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Weggebersonde (Spannungsmessung)

BGR Sonde für 46 mm Durchmesser Pilotbohrlöcher. Quelle: Heusermann

Eine Empfehlung der Internationalen Gesellschaft für Felsmechanik (ISRM 1987) beschreibt im Teil 3 ein Weggeber-Messverfahren, das auf der von dem U.S. Bureau of Mines entwickelten Sonde basiert („USBM Sonde“). Bei der Aktualisierung der ISRM Empfehlungen im Jahre 2003 wurde jedoch nicht mehr auf dieses Weggeber-Messverfahren eingegangen. 

Messverfahren

Von der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik wurde eine entsprechende Empfehlung veröffentlicht (DGGT 1990), die ihrerseits auf der von der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe,
Hannover, entwickelten Weggebersonde basiert („BGR Sonde“). Die DGGT Empfehlung wird zurzeit (2014) überarbeitet. Eine frühe Entwicklung einer Weggebersonde wurde in den 1970er Jahren an der ETH Zürich vorgenommen (Kovári et al. 1972), jedoch nach Fehlschlägen im Gotthard Straßentunnel (Grob et al. 1975) nicht weiter verfolgt. Eine vergleichsweise neue Ausführung einer erfolgreichen Weggebersonde kommt aus Australien („SIGRA Sonde“). Trotz ihrer erfolgreichen und mittlerweile routinemäßigen Anwendung bei der Erkundung untertägiger Steinkohlevorkommen (Gray et al. 2013) hat die „SIGRA Sonde“ bislang noch nicht Eingang in technische Regelwerke gefunden. 

Mit dem Begriff „Weggebersonde“ (engl.: drillhole deformation gauge) verbindet man demnach ein geländetaugliches Spannungsmessverfahren, das in fünf Schritten entsprechend abläuft, nur dass statt einer Triaxial-Messzelle nunmehr eine Weggebersonde in das Pilotbohrloch eingeführt, verspannt und überbohrt wird. Statt der an der Bohrlochwand auftretenden Dehnungen werden jetzt die mit dem Überbohren einhergehenden Änderungen der Radialverschiebungen Δu der Pilotbohrlochwand (USBM- und SIGRA Sonde) bzw. die Änderungen ihres Durchmessers Δd (BGR Sonde) gemessen. Dazu sind in der Sonde in unterschiedlichen Richtungen Weggeber angeordnet. Bei der USBM Sonde sind es drei mit DMS bestückte Geber, die in einer einzelnen Messebene an der Sondenspitze angeordnet sind 63 NAGRA NAB 14-30. Bei der BGR Sonde sind es vier LVDT Wegaufnehmer in jeweils um ca. 1 cm in axialer Richtung versetzten Messebenen und bei der SIGRA Sonde sechs DMS Radialwegaufnehmer in entsprechend versetzten Messebenen.

ISRM (1987) schreibt vor, die Änderungen des Durchmessers des Pilotbohrloches auf 10-5 m genau zu erfassen. Dies entspricht bei der USBM-Sonde und einem Durchmesser des Pilotbohrlochs von 38 mm einer Messunsicherheit von ca. 0,0004 mm. In der deutschen Empfehlung (DGGT 1990) wird eine Ablesegenauigkeit von 0.001 mm gefordert bei einem Durchmesser des Pilotbohrlochs von 46 mm. Ein Wert für die Messunsicherheit der Weggeber wird nicht angegeben. Bei der SIGRA Sonde wird eine Kalibriergenauigkeit von 0,0001 mm und eine Messunsicherheit von 0,0005 mm bei einem Durchmesser des Pilotbohrlochs von 25 mm angegeben.  

Mit der Weggebersonde können absolute 2-D Gebirgsspannungen in der Ebene senkrecht zur Bohrlochachse ermittelt werden. Zur Bestimmung des großräumig wirkenden 3-D Gebirgsspannungszustands sind drei Messbohrungen in voneinander unabhängiger Orientierung erforderlich.

Vorwiegend aus Kostengründen ist es unüblich, eine Weggebersonde vom Typ USBM, BGR oder SIGRA für Spannungsänderungsmessungen in einem Bohrloch zu belassen, obwohl dies prinzipiell möglich wäre. Für Änderungsmessungen wurden dazu von der CSIRO in den 1980iger Jahren spezielle „Yoke“ Messzellen entwickelt und vorwiegend im untertägigen Bergbau eingesetzt (Walton 1993). 

