Tunnelprojekte in Europa

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1 1 Tunnelvermessung II Tunnelprojekte In Europa (Auswahl) Tunnelprojekte in Europa Begriffe: Tunnel, Stollen, Schacht, Kaverne Tunnel- und Schachtbauverfahren Vermessungsarbeiten im Zusammenhang mit Tunnelbauwerken Tunnelbaumaschinensteuerung Vortriebskontrolle am Beispiel des CERN Large Hadron Collider Projekts Tunnelprojekte in Europa Fertiggestellt Eurotunnel Elbtunnel Lötschbergtunnel CERN Im Bau Gotthardbasistunnel Mont Cenis City Tunnel Leipzig Durchmesserlinie (Zürich) Ceneri Geplant/Voruntersuchungen/Ideen Brenner Basistunnel Semmering Endlagerungsprojekte Gibraltartunnel

2 2 Bahntunnelprojekte in Europa Tunnel- und Schachtbau: Klassifizierung Tunnelbauverfahren Tunnelbauverfahren - offene Bauweise - untertägig Vertikal-Schachtbauverfahren

3 3 Offene Bauweisen Tunnelbauverfahren, geschlossene Bauweise (Übersicht) Vortriebsarten im Fels Offene Bauweisen, bei welchen - vereinfacht gesagt - ein Einschnitt durch das zu untertunnelnde Gebiet gegraben wird, in welchem dann das Tunnel im Tagbau erstellt wird, bevor der Einschnitt wieder zugeschüttet wird. halboffene Bauweisen, bei denen zuerst mit z.b. Schlitzwandbauweise die Tunnelwände gebaut werden und dann auf der gewünschten Tiefe die Tunneldecke betoniert wird. Unter der Tunneldecke wird anschliessend das Material ausgebrochen. Vortriebsarten Fels Lockergestein Vollausbruch Teilausbruch Spritzbeton Schrämmen mit Tunnelbohrmaschine Bögen Teilschnittmaschine Sprengvortrieb mit Bohrjumbo Tunnelbohrmaschine TBM Sprengvortrieb Sprengvortrieb Jetting Schrämmen mit Teilschnittmaschine Gefriermethode Schildmaschine mit Tübbingen Pressvortrieb

4 4 TBM mit Gripper (Lötschberg( tschberg) Vortriebsarten im Lockergestein Tunnelprofile: Bezeichnungen Teilschnittmaschine Schildvortrieb 9 m 1 Bohrkopf Schreitwerke Nachläufer Bohrkopf Schreitwerk1 2 Schreitwerk 2 Nachläufer 410 Meter Ca. 410 m Schema der Gripper-Tunnelbohrmaschine mit der Nachläufermaschinenkette. "Hydroschild". Beim Schildvortrieb wird ein Rohr, das sogenannte "Schild" in das Erdreich gepresst. Am vorderen Ende des Rohres ist die Abbaukammer. In dieser sitzt ein sich drehendes Rad mit darauf befindlichen Meißeln, die das Erdreich lösen und zerkleinern. Am unteren Ende der Kammer wird der Abraum dann entfernt.

5 5 Phasen beim Tunnelbau im Lockergestein Tunnelbauverfahren: Teilausbruch (New Austrian Tunneling Method) New Austrian Tunneling Method Bild :Amberg Messtechnik Bild :Amberg Messtechnik Teilschnittmaschine 1. Paramentstollen 2. Kalotte 3. Kern 4. Sohle

6 6 Spezielle Tunnelbauverfahren im Lockergestein Vertikal-Schachtbauverfahren (Übersicht) Schachtbauverfahren: Raise-Boring-Verfahren Vortriebsarten Fels Lockergestein Bild Sedrun Schachtbohrmaschine (Raise boring Verfahren) Spritzbeton Bild:AlpTransit Sprengvortrieb Bögen Raise-Boring-Verfahren (Sedrun II) Bild: Alptransit Durchörterung der Kakiritzone in Sedrun Bauverfahren: Spannbögen mit Gleitelementen Maschinen: Bagger Schildmaschine mit Tübbingen Ersten Phase: Zielbohrung von oben nach unten Zweite Phase: Bohrkopf der Zielbohrung durch den Erweiterungsmeissel für das Raise-Boring ersetzt und anschliessend mit einem Andruck von 90 bis 120 Tonnen hochgezogen. Dritte Phase: Schachtbohrmaschine weitet den rund 780 m tiefen Schacht vom Raisbohrdurchmesser 1.80 m auf 7.00 m auf.

