Konzeptentwicklung

In den folgenden Abschnitten wird eine theoretische Vorgehensweise von geodätischen Aufgaben für ein typisches Tunnelbauwerk konzeptioniert. Hierbei wird auf die einzelnen notwendigen Arbeitsschritte eingegangen. Es wird beschrieben, welche Anforderungen von geodätischer Sicht aus bei einem Tunnelprojekt existieren und zu beachten sind.

Genauigkeitsvorgaben

Eine für die Planung des gesamten Messkonzeptes wichtige Größe stellt der zu erreichende und zulässige Durchschlagsfehler dar. Dieser muss im Vorfeld mit dem Auftraggeber geklärt und abgestimmt werden. Des Weiteren muss beachtet werden, dass die Verständlichkeit des Begriffs Genauigkeit im Bauwesen und in der Messtechnik unterscheiden. Genauigkeitsangaben in der Messtechnik sind als einfache Standardabweichung 1𝜎 im Sinn der mathematischen Statistik definiert. Für eindimensionale Zufallsvariablen beträgt die Wahrscheinlichkeit dem zufolge 68,3% (Normalverteilung, Gauß´schen Glockenkurve). Für das Bauwesen von größerer Relevanz ist die Toleranz im Sinne einer maximal zulässigen Abweichung vom vorgeschriebenen Sollwert.

Das gleichsetzen der Begriffe „Standardabweichung“ und „Toleranz“ ist nicht zulässig. Geht man im zweidimensionalen Fall davon aus, dass die maximal zulässige Abweichung („Toleranz“) mit einer Wahrscheinlichkeit von 5 % eintreten soll, so liegt das Vertrauensintervall bei 95% und im statistischen Sinn das 2,5-fache der einfachen Standardabweichung.

Ist keine Toleranzvorgabe bei einem Rohrvortrieb vorgegeben, so gelten die üblichen Toleranzen für Rohrvortriebe mit einem Durchmesser von ≥1400 mm von 20,0 cm in der Lage und 5,0 cm in der Höhe.[DWA-A 125]

Trassenberechnung

Als Grundlage für die Navigation der TBM muss zunächst die Trasse berechnet werden. Diese Berechnung erfolgt mit Hilfe eines Trasseneditors im entsprechenden Navigationsprogramm, wie zum Beispiel dem Programm SLS-Microtunneling LT von VMT GmbH und dem Plan der Soll-Trasse. Dabei werden aus dem gegebenen Plan die einzelnen Trassenelemente für die horizontale sowie für die vertikale Richtung eingegeben. Hierbei muss beachtet werden, dass der Startpunkt der Trasse 20 Meter vom eigentlichen Tunnelanfang und dem Tunnelende überschreitet. Der Grund dafür ist, dass die TBM bei der Einrichtung im Startschacht mit dem Schneiderad am Tunnelanfang liegt. Wenn die zurückgesetzte Trasse nicht berechnet werden würde, kann keine Aussage über die Lage der Maschine zur geplanten Trasse getroffen werden.

Durchschlagsprognose

Bei der Durchschlagsprognose wird eine geplante Netzkonfiguration auf ihre Qualität geprüft. Dabei werden Beobachtungen zwischen den Punkten simuliert und die zu erwartete Netzqualität prognostiziert. Neben der voraussichtlichen Messkonfiguration werden zusätzlich realistische Beobachtungsfehler zur Bestimmung der zu erwartenden Ergebnisqualität genutzt. Eine spezielle Form der Netzvorhersage ist die Durchschlagsprognose. Dabei werden von den Festpunkten des Portalnetzes aus die Beobachtungsgeometrie und die angenommene Beobachtungsgenauigkeit berücksichtig und die Genauigkeit des Durchschlagpunktes ermittelt.

Auf der Basis der Fehlerfortpflanzung werden die Größe und die Orientierung der Fehlerellipse der Nullstrecke berechnet und als Durchschlagsfehler angegeben. Abhängig von dem im Vorfeld definierten Vertrauensniveau ergibt sich die maximale Abweichung mit der entsprechenden Wahrscheinlichkeit. Im Tunnelbau wird ein Vertrauensbereich von 95 Prozent, also der etwa 2-fache Wert der einfachen Standardabweichung als Toleranz angenommen.

