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Die Erfindung betrifft ein Inklinometer zur Überwachung von Bodenbewegungen. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Überwachung von Bodenbewegungen insbesondere infolge hydraulischen Grundbruchs im Bereich einer Baugrube, die von einer in den Boden eingebrachten Dichtwand, insbesondere einer Schlitz- oder Spundwand, begrenzt ist.
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Zur Erstellung größerer unterirdischer Bauwerke ist es häufig notwendig, eine größere Baugrube auszuheben. Diese wird vor dem Aushub mit einer Dichtwand insbesondere in Form einer Spund- oder Schlitzwand eingefasst, damit das außerhalb der Baugrube angeordnete Bodenmaterial nicht in die Baugrube stürzt. Wenn der Grundwasserstand in der Baugrube zu hoch ist, ist es notwendig, diesen durch Abpumpen des Grundwassers abzusenken, damit die Bauarbeiten durchgeführt werden können. Dadurch kommt es zu einer Grundwasserströmung von dem Bodenbereich außerhalb der Dichtwand in die Baugrube, wobei das Wasser unter der Dichtwand hindurchströmt. Je nach Art des anstehenden Bodenmaterials kann es dabei vorkommen, dass diese Wasserströmung Bodenmaterial unter der Dichtwand hindurch in die Baugrube spült. Darüber hinaus wird durch das vertikal strömende Grundwasser die Scherfestigkeit des Bodens wesentlich verringert. Dieser sogenannte hydraulische Grundbruch führt dazu, dass die Festigkeit des Bodens im Sohlenbereich der Baugrube, in dem die Dichtwand ihr Erdauflager hat, soweit herabgesetzt wird, dass die Dichtwand einstürzt. Zusätzlich tritt an der Erdoberfläche in dem an die Baugrube angrenzenden Bereich eine Setzung ein, durch die die dort angeordneten Gebäude absinken, sich schräg stellen oder sogar in sich zusammenfallen.
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Da der hydraulische Grundbruch eine Erscheinung ist, die sich im Laufe von Tagen oder Wochen langsam aufbaut und erst in der Endphase zum Zusammenstürzen der Baugrube oder dem Einstürzen von angrenzenden Gebäuden führt, könnten diesen Unfällen vorgebeugt werden, wenn der hydraulische Grundbruch rechtzeitig erkannt wird und entsprechende Gegenmaßnahmen ergriffen werden könnten. Aus diesem Grunde ist es wünschenswert, bei der Trockenlegung einer Baugrube durch Abpumpen des Grundwassers gleichzeitig den Boden im Fußbereich der Dichtwand und insbesondere auf deren Außenseite zu überwachen.
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Grundsätzlich ist es seit langem bekannt, Bodenbewegungen oder -anomalien durch sogenannte Inklinometer-Ketten zu überwachen. Dabei handelt es sich um einzelne Messgeräte, beispielsweise Beschleunigungsmesser, Winkelmesser oder Libellen, die durch ein Gestänge starr miteinander verbunden sind, so dass die Geräte mehrere, voneinander beabstandete Messpunkte ergeben, die zusammen mit dem Gestänge einen Polygonzug bilden. Eine derartige Inklinometer-Kette ist in der Lage, die Bodenbewegungen permanent zu messen und Bewegungsereignisse anzuzeigen und über einen Alarm zu melden. Dabei ist jedoch der Nachteil gegeben, dass die Messungen nur an den Messpunkten erfolgen, an denen die Messgeräte angeordnet sind. Über den Bereich zwischen den einzelnen Messpunkten liegen für die Überwachung keine Informationen vor. Da sich bei dem Auftreten eines hydraulischen Grundbruchs nicht vorhersagen lässt, an welchem Punkt des Bodens dieser zuerst auftreten wird, kann es bei Verwendung einer herkömmlichen Inklinometer-Kette passieren, dass der hydraulische Grundbruch schon sehr weit fortgeschritten ist, aber von der Inklinometer-Kette noch nicht gemeldet wurde, da der kritische Bereich genau zwischen den durch die Messgeräte gebildeten Messpunkten liegt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Inklinometer zur Überwachung von Bodenbewegungen insbesondere infolge hydraulischen Grundbruchs zu schaffen, mit dem eine sichere und frühzeitige Erfassung eines hydraulischen Grundbruchs möglich ist. Darüber hinaus soll ein entsprechendes Verfahren zur Überwachung von Bodenbewegungen insbesondere infolge hydraulischen Grundbruchs geschaffen werden.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Inklinometer mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Das erfindungsgemäße Inklinometer besitzt einen rohr- oder stabförmigen Träger, an dem zumindest zwei und vorzugsweise zumindest drei in Längsrichtung des Trägers verlaufende Lichtleitfasern angebracht sind. Ferner umfasst das Inklinometer eine Lichtquelle, mit der Laser-Licht in die Lichtleitfasern einbringbar ist, und eine elektronische Auswerte-Einheit, der das in den Lichtleitfasern reflektierte und/oder gestreute Licht zuführbar ist. Mittels der Auswerte-Einheit können die Eigenschaften des in den einzelnen Lichtleitfasern reflektierten und/oder gestreuten Lichtes über die Zeit und/oder relativ zueinander ausgewertet werden.
