EP0760419A2 - Verfahren zum Erkunden von geplanten Tunnelstrecken - Google Patents

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EP0760419A2
EP0760419A2 EP96112725A EP96112725A EP0760419A2 EP 0760419 A2 EP0760419 A2 EP 0760419A2 EP 96112725 A EP96112725 A EP 96112725A EP 96112725 A EP96112725 A EP 96112725A EP 0760419 A2 EP0760419 A2 EP 0760419A2
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EP
European Patent Office
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borehole
pilot
tunnel
measuring
electrodes
Prior art date
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EP96112725A
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English (en)
French (fr)
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EP0760419B1 (de
EP0760419A3 (de
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Hans-Joachim Dr. Bayer
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FlowTex Technologie GmbH and Co KG
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Flowtex Technologie Import Von Kabelverlegemaschinen GmbH
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
    • E21B7/04—Directional drilling
    • E21B7/046—Directional drilling horizontal drilling
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B47/00—Survey of boreholes or wells

Definitions

  • the present invention relates to a method for exploring planned tunnel routes.
  • an essentially horizontal tunnel section is understood to mean any tunnel section which runs predominantly at an angle of ⁇ 45 ° to the horizontal.
  • the geology along the planned tunnel route is first explored in order to prepare a pilot hole.
  • a continuous pilot drilling is carried out in a second step with a drill head that can be steered in the course of the drilling along the planned tunnel route.
  • samples are taken from the pilot well and a petrographic, tectonic and e.g. geophysical borehole exploration conducted.
  • the method according to the invention results in considerable advantages over the conventional exploration methods. Since, according to the invention, a continuous, essentially horizontal pilot hole is created for the first time, the entire length of the tunnel can be explored using this pilot hole. At the same time, targeted and selective sampling along the entire tunnel route is possible, which enables difficult mountain areas to be identified. Since no long vertical bores are required and since very fast drilling without moving the devices is possible, the method according to the invention is very quick and inexpensive and therefore efficient. Finally, by the method according to the invention Exploration data is obtained exactly at the point at which the tunnel is to be drilled later, ie 100% of the future tunnel route is explored.
  • a drill head that can be steered in the course of the drilling for creating continuous, essentially horizontal bores is already known (cf. DE 40 16 965 A1).
  • Deformation measurements of the rock in the run-up to the actual tunnel opening are very important for tunneling. So far, this has usually been done by installing exploratory tunnels, which are very expensive and in which voltage measuring devices are installed. A tunnel eruption only begins after a measurement and observation period. The measurement from a pilot borehole saves considerable costs here. In the case of long tunnels, deformation measurements are still required after operation in specially created side tunnels. These can be omitted in the future, since lateral, cul-de-sac branches for the installation of measuring tunnels are also possible from the pilot borehole, so that deformation measurements are also possible here before, during and after the tunnel.
  • pilot bore does not later represent the central axis of the future tunnel, but instead serves, for example, a lateral supply line or a centrally arranged supply line in double tunnels, or outside the profile of the bottom drainage or ridge ventilation, this can also be represented in terms of drilling technology. Also for subsequent supply routes to existing or Pilot holes can be drilled to extend the tunnel sections. The same applies to escape route or ventilation tunnels that have to be installed additionally or subsequently.
  • Voltage measurement and hydrogeological investigations are also possible, which provide crucial data for the tunneling and subsequent expansion of the tunnel.
  • the amount of water that can be determined in the pilot bore can define the dimensions and the inlets of the tunnel drainage system, while the voltage measurement data define the excavation cross-section with regard to the adjustable, definable wall thickness requirements of the tunnel.
  • Stress measurements in the remaining part of the pilot borehole are also possible during the advance. This can crucially provide information about rising relief gaps, which are responsible for spontaneous burglary events. Such information from the ramp area was previously not available.
  • acoustic probes e.g. (Digital Acoustic Borehole Televiewer), borehole radar antennas, resistance measuring probes (resistivity imaging tool, microresistivity), gamma probes, ultrasonic probes, pulsed neutron probes etc.
  • Another method is, for example, the so-called depth probing, which is used to determine vertical layer sequences, in particular when layers of different thicknesses and specific resistances are stored horizontally.
  • Resistance depth probing uses two current electrodes in the earth's surface through which a direct current from a current source flows. Two more Potential electrodes, which are also inserted into the surface of the earth, are connected to a voltage measuring device.
  • the specific electrical resistance of the geological formation can be determined by measuring the voltage at various points on the earth's surface, and this allows conclusions to be drawn about the geological structure of the formation.
