EP1001134B1 - Verankerungseinrichtung mit seismischem Sensor - Google Patents

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EP1001134B1
EP1001134B1 EP99120626A EP99120626A EP1001134B1 EP 1001134 B1 EP1001134 B1 EP 1001134B1 EP 99120626 A EP99120626 A EP 99120626A EP 99120626 A EP99120626 A EP 99120626A EP 1001134 B1 EP1001134 B1 EP 1001134B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
anchor
anchoring device
rod
anchoring
rock
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP99120626A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1001134A1 (de
Inventor
Günter BORM
Cornelia Schmidt-Hattenberger
Rüdiger Giese
Jens Bribach
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
GeoForschungsZentrum Potsdam
Original Assignee
GeoForschungsZentrum Potsdam
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Publication date
Application filed by GeoForschungsZentrum Potsdam filed Critical GeoForschungsZentrum Potsdam
Publication of EP1001134A1 publication Critical patent/EP1001134A1/de
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Publication of EP1001134B1 publication Critical patent/EP1001134B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21F—SAFETY DEVICES, TRANSPORT, FILLING-UP, RESCUE, VENTILATION, OR DRAINING IN OR OF MINES OR TUNNELS
    • E21F17/00—Methods or devices for use in mines or tunnels, not covered elsewhere
    • E21F17/18—Special adaptations of signalling or alarm devices
    • E21F17/185—Rock-pressure control devices with or without alarm devices; Alarm devices in case of roof subsidence
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21D—SHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
    • E21D21/00—Anchoring-bolts for roof, floor in galleries or longwall working, or shaft-lining protection
    • E21D21/0026—Anchoring-bolts for roof, floor in galleries or longwall working, or shaft-lining protection characterised by constructional features of the bolts
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21D—SHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
    • E21D9/00—Tunnels or galleries, with or without linings; Methods or apparatus for making thereof; Layout of tunnels or galleries
    • E21D9/003—Arrangement of measuring or indicating devices for use during driving of tunnels, e.g. for guiding machines
    • E21D9/004—Arrangement of measuring or indicating devices for use during driving of tunnels, e.g. for guiding machines using light beams for direction or position control

Definitions

  • the invention relates to an anchoring device, in particular An anchor element for the foundation, rock, mining or Solid construction, and a seismic sensor, such. a geophone or an accelerometer, as well as methods for spatially high-resolution Seismic and seismic tomography in the earth's crust or in structures, in particular for underground seismic Mountain exploration (so-called "tunnel seismic prediction” or TSP).
  • Fig. 4 shows a schematic side view of the propulsion of a Tunnels 40 in a mountain range 41 with a tunnel boring machine 42.
  • the tunnel 40 is located behind the tunnel boring machine 42 (or even in blasting without tunnel boring machine) with single blasting or detonating cord 43 triggered a series of seismic blasts, resulting in Vibration signals or acoustic signals, in particular in Propagate propulsion direction.
  • These signals are in areas Modified mountain strength (disturbances, rock changes) due to the changing seismic propagation speed partially reflected in these zones.
  • the reflected Signals are from a seismic sensor 44 detected.
  • the zones 41a and 41b provide different transit times the reflected signals ("echoes") that make up the Location of the zones, the cutting angle with the tunnel axis and the distance to the tunnel breast 45 can be calculated.
  • the transducer 44 consists of a non-positively in Mounted piping containing several groups of highly sensitive Accelerometer contains. The series of seismic blasts is by the single blasting or the detonating cord 43 and implemented an associated ignition control.
  • the conventional pre-exploration method has the following Disadvantage.
  • the attachment of the transducer 44 requires the Introduction of a separate hole and cementation of Piping.
  • must be shot holes for the single blasting or the detonating cord 43 are introduced.
  • These measures are laborious and time consuming.
  • the real one Seismic measurement requires an interruption of the propulsion to trigger the charges in the weft holes and for seismic recording, creating an additional Time is incurred, the actual tunnel construction operation disturbs.
  • Another problem is the limitation of conventional system to a few (e.g., four) measurement channels, thereby the heterogeneities in the mountains are only inaccurately recorded can.
  • the conventional system is on a two-dimensional Detection of heterogeneities in the mountains, namely with respect to the advancing direction or tunnel axis and up the radial distance from this, limited. This can only an incomplete picture of the mountains surrounding the tunnel and thus only an incomplete prediction and documentation of Tunnelbaurelevanten parameters can be achieved.
  • a GRP anchor consists of an anchor rod, one Anchor plate and an anchor nut, of which at least the Anchor rod made of glass fiber reinforced plastic.
  • FRP anchor be in corresponding, from the tunnel in the mountains introduced anchoring bores with synthetic resin adhesives introduced and -glued (adhesive anchor).
  • injection anchors used (from GFK); These are hollow tubes in which the two-component synthetic resin adhesive pressed through the tube will exit at the bottom open end and from there back the Ring gap between anchor and borehole wall fills and glued.
  • the attachment is application-dependent comb or igelartig in the tunnel wall transverse to the direction of advance or as a pre-anchoring in the direction of advance.
  • Be GFK anchor For example, in the publication "Fuse and fastening technology in underground mining "in” Schweizer Baublatt “(No. 24, 1994).
  • WO 98/19044 is an anchoring device on the Basis of a GRP anchor known, the strain measurement in the mountains is set up.
  • the anchoring device is integrated at least one light guide, the at least one Bragg's grid and for strain or force measurement in walls of cavities, for example, of the mountains or in buildings.
  • Such GRP anchor with integrated light guides also allow fast changing Strain measurements (a few kHz), the equipment required for a high-resolution measurement of the seismic vibration amplitude however, with the fiber optic system is much higher as for the geophone transducers.