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Das erfindungsgemäße Inklinometer beruht auf der sogenannten Brillouin-Rückstreutechnik, bei welcher durch Einleitung von zwei Lasern Licht in eine Lichtleitfaser, beispielsweise eine Glasfaser, eingeleitet wird, das dann je nach Dehnung der Faser unterschiedlich zurückgestreut wird, was sich in einer Frequenzverschiebung zeigt. Diese kann ausgewertet werden, wodurch sich Rückschlüsse auf die Dehnungszustände in den einzelnen Abschnitten der Lichtleitfaser gewinnen lassen, die wiederum unmittelbar von der in dem jeweiligen Bereich auftretenden Erdbewegung abhängig sind. Auf diese Weise lässt sich nicht nur an einzelnen, voneinander beabstandeten Messpunkten, sondern über die gesamte Länge der Lichtleitfaser und somit des Trägers des Inklinometers eine Information über den lokalen Verformungszustand der Lichtleitfaser und somit des Trägers und des umgebenden Bodens gewinnen. Wenn die elektronische Auswerte-Einheit übermäßige Bodenbewegungen feststellt, wird in üblicher Weise ein Alarm ausgelöst, um Gegenmaßnahmen gegen ein Einstürzen der Baugrube oder ein Absinken der im Umgebungsbereich der Baugrube angeordneten Gebäude zu ergreifen.
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Bei dem Träger kann es sich beispielsweise um ein Wellrohr insbesondere aus Kunststoff und gegebenenfalls auch aus Metall handeln. Die Lichtleitfasern werden in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung auf der Außenseite des Trägers über dessen Umfang verteilt angeordnet. Bei Verwendung von drei Lichtleitfasern sollten diese einen gegenseitigen Winkelversatz von 120° in Umfangsrichtung haben und somit regelmäßig über den Umfang verteilt sein. Es ist jedoch auch die Verwendung von vier oder mehr Lichtleitfasern möglich, die ebenfalls vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang verteilt sein sollten.
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In einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung zur Anbringung der Lichtleitfasern auf dem rohr- oder stabförmigen Träger kann ein Geotextilteil vorgesehen sein, in das die Lichtleitfasern eingebettet sind. Das Geotextilteil wird dann als Mantel um den Träger herumgelegt und befestigt.
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Alternativ kann für die Anbringung der Lichtleitfasern auf der Außenseite des Trägers vorgesehen sein, dass auf der Außenseite des Trägers mehrere Nutkörper angebracht sind, die jeweils zumindest eine in Längsrichtung des Trägers verlaufende Nut besitzen, und dass in der Nut jeweils zumindest eine Lichtfaser angeordnet ist. Die Befestigung der Lichtfaser in der Nut kann beispielsweise durch eine Verklebung erfolgen. Der Nutkörper kann als langgestrecktes Kunststoff-Profil ausgebildet sein, das auf der Außenseite des Trägers befestigt und insbesondere verklebt wird. Die Nut zwingt die Lichtleitfaser in eine vorbestimmte gerade Ausrichtung, die auch nach Einbau des Inklinometers in den Boden erhalten bleibt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Überwachung von Bodenbewegungen insbesondere infolge hydraulischen Grundbruchs im Bereich einer Baugrube, die von einer in den Boden eingebrachten Dichtwand begrenzt ist, verwendet ein Inklinometer vorgenannten Aufbaus. Der Träger des Inklinometers wird auf der der Baugrube abgewandten Seite der Dichtwand in im Wesentlichen vertikaler, gradliniger Ausrichtung in den Boden eingebaut und vorzugsweise mit geeignetem Dämm- oder Fullmaterial verfüllt, so dass jegliche Bewegung des Bodenkörpers oder des Felskörpers auf den Träger des Inklinometers und die dort angeordneten Lichtleitfasern übertragen wird.
