[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkunden von geplanten Tunnelstrecken.
[0002] Bei Tunnelbauvorhaben muß normalerweise vor Auffahren der Tunnelstrecke ein ingenieurgeologisches
Gutachten erstellt werden, das genaue Informationen über die geologische Beschaffenheit
der zu durchbohrenden Formation enthält. Ein derartiges Tunnelgutachten sollte Informationen
über die Lithologie, Tektonik sowie über die vorherrschenden Grundwasserverhältnisse
aufweisen, damit bei Auffahren der Tunnelstrecke keine unvorhergesehenen Komplikationen
auftreten. Solche Komplikationen haben in der Vergangenheit Tunnelbauvorhaben um bis
zu 50 % verteuert.
[0003] Bislang wurden zur Erkundung einer geplanten Tunnelstrecke von der Oberfläche der
Formation aus geologische Tiefensondierungen durchgeführt, wobei eine Vielzahl von
vertikalen Probebohrungen erforderlich sind, die teilweise auch eine beachtliche Tiefe
aufweisen müssen. Hierdurch sind die bekannten Verfahren zum Erkunden einer geplanten
Tunnelstrecke aufwendig und teuer, in ihrem Erfassungsgrad der eigentlichen Tunnelstrecke
jedoch sehr unzureichend (max. 5-10 % der künftigen Tunnelstrecke erfahren eine direkte
Erfassung).
[0004] Es ist das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Problem, ein Verfahren zum
Erkunden einer geplanten Tunnelstrecke zu schaffen, das eine Erkundung entlang der
gesamten Tunnelstrecke erlaubt und gleichzeitig effizient ist.
[0005] Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren nach Anspruch 1, wobei unter
einer im wesentlichen horizontal verlaufenden Tunnelstrecke jede Tunnelstrecke verstanden
wird, die überwiegend unter einem Winkel von < 45° zur Horizontalen verläuft.
[0006] Erfindungsgemäß wird zunächst die Geologie entlang der geplanten Tunnelstrecke vorerkundet,
um eine Pilotbohrung vorzubereiten. Nachdem durch diese Vorerkundung erste Informationen
über die vorhandene Geologie erhalten sind, wird in einem zweiten Schritt mit einem
im Bohrverlauf lenkbaren Bohrkopf entlang der geplanten Tunnelstrecke eine durchgehende
Pilotbohrung erstellt. Schließlich werden aus der Pilotbohrung Proben entnommen, und
es wird eine petrographische, tektonische und z.B. geophysikalische Bohrlocherkundung
durchgeführt.
[0007] Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergeben sich erhebliche Vorteile gegenüber den
herkömmlichen Erkundungsverfahren. Da erfindungsgemäß erstmals eine durchgehende,
im wesentlichen horizontal verlaufende Pilotbohrung erstellt wird, kann mit Hilfe
dieser Pilotbohrung die gesamte Tunnelstrecke auf ihrer ganzen Länge erkundet werden.
Gleichzeitig ist eine gezielte und selektive Probennahme entlang der gesamten Tunnelstrecke
möglich, wodurch auch schwierige Gebirgsbereiche erkannt werden können. Da keine langen
Vertikalbohrungen erforderlich sind und da ein sehr schneller Bohrvortrieb ohne Umsetzen
der Geräte möglich ist, ist das erfindungsgemäße Verfahren sehr schnell und kostengünstig
und damit effizient. Schließlich können durch das erfindungsgemäße Verfahren die Erkundungsdaten
genau an der Stelle gewonnen werden, an denen später der Tunnel gebohrt werden soll,
d.h. es erfolgt eine 100%ige Erkundung der künftigen Tunnelstrecke.
[0008] Ein im Bohrverlauf lenkbarer Bohrkopf zum Erstellen von durchgehenden, im wesentlichen
horizontalen Bohrungen ist zwar bereits bekannt (vgl. DE 40 16 965 A1). Jedoch wurde
bislang noch nicht vorgeschlagen, derartige Bohrköpfe zum Erkunden einer geplanten
Tunnelstrecke heranzuziehen. Weiterhin war es bislang nicht möglich, gekrümmte Tunnelstrecken
bohrtechnisch zu erschließen, was mit lenkbaren Bohrköpfen nun technisch möglich ist.
[0009] Für Tunnelvortriebe sind Verformungsmessungen des Gebirges im Vorfeld des eigentlichen
Tunnelanbruchs sehr wesentlich. Üblicherweise geschieht dies bisher durch die Anlage
von Erkundungsstollen, die sehr teuer sind, in die Spannungsmeßgeräte eingebaut werden.
Erst nach einer Meß- und Beobachtungszeit wird ein Tunnelausbruch begonnen. Die Messung
aus einem Pilotbohrloch spart hier beachtliche Kosten ein. Bei langen Tunnelauffahrungen
sind nach der Tunnelherstellung noch Verformungsmessungen während des Betriebes in
extra angelegten Seitenstollen erforderlich. Diese können künftig entfallen, da aus
dem Pilotbohrloch auch seitliche, sackgassenförmige Abzweigungen zur Installation
von Meßstollen möglich sind, so daß Verformungsmessungen hier auch vor, während und
nach der Tunnelauffahrung möglich sind.
[0010] Sollte die Pilotbohrung später nicht die Mittelachse des künftigen Tunnels darstellen,
sondern z.B. eine seitliche Versorgungsstrecke oder eine mittig angeordnete Versorgungsstrecke
bei Doppeltunneln, oder außerhalb des Profils der Sohlentwässerung oder Firstbelüftung
dienen, so ist dies bohrtechnisch auch darstellbar. Auch für nachträgliche Versorgungsstrecken
zu bestehenden oder erweiterungsbedürftigen Tunnelstrecken sind Pilotbohrungen durchführbar.
Gleiches gilt für Fluchtweg- oder Bewetterungstunnel, die zusätzlich oder nachträglich
installiert werden müssen.
