungünstige Zusammenspiel aus Biegesteifigkeit des Gestänges, Ringraum um das Gestänge, Schwerkraft, Bohrandruck und Bohrspülung.

3 Größenordnungen von 1 % bis 2 % sind dabei auch unter günstigen Bedingungen und bei sorgfältiger Ausführung realistische Werte und führen bei einer Bohrstrecke von z.b. 100 m zu Abweichungen von 1 bis 2 m. Bild 1 Bohrlochabweichungen von 1%, 1,5% und 2% in Abhängigkeit der Bohrtiefe Im Folgenden soll an Hand einiger Verfahren erläutert werden, wie kritisch Abweichungen sein können. 2 Auswirkungen der Bohrlochabweichung für einzelne Verfahren 2.1 Hebungsinjektion Die Hebungsinjektion (auch als Kompensations-Injektion, Compensation Grouting, Soilfrac, etc. bezeichnet) hat sich unter anderem zur Sicherung von Bauwerken im Bereich der Setzungsmulde von Tunnelvortriebsstrecken zu einem Standartverfahren entwickelt. Dazu wird zunächst ein Fächer von Stahlmanschettenrohren, in der Regel von einem Schacht aus, unter das zu sichernde Bauwerk eingebaut. Über diese Manschettenrohre wird dann mit einer mehrstufigen Injektion zunächst der Kraftschluss zum Bauwerk hergestellt, so dass dann im Folgenden während des Tunnelvortriebes durch weitere Injektionen die auftretenden Setzungen kompensiert und ggf. im Nachgang die Verformungen auf ein vorgegebenes Maß eingestellt werden können. 2

4 Um den beabsichtigten Effekt überhaupt erzielen zu können, müssen die Manschettenrohre eine bestimmte Lage relativ zum zu sichernden Bauteil bzw. Bauwerk haben. Diese Lage muss bekannt sein, um die Injektion zielgerichtet steuern zu können. Bild 2 Wirkungsweise der Hebungsinjektion Die Beschädigung von Bauteilen oder Bauwerken durch abweichende Bohrungen muss verhindert werden ebenso wie der Verbleib von Manschettenrohren im vorgesehen Ausbruchsquerschnitt der Tunnelbohrmaschine, wo dadurch regelmäßig ein Stillstand des Vortriebs mit einer aufwändigen und mit Risiken verbundenen Bergung dieses Hindernisses aus dem Vortrieb heraus verursacht werden. Eine lückenlose Bohrlochvermessung ist daher für die Ausführung einer Hebungsinjektion unerlässlich. 3

5 Bild 3 Abgewichenes Bohrgestänge im Keller eines zu sichernden Wohnhauses 2.2 Anker und Nägel Anker und Nägel sind bereits seit langem ein Massenprodukt mit klaren Regelungen für Zulassungs-, Eignungs- und Abnahmeprüfungen. Da Bohrabweichungen die Funktionsfähigkeit im Normalfall nicht beeinträchtigen, wird die Bohrlochvermessung als Anforderung dabei in der Regel nicht gestellt. In den Sonderfällen etwa der Sicherung einer einspringenden Baugrubenecke, der Verankerung eines Fangedammes oder der Rückverankerung im Bereich von anderen Bauteilen ergeben sich aus sich kreuzenden Ankerachsen oder Schnitten mit vorhandenen Objekten mögliche Kollisionspunkte, die bei Berücksichtigung der zu erwartenden Bohrlochabweichungen nicht allein durch eine eingehende Kollisionsprüfung im Stadium der Ausführungsplanung beherrscht werden können. Eine sichere Ausführung, d.h. ohne Ausfall von zerstörten Ankern oder Beschädigung von vorhandenen Bauteilen, kann nur unter Einsatz einer zuverlässigen 3D-Bohrlochvermessung als Grundlage einer adaptiven Planung erreicht werden. 4