Festpunktfeld


Für die Schaffung eines geeigneten Festpunktfeldes muss zunächst die Ausdehnung des Projektes und dessen Verlauf gesichtet werden. Hierfür können diverse Pläne dienen wie z.B. Lageplan, Übersichtsplan des Projektes oder ein Trassenplan. Somit kann im Vorfeld ein Konzept für mögliche Standorte erdacht werden. Eine Baubegehung und Sichtung des Projektes ist zu empfehlen, so können Sichtverhältnisse, Untergrund und Vegetation eingeschätzt werden. Daraufhin wird eine geeignete Vermarkungsart der Festpunkte festgelegt, damit diese über den gesamten Projektzeitraum bestehen bleiben und sich nicht in ihrer Lage- und Höhe verändern.

Neben der Vermarkung der Festpunkte wird parallel ein Messkonzept erarbeitet. Hierbei fließen die Genauigkeitsanforderungen und die Länge des Tunnelprojektes mit ein. In der Regel sollten bei einem Ingenieurbauwerk, wie der Tunnel es ist, eine möglichst hohe Genauigkeit von ±2 mm sowohl in der Lage, wie auch in der Höhe der Festpunkte zu erreicht werden.

Neben der Genauigkeit ist es ebenfalls erforderlich, dass das umfassende Projekt in den Festpunkten eingeschlossen ist und der Start- sowie Zielschacht miteinander verknüpft ist.
Hierbei werden die tachymetrische Messung und die GNSS-Messung nach dem postprocessing Verfahren kombiniert. Dabei liefert die GNSS-Messung bei schlechten Sichten, welche durch Vegetation hervorgerufen werden kann und längeren Strecken, eine Verknüpfung vom Start- und Zielschacht. Im Bereich der Schächte wird mit einem Tachymeter gemessen.

Aus der Netzausgleichung gewonnen Daten resultieren die präzisen Festpunktkoordinaten. An diese Punkte werden die Lage- und Höhenmessungen angeschlossen und in den Tunnel übertragen. Um eine gute Überbestimmung und ausreichende Kontrolle zu gewährleisten, ist eine Netzverdichtung im Bereich des Startschachtes erforderlich. Hierfür wird je nach Bauart und Form ein Konzept für das Portalnetz entwickelt. Dabei müssen diverse Faktoren beachtet werden. 
Zum einen müssen Neupunkte am Schacht so angebracht werden, dass sich diese nicht in ihrer Lage und Höhe verändern. Weiterhin muss ein Anschluss an das übergeordnete Grundlagennetz geschaffen werden, sowie ausreichend Passpunkte und Anschlussziele innerhalb des Schachtes.

Diese Anschlussziele und Passpunkte dienen der Verknüpfung von dem Standpunkt innerhalb des Schachtes zwischen Übergeordneten Grundlagennetz und dem Tunnelnetz. Ebenfalls ist es von Vorteil ausreichend Passpunkte im Startschacht anzubringen, da so eine Kontrolle der Lage durchgeführt werden kann.

Durch die hohe Druckkraft, welche durch die hydraulische Presse hervorgerufen wird, ist es teilweise nicht zu vermeiden, dass sich die Portalpunkte in ihrer Lage verschieben. Wird dies während des Vortriebes erkannt, muss eine erneute Netzmessung durchgeführt werden, damit Abweichungen aufgedeckt und die neuen Koordinaten bestimmt werden können.

Wie in der nebenstehenden Abbildung  zu erkennen, muss eine hohe Genauigkeit dieser Portalpunkte erreicht werden, da schon geringe Abweichungen in der Stationierung im Startschacht einen direkten Einfluss auf das Tunnelnetz haben und zu einer fehlerhaften Positionierung der TBM führen kann.


TBM-Einmessung

Ein wesentliches Element des Navigationssystems ist die elektronische Zieleinheit (ELS). Erst mit der Zieleinheit wird die Steuerung der Vortriebsmaschine möglich. Hierfür muss vorausgesetzt sein, dass die ELS das Verhalten der Tunnelbohrmaschine (TBM) so genau wie möglich wiederspiegelt.

Um dies zu gewährleisten ist eine exakte Bestimmung dieser Zieltafel zur Maschinenachse notwendig. Das Resultat einer TBM-Einmessung ist die Aussage über die Lage der Zieltafel zu den Kreismittelpunkten der Maschinenachse. Die Maschinenachse definiert das Maschinenkoordinatensystem. 