7 7 Typische Vermessungsaufgaben beim Tunnelbau Vorbereitende Arbeiten Vermessungsaufgaben im Zusammenhang mit Tunnelbauwerken Grundlagen Grundlagennetz (Portalnetz, Tunnelnetz) Schweremodellierung und Lotabweichungsbestimmungen Geländeaufnahmen Absteckung Koordinaten- und Höhenübertragung Richtungsgebung und 3D Maschinensteuerung Absteckung von Infrastruktursystemen (Schienen,Fahrleitungen etc.) Qualitätskontrolle und Deformationsmessungen Qualitätskontrolle vorfabrizierter Bauelemente (Tübbinge) (Photogrammetrie, Industrielle Messverfahren) Oberflächenkontrolle (Rauhigkeit,.) mit Laserscanning Konvergenz früher: Invardraht heute: Tachymetrie, Laserscanning Überwachungsmessungen in Baugruben (Tagbautunnel) 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: Oberirdische Referenzstrecke, Stabilität der Referenzpunkte, auch auf Refraktion achten Einigung mit Unternehmer über Zugangsrechte zum Tunnel Versicherung Überprüfen von Lichtraumprofilen (Profilscanner) Baubegleitende Deformationsmessungen (Staumauerkontrollen, )

8 8 Centring Tunnelnetzkonfigurationen Messkonsolen an der Wand Kern centring Geometrie des Tunnels Only position Platzverhältnisse 0.02 mm Taylor-Hobson-Sphere Konsolen Punkte Konsolen: Self centering Sphere: mm mm Polygonzug entlang Parament Polygonzug Zick-Zack-Methode Target tolerance: 0.01 mm (if glass plate 12.7 mm thick) Large-area light emitting diode, Adaption of illumination arrangement backside

9 9 Refraktion Refraktion (Temperaturgradienten) Refraktion Hinweise für f r die Praxis Temperaturverlauf im Vereina-Tunnel Refraktionswinkel in Funktion eines horizontalen Temperaturgradienten Ventilation aus Ventilation ein Numerisches Beispiel 1 T δ = s Y T C = 0.1 ; s = 500m Y m δ = 1.6 mgon Optimal: Polygonzug in Tunnelmitte Lüftung einschalten Portal: eventuell Azimutmessung gleichzeitig mit zwei Kreiseln Kreiselmessungen (aufwändig) Auch bei Lotungen Refraktion beachten

10 10 Simulationsrechnung a priori Ausgleichung Varianzfortpflanzung Polygon- und kreiselgestützer tzer Zug A-priori Simulation der Kreiselmessungen (Eurotunnel) Für Referenzrahmen und untertägige Polygone sind in einer strengen Simulationsrechnung (Freie Ausgleichung a priori) Qualitätsmasse (Konfidenzbereiche) zu berechnen Aus den Parametern der relativen Fehlerellipse des doppelt mitgeführten Durchschlagspunktes wird der zu erwartende Durchschlagsdifferenz (insbesondere Querabweichung bei langgestreckten Tunneln) berechnet Varianzfortpflanzung beim gestreckten Polygonzug: Längsabweichung: Querabweichungr: σ l = σ D σ σ α q = 3 L S 3 L S s D s D s D Polygonzug s=200, sa = 1 mgon 6 q(x) r(x) Rinner, 1976 Funktionales und stochastisches Modell wird durch Anpassung von Netzform, Instrumentarium, Beobachtungsstrategie und Aufwand schrittweise optimiert bis vorgegebene Grenzen eingehalten sind und eine möglichst wirtschaftliche Lösung gefunden ist Varianzfortpflanzung beim gestreckten Kreiselzug: Längsabweichung: Querabweichung: σ l = σ D σ q = σ α L S Ls Querfehler [cm] Wunderlich Tutorial IV07 Graz Laenge [m] IGP Bericht No.205

