Tomographie des nutzbaren Untergrundes - Von der Durchschallung zum Echtzeitmonitoring

Die Idee dieses Projektes ist es, die Geologie während des Tunnelbaus basierend auf seismischen Messungen vorherzusagen und so für mehr Sicherheit und geringere Kosten beim Bau zu sorgen.

Weltweit werden immer größere und längere Tunnel gebaut, so erfolgte vor kurzem der Durchbruch des jetzt längsten Tunnels der Welt – dem 57 km langen Gotthard-Basistunnel. Dieser Tunnel, der den Norden und Süden Europas einander noch ein Stück weit näher bringen soll, wurde quer durch die Tiefen der Alpen gebaut. Genauso befinden sich zur Zeit viele andere geplante oder im Bau befindliche Großprojekte an geologisch sehr komplexen Standorten. Die geologischen Gegebenheiten vorher vollständig zu erfassen, ist kaum möglich. Daher forscht das GFZ seit über einem Jahrzehnt zum Thema seismische Voraus- und Umfelderkundung im Tunnelbau.

Im Rahmen dieser Forschung wurde das auf den Tunnelbau zugeschnittene, modulare Integrated Seismic Imaging System (ISIS) entwickelt. Bisher wurde ISIS auf verschiedenen Tunnelbaustellen in Deutschland, Frankreich, Schottland und der Schweiz zum Einsatz gebracht.

Zwei verschiedene Arten seismischer Quellen sind wesentlicher Bestandteil von ISIS: ein pneumatischer Hammer und ein kaskadierendes Aktuator-System als Vibrationsquelle. Letzteres wird im Rahmen des Vorhabens SOUND zusammen mit dem Leibniz-Institut für Angewandte Geophysik (LIAG) weiterentwickelt. Das kaskadierende Aktuator-System wird vor allem in der Erkundung von Hohlräumen, wie z.B. Karsthöhlen und der 3D-Tomografie zwischen Tunneln und Stollen verwendet. Die Vibrationsquelle kann zur gezielten Anregung bestimmter Wellentypen genutzt werden und ist wichtiger Bestandteil eines automatisierten Langzeitmonitoring des Tunnelumfeldes.

Da es viele Methoden des Tunnelvortriebs gibt - vom einfachen Ausbaggern über das Sprengen bis hin zum Einsatz von Tunnelbohrmaschinen, deren Länge schnell mehrere hundert Meter betragen kann - muss eine optimale Anpassung von ISIS an die Anforderungen auf der Baustelle erfolgen. Um die Qualität der seismischen Datenakquisition für ein breites Spektrum an Vortriebsmethoden zu sichern und zu optimieren, wird in diesem Projekt das Vortriebsgeräusch der Tunnelbohrmaschine (TBM) im maschinellen Tunnelbau als passive Quelle genutzt. Das Schneidrad einer TBM produziert beim Vortrieb ein breitbandiges Wellenfeld über die gesamte Länge des Tunnels. Von ihm produzierte Signale erreichen daher die größtmögliche räumliche Abdeckung von Messpunkten. Die Vorhersage wird dadurch genauer und sicherer.