Tunnelvermessung II. Vortriebskontrolle am Beispiel des CERN. Ralph Glaus. 13. April Inhalt. CERN - Überblick

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1 Tunnelvermessung II Vortriebskontrolle am Beispiel des CERN Large Hadron Collider Projekts Ralph Glaus 13. April 005 Inhalt CERN Überblick Das LHC-Projekt Grundbegriffe zum Tunnelbau A Priori-Analyse der Genauigkeit Projektmanagement beim LHC-Projekt Oberflächennetz Lotung Vortriebsmessungen unter besonderer Berücksichtigung der Kreiselmessungen Praktische Probleme bei der Stollenvermessung Auswertetechniken Durchschlagsfehler CERN - Überblick CERN Centre Européen de la Recherche Nucléaire gegründet Mitgliedstaaten Laboratorien in Meyrin bei Genf CERN beschäftigt rund 3000 Personen 1

2 Teilchenbeschleuniger Linearbeschleuniger (LINAC) Kreisbeschleuniger Beschleunigende Komponente: Beschleunigerkammer Strahlablenkung: Dipolmagnete Fokussierung: Quadrupol- und Sextupolmagnete Bahn: Vakuum-Kammer Teilchenbeschleuniger am CERN Proton Synchrotron Super Proton Synchrotron (SPS) Large Electron-Positron Collider (LEP) Large Hadron Collider (LHC) Der Large Hadron Collider Hadronen: Teilchen, die an starken Wechselwirkungen beteiligt sind. Man unterteilt sie in Baryonen (z.b. Neutronen und Protonen) und Mesonen. Proton-Proton-Kollisionen werden Energien in der Grössenordnung von 1 TeV liefern: 10 1 fache Energie von biologischen und chemischen Prozessen Forderung nach sehr genau ausgerichteten Magneten (0.1 mm zwischen zwei benachbarten Magneten)

3 LHC-Projekt - Übersicht 8.6 km TI8 TI TI - Grundriss.6 km TI8 - Grundriss.5 km 3

4 Bau des LHC - Vorgaben des Bauherrn Die Verbindungsstollen TI und TI8 werden von Schächten aus vorgetrieben Orientierungsübertragung! Hohe Genauigkeitsanforderungen an die Vermessung Unternehmer vermessen die Tunnels selbständig Bauleitung kontrolliert die Vermessung sporadisch 4-Stunden-Schichtbetrieb (z.t auch an Wochenenden) - Vermessungs-Checks müssen zum voraus minutiös geplant werden und können nur während Wochenenden stattfinden Bau des LHC - Toleranzen des Bauherrn Die Tunnelachse darf nirgends mehr als 5 cm von der Sollachse abweichen Das Tunnelprofil darf nirgends ins theoretische Profil hineinragen. Ausserdem darf es höchstens cm weiter sein. Tunnelprofile 4

5 Vortriebsarten I TBM Sprengvortrieb Teilschnittmaschine NÖT Vortriebsarten II Teilschnittmaschine TBM TBM Steuerung 5

6 Phasen beim Tunnelbau Typische Vermessungsanwendungen beim Tunnelbau Grundlagennetz Geländeaufnahmen Vortriebskontrolle Maschinensteuerung Qualitätskontrolle vorfabrizierter Bauelemente (Tübbinge) Konvergenzmessungen früher: Invardraht heute: tachymetrisch Überwachungsmessungen in Baugruben (Tagbautunnel) Überprüfen von Lichtraumprofilen Absteckung der technischen Anlagen Vorbereitende Arbeiten Augenschein (Platzverhältnisse im Tunnel) Wahl des Versicherungssystems Konsolen Bolzen Pfeiler Zentriersysteme? Maximale Visurlängen Entwurf eines Nummerierungskonzepts Konzept von Unternehmer vorhanden? Mit Vorteil keine alphanumerischen Zeichen => erleichtert Punktnummernarithmetik Falls Kreiselmessungen: Eichstrecke? Einigung mit Unternehmer über Zugangsrechte zum Tunnel Versicherung 6

7 Anlage des Netzes I Geometrie des Tunnels Querschnitt Maximale Seitenlänge Nutzbarer Zylinder (Refraktion) Kathetenzuschlagsformel: s = ( d e) R R [m] d [m] e[m] s [m] Geometrie des Tunnels Platzverhältnisse Konsolen Punkte Konsolen: Polygonzug entlang Parament Polygonzug Zick-Zack-Methode Anlage des Netzes II Temperaturverlauf im Vereina-Tunnel Refraktion Ventilation aus Ventilation ein 7

