Geotechnical Monitoring, Bratislava on June 1 2, 2009 CUSTOMISED MONITORING SYSTEMS FOR TUNNELLING PROJECTS / KUNDENSPEZIFISCHE ÜBERWACHUNGSSYSTEME FÜR TUNNELPROJEKTE ABSTRACT / ZUSAMMENFASSUNG: Dr. Michael Siegwart und Ing. Ján Kušnír Construction works on or around tunnels such as blasting or earthworks can cause a redistribution of loads or vibrations which might affect the structural integrity of the tunnel. In this case customised monitoring systems are commissioned, in order to warrant the safety of the structure during construction works. The monitoring systems must be capable to register any sensor-data with a high level of accuracy and sometimes to carry out dynamic measurements. This article describes different customised monitoring systems that were commissioned for the construction of three tunnel projects in Switzerland. The systems are the following: distributed strain measurements over long distances using the Osmos-System and a differential pressure level system. Both systems were to accurately measure the deformations of the tunnel lining. Moreover, the systems were suitable to warrant the safe operation of services located in the tunnel. Also, in combination with the ability to detect the influence of dynamic loads on the structural integrity and durability of the tunnel. Sprengungen und Erdbauarbeiten können aufgrund von Erschütterungen oder Lastenänderungen zu gravierenden Schäden an bestehenden Tunneln führen. Um die notwendige Sicherheit gewährleisten zu können, sind beim Tunnelbau deshalb situationsspezifische Überwachungssysteme erforderlich. Diese müssen Daten zu gewissen Parametern hochpräzise und oft auch dynamisch erfassen können. Im vorliegenden Artikel wird der Einsatz verschiedener Monitoringsysteme, die bei drei Tunnelbauprojekten in der Schweiz eingesetzt wurden vorgestellt. Es handelt sich um die Dehnungsmessung über längere Messstrecken mit dem System Osmos sowie ein Differentialdrucksystem (Schlauchwasserwaage mit mehreren Messpunkten). Beide Systeme erwiesen sich als geeignet, nicht nur um Verformungen an der Tunnelschale zu erfassen, sondern vielmehr den gesicherten Betrieb von Anlagen zu gewährleisten und nicht zuletzt um Aussagen über den Einfluss dynamischer Lasten auf die Tragsicherheit und Dauerhaftigkeit zu treffen.
1. Einleitung Sprengungen, Erschütterungen oder Lastenänderungen können zu gravierenden Schäden an Tunneln führen. Beim Tunnelbau sind deshalb in vielen Fällen Überwachungssysteme erforderlich, um die notwendige Sicherheit gewährleisten zu können. In diesem Beitrag werden anhand von drei Beispielen der Einsatz von speziellen, auf die jeweiligen Messanforderungen massgeschneiderten Monitoringsystemen vorgestellt: Bei den Bauarbeiten am neuen Gotthard-Basistunnel und beim Bau eines Eisenbahntunnels in Zürich wurden die Auswirkungen von dynamischen Spannungszuständen, ausgelöst durch Sprengungen sowie unter dem Einfluss von Mikrobeben, mithilfe der faseroptischen Dehnungsmessung beobachtet. Beim Bau eines neuen Fussgängertunnels auf dem Flughafen Zürich wurden Verformungen an einem unterhalb des Bauabschnitts liegenden Gepäcktunnel mithilfe eines Differentialdrucksystems mit Schlauchwasserwaage gemessen. 2. Messsysteme Die am weitesten verbreiteten Systeme beim Tunnelmonitoring sind automatisierte Theodoliten und Laserscanner. Sie genügen einer Mehrheit der Messaufgaben. Insbesondere wenn die Genauigkeit der Messung im 1 mm-bereich liegen soll oder keine dynamische Messdatenerfassung erforderlich ist, sind Theodolit und Scanning-Systeme die richtige Wahl. Wird eine höhere Genauigkeit gefragt, sollen dynamische Effekte erfasst werden (z.b. Erdbeben), lassen räumliche Verhältnisse oder Visuren ein Theodolit basiertes System nicht zu, sind Sensor basierte Systeme wie die hier beschriebenen - die optimale Lösung. Beim Einsatz dieser Systeme muss beachtet werden, dass die Sensoren für die jeweiligen Umweltbedingungen geeignet sein müssen (zum Beispiel hohe elektrische Schutzklasse > IP 65, oder Robustheit gegen mechanische Beschädigung). 