Detection of voids in the annular gap using ground penetrating radar and determination of the in-situ deformation properties of pea gravel / Detektion von Hohlräumen im Ringspalt mittels Georadar und Ermittlung der in situ Verformungseigenschaften von Perlkies

When using shield machines, the excavation support is established using prefabricated concrete segments. The structurally required cavity between the built ring and the rock mass is usually filled with pea gravel in hard rock conditions. The backfilled material ensures the necessary bedding and evenly distributes the rock loads. To evaluate the in-situ deformation behaviour of pea gravel, a testing device was developed that measures the reaction of the backfill under load increase and load decrease on the basis of the static load plate test. The test is carried out via the opening for pea gravel injection. The results have shown that the elasticity of pea gravel is predominantly influenced by the load level and the type of loading.
Subsequently, the detectability of possible voids in the annular gap was evaluated by means of ground penetration radar. For this purpose, the feasibility of the measurements was confirmed by a numerical study. Furthermore, the boundary conditions and the propagation behaviour of the electromagnetic waves could be demonstrated. With calibration measurements, the electromagnetic properties of all components involved in the system segmental lining and annular gap were determined. An extensive series of analogue model tests confirmed the detectability of the transitions from dry, wet and water-saturated pea gravel to water- and air-filled voids. In the final series of experiments, the transition between pea gravel and hollow space in the annular gap was successfully detected at on-site installed lining segments.
Beim Einsatz von Schildmaschinen erfolgt der Ausbau des Tunnels durch Tübbingsegmente. Der bautechnisch erforderliche Hohlraum zwischen den Tübbingringen und Gebirge wird bei Hartgesteinsvortrieben in der Regel mit Perlkies verfüllt. Das eingebrachte Material dient dabei der Sicherstellung der erforderlichen Bettung und damit der gleichmäßigen Verteilung der Gebirgslasten. Zur Überprüfung des in situ-Verformungszustands von Perlkies wurde eine Messvorrichtung entwickelt, die auf dem Prinzip des statischen Lastplattenversuchs die Reaktion der Hohlraumverfüllung bei gezielter Be- und Entlastung misst. Die Prüfung erfolgt hierbei über die Perlkiesverblasöffnung. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die Verformbarkeit von Perlkies in überwiegendem Maße last- und belastungsabhängig ist.
In weiterer Folge wurde die Detektierbarkeit von möglichen Hohlräumen im Ringspalt mittels Georadar evaluiert. Hierfür wurde mit einer numerischen Modellierung die Durchführbarkeit der Messungen bestätigt. Weiterhin konnten die Randbedingungen und das Ausbreitungsverhalten der elektromagnetischen Wellen aufgezeigt werden. Mit Kalibriermessungen wurden die elektromagnetischen Eigenschaften aller beteiligten Komponenten im System Tübbingausbau und Ringspalt festgestellt. Eine umfangreiche Versuchsserie an Analogmodellen konnte die Messbarkeit der Übergänge von trockenem, feuchten und wassergesättigten Perlkies zu wasser- und luftgefüllten Hohlräumen bestätigen. Bei der abschließenden Versuchsserie wurde schließlich der Nachweis erbracht, dass der Übergang zwischen Perlkies und Hohlraum im Ringspalt unter Tage detektiert werden kann.