[0011] Ebenso sind spannungsmeßtechnische und hydrogeologische Untersuchungen möglich, die
für den Vortrieb und späteren Ausbau des Tunnels entscheidende Daten liefern. So kann
der in der Pilotbohrung feststellbare Wasserandrang die Dimensionierung und die Einläufe
des Tunnelentwässerungssystems definieren, während die spannungsmeßtechnischen Daten
den Ausbruchsquerschnitt im Hinblick auf den verstellbaren festlegbaren Wandstärkenbedarf
des Tunnels definieren. Auch während des Vortriebes sind Spannungsmessungen im jeweils
verbleibenden Teil des Pilotbohrloches möglich. Dies kann in entscheidender Weise
Informationen über aufgehende Entlastungsklüfte liefern, welche für spontane Einbruchsereignisse
verantwortlich sind. Derartige Informationen aus dem Auffahrungsvorfeld waren bisher
nicht erhältlich.
[0012] Zur Vorerkundung der Geologie können beispielsweise Bohrlochkameras, Akustik-Sonden
z.B. (Digital Acoustic Borehole Televiewer), Bohrloch-Radarantennen, Widerstandsmeßsonden
(resistivity imaging tool, microresistivity), Gamma-Sonden, Ultrasonic-Sonden, Pulsed
neutron-Sonden etc. verwendet werden. Eine weitere Methode ist beispielsweise die
sogenannte Widerstands-Tiefensondierung, die zur Bestimmung vertikaler Schichtenfolgen
insbesondere bei horizontaler Lagerung von Schichten unterschiedlicher Mächtigkeiten
und spezifischer Widerstände dient.
[0013] Bei der Widerstands-Tiefensondierung werden zwei Stromelektroden in die Erdoberfläche
eingesetzt, durch die ein Gleichstrom einer Stromquelle fließt. Zwei weitere Potentialelektroden,
die ebenfalls in die Erdoberfläche eingesetzt werden, sind mit einem Spannungsmeßgerät
verbunden. Durch Messung der Spannung an verschiedenen Stellen der Erdoberfläche läßt
sich der spezifische elektrische Widerstand der geologischen Formation ermitteln,
und hierdurch lassen sich Rückschlüsse auf den geologischen Aufbau der Formation erzielen.
Durch manuelle Änderung der Elektrodenkonfigurationen kann der Meßaufbau jeweils der
geologischen Aufgabe, der petrophysikalischen Situation und den geometrischen Verhältnissen
angepaßt werden. Der Abstand der Meßprofile und der Meßpunkte bestimmt dabei das Auflösungsvermögen
der Widerstands-Tiefensondierung.
[0014] Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gekennzeichnet.
[0015] So kann die Pilotbohrung vorteilhafterweise im wesentlichen entlang der Mittellinie
der geplanten Tunnelstrecke erstellt werden, auch wenn diese einen gekrümmten Verlauf
haben sollte. Hierdurch wird die Erkundung genau in dem Bereich durchgeführt, der
beim Auffahren der Tunnelstrecke entfernt werden muß. Gleichzeitig läßt sich die so
erstellte Pilotbohrung in diesem Fall als Orientierungshilfe beim Auffahren der Tunnelstrecke
einsetzen, ohne daß weitere (teuere) Positionsmessungen vorgenommen werden müssen.
Da heutzutage Pilotbohrungen mit einer hohen Genauigkeit erstellt werden können, können
durch diese vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung erhebliche Kosten und auch
Zeit eingespart werden, die anderenfalls zur Positionssteuerung der Tunnelbohrmaschinerie
erforderlich sind.
[0016] Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung können bereits beim Erstellen der Pilotbohrung
Bohrfortschrittsparameter aufgezeichnet werden, die anschließend zur Bohrlocherkundung
mitherangezogen werden können. Da sich bereits beim Bohren der Pilotbohrung aus derartigen
Bohrfortschrittsparametern wertvolle Informationen auf die Beschaffenheit der zu durchbohrenden
Formation erhalten lassen, können erfindungsgemäß diese Informationen zur Bohrlocherkundung
verwendet werden. Beispielsweise kann durch Messen des Bohrandruckes, der Vortriebsgeschwindigkeit
oder auch der Abrasion des Bohrkopfes auf die Festigkeit, den Gefügeverbund, die Klüftigkeit
und anderes der vorhandenen Fels- oder Erdformation rückgeschlossen werden.
[0017] Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann bei der erfindungsgemäß vorgesehenen
Probenentnahme der Spülungsrückfluß der Pilotbohrung verwendet werden, um Proben zu
entnehmen. Hierdurch entfallen aufwendige Probenentnahmen und durch In-Bezug-Setzen
des Bohrfortschrittes mit den Proben aus dem Spülungsrückfluß der Pilotbohrung läßt
sich die vorhandene Formation bereits vorteilhaft analysieren.
[0018] Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden bei der Probenentnahme
seitliche Probebohrungen durchgeführt, die von der im wesentlichen vertikalen Pilotbohrung
ausgehen. Dieses Verfahren, das auch unter dem Begriff "side wall coring" grundsätzlich
bekannt ist, wurde bislang jedoch noch nicht in Zusammenhang mit einer horizontalen
Pilotbohrung vorgeschlagen. Gleichzeitig ist hierdurch eine gezielte und selektive
Probennahme entlang der gesamten Tunnelstrecke möglich.
[0019] Nach einer weiteren Ausbildung der vorliegenden Erfindung können bei der Bohrlocherkundung
auf herkömmliche Weise geophysikalische Sonden durch das Bohrloch gezogen werden.
Derartige Sonden können beispielsweise Bohrlochkameras, Akustik-Sonden z.B. (Digital
Acoustic Borehole Televiewer), Bohrloch-Radarantennen, Widerstandsmeßsonden (resistivity
imaging tool, microresistivity), Gamma-Sonden, Ultrasonic-Sonden, Pulsed neutron-Sonden
etc. sein.
[0020] Derartige geophysikalische Sonden sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt.