Hieraus lassen sich die Einbaumaße der ELS zur Achse sowie deren Verrollung und Längsneigung bestimmen. Durch die Bestimmung dieser Variablen wird für den Schildfahrer sichergestellt, dass sich die Maschine tatsächlich so verhält, wie es das Navigationssystem anzeigt. Zusätzlich stellt es eine unabhängige Kontrolle zu den Datenblättern des Maschinenherstellers dar.

Für die Bestimmung der Maschinenachse wird der Außenmantel der Maschine in bestimmten Ebenen gemessen. Daraus ergeben sich die tatsächlichen Radien der Maschine und deren Mittelpunkte. Zusätzlich werden bei der TBM-Einmessung Passpunkte im Schild angebracht. Diese dienen der Kontrolle der Einbaumaße bei einem späteren Wiederaufbau der Maschine. Ebenfalls wird durch die Passpunkte eine händische Bestimmung der Maschinenposition ermöglicht und gewährleistet somit eine unabhängige Kontrolle.

Einrichtung der Phase 1


Während der Anfangsphase des Vortriebs wird die Laserstation auf einen im Startschacht stehenden Pfeiler in der Vortriebsachse zwischen den Hauptpressen-Zylindern aufgestellt. Für die Orientierung dient ein Anschlussziel aus dem zuvor angelegten Portalnetz. Hierbei muss beachtet werden, dass das Anschlussprisma eine größtmögliche Entfernung zur Laserstation aufweist. Wenn die Tiefe des Startschachtes es zulässt sollte der Punkte außerhalb des Schachtes liegen.

Die ersten 50 bis 80 Meter werden von dem Laserstandpunkt im Schacht gemessen. Dabei steht der Laserstrahl ständig im Zentrum der Zieltafel und verfolgt die TBM während des Vortriebs. 

Für eine abschließende Einrichtung der Betriebsphase 1 wird eine Netzmessung des Portalnetzes mit Einbindung des neuen Standpunktes im Startschacht durchgeführt. Dabei werden ebenfalls die Passpunkte der Tunnelbohrmaschine angemessen. Nach einer Netzausgleichung kann eine Aussage zur Lage, Neigung und Verrollung der TBM im Startschacht getroffen werden. Diese ermittelten Daten zur Maschine werden in der Navigationssoftware hinterlegt. Zusätzlich werden hier die Startkoordinaten und die des Anschlussziels eingetragen.

Einrichtung der Phase 2


Die Betriebsphase 2 muss installiert werden, sobald der Laserstrahl nicht mehr auf der Zieltafel auftrifft, entweder weil es durch Kurvenfahrten nicht mehr möglich ist oder wenn die Genauigkeitsanforderungen oder zu lange Sichten und die damit auftretenden Refraktionseinflüsse es erforderlich machen.

Für den Übergang von der Phase 1 zur zweiten Betriebsphase wird eine Trägerkonsole für die Totalstation mit einem automatischen Dreifuß und einem Inklinometer ca. 50 Meter hinter der Zieltafel an einem Spannring im Tunnel montiert. Dabei muss gewährleistet werden, dass jederzeit eine direkte Sichtverbindung zwischen der Laserstation und der Zieltafel vorhanden ist. 
Zwei weitere Halterungen für die Stützprismen werden in einem Abstand von ca. 12 Meter von der Totalstation installiert. Die Angegebenen Entfernungen sind dabei von der Trassengeometrie und dem Rohrdurchmesser abhängig und können variieren.

Der vorhergehende Standpunkt des Tachymeters wird zum Anschlussziel für das System. Der Abstand zwischen der Laserstation und der Zieltafel verändert sich von dem Zeitpunkt aus nur noch geringfügig und wird durch elektrooptische Distanzmessung ermittelt.

Zur Installation der Phase 2 wird ein Kontrollaufmaß durchgeführt, bei dem die Tunnelachse in Lage und Höhe alle 1-2 Meter aufgemessen und im System hinterlegt wird.

Um die Phase 2 abzuschließen erfolgen eine Netzmessung sowie dessen Ausgleichung. Dabei sind die Koordinaten der eingebauten Stützpunktprismen und des Standpunktes das Resultat. 

Die somit gewonnen Einbaumaße sowie die Referenzspur und Startkoordinaten werden in der Software hinterlegt und die neue Betriebsphase gestartet.
Bei einem anwachsenden Abstand zwischen der Totalstation und dem Anschlussziel wird ab einem bestimmten Zeitpunkt aufgrund von Refraktionseinflüssen keine Messung mehr möglich sein, weshalb zu Phase 3 übergegangen wird.

