Topics. John Singer Helge Grafinger Kurosch Thuro. 1 Einleitung. 1 Introduction

Topics John Singer Helge Grafinger Kurosch Thuro DOI: 10.1002/geot.200900023 Monitoring the deformation of a temporary top heading invert using Time Domain Reflectometry Überwachung der Deformation einer temporären Kalottensohle mit Time Domain Reflectometry For the objective evaluation of the structural safety of tunnel structures during the construction phase, continuous monitoring of all important structural elements (e.g. tunnel lining) and the tunnel face are of utmost importance. The temporary top heading invert, frequently used in sensitive areas of top heading drives, could not up to now be monitored with measuring equipment, because it is usually covered with infill to form a temporary haul road. The application of a Time Domain Reflectometry (TDR) measurement system makes it possible for the first time to detect, localise and quantify failures in the shotcrete lining. The calibration of the TDR measurement system in laboratory tests and the experience gained through a practical trial in the Lainzer tunnel in Vienna have made it possible to determine the capabilities and limits of this measuring system and demonstrate its readiness for practical use. Für eine objektive Beurteilung der Standsicherheit von Tunnelbauwerken während der Bauphase ist eine kontinuierliche messtechnische Überwachung aller wichtigen Bauteile (z.b. Tunnelschale) sowie der Ortsbrust von entscheidender Bedeutung. Die beim Kalottenvortrieb häufig in sensiblen Bereichen eingesetzte temporäre Kalottensohle hat sich bisher einer messtechnischen Überwachung entzogen, da sie in der Regel für die Errichtung einer temporären Fahrbahn mit Ausbruchmaterial überschüttet wird. Durch den Einsatz eines Time Domain Reflectometry (TDR) Messsystems ist es nun erstmals möglich, in der Spritzbetonschale auftretende Brüche zu erkennen, zu lokalisieren und zu quantifizieren. Durch die Kalibrierung des TDR-Messsystems in Laborversuchen und der Durchführung eines Praxisversuchs im Lainzer Tunnel (Wien) konnten die Möglichkeiten und Grenzen der Messmethode ermittelt sowie die Praxistauglichkeit des Systems unter Beweis gestellt werden. 1 Introduction Three dimensional measurements of the tunnel lining, geotechnical measurements of the surrounding rock mass and recently also measurement of the deformation of the tunnel face are tools, which help the various experts in tunnel construction to evaluate the current structural safety situation of the drive as objectively as possible and derive the appropriate measures. The arch of the tunnel invert, which is installed in geologically sensitive areas to increase the structural arch effect (ring closure), could until now not be monitored with measuring equipment, or only with great expense. One special case is the invert of the top heading, which is installed as a temporary support measure when the top heading is excavated in advance and later removed again as part of the construction of the complete profile. The inaccessibility of this structural component (covered over with excavated muck for the haul road), means that conventional geodetic processes (trigonometric surveying, levelling) are scarcely practical, or only practical with great effort. Built-in sensors are associated with relatively high costs and deliver limited information. Time Domain Reflectometry (TDR) technology (see the article Thuro et al. in this issue), which is used in other areas of ground monitoring (slope failures), now offers the opportunity to close this gap and deliver the engineer continuous information about the condition of the top heading invert. Data giving information about the stability 1 Einleitung Dreidimensionale Verformungsmessungen der Tunnelschale, geotechnische Messungen im umgebenden Gebirge und mittlerweile auch Verschiebungsmessungen der Ortsbrust sind Werkzeuge im Tunnelbau, die den verschiedenen Experten helfen, die aktuelle Situation des Vortriebs hinsichtlich der Standsicherheit möglichst objektiv zu beurteilen und daraus entsprechende Maßnahmen abzuleiten. Das Tunnelsohlgewölbe, das in geologisch sensiblen Bereich zur Erhöhung der Gewölbetragwirkung eingebaut wird (Ringschluss), konnte bislang messtechnisch nicht oder nur sehr aufwändig überwacht werden. Einen Sonderfall stellt hierbei die Kalottensohle dar, die als temporäre Stützmaßnahme im vorauseilenden Kalottenvortrieb eingebaut und später im Zuge der Herstellung des Gesamtprofils wieder abgetragen wird. Aufgrund der Unzugänglichkeit dieses Bauteils (Überschüttung mit Ausbruchmaterial für die Fahrbahn) sind herkömmliche geodätische Verfahren (trigonometrische Messungen, Nivellement) kaum bzw. nur mit erheblichen Aufwand anwendbar. Eingebaute Sensoren sind mit relativ hohen Kosten verbunden und liefern eingeschränkte Informationen. Die in anderen Bereichen der Baugrundüberwachung (Hangrutschungen) eingesetzte Technologie Time Domain Reflectometry (TDR) (siehe Beitrag Thuro et al. in diesem Heft) bietet nun die Möglichkeit, diese Lücke zu schließen und dem Ingenieur laufend Informationen über den Zustand der Kalottensohle zu liefern. Für den Baube- 238 2009 Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin Geomechanics and Tunnelling 2 (2009), No. 3

of the top heading invert is of interest for construction operations. Uncertainties concerning stability mostly entail failures in the shotcrete shell. The essential information in this case is: Number of breaks (quantity), Position of the breaks transverse to the tunnel axis (location), Dimensions of the individual cracks (quality). In order to test the availability of these three items of information through the application of TDR technology, the system was investigated in shear tests at the Munich Technical University and installed for one month in the Lainzer tunnel in Vienna as part of a first practical trial in collaboration with COMET Consulting Messtechnik (Salzburg). 2 Time Domain Reflectometry Time Domain Reflectometry is a process developed in the 1960s in the field of electrical engineering for the location of cable faults and breaks in coaxial cables, which explains why the process is often called cable radar in Germanspeaking countries. The measurement process is mostly used today in geotechnical engineering for the determination of the soil water content [1] [2]. In recent years, TDR has been increasingly used for the monitoring of deformations in landslides and embankments and also in building structures [3] [4]. trieb von Interesse sind Informationen, die über die Stabilität der Kalottensohle Auskunft geben. Unsicherheiten in der Stabilität stellen in erster Linie Brüche im Spritzbetongewölbe dar. Maßgebliche Informationen dazu sind: Anzahl der Brüche (Quantität), Position der Brüche quer zur Tunnelachse (Lokalität), Dimension der einzelnen Brüche (Qualität). Um die Verfügbarkeit dieser drei Informationen durch den Einsatz der TDR-Technologie zu überprüfen, wurde das System im Labor an der TU München in Scherversuchen getestet und im Rahmen eines ersten Praxiseinsatzes in Zusammenarbeit mit COMET Consulting Messtechnik (Salzburg) einen Monat lang im Lainzer Tunnel (Wien) installiert. 