  • an armored floor pillar which consists of solidified soil material, the soil material solidified by using stabilizing materials, For example, cement is mixed. Furthermore, include described columns one opposite the column biased Steel bar with an anchor-like structure at the end of the steel bar. To check the mechanical properties of the Steel bar is provided a vibration sensor.
  • the object of the invention is therefore to provide an improved device for vibration analysis, in particular in tunneling technology, Seismic and structural engineering, specify with which the respective vibration studies with reduced expenditure of time and increased accuracy can be performed. It should be possible in particular, from the conventional two-dimensional to move to three-dimensional investigations.
  • the object of the invention is also to provide an improved method indicate using such a device.
  • an anchoring device in particular with an anchor rod and an anchor head, indicated, where at or in the anchoring device at least one vibration sensor is appropriate.
  • a vibration sensor for example Geophone and / or accelerometer can be used. It is an integrated attachment to the Ankerkopffernen end of the anchor rod provided so that the vibration sensor (s) with the anchoring device form a unit.
  • the vibration sensor (s) with the anchoring device form a unit.
  • anchoring device may also generally be based on be formed of other types of rock anchors.
  • the at least one vibration sensor by at least one other sensor (for example sound sensor, Sensor for detecting further geophysical variables, such as. Temperature, pressure or the like.) Is replaced.
  • a transducer rod specified as the carrier for at least one Vibration sensor is designed.
  • a vibration sensor Again, for example, geophones and / or accelerometers used.
  • the transducer rod is made of metal (for example steel) or preferably made of glass fiber reinforced plastic.
  • Anchoring device (without anchor head) constructed be.
  • Another important aspect of the invention is in it, from a variety of said anchoring devices or pickup rods Vibration receiver assemblies for spatially high-resolution reflection and refraction seismics or seismic tomography.
  • a preferred Application is the design of a system anchor during the expansion a tunnel wall with at least partial use of the said anchoring devices, so that a seismic Receiver arrangement is created.
  • the pickup rods may also be a system arrangement of these, for example provided in a tunnel wall or a structure be.
  • the invention has the following advantages.
  • the integration allowed by vibration sensors in anchoring devices the attachment of the vibration sensors to the interested Measuring locations simultaneously to the anyway required attachment of the Anchoring devices e.g. when expanding a tunnel wall or for applications in construction technology.
  • the inventive Anchoring device thus has a double function. On the one hand it is the carrier of the vibration sensors and on the other hand it has a securing effect for the removed Wall. Due to this dual function, the invention differs Anchoring device of all conventional Carriers of vibration sensors. This benefit also applies the structure of erfindungsgmä info transducer rod, if this assumes a security effect. This will save you time considerably reduced for carrying out the measurements. Further a relatively dense sensor arrangement is created, the three-dimensional measurement evaluation with increased accuracy allowed.
  • the use of geophones or Accelerometers is advantageous in that a reproducible Data acquisition regardless of any disturbances under Field conditions can be realized. It can be sparsely extended Heterogeneities and / or deformations in the rock or be detected and located in a building.
  • the data acquisition can directly on the anchoring device respectively.
  • the pre-exploration method according to the invention can routinely in the tunnel construction business without special circumstances be implemented.
  • the anchoring device according to the invention with integrated sensor is particularly good for detection dynamic signals suitable, as in the reflection seismic occur.
  • the measuring and evaluation system be designed to be mobile for seismic tomography can.
  • the measuring and evaluation system for example, in the tunnel or in the building at the place of interest to the respective Anchoring devices connected.
  • the measured values of Vibration sensors are detected and evaluated.
  • the Meßund Evaluation system can also be fixed in the tunnel and with a variety or all anchoring devices connected and set up for a parallel or serial poll be so that after suitable vibration generation or Stimulating ongoing images of the surrounding mountains or structure can be determined.
  • Fig. 1 shows a tunnel 10 in a pressure rock area 11 with a system anchor 12 in longitudinal (A) and transverse (B) section (according to S. Flury et al., in "Tunnel", 1998, p. 26 ff.).
  • the system anchor 12 includes side wall anchors 121 and a Vorverank für 122, which as Ortbrustfeld serves.
  • the tunnel diameter is for example in Range from 6 to 12 m.
  • the wall anchors 121, 122 of the system anchor 12th or of pickup rods according to a system arrangement the well-known tunnel construction and to achieve a certain expansion requirements the density and orientation of the wall anchors with respect to the tunnel wall. Accordingly, the wall anchors 121 and the anchors are anchored 122 igelartig, radially or axially in the Mountain rock extending arranged. It may be, however even more oblique wall anchors 123 used, the deviating from the radial arrangement of the lateral wall anchors 121 with the tunnel axis 13 form an angle smaller than 90 ° is. The only shown in the upper part of Fig.
  • Sloping wall anchors 123 can be installed in all tunnel areas be and in terms of the angle of attack against the Tunnel axis 13 vary.
  • the oblique wall anchors 123 have Although a removal function, but also serve in particular to improve the resolution of the seismic tomography of the surrounding mountains (see below).
  • wall anchors 121-123 are all forms of wall anchors or Anchor elements suitable that allow integration of sensors.
  • fiberglass anchors are preferred.
  • Anchoring devices are or at the appropriate Locating inventive pickup rods provided whose details are described below with reference to FIG. 2 be explained.
  • the wall anchors according to the invention with at least equipped with a vibration sensor, form a Receiving antenna arrangement for spatially high resolution seismic Tomography of the mountains.
  • FIG. 2 shows the anchor head (not shown) or in the anchoring state end of a wall anchor facing away from the tunnel axis 20 with the anchor rod 21, which contains a cable guide 22, an anchor rod attachment 23, which has a connection area 24 is connected to the anchor rod 21 and three vibration sensors 25, 26, 27, and a rod tip 28, the for piercing the adhesive cartridge when gluing the wall anchor 20 is set up in mountain rock.
  • the dimensions the wall anchor 20 are the usual dimensions of a GRP anchor customized.