8 Refraktion (Temperaturgradienten) Refraktionswinkel in Funktion eines horizontalen Temperaturgradienten 1 6 T δ = s10 Y Numerisches Beispiel T C = 0.1 ; s = 500m Y m δ = 1.6 mgon Refraktion Hinweise für f r die Praxis Optimal: Polygonzug in Tunnelmitte Lüftung einschalten Portal: eventuell Azimutmessung gleichzeitig mit zwei Kreiseln Kreiselmessungen (aufwändig) Varianzfortpflanzung im Tunnel - Begriffe Mittlere Konfidenzellipse Zweidimensionales Konfidenzintervall (a priori oder a posteriori) der Koordinanten y, x, die als unbekannte Parameter z.b. mit einer Netzausgleichung geschätzt werden W., dass y, x innerhalb der mittleren KE liegt, beträgt 39 % Form und Orientierung der mittleren KE hängen von der Konfiguration und der Datumswahl ab Weder für gezwängte noch freie Netze sind mittlere KE konfigurations- noch datumsinvariante Grössen Die Grösse der mittleren KE ist abhängig von σ 0 a priori oder a posteriori Mittlere KE eines Neupunktes ist identisch mit der mittleren relativen KE des Neupunktes zu einem Fixpunkt 8

9 Varianzfortpflanzung im Tunnel - Begriffe Mittlere relative Konfidenzellipse Zweidimensionales Konfidenzintervall (a priori oder a posteriori) der Koordinantendifferenzen y, x, die als unbekannte Parameter z.b. mit einer Netzausgleichung geschätzt werden W., dass y, x innerhalb der mittleren relativen KE liegt, beträgt 39 % Form und Orientierung der mittleren relativen KE hängen von der Konfiguration und der Datumswahl ab Weder für gezwängte noch freie Netze sind mittlere relative KE konfigurationsnoch datumsinvariante Grössen Die Grösse der mittleren relativen KE ist abhängig von σ 0 a priori oder a posteriori Eigentlich wäre es richtiger, von der mittleren relativen Koordinaten- Konfidenzellipse zu sprechen Varianzfortpflanzung im Tunnel - Begriffe Mittlere Durchschlagsabweichung (mittlerer Durchschlagsfehler) Mittlere relative KE der Koordinatendifferenzen von zwei einander sehr nahe gelegenen Punkten beidseits des Durchschlags, wobei es in der Netzkonfiguration keine Beobachtung zwischen diesen beiden Punkten gibt. Bemerkenswert ist der Umstand, dass die mittlere relative KE der beiden Durchschlagspunkte für freie Netze praktisch datumsinvariant ist, während mittlere relative KE im Allgemeinen nicht datumsinvariant sind. Allgemeiner: Die mittlere relative KE zweier beliebiger Punkte wird im freien Netz für y, x 0 datumsinvariant. Effektive Durchschlagsabweichung (effektiver Duchschlagsfehler) Istwert Sollwert der Koordinatendifferenzen zweier sehr nahe gelegener Punkte beidseits des Durchschlags. Varianzfortpflanzung beim Polygon- und Kreiselzug Fehlerfortpflanzung beim gestreckten Polygonzug: Längsfehler: Querfehler: σ l = σ D σ σ α q = 3 L S 3 L S 6 s D s D s D Polygonzug s=00, sa = 1 mgon q(x) r(x) 5 Fehlerfortpflanzung beim gestreckten Kreiselzug: Längsfehler: Querfehler: σ l = σ D σ q = σ α L S Ls Querfehler [cm] Laenge [m] 9