Bewertung

Die geforderten Genauigkeitsansprüche für die Weggeber befinden sich für festen Fels an der Grenze einer sinnvollen Anwendbarkeit, obwohl die Hersteller der SIGRA Sonde behaupten, in situ Spannungsmessungen auch in sehr steifen Fels mit einem E-Modul von 80 GPa erfolgreich absolviert zu haben.

Ein für die Weggebersonden akzentuiertes Problem ist eine mögliche Beeinträchtigung der Messsignale durch Erschütterungen während des Überbohrens. Die Taster der Weggeber sind an die Wandung des Pilotbohrlochs (wenn auch mit einer gewissen Vorspannkraft) angelegt, jedoch nicht mit ihr fest, z.B. durch Kleber, verbunden. Diesem Problem wird durch eine kontinuierliche Aufzeichnung der Messsignale und damit einer Qualitätskontrolle des Überbohrvorgangs und der sich hierbei einstellenden Messsignale begegnet. Dazu sind die USBM und
BGR-Sonden über ein Datenkabel mit einem Aufzeichnungsgerät verbunden. Die SIGRA Sonde hat einen integrierten Datenlogger, womit diese Sonde auch für größere Teufen einsetzbar ist (der Hersteller berichtet von Einsatzteufen von bis zu 2 km; eine in situ Spannungsmessung in 800 m Teufe, komplett mit Vorbohrung, Ein- und Ausbau der Sonde und Überbohren, würde demnach eine Zeitdauer von ca. 3 Stunden in Anspruch nehmen). Bei Änderungsmessungen neigt das DMS-Messsignal der Yoke Messzelle zum Driften und ist für Langzeitmessungen weniger geeignet als z.B. die auf dem Schwingsaiten-Messprinzip beruhende Messzelle des steifen Einschlusses.

Vorteile

Weltweit eingeführtes und routinemäßig angewandtes Verfahren   

  • Wiedergewinnbare Messsonde 
  • BGR- und SIGRA Sonden: Redundante Methoden (BGR: vier Messsignale; SIGRA: sechs Messsignale bei nur drei theoretisch
    erforderlichen) 
  • kontinuierliche Erfassung des Messsignals
    vor, während und nach dem Überbohren 
  • sowohl für Absolut- als auch für Änderungsmessungen
    geeignet (letztere mit Hilfe der
    Yoke Cell) 

Nachteile

Indirektes 2-D Spannungsmessverfahren: Materialkennwerte E und n für die Bestimmung der Größe der Hauptspannungen erforderlich 

  • Überbohren 1: Diskontinuierlicher und zeitaufwendiger Versuchsablauf 
  • Überbohren 2: Überbohrter Kern neigt zum Zerbrechen 
  • Probleme bei der Sicherstellung eines stabilen Messsignals (Verschiebung der Messtaster bei den USBM- bzw. BGRSonden;
    schwaches DMS-Signal bei der Yoke Cell)

Literatur

H. Bock, Arbeitsbericht NAB 14-30 „Oberflächennahe Spannungsmessungen in der Nordschweiz und den angrenzenden Gebieten“ 2014

Gray, I., Wood, J. & Shelukhina, Y. (2013). Real stress distributions in sedimentary strata. –
Proceed. 6th Int. Sympos. on In-Situ Rock Stress, 20-22 August 2013, Sendai, Japan, 12 p. 

Kovári, K., Amstad, Ch. & Grob, H. (1972). Ein Beitrag zum Problem der Spannungsmessung
im Fels. – Proceed. Int. Sympos. Underground Openings, Luzern, pp. 501-512. 

Walton, R.R. (1993). Rock stress change monitoring using CSIRO HI cells and Yoke gauges. –
Proceed. Conf. Geotech. Instr. & Monitoring in Open Pit & Underground Mining, 513-
522, Rotterdam (Balkema). 

Heusermann, S. (2010). Überbohrversuche im Tonstein zur Ermittlung primärer Gebirgsspannungen.
- Messen in der Geotechnik, Mitt. Inst. Grundbau & Bodenmech. TU
Braunschweig, 92: 1-12.