  • the diameter of the anchor rod 21 e.g. approx. 2 to 3 cm.
  • the cable guide 22 to Implementation of the electrical signal lines (not shown) for the vibration sensors 25, 26, 27 has a Diameter of approx. 5 mm (with injection anchors about 10 mm). Of the Diameter of the rod attachment 23 is at the anchor rod 21st customized.
  • the axial length of the rod attachment 23 is in Dependence on the number and size of the vibration sensors is chosen, for example, is approx. 6 cm.
  • the connection area 24 between the rod attachment 23 and the anchor rod 21st For example, by an adhesive, plug or screw educated.
  • the rod attachment 23 contains a plurality of vibration sensors, which include, for example, geophones and / or accelerometers.
  • the vibration sensors should preferably have a measurable frequency range ranging up to 2.5 kHz to 3 kHz, to be used at propagation velocities of seismic waves of approx. 5000 m / s in the bedrock a resolution of approx. 1 to 2 m to achieve.
  • the vibration sensors should be sufficiently small dimensions to be able to be mounted in the anchor rod attachment. They are preferably commercially available, miniaturized vibration sensors, which are shown here only schematically square or circular.
  • a geophone, eg of the type GS-14-LD, GS-14-L3 or GS-14-L9, can, according to FIG. 2 (B), have typical dimensions a ⁇ b of approx. 16 x 18 mm 2 .
  • the three geophones used according to the invention preferably operate in all directional positions, ie they can be applied in all spatial directions.
  • the vibration sensors 25, 26, 27 are so in the rod attachment 23rd arranged that the evaluation of the echo delay or the Time pattern of seismic vibrations received by a common vibration excitation and reflection on mountain heterogeneities have been caused in relation to the spatial propagation direction of the respective vibration measurable are.
  • a first vibration sensor 27 is axially the longitudinal axis of the wall anchor 20 is arranged.
  • the remaining Vibration sensors 25, 26 are in relation to the longitudinal axis the wall anchor 20 off-centered in different directions, each adjacent to the outer wall of the rod attachment 23 arranged.
  • the geometry of this with respect to the longitudinal axis staggered arrangement is more schematic in Fig. 2 (C) Cross-sectional view illustrated. For orientation of the sensor arrangement in the borehole contains the GRP anchor at the anchor head a mark.
  • the geophones used as vibration sensors become application-dependent selected. With a natural frequency of approx. 20 Hz are based on electrodynamic principles of measurement Geophones preferably for speed measurement, whereas Accelerometers e.g. on a piezoelectric basis with Natural frequencies in the kHz range as accelerometer serve.
  • the construction of the rod attachment 23 according to FIG. 2 (A) can be application-dependent be modified. This affects both the arrangement as well as the number of individual recipients who are taller or less than 3.
  • the arrangement may take the form of a slanted with respect to the longitudinal axis of the anchor rod Tripod be selected.
  • the attachment of the vibration sensors in the rod attachment 23 am End of the wall anchor 20 represents a particular advantage of the invention dar.
  • the geophones are frictionally attached to the anchor and on the rod body 21 and the rod attachment 23 and the Zweikomponentenverklebung immediately in mechanical contact with the surrounding mountain rock.
  • the wall anchor 20 is by the rod attachment 23 in its stability and function not weakened.
  • the vibration sensors are not in one Rod attachment, but directly in the body of the anchor rod 21 are integrated, if this is a sufficiently large diameter owns or the vibration sensors sufficiently small (e.g., designed as microsystems).
  • an anchoring device For producing an anchoring device according to the invention becomes essentially as in the production of conventional GFK anchor proceeded, but in the production the glass fiber reinforced plastic from the outset the introduction the cable guide 22 and the design of the connection area 24 are provided.
  • the rod attachment 23 with the Rod tip 28 can then as independently producible cap after Pulling the signal lines (not shown) on the connection area 24 are set up.
  • FIG. Fig. 3 shows a schematic perspective view of a tunnel 30th in the mountains 31 with a tunnel boring machine 32 and a system anchorage 33, which corresponds to the representation of FIG. 1 is trained.
  • the tunnel boring machine 32 is a seismic Excitation device 34 (frequency about 2-6 kHz) equipped.
  • the exciter 34 is for example for mechanical, electrodynamic or piezoelectric generation Seismic vibrations provided and in the propellant head the tunnel boring machine 32 or in a projecting borehole appropriate. If in practice no tunnel boring machine, but a normal blasting is used, the Invention be implemented analogously.
  • the high-resolution reflection or refraction seismic or seismic Tomography performed by starting from the excitation device 34 seismic waves in the mountain rock 31 blasted and with wall anchors of the system anchorage 33 seismic Waves are received at heterogeneities 31a, 31b have been reflected in the mountain rock 31.
  • the system anchor 33 become the reflected signals time, direction and / or amplitude selectively detected and a Evaluation device (not shown) supplied.
  • the Evaluation device is the signal evaluation and generation a picture of the mountain range of interest the heterogeneities or reflective Zones.
  • Deviating from the positioning of the excitation device in Propulsion area may alternatively be provided that the Seismic excitation in the already completed tunnel, i. behind the tunnel boring machine 32, takes place, as for example known from the conventional system TSP 202 ago.

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Description

Die Erfindung betrifft eine Verankerungseinrichtung, insbesondere ein Ankerelement für den Grundbau, Felsbau, Bergbau oder Massivbau, und einen seismischen Sensor, wie z.B. ein Geophon oder ein Akzelerometer, sowie Verfahren zur räumlich hochauflösenden Seismik und seismischen Tomographie in der Erdkruste oder in Bauwerken, insbesondere zur untertägigen seismischen Gebirgserkundung (sogenannte "Tunnel Seismic Prediction" oder TSP).