2 Time Domain Reflectometry Time Domain Reflectometry (Zeitbereichsreflektometrie) ist ein in den 1960er-Jahren entwickeltes Verfahren der Elektrotechnik zur Ortung von Kabelstörungen und Kabelbrüchen in Koaxialkabeln, weshalb das Messverfahren im deutschsprachigen Raum auch häufig als Kabelradar bezeichnet wird. Das Messverfahren wird heute vor allem in der Geotechnik zur Bestimmung des Wassergehalts von Böden verwendet [1] [2]. In den letzten Jahren findet TDR immer häufiger bei der Deformationsüberwachung in Hangbewegungen und Böschungen sowie bei Bauwerken Anwendung [3] [4]. Tunneldose WKE 54 Funktionserhalt bis E90 Günther Spelsberg GmbH + Co. KG Im Gewerbepark 1 D-58579 Schalksmühle Telefon: 0 23 55 / 8 92-0 Telefax: 0 23 55 / 8 92-299 e-mail: info@spelsberg.de www.spelsberg.de Geomechanics and Tunnelling 2 (2009), No. 3 239

The TDR measuring instrument, or reflectometer, investigates the impedance of a coaxial cable. This is done by feeding short electro-magnetic pulses of a few milliseconds duration with an ultra-fast rise time signal flank into the coaxial cable. These signals then spread into the wire until they are partially or totally reflected by the end of the cable or by a disturbance. The reflections are then recorded by the TDR reflectometer and compared with the initial signal [5]. If a reflection occurs, then the distance can be determined from its duration (time between the sending of the measurement signal and receiving the reflection), because the measurement signals spread into the coaxial cable with a constant speed. Reflections always occur where the impedance of the carrier wire alters. This is the case, for example, when the geometry or the electrical properties alter. The former property is exploited for deformation measurement, and the latter, using special measurement probes [2], for determining water content by the TDR method. The basis of TDR deformation measurement is thus the alteration of the impedance of a coaxial cable on account of its distortion. It is decisive that the separation between the inner and outer conductors of the coaxial cable alters, because this leads to a change in the impedance. An increasing deformation here also means an increasing alteration of the impedance, which permits the deformation to be quantified [6]. It should be noted that insufficient geometrical alteration will occur as a result of just a slight curvature of the coaxial cable over a certain distance, and the deformation will remain undetected in this case. This has the consequence that TDR deformation measurement is normally only suitable for the investigation of deformations along discrete motion paths, as is usual with the ruptures being investigated in this case. 3 Layout measuring system The most important components of a TDR measuring system are the coaxial measurement cable, the lead cable that is also coaxial and the reflectometer or measuring instrument. For the measurements being considered here, the measurement cable was directly integrated into the shotcrete lining of the top heading invert (Figure 1: red) and connected with the TDR measuring instrument with the lead cable (green). The use of multiplexers (MP) enables a number of measurement cables to be connected to the measuring instrument. If a breakage occurs in the shotcrete lining, the coaxial cables contained in it will be deformed, which can be detected and also located using the TDR measuring system (indication of the distance from the start of the measurement cable). The building-in of a number of cables makes possible the precise determination of the location and also possibly the length of such a break. The use of a data logger enables near real-time recording of measurements, with typical intervals being between 5 minutes and 1 hour, so that an early warning can be given through the automated evaluation of the measured data. 3.1 Coaxial cables: measurement and lead cables In principle, semi-rigid coaxial cables with a copper or aluminium tube as the outer conductor have proved suc- Das TDR-Messgerät untersucht den Wellenwiderstand (Wellenimpedanz) eines Koaxialkabels. Dazu werden kurze Spannungsimpulse von wenigen Millisekunden Dauer mit einer ultrasteilen Signalflanke in das Koaxialkabel eingespeist. Diese Signale breiten sich dann durch den Leitungsstrang aus, bis sie am Leitungsende oder an Störungen im Kabel teilweise oder total reflektiert werden. Die Reflexionen werden von dem TDR-Messgerät aufgezeichnet und mit dem Ausgangssignal verglichen [5]. Tritt eine Reflexion auf, kann über deren Laufzeit (Zeitspanne zwischen Aussenden des Messsignals und Empfangen der Reflexion) die Entfernung zum Messgerät bestimmt werden, da sich die Messsignale in einer Koaxialleitung mit einer konstanten Geschwindigkeit ausbreiten. Reflexionen entstehen immer dann, wenn sich der Wellenwiderstand der Übertragungsleitung verändert. Dies ist z.b. der Fall, wenn sich deren Geometrie oder elektrischen Eigenschaften ändern. Ersteres wird bei der Deformationsmessung, letzteres unter Verwendung von speziellen Messsonden [2] bei der Wassergehaltsbestimmung mittels TDR ausgenutzt. Grundlage der TDR-Deformationsmessungen ist also die Änderung des Wellenwiderstands eines Koaxialkabels aufgrund dessen Verformung. Entscheidend ist, dass sich der Abstand zwischen dem Innen- und Außenleiter des Koaxialkabels ändert, da dies letztlich zur Änderung des Wellenwiderstands führt. Dabei bedeutet eine zunehmende Deformation auch eine immer stärkere Änderung des Wellenwiderstands, was eine Quantifizierung des Deformationsbetrags erlaubt [6]. Zu beachten ist, dass bei einer nur leichten Biegung eines Koaxialkabels über eine bestimmte Wegstrecke hinweg meist keine ausreichende Geometrieänderung eintritt und die Deformation so unentdeckt bleibt. Dies hat zur Folge, dass sich TDR-Deformationsmessungen in der Regel nur für die Untersuchung von Deformationen entlang diskreter Bewegungsbahnen eignet, was bei den hier untersuchten Brüchen in der Regel der Fall ist. 3 Aufbau des Messsystems Die wichtigsten Elemente eines TDR-Messsystems sind die koaxialen Messkabel, die ebenfalls koaxialen Zuleitungskabel sowie die Messapparatur. Für die hier betrachtete Messaufgabe werden die Messkabel direkt in die Spritzbetonschale der Kalottensohle integriert (Bild 1: rot) und über Zuleitungskabel (grün) mit dem TDR-Messgerät verbunden, wobei durch die Verwendung von Multiplexern (MP) mehrere Messkabel an ein Messgerät angeschlossen werden können. Tritt ein Bruch der Spritzbetonschale auf, werden die darin enthaltenen Koaxialkabel ebenfalls deformiert, was mithilfe des TDR-Messsystems erkannt und auch lokalisiert werden kann (Angabe der Entfernung vom Beginn des Messkabels). Durch den Einbau mehrerer Kabel wird so eine genaue Bestimmung der Position und ggf. der Länge eines solchen Bruchs ermöglicht. Die Verwendung eines Datenloggers erlaubt dabei eine nahezu kontinuierliche Messerfassung mit typischen Zeitintervallen zwischen 5 Minuten und 1 Stunde, sodass durch eine automatisierte Auswertung der Messdaten im Falle eines Versagens der Kalottensohle auch eine frühzeitige Warnung erfolgen kann. 240 Geomechanics and Tunnelling 2 (2009), No. 3