  • the measurement setup can be adapted to the geological task, the petrophysical situation and the geometric conditions. The distance between the measuring profiles and the measuring points determines the resolving power of the depth probing.
  • the pilot hole can advantageously be made essentially along the center line of the planned tunnel route, even if it should have a curved course.
  • the exploration is carried out exactly in the area that must be removed when driving on the tunnel route.
  • the pilot hole created in this way can be used as an orientation aid when driving up the tunnel section without having to carry out any further (expensive) position measurements. Since nowadays pilot bores can be created with a high degree of accuracy, this advantageous embodiment of the invention can save considerable costs and also time, which would otherwise be required to control the position of the tunnel boring machine.
  • drilling progress parameters can be recorded when the pilot bore is being created, which parameters can subsequently be used for exploring the borehole. Because already when drilling the If pilot drilling can obtain valuable information on the nature of the formation to be drilled from such drilling progress parameters, this information can be used according to the invention for exploring the borehole. For example, by measuring the drilling pressure, the rate of advance or the abrasion of the drill head, conclusions can be drawn about the strength, the structural bond, the fracture and other aspects of the existing rock or earth formation.
  • the rinsing reflux of the pilot bore can be used to take samples during the sampling provided according to the invention. This eliminates the need for time-consuming sampling and by relating the drilling progress with the samples from the rinsing backflow of the pilot hole, the existing formation can already be advantageously analyzed.
  • lateral sample bores are carried out during the sampling, which start from the essentially vertical pilot bore.
  • This method which is also known in principle under the term “side wall coring”, has not yet been proposed in connection with a horizontal pilot drilling. At the same time, this enables targeted and selective sampling along the entire tunnel route.
  • geophysical probes can be drawn through the borehole in a conventional manner during borehole exploration.
  • Such probes can be, for example, borehole cameras, acoustic probes (Digital Acoustic Borehole Televiewer), borehole radar antennas, resistance measuring probes (resistivity imaging tool, microresistivity), gamma probes, ultrasonic probes, pulsed neutron probes etc.
  • EP 0 384 823 A1 describes a geoelectric probe in the form of a measuring block, which is provided with a central electrode and is discharged into a test bore. An active and a passive focusing system are provided to focus the test streams. However, it has not been proposed to use such probes in connection with continuous horizontal pilot drilling.
  • an electrode measuring string with at least six electrodes is inserted into the borehole of the pilot bore when exploring the borehole.
  • the electrodes are arranged on the measuring string at equal mutual distances and the measuring string has a plurality of electrical connecting lines which lead to the electrodes from at least one end of the measuring string.
  • a current is passed through two electrodes of the measuring string and measurements are made between two other electrodes of the measuring string. Finally, the electrodes are moved within the borehole, and current is again passed through two electrodes and the voltage between two further electrodes is measured.
  • different electrodes which are arranged on the measuring string, can be controlled from the end of the measuring string, so that it does not have to be moved or exchanged.
  • Different penetration depths can be achieved in the simplest way by using electrodes at different distances from one another for the measurement.
  • the Measuring line according to the invention implement a wide variety of electrode arrangements without the electrodes themselves having to be displaced.
  • the borehole can be used for temperature measuring cables, for moisture sensor cables, for voltage measuring devices and other instruments for rock mechanical and hydrogeological monitoring.
  • a method for opening a tunnel in which the planned tunnel route is first explored using one of the methods described above.
  • the tunnel section is then driven open, with the jack being oriented towards the pilot hole.
  • high-precision bores can now be drilled with the aid of drill heads that can be steered in the course of the drilling so that the actual tunneling can already be determined by the pilot drilling. If the drilling machinery is oriented to the pilot hole when driving the tunnel route, i.e. Following the course of the pilot drilling, no further position measurements or corrections need to be made so that the tunnel contains the desired course.
  • the pilot hole can also be used for rod guidance for expanding holes, e.g. according to the raise drilling method.
  • the target tunnel cross section can be created in this way.
  • the pilot bore can be used for apron drainage at the same time as the tunnel section is being driven.
  • it can be advantageous to close the pilot hole as free drainage use or expand it to a drainage pipe in loose rock.
  • the pilot hole When the tunnel is opened, after further training, the pilot hole can be expanded to a burglary hole for ascents.
  • the pilot hole can also be used during the tunnel construction to lay communication lines and supply lines.
  • Apron drainage is often also required for hydraulic relaxation of the mountains, also to avoid water ingress during the tunnel. Such ingress of water can impair the overall propulsion and sometimes bring it to a standstill. Time-consuming rescheduling, additional measures and time delays are the result.