So beschreibt beispielsweise die EP 0 384 823 A1 eine geoelektrische Sonde in Form
eines Meßblockes, der mit einer zentralen Elektrode versehen und in eine Testbohrung
abgelassen wird. Zur Fokussierung der Testströme sind ein aktives und ein passives
Fokussierungssystem vorgesehen. Allerdings wurde bislang nicht vorgeschlagen, derartige
Sonden in Zusammenhang mit durchgehenden horizontalen Pilotbohrungen zu verwenden.
[0021] Nach einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird bei
der Bohrlocherkundung ein Elektrodenmeßstrang mit mindestens sechs Elektroden in das
Bohrloch der Pilotbohrung eingeführt. Hierbei sind die Elektroden an dem Meßstrang
unter gleichen gegenseitigen Abständen angeordnet und der Meßstrang weist mehrere
elektrische Anschlußleitungen auf, die von mindestens einem Ende des Meßstranges zu
den Elektroden führen. Ferner wird bei dieser vorteilhaften Ausführungsform ein Strom
durch zwei Elektroden des Meßstranges geleitet, und es wird zwischen zwei anderen
Elektroden des Meßstranges gemessen. Schließlich werden die Elektroden innerhalb des
Bohrloches versetzt, und es werden erneut zwei Elektroden von Strom durchflossen und
die Spannung zwischen zwei weiteren Elektroden wird gemessen.
[0022] Durch einen derartigen Meßstrang lassen sich unterschiedliche Elektroden, die an
dem Meßstrang angeordnet sind, von dem Ende des Meßstranges aus ansteuern, so daß
dieser nicht verschoben oder ausgetauscht werden muß. Das Erzielen unterschiedlicher
Eindringtiefen kann auf einfachste Weise dadurch erfolgen, daß unterschiedlich weit
auseinanderliegende Elektroden für die Messung herangezogen werden. Gleichzeitig lassen
sich mit dem erfindungsgemäßen Meßstrang die unterschiedlichsten Elektrodenanordnungen
verwirklichen, ohne daß die Elektroden selbst versetzt werden müßten.
[0023] Weiterhin kann das Bohrloch für Temperaturmeßkabel, für Feuchtesensorkabel, für Spannungsmeßeinrichtungen
und andere Instrumente zur gebirgsmechanischen und hydrogeologischen Überwachung genutzt
werden.
[0024] Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Auffahren
eines Tunnels vorgesehen, bei dem zunächst ein Erkunden der geplanten Tunnelstrecke
nach einem der oben beschriebenen Verfahren erfolgt. Anschließend wird die Tunnelstrecke
aufgefahren, wobei eine Orientierung des Vortriebs an der Pilotbohrung erfolgt. Wie
eingangs bereits erwähnt wurde, können heutzutage mit Hilfe von im Bohrverlauf lenkbaren
Bohrköpfen hochgenaue Bohrungen durchgeführt werden, so daß der eigentliche Tunnelverlauf
bereits durch die Pilotbohrung bestimmt werden kann. Sofern sich beim Auffahren der
Tunnelstrecke die Bohrmaschinerie an der Pilotbohrung orientiert, d.h. dem Verlauf
der Pilotbohrung folgt, müssen keine weiteren Positionsmessungen oder -korrekturen
vorgenommen werden, damit der Tunnel den gewünschten Verlauf enthält.
[0025] Die Pilotbohrung kann auch zur Gestängeführung für Aufweitbohrungen, z.B. nach dem
Raise-Bohrverfahren, genutzt werden. Bei entsprechend großer bzw. mehrfacher Aufweitbohrung
läßt sich auf diese Weise der Soll-Tunnelquerschnitt erstellen.
[0026] Nach einer weiteren Ausbildung dieses Verfahrens kann beim Auffahren der Tunnelstrecke
die Pilotbohrung gleichzeitig zur Vorfeldentwässerung herangezogen werden. Hierzu
kann es vorteilhaft sein, die Pilotbohrung als freie Drainage zu nutzen oder sie bei
Lockergestein zu einer Drainageleitung auszubauen.
[0027] Beim Auffahren des Tunnels kann nach einer weiteren Ausbildung die Pilotbohrung zu
einem Einbruchsbohrloch für bergtechnische Auffahrungen erweitert werden. Auch kann
die Pilotbohrung während des Tunnelbaus zur Verlegung von Kommunikationsleitungen
und Versorgungsleitungen verwendet werden.
[0028] Vorfeldentwässerungen werden oft auch zu einer hydraulischen Entspannung des Gebirges
benötigt, auch um Wassereinbrüche während der Tunnelauffahrung zu vermeiden. Solche
Wassereinbrüche können den gesamten Vortrieb beeinträchtigen und zum Teil zum Stillstand
bringen. Aufwendige Umplanungen, Zusatzmaßnahmen und Zeitverzögerungen sind die Folge.
[0029] Mittels der Pilotbohrung können jedoch Entwässerungen in Gegenrichtung zum Vortrieb
vorgenommen werden. Ein entsprechend dem Vortrieb versetzbarer Packer wird als künstliche
Wasserscheide im Bohrloch installiert, bei gegenläufigem Gefälle kann mittels Tauchpumpe
für die Abförderung des Wasserandranges gesorgt werden.
[0030] Bei sehr starkem Wasseranfall kann die Pilotbohrung aufgeweitet werden, um querschnittseitig
die anfallenden Wassermengen aufnehmen zu können.
[0031] Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand vorteilhafter
Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es
zeigen:
- Fig. 1
- eine schematische Darstellung einer bergartigen geologischen Formation, in die eine
horizontale Pilotbohrung eingebracht wird;
- Fig. 2
- eine schematische Darstellung der Formation von Fig. 1, wobei aus der Pilotbohrung
Gesteinsproben entnommen werden;
- Fig. 3
- eine schematische Darstellung der Formation von Fig. 1, wobei in die Pilotbohrung
ein Meßstrang eingeführt ist;
- Fig. 4
- eine schematische Darstellung der Formation von Fig. 1, wobei eine begonnene Tunnelauffahrung
dargestellt ist; und
- Fig. 5
- einen Vertikalschnitt durch das Erdreich im Bereich einer geplanten Tunnelstrecke
mit einer zusätzlichen Erkundungsbohrung im verformungshaften Gebirge.