2.1. Faseroptische Dehnungsmessungen Bei der faseroptischen Dehnungsmessung wird die Licht leitende Eigenschaft der Glasfaser genutzt. Intensität, Phase und Polarität des geleiteten Lichts verändern sich bei leichter Verformung der Faser. Diese Veränderungen lassen sich über Sensoren an den Faserenden hochpräzise messen. Im Tunnelbau hat diese Messtechnik entscheidende Vorteile: Veränderungen lassen sich nicht nur punktuell, sondern auch über Strecken bis zu 10 Metern erfassen. Gegen äussere Einflüsse wie Druck, Hitze und Feuchtigkeit ist die Technik sehr widerstandsfähig. Es werden nur wenige elektronische und mechanische Komponenten benötigt. Basler & Hofmann verwendet zur faseroptischen Dehnungsmessung das Überwachungssystem Osmos. Dieses beruht auf dem Prinzip der Intensitätsmodulation bei Dämpfungsmessungen. (siehe Abb. 1). Das Prinzip wird nachfolgend beschrieben. Abb 1. Optische Saite (Dehnungsmessungen) und Prinzip der Dämpfungsmessung der optischen Saite (Quelle: Osmos SA)
Funktionsweise einer optischen Saite Die Optische Saite erlaubt es Formveränderungen exakt zu messen. In einem Sensor sind mehrere Fasern ineinander verwoben. Ändert sich die Länge der Saite, ändert sich auch die Krümmung der ineinander verwobenen Fasern. An den Krümmungsstellen verliert die Faser Licht durch Abstrahlung (siehe Abb. x). Diese Lichtverluste sind mit der Licht- Dämpfungsmessung bis auf eine Messgenauigkeit von +/-2 μm / mm erfassbar. 2.2. Mehrpunkt-Differentialdrucksystem Das Mehrpunkt-Differentialdrucksystem basiert auf dem Prinzip der Schlauchwasserwaage. Diese besteht aus einem gebogenen Schlauch, der mit Flüssigkeit gefüllt ist. In der horizontalen Ebene ist die Flüssigkeit in beiden Schlauchhälften gleich hoch. Der Druck der Flüssigkeitssäulen in den beiden Schlauchhälften ist am tiefsten Punkt des Schlauches gleich gross. Unterscheiden sich die Flüssigkeiten in ihren Dichten jedoch, zum Beispiel weil sich eine Luftblase oder eine weitere, nicht mischbare oder noch nicht vermischte, andere Flüssigkeit in einer Schlauchhälfte befindet, oder auf Grund eines Temperaturunterschiedes, so unterscheiden sich auch die Höhen der Flüssigkeiten in den beiden Schlauchhälften. Dies führt zu Messfehlern. Bei der Entwicklung des eingesetzten Mehrpunkt- Differentialdrucksystems wurden die prinzipbedingten Eigenschaften und Fehlereinflüsse der Schlauchwasserwaage zunächst theoretisch an einer Zweipunktanordnung entwickelt und anschliessend auf Mehrpunktsysteme übertragen, welches auch bei den hier vorgestellten Projekten eingesetzt wurde. Für das Verhalten der Flüssigkeitsstände in den Messzylindern entscheidend ist, ob sich die Flüssigkeiten in einem statischen oder in einem dynamischen Zustand befinden. Im statischen Gleichgewichtszustand können Füllstandsänderungen durch Punktbewegungen oder Änderungen der Flüssigkeitsdichte, der Schwerebeschleunigung und des Luftdrucks hervorgerufen werden. Für Präzisionsmessungen ist das Eliminieren dieser Einflüsse, z.b. mittels Ausgleichsgefäss, daher unablässig (siehe Abb. 2). Abb 2. Bilder von Differenzialdrucksensoren und Ausgleichsgefäss mit Filtereinheit 2.3. Sonstige Sensoren im komplexen Messsystem Fugen und Risse Müssen Fugen oder Rissweiten bei der Tunnelvermessung überwacht werden, so sind Wegsensoren am zweckmässigsten. Verschiedene Messprinzipien wie Ultraschall oder potentiometrische Wegmessung. Bei den in Kapitel 3 beschriebenen Beispielen wurden magnetostriktive Wegsensoren eingesetzt.