10 ' Varianzfortpflanzung II Wann soll ein Kreisel eingesetzt werden? Genauigkeit? t = t0 + βi ( n 1) 00 gon σ = σ + n n 0 σ β σ Kreisel σ n σ Kreisel σ β n σ 0 Steigerung der Zuverlässigkeit Verminderung von Refraktionseinflüssen A 1 A 1 ' A A = A + 1 ' 1 ' ' A1 + A 00 A1 = A = A ' ' ' A1 + A + 00 A1 = A Varianzfortpflanzung III Allgemeiner Fall: Konfidenzellipsen aus Kofaktorenmatrix der Unbekannten Qxx = (A T PA) -1 a priori berechenbar Bauherr gibt in der Regel Toleranzen und nicht Standardabweichungen vor. Berechnen von Konfidenzellipsen auf Niveau 95% (k =.5) Relative Konfidenzellipse im Durchschlagspunkt (lagerungsinvariant) k W 1 39 % 86 %.5 95 % 3 99 % Wahrscheinlichkeit, dass eine Realisierung des Punktes P in die um den Faktor k vergrösserte mittlere Konfidenzellipse fällt A Priori-Analyse TI8 Zwei Varianten 1 Azimut / 500 m 1 Azimut / 50 m σ Lotung : 1 mm σ Richtung : 0.7 mgon σ Azimut : 1.5 mgon σ Distanz : 1 mm + 1 ppm σ Setup : 0.5 mm Polygonseitenlänge: 10 m Vertrauensintervall 95% 10

11 A Priori-Analyse TI Zwei Varianten 1 Azimut / 500 m 1 Azimut / 50 m σ Lotung : 1 mm σ Richtung : 0.7 mgon σ Azimut : 1.5 mgon σ Distanz : 1 mm + 1 ppm σ Setup : 0.5 mm Polygonseitenlänge: 00 m Vertrauensintervall 95% Monte-Carlo Carlo-Methode Generierung eines MC-Sets (z.b. 100 Realisationen) mit Zufallsgenerator der normalverteilte Samples liefert Skalierung auf a priori-sigmas Analyse des Histogrammes der Lotabstände auf Sollachse bei Durchschlagspunkt 0 Histogram of Radial Deviations Chainage Frequency Radial Deviation [mm Zuverlässigkeit Die Zuverlässigkeit ist eine a priori Eigenschaft und quantifiziert das Auflösungsvermögen eines geodätischen Netzes, mit dem grobe Fehler aufgedeckt werden können. Tunnelnetze haben polygonalen Charakter beschränkte Zuverlässigkeit Erhöhung der Zuverlässigkeit durch verschränkte Polygonzüge (polygonale Netze) Einbezug von Kreiselmessungen Bohrlöcher 11

12 Zeitplan Kosten Team: 1 Ingenieur, Gehilfen SIA-Tarife (00) Ingenieur Kat. C CHF 130. / Stunde Messgehilfe Kat. E. CHF 95. / Stunde Auswertung Ingenieur Kat. C Spesen Material Bolzen ca. CHF / Stück MwST Verrechnung Regie (nach Aufwand) oder pauschal Bau des LHC - Projektorganisation CERN Bauherr Verifikation der Vermessung Grunder Ingenieure AG Consultant Vermessung Unabhängige Kontrollen der Unternehmervermessung Brown & Root / intecsa Bauleitung Konvergenzmessungen Universität der Bundeswehr München Kreiselmessungen TWASB Unternehmer TI Vermessung TI ATIC Unternehmer TI8 Vermessung TI8 EPF Lausanne (Kreiselazimute) 1

13 Grundlagennetz Von CERN zur Verfügung gestellt Verbindung (Lage) zu Stollen mit GPS Drei Sessionen mit 4 Trimble 4000 SSi-Empfängern à 1 Stunde Transformation der Sessionen ins CERN-System mit 3D-Helmert (Schätzen von 3 Translationen und 3 Rotationen, Massstab von GPS) Ausgleichung der Koordinaten mit LTOP Übertragung der Höhen mit Nivellement Lotung 50 m Zwei unabhängige Methoden tachymetrisch (Instrument mit Zweiachskompensator, Steilsicht- oder Zenitokular verwenden) mit Zenitlot aufwändig Genauigkeit Richtungen 8 mgon 0.8 mm Zenitlot: 1 mm (aus Ausgleichung) Lotung II Verwenden eines Tachymeters mit Zweiachskompensator Silikonöl LED oder LD Messachsen Positionsempfindlicher Detektor (zweiachsig) ' ' f ( v) = ν sin u tan β = ( v 0 sinα v cosα ) tan β 1 13

14 Lotung III Einfluss der Stehachsschiefe auf die Richtungsgenauigkeit (σ R = 0.5 m gon σ v = 0. m gon) Richtungsgenauigkeit [mgon] Höhenwinkel [gon] Lotung IV Genauigkeit der Neigungsmessung: 0.3 mgon Eingebaute Stehachskorrektur ist nicht gültig für Höhenwinkel > 80 gon Massnahmen: Stabile Instrumentenaufstellung Mehrere Richtungssätze messen Manuelles Notieren der Querkomponente des Kompensators Direction [gon] Displayed Direction Theoretical Direction Height Angle [gon] Höhenübertragung in den Stollen tachymetrisch genauen Distanzmesser verwenden! Genauigkeit: 0.5 mm mit Messband geeichtes 50-m-Stahlmessband Zug: 50 N - Eigengewicht Temperaturausdehnung Stahl 11.5 ppm / C Ablesungen simultan mit DiNi10 und NA Genauigkeit: mm 14