3.1 Koaxialkabel: Mess- und Zuleitungskabel Prinzipiell haben sich halbsteife Koaxialkabel mit einem Kupfer- oder Aluminium Rohr als Außenleiter für die Deformationsbestimmung bewährt [5]. Allerdings besitzen diese Kabel hinsichtlich der Handhabung (insbesondere der Verbindung und Verlegung) einige Nachteile. In den hier durchgeführten Untersuchungen wurden deshalb sowohl halbsteife (Commscope P3-500 JCA), als auch flexible Kabel (Ecoflex 10 und 15 mit 10 bzw. 15 mm Durchmesser) mit Kupferdrahtgeflecht als Außenleiter verwendet. Dabei wurden die flexiblen Kabel als Zu- und Messleitung verwendet, die halbsteifen Kabel nur als Messleitung. Alle Kabel besitzen als so genannte low-loss- Kabel eine relativ niedrige Signaldämpfung, was die Realisierung von Kabelstrecken von 50 m und mehr ermöglicht. 3.2 Messgeräte Für die hier durchgeführten Untersuchungen wurde ein TDR-Mess- und Datenerfassungssystem der Fa. Campbell Scientific eingesetzt. Dieses besteht aus dem TDR-Messgerät TDR100, einem Datenlogger CR1000 und einem oder mehreren Multiplexern SDMX50. Das verwendete Messsystem ermöglicht durch die Reihenschaltung mehrerer Multiplexer das nahezu kontinuierliche Auslesen und die Datenspeicherung von bis zu 512 Messkabeln mit nur einem Messgerät. 4 Kalibrierung des Messsystems im Labor Fig. 1. Schematic layout (plan and profile) of a TDR measuring system for deformation monitoring of top heading inverts Bild 1. Schematischer Aufbau eines TDR-Messsystems für die Überwachung von Deformationen in einer Kalottensohle im Grundriss und im Profil cessful for the determination of deformation [5]. But these cables have some handling disadvantages (particularly for connections and laying). For this reason, semi-rigid (Commscope P3-500 JCA), and also flexible cables (Ecoflex 10 and 15 with 10 or 15 mm diameter) with braided copper wire for the outer conductor were used in the investigations described here. The flexible cables were used as lead and measurement cables, but the semi-rigid cables were only used as measurement cables. All cables are described as low-loss and show relatively low signal attenuation, making it practical to install cable lengths of 50 m and more. 3.2 Measuring instrument A TDR measurement and recording system from the company Campbell Scientific was used for the investigations described here. This consists of a TDR100 reflectometer, a CR1000 datalogger and a number of SDMX50 multiplexers. The measuring system used with a number of multiplexers connected in series enables near real time record- Während die Position gegebenenfalls auftretender Deformationen über die Laufzeit der Signale mit hoher Genauigkeit (i.d.r. wenige cm) ermittelt werden können [7], ist eine Angabe des aufgetretenen Deformationsbetrags nur über im Labor empirisch ermittelte Kalibrierkurven möglich, die verschiedene aus den Messsignalen abgeleitete Parameter (z.b. Amplitude, Breite) mit den jeweiligen Deformationsbeträgen in Verbindung bringen [8]. Einfluss auf diese Kalibrierkurven haben verschiedene Parameter, zum Beispiel die verwendeten Koaxialkabeltypen, die Kabellängen und das Einbettungsmaterial. Für den Einsatz im Lainzer Tunnel wurden deshalb auf die Messaufgabe angepasste Kalibrierversuche durchgeführt. 4.1 Proben Um repräsentative, d.h. dem tatsächlichen Einbau im Lainzer Tunnel möglichst gleichende, Proben zu erhalten, wurden diese mit exakt denselben Einbaumaterialien (Kabel, Spritzbeton) erstellt, wie sie vor Ort zum Einsatz kamen. Dazu wurden Schalungsformen aus Holz hergestellt, in die auf halber Prüfkörperhöhe jeweils eines der oben genannten Messkabel (Commscope P3-500, SSB Ecoflex 10 oder SSB Ecoflex 15) eingezogen wurde. Anschließend wurden die so präparierten insgesamt zwölf Schalungen im Lainzer Tunnel mit Spritzbeton gefüllt (Bild 2). Nach einer Aushärtezeit von ca. 7 Tagen wurden die Schalungen von den Proben entfernt. Da die Proben für eine optimale Krafteinwirkung im Versuchsstand über ei- Geomechanics and Tunnelling 2 (2009), No. 3 241

ing and the saving of data from up to 512 measuring cables with only one refectometer. 4 Calibration of the measurement system in the laboratory While the position of any deformations, which occur, can be determined with high precision (normally a few cm) through the elapsed travel time, information about the dimension of any deformation is only possible through the use of calibration curves empirically determined in the laboratory to establish a relationship between various parameters derived from the measured signal (e.g. amplitude, width) and the relevant deformation [8]. Various parameters have an influence on these calibration corves, like for example the type of coaxial cable being used, the length of the cable and the embedment material. For the trial in the Lainzer tunnel, calibration tests were therefore carried out specifically adaped for this task. 4.1 Test samples In order to obtain representative test samples as similar as possible to the actual installation in the Lainzer tunnel, these were created with the same installation materials (cables, shotcrete) as would be used on site. This was done by constructing timber forms, in which one of the measuring cables described above (Commscope P3-500, SSB Ecoflex 10 or SSB Ecoflex 15) was installed at half the height of the test body. Then the altogether 12 forms prene jeweils planparallele Ober- bzw. Unterseite verfügen müssen, wurden die vom Spritzvorgang unebenen und rauen Oberseiten der Proben mit einer großen Gesteinssäge parallel zur Unterseite abgetrennt. Dabei wurde darauf geachtet, möglichst große Prüfkörperhöhen bis zu den maximal möglichen 20 cm zu erhalten (Bild 3). 4.2 Kalibrierversuche Die Kalibrierversuche wurden an einem Versuchsstand durchgeführt, der ursprünglich für die Scherung von zylindrischen Koaxialkabel-Injektionsmittel Strängen, wie sie bei der Installation eines TDR-Messkabels in einem Bohrloch, konzipiert wurde [9]. Dies führte zur Limitierung der maximal möglichen Prüfkörperdimension auf 75 10 20 cm (Länge Breite Höhe). Bei den Kalibrierversuchen werden die Prüfkörper kontrolliert mit definierter Scherrate senkrecht zum Messkabel geschert (Bild 4) und dabei der Deformationsweg, die auf den Prüfkörper aufgebrachte Kraft sowie die TDR- Messsignale aufgezeichnet. 