Dossier Bahnvermessung

Weltrekord am Gotthard: Vermessung Gotthard-Basistunnel (Geomatik Schweiz 12/2010)

Die neue Gotthardbahn – Stand der Arbeiten (Geomatik Schweiz 6/2006)

Anspruchsvolle Überwachungsaufgabe beim Projekt AlpTransit Gotthard (Geomatik Schweiz 6/2006)

Herausforderungen bei der Absteckung des Gotthard-Basistunnels (Geomatik Schweiz 6/2006)

Die Absteckung des Gotthard-Bahntunnels vor 125 Jahren – Vergleiche mit heute (Geomatik Schweiz 6/2006)

AlpTransit Sedrun: Weltpremiere mit inertialer Messtechnik (Geomatik Schweiz 6/2006)

Vermessungstechnische Herausforderung beim Bau des Gotthard-Basistunnels im Abschnitt Faido (Geomatik Schweiz 6/2006)

Die Navigation der Tunnelbohrmaschinen – das Steuerleitsystem SLS (Geomatik Schweiz 6/2006)

Kinematisches Laserscanning in einem absoluten Koordinatensystem (Geomatik Schweiz 6/2006)

Vermessung des Unternehmers (VPK 12/2000)

Misurazioni dell’impresa (VPK 12/2000)

Projekt- und Bauleitungsvermessung (VPK 12/2000)

Vermessung Bahntechnik (VPK 12/2000)

Bauherrenvermessung (VPK 12/2000)

Orientierungskontrolle mit Hilfe von Präzisions-Kreiselmessungen (VPK 12/2000)


Vielfältige Vermessungsarbeiten für den Bahn2000-Tunnel Zürich-Thalwil

Mit dem Konzept "Bahn2000" haben sich die Schweizerischen Bundesbahnen zum Ziel gesetzt die Attraktivität des gesamten Reiseverkehrs in der Schweiz zu erhöhen. An der Realisierung dieser Grossprojekte wirken auch Vermessungsfachleute in verschiedenen Projektphasen und in unterschiedlichen Funktionen mit. Am Beispiel des Neubaues des Zimmerberg-Basistunnels soll aufgezeigt werden, welche wichtigen Aufgaben in der Ingenieurvermessung und bei der Beschaffung der geographischen Grundlagen durch die Vermessungsingenieure zugunsten aller Beteiligten erfüllt werden.

Stephan Eisenegger

1. Projektbeschrieb

Ausbau Knoten Zürich für die Bahn2000

Der Bahnhof Zürich ist der bedeutendste Knotenpunkt im Netz der Bahn2000. Bereits heute sind die Anlagen im und um den Hauptbahnhof extrem ausgelastet. Täglich "verkraftet" der Bahnhof Zürich über 1400 Zugfahrten mit über 340 000 Reisenden. Das erweiterte Angebot von Bahn2000, mit vollwertigen Anschlussgruppen im Fernverkehr zur vollen wie auch zur halben Stunde, bedingt rund 20 kleinere oder grössere Ausbauten im Grossraum Zürich. Nach heutiger Planung werden zur vollen Stunde zwölf IC-Züge und zur halben Stunde zwölf Schnellzüge im Hauptbahnhof ein- und ausfahren. Neu werden auf den Zufahrtsstrecken die Schnell- und Intercityzüge getrennt von den Güter- und S-Bahnzügen geführt. Das bedingt auf den drei Hauptzufahrtsachsen je zwei Doppelspurlinien.

Die wichtigsten Bahn2000-Projekte im Knoten Zürich :

  • Zürich HB-Thalwil: 2.Doppelspur
  • Zürich HB: Leistungssteigerung Halle-Langstrasse
  • Zürich HB-Zürich Wipkingen: Neue Vorbahnhofbrücken
  • Zürich HB: Leistungssteigerung Altstetten Süd
  • Zürich Herdern : Abstell- und Unterhaltsanlage

Zürich – Thalwil 2. Doppelspur

Mit der neuen Doppelspur zwischen Zürich und Thalwil kann ab 2003 die Seelinie entlastet und das Angebot verbessert werden. Mit täglich 415 Zügen ist die Kapazitätsgrenze der bestehenden linksufrigen Zürichseelinie erreicht. Angebotsverbesserungen im Schnellzugs- und S-Bahn-Verkehr sind nicht mehr möglich. Deshalb muss für die zusätzlichen Züge der Bahn2000 eine komplett neue Doppelspur in Ergänzung zur bestehenden Linie gebaut werden. Diese ist 10.7 km lang, beginnt in Zürich bei der Langstrasse, führt durch den Seebahneinschnitt bis zum Lochergut, weiter in einem 9.4 km langen Tunnel unter der Allmend Brunau hinweg bis zum südlichen Tunnelportal in Thalwil. Dort fügt sich die neue Doppelspur vor dem Bahnhof Thalwil wieder in die bestehende Seelinie ein.

Die Stammstrecke wird künftig vor allem von den S-Bahn- und Regionalzügen befahren, während die neue Doppelspur dem Fern- und Güterverkehr dient. Das dichtbesiedelte Zürichseeufer zwischen Wollishofen und Thalwil wird entlastet. Durch die vorgesehene Weiterführung des Tunnels ab Nidelbad bei Thalwil nach Litti bei Baar erhält Zürich eine direkte Verbindung zum neuen Gotthard-Basistunnel und in die Zentralschweiz.

Projektübersicht

Langstrasse – Portal Lochergut

Im sogenannten Kohlendreieck wird die heutige Doppelspur südwärts verlegt. Die zweite Doppelspur erhält dadurch nördlich der verlegten Gleise Platz. Mit einem Ueberwerfungsbauwerk kreuzt die Wipkingerlinie die neue Doppelspur niveaufrei. Dies ermöglicht die Entflechtung der verschiedenen Züge auf allen Zulaufstrecken bis in den Zürcher Hauptbahnhof.

Portal Lochergut

170m langer Tagbautunnel in offener Baugrube mit Portal und unterirdischen technischen Räumen unter dem Meinrad Lienert-Platz. Während der gesamten Bauzeit muss die Seebahnstrasse als wichtige Verbindung zwischen den Autobahnen N3 und N1 zweispurig zur Verfügung stehen. Dazu musste ein Verkehrsprovisorium im Seebahneinschnitt erstellt werden. Vortrieb eines ca. 160m langen Rohrschirmes, um übermässigen Setzungen und Niederbrüchen bei der Durchfahrt der Tunnelbohrmaschine vorzubeugen.

Hilfsschacht Kollerwiese

Ausgangspunkt für den vorgängigen Vortrieb eines 470m langen Pilotstollens um den Baugrund mit Injektionen verbessern zu können. Dieser Pilotstollen mit einem Querschnitt von 3.5m verläuft seitlich versetzt zum Tunnelquerschnittes Richtung Zürich.

Hauptinstallationsplatz Brunau

Der Hauptinstallationsplatz Brunau bildet die Basis für den Bau der 9.4 km langen Tunnelstrecke. Die grosszügigen Platzverhältnisse erlauben hier den Antransport der hauptsächlichsten Baumaterialien wie Betonkies, Zement und Stahl sowie den Abtransport des Ausbruchmaterials per Bahn. Der An- und Abtransport mit der Bahn erspart über 320‘000 LKW-Fahrten. Die entsprechenden Anlagen sollen in einem späteren Zeitpunkt auch durch den Kanton Zürich für die Arbeiten der Westumfahrung -Anschluss Brunau- genutzt werden. Der Tunnel wird über zwei Schächte mit einem Durchmesser von 22m resp. 20m und einer Tiefe von 32m erschlossen. Vom Schacht Allmend Brunau Nord aus wird der 2.7 km lange Abschnitt bis zum Meinrad Lienert-Platz und vom Schacht Süd der 5.7 km lange Abschnitt Richtung Thalwil gebaut.

Tunnelabschnitt Allmend Brunau – Meinrad Lienert-Platz

Vom 2700m langen nördlichen Tunnelabschnitt liegen ca. 2000m in der Oberen Süsswassermolasse und ca. 700m im grundwasserführenden Lockergestein, bestehend aus Sihlschottern und Seeablagerungen. Im Fels beträgt die Ueberdeckung 20-30m. Der Abschnitt im Lockergestein liegt im dicht besiedelten Stadtgebiet und unterquert Fundationen von Liegenschaften im Abstand von wenigen Metern. In dieser unterschiedlichen Geologie ist eine Tunnelbohrmaschine (TBM) im Einsatz, mit der sowohl Fels als auch Lockergestein aufgefahren werden kann. Für das Auffahren der wassergesättigten Lockergesteins-strecke wird die Hartgesteins-TBM unter Tag für das Hydroschild-Verfahren umgerüstet. Bei diesem Verfahren ist der Bohrkopf resp. der Abbauraum mit einer Stützflüssigkeit gefüllt. Diese, aus einer Wasser-Ton-Suspension (Bentonit) bestehende Flüssigkeit, verhindert das Einbrechen der Ortsbrust und damit grössere Setzungen an der Oberfläche.

Tunnelabschnitt Allmend Brunau – Thalwil

Diese 5.7 km lange Strecke liegt in der Oberen Süsswassermolasse und ist mit einer Hartgestein-Tunnelbohrmaschine aufgefahren worden. Der Bohrdurchmesser betrug 12.3m. Am 9. Dezember 1999 erreichte die Tunnelbohrmaschine nach knapp 15 Monaten die Losgrenze beim Km 10.8. Mit Vortriebsleistungen von über 40m pro Tag wurden auf dieser Strecke Weltrekordleistungen aufgefahren.

Anschlussbauwerk Nidelbad

Das Projekt AlpTransit sieht eine Verlängerung des Zimmerberg-Basistunnels bis nach Litti bei Baar vor. Aus betrieblichen und sicherheitsrelevanten Gründen wird das Anschlussbauwerk Nidelbad kreuzungsfrei gebaut, sodass ein direkter Anschluss nach Litti gewährleistet ist. Das Anschlussbauwerk Nidelbad und die beiden Einspurröhren nach Thalwil werden im Sprengvortrieb ausgebrochen.

Gegenvortrieb Thalwil

Aufgrund der gemischten Geologie von hart gelagerter Grundmoräne und Oberer Süsswassermolasse sowie der geringen Ueberdeckung wurden ab dem bergmännischen Portal 120m im Gegenvortrieb aufgefahren.

Tagbautunnel Thalwil

Im Portalbereich Thalwil mussten die ersten 216 m wegen zu geringer, respektiver fehlender Erdüberdeckung im Tagbau erstellt werden.

2. Aufgaben der Vermessung

Einleitung

Die Vermessungsingenieure nehmen in diesem grossen Projekt in den verschiedenen Projektphasen als Querschnittsfunktion zugunsten aller Beteiligten wichtige Aufgaben in der Ingenieurvermessung und bei der Beschaffung und Verwaltung der geographischen Grunddaten des Projektes wahr.