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Zur Messung wird das Laser-Licht in die Lichtleitfasern eingebracht und das in den Lichtleitfasern reflektierte und/oder gestreute Licht wird der elektronischen Auswerte-Einheit zugeführt. Die elektronische Auswerte-Einheit wertet die Eigenschaften des in den einzelnen Lichtleitfasern reflektierten und/oder gestreuten Lichtes und somit deren Verlauf über die Zeit und/oder deren Unterschiede oder unterschiedliche Entwicklungen relativ zueinander aus. Wenn zumindest eines von mehreren vorgegebenen Alarmkriterien erfüllt ist, wird in üblicher Weise ein Alarm ausgelöst, um weiteren Bodenbewegungen insbesondere infolge hydraulischen Grundbruchs entgegenzuwirken und um auf diese Weise eventuell den Einsturz der Baugrube oder benachbarter Gebäude noch verhindern zu können.
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Vorzugsweise wird eine Dehnung der Lichtleitfasern unter einer Zugbeanspruchung erfasst, während eine Stauchung der Lichtleitfasern nicht erfasst wird. Die Fasern im nicht gedehnten bzw. gestauchten Zustand ergeben kein Signal. Sollte es zu einer reinen Bodensetzung kommen, werden alle Lichtleitfasern etwa gleiche Signale zeigen, was dadurch als Setzung interpretiert werden kann. Stark unterschiedliche Signale der einzelnen Fasern deuten auf eine Biegeverformung des Trägers und somit eine Bodenbewegung mit einem horizontalen Bewegungsanteil hin.
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Das vorgefertigte Inklinometer wird nach dem Setzen bzw. Rammen der Dichtwand installiert. Dabei wird der Träger des Inklinometers parallel zur Dichtwand ausgerichtet und auf der der Baugrube abgewandten Seite der Dichtwand in Abstand zu dieser beispielsweise durch eine Spülbohrung in den Boden eingebracht. Die Länge des Trägers und der Lichtleitfasern kann an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden und wenige Meter bis maximal 500 m betragen. Dabei sollte vorgesehen sein, dass das Inklinometer mit dem unteren Ende seines Trägers und somit der Lichtleitfasern um ein Maß von zumindest einem Meter und vorzugsweise von zumindest zwei Metern unterhalb des tiefsten Punktes der Dichtwand angeordnet wird. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass auch eine Grundwasserströmung erfasst wird, die mit Abstand zum unteren Ende der Dichtwand unter dieser hindurch verläuft.
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In bevorzugter Ausgestaltung werden mehrere Träger im wesentlichen parallel zueinander in den Boden eingebaut und entweder jeweils mit einer eigenen Auswerte-Einheit oder einer gemeinsamen Auswerte-Einheit verbunden. Auf diese Weise kann der Boden im gesamten Umfangsbereich der Dichtwand zuverlässig überwacht werden.
