DE4430074A1

DE4430074A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen von Spannungen in Fels- oder Mauerwerk

Info

Publication number: DE4430074A1
Application number: DE19944430074
Authority: DE
Inventors: Edwin Dr Fecker
Original assignee: GBM GES fur BAUGEOLOGIE und M
Current assignee: GEOTECHNISCHES INGENIEURBUERO PROF. FECKER UND PAR
Priority date: 1994-08-25
Filing date: 1994-08-25
Publication date: 1996-02-29
Anticipated expiration: 2014-08-26
Also published as: DE4430074C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen von Spannungen in Fels- oder Mauerwerk, wobei im Fels- oder Mauerwerk eine Bohrung ausgebildet wird, in die eine Sägevorrichtung eingebracht wird, mittels der zumindest ein Schlitz in der Innenwandung der Bohrung ausgebildet wird, und wobei die Verformungen der Bohrung im Bereich des Schlitzes erfaßt werden. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfah rens mit einer Sägevorrichtung, die in eine Bohrung einführbar ist und mittels der in der Innenwandung der Bohrung zumindest ein Schlitz ausbildbar ist, und mit einer Meßvorrichtung, mittels der die Verformungen der Bohrung im Bereich des Schlitzes erfaßbar sind.

Für die Planung und Durchführung von unterirdischen Bauvorhaben, insbesondere Tunnelbauarbeiten oder ähnli ches, ist es notwendig, Kenntnis von den vor Ort herr schenden Spannungsverhältnissen und -zuständen im Gestein zu haben. Es ist deshalb bekannt, Meßbohrungen durchzu führen und die Spannungen aufgrund der Meßergebnisse zu errechnen.

Zu diesem Zweck wird in die meist vertikale Bohrung eine Sägevorrichtung eingeführt, mit der in einer vorbestimm ten Tiefe in die Innenwandung der Bohrung ein Schlitz eingefräst bzw. -gesägt wird. Dies führt zu einer Spannungsentlastung in Schlitznähe, so daß sich Verfor mungen der Bohrungswand einstellen, die über Wegaufneh mer, z. B. Dehnmeßstreifen, erfaßt werden, weshalb man das Verfahren auch Bohrloch-Schlitzentlastungs-Verfahren nennt. Aus den festgestellten Verformungen lassen sich die zugehörigen Spannungen zumindest näherungsweise berechnen.

Dieses bekannte Vorgehen ist mit mehreren Nachteilen verbunden. Einerseits ist es für die Berechnung der Spannungen aus den Verformungen notwendig, sowohl den Elastizitätsmodul als auch die Querdehnungszahl des Materials bzw. des Gesteins zu kennen. Da diese Werte üblicherweise nicht bekannt sind, müssen sie entweder ermittelt werden, was recht aufwendig ist, oder sie müssen im Rahmen üblicher Vorgaben angenommen bzw. ge schätzt werden, wodurch das Verfahren jedoch ungenau wird. Andererseits ist die Berechnung der Spannungen aus den Verformungen rechentechnisch relativ aufwendig, wozu entsprechend leistungsfähige Rechenanlagen eingesetzt werden müssen, so daß die Berechnungen nur in Büros und nicht an der Baustelle durchgeführt werden können.

Des weiteren hat es sich gezeigt, daß die auf die oben genannte Weise ermittelten bzw. errechneten Spannungswer te sehr stark von Mikrorissen in der Bohrlochwand abhän gen, welche durch Spannungskonzentrationen hervorgerufen werden. Diese Mikrorisse bewirken eine Entlastung und damit eine Verformung, welche bereits vor der Schlitzent lastung eintritt, so daß insgesamt nur eine grobe Ermitt lung der Spannungswerte möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem die Spannungen in relativ genauer Weise ermittelt werden können. Darüber hinaus soll eine Vorrichtung geschaffen werden, mit der sich das Verfahren einfach und kostengünstig durchführen läßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich des Verfahrens dadurch gelöst, daß in der Innenwandung der Bohrung zwei diametral gegenüberliegende, in Axialrich tung der Bohrung verlaufende Längsschlitze ausgebildet werden und daß in die Längsschlitze Druckkissen einge führt und anschließend solange aufgeweitet werden, bis die infolge der Schlitzung auftretenden Verformungen der Bohrung kompensiert sind, wobei der dazu notwendige Druck der Druckkissen erfaßt und weiterverarbeitet wird.