Beteiligte Vermessungsbüros

Die Auswahl des Bauherrenvermessers erfolgte in einem zweistufigen Verfahren gemäss BöB, welches gemeinsam mit den AlpTransit Projekten am Gotthard und am Lötschberg durchgeführt wurde. Die Vermessungsaufgaben für den Projektverfasser und die Bauleitung wird innerhalb der betreffenden Ingenieurgemeinschaft mit eigenen Vermessungsspezialisten abgedeckt. Während die Arbeitsgemeinschaft für den Tunnelvortrieb über einen spezialisierten Vermessungsingenieur verfügt, übergaben die Unternehmungen der Tagbaulose ihre Detailvermessungen an örtliche Vermessungsbüros. Für den Einbau der Bahntechnik im 9.4 km langen Tunnel wurde eine spezielle funktionale Projektausschreibung durchgeführt. Eine der Randbedingung an den gesuchten Generalunternehmer Bahntechnik beinhaltete die Forderung für den Beizug eines qualifizierten Vermessungsbüros, das über entsprechende Erfahrung im Einbau der "festen Fahrbahn" verfügt.

Aufgaben der Vermessung

Die wichtigsten Aufgaben der Vermessung sind:

  • Grundlagenbeschaffung für die Planung und Projektierung
  • geometrische Projektberechnung der Gleis- und Weichenanlagen
  • digitale Terrainmodelle
  • Grundlagennetz in Lage und Höhe
  • Genauigkeitsanalyse für den Durchschlag
  • Absteckung und Kontrollen der Vortriebe
  • Überwachung der Bauwerke und des Geländes
  • Abstecken von Achsen und Objekten
  • Absteckung und Kontrollen der "festen Fahrbahn" im Tunnel
  • Dokumentation über das Bauwerk

Organisation der Vermessung

Bei so vielen Beteiligten (Vermessungsbüros, Bauleitungen, Abschnittsleitungen, Projektingenieuren, Unternehmern und Dritten) ist eine klare Regelung der Zuständigkeiten und der Verantwortung hinsichtlich Auftragserteilung, Ausführung, Kontrolle und Koordination unerlässlich. Im Projekt Bahn2000 2. Doppelspur Zürich-Thalwil sind die Zuständigkeiten bei den Vermessungsarbeiten in einem Dokument klar definiert worden. Dank dieser Regelung sind die Schnittstellen zwischen den verschiedenen Vermessungsbeauftragten festgelegt und geben während der Ausführung zu keinen Diskussionen mehr Anlass. Ebenfalls läuft die Auftragserteilung für den Bauherrenvermesser immer via Bauleitung über den Projektleiter Vermessung.

Aufgaben des Projektleiters Vermessung

Er ist für die Leitung aller Vermessungsarbeiten zuständig. Seine Aufgaben sind u.a. folgende:

  • Koordination aller Vermessungsaufgaben
  • fachtechnische Beurteilung
  • geometrische Projektierung der Gleis- und Weichenanlagen
  • Gesamtterminkontrolle
  • vermessungstechnische Beratung der Abschnittsleitungen
  • Einführen und Ueberwachen des Q-Managements
  • Einholen Offerten für Zusatzleistungen
  • Kostenüberwachung
  • Sicherstellen des Datenflusses und Gewährleistung des Informationsaustausches
  • Koordination der DfA-Nachführung (Datenbank fester Anlagen)

3. Schlussbetrachtung

Die Aufgabe als Spezialist in einem Grossprojekt mitzuwirken ist sehr reizvoll und komplex. Neben dem Bau des neuen Basistunnels ist auch die Realisierung der Anschlussstrecken sehr anspruchsvoll. So ist vor allem beim Anschluss Zürich die Koordination bei den geometrischen Projektberechnungen ausserordentlich wichtig. Gilt es doch bereits zum Zeitpunkt der Projektierung die einzelnen Phasen der Inbetriebnahmen zu berücksichtigen. Die Aufrechterhaltung des Zugverkehrs während der ganzen Bautätigkeit erfordert zudem von allen Beteiligten bezüglich der Sicherheit hohe Ansprüche.

Die hohen Anforderungen der Projekt- und Bauleitung an die verschiedenen Vermessungsfachleute sind fachlich, wie terminlich bis anhin zur besten Zufriedenheit erfüllt worden. Bis der Basistunnel im Frühjahr 2003 dem Betrieb übergeben werden kann, sind bestimmt noch etliche interessanten Vermessungsaufgaben zu lösen.

 

Stephan Eisenegger
Teamleiter Geomatik
Schweizerische Bundesbahnen SBB
Anlagen-Management Filiale Ost
Bahntechnik
Postfach
CH-8021 Zürich
e-mail: stephan.eisenegger@sbb.ch

 

Vollständige Version siehe VPK 12/2000
Bestellung VPK: verlag@geomatik.ch


Vermessung des Unternehmers

Der Geometer der Unternehmung ist für die erste Messung und Fixierung des Hauptpoligonzuges verantwortlich, sowie für die Kontrolle und Unterhalt der Messinstrumente, welche für die verschiedenen Vortriebssysteme gebraucht werden:

  • Steuerleitsystem ZED und Laser montiert auf Tunnelbohrmaschine im Molassevortrieb Brunau Richtung Thalwil (Los 3.01)
  • Steuerleitsystem VMT montiert auf Tunnelbohrmaschine im Lockergesteinvortrieb Brunau Richtung Portal Zürich (Los 2.01)
  • BEVER Datenführungssystem montiert auf Jumbo Atlas Copco im konventionellen Sprengvortrieb im Bereich der Abzweigungsstrecke Nidelbad bis zum Portal Thalwil

Francesco Licordari

1. Eingesetzte Messinstrumente

  • Nivelliergerät Wild NA2 mit Micrometer und Invarlatten, 2 m und 3 m lang.
  • Theodolit Wild T2000 mit Distomat WILD DI5, austauschbar mit Disto Plus Leica und mit Datenregistriergerät Wild GRE4.
  • Motorisierter Tachymeter Leica TCA 1800 mit ATR (automatische Zielerfassung).
  • Motorisierter Tachymeter Leica TCRA 1101 Plus mit ATR, reflektorlos messendem Distanzmesser, koaxial sichtbarem Laser sowie mit Programm TMS Amberg zur automatischen Profilaufnahme.

2. Hauptpolygonzug

Die Polygonale im Tunnel wird zuerst vom Geometer der Unternehmung mit Messpunkten, die in Schächten in der Nähe der Achse alle 250 m angeordnet sind, fixiert und vermessen. Auch wenn diese von der Bauherrenvermessung vorgegebenen Messpunktanordnung die negativen Effekte der Refraktion reduziert, ergeben sich wesentliche Einschränkungen bei der weiteren Vermessung, die durch den regen Baustellenverkehr verursacht werden. Um dieses Problem zu verringern, werden jeweils drei SBB Bolzen in der Nähe der Achspunkte mit je einer Befestigungsvorrichtung für ein LEICA Prisma an der Tunnelwand fixiert. Mit diesen drei Prismen kann der Rückschnittpunkt gemessen werden ohne den Schacht zu öffnen und das Stativ kann in der Nähe des Paraments stationiert werden, ohne dass gross auf den Verkehr Rücksicht genommen werden muss. Ein weiterer wichtiger Vorteil besteht auch darin, dass von dieser seitlichen Position aus die Messung für die Konsolen neben dem Nachläufer und der Tunnelbohrmaschine TBM ausgeführt werden können. Auf diese Konsolen werden automatisierte Steuerleitsysteme wie ZED und VMT fixiert. Im Los 2.01 wird von den gleichen Konsolen aus auch die Absteckung der Schalung für den Innenringbeton ausgeführt.

In den gesprengten Einspurtunnels existieren bedingt durch den konventionellen Vortrieb keine Messschächte in der Achse. Deshalb werden abwechslungsweise rechts und links am Parament demontierbare Konsolen fixiert. Die verwendeten Konsolen werden vom Atélier Mécanique de Précision Baecheler, Vernier/Génève hergestellt und garantieren eine Genauigkeit von 0.1mm.

Die Messungen des Hauptpolygonzuges verlangen grosse Aufmerksamkeit und werden sehr genau ausgeführt, da die Kontrolle durch die Bauherrenvermessung erst wesentlich später erfolgt, wenn der Geometer der Unternehmung schon einen Messvorsprung von ungefähr 500 m hat. Eventuelle Differenzen in Achse und Höhe können später nicht mehr korrigiert werden. Das gleiche gilt für die Höhenfixpunkte, welche alle 30 m an der Wand fixiert sind und mit einem Präzisionsnivellement mit Micrometer und Invarlatte gemessen werden.

3. System ZED

Das englische Steuerleitsystem ZED-260 zeigt die genaue Lage der Tunnelbohrmaschine und die Abweichungen von der geplanten Tunnelsollachse an und erlaubt somit schnelle Korrekturen für den weiteren Vortrieb vorzunehmen. Das System ist verbunden mit einem Theodolit T1000 LEICA mit Motor und koaxial sichtbarem Laser. Der Theodolit ist auf einer Konsole befestigt, welche vorgängig mit einem anderen Theodolit eingemessen wurde. Dieser Theodolit folgt automatisch einem auf der Tunnelbohrmaschine TBM montierten Ziel mit bekannter Position. Die Daten dieser Messungen werden kontinuierlich an ein Laptop in der Steuerkabine gesandt und verarbeitet. Auf einem Monitor werden digital die Abweichungen der Achse und der Höhe von der Solllage in Millimetern angezeigt, ebenso die Tunnelmetrierung und die Quer- und Längsneigung der TBM.

Die theoretische Tunnelachse ist in einem normalen Textfile gespeichert. In Kreisbogen und Klothoiden werden entsprechend mehr Punkte als in der Geraden verwendet.

Die Software des ZED-260 arbeitet mit einem DOS-Betriebssystem. Da dieses nicht mehr den neuesten Anforderungen entspricht, wird aus Sicherheitsgründen ein traditioneller Laser an der Wand montiert und auf zwei Zielmarken gerichtet, welche hintereinander in einer Linie an der rechten Seite der TBM montiert sind. Dieses Vorgehen hat es ermöglicht, dass an keiner Stelle des 5.5 km langen Vortriebes des Loses 3.01 Richtung Thalwil die Abweichungen grösser als 3 cm waren!

4. System VMT

Das deutsche System VMT funktioniert ähnlich wie das ZED: Ein motorisierter Tachymeter LEICA TCA1100, montiert auf einer Konsole am Parament, richtet den Laserstrahl auf eine spezielle Zieltafel. Diese Zieltafel ist ein intelligenter Sensor, der mittels ELS (Elektronik Laser System) den Laserstrahl aufnimmt. Er ermittelt die Stelle des Auftreffens in horizontaler und vertikaler Richtung. Ausserdem werden Verrollungs- und Längsneigungswinkel durch integrierte Inklinometer gemessen. Der Gierwinkel wird durch den Einfallswinkel des Lasers zum ELS festgestellt. Das ELS ist fest mit dem Schildkörper der TBM verbunden und wurde bei der Installation in seiner Position eingemessen. Somit sind seine Einbaumasse in Bezug zur Schildachse bekannt. Die Yellow Box dient zur Stromversorgung des Tachymeters und des Lasers. Ausserdem erfolgt damit auch die Kommunikation zwischen dem PC und dem Tachymeter über das Programm ACS-II des Herstellers TACS aus München . Am PC in der Steuerkabine ist es möglich die Koordinaten der nächsten Konsole zu messen, an welcher der gleiche Tachymeter später montiert werden wird. Diese Messungen werden vom Geometer mit einem andern Tachymeter überprüft, und die festgestellten Differenzen bewegen sich in der Regel im Bereich von wenigen Millimetern.