  • pilot drilling can be used to drain in the opposite direction to the advance.
  • a packer that can be moved according to the propulsion is installed as an artificial watershed in the borehole; if the slope is in the opposite direction, a submersible pump can be used to remove the water.
  • the pilot borehole can be widened in order to be able to absorb the amount of water.
  • FIG. 1 shows a mountain-like geological formation, areas with different geological structures being shown with different degrees of hatching.
  • the geology along the planned tunnel route is first explored according to the proposed method.
  • This preliminary investigation can be carried out in a conventional manner from the surface by deep geoelectric probing, as was described at the beginning.
  • a continuous pilot bore 12 is created.
  • a drilling apparatus 14 is used, which creates a pilot hole along the planned tunnel route with the aid of a drill head that can be steered throughout the drilling process.
  • the information obtained during the preliminary investigation you can select the appropriate drilling device to create the pilot hole.
  • samples are taken from the pilot bore in order to further explore the planned tunnel route. This can be done by taking samples from the pilot well's backflow.
  • an electrode measuring string 18 described at the outset can also be introduced into the borehole of the pilot bore, which is shown in FIG. 3.
  • the measuring string 18 has a multiplicity of electrodes 20 which are arranged at the same mutual spacing, electrical connecting lines being led from one end of the measuring string to each individual electrode. After the borehole 12 has been created, such a measuring string 18 can easily be pulled through the borehole 12 by coupling it to the drill pipe.
  • two electrodes of the measuring string are connected as current electrodes (A i , B i ) and two further electrodes are connected as potential electrodes (M i , N i ).
  • the geoelectric data can be obtained by measuring the resulting potential difference.
  • it is possible to select the appropriate electrode arrangement by simply switching on other electrodes or by switching between the electrodes Electrodes is switched.
  • Known arrangements can be used here, such as the Wenner arrangement (A i , M i , N i , B i ), the dipole arrangement (A i , B i , M i , N i ) or the Carpenter arrangement ( A i , M i , B i , N i ).
  • the Wenner arrangement is primarily used for the investigation in areas with homogeneous layer formation and different inclinations. For the mapping of steep inhomogeneities, such as faults and other, it is more favorable to carry out measurements with the dipole arrangement.
  • the distance between the individual electrodes determines the depth of penetration, but can be chosen almost freely by using the measuring strand.
  • a measuring string 18 is introduced into the horizontal borehole 12 of the pilot hole, a large number of electrodes being arranged on the measuring string at regular intervals.
  • the connecting lines of the individual electrodes of the measuring line are led to one end of the measuring line.
  • the electrodes 20 (M 1 , N 1 , M 2 , N 2 or M n , N n ) are selected so that the rock complex to be examined can be completely "irradiated", ie flowed through.
  • a current electrode (not shown) is fixed at one point on the surface of the earth and a further current electrode (not shown) is attached to the ground at a distance from the measuring point.
  • the potential electrodes are first moved along the distance of the borehole, which can be done by mechanical movement of the measuring string. However, the use of different electrodes of the measuring string is simpler. If a "shadow formation" appears, the measurement must be repeated from several current electrode positions to delimit the contours of the interfering body.
  • the current electrode can be moved to another location or, if a measuring string is also used for the current electrodes, the adjacent current electrode is activated and the measurement is repeated.
  • Electrodes and voltage electrodes can also be interchanged, i.e. the electrodes inside the borehole are used as current electrodes, whereas the electrodes on the surface of the earth are used as potential electrodes.
  • the geoelectric tomography described above is ideally suited for the localization of loosening zones and tectonic disturbances, for locating waterways and water inclusions, and an inventory of existing routes on low- or high-resistance areas can be examined between parallel boreholes.
  • the measuring strand 18 shown only schematically in FIG. 3 has a plurality of ring-shaped electrodes 20 which are arranged on the measuring strand at an equal distance of 100 cm each.
  • the ring-shaped electrodes 20 are worked into a plastic tube in such a way that the ring-shaped outer circumference of the metal electrodes 20 remains free.
  • the connecting lines for the respective electrodes 20 run inside the plastic tube and are shielded. Overall, the measuring string is flexible and can easily be wound up on a cable drum.
  • Two voltage lines, which form a voltage bus, two current lines, which form a current bus, and a two-pole signal line run within the measuring line 18.
  • a line is also provided for the voltage supply.
  • the measuring string has in its interior a switching device which contains a changeover switch which connects the electrode 20 optionally to the connecting lines of the current bus and the voltage bus.
  • a two-wire current bus and a two-wire voltage bus are provided within the measuring string.