4.3 Ergebnisse Neben der Ermittlung der Kalibrierkurven dienen die Scherversuche der Charakterisierung der TDR-Messungen hinsichtlich Sensitivität und maximaler Lebensdauer. In Tabelle 1 finden sich die getrennt nach den verschiedenen Messkabeltypen zusammengefassten Ergebnisse der Scherversuche. 4.3.1 Multiple Brucherkennung Die Erkennung von mehreren Deformationszonen in einem Kabel ist möglich. Dies wird in den Ergebnissen der Scherversuche deutlich, bei denen sich für jede der beiden Bruchzonen ein Signal ausbildete (Bild 5). Legt man die Rohdaten aller TDR-Messungen, die im Lauf des Scherversuchs durchgeführt wurden, übereinander, so zeigen sich die beiden mit zunehmender Deformation bildenden Signale (in Bild 5 bei 0,5 und 0,6 m) als blaue Flächen. Beim Bruch des Kabels verändert sich der Reflexionskoeffizient schlagartig auf Werte > 1 (Kabelende). Für die weitere Untersuchung wurde jedoch jeweils nur das erste Signal ausgewertet, da das zweite Signal bereits durch die erste Kabelstörung beeinflusst wird [5] und damit die Vergleichbarkeit beeinträchtigt. Fig. 2. Filling of the timber forms assembled with measuring cables with shotcrete in the Lainzer tunnel Bild 2. Befüllung der mit Messkabeln bestückten Holzschalungen mit Spritzbeton im Lainzer Tunnel Tab. 1. Compilation of important results from the calibration tests Tabelle 1. Zusammenstellung wichtiger Ergebnisse der Kalibrierungsversuche Cable type Ecoflex 10 Ecoflex 15 Commscope P3-500 No. of tests 6 6 6 Fig. 3. Finalised test sample with connector (left) for the link to the TDR measuring device Bild 3. Fertig präparierter und für die Verbindung zum TDR-Gerät mit Konnektor (links) versehener Prüfkörper sensitivity [mm] 0,6 ± 0,2 0,7 ± 0,2 1,0 ± 0,3 Life span [mm] 10,5 ± 4,7 24,7 ± 12,7 8,5 ± 3,5 Breaking force [kn] 191 ± 23 214 ± 20 242 ± 23 242 Geomechanics and Tunnelling 2 (2009), No. 3

Fig. 4. Test sample in test bed during shear test Bild 4. Prüfkörper im Versuchsstand während eines Scherversuchs Fig. 5. Raw data of a shear test with two deformation zones; the diagram shows the distribution of reflection coefficient values in the coaxial cable Bild 5. Rohdaten eines Scherversuchs mit zwei Scherzonen; in dem Diagramm wird der Verlauf des Reflexionskoeffizienten über die Kabellänge dargestellt pared in this way were filled with shotcrete in the Lainzer tunnel (Figure 2). The formwork was removed from the test samples after about 7 days of hardening. Because the samples have to have parallel upper and lower surfaces to ensure optimal load distribution in the test rig, the uneven and rough upper faces of the samples left by the spraying of the shotcrete were sawn parallel to the underside with a large stone saw. Care was taken to obtain test samples as large as possible, up to the maximum possible 20 cm (Figure 3). 4.2 Calibration tests The calibration tests were carried out in a test rig originally designed for the shearing of cylindrical coaxial cable injection mortar strands, as used for the installation of a TDR measurement cable in a borehole [9]. This led to the limitation of the maximum possible test body dimensions to 75 10 20 cm (length width height). In the calibration tests, the test bodies were sheared with a defined and controlled shearing rate perpendicular to the measurement cable (Figure 4) and the deformation travel, the force applied to the test body and the TDR measurement signals were recorded. 4.3.2 Sensitivität der Brucherkennung Als Sensitivität wird hier der Deformationsbetrag bezeichnet, der notwendig ist, bis das TDR-Messsystem nach erfolgtem Bruch diesen auch erkennt. Der Bruchzeitpunkt kann dabei aus den Kraftmessungen bestimmt werden, da die aufgebrachte Kraft beim Bruch des Prüfkörpers schlagartig abfällt (Bild 6). Bei allen Prüfkörpern wurde eine Sensitivität von unter 1,5 mm erreicht. Mit einer Sensitivität von im Schnitt 0,6 mm war das flexible Koaxialkabel Ecoflex 10 das empfindlichste, mit durchschnittlich 1,0 mm das Koaxialkabel Commscope P3-500 das unempfindlichste. 4.3.3 Lebensdauer Bei fortschreitender Deformation kommt es irgendwann zum Durchreißen des Koaxialkabels in der Deformations- 4.3 Results In addition to the determination of the calibration curves, the shear tests served to characterise the TDR measurements with regard to sensitivity and maximum lifespan. Table 1 shows the collected results of the shear tests, split between the various types of measurement cable. 4.3.1 Detection of multiple breakages The detection of multiple deformation zones in one cable is possible. This is clear from the results of the shear tests showing a signal for each of the two breakage zones (Figure 5). If the raw data from the TDR measurements, which were carried out in the course of the shear tests are superimposed, then both show signals forming with increasing Fig. 6. Plotting the force applied to the sample and the TDR signal amplitude against the deformation enables the determination of the sensitivity and the lifespan of the measurement Bild 6. Die Gegenüberstellung der auf den Prüfkörper aufgebrachten Kraft und der TDR-Signalamplitude in Abhängigkeit des Deformationsbetrags ermöglicht die Bestimmung der Sensitivität und der Lebensdauer Geomechanics and Tunnelling 2 (2009), No. 3 243

deformation (in Figure 5 at 0.5 and 0.6 m) as blue areas. When the cable breaks, the reflection coefficient changes abruptly to values > 1 (cable end). Only the first signal was evaluated for further investigation, however, because the second signal had already been influenced by the cable fault [5] and the comparability was impaired. 4.3.2 Sensitivity of the breakage recognition The term sensitivity here denotes the deformation required for the TDR measurement system to recognise a breakage after it has occurred. The point in time of the breakage can then be determined from the force measurements, because the applied force falls off sharply after a breakage (Figure 6). A sensitivity of less than 1.5 mm was achieved for all test bodies. With an average sensitivity of 0.6 mm, the flexible coaxial cable Ecoflex 10 was the most sensitive, and the Commscope P3-500 coaxial cable was the most insensitive with an average of 1.0 mm. 4.3.3 Lifespan With increasing deformation in the deformation zone, the coaxial cable will break at some stage. The actual cable breakage is often preceded by a short-circuit (connection between inner and outer conductors). In both cases, the deformation in the shear zone can no longer be determined. The deformation, which occurred between the first recognition and the end of measurements, is the lifespan and is thus the maximum range measurable by TDR (Figure 6). The lifespan varies greatly, even with similar samples. This often results from the occurrence of a short-circuit reducing the duration of a measurement. On average, the highest lifespan is reached with the flexible cable Ecoflex 15 (approx. 