Die Tunnelsoftware ACS-II ist das Kernstück des VMT. Über zusätzliche Kommunikatoren wird es mit Daten der oben aufgeführten Komponenten versorgt. Die Berechnung der TBM-Position erfolgt im ACS-II. Die Anzeige erfolgt graphisch und numerisch. Durch eine Windows-Oberfläche ist das Programm leicht zu bedienen.

Ursprünglich wurden zusätzlich Messungen mit einem traditionellen Laser am Parament ausgeführt. Auf Grund der Erfahrungen und der hervorragenden Ergebnisse der oben beschriebenen Kontrolle kann nun darauf verzichtet werden und es werden nur noch sporadische Kontrollen an bekannten Punkten direkt an der TBM ausgeführt.

Die Sollachse ist in einem normalen Textfile gespeichert. Es werden nur die geometrischen Hauptpunkte eingegeben, das Programm berechnet die korrekte Trasse selbständig.

5. BEVER System

Das BEVER Datenführungssystem kann heute als das am weitesten entwickelte und komplexeste seiner Art bezeichnet werden und ist zugleich das einfachste in der Anwendung. Hersteller ist die BEVER CONTROL AS, Lierskogen/Norwegen.

Das System wird in zwei verschiedenen Versionen als Option zum Jumbo der Atlas Copco geliefert. Die eine besteht nur aus einem Navigationssystem und die andere verfügt zusätzlich über einen Profiler, welcher an der Kabine montiert wird. Der Profiler nimmt während der Bohrung im Bereich der Bohrarmen eine grosse Menge Punkte an der Kalotte und an den Paramenten auf. In wenigen Minuten wird am Bord-PC die graphische Darstellung der Profile mit der jeweiligen Metrierung aufgezeigt. In numerischer Form werden dagegen die Differenzen zum Sollausbruch angezeigt. Diese gespeicherten Profilaufnahmen können an einem Computer im Büro bearbeitet werden. Die Ausbruchfläche wird nicht automatisch berechnet. Dazu werden Aufnahmen mit dem Tachymeter Leica TCRA 1101 Plus mit dem Programm Amberg Proscan ausgeführt. Für die Navigation fixiert der Geometer einen Laser an der Tunnelwand, in Kurven wird dieser sehr hoch, d. h. oberhalb der Kabine des Jumbos montiert. Dieser Laser wird so positioniert, dass er möglichst lange von der gleichen Stelle aus arbeiten kann. Für die Laserneigung wird empfohlen die gleiche Neigung wie die des Tunnels zu benutzen.

Auch das Programm BEVER arbeitet mit Windows und wird nur im Büro-PC montiert. Die Sollachse mit sehr vielen Punkten ist in einem normalen Textfile in der ungewöhnlichen Form X-Y-Z gespeichert. Für den Laserstrahl müssen drei Punkte X-Y-Z der Laserrichtung eingegeben werden. Alle diese Daten werden in einer Kassette gespeichert und in den Bordcomputer übertragen.

Für die Absteckung des Ausbruchs werden zwei Zieltafeln auf einen frei gewählten der drei Bohrarme montiert. Dieser Arm wird so ausgerichtet, dass der Laserstrahl beide Zieltafeln erfasst. Am Bordcomputer wird manuell die Metrierung der Tunnelbrust eingegeben. Nach dem Erfassen all dieser Daten wird vom Jumbo aus ein Laserstrahl auf das Zentrum des Tunnels ausgesendet. Auf dem Monitor des Bordcomputers wird das Bohrschema angezeigt und mit Hilfe des Computers werden die Bohrlöcher angesteuert.

Alle vier Meter wird ein Profil mit dem Amberg-System gemessen. Es ist sehr selten, dass ein Profil nicht der Sollvorgabe entspricht, was bedeutet, dass das BEVER System sehr zuverlässig arbeitet. Zur Kontrolle und auch für den Fall von eventuellen Pannen, oder falls ein Jumbo ohne BEVER System zum Einsatz kommt, verfügt die Baustelle auch über die normalen Laserabstichtabellen.

 

Geom. Francesco Licordari
CSC Impresa di Costruzioni
Via Pioda 5
CH-6900 Lugano
e-mail:
licordari@bluewin.ch

 

Vollständige Version siehe VPK 12/2000
Bestellung VPK: verlag@geoamtik.ch


Misurazioni dell’impresa

Al geometra dell’impresa è affidato il compito di fissare e misurare per primo le poligonali principali nonché di controllare e gestire le strumentazioni che fanno parte dei vari sistemi di avanzamento quali:

  • Laser tradizionale e sistema di guida Zed montato sulla fresa nel tratto in molassa da Brunau al portale di Thalwil (lotto 3.01)
  • Sistema di guida VMT montato sulla fresa nel tratto in materiale misto da Brunau verso il portale di Zurigo (lotto 2.01)
  • Laser tradizionale e sistema di guida Bever installato sui Jumbo nello scavo convenzionale con esplosivi nelle diramazioni dall’asse principale del lotto 3.01 al portale di Thalwil

Francesco Licordari

Strumenti in dotazione

  • Livello Wild NA2 con lamina pianparallela e stadia Invar di 2m e 3m
  • Teodolite Wild T2000 con Distomat Wild DI5 sostituibile con Disto Plus Leica, che consente di rilevare punti senza prisma fino a 90-100m, completato da registratori dati Wild GRE4
  • Teodolite Leica TCA 1800 motorizzato equipaggiato con ATR ricerca automatica dei prismi
  • Teodolite Leica TCRA 1101 motorizzato completo di ATR , distanziometro senza prismi 40-50m laser coassiale e con il programma TMS Amberg per il rilievo automatico di profili orizzontali e trasversali

Poligonale principale

La poligonale in galleria é realizzata e misurata la prima volta dall’impresa con punti in pozzetti ogni 250 m in prossimità dell’asse, questo metodo imposto dalla direzione lavori, pur riducendo gli effetti negativi dovuti alla rifrazione, non consente al geometra molta libertà durante una giornata di normale lavoro per via dell’intenso traffico, per questo in prossimità di ogni punto poligonale principale vengono fissati a paramento minimo tre SBB Bolzen che consentono il montaggio di prismi Leica con cui a mezzo di intersezione inversa è possibile stazionare anche in prossimità del paramento con il vantaggio di non dover aprire i coperchi dei pozzetti in asse, di non intralciare il traffico, di poter misurare ulteriori punti avanzati su mensole, in prossimità della fresa e nella zona del carro di servizio, che verranno usati per le misure dei laser e dei sistemi automatici di misurazione, quali ZED e VMT, nonché nel lotto 2.01 per il tracciamento dei casseri dell’anello interno.

Nelle bretelle scavate all’esplosivo non sono disponibili pozzetti in asse, sono pertanto montate a paramento, alternate a destra e a sinistra, delle mensole smontabili realizzate dall’officina meccanica di precisione Baecheler di Ginevra che garantiscono una precisione di 0.1mm nel montaggio. Molta cura è dedicata nella misurazione della poligonale in quanto i controlli della direzione lavori non sono immediati, le misure dell’impresa sono come minimo avanzate di 500 metri rispetto all’ultimo punto controllato, e un eventuale differenza in asse o quota negli avanzamenti meccanici non potrà più essere corretta. Molta cura anche nei capisaldi di livellazione fissati a paramento ogni 30 m e misurati con livellazione di precisione in andata e ritorno con stadie invar e lamina pian parallela.

Sistema ZED

Il sistema ZED-260 di fabbricazione inglese, permette di controllare con precisione la posizione della fresa durante l’avanzamento, questo indica all’operatore le deviazioni della macchina dall’asse previsto di modo che si può rapidamente intervenire con le necessarie correzioni. Il sistema è collegato ad un teodolite T1000 Leica motorizzato con laser, montato a paramento su di una mensola misurata in precedenza dalla poligonale principale con altro teodolite, questo segue automaticamente un bersaglio di posizione nota montato sulla fresa, i dati delle misurazioni vengono continuamente inviati per l’elaborazione ad un Laptop nella cabina di comando. Su di un semplice monitor a led rossi vengono visualizzate in mm le differenze in asse e in quota, la progressiva di avanzamento, le pendenze trasversali e longitudinali della fresa. L’asse del tunnel è memorizzato sotto forma di un normale file di testo con sequenza di punti più fitti in curva e in clotoide rispetto al rettilineo. Il programma che gira sotto DOS è fornito con lo ZED-260, un sistema non recente, è probabile che della stessa ZED Instrument esista una versione più attuale, comunque per sicurezza, in considerazione dei suoi anni di servizio, lo ZED-260 è stato sempre affiancato da un laser tradizionale montato a paramento e puntato su due mire allineate sul lato destro, una dietro e l’altra su una posizione più avanzata della fresa, questo accorgimento ha consentito una perfetta esecuzione dello scavo del lotto 3.01 in direzione di Thalwil che nella sua lunghezza di 5,5 km non presenta in nessun punto differenze in asse e quota superiori ai 3 cm.

Sistema VMT

Simile allo ZED il VMT è di concezione tedesca, un teodolite motorizzato Leica TCA1100 montato su di una mensola a paramento invia il raggio del suo laser su di una mira ELS (Electronic Laser System) questa è un ricevitore intelligente e del raggio laser inviato è in grado di calcolare al suo punto di impatto la posizione Hz e V. Nella mira sono integrati degli inclinometri che misurano gli angoli di rollio e di tangenza della fresa. L’angolo di deviazione è calcolato a partire dall’angolo d’incidenza del raggio laser sulla mira ELS la quale è solidale al corpo della fresa ed è stata posizionata in fase di installazione pertanto le sue misure di montaggio in rapporto all’asse della fresa stessa sono perfettamente conosciute. Ad assicurare l’alimentazione elettrica del teodolite e del suo laser provvede la Yellow Box, questa permette inoltre la comunicazione con un normale PC sistemato nella cabina di comando provvisto del programma ACS-II della Tacs di Monaco di Baviera.