15 Kreiselmessungen I Messungen von UniBw München Gyromat mit Zeiss Th Gyromat mit Wild T Regelmässige Kalibrierung der Geräte in Labor Monatliche Funktionskontrolle Bestimmung des Eichwertes auf astrogeodätischer Referenzlinie Check der Stabilität des Eichwertes in Labor Bestimmung der Temperaturkorrekturen in Klimakammer Kreiselmessungen II Kreiselmessungen - Referenzlinie Bestimmung des lokalen Eichwertes auf Eichlinie (1 km von TI8 und 4 km von TI entfernt) Messungen auf Exzentrum Exzentrum wird bei jeder Kreiselkampagne tachymetrisch neu eingemessen Kreiselmessungen vor und nach den Tunnelmessungen Gleichzeitige Hin- und Rückmessungen 15

16 Kreiselmessungen im Stollen Messung von -3 Azimuten / Kampagne / Stollen Messungen auf Stativen Zentrierung mit KERN-Lotstock (unabhängige Überprüfung mit WILD Nadirlot) Gleichzeitig hin und rück (falls zwei Geräte) Zentrierung Zentrierfehler verursacht Fehler in Orientierung des Netzes Je kürzer Polygonseite, desto genauer zentrieren Zwangszentriert messen! Verwendung eines Nadirlotes mit Kreuzschlitten Vor und nach der Messung überprüfen Polygonzug Polygonzug mit übergreifenden Seiten Anschluss über die vier letzten Punkte der vorgängigen Kampagne 100 m / 00 m Seitenlänge TI 60 m / 10 m Seitenlängen TI8 Verwendung eines LEICA-Tachymeters TCA003 mit ATR Messungen erfolgen zwangszentriert (auch über Kreiselpunkte) Ev. Leuchtreflektoren verwenden Lüftung während Messungen eingeschaltet 16

17 Nivellement Zeiss DiNi10 Korrelation mit konstantem Lattenabschnitt ==> Vorteil im Tunnel (Beleuchtung) Querprofil lässt nur den Einsatz von m-latten zu Einfaches Nivellement Höhengenauigkeit wenig kritisch Kontrolle durch tachymetrische Höhen Praktische Probleme Koordination, Kommunikation Organisation Baubetrieb Beleuchtung Lüftung Lärm Staub Feuchtigkeit Wärme Platzverhältnisse Funk Optimum ist nicht erreichbar! Referenzsystem Eigenes, lokales Koordinatensystem Gelagert im Zentrum des PS-Rings Rechtssystem Azimut Y-Achse: 38 gon Referenzellipsoid: GRS80 Geoid-Modell: Paraboloid, welches Geoid im Bereich von CERN möglichst gut anpasst Projektionssystem: Orthographische Projektion 17

18 ' ' Reduktion der Kreiselmessungen Reduktion in die Rechenebene Lotabweichungen: Laplace-Gleichung: a= r1 r0= r1 ( ξ sin A ηcos A) tan β ( r0 ( ξsin 0 ηcos0) tan ϕ) a = A η tanϕ ( ξ sin A cos A) tan β Richtungsreduktion (meist vernachlässigbar, dr< 0.1 mgon für Basen < 5 km) Meridiankonvergenz Instrumentenbezogene Reduktionen Lokaler Eichwert Temperaturkorrekturen Temperaturkalibrierung Messungen auf Eichstrecke (Okt. 99) Messungen in Tunnel (Okt. 99) Gyromat mit Wild T Temperaturkalibrierung Gyromat mit Zeiss Th 18