25 mm), and the lowest with the semi-rigid Commscope P3-500 cable (8.5 mm). zone. Häufig geht dem eigentlichen Kabelbruch ein Kurzschluss (Verbindung zwischen Innen- und Außenleiter) voraus. In beiden Fällen kann die Deformation in der Scherzone dann nicht mehr ermittelt werden. Die Deformation, die seit der ersten Erkennung bis zum Messende stattgefunden hat, stellt die Lebensdauer und damit den maximalen Messbereich der TDR-Messung dar (Bild 6). Die Lebensdauer schwankt auch bei gleichartigen Proben sehr stark. Dies ist häufig auf das Zustandekommen eines Kurzschlusses zurück zu führen, der die Lebensdauer eines Versuchs verkürzt. Im Schnitt wurde die höchste Lebensdauer mit dem flexiblen Kabel Ecoflex 15 erreicht (ca. 25 mm), die geringste mit dem halbsteifen Koaxialkabel Commscope P3-500 (8,5 mm). 4.3.4 Quantifizierung des Deformationsbetrags (Kalibrierung) Die Quantifizierung des Deformationsbetrags geschieht über die Beziehung zwischen Signalamplitude und der im Scherversuch ermittelten Deformation. Um ein Maß für die Reproduzierbarkeit zu erhalten, werden die Ergebnisse aller Scherversuche an einem Kabeltyp gemeinsam ausgewertet. Es werden dazu polynome Ausgleichsfunktionen ermittelt, welche später als Kalibrierkurven für die Feldversuche herangezogen werden können. Während die Ergebnisse bei den Prüfkörpern mit dem Kabel Ecoflex 10 stark streuten, konnten bei den Versuchen mit dem Commscope P3-500 Kabel sehr einheitliche Ergebnisse erzielt werden (Bild 7). Dementsprechend liegt die Schwankungsbreite der ermittelten Deformation bei einer Signalamplitude von 0,1 beim Ecoflex10 bei ±1,3 mm, beim Ecoflex15 bei ±0,9 mm und beim P3-500 ebenfalls bei ±0,9 mm. 5 Praxiseinsatz im Lainzer Tunnel In einem rund vierwöchigen Zeitraum im Herbst 2008 war ein erster Prototyp eines TDR-Überwachungssystems für Brüche in der Kalottensohle im Lainzer Tunnel, Baulos LT31, Vortrieb W-neu im Einsatz. In diesem Zeitraum wurde dort auf einer Gesamtlänge von ca. 70 m unter Verwendung einer temporären Kalottensohle vorgetrieben. Die Abschlagslänge betrug dabei 2 m. Die Kalottensohle wurde als Spritzbetonschale ausgeführt, die laut Plan eine Stärke von 30 cm hatte, eine oben- sowie untenliegende Armierung besaß und die an den Seiten zur Tunnelschale jeweils ca. 1 m hinaufgezogen wurde. 5.1 Installation Fig. 7. Correlation between deformation amount and maximum signal amplitude, determined in six shear tests using Commscope P3-500 coaxial cable Bild 7. Zusammenhang zwischen dem Deformationsbetrag und der maximalen Signalamplitude, ermittelt in sechs Scherversuchen an Commscope P3-500 Koaxialkabeln Insgesamt wurden fünf Abschläge messtechnisch überwacht, also insgesamt ca. 10 m. Dazu wurden in jedem Messfeld drei verschiedene Koaxialkabel (vgl. Tabelle 1) in die Spritzbetonschale integriert. Die Messkabel wurden quer zur Tunnelachse über die gesamte Tunnelbreite verlegt (vgl. Bild 1). Sie wurden dazu auf die untenliegende Armierung aufgelegt und mittels Kabelbinder an dieser befestigt (Bilder 8 und 9). Jedes Messkabel hat dabei eine Länge von ca. 15 m. Während die Messkabel auf der einen Seite der Sohle bereits mit Spritzbeton und der zweiten Lage der Bewehrung überdeckt wurden, konnten auf der 244 Geomechanics and Tunnelling 2 (2009), No. 3

4.3.4 Quantification of the deformation amount (calibration) J. Singer/H. Grafinger/K. Thuro Monitoring the deformation of a temporary top heading invert using Time Domain Reflectometry The quantification of the deformation amount is done through the relationship between the signal amplitude and the deformation determined in the shear test. In order to produce a reproducible measure, the results for all shear tests with one type of cable are evaluated together. Polynomial smoothing functions can then derived and later be applied as calibration curves for the field trials. While the results with the test bodies containing Ecoflex 10 cable were widely scattered, very uniform results were obtained with the Commscope P3-500 cable (Figure 7). The range of variation of the recorded deformation at a signal amplitude of 0.1 is correspondingly ±1.3 mm for Ecoflex10, ±0.9 mm for Ecoflex15 and also ±0.9 mm for P3-500. 5 Practical application in the Lainzer tunnel During a period of about 4 weeks in autumn 2008, a first prototype of a TDR monitoring system for breakages in the top heading invert was tried out in the Lainzer tunnel, construction section LT31, drive W. In this time, an overall length of approx. 70 m was advanced using a temporary top heading invert. The round length was 2 m. The top heading invert was constructed as a shotcrete lining, with a thickness of 30 cm according to the design, upper and lower reinforcement layers, and which was extended up by about 1 m at each side of the tunnel lining. Fig. 8. The second measuring field, showing measuring and lead cables as well as the already installed ductwork for the lead cables to the third measuring field, shortly before being covered with shotcrete; the measurement devices are situated in the housing (left) Bild 8. Im Messfeld 2 installierte Mess- und Zuleitungskabel sowie Leerrohre für die Zuleitungskabel des dritten Messfelds kurz vor der Überdeckung mit Spritzbeton; die Messgeräte befinden sich in der Messkiste (links) 5.1 Installation Altogether five round lengths were monitored with measuring equipment, an overall length of 10 m. This involved casting-in three different measuring coaxial cables in each monitoring field (see Table 1). The measuring cables were laid at right angles to the tunnel axis over the entire width of the tunnel (see Figure 1). They were laid on the lower layer of reinforcement and fixed to it with cable ties (Figures 8 and 9). Each cable had a length of approx. 15 m. While the measuring cables at one side of the invert had already been covered with shotcrete and the second layer of reinforcement, it was still possible to connect the cables on the other side to the leads. This made it possible to reduce the delay to the construction work to a few minutes. For the installation, there proved to be no considerable difference between the use of semi-rigid and flexible cables, with both types being installed quickly and without problems. The connection to the TDR reflectometer used coaxial lead cable and two multiplexers (distributors), with the lead cables being protected by flexible plastic cable ducts inside the shotcrete. Cable ducts for the leads were also installed in each measuring section for the connection of the next section to be excavated. While the first multiplexer was built into the central measurement unit (measurement cabinet), the second was installed in a separate housing (distribution cabinet). The central measuring unit containing TDR reflectometer, data logger, multiplexer 1 and 12 V power supply was situated in the area of the first measuring field, and the distribution cabinet with the multiplexer 2 was installed near the Fig. 9. Covering of the cables and ductwork connected to the reinforcement with shotcrete in the third measuring field; the wooden box houses the second multiplexer Bild 9. Überdeckung der an der Armierung befestigten Kabel und Leerrohre des Messfelds 3 mit Spritzbeton; in der Holzkiste befindet sich der zweite Multiplexer anderen Seite die Messkabel an die Zuleitungskabel angeschlossen werden. Die Verzögerung im Bauablauf konnte so auf wenige Minuten beschränkt werden. Beim Einbau ergab sich kein wesentlicher Unterschied bei der Verwendung von halbsteifen oder flexiblen Kabeln. Beide Kabeltypen konnten problemlos und schnell verlegt werden. Die Verbindung zum TDR-Messgerät erfolgte mittels koaxialer Zuleitungskabel und zweier Verteiler (Multiplexer), wobei die Zuleitungskabel zum Schutz in flexiblen Kunststoffrohren innerhalb der Spritzbetonschale verlegt wurden. Dazu wurden in jedem Messabschnitt auch Leerrohre für die Zuleitungskabel zu den dahinterliegenden, noch nicht ausgebrochenen Messabschnitten verlegt. Geomechanics and Tunnelling 2 (2009), No. 3 245