Erfindungsgemäß wird somit die Spannung nicht aus den festgestellten Verformungen errechnet, sondern es wird mittels des erfindungsgemäßen Bohrloch-Kompensationsver fahrens auf das Gestein mit Hilfe der Druckkissen ein Gegendruck aufgebracht, der der Spannung im Fels und somit der dadurch hervorgerufenen Verformung entgegen wirkt. Wenn mit Hilfe der Druckkissen das Bohrloch wieder so weit aufgeweitet ist, daß es den gleichen Durchmesser wie vor der Schlitzung besitzt, kann über den in diesem Zustand herrschenden Druck der Druckkissen die Spannung im Fels in Meßrichtung abgelesen werden.

Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren keine Umrechnung von Verformungen in Spannungen stattfindet, ist die Kenntnis des Elastizitätsmoduls sowie der Querdehnungs zahl des Materials nicht notwendig. Auf diese Weise kann die Spannung im Fels direkt an der Baustelle bestimmt und mit relativ hoher Genauigkeit ermittelt werden.

Die im wesentlichen orthogonal zur Meßrichtung er streckenden Längsschlitze, deren Länge vorzugsweise etwa dem 9-fachen Bohrungsdurchmesser und deren Tiefe etwa dem halben Bohrungsdurchmesser entspricht, stellen dabei sicher, daß die Beeinflussung der Meßwerte in der ge wünschten Meßrichtung durch Überlagerungen anders gerich teter Spannungen gering gehalten werden kann.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung werden die Querschnittswerte der Bohrung ständig, d. h. vor, während und nach dem Sägevorgang sowie während der Aufbringung des Gegendrucks mit Hilfe der Druckkissen, erfaßt und überwacht. Zu diesem Zweck sind vorzugsweise mehrere Wegaufnehmer, insbesondere Differential-Transformatoren vorgesehen, die über die gesamte Länge der Längsschlitze untereinander angeordnet und vorzugsweise gleich verteilt sind. Auf diese Weise läßt sich auch der Verlauf der Spannungen über die Schlitzlänge feststellen. Es hat sich bewährt, wenn die Wegaufnehmer einen gegenseitigen Ab stand von etwa dem 1,5-fachen des Bohrungsdurchmessers besitzen. Bereits Veränderungen des Bohrungsdurchmessers im Bereich von 1000stel mm lassen sich auf diese Weise erfassen, so daß relativ genaue Meßergebnisse erhalten werden.

Um die Spannungen im Fels in einer bestimmten Richtung zu bestimmen, müssen die Längsschlitze orthogonal zur Meß richtung sowie radial zur Bohrung ausgebildet werden. Dazu bedarf es einer genauen Positionierung und Ausrich tung der Sägevorrichtung. Dies kann erfindungsgemäß dadurch erreicht werden, daß die Sägevorrichtung ein Magnetometer trägt, mittels dessen sie in eine gewünschte Position relativ zum magnetischen Nordpol ausgerichtet wird. Mit Hilfe des Magnetometers kann somit ein Anwender des Verfahrens feststellen, ob die Sägevorrichtung in der gewünschten Ausrichtung in der Bohrung angeordnet ist, so daß die Längsschlitze zuverlässig in der gewünschten Richtung in den Fels eingebracht werden können.

Um auch in Längsrichtung der Längsschlitze unterschiedli che Spannungen im Fels kompensieren zu können, ist es vorteilhaft, in dem Längsschlitz mehrere Druckkissen übereinander stehend anzuordnen, die vorzugsweise unab hängig voneinander mit dem entsprechenden Druck aufgewei tet werden können. In der Praxis hat sich bewährt, sechs Druckkissen übereinander in einem Längsschlitz vorzuse hen, wobei jedes Druckkissen eine Länge von etwa dem 1,5-fachen Bohrungsdurchmesser und eine Tiefe von etwa dem halben Bohrungsdurchmesser besitzt. Die Dicke der Druckkissen sollte der Dicke der Längsschlitze entspre chen, wobei sich jeweils eine Dicke im Bereich von 15 mm bis 20 mm, vorzugsweise 18 mm, als sinnvoll erwiesen hat.

Die Druckkissen lassen sich im wesentlichen mit jedem beliebigen Druckfluid aufweiten, jedoch findet üblicher weise wegen der sehr hohen Kräfte eine Hydraulikflüssig keit, insbesondere ein Hydrauliköl, Verwendung.