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Mit Hilfe des reflektierten und/oder gestreuten Laser-Lichtes wird in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung für jede Lichtleitfaser ein Licht-Dämpfungsprofil über die gesamte Länge der Lichtleitfaser erstellt. Das Licht-Dämpfungsprofil ist ein Indikator für den aktuellen IST-Zustand des Bodens. In regelmäßigen zeitlichen Abständen werden jeweils neue Licht-Dämpfungsprofile für jede einzelne Lichtfaser erstellt und mit den vorherigen Licht-Dämpfungsprofilen verglichen, so dass man Aufschluss hinsichtlich der Veränderung der Licht-Dämpfungsprofile über die Zeit gewinnt. Gleichzeitig lassen sich auch Licht-Dämpfungsprofile verschiedener Lichtleitfasern miteinander vergleichen, um so auf die Belastungen schließen zu können, die auf den Träger des Inklinometers einwirken.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann das Inklinometer mit einer Vorrichtung ausgestattet sein, mittels der erkennbar ist, ob sich der Träger des Inklinometers im Grundwasser befindet und/oder die das Niveau des Grundwassers bestimmt und misst. In einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist zu diesem Zweck vorgesehen, dass der Träger mit zumindest einer in Längsrichtung und vorzugsweise über dessen gesamte Länge verlaufenden Polymer-optischen Faser (POF) ausgerüstet ist, die mit einem optischen Zeitbereichsreflektometer (OTDR Optical-Time-Domain-Reflectometer) verbunden ist. Das Verfahren der optischen Zeitbereichsreflektrometrie ist an sich bekannt und soll an dieser Stelle nicht weiter erläutert werden.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung ersichtlich. Es zeigen:
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1 die Ausgangslage vor Eintreten eines hydraulischen Grundbruchs,
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2 eine 1. Phase des hydraulischen Grundbruchs,
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3 eine 2. Phase des hydraulischen Grundbruchs,
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4 eine 1 entsprechende Darstellung mit dem erfindungsgemäßen Inklinometer,
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5 einen abschnittsweisen Längsschnitt durch den Träger des erfindungsgemäßen Inklinometers,
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6 ein Geotextilteil mit eingebetteten Lichtleitfasern und
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7 einen Querschnitt durch den Träger des Inklinometers mit angebrachten Nutkörpern.
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1 zeigt in schematischer Darstellung die Verhältnisse auf einer Baustelle. Um eine Baugrube B auszuheben, wird zunächst in den vorhandenen Boden eine Dichtwand 18 beispielsweise in Form einer Schlitz- oder Spundwand eingebracht und anschließend die Baugrube B ausgehoben, wobei im dargestellten Ausführungsbeispiel davon ausgegangen wird, das eine untere Bodenschicht aus Sand gebildet ist, auf der eine Bodenschicht aus Kies aufliegt. Auf der der Baugrube B abgewandten Seite der Dichtwand 18 ist ein bestehendes Gebäude G dargestellt, das durch die in der Baugrube B vorzunehmende Baumaßnahme nicht gefährdet werden darf. 1 zeigt den Zustand, in dem die Baugrube B ausgehoben ist und sich im unteren Bereich der Baugrube B Grundwasser gesammelt hat, wobei der Grundwasserstand GW1 in der Baugrube B dem Grundwasserstand GW2 außerhalb der Baugrube B entspricht.
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Um die Baumaßnahme in der Baugrube B ausführen zu können, muss das Wasser aus der Baugrube B abgepumpt werden. In 2 ist dies schematisch durch einen Schlauch S dargestellt. Dadurch sinkt der Grundwasserstand GW1 in der Baugrube B und es stellt sich eine Grundwasserströmung W von dem Bodenbereich außerhalb der Dichtwand 18 in die Baugrube B ein, wobei die Grundwasserströmung W die Unterseite der Dichtwand 18 unterströmt, wie es in 2 angedeutet ist. Dadurch sinkt der Grundwasserspiegel GW2 außerhalb der Baugrube B und es gibt Bodenumlagerungen, was zu Setzungen des Gebäudes G führen kann. Der vollständige hydraulische Grundbruch tritt ein, wenn die Scherfestigkeit des Bodens aufgrund der Grundwasserströmung W soweit herabgesetzt ist, dass Bodenanteile von dem Bereich außerhalb der Baugrube B unter der Unterseite der Dichtwand 18 hindurch in die Baugrube hineingespült werden, wie es in Figur angedeutet ist. Dies führt zu massiven Bodenverformungen an der Erdoberfläche, wodurch das Gebäude G vom Einsturz bedroht ist, wie es in 3 angedeutet ist.
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Ein erfindungsgemäßes Inklinometer 10 dient dazu, die Bodenbewegungen infolge des hydraulischen Grundbruchs frühzeitig zu erkennen. 4 zeigt eine 1 entsprechende Darstellung, wobei auf der der Baugrube B abgewandten Seite der Dichtwand 18 ein rohr- oder stabförmiger Träger 11 des Inklinometers 10 in vertikaler, gradliniger Ausrichtung mit Abstand zur Dichtwand 18 in den bestehenden Boden eingebracht ist. Dies kann beispielsweise mittels einer Spülbohrung erfolgen. Das untere Ende des Trägers 11 ist um ein Maß l1 unterhalb des tiefsten Punkts der Dichtwand 18 angeordnet, wobei das Maß l1 zumindest ein Meter und vorzugsweise zumindest zwei Meter beträgt.