Bei magnetostriktiven Sensoren wird die Distanz, also die variable Entfernung vom fixen Messkopf zum beweglichen Messpunkt, mit einem ferromagnetische Messelement erfasst, das geschützt im Inneren des Sensors liegt. Der bewegliche Messpunkt, ein Positionsmagnet, erzeugt im Wellenleiter ein magnetisches Längsfeld. Sobald ein Stromimpuls durch den Sensor geht, bildet sich ein zweites Magnetfeld um das magnetische Längsfeld herum. Treffen beide Magnetfelder am Messort zusammen, wird ein Drehimpuls im Wellenleiter ausgelöst. Dieser wird mit Ultraschallgeschwindigkeit vom Messort zum Sensor übertragen, erfasst und dort in Messsignale transformiert. Die Auflösung der Sensoren liegt im Mikrometerbereich, die Messstrecke beträgt bis zu mehreren Metern. Tunnelklima Änderungen des Mikroklimas im Tunnel können auf das Versagen von Bauteilen hindeuten, wie z.b. der Abdichtung oder eine Rissbildung, welche das Eindringen von Feuchtigkeit nach sich zieht. Temperatureffekte sind immer dann relevant, wenn Dehnungen gemessen werden und unterschieden werden muss, ob die Längenänderungen des Materials aufgrund der Temperatur oder aufgrund anderer Einwirkungen erfolgt. Im Falle von konventionellen Dehnungsmessstreifen, kann die Temperaturdehnung mit einem 2. DMS kompensiert werden. Im Falle von optischen Dehnungsmessern wird immer die Temperatur mitgemessen. Zudem zeigen die meisten Bausstoffen hygrisches Schwinden und Quellen, deshalb wird von uns oft auch noch die Luftfeuchte im Tunnel miterfasst. 3. Fallbeispiele 3.1. Fallbeispiel 1: Auswirkungen von Mikrobeben im Gotthard-Basistunnel Zurzeit wird in der Schweiz der längste Tunnel der Welt gebaut. Der neue Gotthard- Basistunnel mit einer Länge von 57 Kilometern wird voraussichtlich Ende 2017 in Betrieb genommen. In der Region des Tunnels treten immer wieder leichte Erdbeben (Mikrobeben) auf, die zu Dehnungen in der Tunnelröhre führen können. Basler & Hofmann hat die Auswirkungen dieser Beben auf den Tunnel untersucht. Methode Während eines knappen Jahres wurden in einem Tunnelabschnitt Dehnungsmessungen durchgeführt. Die Montage des Systems ist in Abbildung 3 gezeigt. Mithilfe vier Optischer Saiten des Osmos-Messsystems, die direkt auf dem Spitzbetonauftrag der Tunnelwand montiert wurden, konnten statische und dynamische Messungen durchgeführt werden (siehe Abb. 4 und Abb. 5). Während der gesamten Beobachtungszeit wurde die Dehnung der Tunnelwand alle zehn Minuten als Mittelwert von rund 60'000 einzelnen Messwerten gespeichert (statische Messung). Sobald an der Tunnelwand eine Erschütterung mit einer Mindestanregung von 0.07g auftrat, löste ein an das System angeschlossenes Geophon dynamische Messungen aus. Während der Dauer der Erschütterungen wurden 100 Messwerte pro Sekunde aufgezeichnet. Auf diese Weise wurden hunderttausende von Messwerten gespeichert und grafisch ausgewertet. Um baustellenbedingte Erschütterungen von tatsächlichen Erdbeben (Mikrobeben) zu unterscheiden, wurden die Messwerte mit den Aufzeichnungen des Schweizer Erdbebendienstes abgeglichen.