[0032] Fig. 1 zeigt eine bergartige geologische Formation, wobei Bereiche mit unterschiedlichem
geologischen Aufbau unterschiedlich stark schraffiert dargestellt sind.
[0033] Um die in Fig. 1 dargestellte Pilotbohrung entlang einer geplanten Tunnelstrecke
einbringen zu können, wird gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren zunächst die Geologie
entlang der geplanten Tunnelstrecke vorerkundet. Dieses Vorerkunden kann auf herkömmliche
Weise durch geoelektrische Tiefensondierung von der Oberfläche aus erfolgen, wie dies
eingangs beschrieben wurde. Nachdem durch diese Vorerkundung Informationen über die
grundsätzliche Beschaffenheit der Formation erhalten wurden, wird eine durchgehende
Pilotbohrung 12 erstellt. Hierzu wird eine Bohrapparatur 14 eingesetzt, die mit Hilfe
eines im gesamten Bohrverlauf lenkbaren Bohrkopfes eine Pilotbohrung entlang der geplanten
Tunnelstrecke erstellt. Durch die Informationen, die im Rahmen der Vorerkundung erhalten
wurden, läßt sich das zum Erstellen der Pilotbohrung geeignete Bohrgerät entsprechend
wählen.
[0034] Nach dem Vorerkunden und dem Erstellen der durchgehenden Pilotbohrung 12 werden aus
der Pilotbohrung Proben entnommen, um die geplante Tunnelstrecke weiterzuerkunden.
Dies kann durch Probenentnahme aus dem Spülungsrückfluß der Pilotbohrung erfolgen.
Es können jedoch auch ausgehend von der Pilotbohrung 12 an verschiedenen Stellen derselben
seitliche Probebohrungen 16 durchgeführt werden (vgl. Fig. 2), wobei das Ergebnis
dieser Probebohrungen an das Ende der Pilotbohrungen gefördert wird.
[0035] Zur weiteren geophysikalischen Bohrlocherkundung können z.B. geoelektrische Sonden
durch das Bohrloch gezogen werden. Es kann jedoch auch ein eingangs beschriebener
Elektrodenmeßstrang 18 in das Bohrloch der Pilotbohrung eingeführt werden, der in
Fig. 3 dargestellt ist. Der Meßstrang 18 weist eine Vielzahl von Elektroden 20 auf,
die an diesem unter gleichen gegenseitigen Abständen angeordnet sind, wobei elektrische
Anschlußleitungen von einem Ende des Meßstranges zu jeder einzelnen Elektrode geführt
sind. Ein solcher Meßstrang 18 kann nach Erstellen des Bohrloches 12 durch Ankoppeln
an das Bohrgestänge ohne weiteres durch das Bohrloch 12 gezogen werden.
[0036] Zur Durchführung der geoelektrischen Bohrlocherkundung werden zwei Elektroden des
Meßstranges als Stromelektroden (A
i, B
i) beschaltet und zwei weitere Elektroden werden als Potentialelektroden (M
i, N
i) beschaltet. Durch Messen der entstehenden Potentialdifferenz lassen sich die geoelektrischen
Daten erzielen. Insbesondere ist es durch Verwendung des Meßstranges möglich, die
jeweils passende Elektrodenanordnung zu wählen, indem lediglich jeweils andere Elektroden
zugeschaltet werden bzw. indem zwischen den Elektroden umgeschaltet wird. Hierbei
können bekannte Anordnungen verwendet werden, wie z.B. die Wenner-Anordnung (A
i, M
i, N
i, B
i), die Dipol-Anordnung (A
i, B
i, M
i, N
i) oder die Carpenter-Anordnung (A
i, M
i, B
i, N
i). Für die Untersuchung in Gebieten mit homogener Schichtbildung und unterschiedlicher
Neigung wird vorrangig die Wenner-Anordnung eingesetzt. Für die Kartierung von steilstehenden
Inhomogenitäten, wie Verwerfungen und anderem, ist es jedoch günstiger, Messungen
mit der Dipol-Anordnung durchzuführen. Der Abstand zwischen den einzelnen Elektroden
bestimmt die Eindringtiefe, kann jedoch durch Zuhilfenahme des Meßstranges nahezu
frei gewählt werden.
[0037] Für eine noch genauere Erkundung der Tunnelstrecke kann eine sogenannte geoelektrische
Tomographie durchgeführt werden. Hierzu wird, wie in Fig. 3 gezeigt, ein Meßstrang
18 in das horizontale Bohrloch 12 der Pilotbohrung eingebracht, wobei an dem Meßstrang
eine Vielzahl von Elektroden in gleichmäßigen Abständen angeordnet ist. Die Anschlußleitungen
der einzelnen Elektroden des Meßstranges sind zu einem Ende des Meßstranges geführt.
Die Elektroden 20 (M
1, N
1, M
2, N
2 bzw. M
n, N
n) werden so gewählt, daß der zu untersuchende Gesteinskomplex komplett "durchstrahlt",
d.h. durchströmt, werden kann. Um eine "Schattenbildung" eines niederohmigen Störkörpers
erfassen zu können, wird eine Stromelektrode (nicht dargestellt) an einer Stelle der
Erdoberfläche fixiert und eine weitere Stromelektrode (nicht dargestellt) wird in
weiter Entfernung von der Meßstelle im Erdboden angebracht. Zur Messung werden zunächst
die Potentialelektroden entlang der Strecke des Bohrloches bewegt, was durch mechanische
Bewegung des Meßstranges erfolgen kann. Einfacher ist jedoch die Verwendung von unterschiedlichen
Elektroden des Meßstranges. Wenn sich eine "Schattenbildung" abzeichnet, so muß zur
Abgrenzung der Umrisse des Störkörpers die Messung von mehreren Stromelektrodenpositionen
aus wiederholt werden. Im Anschluß kann die Stromelektrode an eine andere Stelle versetzt
werden oder, wenn für die Stromelektroden ebenfalls ein Meßstrang eingesetzt wird,
wird die danebenliegende Stromelektrode aktiviert und die Messung wird wiederholt.