Dal PC è possibile orientare il teodolite, inoltre si possono determinare le coordinate della mensola successiva su cui lo stesso teodolite verrà, con l’avanzamento della fresa successivamente montato, naturalmente queste misurazioni vengono controllate dal geometra con un altro teodolite, si è però potuto constatare che le differenze sono nulle o minime, contenute in qualche mm. Il programma ACS-II costituisce il nodo del sistema e a partire da tutti i dati che gli vengono inviati calcola la posizione esatta e la tendenza di avanzamento della fresa, degli anelli montati nonché le correzioni da apportare agli anelli stessi e alla lunghezza dei pistoni. Il tutto viene mostrato su di un monitor sotto forma numerica e grafica, e girando il programma sotto Windows è estremamente amichevole e facile da gestire.

Al VMT all’inizio dell’avanzamento era stato anche affiancato per controllo un laser tradizionale, successivamente però, accertata l’alta affidabilità del sistema vi si è rinunciato anche perché lo spazio per il montaggio di un laser era praticamente inesistente, come forma di controllo si è preferito mirare punti conosciuti della fresa con un teodolite durante il controllo delle coordinate delle mensole già misurate dal VMT. Gli elementi dell’asse del tunnel sono anche questi forniti al programma sotto forma di un file di testo, ma non per successione di punti più o meno fitti, bensì indicando solo gli elementi geometrici principali del tracciato, il programma è in grado di calcolare l’asse in ogni suo punto.

Sistema BEVER

Di tutti è senz’altro il più semplice da gestire per il cantiere ma senza dubbio la sua messa a punto da parte della Bever Control as di Lierskogen in Norvegia sarà stata la più laboriosa e complessa. Il sistema è fornito in opzione con i Jumbo della Atlas Copco in due versioni, una che prevede solo la navigazione, l’altra completa di un profiler montato vicino alla cabina che rileva lo scavo già eseguito nella zona dei bracci mediante una impressionante quantità di punti presi sulla calotta e sui paramenti, in pochi minuti sul monitor di bordo è possibile visualizzare graficamente il profilo con la sua progressiva, mentre nella forma numerica mostra le differenze con lo scavo teorico.

Le misurazioni dei profili sono registrate su cassette e possono poi essere elaborate con un normale PC in ufficio, le aree di scavo non sono calcolate automaticamente, per questo si provvede a normali rilievi con il programma Proscan Amberg fornito con il Teodolite Leica TCRA 1101 Plus. Per la navigazione il geometra provvede al montaggio di un laser a paramento, se il tunnel procede in curva conviene che venga fissato ad una quota più elevata della cabina del Jumbo, il raggio può essere direzionato liberamente preoccupandosi solo che questo rimanga il più a lungo possibile nel profilo di scavo, per la pendenza del laser è consigliato ma non obbligato di usare la stessa della galleria.

Anche il programma Bever gira sotto Windows, ma contrariamente agli altri sistemi questo viene montato solo sul PC in ufficio dove l’asse viene memorizzato sotto forma di un file di testo mediante lista di punti successivi nella forma X-Y-Z, è comunque consigliata una sequenza molto fitta di punti, mentre per il raggio laser si devono fornire tre punti posizionati sulla sua retta sempre nella forma X-Y-Z , questi dati vengono memorizzati con il PC in ufficio su cassette che vengono introdotte nel computer di bordo dei Jumbo.

A questo punto per il tracciato dello scavo due mire vengono montate a scelta su un braccio del Jumbo, questo deve essere orientato in modo che il raggio le centri entrambe, nel computer di bordo viene introdotta la progressiva dell’avanzamento e la cassetta registrata in ufficio, una volta elaborati i dati un raggio parte dal Jumbo indicando il centro della galleria e sul monitor appare lo schema dei fori, precedentemente anch’esso registrato, sempre con la guida del computer i bracci vengono indirizzati sui fori da eseguire.

Profili dei controlli di scavo vengono eseguiti sistematicamente ogni 4 m ed è veramente raro trovarne uno non in ordine confermando l’alta affidabilità del sistema, comunque per controllo il cantiere dispone delle tradizionali tabelle degli spostamenti laser e che possono essere usate in caso di panne del sistema o nell’eventuale uso di un Jumbo sprovvisto di Bever.

 

Geom. Francesco Licordari
CSC Impresa di Costruzioni
Via Pioda 5
CH-6900 Lugano
e-mail:
licordari@bluewin.ch

 

Vollständige Version siehe VPK 12/2000
Bestellung VPK: verlag@geomatik.ch


Projekt- und Bauleitungsvermessung

Beim Projekt Bahn2000 2. Doppelspur Zürich-Thalwil begleitet der Projekt- und Bauleitungsvermesser das Projekt als Spezialist während der ganzen Realisierungsphase. In der Projektierungsphase wird er vor allem für die Grundlagenbeschaffung eingesetzt. Er steht aber auch dem Bauingenieur als Berater beim Festlegen der Bautoleranzen und Durchschlagsfehler zur Seite. Während der Bauausführung unterstützt der Vermesser die Bauleitung bei der Überwachung und Prüfung der neu erstellten und provisorischen Bauwerke und ist zudem für Konvergenzmessungen zuständig. Für die Projektierung und Bauleitung der 2. Doppelspur Zürich-Thalwil ist die Ingenieurgemeinschaft IG BBPS, bestehend aus Basler & Hofmann AG, Zürich, Balestra AG, Zug, Preisig AG, Zürich, und SNZ AG, Zürich, verantwortlich.

H. Widmer, T. Vogel

Einleitung, Aufgabe

Grosse Bauvorhaben sind in den letzten Jahren immer komplexer geworden. Dies bedingt, dass Spezialisten früher in die Projektbearbeitung miteinbezogen werden. Beim Projekt Bahn2000 2. Doppelspur Zürich-Thalwil wurde der Projekt- und Bauleitungsvermesser bereits beim Offerieren der Ingenieurleistungen in das Projekt integriert.

Zu Beginn der Projektierung leistete der Projektvermesser einen ersten grossen Effort mit dem Bereitstellen der Projektgrundlagen. In der Submissionsphase, die im Artikel nicht näher beschrieben wird, legte der Vermesser zusammen mit dem Bauingenieur die Bautoleranzen, Durchschlagsfehler und Deformationsmessungen fest. Da Bautoleranzen und Durchschlagsfehler einen direkten Einfluss auf die Grösse des Ausbruchprofils haben, ist es Sache des Vermessers, die Anforderung des Bauingenieurs von "möglichst genau" auf die Machbarkeit und den vertretbaren Aufwand für die Vermessungsarbeiten abzustimmen. In der Bauausführung übernimmt der Bauleitungsvermesser im vorliegenden Projekt verschiedenste Kontrollaufgaben in der Überwachung von temporären Bauwerken wie Schächten und Baugrubensicherungen, aber auch von neu erstellten Bauwerken. Die guten Projektkenntnisse des Bauleitungsvermessers erweisen sich bei diesen Arbeiten als Vorteil.

Projekt- und Planungsgrundlagen

Allgemeine Projektgrundlagen, Vorarbeiten

Der Projektvermesser ist bei Grossprojekten meist als erster Vermesser vor Ort. So ging es auch beim 2. Doppelspurausbau Zürich-Thalwil in der ersten Projektphase für die Vermesser hektisch zu. Insbesondere in den beiden Voreinschnittbereichen in den dicht überbauten Gebieten von Zürich und Thalwil mussten verschiedene ergänzende Aufnahmen gemacht werden. Dazu gehörten vor allem die Aufnahmen von projektrelevanten Stellen wie bestehende Bauten und Anlagen. Weil der Tunnel zum Teil knapp unter bestehenden Gebäuden durchführt, mussten von verschiedenen Gebäuden die unterirdischen Gebäudeteile aufgenommen werden. Eine besondere Herausforderung stellten die präzisen Absteckungen von Micropfählen im 3. Untergeschoss eines Gebäudes dar, die vor der Messung des Grundlagennetzes ausgeführt werden mussten. Bei sämtlichen Absteckungen wurde auf einen direkten Datenfluss vom Feld auf die CAD-Anlagen der Projektierenden geachtet.

Digitales-Terrain-Modell (DTM)

In den Voreinschnittsbereichen, Tagbaustrecken und Bereichen mit geringer Überdeckung wurde auf Seite Zürich auf einer Streckenlänge von 2.5 km und auf Seite Thalwil auf 0.6 km ein DTM im dicht überbauten Gebiet erstellt. An das DTM wurden verschiedene Anforderungen gestellt. Einerseits sollte es der Projektierung und Umlegung von Stras-sen, Werkleitungen und Tramgleisen dienen, andererseits wurde es zur Bestimmung der Tunnelüberdeckung und Kubaturberechnung benötigt.

Um diesen Bedürfnissen gerecht zu werden, wurde das DTM in zwei Bereiche mit verschiedenen Genauigkeitsstufen eingeteilt. In der Tagbaustrecke (Aufnahmen für Projektierung) wurde ein sehr enger Punktraster mit Aufnahmen aller Details festgelegt. Die Aufnahmegenauigkeit dieser Objekte betrug 1.5 cm in der Lage und 1 cm in der Höhe. In der Bergbaustrecke waren der Detaillierungsgrad und die Genauigkeitsanforderungen entsprechend kleiner. Nach der Auswertung des DTM wurden die Bahnanlagen aufgrund von Aufnahmen der SBB in das Projekt integriert. Der sogenannte "Punktehimmel" wurde mit dem Programm DfA-GRA der Datenbank der festen Anlagen der SBB bearbeitet.

Datenaufbau

Da der Projektvermesser seine Arbeiten vor der Messung des Grundlagennetzes begonnen hatte, war es besonders wichtig, dem Datenaufbau die nötige Aufmerksamkeit zu schenken. Vor den ersten Aufnahmen wurde die Datenstruktur, die Codierung, das Nummerierungssystem und die zu verwendenden Fixpunkte für die Aufnahmen festgelegt. Grundsätzlich erfolgten alle Aufnahmen ab dem Hauptpolygonnetz der Stadt Zürich, dem SBB-Fixpunktnetz und ausgewählten Punkten der Gemeinden Thalwil und Kilchberg.

Bei der Bestimmung des Grundlagennetzes war es wichtig, dass gewisse von uns verwendeten Fixpunkte ins Netz eingebunden wurden. Die Koordinaten des Grundlagennetzes haben wir anschliessend mit den von uns verwendeten Fixpunkten verglichen und, wo nötig, unsere Koordinaten in das übergeordnete Netz transformiert.

Überwachungsmessungen und Baukontrollen

Überwachung Angriffsschächte

Der Tunnelvortrieb erfolgt aus den Angriffsschächten in der Allmend Brunau. Diese beiden Schächte mit einem Durchmesser von 20 und 22 m wurden bis auf 32 m abgeteuft. Ein weiterer Schacht für den Pilotstollen ist rund 18 m tief. Der Qualitätssicherungsplan sieht vor, die Stabilität dieser Schächte mit kombinierten geotechnischen und geodätischen Messungen zu überwachen. Dabei wird die Stabilität der Schachtwände mit Klinometer und Slope-Indicator geprüft. Die Slope-Indicatoren sind als verrohrte Bohrungen in die Schachtwände eingelassen, wobei der Slope-Fuss im standfesten Boden unter den Schächten verankert ist. Der Schachtkopf wird zusätzlich mittels geodätischen Messungen auf der Basis eines überbestimmten Fixpunktnetzes auf Lage- und Höhenverschiebungen periodisch überprüft. In diesen Messungen sind auch die Slope-Indicatoren eingebunden, damit die Stabilität der Slope-Fusspunkte überprüft werden kann. Mit dieser Methode können zudem die durch den Tunnelvortrieb durchtrennten Slopes weiter für die Überwachung verwendet werden.