Abb 3. Montage der Optischen Saiten (mit freundlicher Genehmigung Dr. Thomas Eppler, Amberg Engineering) Abb 4. Zwei Optische Saiten in Längs- und Umfangrichtung zum Tunnel installiert (MFS Faido, 2007) Abb 5. Optische Saite und die dynamischen Messungen triggernden Beschleunigungsaufnehmer (MFS Faido, 2007)
Befunde Während des Messbetriebs wurden mehrere kleine Erdbeben in der Region registriert. Keines dieser Beben war stark genug, um eine dynamische Messung auszulösen. Vorbeifahrende Abraumzüge lösten dagegen zahlreiche dynamische Messungen aus. Diese Erschütterungen hatten jedoch keine nachweisbaren Einwirkungen auf die Tunnelwände. Ein überraschender Befund der Dehnungsmessungen war die langsam stattfindende, aber deutliche Hebung der Tunnelröhre um wenige Millimeter (siehe Abb. 6). Die Bewegung konnte sowohl mit den Optischen Saiten, die in Tunnellängsrichtung verlaufen (rot), als auch mit denjenigen, die in Umfangrichtung installiert wurden (gelb und grün), nachgewiesen werden. Weitere Untersuchungen im Tunnel bestätigten diesen Befund. Als Ursache wurde die im Felsen stattfindende Kräfteumlagerung erkannt. Abb 6. Ganglinie der statischen Messungen der Optischen Saiten in Umfangrichtung von Mai 2007 bis Mai 2008 (light gray und dark grey) und in Längsrichtung (black, black) sowie der Temperatur (bold black) 3.2. Fallbeispiel 2: Auswirkungen von Sprengungen auf einen alten Eisenbahntunnel In Zürich wird zurzeit ein neuer Eisenbahntunnel gebaut, der die Leistungsfähigkeit des Bahnverkehrs deutlich steigern soll. Der neue Tunnel entsteht in unmittelbarer Nähe des 100 Jahre alten Wipkinger Tunnels. Aufgrund seines Alters und seiner Baumaterialien Ortbetonmauern und Sandsteingewölbe ist der Wipkinger Tunnel empfindlich gegenüber Erschütterungen jeglicher Art. Um sicherzustellen, dass er bei Sprengungen für den neuen Tunnel keinen Schaden nehmen wird, wurden genauere Abklärungen vorgenommen: Während drei Nächten wurden Probesprengungen mit unterschiedlicher Stärke und in unterschiedlicher Tiefe durchgeführt. Basler & Hofmann hat die Auswirkungen in Form dynamischer oder permanenter Verformungen während der Sprengungen gemessen.
Methode Im Tunnel wurden drei Optische Saiten und zwei Optische Extensometer des Osmos Systems installiert (siehe Abb. 7 und Abb. 8). Um horizontale oder vertikale Verschiebungen zu erkennen, wurden die Extensometer am Übergang des Sandsteingewölbes zum Ortbetonmauerwerk angebracht, der als besonders kritisch eingeschätzt wurde. In zwei Nächten wurden je drei Sprengungen durchgeführt und mit 100 Messwerten pro Sekunde aufgezeichnet. Abb 7. Installationsschema der optischen Saiten im Wipkinger Tunnel Abb 8. Optische Saite, die auf 2 m Länge die Dehnungen in Ortbetonsohle und Kalksandsteintunnelmauerwerk überwacht (Wipkinger Tunnel, 2007)