6 Bild 4 Einspringende Ecke in einer Baugrube mit sich kreuzenden Ankern 2.3 Bodenvereisung Vereisungskörper im Baugrund erfüllen zwei Funktionen gleichzeitig. Sie sichern aufzufahrende Hohlräume im Untergrund wie Vortriebsstollen oder Querverbindungsstollen zwischen Tunnelröhren sowohl statisch gegen die auftretenden Beanspruchungen aus Erddruck und Belastung als auch hydraulisch als Dichtung gegen anstehendes Grundwasser. Für die statische Funktion sind selbst größere sichtbare Fehlstellten auf Grund der eingeplanten Reserven meist nicht von Bedeutung. Die Dichtigkeit jedoch kann bereits durch eine einzige kleinere Fehlstelle zunichte gemacht werden. Auf Grund der steilen Temperaturgradienten um die Injektionslanzen herum ist es für die Beurteilung der Dichtigkeit unerlässlich, ihre exakte Ist-Lage zu kennen. 5

7 Bild 5 Temperaturen im Bereich von Gefrierlanzen Das gleiche gilt für die zur Überwachung des Eiskörpers vorgesehenen Messbohrungen; ohne deren genaue Lage lassen sich die gewonnenen Temperaturmesswerte nicht zuverlässig interpretieren. 2.4 Düsenstrahlverfahren Düsenstrahlkörper erfüllen in vielen Fällen sowohl statische als auch abdichtende Funktionen und bezüglich der Auswirkung von Fehlstellen gelten die gleichen Aussagen wie bei der Vereisung. Die ungünstige Auswirkung von Bohrlochabweichungen erschließt sich bei einer graphischen Auswertung der Säulenlage unter Ansatz einer Bohrabweichung von 1,5 % bei einer Sohle in 30 m Tiefe. Wie man erkennen kann, besteht das Risiko der Bildung von Lücken in der Sohle zum einen durch nicht mehr vom Düsenstrahl erreichten Boden und zum anderen durch Verschattungen bei Einstich des Düsenträgers in bereits hergestellte und erhärtete Säulen. 6

8 Bild 6 Auswirkungen von Bohrlochabweichungen bei Düsenstrahlarbeiten Bild 7 Ist-Aufnahme einer Düsenstrahlsohle Die Bohrlochvermessung ist ein wesentlicher Bestandteil für die Abschätzung der zu erwartenden Bohrlochabweichung, die dann wieder in den Entwurf des Rasters und des Säulendurchmessers eingeht. Mit einer lückenlosen Bohrlochvermessung als Teil der Qualitätssicherung kann sogar die Ausführung optimiert und der Nachweis der Dichtigkeit geführt werden. 7

9 3 Anforderungen an Bohrlochvermessungssysteme Aus den oben angestellten exemplarischen Überlegungen zu einzelnen Verfahren des Spezialtiefbaus ergibt sich, dass für viele Produkte die genaue Kenntnis des Bohrlochverlaufs als Grundlage einer adaptiven Ausführungsplanung unerlässlich ist, um die angestrebten Produkteigenschaften zu erreichen. Die Bohrlochvermessung muss als eigenständiger Arbeitsgang integraler Bestandteil des Produktionsprozesses sein. Zur Beurteilung dieses Arbeitsgangs und für die Auswahl des geeigneten Messgerätes sind folgende Kriterien heranzuziehen: Genauigkeit Messgeschwindigkeit Handhabung Verfügbarkeit der Messwerte Datenkommunikation Graphische Visualisierung Tabelle 1 Um Messwerte zuverlässig interpretieren zu können, müssen diese eine ausreichende Genauigkeit haben. Diese sollte mindestens eine Größenordnung besser sein, als die geforderte Toleranz bei den Bohrabweichen. D.h. bei einer zulässigen Abweichung von ±1 % muss mit einer Genauigkeit von mindestens ±1 gemessen werden. Eine hohe Messgeschwindigkeit ist nicht nur aus wirtschaftlichen Gründen anzustreben. Bei vielen Verfahren gibt es auch aus technischen Gründen nur ein begrenztes Zeitfenster, um Messungen durchzuführen. Eine einfache und fehlertolerante Handhabung des Messgerätes beugt Fehlern bei der Durchführung der Messungen vor. In vielen Fällen müssen die Messwerte schnell verfügbar sein. Es sind daher Messsystem vorzuziehen, die bereits am Bohrloch z.b. über einen PDA eine Auswertung der Rohdaten, am Besten sogar graphisch, ermöglichen. Die Messwerte müssen zur Archivierung und weiteren Auswertung über übliche Schnittstellen (Infrarot, Bluetooth, USB, etc.) auf PC und Server-Systeme übertragbar sein. Dabei ist einer automatisierten Datenübertragung zur Vorbeugung von Fehlern der Vorzug zu geben. Es müssen leistungsfähige Software-Tools vorhanden sein, um neben einer reinen tabellarischen Auswertung eine Visualisierung der Ergebnisse (am besten ebenfalls automatisiert) zu ermöglichen. In die Visualisierung müssen darüber hinaus mit z.b. Ampelsteuerungen oder Farbcodes bereits Aussagen über die gemessenen Abweichungen enthalten sein. Kriterien zur Beurteilung von Bohrlochvermessungsverfahren 4 Messprinzipien Alle Messungen dienen der Darstellung des Bohrlochverlaufs in einem globalen oder lokalen Koordinatensystem, ohne das unterschiedliche Messungen nicht zugeordnet werden können. Dabei können mit bestimmten Messprinzipien nur bestimmte Richtungen erfasst werden, so 8