  • the two signal lines allow the respective electrodes to be switched to the individual bus lines, so that any number of electrodes can be controlled with only a few connecting lines.
  • the electrode 20 can be connected to each connection line.
  • the switching device is connected to the supply voltage and is activated via the signal line.
  • the switching device is addressed via a digital address, it being possible to use a digital code provided to set the bus to which the associated electrode 20 is to be switched.
  • a switching device is assigned to each electrode 20.
  • the switching device consists of a small electronic circuit and is accommodated within the measuring line.
  • each first electrode can be connected to one of the two power lines and one of the two voltage lines and each second electrode can be connected to the other of the two power lines and the other of the two voltage lines, the circuitry outlay can be reduced.
  • the above-mentioned switching device can preferably be activated via the signal line and can be controlled digitally. If the control has taken place, the switching device switches the assigned electrode to the desired wire of the current bus or the voltage bus. Shielding the connecting line is advantageous in that the geoelectric measurements are then not disturbed.
  • the body of the measuring string can also be formed by the connecting lines, which are surrounded by the electrodes in a ring.
  • Such an embodiment is very inexpensive and easy to manufacture, since only the ring-shaped electrodes have to be attached at regular intervals to the connecting lines which are passed through the electrodes.
  • the electrodes of the measuring string can be ring-shaped and incorporated into a plastic tube, in the interior of which the connecting lines run. Such an embodiment is very robust and less prone to failure, since the connecting lines are protected inside the plastic hose.
  • the measuring string used according to the invention can have a length> 100 m, preferably> 400 m and can also assume the length of kilometers, depending on the length of the tunnel to be created.
  • Such a long measuring string in the order of magnitude of 100 m or more enables the geoelectric detection of a very large area without, however, electrodes having to be moved.
  • the switching device can also be provided twice on each electrode. Since the costs of such a switching device are low, such an embodiment is particularly advantageous, since if one switching device fails, the measuring string is not functional, but the respective electrode can be addressed by the second switching device provided, which has a different address.
  • a measuring system has a current source and a voltage measuring device, which are integrated in a computer.
  • a connection device is connected at one end of the measuring line to its connecting lines, so that the current source and the voltage measuring device can be connected to at least four arbitrary electrodes of the measuring line.
  • the access to the respective desired electrodes can be program-controlled, any measurement programs, i.e. Electrode distances can be selected.
  • the measuring system and its connecting device can preferably be controlled by a computer. This results in a fully automatic borehole exploration system with unprecedented possibilities, which allows a detailed recording of the geological formation through which the tunnel is to be drilled within a very short time, and which also works very inexpensively. The cost of such a system is around a third of that of comparable seismic systems.
  • connection device can be connected to the connection lines of a second measuring strand which lies on the surface of the earth, the electrodes being inserted into the earth with the aid of the provided adapters.
  • the use of the measuring string in a horizontal borehole considerably increases the depth of investigation. Depending on the drill hole length and the length of the electrode measuring string, this can be approx. 10 m, which far exceeds the previous penetration depths.
  • the electrode measuring strand can also be used as a transmitter and also as a receiver for the geoelectric tomography described above. As a result, the entire mountain range can be captured with an unprecedented resolution and information density.
  • a particularly advantageous variant of the method described above is achieved in that the electrodes are displaced within the borehole by using other electrodes of the same measuring string.
  • the geological structure along the entire borehole can be recorded without the measuring string having to be mechanically displaced or moved.
  • the depth of penetration which depends on the relative distance between the electrodes, can be freely set by selecting the appropriate electrodes.
  • a geological formation of larger size can be "screened" for the first time without having to drill a large number of vertical test holes.
  • electrodes are inserted into the essentially horizontal borehole of the pilot bore and additional electrodes are attached to the earth's surface.
  • at least two potential electrodes are inserted into the borehole.
  • a current is passed through two current electrodes that are attached to the surface.
  • the electrode measuring string can be pulled through the borehole on the drill string after the borehole has been created, so that the measuring string can be laid within a very short time.
  • the preferred procedure consists in using only other electrodes of the measuring string as potential electrodes for mapping the rock formation.
  • this can be done in the simplest way by activating or interconnecting other electrodes, so that the measuring technician can measure the entire geological formation along the borehole and above the borehole from his measuring station, without actually Electrodes would have to be mechanically offset.
  • the method according to the invention opens up unimagined possibilities.
  • a further embodiment of the method described above is achieved in that not only are the electrodes located within the borehole varied, but also that at least one of the current electrodes is displaced on the surface of the earth. This significantly increases the resolution of the measurements obtained.