Befunde Alle sechs Sprenglasten wurden von den Sensoren deutlich erfasst (siehe Abb. 10). Mit Ausnahme der letzten beiden Messungen wurden die Verformungen zeitgleich von mindestens drei der fünf Sensoren aufgezeichnet. Die dynamischen und permanenten Verformungen waren allesamt kleiner als 14 μm / m,(gemessen wurden 20μm/1.5m) was weniger als 30 Prozent der Biegezugfestigkeit des Tunnels entspricht (Abb. 9). Die gemessenen Verformungen können somit als äusserst gering und unproblematisch bewertet werden. Es überrascht, dass die gemessenen Verformungen in keinem Bezug zu den eingebrachten Sprenglasten oder zur Lage der Sprengung stehen. Obwohl die Ladungen in der zweiten Sprengnacht stärker waren als in der ersten, wurden geringere Einwirkungen registriert. Dies könnte damit erklärt werden, dass bei den früheren Sprengungen das Gewölbe in eine stabilere Lage gerückt worden ist. Optische Extensometer Optische Saiten EX 485 EX 471 SI 1107 SI 859 SI 777 Sprengungen Dyn. Perm. Dyn. Perm. Dyn. Perm. Dyn. Perm. Dyn. Perm. 2. Sprengung 1 - - - - 10 μm - 10 μm - 7 μm - Nacht Sprengung 2 - - - 10 μm 10 μm - - 2 μm - 2 μm Sprengung 3-5 μm 20 μm 2 μm - 2 μm - 1 μm - 2 μm 3. Sprengung 1-10 μm - 15 μm - > 1μm - 5 μm 10 μm 5 μm Nacht Sprengung 2-5 μm 15 μm - - - - - - - Sprengung 3 - - 10 μm - - - - - - 2 μm Abb 9. Ergebnisse der Verformungsmessungen während den Probesprengungen Abb 10. Aufgezeichnete permanente Verformung im Wipkinger Tunnel
3.3. Fallbeispiel 3: Auswirkungen veränderter Druckverhältnisse auf einen Tunnel Wenn in unmittelbarer Nähe einer Tunnelröhre gebaut wird und sich die Druckverhältnisse im umliegenden Baugrund verändern, kann sich die Tunnelschale verformen und aufreissen. Ist dieses Risiko gegeben, müssen die Tunnelwände permanent überwacht werden, um bei auftretenden Verformungen die Bauarbeiten rechtzeitig stoppen und vorgängig definierte Schutzmassnahmen einleiten zu können. Eine solche Situation bestand am Flughafen Zürich, als rund 10 Meter über einem bestehenden Gepäcktransport-Tunnel ein neuer unterirdischer Fussgängerkorridor erstellt werden sollte. Eine Hebung des Gepäcktunnels um wenige Millimeter sowie eine Verformung der Tunnelröhre wurde aufgrund deutlicher Druckänderungen im Baugrund erwartet. Für die Tunnelschale bedeuteten die erwarteten Verformungen keine Gefahr. Der Betrieb der Gepäckförderanlage im Tunnelinneren jedoch hätte schon bei sehr kleinen Verschiebungen oder durch Tropfwasser, das durch entstehende Risse eintritt, gestört werden können. Die Gepäckförderanlage ist für den Flughafenbetrieb zentral. Sie darf unter keinen Umständen ausfallen. Basler & Hofmann hat deshalb ein Sicherheitssystem installiert, das den Gepäcktunnel während der Bauarbeiten permanent überwacht. Im Ereignisfall sollte das System die verantwortlichen Personen des Flughafens automatisch per SMS warnen, damit diese vorab definierte Massnahmen einleiten konnten. Methode Im Tunnelinneren wurden verschiedene Messgeräte installierten, die kleinste Änderungen an der Gepäckförderanlage und an der Tunnelschale registrieren und im Ereignisfall Alarm schlagen sollten. Entlang der Gepäckförderanlage wurde eine Schlauchwasserwaage angebracht. An der Tunnelwand wurden Sensoren zur Messung der Temperatur und Feuchtigkeit befestigt. Rissweiten, bzw. die Aufweitung von Fugen wurde mit Wegsensoren beobachtet (Abb. 11). Zusätzlich wurden so genannte Taster montiert, die Distanzänderungen in den Fugen der Schalenelemente erkennen (Abb. 12). Die von den Messgeräten erfassten Daten wurden permanent aufgezeichnet und konnten jederzeit von den verantwortlichen Ingenieuren über das Internet abgerufen werden. Abb 11. Wegsensoren messen die Fugenweite zwischen einzelnen Elementen der Tunnelwand