10 dass ggf. für eine vollständige räumliche Vermessung mehrere Messprinzipien in Form mehrerer Messgeräte eingesetzt werden müssen. Bild 8 Koordinatensystem für die Angabe von Bohrlochkoordinaten 4.1 Neigungssensoren Der Einsatz von Neigungssensoren ist die älteste Methode zur Bestimmung des Bohrlochverlaufs. Dafür werden in heutigen Sensoren meist kapazitive Flüssigkeits-Neigungs-Sensoren verbaut. Das Messprinzip beruht darauf, dass eine dielektrische Flüssigkeit als Teilfüllung zwischen den Elektroden eines Kondensators je nach ihrer relativen Neigung die Kapazität des Kondensators ändert. Die sich ändernde Kapazität lässt sich zu einer Information über die Neigung des Sensors zur Vertikalen umrechnen. 9

11 Bild 9 Funktionsprinzip eines kapazitiven Flüssigkeits-Neigungssensors Zunehmend werden auch so genannte MEMS (Micro Electro Mechanical Sensor) verwendet, eine Kombination aus mechanischen Elementen, Sensoren, Aktoren und elektronischen Schaltungen auf einem Substrat bzw. Chip. Der Vorteil von MEMS ist vor allem ihre kleine Bauweise und ihr geringer Energieverbrauch. Bild 10 Nahaufnahme eines MEMS Vertikal- und Horizontalinklinometer unterscheiden sich dabei lediglich in der Einbaurichtung des bzw. der Sensoren. 10

12 Bild 11 Digitales Inklinometer mit PDA zur Steuerung Daneben wurden für kritische Anwendungen, bei denen eine Unterbrechung für die Messung auch technische Risiken birgt (z.b. Einsturz des Ringraums mit möglichem Gestängeverlust) Inklinometer entwickelt, die sich in den Bohrstrang integrieren lassen. Bild 12 Bohrinklinometer eingesetzt beim Düsenstrahlverfahren Mit Neigungssensoren allein kann der Azimut weder absolut noch relativ gemessen werden, es wird dazu eine Zusatzinformation über den Drehwinkel des Gerätes entweder aus einer Zwangsführung oder weiteren Messung (z.b. Drehwinkelgeber oder Magnetometer) benötigt. 11

13 4.2 Magnetismus Zur Ermittlung der Lage eines Vektors im Raum lässt sich auch die Messung des (bekannten) Erdmagnetfeldes heranziehen. Am häufigsten werden dafür auf Grund ihrer kompakten Bauweise Fluxgate-Magnetometer (auch Förster-Sonde oder Saturationskern-Magnetometer) eingesetzt. Bild 13 Prinzipskizze eines Fluxgate-Magnetometers und reale Umsetzung Bei Fluxgate-Sonden werden periodisch weichmagnetische Kerne alternierend in die Sättigung getrieben. Die Kerne sind dabei von zwei gegensinnigen Empfängerspulen umwickelt, so dass in beiden Spulen in Abwesenheit eines Feldes sich die induzierten Spannungen aufheben. Liegt nun ein äußeres Magnetfeld an, so erzeugt die vektorielle Komponente in Richtung der Kerne ein resultierendes Signal in den Empfängerspulen, das proportional zum angelegten Feld ist. Mit Fluxgate-Sonden lassen sich Magnetfelder von 0,1 nt bis 1 mt sehr genau messen. 12