Beim Tunnelbau im Gebirge durch Vollausbruch mit Tunnelbohrmaschinen (TBM) erfolgt eine seismische Vorauserkundung des Gebirges zur Untersuchung des Festgesteins in Vortriebsrichtung. Die Vorauserkundung ist darauf gerichtet, bautechnisch relevante Gebirgsänderungen im Vor- und Umfeld des Tunnelvortriebs vorherzusagen und felsmechanische Parameter im Vortriebsbereich zu gewinnen. Ein bekanntes Vorauserkundungsverfahren, das vom Unternehmen "Amberg Meßtechnik" (Schweiz) mit dem System "TSP 202" implementiert wird, ist im folgenden unter Bezug auf Fig. 4 erläutert.
Fig. 4 zeigt in schematischer Seitenansicht den Vortrieb eines Tunnels 40 in einem Gebirge 41 mit einer Tunnelbohrmaschine 42. Zur Vorauserkundung wird im Tunnel 40 hinter der Tunnelbohrmaschine 42 (oder auch beim Sprengvortrieb ohne Tunnelbohrmaschine) mit Einzelsprengungen oder einer Sprengschnur 43 eine Serie von seismischen Sprengungen ausgelöst, wodurch sich Schwingungssignale oder akustische Signale insbesondere in Vortriebsrichtung ausbreiten. Diese Signale werden in Bereichen veränderter Gebirgsfestigkeit (Störungen, Gesteinswechsel) aufgrund der sich ändernden seismischen Ausbreitungsgeschwindigkeit in diesen Zonen teilweise reflektiert. Die reflektierten Signale werden von einem seismischen Aufnehmer 44 erfaßt. Die Zonen 41a und 41b liefern verschiedene Laufzeiten der reflektierten Signale ("Echolaufzeiten"), aus denen die Raumlage der Zonen, der Schnittwinkel mit der Tunnelachse und der Abstand zur Tunnelbrust 45 berechnet werden. Beim System TSP 202 besteht der Aufnehmer 44 aus einer kraftschlüssig im Gebirge eingebrachten Verrohrung, die mehrere Gruppen hochsensitiver Akzelerometer enthält. Die Serie seismischer Sprengungen wird durch die Einzelsprengungen oder die Sprengschnur 43 und eine zugehörige Zündsteuerung realisiert.
Das herkömmliche Vorauserkundungsverfahren besitzt die folgenden Nachteile. Die Anbringung des Aufnehmers 44 erfordert die Einbringung einer gesonderten Bohrung und Einzementierung der Verrohrung. Außerdem müssen Schußbohrungen für die Einzelsprengungen bzw. die Sprengschnur 43 eingebracht werden. Diese Maßnahmen sind arbeits- und zeitaufwendig. Die eigentliche seismische Messung erfordert eine Unterbrechung des Vortriebs zur Auslösung der Ladungen in den Schußbohrungen und für die seismische Aufzeichnung, wodurch ein zusätzlicher Zeitaufwand entsteht, der den eigentlichen Tunnelbaubetrieb stört. Ein weiteres Problem besteht in der Beschränkung des herkömmlichen Systems auf wenige (z.B. vier) Meßkanäle, wodurch die Heterogenitäten im Gebirge nur ungenau erfaßt werden können. Schließlich ist das herkömmliche System auf eine zweidimensionale Erfassung der Heterogenitäten im Gebirge, nämlich in Bezug auf die Vortriebsrichtung oder Tunnelachse und auf den radialen Abstand von dieser, beschränkt. Damit kann nur ein unvollständiges Bild vom den Tunnel umgebenden Gebirge und damit nur eine unvollständige Vorhersage und Dokumentation der tunnelbaurelevanten Parameter erreicht werden.
Es ist ferner allgemein bekannt, beim Tunnelbau im Gebirge anstelle eines massiven Ausbaus einen Verankerungsausbau (Systemankerung) der Tunnelwände vorzunehmen. Es ist bekannt, Felsanker beispielsweise aus glasfaserverstärktem Kunststoff (sogenannte "GFK"-Anker) herzustellen. GFK-Anker werden beispielsweise vom Unternehmen "H. Weidmann AG" (Schweiz) vertrieben. Ein GFK-Anker besteht aus einem Ankerstab, einer Ankerplatte und einer Ankermutter, von denen zumindest der Ankerstab aus glasfaserverstärktem Kunststoff besteht. GFK-Anker werden in entsprechende, vom Tunnel her in das Gebirge eingebrachte Ankerbohrungen mit Kunstharzklebern eingebracht und -geklebt (Klebeanker). Alternativ werden sogenannte Injektionsanker (aus GFK) verwendet; das sind Hohlrohre, bei denen der Zweikomponenten-Kunstharzkleber durch das Rohr gepreßt wird, am unten offenen Ende austritt und von dort zurück den Ringspalt zwischen Anker und Bohrlochwand ausfüllt und verklebt. Die Anbringung erfolgt anwendungsabhängig kamm- oder igelartig in der Tunnelwand quer zur Vortriebsrichtung oder als Vorausverankerung in Vortriebsrichtung. GFK-Anker werden beispielsweise in der Publikation "Sicherungs- und Befestigungstechnik im Untertagebau" in "Schweizer Baublatt" (Nr. 24, 1994) beschrieben.
Aus der WO 98/19044 ist eine Verankerungseinrichtung auf der Basis eines GFK-Ankers bekannt, die zur Dehnungsmessung im Gebirge eingerichtet ist. In die Verankerungseinrichtung ist mindestens ein Lichtleiter integriert, der mindestens ein Bragg'sches Gitter aufweist und zur Dehnungs- oder Kraftmessung in Wandungen von Hohlräumen beispielsweise des Gebirges oder in Bauwerken eingerichtet ist. Derartige GFK-Anker mit integrierten Lichtleitern erlauben auch schnell veränderliche Dehnungsmessungen (einige kHz), der apparative Aufwand für eine hochauflösende Messung der seismischen Schwingunsamplitude mit dem faseroptischen System ist jedoch wesentlich höher als für die Geophon-Meßaufnehmer.