[0038] Es können auch Stromelektroden und Spannungselektroden vertauscht sein, d.h. die
Elektroden innerhalb des Bohrloches werden als Stromelektroden eingesetzt, wohingegen
die an der Erdoberfläche befindlichen Elektroden als Potentialelektroden herangezogen
werden.
[0039] Die oben beschriebene geoelektrische Tomographie eignet sich hervorragend zur Lokalisierung
von Auflockerungszonen und tektonischen Störungen, zur Ortung von Wasserwegigkeiten
und Wassereinschlüssen, und es kann zwischen parallel verlaufenden Bohrlöchern eine
Inventur von vorhandenen Strecken auf nieder- oder hochohmige Bereiche untersucht
werden.
[0040] Der in Fig. 3 nur schematisch dargestellte Meßstrang 18 weist eine Vielzahl von ringförmigen
Elektroden 20 auf, die an dem Meßstrang unter einem jeweils gleichen Abstand von 100
cm angeordnet sind. Die ringförmigen Elektroden 20 sind in einen Kunststoffschlauch
so eingearbeitet, daß der ringförmige Außenumfang der metallenen Elektroden 20 frei
bleibt. Die Anschlußleitungen für die jeweiligen Elektroden 20 verlaufen innerhalb
des Kunststoffschlauches und sind abgeschirmt. Insgesamt ist der Meßstrang flexibel
und läßt sich problemlos auf eine Kabeltrommel aufwickeln.
[0041] Innerhalb des Meßstranges 18 verlaufen zwei Spannungsleitungen, die einen Spannungsbus
bilden, zwei Stromleitungen, die einen Strombus bilden, sowie eine zweipolige Signalleitung.
Ferner ist zur Spannungsversorgung eine Leitung vorgesehen.
[0042] Der Meßstrang weist in seinem Inneren eine Schalteinrichtung auf, die einen Umschalter
enthält, der die Elektrode 20 wahlweise mit den Anschlußleitungen des Strombusses
und des Spannungsbusses verbindet. Hierdurch ist innerhalb des Meßstranges ein zweiadriger
Strombus und ein zweiadriger Spannungsbus vorgesehen. Durch die beiden Signalleitungen
lassen sich die jeweiligen Elektroden auf die einzelnen Busleitungen schalten, so
daß eine beliebige Anzahl von Elektroden mit nur wenigen Anschlußleitungen angesteuert
werden kann.
[0043] Bei Aktivierung der Schalteinrichtung über eine am Ende des Meßstranges 18 angeordnete
Anschlußvorrichtung (nicht dargestellt), kann die Elektrode 20 auf jede Anschlußleitung
geschaltet werden. Die Schalteinrichtung ist an die Versorgungsspannung angeschlossen
und wird über die Signalleitung aktiviert. Das Ansprechen der Schalteinrichtung erfolgt
über eine digitale Adresse, wobei über einen vorgesehenen Digitalcode eingestellt
werden kann, auf welchen Bus die zugeordnete Elektrode 20 geschaltet werden soll.
Selbstverständlich ist jeder Elektrode 20 eine Schalteinrichtung zugeordnet. Die Schalteinrichtung
besteht aus einem kleinen elektronischen Schaltkreis und ist innerhalb des Meßstranges
aufgenommen.
[0044] Sofern jede erste Elektrode mit einer der beiden Stromleitungen und einer der beiden
Spannungsleitungen verbindbar ist und jede zweite Elektrode mit der anderen der beiden
Stromleitungen und der anderen der beiden Spannungsleitungen verbindbar ist, kann
der schaltungstechnische Aufwand reduziert werden. Die obengenannte Schalteinrichtung
kann vorzugsweise über die Signalleitung aktivierbar und digital ansteuerbar sein.
Bei einer erfolgten Ansteuerung schaltet die Schalteinrichtung die zugeordnete Elektrode
auf die gewünschte Ader des Strombusses oder des Spannungsbusses. Eine Abschirmung
der Anschlußleitung ist insofern vorteilhaft, als die geoelektrischen Messungen dann
nicht gestört werden.
[0045] Auch kann der Körper des Meßstranges durch die Anschlußleitungen gebildet sein, die
von den Elektroden ringförmig umgeben sind. Eine solche Ausführungsform ist sehr kostengünstig
und einfach herzustellen, da lediglich die ringförmigen Elektroden in regelmäßigen
Abständen an den Anschlußleitungen befestigt werden müssen, die durch die Elektroden
hindurchgeführt werden. Des weiteren können die Elektroden des Meßstranges ringförmig
und in einen Kunststoffschlauch eingearbeitet sein, in dessen Inneren die Anschlußleitungen
verlaufen. Eine solche Ausführungsform ist sehr robust und wenig störungsanfällig,
da die Anschlußleitungen im Inneren des Kunststoffschlauches geschützt sind.
[0046] Der erfindungsgemäße verwendete Meßstrang kann eine Länge > 100 m, vorzugsweise >
400 m aufweisen und kann durchaus auch die Länge von Kilometern annehmen, abhängig
von der Länge des zu erstellenden Tunnels. Ein derartig langer Meßstrang in der Größenordnung
von 100 m oder mehr ermöglicht die geoelektrische Erfassung eines sehr großräumigen
Gebietes, ohne daß jedoch Elektroden versetzt werden müßten.
[0047] Zur erhöhten Sicherheit kann die Schalteinrichtung an jeder Elektrode auch doppelt
vorgesehen sein. Da die Kosten einer derartigen Schalteinrichtung gering sind, ist
eine solche Ausführungsform besonders vorteilhaft, da bei Ausfall einer Schalteinrichtung
der Meßstrang nicht funktionslos ist, sondern die jeweilige Elektrode durch die zweite
vorgesehene Schalteinrichtung, die eine andere Adresse aufweist, angesprochen werden
kann.