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Der Träger 11 ist ausschnittsweise in 5 näher dargestellt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein aus Kunststoff bestehendes Wellrohr, auf dessen Außenoberfläche mehrere in Längsrichtung des Trägers 11 verlaufende Lichtleitfasern 12, bei denen es sich um Glasfasern handeln kann, angebracht sind. In 5 sind zwei Lichtleitfasern 5 dargestellt, die auf gegenüberliegenden Seiten des Trägers platziert sind. Vorzugsweise sind zumindest 3 oder sogar zumindest 4 Lichtleitfasern 12 vorgesehen, die über den Umfang des Querschnitts des Trägers 11 gleichmäßig verteilt sein sollten.
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Mittels einer nicht dargestellten Lichtquelle wird Laser-Licht L am oberen Ende in die Lichtleitfasern 12 eingeleitet. Das Laser-Licht wird im Inneren der Lichtleitfaser 12 reflektiert und gestreut, wobei das durch die Pfeile R schematisch angedeutete reflektierte und/oder gestreute Laser-Licht am oberen Ende der Lichtleitfasern 12 austritt und einer elektronischen Auswerte-Einheit 13 zugeführt wird, in der aus den vorhandenen Lichtdaten ein sogenanntes Licht-Dämpfungsprofil P errechnet wird, das in 5 angedeutet ist. Das Licht-Dämpfungsprofil P gibt über die gesamte Länge der Lichtleitfaser 12 eine Information über das jeweils aktuelle Licht-Reflexions- und Lichtstreuverhalten. Es ist auf diese Weise signifikant für den jeweils aktuellen Spannungs- und Verformungszustand der Lichtleitfaser 12. Die Länge des Trägers 11 und der daran befestigten Lichtleitfasern 12 ist von der Tiefe der Baugrube B und der Höhe der Dichtwand 18 abhängig und kann von wenigen Metern bis zu mehreren hundert Metern betragen.
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Wenn aufgrund der in 2 dargestellten Grundwasserströmung W außerhalb der Dichtwand 18 eine Erdbewegung auftritt, führt dies in demjenigen Abschnitt des Trägers 10 und der Lichtleitfasern 12, die genau im Bereich dieser Erdbewegung liegen, zu einer Verformung. Dadurch ändert sich in diesem Bereich der Lichtleitfasern 12 jeweils das Reflexions- und Streuungsverhalten, so dass sich ein geändertes Licht-Dämpfungsprofil P gegenüber dem Zustand vor dem Eintreten der Erdbewegung ergibt. Aus dem Vergleich dieser beiden Licht-Dämpfungsprofile lassen sich Rückschlüsse auf das Maß der Verformung und auch auf den genauen Ort der Erdbewegung ziehen. Wenn dabei vorgegeben Grenzwerte überschritten werden, löst die elektronische Auswerte-Einheit 13 einen Alarm aus, damit Gegenmaßnahmen zur Verhinderung des hydraulischen Grundbruchs ergriffen werden können.
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6 zeigt eine alternative Möglichkeit zur Anbringung der Lichtleitfasern 12 an dem Träger 11. Gemäß 6 sind die Lichtleitfasern 12 zwischen zweiflächige Deckschichten 19 gelegt und durch eine Fadenstruktur 15 zu einem Geotextilteil 20 in Sandwichbauweise zusammengefügt bzw. vernäht. Dieses Geotextilteil 20 kann vorgefertigt werden und wird dann als Mantel um den Träger 11 herumgelegt und an diesem befestigt.
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7 zeigt eine alternative Möglichkeit zur Anbringung der Lichtleitfasern 12 an dem Träger 11. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind auf der Außenseite des Trägers 11 vier gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnete, sich in Längsrichtung des Trägers 11 erstreckende Nutkörper 16 vorgesehen, die an dem Träger 11 fixiert sind. Jeder Nutkörper 16 weist auf seiner äußeren, dem Träger 11 abgewandten Seite eine Nut 17 auf, die in Längsrichtung des Trägers 11 verläuft. In die Nut 17 kann die Lichtleitfaser 12 eingelegt und dort beispielsweise durch eine Klebung fixiert werden.