Hinsichtlich der Vorrichtung wird die oben genannte Aufgabe durch eine Druckkissenvorrichtung mit mehreren flachen Druckkissen gelöst, die in die Schlitze einführ bar sowie mittels eines Druckfluids aufweitbar sind.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgese hen, daß die Druckkissenvorrichtung einen rohrförmigen, in die Bohrung einführbaren Kissenständer aufweist, an dem die Druckkissen radial verstellbar gelagert sind. Die Druckkissen sind dabei während des Einführens des Kissen ständers in diesem aufgenommen und vor Beschädigungen geschützt. Wenn der Kissenständer seine Sollposition in der Bohrung erreicht hat, kann er in dieser beispielswei se durch radiales Verspannen festgelegt werden, woraufhin die Druckkissen beispielsweise mittels eines Pressenme chanismus oder in sonstiger geeigneter Weise radial aus dem Kissenständer ausfahren und in die Längsschlitze eingeführt werden. Anschließend werden die Druckkissen mit dem Druckfluid, insbesondere Hydrauliköl, beauf schlagt und in oben genannter Weise aufgeweitet.

Es hat sich bewährt, jeweils Paare diametral gegenüber liegender Druckkissen übereinander in dem Kissenständer vorzusehen, wobei beispielsweise sechs Druckkissenpaare angeordnet sein können.

Auch die Sägevorrichtung kann in bevorzugter Ausgestal tung der Erfindung einen rohrförmigen, in die Bohrung einführbaren Sägeständer aufweisen, an dem zumindest eine radial ausfahrbare Säge gelagert ist. Auch der Sägestän der sollte nach Erreichen seiner Sollposition in der Bohrung festlegbar sein, um ein präzises Arbeiten zu gewährleisten.

Um die gewünschte Orientierung der Sägevorrichtung und somit der Längsschlitze in der Bohrung überwachen zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Sägevor richtung ein Magnetometer trägt, mittels dessen sie in eine gewünschte Position relativ zum magnetischen Nordpol ausgerichtet werden kann.

Die Verformungen der Bohrung bzw. des Bohrungsdurchmes sers lassen sich in einfacher Weise erfassen, wenn die Meßvorrichtung mehrere, vorzugsweise untereinander in Abstand angeordnete Wegaufnehmer aufweist. Es hat sich bewährt, die Wegaufnehmer in gleichartiger Weise sowohl am Kissenständer als auch an dem Sägeständer anzuordnen.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung ersichtlich. Es zei gen:

Fig. 1a das Ausbilden der Bohrung,

Fig. 1b den Schnitt I-I in Fig. 1a,

Fig. 2a das Zurückziehen des Rohres,

Fig. 2b den Schnitt II-II in Fig. 2a,

Fig. 3a das Einbringen des Sägeständers,

Fig. 3b den Schnitt III-III in Fig. 3a,

Fig. 4a das Ausbilden des Schlitzes,

Fig. 4b den Schnitt IV-IV in Fig. 4a,

Fig. 5a den Zustand nach Ausbauen des Sägeständers;

Fig. 5b den Schnitt V-V in Fig. 5a,

Fig. 6a den Einbau des Kissenständers,

Fig. 6b den Schnitt VI-VI in Fig. 6a,

Fig. 7a die ausgefahrenen Druckkissen,

Fig. 7b den Schnitt VII-VII in Fig. 7a

Fig. 8a den Zustand bei ausgebautem Kissenständer und

Fig. 8b den Schnitt VIII-VIII in Fig. 8a.

Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die zu dessen Durch führung einsetzbare Vorrichtung werden im folgenden anhand der Figuren in den einzelnen Schritten erläutert.

Gemäß den Fig. 1a und 1b wird in ein Felsgestein 10 mit Hilfe des sogenannten Seilkernverfahrens eine Bohrung 11 ausgebildet, die vorzugsweise einen Durchmesser von 146 mm oder mehr besitzt. Nachdem die Bohrung 11 die gewünschte Tiefe erreicht hat, in der die Spannungsmes sung durchgeführt werden soll, wird die Seilkernvorrich tung aus der Bohrung 11 herausgezogen, während ein rohr förmiges Bohrgestänge 12 in der Bohrung 11 verbleibt. Anschließend wird das Bohrgestänge 12 um ein vorbestimm tes Maß aus der Bohrung 11 zurückgezogen, so daß im Bereich nahe dem Fuß der Bohrung die Innenwandung der Bohrung 11 freiliegt, wie in Fig. 2a und 2b dargestellt ist.