[0048] Ein nicht dargestelltes Meßsystem weist eine Stromquelle sowie ein Spannungsmeßgerät
auf, die in einem Computer integriert sind. Eine Anschlußvorrichtung ist an einem
Ende des Meßstranges mit dessen Anschlußleitungen verbunden, so daß die Stromquelle
und das Spannungsmeßgerät mit mindestens vier beliebigen Elektroden des Meßstranges
verschaltbar sind. Der Zugriff auf die jeweiligen gewünschten Elektroden kann programmgesteuert
erfolgen, wobei beliebige Meßprogramme, d.h. Elektrodenabstände gewählt werden können.
Das Meßsystem und dessen Anschlußvorrichtung kann vorzugsweise von einem Computer
ansteuerbar sein. Hierdurch erhält man ein vollautomatisches Bohrlocherkundungssystem
mit noch nicht dagewesenen Möglichkeiten, das innerhalb kürzester Zeit eine detaillierte
Erfassung der geologischen Formation erlaubt, durch die der Tunnel gebohrt werden
soll, und das gleichzeitig sehr kostengünstig arbeitet. Die Kosten eines derartigen
Systemes liegen bei ca. einem Drittel der Kosten von vergleichbaren seismischen Systemen.
[0049] Zur Durchführung der geoelektrischen Tomographie kann die Anschlußvorrichtung mit
den Anschlußleitungen eines zweiten Meßstranges verbunden werden, der an der Erdoberfläche
liegt, wobei die Elektroden mit Hilfe der vorgesehenen Adapter in das Erdreich eingesteckt
sind. Durch eine derartige Anordnung läßt sich die gesamte bergartige Formation komplett
durchmessen, wobei aufgrund der großen Variationsmöglichkeiten geologische Profile
mit einer bislang noch nicht dagewesenen Informationsdichte aufgenommen werden können.
Hierbei können beliebige Schnitte durch die bergartige Formation vorgenommen werden.
[0050] Ein Einsatz des Meßstranges in einem horizontalen Bohrloch erhöht im Gegensatz zu
den klassischen Bohrlochsonden die Investigationstiefe erheblich. Diese kann in Abhängigkeit
von der Bohrlochlänge und der Länge des Elektrodenmeßstranges ca. 10 m betragen, was
die bisherigen Eindringtiefen bei weitem übersteigt. Gleichzeitig kann der Elektrodenmeßstrang
auch für die oben beschriebene geoelektrische Tomographie als Sender und auch als
Empfänger eingesetzt werden. Hierdurch ist der komplette Gebirgskörper mit einer noch
nicht dagewesenen Auflösung und Informationsdichte zu erfassen.
[0051] Durch dieses neuartige Meßverfahren ist es unter Zuhilfenahme des oben beschriebenen
Meßstranges erstmals möglich, detaillierte Informationen über eine geologische Formation
im unmittelbaren Bereich einer geplanten Tunnelstrecke zu erhalten, wobei die Eindringtiefe
durch Verwendung unterschiedlicher Elektroden des Meßstranges frei gewählt werden
kann. Es müssen also nicht - wie dies bislang im Stand der Technik der Fall war -
jeweils unterschiedliche Sonden in vertikale Probebohrungen mit großer Tiefe eingesetzt
werden.
[0052] Eine besonders vorteilhafte Variante des oben beschriebenen Verfahrens wird dadurch
erzielt, daß das Versetzen der Elektroden innerhalb des Bohrloches dadurch erfolgt,
daß andere Elektroden des gleichen Meßstranges verwendet werden. Hierdurch läßt sich
der geologische Aufbau entlang des gesamten Bohrloches erfassen, ohne daß der Meßstrang
mechanisch versetzt oder bewegt werden müßte. Gleichzeitig läßt sich die Eindringtiefe,
die von dem Relativabstand der Elektroden abhängig ist, durch Wahl der entsprechenden
Elektroden frei einstellen. Hierdurch läßt sich erstmals eine geologische Formation
größeren Ausmaßes "durchleuchten", ohne daß eine Vielzahl von vertikalen Testbohrungen
angebracht werden müßte. Gleichzeitig ist es nicht erforderlich, den Elektrodenmeßstrang
innerhalb des Bohrloches mehrfach mechanisch zu versetzen.
[0053] Alternativ werden einerseits Elektroden in das im wesentlichen horizontale Bohrloch
der Pilotbohrung eingeführt und zusätzlich weitere Elektroden an der Erdoberfläche
angesetzt werden. Bei diesem Verfahren werden mindestens zwei Potentialelektroden
in das Bohrloch eingeführt. Als nächster Schritt wird ein Strom durch zwei Stromelektroden
geleitet, die an der Oberfläche angesetzt sind. Durch Messen der Spannung zwischen
den beiden Potentialelektroden läßt sich der zwischen den an der Erdoberfläche angesetzten
Elektroden und den innerhalb des Bohrloches befindlichen Elektroden befindliche Gesteinskomplex
"durchstrahlen", so daß völlig neue Informationen in einer bislang noch nicht dagewesenen
Informationsdichte erhalten werden können. Durch Wiederholen der Spannungsmessung
zwischen den beiden Potentialelektroden innerhalb des Bohrloches mit jeweils innerhalb
des Bohrloches versetzten Elektroden läßt sich der zwischen Bohrloch und Erdoberfläche
befindliche Gesteinskomplex vollständig kartieren, wobei beliebige Schnittebenen vorgenommen
werden können, weshalb dieses Verfahren auch als geoelektrische Tomographie bezeichnet
wird.
[0054] Da das Bohrloch durchgängig ist, kann der Elektrodenmeßstrang nach Erstellen des
Bohrloches an dem Bohrgestänge durch das Bohrloch gezogen werden, so daß ein Verlegen
des Meßstranges innerhalb kürzester Zeit möglich ist.