11 11 Portalnetze - Schnittstellenproblematik Simulationsrechnung bei hybriden Netze Über die Portalnetze wird der Übergang vom obertägigen Referenzrahmen zu den untertägigen Vortriebspolygonen hergestellt Es empfehlen sich 3-4 Messpfeiler zur gegenseitigen Kontrolle und Ausweichmöglichkeiten bei verstellten Sichten. Ausser den fernen Anschlusszielen sollte auch eines im Nahbereich ( m) errichtet werden, um auch bei Nebel messen zu können. Der Strahlverlauf vom Portalpunkt zum ersten Polygonpunkt ist erheblich vom Einfluss der Seitenrefraktion belastet. Die Kontamination unterliegt wegen des Auf- und Abbaus der bodennahen atmosphärischen Schichtung einem Tagesgang Zu den zwei Zeitpunkten der homogenen Schichtung herrschen die besten Beobachtungsbedingungen. Wenn möglich, sollte durch die Portalmitte gemessen werden; keinesfalls darf eine Aufstellung im Portalbereich gewählt werden, da dies die Wirkung betragsmässig noch verstärkt. Erzeugung künstlicher GNSS-Beobachtungsdaten mit Hilfe der Berner Software (Beutler, Rothacher, Hugentobler..) mit wählbaren Ephemeriden und Häufigkeiten von Cycle-Slips Auswertung dieser Beobachtungsdaten mit handelsüblichen GNSS- Auswertepaketen; Variation der Beobachtungslängen Import von Varianzfaktor und Kofaktormatrix des optimalen Auswerteergebnisses in die Simulationssoftware Grillmayer, 1996 Absteckaufgaben Wunderlich Tutorial IV07 Graz Wunderlich Tutorial IV07 Graz

12 Positioning with survey control points Task break out m 0.5m

13 Task position arch LEICA TMS OFFICE One single software platform for all TMS applications. definition or import of project data systematic data management for project data Baumaschinensteuerung survey point data measurement data interactive project data definition with graphic online display design calculation functions GSI, DXF, ASCII, BEVER interfaces comprehensive reporting functions 13

14 14 Milling machine (Teilschnittmaschine) Machine-related Coordinate Systems (Milling( Machine) TBM Laser Guidance (Murgenthaltunnel) Targets pitch Bilder :Leica-Geosystems X,Y,Z, Machine roll

15 15 VMT Electronic Target for TBM VMT Sensor Target with integrated 2 axial Inclinometer Sensor surface 2 Inclinometers Sensor surface 1 Ingenieurvermessung th International Conference on Engineering Surveying Zürich, März 2004 Das Steuerleitsystem im Teilabschnitt Bodio des Gotthard- Basistunnel Reinhard Deicke, Consorzio TAT, Tunnel Alp Transit - Ticino

16 16 Tunnel and Machine Coordinates Systems Laser Geometry at the TBM Tacheometer Fixation at the TBM Maschine Head Gripper 1 Gripper 2 Observed Direction Prism Inclinometer Calculated Direction Global Coordinates of the Tunnel TPS Deike/2004

17 17 TBM Control Panel Aufgaben während der Bauphase Profilkontrollen von Rohausbruch, Tunnelaussen- und Innenschale - Soll-Ist-Vergleiche mit geplanter Tunnelgeometrie - Ermittlung von Unter- und Überprofilbereichen Toleranz Checks detaillierte Volumenermittlung - Ausbruchsmaterial, Deponiematerial, Spritzbetonmengen Nachweis von Schichtdicken - Spritzbetonstärken, Innenschalenstärken Nachweis der Oberflächenqualität - Welligkeit, Ebenflächigkeit, Feuchtstellen, ev. Risse Qualitäts- und Leistungsnachweis Stützmitteleinbau - Anzahl und Position von Ankern, Spieße,... Grundlage für Planungen und Optimierungen - z.b. Schalwageneinrichtung, Tunnelachsberechnung vollständige 3d-Dokumentation aller Oberflächen aller Bauphasen - ev. mit Bildinformation Chmelina IV08