Konvergenzmessungen

Mit der Durchführung von Konvergenzmessungen verfolgt der Projektingenieur zwei Ziele. Erstens will er überprüfen, ob am Bauwerk Deformationen auftreten, die einerseits das Bauwerk gefährden, andererseits Schäden an der Oberfläche verursachen können. Zweitens will der Bauingenieur anhand der gemessenen Deformationen sein statisches Berechnungsmodell und die Bemessung der Tübbinge überprüfen.

Für den Bau des Tunnels 2. Doppelspur Zürich-Thalwil sind für diese Kontrollen in einem ersten Schritt 20 Messquerschnitte für Konvergenzmessungen vorgesehen. Ihre Lage wurde vor allem in geologisch kritischen Zonen wie im Lockergestein oder in speziellen Bauwerksteilen, z.B. Tunnelausweitung, festgelegt. Gemäss dem Nutzungs- und Sicherheitsplan des Projektingenieurs wird für die Konvergenzmessungen eine Genauigkeit von ± 2 mm m.F. verlangt.

Im ursprünglichen Konzept war vorgesehen, sämtliche Konvergenzmessungen mit dem Distometer ISETH und Invardrähten auszuführen. Auf Seite Thalwil wurden im kurzen Gegenvortrieb auch zwei solche Teilmessquerschnitte eingerichtet und gemessen. Es zeigte sich aber, dass diese Methode im übrigen Bereich mit TBM-Vortrieb nicht eingesetzt werden kann. Die zahlreichen Installationen der TBM unmittelbar hinter der Ortsbrust und der 200 m lange Nachläufer verunmöglichten den Einsatz von Messdrähten.

In diesen Tunnelabschnitten werden die Konvergenzmessungen deshalb mit Reflektoren und einer motorisierten, zielerfassenden Totalstation ausgeführt. Die geforderte Messgenauigkeit kann auch unter diesen erschwerten Bedingungen eingehalten werden.

Prüfung von Tunnelquerschnitten

Ein weiterer Punkt der Qualitätssicherung ist die Überprüfung der Tunnelausbruchprofile und der lagerichtige Einbau der Tübbinge. Zu diesem Zweck ist die Aufnahme von ca. 50 Tunnelprofilen im Sinne einer 3D-Lagekontrolle vorgesehen. Für diese Vermessungsarbeiten wird eine Totalstation mit integriertem reflektorlosem Distanzmesser eingesetzt. Diese Geräte erlauben eine direkte Datenakquisition mit einem Datenübertrag auf die Auswertesoftware. Nach der Berechnung der Aufnahmen wird mittels CAD ein Soll-Ist-Vergleich der Profile vorgenommen. Aufgrund der Auswertungen entscheidet der Projektingenieur, ob allfällige Korrekturen an der Betonstärke des Innengewölbes nötig sind.

Schlussbetrachtung

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass der Projekt- und Bauleitungsvermesser über die ganze Realisierungsphase in das Projekt Bahn2000 2. Doppelspur Zürich-Thalwil als Spezialist integriert ist. Die Grafik zeigt, welche vielseitigen und interessanten Aufgaben er dabei zu lösen hat. Die gute Zusammenarbeit und die umfassende Kommunikation zwischen dem Bauherrn und allen am Projekt Beteiligten trägt dazu bei, dass auch in einem Grossprojekt bei sich immer wieder verändernden Bedingungen schnelle angepasste Lösungen gefunden werden.

 

IG BBPS, c/o Basler & Hofmann
Hans Widmer, Leiter Infrastruktur und Geomatik
Thomas Vogel, Vermessungsingenieur HTL/STV
Ingenieure und Planer AG
Forchstrasse 395
CH-8029 Zürich
e-mail: hwidmer@bhz.ch, www.bhz.ch

 

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Bestellung VPK: verlag@geomatik.ch


Vermessung Bahntechnik

Die Generalunternehmung "ARGE ZITECH" erstellt die gesamte bahntechnische Ausrüsung des Zimmerbergtunnels. Dies beinhaltet Fahrbahnoberbau, Fahrleitung, Kabel, Elektrik, Sicherungs- und Telekommunkationsanlagen. Der GU obliegen auch anspruchsvolle Vermessungsaufgaben. Insbesondere beim Einbau der Festen Fahrbahn werden hohe Genauigkeitsanforderungen gestellt.

Stefan Graf, Urs Schor

Einleitung

Die gesamte bahntechnische Ausrüstung des neuen 9.4 km langen Doppelspurtunnels Zürich-Thalwil wurde von den SBB als Generalunternehmerleistung (GU) ausgeschrieben. Den Zuschlag erhielt die ARGE ZITECH. Diese wird aus folgenden Firmen gebildet:

Ausführende Unternehmungen:
Walo Bertschinger AG, Zürich
Sersa AG, Zürich
GTB, Burgdorf
Furrer+Frey AG, Bern
Baumeler Leitungsbau AG, Luzern
Siemens Schweiz AG, Bern
Kaufmann AG, Goldau

Ingenieurteam:
TBF und Partner AG, Zürich (Projektleitung)
Paul Keller Ingenieurbüro AG, Dübendorf
Ingenieurgemeinschaft Heierli-Marchand, Zürich
SIGWEL AG, Laupen
Grunder Ingenieure AG, Burgdorf

Entsprechend der Vielfalt der ARGE-Partner ist auch das Pflichtenheft der Bahntechnik-GU. Darin enthalten ist von den Schienen über die Fahrleitung, den Sicherungsanlagen bis zur Funkausrüsung alles, was zu einer modernen Bahnstrecke gehört. Die zugehörigen Vermessungsarbeiten sind ebenfalls in der Generalunternehmerleistung enthalten und werden von der Firma Grunder Ingenieure AG ausgeführt.

Der neue Tunnel wird nicht mit einem Schotteroberbau sondern mit einer festen Fahrbahn in Ortsbeton ausgestattet. Vorteile der festen Fahrbahn gegenüber einem Schotteroberbau liegen vor allem im bedeutend kleineren Unterhaltsaufwand. Dieser Vorteil kommt insbesondere bei Tunnelstrecken stark zum Tragen.

Die Erstellung der Gleistragplatte für die feste Fahrbahn (FF) obliegt dem Rohbauunternehmer. Der Generalunternehmer Bahntechnik verlegt Schienen und Schwellen, positioniert sie in die korrekte Lage und fixiert diese durch Einbetonieren der Schwellen auf den in der Gleistragplatte vorgefertigten Längsaussparungen.

Bei den Tunneleinfahrten wird die Betonplatte für die Fahrbahn aus Gründen des Erschüttrungsschutzes auf Hartgummilager abgestützt. Die Bereiche mit diesem sogenannten Masse-Federsystem (MFS) werden vollständig von der ARGE ZITECH erstellt. Die gesamten Ingenieurarbeiten FF/MFS obliegen ebenfalls der Bahntechnik-GU.

Einbauverfahren Feste Fahrbahn

Der Gleisrost bestehend aus Schienen und Schwellen wird in einem ersten Arbeitsschritt auf die vorhandene Gleistragplatte verlegt. Für diese provisorische Positionierung (+/- 3 cm) genügt die Ausrichtung nach den vorhandenen Banketten. Vor dem Grobrichten werden die provisorischen Verlaschungen wieder demontiert, um allfälligen Spannungen Platz zu verschaffen. Das Gleis wird mittels mehreren Hebe-Richtgeräten in die richtige Position (in Höhe und Lage) gebracht und mittels den speziellen Aufständerungsspurhaltern fixiert. Der angestrebte Toleranzwert beträgt +/- 5 mm. Als nächster Schritt erfolgt das Feinrichten des Gleises. Dabei wird das Gleis mit den Feinregulierungs-Mechanismen der Aufständerungsspurhalter in die genaue Endlage gebracht und gehalten. Die Positionierung wird mittels Theodolit überprüft. Die Feinricht-Equipe meldet dem Vermesser die gemessene Ueberhöhung und der Vermesser misst die Lage und Höhe ein und gibt der Equipe die allfälligen Abweichungen an. Nach der Korrektur wird der Messvorgang wiederholt, und zwar so lange, bis die Endtoleranz von +/- 3 mm im Minimum um die Hälfte unterschritten ist. Das Gleis wird nun wieder verlascht. Während dem Feinrichten werden keine anderen Arbeiten in der näheren Umgebung ausgeführt, um Messfehler durch Erschütterungen und allfällige Staubentwicklung zu vermeiden.

Messkontrolle vor dem Betonieren

Unmittelbar vor dem Betonieren wird die Gleislage nochmals überprüft und falls notwendig noch einmal feingerichtet. Nach der Freigabe durch den Vermesser wird das Gleis einbetoniert. Nach dem Abbinden des Betons und dem Ausbau der Spurhalter findet eine weitere Kontrollmessung der Gleislage statt. Diese Nachkontrolle ist nötig, um eventuelle Verschiebungen des Gleises während dem Betoniervorgang festzustellen. Sollte es solche geben, werden die Resultate dazu verwendet, um dieser Verschiebung in der nächsten Etappe vorzubeugen.

Spezialfall Masse-Feder-System (MFS)

In den Abschnitten mit MFS wir die Gleistragplatte auf der Tunnelsohle betoniert, anschliessend mit hydraulischen Pressen angehoben und die Gummilager eingeschoben. Für die Betonarbeiten ist eine sehr hohe Schalungsgenauigkeit gefordert (kleiner 5mm). Zur Sicherstellung dieser Genauigkeit werden alle Hilfspunkte zur Positonierung der Schalung vom Vermesser gegeben.

Vermessungskonzept

Problemstellung

Die vorgesehenen Betriebsgeschwindigkeiten im Zimmerbergtunnel setzen eine hochgenaue Gleisabsteckung voraus. Neben dem Erstellen eines Präzisionsfixpunktnetzes müssen für den geplanten schotterlosen Gleisbau zusätzliche, sehr genaue Hilfspunkte zur Verfügung gestellt werden. Die Messmethodik ist für alle Objektabsteckungen (Fahrbahn, Weichen, Fahrleitung/Bahnstrom, technische Installationen, etc.) prinzipiell dieselbe. Unterschiede ergeben sich einzig in den Genauigkeitsanforderungen an die abzusteckenden Punkte. Deshalb wird im folgenden das Messkonzept mit den relevanten Genauigkeitsüberlegungen an der Absteckung der Gleise erläutert, da an diese Arbeit die höchsten Genauigkeitsanforderungen gestellt werden.