[0055] Auch wenn das Versetzen der Potentialelektroden innerhalb des Bohrloches durch mechanisches
Versetzen des Meßstranges erreicht werden kann, besteht die bevorzugte Verfahrensweise
darin, zur Kartierung der Gesteinsformation lediglich andere Elektroden des Meßstranges
als Potentialelektroden zu verwenden. Dies kann unter Verwendung des oben beschriebenen
erfindungsgemäßen Meßsystemes auf einfachste Weise dadurch erfolgen, daß andere Elektroden
aktiviert oder verschaltet werden, so daß der Meßtechniker von seinem Meßplatz aus,
die gesamte geologische Formation entlang des Bohrloches und oberhalb des Bohrloches
vermessen kann, ohne daß tatsächlich Elektroden mechanisch versetzt werden müßten.
Durch Verwendung von computergesteuerten Meßprogrammen eröffnen sich durch das erfindungsgemäße
Verfahren ungeahnte Möglichkeiten.
[0056] Eine weitere Ausführungsform des oben beschriebenen Verfahrens wird dadurch erzielt,
daß nicht nur die innerhalb des Bohrloches befindlichen Elektroden variiert werden,
sondern daß auch zumindest eine der Stromelektroden an der Erdoberfläche versetzt
wird. Hierdurch wird die Auflösung der erhaltenen Messungen bedeutend erhöht.
[0057] Sofern als Stromelektrode bei den oben beschriebenen Verfahren eine Elektrode eines
Meßstranges verwendet wird, ist das beschriebene Verfahren der geoelektrischen Tomographie
noch weiterverbessert, da in diesem Fall das Versetzen der Stromelektroden an der
Erdoberfläche ebenfalls nicht mehr mechanisch erfolgen muß, sondern durch Wahl unterschiedlicher
Elektroden des Meßstranges erfolgen kann. In diesem Fall empfiehlt sich die Verwendung
von Adaptern, welche die Elektroden stabartig verlängern. Derartige Adapter, die ein
Einleiten der Meßströme in das Erdreich erleichtern, können in das Erdreich eingesteckt
werden. Für die Verwendung im Erdreich können die Adapter spießartig ausgebildet sein
und mit Hilfe einer Gelenkschelle an den Ringelektroden befestigt werden.
[0058] Nachdem die geplante Tunnelstrecke vollständig erkundet worden ist, kann die Tunnelauffahrung
anhand der Pilotbohrung 12 erfolgen, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. Hierbei orientiert
sich das Tunnelvortriebsgerät 22 an der Pilotbohrung 12, so daß keine aufwendige Positionsüberwachung
durchgeführt werden muß. Die Pilotbohrung läßt sich beim Streckenvortrieb zur Vorfeldentwässerung
heranziehen. Auch können während des Tunnelbaus Kommunikationsleitungen durch die
Pilotbohrung geführt werden, die gegebenenfalls auch zu einem Einbruchsbohrloch erweitert
werden kann.
[0059] Fig. 5 zeigt einen Vertikalschnitt durch das Erdreich im Bereich einer geplanten
Tunnelstrecke. Eine parallel zur geplanten Tunneltrasse 120 verlaufende Bohrung 112c
befindet sich in größerem Abstand zur geplanten Tunneltrasse unterhalb der geplanten
Tunnelauffahrung. Diese vorzugsweise voll verlaufsgesteuert ausgeführte Erkundungsbohrung
112c kann Aufschluß über die unterlagernden geologischen Schichten geben. So läßt
sich bspw. erkennen, ob sich in dem betreffenden Gebiet unterhalb der geplanten Tunnelauffahrung
quellfähige Horizonte, z.B. Tone oder Anhydrite, befinden, die möglicherweise einen
Quelldruck aufbauen können. Dies kann insbesondere in Bereichen von Interesse sein,
in denen auch heute noch Verformungen auftreten, die möglicherweise erst zu einem
späteren Zeitpunkt zu einer Gefährdung der Tunnelstrecke führen können. Ebenso lassen
sich Gesteinsproben aus der Bohrung unterhalb der geplanten Tunnelauffahrung entnehmen
und ebenfalls ein Meßstrang 110c einführen, um eine geoelektrische Tomographie durchzuführen.
Hierbei lassen sich, wie in Fig. 5 angedeutet ist, beliebige Schichten zwischen dem
in der Erkundungsbohrung entlang der geplanten Tunneltrasse eingeführten Meßstrang
110b, dem Meßstrang 110a bzw. den Elektroden auf der Erdoberfläche und dem Meßstrang
110c in der Erkundungsbohrung 112c aufnehmen. Schließlich bietet sich hierdurch auch
die Möglichkeit, Spannungsmeßnehmer 140 einzubauen, um das verformungshafte Gebirge
zu überwachen und möglicherweise auch von dieser Bohrung aus eine untersöhlige Entspannung
einleiten. Zuletzt besteht die Möglichkeit, diese Bohrung zur untersöhligen Entwässerung
zu nutzen.
[0060] Wenn es von besonderer Wichtigkeit ist, daß eine hohe Informationsdichte insbesondere
im Bereich der geplanten Tunneltrasse gewonnen wird, dann können zwei in etwa horizontal
verlaufende Bohrungen im Bereich der geplanten Tunneltrasse aufgefahren werden, in
die jeweils ein Meßstrang eingeführt wird. In gleicher Weise können selbstverständlich
auch vier oder noch mehr Meßstränge in entsprechend parallel zueinander verlaufende
Bohrungen eingeführt werden, wobei die Messungen jeweils zwischen zwei Meßsträngen
durchgeführt werden. In dem in Fig. 5 gezeigten Beispiel könnten zwei Meßstränge in
den mit 120 bezeichneten, mit unterbrochenen Linien dargestellten Bereichen eingeführt
sein. Wenn jeweils unterschiedliche Elektroden des einen Meßstranges als Stromelektroden
geschaltet werden und zwei Elektroden des anderen Meßstranges als Potentialelektroden
geschaltet werden, so lassen sich zwischen den beiden Meßsträngen eine Vielzahl von
Schnitten anfertigen und ein sehr präzises, tomographisches Bild im gewünschten Bereich
der geplanten Tunnelauffahrung gewinnen.