Fig. 10. Retrieval of TDR measurement data using a notebook Bild 10. Auslesen der TDR-Messdaten mithilfe eines Notebooks third measuring field. The power supply was a 12 V lead battery, which made autonomous operation for the entire duration of the test possible. 5.2 Performance of measurements After the installation, all 15 measurement cables were measured every 15 minutes with a TDR reflectometer. All data was saved in the data logger and read out weekly through the serial interface (Figure 10). The TDR measurement system was in operation over the entire test period of almost one month without interruption. No technical breakdowns occurred. Altogether up to approx. 1,200 individual measurements were made at one site. 5.3 Measurement results Out of the 15 sections monitored, deformation was only demonstrated in one during the test period (Figure 11). The signal caused by this has an amplitude of approx. 0.06 and lies approx. 1.45 m behind the start of the measurement cable. The signal width is approx. 0.25 m and is thus over three times the width of the signals determined in the laboratory for the same type of coaxial cable. No direct correlation of the signals was therefore possible. The difference in the signals does, however, lead to the suspicion that the deformation was not a shear failure along a thin break joint but rather a pinching of the cable over a longer section. Because work on the excavation of the next round was taking place at precisely the same time, it can be suspected that this deformed the cable. It is conceivable that the excavator pulled at the lower layer of reinforcement and caused the deformation of the cable. After the first deformation, the measured signal did no alter further in the following measurements, which also suggests a construction-related cause. None of the other measurements showed any significant alteration during the test period. In some places, the cable was already slightly deformed during installation, so the relevant signals were already present at the start of measurement. Fig. 11. Colour-coded presentation of data from measurement site M3_P3-500: yellow stands for no changes, red represents a signal caused by cable deformation Bild 11. Farbkodierte Darstellung der Daten der Messstelle M3_ P3-500: Gelb bedeutet keine Veränderung, rot ein durch eine Deformation verursachtes Signal Während der erste Multiplexer in die zentrale Messeinheit (Messkiste) integriert war, wurde der zweite in eine separate Einhausung (Verteilerkiste) installiert. Die zentrale Messeinheit mit TDR-Messgerät, Datenlogger, Multiplexer 1 und 12 V Stromversorgung wurde im Bereich des ersten Messfelds platziert, die Verteilerkiste mit dem Multiplexer 2 wurde im Bereich des dritten Messfelds installiert. Als Stromversorgung diente ein 12 V Bleiakku, der einen autarken Betrieb über den gesamten Versuchszeitraum ermöglichte. 5.2 Messbetrieb Nach der Installation wurden alle 15 Messkabel von einem TDR-Messgerät aus alle 30 Minuten vermessen. Alle Daten wurden im Datenlogger gespeichert und wöchentlich über die serielle Schnittstelle ausgelesen (Bild 10). Das TDR-Messsystem war über den gesamten Versuchszeitraum von nahezu einem Monat ohne Unterbrechungen in Betrieb. Technische Ausfälle traten keine auf. Insgesamt wurden so im Versuchzeitraum pro Messstelle bis zu ca. 1.200 Einzelmessungen durchgeführt. 5.3 Messergebnisse Von den 15 Messstrecken konnte im Versuchszeitraum nur in einer eine Deformation nachgewiesen werden (Bild 11). Das dadurch verursachte Signal besitzt eine Amplitude von ca. 0,06 und liegt ca. 1,45 m hinter dem Beginn des Messkabels. Die Signalbreite beträgt ca. 0,25 m und ist damit über dreimal so breit, wie die in den Scherversuchen mit dem gleichen Koaxialkabel ermittelten Signale. Eine direkte Korrelation der Signale war damit nicht möglich. Der Unterschied in den Signalen legt jedoch den Verdacht nahe, dass es sich bei der Deformation nicht um eine Scherung entlang einer dünnen Bruchfuge handelte, sondern eher um eine Quetschung des Kabels über einen etwas längeren Bereich. Da genau zum Zeitpunkt der Deformation die Ausbrucharbeiten des nächsten Abschlags stattfanden, ist anzunehmen, dass dabei das Kabel deformiert wurde. Es ist vorstellbar, dass der Bagger an der unteren Bewehrungslage gezogen und somit die Deformati- 246 Geomechanics and Tunnelling 2 (2009), No. 3

6 Discussion of the results 6.1 Installation of the TDR measurement system The installation of the TDR measurement system in the Lainzer tunnel was carried out without problems. Because it was possible to perform important activities (particularly the cutting of the cables to length and the connection of the cables) in advance of the actual installation, there was very little delay to construction operations in the tunnel from the installation of the system. A further optimisation of the cable connections and the connections to the measurement cabinets could make the installation even more simple and quicker. The measurement system used, from the company Campbell Scientific, is scalable almost at will because of the flexible control through programming the data logger and the use of multiplexers: up to 512 measuring cables can be evaluated using one reflectometer. There is, however, a limitation due to the maximum practical length of the cables. Depending on the type of coaxial cable used, this should not exceed 100 m [8]. 6.2 Operation of the TDR measurement system The operation of the system without breakdowns was also demonstrated in the field trial under the environmental conditions prevailing in the tunnel. The system was in operation autonomously for a period of 25 days without interruption. In other projects (monitoring of slope movement), three months of maintenance-free operation has already been demonstrated. 6.3 Detecting breakages with TDR 6.3.1 Sensitivity Independent of which measurement cable was being used, it normally proved possible to detect breaks within the first few millimetres during the shear tests. This sensitivity will certainly be sufficient in practice, because larger deformations have to be reckoned with immediately after a failure. 