Genauigkeitsanforderungen

Die vorgegebene "Verlegegenauigkeit" entspricht dem in der Vermessung geläufigen Ausdruck der "mittleren Fehlerellipse". Bei der Verlegegenauigkeit muss zwischen absoluter und relativer Verlegegenauigkeit unterschieden werden. Unter absoluter Verlegegenauigkeit versteht man die Genauigkeit in bezug auf das Fixpunktnetz. Die relative Verlegegenauigkeit ist definiert als Genauigkeitsmass zwischen zwei Prüfpunkten auf einer Schiene. Weitere, für das Verlegen massgebende Parameter sind die Überhöhungsgenauigkeit sowie die Verwindungsgenauigkeit (Überhöhungsänderung). Die relative Verlegegenauigkeit ist so zu definieren, dass diese beiden Genauigkeitswerte unter Berücksichtung des Gauss’schen Fehlerfortpflanzungsgesetzes jederzeit eingehalten werden können.

Fixpunktnetz

Das projektspezifische Fixpunktsystem ist entlang dem Tunnelparament mittels Gleisversicherungsbolzen materialisiert. Um die geforderten Genauigkeiten einzuhalten, müssen die Gleisversicherungsbolzen mit einer Genauigkeit besser als 1 mm bestimmt sein.

Absteckung von Hilfspunkten zum Verlegen der Gleise

Zum Verlegen der Gleise werden Hilfspunkte benötigt. Diese werden von Freien Stationen aus, welche an das Fixpunktnetz angeschlossen werden, abgesteckt. Durch die Überbestimmung bei der Berechnung der Freien Stationierung werden jeweils gleichzeitig die Fixpunkte überprüft. Da die Absteckung nur in einer Lage erfolgt, ist neben den zufälligen Messfehlern das Eliminieren von systematischen Fehlern für die Genauigkeit der Absteckung wesentlich.

Bestimmung der Abstände von der Sollachse

Nach dem Verlegen der Gleise müssen deren Ist-Lagen bestimmt werden. Dies erfolgt für die einzelnen Schienenstränge separat. Mit Hilfe eines Adapters, der bündig auf die Schienen gesetzt wird, kann die Schienenposition bestimmt werden. Die Abstände zur Solllage werden mit Hilfe des Programmes GriRail berechnet. Der Überhöhung der Gleise wird dabei Rechnung getragen. Dieser Rechenschritt liefert Korrekturwerte quer zur Achse, welche der Bauausführende an den Gleisen anbringen kann. Vor dem Einbetonieren werden die Gleise erneut kontrolliert. Die Restkorrekturen müssen nun alle innerhalb der Verlegetoleranz liegen. Schliesslich erfordert die Qualitätssicherung ein erneutes Einmessen der Schienenstränge nach Abschluss der Gleisbauarbeiten.

Absteckung Fahrleitung/Bahnstrom und übrige Bahntechnikelemente

Das prinzipielle Vorgehen ist gleich wie bei der Absteckung der festen Fahrbahn. Der einzige Unterschied liegt in den geforderten Genauigkeiten, da hier oft nicht die gleiche Präzision verlangt wird wie bei der Absteckung der festen Fahrbahn. Von freien Stationierungen aus, welche sich auf das Fixpunktsystem im Tunnel abstützen, werden die Objektpunkte polar mit einem Präzisionstachymeter abgesteckt.

Kontrolle der abgesteckten Punkte

Alle abgesteckten Punkte werden jeweils durch eine unabhängige Messung nochmals aufgenommen und verifiziert. Falls die Differenz zu den Soll-Koordinaten den vorgegebenen Toleranzwert überschreitet, wird dies dem Bauunternehmer mitgeteilt und die Absteckung korrigiert.

Stefan Graf, dipl. Ing. ETH/SIA
Urs Schor, dipl. Verm. Ing. ETH
Grunder Ingenieure AG
Bernstrasse 21
CH-3400 Burgdorf
griag@grunder.ch

 

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Bauherrenvermessung

Die vom Bauherrn eines grossen Tunnelprojektes normalerweise direkt in Auftrag gegebenen und betreuten Vermessungsarbeiten umfassen detaillierte a priori Genauigkeitsanalysen, die Erstellung des oberirdischen Grundlagennetzes, Kontrollen des Vortriebs untertage, Deformationsmessungen von gefährdeten, bestehenden Objekten (Häusern, Werkleitungen, Gleisen etc), baubegleitende Absteckungen und Dokumentationen über das Bauwerk. Die SBB haben diese Arbeiten der Ingenieurgemeinschaft IG ZI-HI, bestehend aus terra vermessungen ag, Zürich, Schneider Ingenieure AG, Chur und Emch + Berger AG, Zürich übertragen.

Urs Müller, Franz Krebs

Grundlagennetz

Der Tunnelvortrieb über die beiden Teilstücke vom Meinrad Lienert-Platz in der Stadt Zürich bis nach Litti im Kanton Zug erstreckt sich über ca. 22 km und wird nach dem neuen Gotthard Basis-Tunnel der zweitlängste Tunnel der Schweiz. Bauwerke dieser Grössenordnung können nicht einfach vom bestehenden, offiziellen Triangulationsnetz aus gebaut werden, da die Genauigkeit und Zuverlässigkeit den gestellten Anforderungen nicht genügt.

Grundlagennetze über so grosse Flächen sind im schweizerischen Mittelland mit konventionellen Mitteln (Winkel- und Distanzmessungen) nur mit sehr grossem Aufwand zu bestimmen. Die dicht bewaldeten Hügel verhindern direkte Visurlinien zwischen benachbarten Geländekammern. Als wirtschaftlich optimierte und den Projektanforderungen genügende Lösung wurde das neue Grundlagennetz als Kombination von fünf lokalen, terrestrisch gemessenen Netzen bei allen Angriffsstellen mit einem übergeordneten, lokalen GPS-Netz bestimmt. Zur unabhängigen Kontrolle des gesamten Netztes wurden fünf LV 95 Punkte der Landestopographie mit einbezogen.

Bei neuen Bahnprojekten steht jedoch nicht die Anbindung an ein übergeordnetes Fixpunktnetz im Vordergrund. Von grösserem Interesse sind Netzdifferenzen bei den drei Knotenpunkten zu den bestehenden Gleisanlagen. Im vorliegenden Projekt musste eine Lösung mit möglichst geringen Netzzwängen beim ca. ein Kilometer langen Anschluss Zürich, beim Anschluss Thalwil und beim Anschluss Litti gefunden werden. Dabei wollten wir von einem zwangsfreien, homogenen Gesamtnetz nicht abweichen. Dies führte zur definitiven Lagerung des Werksnetzes auf ausgewählten Festpunkten des SBB-Netzes bei den oben erwähnten Knotenpunkten.

Die strenge, kombinierte Netzausgleichung bestätigte die a priori Genauigkeitsberechnung. Die erreichte horizontale Genauigkeit im Netz beträgt ca. ± 3 mm (1 s ), mit Restklaffen zum Bahnfixpunktnetz bis. ca. 50 mm.

Für das höhenmässige Grundlagennetz wurde ein Präzisionsnivellement über die ganze Länge gemessen. Nach Möglichkeit sind bestehende Nivellementzüge mitverwendet worden. Zwischen diesen Zügen und den einzelnen Angriffsstellen mussten neue Anschlüsse bestimmt werden. Die Restklaffen zum Bahnfixpunktnetz betragen bis 5 mm.

Die Festlegung der definitiven Netzlagerung erfolgte in enger Zusammenarbeit mit den SBB und den projektierenden Ingenieuren. Die sich daraus ergebenden Konsequenzen für alle Vermessungsbeteiligten dürfen dabei nicht unterschätzt werden, denn Restklaffen von 50 mm können im Bahnbereich nicht einfach ausgeglichen werden. Die bestehenden Bahnfixpunktnetze in Zürich und Litti wurden von der SBB entsprechend angepasst. Die ausgewiesenen Restklaffen in Thalwil zeigen alle in Gleisrichtung und sind deshalb für dieses Bauvorhaben nicht relevant.

Der Versicherung der Grundlagenpunkte ist grösste Aufmerksamkeit zu schenken. Nebst der Stabilität ist auch der Gebrauchstauglichkeit von über 15 Jahren Rechnung zu tragen. Dies ist vor allem in städtischen Bereichen nicht einfach zu erfüllen.

Tunnelkontrollen

Auf der Allmend in der Brunau wurden, für Schweizer Verhältnisse eher unkonventionell, zwei vertikale, runde Startschächte mit Durchmessern von 22 m bzw. 20 m und Tiefen von 30 m erstellt. Die beiden Schächte liegen nur 70 m auseinander und dienen während der ganzen Bauarbeiten dem Abtransport des Aushubmaterial sowie der Zufuhr aller für den Bau notwendigen Betonelemente und Materialen. Selbstverständlich erfolgt auch die Lüftung, Strom- und Wasserversorgung etc. über die gleichen Schächte.

Mit detaillierten a priori Genauigkeitsberechnungen wurde ein wirtschaftliches und den für die Vermessung nicht gerade optimalen Ausgangsbedingungen genügendes Messkonzept entwickelt. Als Genauigkeitsvorgaben mussten folgende Bedingungen erfüllt werden:

  • Toleranz Startpunkt: Höhe ± 5 mm, Lage ± 10 mm
  • Toleranz Brunau à Meinrad Lienert-Platz: Höhe ± 30 mm, Lage ± 100 mm, ca. 3 km
  • Toleranz Brunau à Thalwil: Höhe ± 30 mm, Lage ± 150 mm, ca. 7 km

Die auf den ersten Blick recht grosszügigen Toleranzen schmelzen jedoch bei näherer Betrachtung wie Schnee in der Sonne. Die Toleranzen sind nämlich als maximal zulässige Fehler über die ganze Vortriebslänge bis zum jeweiligen Durchschlag definiert und müssen die zufälligen und systematischen Fehleranteile enthalten. Diese Aufteilung ist sehr entscheidend, denn schlussendlich ist der Vermessungsunternehmer für die Einhaltung der Toleranz alleine verantwortlich. Erschwernisse durch Sichtbehinderungen durch feste Installationen in den Startschächten und starke Refraktionseinflüsse in den Portalbereichen erschweren die a priori Berechnungen zusätzlich.

Die Aufteilung der gesamten Toleranz in zufällige und systematische Fehleranteile führte anfänglich zu umfangreichen Diskussionen aller Beteiligten. Erfahrungswerte von ähnlichen Bauvorhaben sind nur sehr beschränkt vorhanden.