Anschließend wird in dem Bohrgestänge 12 ein rohrförmiger Sägeständer 16 in die Bohrung herabgelassen, bis er am unteren Ende des Bohrgestänges 12 vollständig aus diesem vorsteht. Der Sägeständer 16 wird an seinem oberen Ende 16a mit dem unteren Ende 12a mittels einer nicht näher dargestellten Haltevorrichtung festgelegt. Wie Fig. 3a zeigt, sind an dem Sägeständer 16 sechs in gleichem Abstand untereinander angeordnete Paare elektrischer Wegnehmer befestigt, deren gegenseitiger Abstand etwa dem 1,5-fachen des Bohrungsdurchmessers entspricht. Mit Hilfe dieser Wegnehmer 13 kann der Durchmesser der Bohrung an sechs Stellen auf 1000stel mm genau erfaßt werden.

Am Sägeständer 16 ist ein nicht dargestelltes Magnetome ter gelagert, mit dessen Hilfe das Bohrgestänge 12 zu sammen mit dem daran gehaltenen Sägeständer 16 in jede gewünschte Ausrichtung relativ zu dem magnetischen Nord pol gebracht werden kann. Wenn der Sägeständer 16 seine Soll- bzw. Meßposition erreicht hat, wird sein unteres Ende mittels einer Spannvorrichtung 14 von innen gegen die Innenwand der Bohrung 11 gespannt, wodurch der Säge ständer 16 in der Bohrung 11 festgelegt ist.

Anschließend werden radial zur Bohrung 11 sowie orthogo nal zur Meßrichtung, die senkrecht zur Zeichenebene verläuft, in die Innenwandung der Bohrung 11 zwei diame tral gegenüberliegende, in Axialrichtung der Bohrung 11 verlaufende Längsschlitze 15 eingesägt oder -gefräst, indem entsprechende Sägevorrichtungen radial aus dem Sägeständer 16 ausgefahren und in Axialrichtung der Bohrung 11 verfahren werden. Vor und während des Sägevor gangs bzw. der Schlitzung werden die Verformungen des Bohrungsdurchmessers mit Hilfe der Wegaufnehmer 13 erfaßt und an eine nicht dargestellte, vorzugsweise an der Erdoberfläche angeordnete Verarbeitungseinheit weiterge leitet. Die Längsschlitze 13 weisen eine axiale Länge von etwas mehr als dem 9-fachen Bohrungsdurchmesser auf, während die Schlitztiefe etwa dem halben Bohrungsdurch messer entspricht. Die Schlitzdicke liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 15 mm und 20 mm, insbesondere bei 18 mm.

Nach Einbringen der Längsschlitze 15 wird der Sägeständer aus der Bohrung 11 entfernt, wie in den Fig. 5a und 5b dargestellt ist.

Anschließend wird statt des Sägeständers 16 ein rohrför miger Kissenständer 20 in das Bohrgestänge 12 eingeführt und an dessen unterem Ende ähnlich wie der Sägeständer 16 angebracht. Darüber hinaus wird der Kissenständer 20 an seinem unteren Ende nach Erreichen seiner Soll-Position mit einer Spannvorrichtung 22 an der Innenwandung der Bohrung 11 festgelegt.

Auch der Kissenständer 20 trägt sechs Paare elektrischer Wegaufnehmer 21, die wie die Wegaufnehmer 13 des Säge ständers 16 in einem Abstand von dem 1,5-fachen des Bohrungsdurchmessers übereinander angeordnet sind.

Nachdem der Kissenständer 20 seine Soll-Stellung erreicht hat, werden sechs Paare flacher Druckkissen 23 radial aus dem Kissenständer 20 mittels eines Pressenmechanismus ausgefahren und in die Längsschlitze 15 eingeführt. Jedes Druckkissenpaar umfaßt zwei diametral gegenüberliegend angeordnete Druckkissen, die jeweils eine Länge von dem 1,5-fachen des Bohrungsdurchmessers, eine Tiefe von etwa dem halben Bohrungsdurchmesser und eine Dicke entspre chend der Schlitzdicke, d. h. von etwa 18 mm besitzen. Nachdem die Druckkissen 23 in die Längsschlitze einge führt wurden, werden sie durch Zuführung eines Druck fluids, insbesondere von Hydrauliköl, so lange aufgewei tet, bis die infolge der Schlitzung aufgetretenen Verfor mungen der Bohrung 11 kompensiert sind, was über die Wegnehmer 21 des Kissenständers 20 überwacht wird. Wenn die Bohrung 12 in Meßrichtung wieder einen Durchmesser erreicht hat, den sie vor der Schlitzung besessen hatte, kann der Druck der Druckkissen 23 Aufschluß über die Spannungen im Fels geben, da der Kissendruck proportional der Felsspannung in Meßrichtung ist.