18 Roll 18 TMS PROFILE Orthos Laser Tunnel Scanner Fa. Gerodata Leoben Orthos Laser Tunnel Scanner LEICA TMS PROFILE The solution for a wealth of tasks. Systemkomponenten: Messplattformen: Systemkomponenten: Auswertesoftware Dedalos Instant excavation profile control Non-destructive computation of concrete thickness and volume Geological over-break calculation As-built profile survey and construction documentation Figures for quantity surveying Determination of as-built tunnel axis in TBM tunnels Railway clearance surveying Base data for refurbishment project planning Var.1: Stativ Var. 2: mobiler, zerlegb. Handwagen Chmelina IV08 Chmelina IV08

19 19 Orthos Laser Tunnel Scanner Orthos Laser Tunnel Scanner Messablauf: Auswertungen: Profilkontrolle im Querschnitt Schritt 1: Stationierungsscan Chmelina IV08 Tunnelvermessung am Beispiel des CERN Large Hadron Collider Projekts (LHC) Ralph Glaus Automatische Targeterkennung über Reflexionsintensität Automatische Referenzpunktidentifikation aus Datenbank Chmelina IV08

20 20 Inhalt LHC Object Related Network CERN Referenzsystem CERN CERN Überblick Das LHC-Projekt Oberflächennetz A Priori-Analyse der Genauigkeit Lotung Vortriebsmessungen unter besonderer Berücksichtigung der Kreiselmessungen Praktische Probleme bei der Stollenvermessung Auswertetechniken Durchschlagsabweichung Remarkable Cross-national 27 km diameter Scale determination Groundwater table Height network Consideration of the geoid 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

21 21 Grundlagennetz LHC-Projekt - Übersicht TI2 - Grundriss 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 TI2 8.6 km TI8 2.6 km

22 22 TI8 - Grundriss Bau des LHC - Vorgaben des Bauherrn Anforderungen des Auftraggebers Die Verbindungsstollen TI2 und TI8 werden von Schächten aus vorgetrieben Orientierungsübertragung! Hohe Genauigkeitsanforderungen an die Vermessung Unternehmer vermessen die Tunnels selbständig Bauleitung kontrolliert die Vermessung sporadisch 2.5 km 24-Stunden-Schichtbetrieb (z.t auch an Wochenenden) - Vermessungs-Checks müssen zum voraus minutiös geplant werden und können nur während Wochenenden stattfinden

23 23 Bau des LHC - Toleranzen des Bauherrn Anlage des Netzes A Priori-Analyse TI8 Die Tunnelachse darf nirgends mehr als 5 cm von der Sollachse abweichen Das Tunnelprofil darf nirgends ins theoretische Profil hineinragen. Ausserdem darf es höchstens 2 cm weiter sein. Geometrie des Tunnels Querschnitt Maximale Seitenlänge Nutzbarer Zylinder (Refraktion) Kathetenzuschlagsformel: s = 2 2( d 2e) R R [m] d [m] e[m] s [m] Zwei Varianten 1 Azimut / 500 m 1 Azimut / 250 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: 120 m Vertrauensintervall 95%

24 24 A Priori-Analyse TI2 Zuverlässigkeit Lotung Zwei Varianten 1 Azimut / 500 m 1 Azimut / 250 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: 200 m Vertrauensintervall 95% 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 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)

25 25 Lotung II Lotung III Lotung IV Verwenden eines Tachymeters mit Zweiachskompensator LED oder LD Silikonöl Messachsen Positionsempfindlicher Detektor (zweiachsig) Einfluss Stehachschiefe auf Richtungsmessung ' ' f ( v) = ν sin u cot z = ( v0 sinα v1 cosα ) cot z Richtungsgenauigkeit [mgon] Einfluss der Stehachsschiefe auf die Richtungsgenauigkeit (σ R = 0.5 m gon σ v = 0.2 m gon) Höhenwinkel [gon] Genauigkeit der Neigungsmessung: 0.3 mgon Eingebaute Stehachskorrektur auf Hz Messung 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]