Diese Aufteilung ist jedoch von sehr entscheidender Bedeutung, denn a priori Berechnungen können nur den Anteil der zufälligen Fehler modellieren. Die systematischen Fehleranteile können bei Tunnelvermessungen die Grösse der zufälligen Fehler leicht übersteigen. Wir haben uns in Absprache mit dem Auftraggeber geeinigt, den Fehleranteil für die systematischen Fehler bei beiden Vortriebsstrecken mit 50 mm zu definieren. Damit bleiben für die Strecke bis Meinrad Lienert-Platz noch 50 mm für die zufälligen Fehleranteile. Da diese als Toleranz definiert sind, entsprechen sie bei 98.8 % Eintreffenswahrscheinlichkeit dem 2.5-fachen mittleren Fehler. Das der a priori Berechnung zu Grunde liegende Messkonzept muss also einen mittleren Querfehler von ± 20 mm (1 s ) über die ganze Vortriebslänge garantieren. Die maximalen Werte der Zuverlässigkeit wurden mit 50 mm definiert.

Um die Genauigkeitsvorgaben wirtschaftlich erfüllen zu können, müssen Präzisions-Kreiselmessungen durchgeführt werden (siehe nachfolgender Bericht Prof. Dr. Heister). Die sehr steilen Visuren durch die Vertikalschächte in der Brunau erlauben nur einen Vortrieb unter Berücksichtigung der definierten Toleranzen von ca. 1 km. Ueber die ganze Vortriebsstrecke sind drei Kreiselkontrollen notwendig. Die Lotungen durch die beiden Lüftungsschächte "Lätten" und "Kilchberg" der Teilstrecke Brunau – Thalwil dienten als zusätzliche Kontrolle und wären aus rein fehlertheoretischen Ueberlegungen nicht zwingend notwendig.

Im Tunnel sind im Abstand von ca. 500 m Fixpunkte auf die Betonelemente (Tübbinge) aufbetoniert worden und mit einem Schacht abgedeckt (siehe Skizze). Auf Nahversicherungen wurde verzichtet, da sich bei lokalen Deformationen in der Regel der ganze Betonring bewegt. Zwischen diesen Hauptpunkten wird jeweils ein zusätzlicher Hilfspunkt in einem Entwässerungsschacht bestimmt. Diese Zwischenpunkte sind zwingend notwendig, um auch Vermessungen der Unternehmung während der Vortriebsarbeiten (schlechte Sicht durch Staub etc.) ausführen zu können.

Die eigentlichen Vortriebskontrollen werden immer als übergreifender Polygonzug gemessen. Dabei ist unbedingt darauf zu achten, dass die Visurlinien absolut frei sind. Der Minimalabstand zu Tunnelwänden, Fahrzeugen etc. darf 1 m keinesfalls unterschreiten.

Die Lüftung sollte ausgeschaltet, die Sicht aber trotzdem gut sein. Der Vortrieb der TBM (Tunnelbohrmaschine mit ca. 12.3 m Durchmesser) wurde in der Regel am Wochenende eingestellt. Deshalb führten wir die Vortriebskontrollen nach Möglichkeit am Wochenende durch.

In der Schweiz ist es üblich, dass der Vermesser der Unternehmung die jeweils neu erstellten ein bis zwei Punkte einmisst und der Bauherrenvermesser diese nach Bedarf kontrolliert. Für den weiteren Vortrieb werden die Messresultate des Bauherrenvermessers verwendet.

Nach ca. 2.5 km Vortrieb begann die Unternehmung mit dem Ausbruch des ersten Lüftungsschachtes "Lätten". Bis die erste Lotung durch diesen ca. 60 m tiefen Schacht erfolgen konnte, legte die TBM mit Spitzentagesleistungen von über 40 m weitere 1.5 km zurück. Die optische und mechanische Lotung, verbunden mit einer Präzisionsdistanzmessung zeigt eine horizontale Abweichung von 16 mm und eine Höhendifferenz von 5 mm. Diese Differenzen wurden gewichtet ausgeglichen und die Fixpunktkoordinaten entsprechend umtransformiert. Nach dem gleichen Verfahren erfolgten die Messungen und Ausgleichungen nach 4.5 km beim Schacht Kilchberg. Vom zweispurigen Haupttunnel aus wird der Anschluss Thalwil mit zwei konventionell zu erstellenden Einspurröhren realisiert. Der Durchschlag wird im Sommer 2001 erwartet.

Aus politischen und finanziellen Gründen konnte die TBM den 2. Teil des Bauvorhabens, den weiteren Vortrieb von Thalwil bis Litti (weitere 11 km) nicht direkt fortsetzen. Die TBM wurde deshalb nach ca. 5.6 km Vortrieb zerlegt und abtransportiert. Nach heutigem Projektstand wird der zweite Teil dieses Tunnelbauwerkes ab 2006 in Gegenrichtung von Litti Richtung Thalwil erstellt.

Nach dem Ausfahren der ersten TBM aus der Installationszone Richtung Thalwil montierte die Unternehmung eine zweite TBM in den gleichen Startschächten mit Zielrichtung Zürich. Vermessungstechnisch stellten sich hier keine grossen Probleme mehr, denn als Startrichtung konnte die überprüfte Basis der ersten TBM verwendet werden. Der Durchschlag beim Meinrad Lienert-Platz, nach Durchfahren einer sehr heiklen Lockergesteinszone im Grundwasser, wird Ende 2000 erwartet.

Setzungsmessungen

Im Portalbereich Thalwil und auf der ganzen Strecke Brunau bis Meinrad Lienert-Platz unterfährt die TBM Häuser, Bahngleise, Strassen mit Werkleitungen etc. in sehr geringer Tiefe. Der Baugrund ist über grössere Strecken sehr schlecht und der Grundwasserspiegel liegt teilweise über dem Tunnelfirst.

Als vorsorgliche Sicherungsmassnahme wurden über diesen ca. zwei Kilometer langen Bereich ca. 800 Höhenkontrollpunkte an Häusern, Schienen, Oeltanks, Strassen etc. versetzt und eine Nullmessung durchgeführt. Verteilt über die ganze Bauzeit kontrollierten wir diese Objekte mit ca. 1100 örtlich begrenzten Messungen.

Im kritischsten Abschnitt werden seit über einem Jahr sehr dichte, seitliche Bohrungen, verbunden mit stabilisierenden Injektionen, aus einem vorgängig erstellten Pilotstollen erstellt. Dieser 470 m lange Pilotstollen mit 3.5 m Durchmesser läuft parallel zum Hauptstollen.

Durch die Injektionen sind alle darüber liegenden Objekte durch Hebungen gefährdet. Vor Inangriffnahme dieser Arbeiten sind im gefährdeten Bereich Höhenkontrollpunkte angebracht und es ist eine Nullmessung durchgeführt worden. Täglich werden ausgewählte Punktgruppen nivelliert und die Resultate innerhalb von ca. zwei Stunden der Bauleitung in graphischer Form per e-mail übermittelt.

Die letzten 700 m Vortrieb im Lockergestein stellen die grösste Gefährdung dar. Zur weiteren Risikominimierung hat sich die SBB entschlossen im jeweiligen Bereiche der TBM die Objekte an der Oberfläche permanent mit einem automatisch messenden System zu überwachen.

Die eigene Software für drei unabhängig messende Tachymetersysteme, die dem Tunnelvortrieb entspechend laufend umgesetzt werden, musste den speziellen Bedürfnissen angepasst werden. Für die Fixierung der Kontrollpunkte im stark beanspruchten Strassenbereich musste auch zuerst eine Lösung gefunden werden. Die Messstationen sind so ausgerüstet, dass jede von einem lokalen, eigenen Computer gesteuert wird. Die Auswertung erfolgt ebenfalls automatisch vor Ort. Die Messresultate werden bei normalem Betrieb täglich zusammengefasst und in graphischer Form per GSM-Modem als e-mail direkt an alle Interessierten versandt. Beim Ueberschreiten von definierten Alarmwerten werden ebenfalls automatisch e-mails, Faxe und SMS-Meldungen (Natel) übermittelt.

Die Überwachung der Messstationen erfolgt per Modem direkt von unserem Büro aus.

Bauwerksüberwachung / Gleisüberwachung

Bei den Anschlüssen an die bestehenden Bauwerke müssen im gleis- und gleisnahen Bereich grössere Anpassungen realisiert werden. Die Sicherheit der befahrenen Gleise muss während der ganzen Bauzeit gewährleistet sein. Dazu sind die unter Betrieb stehenden Gleise höhenmässig periodisch zu überprüft. Die Sicherheit des Bahnbetriebs, wie auch des eingesetzten Messpersonals muss dabei immer im Vordergrund stehen.

Im Bereich des Kohledreiecks, kurz vor der Einfahrt in den Hauptbahnhof Zürich, ist der Aufwand für das Sicherheitspersonal durch das grosse Verkehrsaufkommen und die sehr schlechten Sichtverhältnisse oft grösser als der eigentliche Messaufwand.

Gleise werden in der Regel periodisch nivelliert und bei Ueberschreiten der bahnseitig definierten Richtwerte vom entsprechenden Bahndienst umgehend wieder in die Sollhöhe gebracht. Zusätzlich werden an Spund- und Rühlwänden lagemässige Kontrollmessungen mit Tachymetern ausgeführt.

Für die stark frequentierten Gleise in Zürich haben wir eine einfachere und schnellere Lösung für die Höhenkontrolle der Gleise entwickelt. Eine einfachere Ausführungsart des gemeinsam mit der Fachhochschlue Burgdorf entwickelten kinematisch messenden Gleismesswagens kommt hier als Testversion zum Einsatz. Längs- und Querneigungssensoren, verbunden mit einer Distanzmessung werden von einem Computer on-line ausgewertet und die Differenzen gegenüber einer Nullmessung berechnet und graphisch ausgewiesen. Ein ca. 600 m langes Gleisstück kann von einer Person mit der ca. 25 kg schweren Messausrüstung in weniger als 10 Minuten gemessen und beurteilt werden.

Kontrolle Rohrschirm Meinrad Lienert-Platz

Vor der Zielbaugrube beim Meinrad Lienert-Platz durchfährt die TBM sehr schlechten Baugrund mit einer minimalen Ueberdeckung von ca. 3.50 m. Deshalb wurde in einer Zone von ca. 160 m Länge ein Rohrschirm erstellt. Dieser besteht aus 10 einzeln im Pressvortrieb erstellten Rohrsträngen mit 1.25 m Durchmesser und bildet ein "Schutzdach" das die TBM dann unterfahren kann. Um eine optimale Wirkung zu erreichen, müssen die einzelnen Rohrstränge möglichst genau vorgepresst werden. Dies stellt an die Unternehmung grosse Anforderungen, denn die Rohrstränge müssen horizontal in einer Klothoide und vertikal in einem Ausrundungsradius liegen.

Die Aufgabe des Vermessers bestand in der Ueberprüfung des Vortriebes. Trotz des geringen Durchmessers von nur 1.25 m und den eher knappen Luftverhältnissen musste in jedem Rohrstrang ein Polygonzug bis zur Brust gemessen werden. Die Messungen konnten hier nur über angeschraubte Spezial-Konsolen erfolgen, da ein Kreuzen von Personal sonst nicht mehr möglich war. Als zusätzliche Erschwernis machten uns die enorm grossen Refraktionseinflüsse durch starke Temperaturdifferenzen und wandnahe Visuren zu schaffen. Vertikale Refraktionseinflüsse bis 70 mm auf Distanzen von weniger als 80 m waren durchaus üblich.