Aus der WO 96/01927 ist eine bewehrte Bodensäule bekannt, die aus verfestigtem Bodenmaterial besteht, wobei das Bodenmaterial verfestigt wird, indem es mit stabilisierenden Materialien, beispielsweise Zement, gemischt wird. Weiterhin umfassen die beschriebenen Säulen einen gegenüber der Säule vorgespannten Stahlstab mit einer ankerähnlichen Struktur am Ende des Stahlstabs. Zur Überprüfung der mechanischen Eigenschaften des Stahlstabs ist ein Vibrationssensor vorgesehen.
Die oben am Beispiel der seismischen Vorauserkundung beim Tunnelbau erläuterten Probleme treten auch allgemein bei seismischen Untersuchungen der Erdkruste oder in der Bautechnik (z.B. Großbauten wie Kraftwerksmauern, Pfahlgründungen und dgl.) auf, wenn im untersuchten Boden- oder Bauwerksbereich Heterogenitäten durch Schall- oder Schwingungsmessungen erfaßt werden sollen.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine verbesserte Vorrichtung zur Schwingungsuntersuchung, insbesondere in der Tunnelbautechnik, Seismik und Bautechnik, anzugeben, mit der die jeweiligen Schwingungsuntersuchungen mit vermindertem Zeitaufwand und erhöhter Genauigkeit durchgeführt werden können. Es soll insbesondere möglich sein, von den herkömmlichen zweidimensionalen zu dreidimensionalen Untersuchungen überzugehen. Die Aufgabe der Erfindung ist es auch, ein verbessertes Verfahren unter Einsatz einer derartigen Vorrichtung anzugeben.
Die genannten Aufgaben werden mit einer Verankerungseinrichtung, einem Aufnehmerstab einer Systemankerung und einem tomographischen Schwingungsmeßverfahren mit den Merkmalen gemäß den Patentansprüchen 1, 7, 9 bzw. 11 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Gemäß einem ersten wichtigen Gesichtspunkt der Erfindung wird eine Verankerungseinrichtung (oder: Ankerelement), insbesondere mit einem Ankerstab und einem Ankerkopf, angegeben, wobei am oder in der Verankerungseinrichtung mindestens ein Schwingungssensor angebracht ist. Als Schwingungssensor sind beispielsweise Geophone und/oder Akzelerometer einsetzbar. Es ist eine integrierte Anbringung an den ankerkopffernen Ende des Ankerstabes vorgesehen, so daß der oder die Schwingungssensor(en) mit der Verankerungseinrichtung eine Einheit bilden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein GFK-Gebirgsanker mit mindestens einem Geophon und/oder Akzelerometer ausgerüstet. Eine erfindungsgemäße Verankerungseinrichtung kann jedoch allgemein auch auf der Basis anderer Arten von Felsankern gebildet sein. Es kann auch vorgesehen sein, daß der mindestens eine Schwingungssensor durch mindestens einen anderweitigen Sensor (z.B. Schallsensor, Sensor zur Erfassung weiterer geophysikalischer Größen, wie z.B. Temperatur, Druck oder dgl.) ersetzt ist.
Gemäß einem zweiten wichtigen Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Aufnehmerstab angegeben, der als Träger für mindestens einen Schwingungssensor ausgelegt ist. Als Schwingungssensor sind wiederum beispielsweise Geophone und/oder Akzelerometer einsetzbar. Der Aufnehmerstab besteht aus Metall (z.B. Stahl) oder vorzugsweise aus glasfaserverstärktem Kunststoff. Der Aufnehmerstab kann beispielsweise wie der Ankerstab der erfindungsgemäßen Verankerungseinrichtung (ohne Ankerkopf) aufgebaut sein.
Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt der Erfindung besteht darin, aus einer Vielzahl der genannten Verankerungseinrichtungen oder Aufnehmerstäbe Schwingungs-Empfängeranordnungen zur räumlich hochauflösenden Reflexions- und Refraktionsseismik oder seismischen Tomographie anzugeben. Eine bevorzugte Anwendung ist die Gestaltung einer Systemankerung beim Ausbau einer Tunnelwand unter mindestens teilweiser Verwendung der genannten Verankerungseinrichtungen, so daß eine seismische Empfängeranordnung geschaffen wird. Bei Einsatz der Aufnehmerstäbe kann ebenfalls eine Systemanordnung von diesen beispielsweise in einer Tunnelwand oder einem Bauwerk vorgesehen sein.
Gemäß einem weiteren wichtigen Gesichtspunkt der Erfindung wird ein seismisches Vorauserkundungsverfahren für den Tunnelbau im Festgestein eines Gebirges unter Verwendung der genannten Schwingungs-Empfängeranordnung beschrieben.