6.3.2 Number and position of breaks The TDR system used can, as has been demonstrated in the shear tests, detect a number of breaks along the cable unless the cable is short-circuited or torn. The spatial resolution (i.e. the minimum spacing between two separately detectable signals), with which this occurs, is influenced by many parameters: the cable length, the measurement resolution of the instrument in use and the number of previous disturbances along the cable. In practice, however, it should be possible to depend on a resolution in the range of 1 to 10 cm. The positional precision is in the same range and also depends on the previously stated parameters. An error of a few cm can occur particularly with multiple disturbances. 6.3.3 Lifespan The lifespan of the measuring cable depends, as the shear tests showed, strongly on its construction. While the flexion des Kabels verursacht hat. Nach der ersten Deformation änderte sich das gemessene Signal in den Folgemessungen nicht weiter, was auch auf eine einmalige baubedingte Ursache hinweist. Alle übrigen Messstellen zeigten im Versuchszeitraum keine signifikanten Signaländerungen. Bei einigen wurde das Kabel bereits beim Einbau leicht deformiert, so dass die entsprechenden Signale schon in der Nullmessung vorhanden sind. 6 Diskussion der Ergebnisse 6.1 Installation des TDR-Messsystems Die Installation des TDR-Messsystems im Lainzer Tunnel verlief ohne Probleme. Durch die Möglichkeit, wichtige Arbeiten (insbesondere den Kabelzuschnitt und die Verbindung der Kabel) bereits im Vorfeld der Installation durchführen zu können, kam es bei der Einrichtung des Systems im Tunnel nur zu geringfügigen Verzögerungen im Bauablauf. Durch eine weitere Optimierung der Kabelverbindungen und des Anschlusssystems der Messkisten kann der Einbau sogar noch weiter vereinfacht und beschleunigt werden. Das verwendete Messsystem der Fa. Campbell Scientific ist durch die flexible Steuerung über die Datenloggerprogrammierung und dem Einsatz von Multiplexern nahezu beliebig skalierbar: Bis zu 512 Messkabel können mit einem Messgerät ausgelesen werden. Beschränkungen existieren allerdings hinsichtlich der maximal umsetzbaren Kabellängen. Hier sollten je nach den verwendeten Koaxialkabeln 100 m nicht überschritten werden [8]. 6.2 Betrieb des TDR-Messsystems Auch der störungsfreie Betrieb des TDR-Messsystems unter den im Tunnel herrschenden Umweltbedingungen konnte im Feldversuch nachgewiesen werden. Das System konnte über einen Zeitraum von 25 Tagen autark und ohne Unterbrechungen betrieben werden. In anderen Projekten (Überwachung von Hangbewegungen) wurde bereits ein dreimonatiger wartungsfreier Betrieb realisiert. 6.3 Brucherkennung mit TDR 6.3.1 Sensitivität Unabhängig davon, welche Messkabel eingesetzt wurden, konnten im Rahmen der Scherversuche Brüche in der Regel innerhalb des ersten Millimeters Deformation detektiert werden. In der Praxis wird diese Sensitivität mit Sicherheit ausreichen, da hier schon unmittelbar beim Bruchereignis bereits mit größerer Deformation zu rechnen ist. 6.3.2 Anzahl und Position der Brüche Das verwendete TDR-System kann, wie anhand der TDR- Scherversuche nachgewiesen wurde, problemlos mehrere Brüche entlang des Kabels detektieren, solange das Kabel noch nicht kurzgeschlossen oder gerissen ist. Die räumliche Auflösung (d.h. der minimale Abstand zweier noch getrennt erkennbarer Signale), mit der dies geschieht, wird dabei von mehreren Parametern beeinflusst: die Kabellän- Geomechanics and Tunnelling 2 (2009), No. 3 247

ble Ecoflex 15 cable had an average lifespan of approx. 25 mm, the semi-rigid CS P3-500 cables broke after only an average of 9 mm. These low values are surprising, because in other shear tests using cement-bentonite mixtures as embedment material, lifespans of up to and over 60 mm were reached with the CS P3-500 cable [10]. It seems that the high strength of the shotcrete plays a decisive role here, because in contrast to the cement-bentonite mixture, the breakage of shotcrete results in sharp and hard edges to the break, which shear the cable more quickly. Because the use of semi-rigid cable is preferable on account of the better reproducibility of the deformation but these only had a very low lifespan in the tests carried out here, further alternatives need to be looked for in the future. It may be possible to achieve a higher lifespan with the same reproducibility by using other cables (larger diameter, soft jacket). 6.3.4 Quantification of the deformation amount The quantification of the deformation amount is done through the correlation with the amplitude of the measured signal. As was made clear from the results of the shear tests, this relationship depends strongly on the type of cable used. The semi-rigid Commscope P3-500 coaxial cable shows the highest reproducibility of results and is thus the most suitable cable for the quantification of the deformation amount. The results scatter ever more with increasing deformation, which presumably results to a large extent from the chaotically shaped fractures in shotcrete. Various patterns of breakage, influenced for example by the reinforcing steel, also have to be expected in the application of measuring cables in the top heading invert. As a consequence, it cannot be expected that the use of a different type of measuring cable would lead to a considerable reduction of the scattering in comparison to the coaxial cable used here. 7 Conclusion The TDR measuring system is suitable for the detection, localisation and quantification of breakages in the shotcrete lining of the top heading invert in tunnelling. There is, however, a need for further development regarding the type of coaxial cable used for the measuring sections. A larger range of measurement would be especially desirable. Work on further optimisation of TDR deformation measurement is continuing at the moment at the Technische Universität München. The current main focus of the work is software-based evaluation, which should in the future take further parameters (signal width, area etc.) into account in addition to just the amplitude of the signal. This should ensure that calibration curves are only applied to suitable signals. In addition to this, the automisation of breakage detection and the integration of an alarm function are also being worked on. The middle term aim is to make available a measurement system adapted and calibrated for the relevant task, whether slope movement monitoring or breakage of the top heading invert. ge, die verwendete Messauflösung des Geräts und die Anzahl vorhergehender Störungen entlang des Kabels. In der Praxis ist jedoch mit einer räumlichen Auflösung im Bereich von 1 bis 10 cm zu rechnen. Die Positionierungsgenauigkeit liegt in derselben Größenordnung und hängt ebenfalls von den zuvor genannten Parametern ab. Insbesondere bei multiplen Störungen kann ein Fehler von einigen cm auftreten. 