19 Temperaturkalibrierung calvalue1, s0 = Calibration Value [gon] #Temperature [C] Resultate I (Höhenausgleichung) Gemeinsame Ausgleichung aller Beobachtungen: Anschluss ans CERN-Höhennetz Beobachtungsgleichungen sind Höhendifferenzen, abgeleitet aus Höhenwinkelbeobachtungen und Projektionsdistanzen Nivellement Messbandmessungen (Schacht) Projektionsdistanzen beziehen sich auf eine Referenzkugel auf Höhe m Sehr steile Schrägdistanzen wurden vorgängig mit Hilfe der Höhenwinkel in Höhendifferenzen umgerechnet (Gewichtung!) Keine Berücksichtigung der Lotabweichungen ANZ A PRIORI SCHLUSS QUOT. REDUND. HOEHENDIFF (MF:1KM HOR): MM 5.7 MM (DAVON NIVELLEMENT : 16.0 MM / 1 KM) (DAVON MESSBAND : 1.0 MM / 50 M) HOEHEN (BEOB.) : MM.6 MM MITTLERE FEHLER DER BEOBACHTUNGSGRUPPEN Näherungskoordinaten-Berechnung Nicht-lineare Beobachtungsgleichungen Näherungskoordinaten notwendig Vorhandene Tools liefern bei groben Fehlern (PV) Resultate, die u.u. nicht zur Konvergenz der Ausgleichung führen Entwicklung von PreFilter Quick -Codierung der Messdaten Meteo-Reduktion Plausibilitätskontrollen Berechnung der Instrumentenabweichungen Erstellen von LTOP-Input-Files Anfelderung an Keim mit Helmerttransformationen zur Näherungskoordinaten-Berechnung 19

20 ' Anfelderung mit Helmerttransformationen Satzmessung B A B C D C Anfelderung mittels Helmerttransformationen A B F E D C A E B B F C E F G C D A Resultate II (Lageausgleichung) Gemeinsame Ausgleichung aller Beobachtungen Berücksichtigung von Lotabweichungen (steile Visuren) Orthographische Projektion nicht implementiert in verwendetem Ausgleichungsprogramm Ausweg: Rotation der Beobachtung um lokale Lotlinie Beobachtungsgleichungen L L Richtungen: α = α ( ξ sin( AB) η cos( AB)) tan β G G G Azimute: A= α ηm tan ϕ ( ξm sinα ηm cos α) tan β L L Horizontaldistanzen: DP = DS cos( β ( ξ cos( AB) + η sin( AB)) Lotung: Up Down L = Hsinη Easting Up Down L Northing = Hsinξ Methode bedingt die Berechnung des Erdzentriwinkels bei jeder Station Unterschiedlicher Zentriwinkel Station - Ziel wird vernachlässigt Resultate III (Lageausgleichung) GR ANZ A PRIORI SCHLUSS QUOT. REDUND. DISTANZEN (MF FUER 1KM): MST-KORR IN PPM MST KORR MF GR MM 1.5 MM MM 1. MM MM 1.0 MM MM.7 MM RICHTUNGEN (MF:1KM): CC 5.4 CC RICHTUNGEN (MF:1KM): CC 71.5 CC RICHTUNGEN (MF:1KM): CC 5.3 CC RICHTUNGEN (MF:1KM): CC 4.6 CC RICHTUNGEN (MF:1KM): CC 4.5 CC AZIMUTE (MF:1KM): OR. KORR MF CC 9.4 CC KOORDINATEN (BEOB.) : MM 4.1 MM KOORDINATEN (DIFF.) : KOORDINATEN (GPS) : 34.0 MM. MM MITTLERE FEHLER DER BEOBACHTUNGSGRUPPEN 0

21 Durchstich TI Durchschlagsfehler Tunnel Zweck Länge Vermessung Durchschlag Durchschlagsfehler [cm] [km] durch Richtung Höhe Distanz Samos Wasser 1.0 Eupalinos Ca. 530 v.chr ? Gotthard Bahn 15 Gelpke/Koppe Albula Bahn 5.9 Graf/Reber Simplon Bahn 0.1 Rosenmund Lötschberg Bahn 14.5 Mathys/Bäschlin Hauenstein Bahn 8. Graf San Strasse 6.6 Schneider / IGP Bernardino Gotthard Strasse 16.3 Schneider / Weissmann Ausblick: Das Neutrino-Tunnel Tunnel-Projekt Vermutung: Neutrinos haben keine Masse Neutrinos werden von Genf nach Rom quer durch die Erde geschossen Falls keine Masse ==> Flug entlang Sehne Orientierung des Tunnels wenig kritisch Geoid bei Abschussrampe für die Bestimmung des Elevationswinkels 1

22 Neutrinostrahl-Trajektorie Projekt-Layout À-Priori-Analyse CNGS