14 Bild 14 Intensität des Erdmagnetfeldes (2005) Mit Magnetometern lassen sich relativ und absolut Neigung und Azimut bestimmen, so dass eine 3D-Aufnahme der Bohrung möglich ist, jedoch haben geologische und künstliche magnetische Störungen (zu denen auch das Bohrgestänge gehört) erheblichen Einfluss auf die Messgenauigkeit. 4.3 Gyroskope (Kreiselsysteme) Kreiselsysteme lassen sich als ein geschlossenes System ansehen, dessen Drehimpuls konstant bleibt. Versucht eine äußere Kraft, die Drehachse des Kreisels zu kippen, resultiert daher ein Drehmoment. Um den Gesamtimpuls zu bewahren, kippt die Kreiselachse senkrecht zur angreifenden Kraft. Der Effekt ist u.a. vom Spielzeugkreisel bekannt, dessen Achse durch die ihn kippende Schwerkraft entlang eines Kegelmantels präzediert. Daher sind am Kreisel folgende Messprinzipien möglich: 1. Die Stabilität der Kreiselachse: ein frei laufender, symmetrischer Kreisel hat das Bestreben, die Richtung seiner Drehachse im Inertialraum beizubehalten. Ein Bezug der Lage ist gegeben. 2. Die Präzession: versucht eine äußere Kraft, die Achsenrichtung eines laufenden Kreisels zu ändern, so folgt die Kreiselachse nicht der Angriffsrichtung dieser Kraft, sondern weicht rechtwinklig zu ihr im Sinne der Kreiseldrehung aus. Äußere Kraft und Präzession stehen in direktem Zusammenhang, eine Lageänderung wird messbar. Die zwei Gesetzmäßigkeiten sind die Grundlage aller Kreiselinstrumente: Der 1. Satz ist eine Folge der Massenträgheit, der 2. Satz eine Folge des Drallsatzes (Satz vom Drehimpuls). 13

15 Mit einem Gyroskop lassen sich relativ zu einer lokalen Ausgangsrichtung Neigung, und Azimut messen, so dass eine echte lokale 3D-Aufnahme der Bohrung möglich ist. Zur Realisierung dieses Messprinzips sind jedoch vergleichsweise große Mindestabmessungen erforderlich, die einen Einsatz lediglich in größeren Bohrungen erlauben. Bild 15 Kreiselkompass für den Einsatz in der Luftfahrt 4.4 Optische Systeme Sehr kurze Bohrungen werden auch heute noch teilweise mit Hilfe einer Totalstation und eines beleuchteten Prismas, das in die Bohrung eingeführt wird, vermessen. Dieses Prinzip funktioniert jedoch dann nicht mehr, wenn die Bohrabweichung die Sichtverbindung zwischen Totalstation und Prisma unterbricht, was meist schon nach wenigen Metern der Fall ist. Ein besonders leistungsfähiges optisches Messprinzip, mit dem auch sehr lange Bohrungen vermessen werden können, wurde 1952 in Schweden entwickelt und zunächst unter dem Namen Fotobor vermarktet. Heute ist dieses Prinzip in Geräten unter dem Produktnamen MAXIBOR realisiert. Dabei wird mit einer Digitalkamera die Verschiebung zweier in definierten Abständen dazu positionierten reflektierenden Ringen aus der Mittelachse gemessen, die bei einer Krümmung des Messgerätes auftritt, die durch eine Bohrlochabweichung aufgeprägt wird. Zusammen mit einer Neigungsmessungen und der Messung des Rollwinkels des Gerätes sind alle Informationen für eine in Bezug auf die horizontale absolute und auf den Azimut relative Vermessung der Bohrung vorhanden. Der Bohrlochverlauf ergibt sich dabei durch Integration bzw. Aufsummierung der aus den Einzelmessungen gewonnenen Inkremente. 14