Die Erfindung besitzt die folgenden Vorteile. Die Integration von Schwingungssensoren in Verankerungseinrichtungen erlaubt die Anbringung der Schwingungssensoren an den interessierenden Meßorten simultan zur ohnehin erforderlichen Anbringung der Verankerungseinrichtungen z.B. beim Ausbau einer Tunnelwand oder bei Anwendungen in der Bautechnik. Die erfindungsgemäße Verankerungseinrichtung besitzt somit eine Doppelfunktion. Einerseits ist sie Träger der Schwingungssensoren und andererseits besitzt sie eine Sicherungswirkung für die ausgebaute Wand. Durch diese Doppelfunktion unterscheidet sich die erfindungsgemäße Verankerungseinrichtung von allen herkömmlichen Trägern von Schwingungssensoren. Dieser Vorteil betrifft auch den Aufbau des erfindungsgmäßen Aufnehmerstabs, wenn dieser eine Sicherungswirkung übernimmt. Dadurch wird der Zeitaufwand für die Durchführung der Messungen erheblich reduziert. Ferner wird eine verhältnismäßig dichte Sensoranordnung geschaffen, die eine dreidimensionale Meßauswertung mit erhöhter Genauigkeit erlaubt. Insbesondere der Einsatz von Geophonen oder Akzelerometern ist dadurch vorteilhaft, daß eine reproduzierbare Meßwertgewinnung unabhängig von etwaigen Störungen unter Feldbedingungen realisiert werden kann. Es können gering ausgedehnte Heterogenitäten und/oder Deformationen im Gestein oder in einem Bauwerk erfaßt und lokalisiert werden. Die Meßwertgewinnung kann unmittelbar an der Verankerungseinrichtung erfolgen. Das erfindungsgemäße Vorauserkundungsverfahren kann routinemäßig beim Tunnel-Baubetrieb ohne gesonderte Umstände implementiert werden. Die erfindungsgemäße Verankerungseinrichtung mit integriertem Sensor ist besonders gut zur Erfassung dynamischer Signale geeignet, wie sie bei der Reflexionsseismik auftreten.
Weitere Vorteile ergeben sich daraus, daß das Meß- und Auswertesystem zur seismischen Tomographie mobil ausgeführt sein kann. Das Meß- und Auswertesystem wird beispielsweise im Tunnel oder im Bauwerk am interessierenden Ort an die jeweiligen Verankerungseinrichtungen angeschlossen. Die Meßwerte der Schwingungssensoren werden erfaßt und ausgewertet. Das Meßund Auswertesystem kann aber auch ortsfest im Tunnel und mit einer Vielzahl oder allen Verankerungseinrichtungen verbunden und für eine parallele oder serielle Abfrage eingerichtet sein, so daß sich nach geeigneter Schwingungserzeugung oder Anregung laufend Bilder vom umgebenden Gebirge oder Bauwerk ermitteln lassen.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden aus den beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:
Fig. 1
schematische Längs- und Querschnittsansichten eines Tunnels mit einer Anordnung von Verankerungseinrichtungen oder Aufnehmerstäben gemäß der Erfindung;
Fig. 2
eine vergrößerte, schematische Schnittansicht des Endes eines Ankerstabes einer erfindungsgemäßen Verankerungseinrichtung;
Fig. 3
eine schematische Perspektivansicht zur Illustration der erfindungsgemäßen Verfahrensweise; und
Fig. 4
eine schematische Schnittansicht zur Illustration eines herkömmlichen Vorauserkundungsverfahrens (Stand der Technik).
Die Erfindung wird im folgenden am Beispiel eines Ankers für den Gebirgs-Tunnelbau erläutert, ist jedoch nicht auf diese Anwendung beschränkt, sondern auch bei anderen seismischen Messungen in der Erdkruste oder in der Bautechnik anwendbar. Ferner kann neben oder anstelle der im folgenden beschriebenen Integration von Schwingungssensoren in einer Verankerungseinrichtung diese mit zusätzlichen Sensoren, z.B. einem Dehnungssensor gemäß der obengenannten WO-Publikation oder der o.a. Sensoren für geophysikalische Größen, versehen sein.
Fig. 1 zeigt einen Tunnel 10 in einem druckhaften Gebirgsbereich 11 mit einer Systemankerung 12 in Längs-(A)- und Quer-(B)-Schnittdarstellung (nach S. Flury et al. in "Tunnel", 1998, S. 26 ff.). Die Systemankerung 12 umfaßt seitliche Wandanker 121 und eine Vorausverankerung 122, die als Ortbrustsicherung dient. Es sind ferner die Ortbetonsohle 101, eine Spritzbetonbewährung 102, eine Ortbetonverkleidung 103 (Fig. 1(A)) und ein verformbarer Stahleinbau 104 (Fig. 1(B)) dargestellt. Der Tunneldurchmesser liegt beispielsweise im Bereich von 6 bis 12 m.
Die Anbringung der Wandanker 121, 122 der Systemankerung 12 oder von Aufnehmerstäbe gemäß einer Systemanordnung entspricht dem an sich bekannten Tunnelausbau und den zur Erzielung einer bestimmten Ausbaustabilität erforderlichen Anforderungen an die Dichte und Ausrichtung der Wandanker in Bezug auf die Tunnelwand. Dementsprechend sind die Wandanker 121 und die Vorausverankerung 122 igelartig, sich radial bzw. axial in das Gebirgsgestein erstreckend angeordnet. Es werden ggf. jedoch noch weitere Schräg-Wandanker 123 eingesetzt, die abweichend von der radialen Anordnung der seitlichen Wandanker 121 mit der Tunnelachse 13 einen Winkel bilden, der kleiner als 90° ist. Die nur im oberen Teil der Fig. 1(A) bzw. (B) gezeigten Schräg-Wandanker 123 können in allen Tunnelbereichen angebracht sein und in Bezug auf den Anstellwinkel gegenüber der Tunnelachse 13 variieren. Die Schräg-Wandanker 123 besitzen zwar auch eine Ausbaufunktion, dienen aber ferner insbesondere zur Verbesserung der Auflösung der seismischen Tomographie des umgebenden Gebirges (s. unten).
Als Wandanker 121-123 sind alle Formen von Wandankern oder Ankerelementen geeignet, die eine Integration von Sensoren erlauben. Es werden jedoch GFK-Anker bevorzugt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß einige oder alle der Wandanker 121-123 erfindungsgemäße Verankerungseinrichtungen sind oder an den entsprechenden Orten erfindungsgemäße Aufnehmerstäbe vorgesehen sind, deren Einzelheiten weiter unten unter Bezug auf Fig. 2 erläutert werden. Die Wandanker, die erfindungsgemäß mit mindestens einem Schwingungssensor ausgestattet sind, bilden eine Empfangsantennenanordnung zur räumlich hochauflösenden seismischen Tomographie des Gebirges.