6.3.3 Lebensdauer Die Lebensdauer des Messkabels hängt wie die Scherversuche gezeigt haben stark von seiner Konstruktion ab. Während die flexiblen Ecoflex 15 Kabel im Schnitt eine Lebensdauer von ca. 25 mm besaßen, kam es bei den halbsteifen CS P3-500 Kabeln bereits nach durchschnittlich 9 mm zum Kabelbruch. Diese niedrigen Werte überraschen, da in anderen Scherversuchen mit Zement-Bentonit Mischungen als Einbettungsmaterial bis über 60 mm Lebensdauer für das CS P3-500 Kabel erreicht wurden [10]. Offensichtlich spielt hier die hohe Festigkeit des Spritzbetons eine entscheidende Rolle. Denn im Gegensatz zu den Zement- Bentonit Mischungen ergeben sich beim Bruch des Spritzbetons scharfe, feste Bruchränder, die das Kabel bereits nach kurzer Zeit abscheren. Da die Verwendung von halbsteifen Kabeln aufgrund der besseren Reproduzierbarkeit der Deformation bevorzugt wird, diese aber in den hier durchgeführten Versuchen eine sehr niedrige Lebensdauer besaßen, ist hier in Zukunft noch nach weiteren Alternativen zu suchen. Möglicherweise könnte mit anderen Kabeln (größere Durchmesser, weiche Ummantelung) eine höhere Lebensdauer bei gleichbleibender Reproduzierbarkeit erreicht werden. 6.3.4 Quantifizierung des Deformationsbetrags Die Quantifizierung des Deformationsbetrags geschieht über die Korrelation mit der Amplitude des gemessenen Signals. Wie in den Ergebnissen der Scherversuche deutlich wurde, ist diese Relation stark vom verwendeten Messkabel abhängig. Das halbsteife Koaxialkabel Commscope P3-500 zeigte dabei die höchste Reproduzierbarkeit der Ergebnisse und ist damit das für die Quantifizierung des Deformationsbetrages am besten geeignete Kabel. Mit zunehmender Deformation streuen die Ergebnisse immer mehr, was vermutlich größtenteils auf die sich chaotisch ausbildende Form der Brüche im Spritzbeton zurückzuführen ist. Auch beim Einsatz der Messkabel in der Kalottensohle ist mit unterschiedlichen Bruchmustern, beeinflusst z.b. durch den Bewehrungsstahl, zu rechnen. Es ist folglich nicht zu erwarten, dass durch Verwendung anderer Messkabel eine deutliche Verringerung der Streuung gegenüber den hier verwendeten Koaxialkabeln eintritt. 7 Fazit Das TDR-Messsystem ist für die Erkennung, Lokalisierung und Quantifizierung von Brüchen in der Spritzbe- 248 Geomechanics and Tunnelling 2 (2009), No. 3

Acknowledgement The investigations described here were supported financially by the Austrian Research Promotion Agency (FFG) as part of the programme Innovationsscheck Österreich. The practical trial in the Lainzer tunnel was made possible and supported by the client ÖBB Infrastruktur Bau AG, the local construction supervision LT31/Geotechnik and the consortium LT31-Maxing consisting of the contractors Hochtief Construction AG, Alpine Bau GmbH and Betonund Monierbau GmbH. References [1] Topp, G.C., Davis, J.L. & Annan, A.P.: Electromagnetic Determination of Soil Water Content: Measurement in Coaxial Transmission Lines. Water Resources Research 16 (1980), No. 3, pp. 574 582. [2] Stacheder, M.: Die Time Domain Reflectometry in der Geotechnik Messung von Wassergehalt, elektrischer Leitfähigkeit und Stofftransport. In: Czurda & Hötzl (eds.): Schriftenreihe Angewandte Geologie Karlsruhe. Karlsruhe, 1996. [3] Dowding, C.H. & O Connor, K.M.: Comparison of TDR and Inclinometers for Slope Monitoring. In: Marr (ed.): Geotechnical Measurements Lab and Field, Proceedings of Sessions of Geo-Denver. pp. 80 90. Denver, 2000. [4] Turner, J.P.: Time Domain Reflectometry for Monitoring Slope Movements. http://dot.state.wy.us/webdav/site/wydot/ shared/public Affairs/research reports/time Domain Reflectometry for Monitoring Highway Slope Movements.pdf [5] O Connor, K. M. & Dowding, Ch. H.: GeoMeasurements by Pulsing TDR Cables and Probes. Boca Raton: CRC Press, 1999. [6] Singer, J., Thuro, K. & Sambeth, U.: Development of a continuous 3d-monitoring system for unstable slopes using time domain reflectometry. Felsbau 24 (2006), No. 3, pp. 16 23. [7] Campbell Scientific, Inc.: TDR100 Instruction Manual. Logan, USA, 2006. [8] Singer, J., Festl, J. & Thuro, K.: Computergestützte Auswertung von Time Domain Reflectometry Messdaten zur Überwachung von Hangbewegungen. In: Marschallinger & Wanker (eds.): Geomonitoring, FE-Modellierung, Sturzprozesse und Massenbewegungen, Beiträge zur COG-Fachtagung Salzburg 2008. pp. 19 34. Heidelberg: Wicmann, 2009. [9] Singer, J. & Thuro, K.: Development of a continuous 3dmonitoring system for unstable slopes using time domain reflectometry. In: Culshaw, Reeves, Spink & Jefferson (eds.): IAEG Engineering geology for tomorrow s cities. Proceedings of the 10 th IAEG International Congress. paper number 494. Nottingham, United Kingdom, 2006. [10] Festl, J.: Eignungsprüfung von Zement-Bentonit-Suspensionen als Injektionsgut bei TDR Deformationsmessungen. Unveröffentlichte Masterarbeit, Lehrstuhl für Ingenieurgeologie, Technische Universität München, 2008. tonschale der Kalottensohle beim Tunnelbau geeignet. Es besteht aber noch weiterer Entwicklungsbedarf hinsichtlich der zu verwendenden Koaxialkabel für die Messstrecken. Insbesondere wäre ein größerer Messbereich wünschenswert. Momentan wird an der TU München weiter an der Optimierung der TDR-Deformationsmessungen gearbeitet. Dabei liegt der Schwerpunkt momentan auf der softwarebasierten Auswertung, die zukünftig neben der Auswertung rein über die Amplitude des Signals auch noch weitere Parameter (Signal-Breite, Fläche etc.) berücksichtigen wird. Dies soll sicherstellen, dass Kalibrierkurven nur auf geeignete Signale angewandt werden. Darüber hinaus wird an der Automatisierung der Brucherkennung sowie an der Integration einer Alarmfunktion gearbeitet. Ziel ist es mittelfristig, ein auf die jeweilige Messaufgabe (z.b. Hangbewegungs-Monitoring, Bruch der Kalottensohle) angepasstes und kalibriertes Messsystem bereit zu stellen. Danksagung Die hier durchgeführten Untersuchungen wurden durch die Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) im Rahmen des Programms Innovationsscheck Österreich finanziell unterstützt. Der Praxistest am Lainzer Tunnel wurde ermöglicht und unterstützt durch die ÖBB Infrastruktur Bau AG (Bauherrin), die Örtliche Bauaufsicht LT31/Geotechnik und die ARGE LT31-Maxing (aus den Bauunternehmen Hochtief Construction AG, Alpine Bau GmbH und Beton- und Monierbau GmbH). Dipl.-Geol. John Singer Technische Universität München Lehrstuhl für Ingenieurgeologie Arcisstraße 21 80333 Munich Germany singer@tum.de Dipl.-Ing. Dr. Helge Grafinger COMET Consulting Messtechnik Teisenberggasse 25 5020 Salzburg Austria helge.grafinger@comet.co.at Prof. Dr. Kurosch Thuro Technische Universität München Lehrstuhl für Ingenieurgeologie Arcisstraße 21 80333 Munich Germany thuro@tum.de Geomechanics and Tunnelling 2 (2009), No. 3 249