16 Bild 16 Optisches Messprinzip zur Bohrlochvermessung Mit diesem Messprinzip lassen sich hohe Messgeschwindigkeiten und gleichzeitig sehr hohe Messgenauigkeiten (besser als 1 ) erzielen. Magnetische Störungen spielen keine Rolle und da der Rollwinkel und die Neigung des Gerätes über Neigungssensoren parallel erfasst und für die Auswertung herangezogen werden, kann eine 3D-Vermessung in einem einzigen Durchgang ohne Fixierung des Rollwinkels des Messgerätes erfolgen. Bild 17 PDA zur Steuerung der Messung und Auswertung der Messergebnisse im Einsatz bei der Messung 5 Auswertung, Archivierung und Visualisierung Beim Einsatz moderner Messsysteme fallen schon bei der Vermessung einzelner Bohrungen sehr große Datenmengen an, die manuell z.b. mit Hilfe von Tabellenkalkulationen, nicht mehr 15

17 sinnvoll ausgewertet werden können. Abgesehen davon ist jede manuelle Bearbeitung von Daten extrem fehleranfällig. Daher sind Systeme und Lösungen erforderlich, die komfortable Schnittstellen für eine automatisierte Datenübernahme bereitstellen, die Daten der Bohrlochvermessung archivieren und den verantwortlichen Entscheidungsträgern bei Bedarf in Form von Tabellen und graphischen Visualisierungen aufbereitet zur Verfügung stellen. Bild 18 Auf Basis einer Datenbank automatisiert erstellte 3D-Visualisierung von Bohrungen (QMControl für DSV) und zugehöriges Datenflussdiagramm Für die Realisierung solcher System müssen die Funktionalität von Datenbanken und von CAD-Systemen miteinander gekoppelt werden. 6 Zusammenfassung Je weiter die Anwendungsgrenzen von Bauverfahren in der Geotechnik ausgedehnt werden, desto größer wird der Einfluss der Bohrlochabweichung auf die Qualität und Funktionalität des hergestellten Produktes. Eine zuverlässige Überwachung der Bohrlochabweichung ist für eine sichere und wirtschaftliche Ausführung daher unerlässlich und entspricht für komplexe Verfahren des Spezialtiefbaus als integraler Teil der Produktion dem Stand der Technik. Dafür stehen heute leistungsfähige und ausgereifte Bohrlochvermessungssysteme zur Verfügung, mit deren Hilfe eine genaue, schnelle und einfache 3-dimensionale Bohrlochvermessung durchgeführt werden kann. Mit Hilfe von geeigneten Software-Lösungen können die Daten der Einzelmessungen automatisiert in Form von aussagekräftigen Planunterlagen für das Gesamtprojekt ausgewertet werden. Die Wirtschaftlichkeit eines Systems ergibt sich dabei nur zu einem geringen Teil aus dem Anschaffungspreis des Systems. Wesentlich entscheidender ist die Messgeschwindigkeit und 16

18 Verfügbarkeit der Messwerte, da Messzeit produktionsfreie Zeit ist. Der größte wirtschaftliche Gewinn liegt jedoch in der mit Kenntnis des Bohrlochverlaufs möglichen Vermeidung von Schäden und der Nutzung von Optimierungspotential durch eine adaptive Planung und Ausführung. 7 Literatur Knitsch, H., Tisiolakis, A.(2006) Messtechnische Überwachung von Düsenstrahlarbeiten, TU Braunschweig, Tagung Messen in der Geotechnik 2006 Knitsch, H., Otterbein R., Paßlick, T., (2007) Visualisierung relevanter Daten beim Compensation Grouting, Bergakademie Freiberg, BHT 2007 (Vortrag) Sondermann, W., Pandrea, P., Dörendahl K. (2005) Düsenstrahlarbeiten in extremen Tiefen in marinen Tonen bei hohen Festigkeitsanforderungen und Einpassung an bestehende Bauelemente, TU Berlin, 1. Hans-Lorenz- Symposium Jochen Plessmann, Münster (1988) Bohrlochvermessungssysteme, Kalibrierung und Fehlerbetrachtung, Diplomarbeit im Fach Geophysik, Universität Münster Unold Florian, (2006) Der Gefriersog bei der Bodenfrostung und das Kompressionsverhalten des wieder aufgetauten Bodens, Dissertation, Universität der Bundeswehr, München RST Instruments RST Digital inclinometer manual REFLEX Instrument AB, Sweden (2007) Manual REFLEX EZ-Trac TM with Recon REFLEX Instrument AB, Sweden (2007) Manual REFLEX MAXIBOR II 17