Einrichtung der Phase 3


Die Phase 3 wird in der Regel bei ca. 120-160 Meter eingebaut, in Abhängigkeit von der Trassenführung und den Refraktionseinflüssen.

Bei der Betriebsphase 3 wird im Rohrstrang ein neues Anschlussziel in Kombination eines Inklinometers an einem Spannring installiert. Dadurch kann die Verrollung der Rohre durch eine rechnerische Korrektur berücksichtig werden.
Die Stationierung der Totalstation erfolgt über die Erfassung der Weglänge eines Messrades, aus den Dehner- und Hauptpressenausfahrungen.

Da sich das Anschlussziel nun ebenfalls im Rohrstrang befindet, wird dessen Stationierung bei jeder Aktivierung des Messzyklus neu bestimmt. Dies geschieht über die Stationierung der Laserstation und zusätzlicher Streckenmessung zum Anschlussziel.

Wie in der Phase 2 wird in der Phase 3 ein Kontrollaufmaß durchgeführt. Ebenfalls wird die Netzmessung wiederholt um die Grundlage am Schacht auf Verschiebungen zu überprüfen.

In der Betriebsphase 3 ist das System komplett auf das Messrad im Startschacht angewiesen um die Station des Tunnels zu bestimmen. Aus diesem Grund muss gewährleistet werden, dass das Messrad permanent mitläuft.


Kontrollvermessungen

Hierbei wird eine neue Konsole mit einem Abstand zur vorherigen Konsole von ca. 50 bis 80 Meter in den Rohrstrang fest installiert. Der Abstand ist dabei abhängig von dem Tunneldurchmesser und der Trassengeometrie. Die Verwendung von Konsolen wird hierbei präferiert, da bei dieser fest montierten Verwendung auch durch leichte Berührungen keine Lageveränderung entsteht. Anders als es bei der Verwendung von Stativen der Fall ist. Dadurch, dass die Konsolen im Bauvorhaben bestehen bleiben, ist die Anzahl des notwendigen Equipments bei einer KV überschaubar. Würde die KV mit Stativen durchgeführt werden, so würde der Messtrupp hier wertvolle Zeit für das Hineintragen des Equipments benötigen.

Sinnvoll ist es die Vermessung an der vordersten Konsole, die sich hinter der TBM befindet, zu beginnen. Auf dem von dem Messtrupp zurückgelegten Weg, können hierbei schon vorhandene Konsolen horizontiert werden, sodass eine Netzmessung unmittelbar erfolgen kann. Somit ist die Verwendung von Messkonsolen innerhalb eines Tunnels von ökonomischer Natur.

Ziel der Kontrollvermessung ist es, die aktuelle TBM-Position zu bestimmen, sowie die Ist-Lage der Rohrachse aufzunehmen. Dies wird durch eine Messung des Tunnelnetzes in Form eines Dreiecksnetzes durchgeführt. Durch das Anschließen des Tunnelpolygons an das Portalnetz über den Standpunkt innerhalb des Startschachtes und den Anschlusspunkten, werden somit globale Koordinaten erreicht.

Durch eine anschließende Ausgleichungsrechnung erfolgt eine Aussage über die Genauigkeit und falls vorhanden eine Lageveränderung der Anschlusspunkte des Portalnetzes. Aus der Ausgleichung werden die neuen Koordinaten der Stützpunktprismen und des rückwärtigen Anschlussprisma erzeugt und in die Steuerleitsoftware eingespeist. Ebenfalls wird eine Spur in dem Systembereich berechnet und als neue Referenzspur in die Navigationssoftware eingegeben. Zusätzlich wird die gemessene Tunnelachse im System hinterlegt und kann grafisch und numerisch verglichen werden. Durch farblich voneinander getrennte Symbole werden diese Spuren für die Zieltafel,  die Stützpunktprismen und das Tunnelaufmaß dargestellt.

Kreiselvermessung

Aufgrund des einseitig angeschlossenen Tunnelpolygons wird mit zunehmender Länge des Vortriebs der Punktfehler aus der trigonometrischen Beobachtung zunehmend größer. Dies ist dabei auf die Fehlerfortpflanzung zurückzuführen. Zufällige und systematische Beobachtungsfehler der horizontalen Koordinaten sammeln sich in der Art, dass der laterale Fehler der Punktbestimmung etwa exponentiell ist. Hierbei können die zufälligen Beobachtungsfehler durch Wiederholungsmessungen und einer geeigneten Messanordnung wie dem Dreiecksnetz reduziert werden. 