26 26 Höhenübertragung in den Stollen Kreiselmessungen I Temperaturkalibrierung tachymetrisch genauen Distanzmesser verwenden! Genauigkeit: 0.5 mm mit Messband kalibiriertes 50-m-Stahlmessband Zug: 50 N - Eigengewicht Temperaturausdehnung Stahl 11.5 ppm / C Ablesungen simultan mit DiNi10 und NA2 Genauigkeit: 2 mm Messungen von UniBw München Gyromat mit Zeiss Th2 Gyromat mit Wild T2 Regelmässige Kalibrierung der Geräte in Labor Monatliche Funktionskontrolle Bestimmung des Referenzwertes auf astrogeodätischer Referenzlinie Check der Stabilität des Referenzwertes in Labor Bestimmung der Temperaturkorrekturen in Klimakammer Messungen auf Eichstrecke (Okt. 99) Messungen in Tunnel (Okt. 99) Gyromat mit Wild T2

27 27 Kreiselmessungen - Referenzlinie Lotabweichungseinfluss auf Kreiselmessung Literature Bestimmung des lokalen Referenzwertes auf Linie (1 km von TI8 und 4 km von TI2 entfernt) Messungen auf Exzentrum Exzentrum wird bei jeder Kreiselkampagne tachymetrisch neu eingemessen Kreiselmessungen vor und nach den Tunnelmessungen Gleichzeitige Hin- und Rückmessungen Bei den äusseren Faktoren hat im Wesentlichen die O-W Lotabweichungs-komponente bzw. deren Differenz zwischen dem Ort der Referenzmessung, dem Schachtkopf und dem Schachtfuss einen systematischen Einfluss: C Lotabweichung = η*tan φ... η = Ost-West-Lotabweichungskomponente φ = Breite ( Sedrun φ = ) Beispiel Sedrun: Die Differenz beträgt 0.1 mgon zwischen Referenzmessung und Schachtkopf, bzw. 0.5 mgon zwischen Schachtkopf und Schachtfuss. Es kann dabei eine Genauigkeit der Lotabweichungskomponenten von σ = 0.3 mgon angenommen werden. This presentation is mainly based on the following literature: LÖFFLER, F.; SCHWARZ, W. [1992]: Beschleunigervermessung beim Deutschen-Elektronen- Synchrotron DESY. VR, S SCHWARZ, W. [1997]: Concept for the Alignment of the planned Linear Collider at DESY. IWAA97, 5th International Workshop on Accelerator Alignment, ANL/FNAL, Oct , 1997, Argonne, IL. SCHWARZ, W. [1996]: Geodätische Aufgabenstellungen in der Grundlagenforschung der Hochenergiephysik. XII. int. Kurs für Ingenieurvermessung, Graz, SCHWARZ, W. [1993]: Applied geodesy for particle accelerators. in: IAG-Symposium, Applications of Geodesy to Engineering, Stuttgart 1991, Band 108. SCHWARZ, W. [1990]: Vermessungsverfahren in Maschinen- und Anlagenbau. Schriftenreihe DVW Band 13 Verlag Konrad Wittwer. IMFELD, H.L.; PELLISSIER, P.; PLOUFFE, D.; RULAND, R. [1997]: Pellissier H5 Hydrostatic level. 5th IWAA, Argonne, Fuss, B.; Bell, B.; Bowden, G.; Ruland, R. [1997]: The SLAC Design and Manufacturing Process of Sphere-Mounted Reflectors. IWAA97, 5th International Workshop on Accelerator Alignment, ANL/FNAL, Oct , 1997, Argonne, IL. 5th International Workshop on Accelerator Alignment, ANL/FNAL, Oct , 1997, Argonne, IL. Large number of homepage in the field of accelerators Lexica When copying this presentation, please quote the original source!!! (For further information, please contact the lecturer.)