  • an electrode of a measuring strand is used as the current electrode in the methods described above, the described method of geoelectric tomography is further improved, since in this case the displacement of the current electrodes on the surface of the earth also no longer has to be done mechanically, but by selecting different electrodes of the measuring strand can be done.
  • the use of adapters that lengthen the electrodes in a rod-like manner is recommended.
  • Such adapters which facilitate the introduction of the measuring currents into the ground, can be inserted into the ground.
  • the adapters can be designed like a spit and attached to the ring electrodes with the aid of an articulated clamp.
  • the tunnel can be drilled out using the pilot bore 12, as shown in FIG. 4.
  • the tunnel boring device 22 is oriented to the pilot bore 12, so that no complex position monitoring has to be carried out.
  • the pilot hole can be used for apron drainage during section driving. Communication lines can also be made during tunnel construction the pilot hole, which can also be expanded to a burglary hole if necessary.
  • FIG. 5 shows a vertical section through the soil in the area of a planned tunnel route.
  • a bore 112c running parallel to the planned tunnel route 120 is located at a greater distance from the planned tunnel route below the planned tunnel approach.
  • This exploration borehole 112c which is preferably designed to be fully flow-controlled, can provide information about the underlying geological strata. For example, it can be seen whether there are swellable horizons in the area in question below the planned tunnel entry, e.g. Clays or anhydrites, which can possibly build up swelling pressure. This can be of particular interest in areas in which deformations still occur today, which may only later endanger the tunnel route.
  • Rock samples can also be taken from the borehole below the planned tunnel entry and a measuring string 110c can also be introduced in order to carry out geoelectric tomography.
  • any layers can be recorded between the measuring strand 110b introduced in the exploration bore along the planned tunnel route, the measuring strand 110a or the electrodes on the surface of the earth and the measuring strand 110c in the exploration bore 112c.
  • this also offers the possibility of installing strain gauges 140 in order to monitor the deforming mountain range and possibly also initiate an undersole relaxation from this bore. Finally, there is the possibility of using this hole for drainage drainage.
  • two measuring strands can be inserted into correspondingly parallel bores, the measurements being carried out in each case between two measuring strands.
  • two measuring strands could be introduced in the areas designated by 120, shown with broken lines.
  • the electrodes in the respective measuring strings can be connected to both a current and a voltage line, these measurements can be carried out with high precision and in particular along carry out the planned route without having to move the measuring string after each measurement.
  • Planned tunnels or other structures are often very far below the surface of the earth or body of water, so that measurements from the surface of the earth or body of water can only be carried out with a lower resolution.

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Erkunden einer geplanten Tunnelstrecke wird zunächst die Geologie entlang der geplanten Tunnelstrecke zur Vorbereitung einer Pilotbohrung (12) vorerkundet. Anschließend wird die durchgehende Pilotbohrung (12) mit einem im Bohrverlauf lenkbaren Bohrkopf entlang der geplanten Tunnelstrecke erstreckt. Zur Erkundung der geplanten Tunnelstrecke werden aus der Pilotbohrung Proben entnommen, und es erfolgt eine geophysikalische Bohrlocherkundung. <IMAGE>

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkunden von geplanten Tunnelstrecken.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gekennzeichnet.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Weiterhin kann das Bohrloch für Temperaturmeßkabel, für Feuchtesensorkabel, für Spannungsmeßeinrichtungen und andere Instrumente zur gebirgsmechanischen und hydrogeologischen Überwachung genutzt werden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Bei sehr starkem Wasseranfall kann die Pilotbohrung aufgeweitet werden, um querschnittseitig die anfallenden Wassermengen aufnehmen zu können.
  • 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.
  • Fig. 1 zeigt eine bergartige geologische Formation, wobei Bereiche mit unterschiedlichem geologischen Aufbau unterschiedlich stark schraffiert dargestellt sind.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Zur Durchführung der geoelektrischen Bohrlocherkundung werden zwei Elektroden des Meßstranges als Stromelektroden (Ai, Bi) beschaltet und zwei weitere Elektroden werden als Potentialelektroden (Mi, Ni) 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 (Ai, Mi, Ni, Bi), die Dipol-Anordnung (Ai, Bi, Mi, Ni) oder die Carpenter-Anordnung (Ai, Mi, Bi, Ni). 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.
  • 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 (M1, N1, M2, N2 bzw. Mn, Nn) 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (21)

  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.
EP96112725A 1995-09-04 1996-08-07 Verfahren zum Erkunden von geplanten Tunnelstrecken Expired - Lifetime EP0760419B1 (de)

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