Der Einfluss der systematischen Fehler hingegen kann dadurch nicht eliminiert oder erkannt werden. Dementsprechend ist für die Verbesserung der Orientierung des Polygonzuges in langen Vortrieben der Vermessungskreisel die einzige Möglichkeit für eine unabhängige Stützung.

Aufgrund eines physikalischen Prinzips stellt der Vermessungskreisel eine effektive Alternative zur Aufdeckung von Messungenauigkeiten dar. Mit dem Kreisel werden unabhängige Azimute gemessen, dabei versucht die Kreiselachse sich durch Rotation parallel zur Drehachse der Erdachse auszurichten. 

Der Vermessungskreisel erfüllt damit die Aufgabe, an jeder beliebigen Stelle Azimute von Polygon- bzw. Netzseiten zu bestimmen und diese damit in die Richtung zu stabilisieren. Die Genauigkeit von modernsten Vermessungskreiseln wie dem Gyromat 5000 von DMT liegt bei 0,8 mgon. Daraus ergibt sich eine Bogenabweichung bei einer Streckenlänge von 1 km von 1,2 cm.

Kreiselmessungen werden üblicherweise paarweise, d.h. Azimut und Gegenazimut auf einer Polygonseite durchgeführt. Das erhaltene, um die Winkeldifferenz zwischen geografisch Nord und Gitternord korrigierte Azimut der Polygonseite, kann anschließend mit dem aus Koordinaten errechneten Richtungswinkel verglichen bzw. in einer gemeinsamen Ausgleichungsrechnung verarbeitet werden. Somit wird die Fehlorientierung an der Stelle im Polygon behoben.

Die zukünftige Nutzung des Tunnelbauwerkes beeinflusst die Anforderung an die Genauigkeit der Tunnelauffahrung. So wird bei Hochgeschwindigkeitseisenbahnen die Einhaltung der geplanten Tunnelachse von wenigen Zentimetern gefordert. Wohingegen zum Beispiel beim Pipelinebau andere und größere Toleranzen gelten. Wegen unterschiedlicher Genauigkeitsanforderungen zwischen den Tunnelprojekten, muss separat entschieden werden, ob eine Kreiselvermessung durchgeführt werden muss.

Zusätzlich fließt bei der Beurteilung für die Verwendung des Kreisels der Trassenverlauf, der Rohrdurchmesser und die Länge des Tunnelprojektes mit ein. Ein Kurvenelement direkt hinter dem Tunnelanfang führt zu einem zeitigen Umrüsten der Phasen 1 bis 3 und damit einem zeitigen Verlust eines festen Anschlussziels. Je kleiner der Rohrdurchmesser ist, desto stärker wirken Refraktionseinflüsse, sowie bei einem geplanten Tunnelprojekt mit einer Ausdehnung über 700 m Länge, sollte eine Kreiselmessung durchgeführt werden.

Schlussvermessung

Bis zur Fertigstellung des Bauwerkes wurde ein einseitig angeschlossener Polygonzug im Tunnel gemessen. Hierbei wurde das Tunnelnetz vom Startschacht aus hineingetragen. Nun besteht eine Verbindung zwischen dem Start- und Zielschacht. Somit wird bei Schlussvermessung das Startportal mit dem Zielportal unterirdisch durch den Tunnel verbunden.

Die Schlussvermessung wird in der Regel erst dann durchgeführt, sobald die gesamten Leitungen, Kabel und die Messkonsolen aus dem Tunnel entfernt wurden. Aus diesem Grund wird die Messung mit dem Aufbau von Stativen realisiert. Hierbei wird besondere Vorsicht geboten, da aufgrund des glatten Tunnelbodens sich die Stative bei einer kleinen Berührung verschieben könnten und dadurch die Messung verfälschen könnte.

Auf Grund des beidseitigen Netzanschlusses ergeben sich definitive Koordinaten für alle Punkte untertage. Nach einer Ausgleichungsrechnung ist das resultierende Ergebnis, die Aussage über die Position und Abweichung der Ist-Trasse zur geplanten Soll-Trasse. Dementsprechend kann eine Aussage über die erreichte Genauigkeit beim Durchschlagspunkt getroffen werden.