Einzelheiten einer erfindungsgemäßen Verankerungseinrichtung, die als mindestens einer der Wandanker in der igelartigen Systemankerung gemäß Fig. 1 vorgesehen sein kann, sind in der schematischen Schnittansicht gemäß Fig. 2 dargestellt. Ein erfindungsgemäßer Aufnehmerstab ist analog aufgebaut. Fig. 2(A) zeigt das vom Ankerkopf (nicht dargestellt) bzw. im Verankerungszustand von der Tunnelachse abgewandte Ende eines Wandankers 20 mit dem Ankerstab 21, der eine Kabelführung 22 enthält, einem Ankerstabaufsatz 23, der über einen Verbindungsbereich 24 mit dem Ankerstab 21 verbunden ist und drei Schwingungssensoren 25, 26, 27 enthält, und einer Stabspitze 28, die zum Durchstechen der Klebepatrone beim Einkleben des Wandankers 20 im Gebirgsgestein eingerichtet ist. Die Dimensionen des Wandankers 20 sind an die üblichen Dimensionen eines GFK-Ankers angepaßt. Demnach kann der Durchmesser des Ankerstabs 21 z.B. rd. 2 bis 3 cm betragen. Die Kabelführung 22 zur Durchführung der elektrischen Signalleitungen (nicht dargestellt) für die Schwingungssensoren 25, 26, 27 besitzt einen Durchmesser von rd. 5 mm (bei Injektionsankern rd. 10 mm). Der Durchmesser des Stabaufsatzes 23 ist an den des Ankerstabs 21 angepaßt. Die axiale Länge des Stabaufsatzes 23 ist in Abhängigkeit von der Zahl und Größe der Schwingungssensoren gewählt und beträgt beispielsweise rd. 6 cm. Der Verbindungsbereich 24 zwischen dem Stabaufsatz 23 und dem Ankerstab 21 wird beispielsweise durch eine Klebe-, Steck- oder Schraubverbindung gebildet.
Der Stabaufsatz 23 enthält mehrere Schwingungssensoren, die beispielsweise Geophone und/oder Akzelerometer umfassen. Die Schwingungssensoren sollten vorzugsweise einen meßbaren Frequenzbereich besitzen, der bis zu 2,5 kHz bis 3 kHz reicht, um bei Ausbreitungsgeschwindigkeiten seismischer Wellen von rd. 5000 m/s im Festgestein eine Auflösung von rd. 1 bis 2 m zu erzielen. Außerdem sollte die Schwingungssensoren genügend klein dimensioniert sein, um im Ankerstabaufsatz angebracht werden zu können. Es handelt sich vorzugsweise um an sich kommerziell verfügbare, miniaturisierte Schwingungssensoren, die hier nur schematisch quadratisch bzw. kreisförmig dargestellt sind. Ein Geophon, z.B. vom Typ GS-14-LD, GS-14-L3 oder GS-14-L9, kann gemäß Fig. 2(B) typische Dimensionen a · b von rd. 16 · 18 mm2 besitzen. Die erfindungsgemäß eingesetzten drei Geophone arbeiten vorzugsweise in allen Richtungslagen, d.h. sie können in allen Raumrichtungen angebracht werden.
Die Schwingungssensoren 25, 26, 27 sind so im Stabaufsatz 23 angeordnet, daß die Auswertung der Echolaufzeiten oder des Zeitmusters empfangener seismischer Schwingungen, die durch eine gemeinsame Schwingungsanregung und Reflexion an Gebirgsheterogenitäten verursacht worden sind, in Bezug auf die räumliche Ausbreitungsrichtung der jeweiligen Schwingung meßbar sind. Hierzu ist ein erster Schwingungssensor 27 axial auf der Längsachse des Wandankers 20 angeordnet. Die übrigen Schwingungssensoren 25, 26 sind in Bezug auf die Längsachse des Wandankers 20 in verschiedene Richtungen außermittig versetzt, jeweils an die Außenwand des Stabaufsatzes 23 angrenzend angeordnet. Die Geometrie dieser in Bezug auf die Längsachse versetzten Anordnung ist in Fig. 2(C) in schematischer Querschnittsansicht illustriert. Zur Orientierung der Sensoranordnung im Bohrloch enthält der GFK-Anker am Ankerkopf eine Markierung.
Die als Schwingungssensoren eingesetzten Geophone werden anwendungsabhängig gewählt. Mit einer Eigenfrequenz von rd. 20 Hz dienen die auf elektrodynamischen Meßprinzipien basierenden Geophone vorzugsweise zur Geschwindigkeitsmessung, wohingegen Akzelerometer z.B. auf piezoelektrischer Basis mit Eigenfrequenzen im kHz-Bereich als Beschleunigungsaufnehmer dienen.
Der Aufbau des Stabaufsatzes 23 gemäß Fig. 2(A) kann anwendungsabhängig modifiziert werden. Dies betrifft sowohl die Anordnung als auch die Zahl der einzelnen Empfänger, die größer oder kleiner als 3 sein kann. Die Anordnung kann die Form eines in Bezug auf die Längsachse des Ankerstabs schräg gestellten Dreibeines gewählt sein.
Die Anbringung der Schwingungssensoren im Stabaufsatz 23 am Ende des Wandankers 20 stellt einen besonderen Vorteil der Erfindung dar. Die Geophone sind kraftschlüssig am Anker befestigt und über den Stabkörper 21 bzw. den Stabaufsatz 23 und die Zweikomponentenverklebung unmittelbar in mechanischem Kontakt mit dem umgebenden Gebirgsgestein. Der Wandanker 20 wird durch den Stabaufsatz 23 in seiner Stabilität und Funktion nicht geschwächt. Bei einer alternativen Gestaltung kann jedoch vorgesehen sein, daß die Schwingungssensoren nicht in einem Stabaufsatz, sondern unmittelbar im Körper des Ankerstabs 21 integriert sind, falls dieser einen genügend großen Durchmesser besitzt bzw. die Schwingungssensoren genügend klein (z.B. als Mikrosysteme ausgeführt) sind.
Zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Verankerungsvorrichtung wird im wesentlichen wie bei der Herstellung herkömmlicher GFK-Anker vorgegangen, wobei jedoch bei der Herstellung des glasfaserverstärkten Kunststoffs von vornherein die Einbringung der Kabelführung 22 und die Gestaltung des Verbindungsbereiches 24 vorgesehen sind. Der Stabaufsatz 23 mit der Stabspitze 28 kann dann als unabhängig herstellbare Kappe nach Einziehen der Signalleitungen (nicht dargestellt) auf dem Verbindungsbereich 24 aufgesetzt werden.
Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verfahrensweise wird im folgenden unter Bezug auf Fig. 3 erläutert. Fig. 3 zeigt in schematischer Perspektivdarstellung einen Tunnel 30 im Gebirge 31 mit einer Tunnelbohrmaschine 32 und einer Systemankerung 33, die entsprechend der Darstellung von Fig. 1 ausgebildet ist. Die Tunnelbohrmaschine 32 ist mit einer seismischen Anregungseinrichtung 34 (Frequenz rd. 2-6 kHz) ausgerüstet. Die Anregungseinrichtung 34 ist beispielsweise zur mechanischen, elektrodynamischen oder piezoelektrischen Erzeugung seismischer Schwingungen vorgesehen und im Vortriebskopf der Tunnelbohrmaschine 32 oder in einem vorauseilenden Bohrloch angebracht. Falls in der Praxis keine Tunnelbohrmaschine, sondern ein normaler Sprengvortrieb verwendet wird, kann die Erfindung analog implementiert werden.
Erfindungsgemäß werden während der Auffahrung des Tunnels die hochauflösenden Reflexions- oder Refraktionsseismik oder seismische Tomographie durchgeführt, indem ausgehend von der Anregungseinrichtung 34 seismische Wellen in das Gebirgsgestein 31 abgestrahlt und mit Wandankern der Systemankerung 33 seismische Wellen empfangen werden, die an Heterogenitäten 31a, 31b im Gebirgsgestein 31 reflektiert worden sind. An den mit Schwingungssensoren ausgerüsteten, erfindungsgemäßen Wandankern der Systemankerung 33 werden die reflektierten Signale zeit-, richtungs- und/oder amplitudenselektiv erfaßt und einer Auswertungseinrichtung (nicht dargestellt) zugeführt. In der Auswertungseinrichtung erfolgt die Signalauswertung und Erzeugung einer Abbildung des interessierenden Gebirgsbereiches mit den darin befindlichen Heterogenitäten oder reflektierenden Zonen.
Abweichend von der Positionierung der Anregungseinrichtung im Vortriebsbereich kann alternativ auch vorgesehen sein, daß die seismische Anregung im bereits fertiggestellten Tunnel, d.h. hinter der Tunnelbohrmaschine 32, erfolgt, wie es beispielsweise vom herkömmlichen System TSP 202 her bekannt ist.

Claims (10)

  1. Verankerungseinrichtung, die zum Wandausbau in der Bautechnik und im Bergbau ausgebildet ist, mit einem Ankerstab (21), einem Ankerkopf und mindestens einem am Ankerstab (21) angebrachten Schwingungssensor (25-27),
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Schwingungssensor (25-27) am vom Ankerkopf abgewandten Ende des Ankerstabs (21) angeordnet ist und der Ankerstab (21) eine Kabelführung (22) von dem Schwingungssensor (25-27) hin zum Ankerkopf aufweist.
  2. Verankerungseinrichtung gemäß Anspruch 1, bei welcher der Schwingungssensor (25-27) in einem Stabaufsatz (23) angeordnet ist.
  3. Verankerungseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der mehrere Schwingungssensoren (25-27) vorgesehen sind, die jeweils verschiedene Relativpositionen in Bezug auf die Längsachse des Ankerstabs (21) besitzen.
  4. Verankerungseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der drei Schwingungssensoren (25-27) vorgesehen sind, die entsprechend einem orthogonalen Dreibein angeordnet sind.
  5. Verankerungseinrichtung gemäß Anspruch 4, bei der die Schwingungssensoren (25-27) Geophone und/oder Akzelerometer umfassen.
  6. Verankerungseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Ankerstab (21) aus glasfaserverstärktem Kunststoff besteht.
  7. Systemankerung für den Tunnelbau oder für die Hochbautechnik bestehend aus einer Vielzahl von Wandankern, von denen mindestens ein Wandanker durch eine Verankerungseinrichtung mit den Merkmalen gemäß einem der Ansprüche 1-6 gebildet wird.
  8. Verfahren zur hochauflösenden Seismik oder Tomographie von Gebirgszonen oder Bauwerken mit den folgenden Schritten:
    Anregung von Schallwellen im Gebirgsgestein bzw. im Bauwerk,
    Reflektion der Schallwellen an Heterogenitäten,
    gekennzeichnet durch
    den Schritt:
    Erfassen der reflektierten Echo-Wellen mit mindestens einer Verankerungseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-6.
  9. Verfahren gemäß Anspruch 8,
    gekennzeichnet durch
    den Schritt:
    Verwenden einer Systemankerung (12, 33) zur hochauflösenden Seismik oder Tomographie des Gebirges.
  10. Verfahren gemäß Anspruch 9,
    gekennzeichnet durch
    den Schritt:
    Anregung der seismischen Wellen im Gebirge mit einer Anregungseinrichtung (34) am Vortriebskopf einer Tunnelbohrmaschine (32) oder in einem vorauseilenden Bohrloch.
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