Abb 12. Sensoren zur Messung der Deformation im Profil Befunde Wie vor Baubeginn prognostiziert, konnte mit dem Überwachungssystem während der Aushubarbeiten für den neuen Tunnel eine leichte Hebung des Gepäcktunnels nachgewiesen werden (siehe Abb. 13). Darüber hinaus wurden keine problematischen Bewegungen oder Veränderungen von Luftfeuchtigkeit und Temperatur registriert. Die Veränderungen blieben im Rahmen der in der Modellierung vorhergesagten Veränderungen und waren für den Betrieb des Tunnels unkritisch. Jedoch war die Überwachung nötig, um den gesicherten Betrieb der Anlage über die Bauzeit zu gewährleisten. Abb 13. Ausgewertete Messdatenganglinie der Dehnungsmessung im Gepäcktunnel am Flughafen Zürich
4. Schlussbemerkungen und Ausblick Konventionelle Tunnelvermessung basiert auf der Anwendung geodätischer Vermessungssysteme. Die Systeme eignen sich, um Verformungen der Tunnelröhre festzustellen. Dabei liegen die erreichbaren Genauigkeiten bei circa +/-0.5mm (in Abhängigkeit der Anzahl gleicher Messungen pro Messpunkt). Die einzelnen Messpunkte können, in Abhängigkeit der Gesamtzahl der Messpunkte pro Theodolit, im 10-30 Minutentakt abgefragt werden. Während diese Messsysteme für eine Vielzahl von Herausforderungen der Baupraxis genügen, stösst man an die technischen Grenzen, wenn dynamische Effekte überwacht werden sollen (Abtastraten < 1/Minute), wenn höhere Genauigkeiten erforderlich sind oder wenn die Visuren eingeschränkt sind. In diesem Fall wird es nötig Messsysteme auf die speziellen Herausforderungen anzupassen. Diese Messsysteme sind nicht vorkonfektioniert erhältlich. In der Konfektionierung dieser Systeme steckt die Kombination von Spezialistenwissen aus E-Technik (Messtechnik) und Bautechnik (Verfahrensabläufe) aber auch ein Verständnis für die Bauingenieurgrundlagen fliesst mit ein, um so das Verhalten des Objekts und mögliche Gefahrenquellen zu erkennen. Aus diesem Grund sind bisher nur wenige Firmen in der Lage komplexe Überwachungssysteme anzubieten. Zudem haben diese Systeme auf Grund der Komplexität des angewandten Know-hows und des Entwicklungscharakters jedes einzelnen Projektes einen gewissen Marktpreis. Deshalb sind sie für viele gerade kleinere bis mittlere Bauprojekte, bei denen die Anwendung zu einem Sicherheitsgewinn führen würde, im Augenblick ökonomisch nicht sinnvoll. Auch der Preisvorteil, den man durch eine Reduktion des Sicherheitszuschlages (und damit von Mehrmengen) durch Verwendung eines Überwachungssystems erreichen kann, ist oft nicht hoch genug. Wie geht es angesichts dieser Entwicklungen weiter mit dem Bauwerksmonitoring? Im Augenblick haben viele Systeme noch Nischencharakter, jedoch sind technische Innovationen, wie selbstvernetzende Sensorsysteme kurz vor der Marktreife, die den breiteren Einsatz von "of-the-shelf" Monitoring Systemen im Bauwesen erlauben werden. Diese Systeme werden durch ein günstiges Preis/Leistungsverhältnis und die unkomplizierten Applikation ("Plug and play Prinzip") eine breite Verbreitung und Anwendung im Bauwesen finden. Dr. Michael Siegwart, für Basler & Hofmann AG, Zürich, E-mail: info@ibsiegwart.de Ján Kušnír, Basler & Hofmann s.r.o. Consulting Engineers, Panenská 13, 811 03 Bratislava, Slovak Republic, E-mail: jan.kusnir@bhb.sk