[0061] Sind entlang einer geplanten Tunneltrasse beispielsweise vier parallel zueinander
verlaufende Horizontalbohrungen eingebracht, so können diese präzisen Schichtdarstellungen
zwischen jeweils zwei Meßsträngen angefertigt werden und somit insgesamt sechs verschiedene
Schnitte im Bereich der geplanten Trassenführung gewonnen werden (vier Seiten und
zwei Diagonalen zwischen den vier parallel verlaufenden Probebohrungen).
[0062] Befinden sich im Bereich des geplanten Trassenverlaufs Bereiche mit besonderen geologischen
Eigenschaften, so können diese zum einen erkannt werden und zum anderen ihre Abmessungen
mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Aufgrund der Tatsache, daß die Elektroden in
den jeweiligen Meßsträngen jeweils sowohl mit einer Strom-, wie auch einer Spannungsleitung
verbindbar sind, lassen sich diese Messungen mit hoher Präzision durchführen und insbesondere
auch entlang des geplanten Trassenverlaufs durchführen, ohne nach jeder Messung jeweils
den Meßstrang versetzen zu müssen.
[0063] Geplante Tunnelstrecken oder auch andere Bauwerke liegen häufig sehr weit unter der
Erdoberfläche oder Gewässeroberfläche, so daß Messungen von der Erd-, oder Gewässeroberfläche
aus nur noch mit einer geringeren Auflösung durchgeführt werden können. Durch eine
Messung zwischen zwei in etwa parallel angeordneten Meßsträngen, die in zwei Horizontalbohrungen
eingebracht wurden, lassen sich auch in großer Tiefe Erkundungen mit sehr hoher Informationsdichte
erzielen. Da die Struktur des Untergrunds vorher nicht bekannt ist, läßt sich durch
die gezielte Erkundung entlang der geplanten Trassenführung eine sehr hohe Auflösung
der in diesem Bereich vorhandenen geologischen Informationen gewinnen.
[0064] Während im vorstehenden insbesondere die Anwendung von Meßsträngen in den parallel
zueinander verlaufenden Bohrungen beschrieben wurde, lassen sich selbstverständlich
auch alle anderen, oben genannten Meßverfahren und Erkundungstechniken in den jeweiligen
Bohrungen bzw. auch zwischen den Bohrungen einsetzen.
1. Verfahren zum Erkunden von geplanten Tunnelstrecken, die im wesentlichen horizontal
verlaufen, umfassend die folgenden Schritte:
- Vorerkundung der Geologie entlang der geplanten Tunnelstrecke zur Vorbereitung einer
Pilotbohrung;
- Erstellen einer durchgehenden Pilotbohrung mit einem im Bohrverlauf lenkbaren Bohrkopf
entlang der geplanten Tunnelstrecke;
- Probenentnahme aus der Pilotbohrung; und
- geophysikalische Bohrlocherkundung.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Pilotbohrung im wesentlichen entlang der Mittellinie der geplanten Tunnelstrecke
erstellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
beim Erstellen der Pilotbohrung Bohrfortschrittsparameter aufgezeichnet werden, die
anschließend zur Bohrlocherkundung herangezogen werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
einer oder mehrere der folgenden Bohrfortschrittsparameter zur Bohrlocherkundung herangezogen
werden: Bohrandruck, Vortriebsgeschwindigkeit, Abrasion des Bohrkopfes.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
bei der Probenentnahme aus dem Spülungsrückfluß der Pilotbohrung Proben entnommen
werden.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
bei der Probenentnahme, ausgehend von der im wesentlichen horizontalen Pilotbohrung,
seitliche Probebohrungen durchgeführt werden.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Vorerkundung durch geophysikalische Tiefensondierung von der Oberfläche aus erfolgt.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Bohrloch zum vorübergehenden Einbau von Spannungsmeßgeräten verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
im Bohrloch hydrogeologische Untersuchungen, beispielsweise pH- oder Leitfähigkeitsmessungen
vorgenommen werden, und daß hierbei durchgehende oder abschnittsweise Wasserproben
genommen werden.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Bohrloch mittels Videokameras untersucht wird.
11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Bohrloch mittels Filterstrang zu einer Drainage bzw. zu einem Horizontalbrunnen
ausgebaut wird.
12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Bohrloch für Erschütterungsmessungen während des Vortriebes genutzt wird.
13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
vom Bohrloch aus seitliche Sackgassenbohrungen vorgenommen werden.
14. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
bei der Bohrlocherkundung geophysikalische Sonden durch das Bohrloch gezogen werden.
15. Verfahren zum Auffahren eines Tunnels, umfassend die folgenden Schritte:
- Erkunden der geplanten Tunnelstrecke nach einem Verfahren nach einem der vorstehenden
Ansprüche 1 bis 13;
- Auffahren der Tunnelstrecke unter Orientierung des Vortriebs an der Pilotbohrung.
16. Verfahren nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Pilotbohrung gleichzeitig zur Vorfeldentwässerung herangezogen wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Pilotbohrung während des Tunnelbaus für Kommunikationsleitungen verwendet wird.
18. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 15 bis 17,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Pilotbohrung zu einem Einbruchsbohrloch erweitert wird.
19. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 15 bis 18,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Pilotbohrung für ausziehende Wetter und damit zur Ortsbrustentstaubung oder für
einziehende Wetter verwendet wird.
20. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 15 bis 19,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Pilotbohrung als Rettungsversorgungsbohrloch nach Vollinkasionen (Verbruchereignissen)
für den Ortsbrustbereich verwendet wird.
21. Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Pilotbohrung zur Gestängeführung für Aufweitbohrungen, z.B. nach dem Raise-Bohrverfahren,
genutzt wird.