Anschließend wird der Druck aus den Druckkissen 23 abge lassen, und diese werden aus den Längsschlitzen 15 wieder zurück in den Kissenständer 20 eingefahren. Daraufhin wird der Kissenständer 20 zusammen mit den Druckkissen 23 aus der Bohrung 12 zurückgezogen, womit die Spannungs messung zumindest in diesem Bereich der Bohrung beendet ist.

Claims

1. Verfahren zum Messen von Spannungen in Fels- oder Mauerwerk, wobei im Fels- oder Mauerwerk eine Boh rung ausgebildet wird, in die eine Sägevorrichtung eingebracht wird, mittels der zumindest ein Schlitz in der Innenwandung der Bohrung ausgebildet wird, und wobei die Verformungen der Bohrung im Bereich des Schlitzes erfaßt werden, dadurch gekennzeichnet, daß in der Innenwandung der Bohrung (11) zwei diame tral gegenüberliegende, in Axialrichtung der Bohrung (11) verlaufende Längsschlitze (15) ausgebildet werden und daß in die Längsschlitze (15) Druckkissen (23) eingeführt und anschließend solange aufgeweitet werden, bis die infolge der Schlitzung auftretenden Verformungen der Bohrung (11) kompensiert sind, wobei der dazu notwendige Druck der Druckkissen (23) erfaßt und weiterverarbeitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsschlitze (15) eine Länge von etwa dem 9-fachen Bohrungsdurchmesser und eine Tiefe von etwa dem halben Bohrungsdurchmesser besitzen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Durchmesserwerte der Bohrung (11) vor, während und nach dem Sägevorgang erfaßt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verformungen mit Hilfe von mehreren, vorzugsweise untereinander angeordneten Wegaufnehmern (13, 21) erfaßt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sägevorrichtung (16) ein Magnetometer trägt, mittels dessen sie in eine gewünschte Position relativ zum magnetischen Nordpol ausgerichtet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in die Längsschlitze (15) meh rere flache Druckkissen (23) übereinander stehend eingeführt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Druckkissen (23) eine Länge von etwa dem 1,5-fachen Bohrungsdurchmesser und eine Tiefe von etwa dem halben Bohrungsdurchmes ser besitzt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckkissen (23) mittels einer Hydraulikflüssigkeit, insbesondere einem Hydrauliköl, aufgeweitet werden.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einer Sägevorrich tung, die in eine Bohrung einführbar ist und mittels der in der Innenwandung der Bohrung zumindest ein Schlitz ausbildbar ist, und mit einer Meßvorrich tung, mittels der die Verformungen der Bohrung im Bereich des Schlitzes erfaßbar sind, gekennzeichnet durch eine Druckkissenvorrichtung (20) mit mehreren flachen Druckkissen (23), die in die Schlitze (15) einführbar sowie mittels eines Druckfluids aufweit bar sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckkissenvorrichtung einen rohrförmigen, in die Bohrung (11) einführbaren Kissenständer (20) aufweist, an dem die Druckkissen (23) radial ver stellbar gelagert sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn zeichnet, daß die Druckkissen (23) mittels eines Pressenmechanismus radial in die Schlitze (15) einführbar sowie aus diesen herausziehbar sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch ge kennzeichnet, daß an dem Kissenständer (20) mehrere Paare diametral gegenüberliegender Druckkissen (23) übereinander gelagert sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Druckkissen (23) eine Länge von etwa dem 1,5-fachen Bohrungsdurchmes ser und eine Tiefe von etwa dem halben Bohrungs durchmesser besitzt.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Kissenständer (20) in der Bohrung (11) festlegbar ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Sägevorrichtung einen rohrförmigen, in die Bohrung einführbaren Sägeständer (16) aufweist, an dem zumindest eine radial ausfahrbare Säge gelagert ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich net, daß der Sägeständer (16) in der Bohrung (11) festlegbar ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Sägevorrichtung (16) ein Magnetometer trägt, mittels dessen sie in eine gewünschte Richtung relativ zum magnetischen Nordpol ausrichtbar ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung mehrere, vorzugsweise untereinander in Abstand angeordnete Wegaufnehmer (13, 21) aufweist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeich net, daß die Wegaufnehmer (13, 21) an dem Kissen ständer (20) und/oder dem Sägeständer (16) angeord net sind.