Absteckung offene Strecke

Für die Absteckung der offenen Strecken fanden einerseits die bestehenden Gleisversicherungsbolzen der SBB Verwendung und anderseits die für das Grundlagennetz bestimmten Fixpunkte. In diesen Zonen musste klar unterschieden werden, welches Fixpunktnetz für welche Absteckungen verwendet werden muss. Dank klarer Absprachen führte dies zu keinen Problemen.

Die Absteckungen erfolgten nach den Gepflogenheiten der SBB. Verwendet wurde das SBB eigene Programmpaket corail. Dieses erlaubt die Berechnung einer "Freien Station" auf Grund der Gleisversicherungspunkte. Der Vorteil dieser Absteckungsmethode liegt in der dreidimensionalen Verfügbarkeit der Daten für Absteckungen und Kontrollen von Weichen, Gleisen etc. Die Absteckung von Einzelpunkten (Mastfundamente, Schächte etc.) erfolgte stets indirekt. Dabei wird eine Markierung am nächstliegenden Gleis angebracht und der kürzeste Abstand zum Punkt direkt an die Schiene geschrieben. Den im Bahnbereich tätigen Unternehmern ist dieses Vorgehen gut bekannt, die Umsetzung bereitete deshalb keine Probleme.

Als grösstes organisatorisches Problem ist auch hier die Sicherheit zu nennen. Ohne entsprechendes und genehmigtes Sicherheitsdispositiv und der für diese Strecke ausgebildeten Sicherheitswärter darf der Gleisbereich nicht betreten werden. Dies gilt auch für Begehungen und Vorbereitungsarbeiten.

Dokumentation über das Bauwerk

Bei einem Tunnelbau wird selbstverständlich nicht nur ein Loch erstellt. Unzählige Leitungen und bahntechnische Objekte werden während der ganzen Bauzeit erstellt und teilweise vergraben. Den später nicht mehr direkt sichtbaren Objekten muss während der Bauphase grösste Aufmerksamkeit gewidmet werden. Sie müssen laufend eingemessen und so aufbereitet werden, dass sie später in die DfA (Datenbank der festen Anlagen) integriert werden können.

Alle weiteren Objekte werden periodisch, kurz vor Vollendung von Teilabschnitten des Gesamtbauwerkes, eingemessen und entsprechend dokumentiert werden. Als Basis für diese Arbeiten dienen die neu bestimmten Gleisversicherungspunkte.

Schlussbemerkung

Die uns gestellten Aufgaben waren fachlich wie auch terminlich teilweise recht anspruchsvoll. Das gute Klima zwischen allen Beteiligten an diesem grossen Bauvorhaben, verbunden mit den sehr interessanten Arbeiten, führte zu einer grossen Motivation aller Beteiligten. Auch hier zeigte sich sehr deutlich, dass einer guten Kommunikation zwischen allen Beteiligten grösste Aufmerksamkeit geschenkt werden muss. Nur so kann ein firmenübergreifendes Team mit einem gemeinsamen Ziel geschaffen werden. Dazu tragen auch die im Tunnelbau noch recht zahlreichen Feiern wie "Anfahren" der TBM, 1000. Tübbing, Barbarafeier, Durchschläge etc. bei.

Wir freuen uns heute schon auf die erneute Herausforderung bei der Realisierung des 2. Teils von Litti bis Thalwil im Jahre 2006.

 

Urs Müller, Franz Krebs
IG AlpTransit ZI-HI
c/o terra vermessungen ag, Zürich
Obstgartenstrasse 7
CH-8035 Zürich
e-mail: terra@terra.ch

 

Vollständige Version siehe VPK 12/2000
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Orientierungskontrolle mit Hilfe von Präzisions-Kreiselmessungen

Zur präzisen Übertragung der Orientierung wurden Präzisionskreiselmessungen mit dem GYROMAT durchgeführt. Es werden das Beobachtungsverfahren und die notwendigen Korrektionen und Reduktionen beschrieben. Weiterhin werden die in diesem Projekt erreichten Beobachtungsgenauigkeiten und Durchschlagsergebnisse vorgestellt.

H. Heister

Zur Vortriebskontrolle und Überprüfung der Richtungsübertragungen in den Schächten Brunau Nord und Süd wurde der Präzisionskreiseltheodolit GYROMAT der DMT, Bochum eingesetzt. Die Messungen wurden durch das Institut für Geodäsie der Universität München durchgeführt, das nunmehr eine über zwanzigjährige Erfahrung mit diesem hochgenauen, sensitiven Meßinstrument nachweisen kann (Caspary, Heister, 1981). Prinzipiell ist der Meßvorgang zur Bestimmung des Azimutes, bezogen auf die instantane Rotationsachse der Erde, beim GYROMAT automatisiert. Das Meßverfahren besteht aus einer elektro-optischen Integration der Amplituden eines frei schwingenden Kreiselrotors über eine volle Periode. Aus diesen Messungen wird die Schwingungsmittellage berechnet und als endgültiges Meßergebnis angezeigt. Diese auf das Kreiselgehäuse bezogene Richtung muß auf den Kreisnullpunkt des Theodoliten transformiert werden. Die Beziehung wird numerisch durch den Kalibrierwert beschrieben.

Die kurze Darstellung des Meßvorganges soll erläutern, daß generell durch die Abhängigkeit vom Kalibrierwert eine Kreiselmessung nur zur Richtungsübertragung dient und keine Absolutmessung darstellt. Konstanz des Kalibrierwertes sowie Temperatureinflüsse auf Sensorik und Mechanik des Gerätes charakterisieren wesentlich die Meßgenauigkeit des Kreiseltheodoliten (Heister, Lechner, Schödlbauer, 1990). Vom Hersteller wird die erreichbare Genauigkeit einer Kreiselmessung mit < 1 mgon spezifiziert. Um diese Genauigkeit in der Praxis zu erreichen und garantieren sind verschiedene Prüfverfahren und Beobachtungsmethoden anzuwenden:

Überprüfungen vor dem Feldeinsatz

  • Monatliche Überprüfung des Gyromaten auf einwandfreie Funktion; Durchführung von 5-10 Messungen und Bestimmung der Standardabweichung.
  • Überprüfung des Kalibrierwertes auf astro-geodätischer Referenzlinie in regelmäßigen Intervallen von 4-6 Monaten.
  • Stabilitätsprüfung des Kalibrierwertes alle 1-2 Monate auf Laborreferenz (Autokollimationsspiegel).
  • Bestimmung der Temperaturkorrektion in Klimakammer zwischen 0°C und 40°C (s. Abb.1) Diese Kalibrierprozedur ist sehr zeitaufwendig und sollte einmal pro Jahr wiederholt werden.

Durchführung der Feldmessungen

Zur Übertragung der lokalen Orientierung des projektbezogenen Grundlagennetz auf eine Seite des Tunnelpolygons wird folgendes Beobachtungsschema angewandt:

  • Bestimmung des lokalen Kalibrierwertes auf einer Referenzlinie des Grundlagennetzes.

Diese Linie muß sehr sorgfältig ausgewählt und beobachtet werden, da sie für den gesamten Bauablauf die Orientierung des Vortriebs repräsentiert. Die Beobachtungspfeiler müssen stabil gegründet sein; die Visur sollte ca. 500 m betragen und möglichst gering durch Horizontalrefraktion gefährdet sein. Es sind mindestens jeweils drei Kreiselazimute im Hin- und Rückgang zu messen.

  • Azimutmessungen im Tunnel.

Jede Polygonseite, die vom Auftraggeber vorgegeben wird, wird durch je drei Kreiselmessungen im Hin- und Rückgang orientiert. Die Messungen sollten wenn möglich auf stabilen Konsolen durchgeführt werden. Bei Stativaufstellungen – hierfür wurde eine spezielle Adaption für schwere Kern-Stative vorgesehen – ist eine Beobachtungsanordnung in Tunnelmitte anzustreben.

  • Nach Abschluß der Messungen im Tunnel sind auf der Referenzlinie nach gleichem Beobachtungsschema Azimutmessungen zur Bestimmung und Überprüfung des lokalen Kalibrierwertes zu wiederholen.

Auswertung der Azimutmessungen

Um die gemessenen Weisungen mit den ebenen Richtungswinkeln im vorgegebenen, lokalen Koordinatensystem zu vergleichen, sind folgende Korrektionen und Reduktionen anzu-bringen:

a) Instrumentebezogene Korrektionen

  • Kalibrierwert E
  • Lokale Kalibrierwertkorrektur D E
  • Reduktion vT auf Bezugstemperatur T0

b) Reduktionen zur Projektion auf die Bezugsfläche

  • Term dA zur Berücksichtigung der Lotabweichungen
  • Reduktion da wegen Zielpunkthöhe
  • Meridiankonvergenz c nach der Formel von Zanini
  • Übergang dT vom ellipsoidischen Richtungswinkel T zum ebenen Richtungswinkel t

Im hier vorgestellten Projekt konnte im wesentlichen das vorweg beschriebene Beobachtungsschema eingehalten werden. Zur Festlegung der Referenzlinie – ca. 390 m lang - wurden zwei Fixpunkte des Grundlagennetztes in der Nähe des Lüftungsschachtes Lätten bei Zürich-Wollishofen ausgewählt. Diese durch Bodenpunkte vermarkte Linie liegt in leichter Hanglage und ist bei bestimmten Witterungsbedingungen schwach refraktionsgefährdet. So konnten refraktionsbedingte Differenzen zwischen Hin- und Rückmessung von 2 mgon signifikant festgestellt werden.

Alle Reduktionen wurden unter Vorgabe des geodätischen Datums für die schweizerische Projektion (Bessel Ellipsoid, CH 1903+) berechnet. Die Terme dA zur Berücksichtigung der Lotabweichungen , die aus dem Marti-Geoid abgeleitet wurden, betrugen maximal 1 mgon, ihre Differenz zwischen Referenzlinie und Tunnel-Polygonseite 0,24 mgon.

Für die Messungen im Tunnel wurden Stativaufstellungen notwendig (s. Abb2), da keine Beobachtungskonsolen vorgesehen waren. Die Zentriergenauigkeit bei dem bereits erwähnten Kern-Zentriersystem kann mit ca. 2 mm angegeben werden. Die Polygonseiten verlaufen in dem großen Tunnelquerschnitt von ca. 12.3 m bis ca. 2 m außerhalb der Achse, so daß durch diese Asymmetrie ebenfalls ein leichter Refraktionseinfluß von ca. 2 mgon meßbar wurde. Insgesamt wurde jedoch durch die relativ stabilen Temperaturverhältnisse während der Messungen dieser systematische Fehler durch die Beobachtungsanordnung nahezu kompensiert (Heister, 1992,1997).

Obwohl die Temperaturen teilweise unter "Null" °C lagen, konnte bei allen Kreiselmessungen für die Richtungsübertragung eine Standardunsicherheit des Azimutmittels von sM < 0,5 mgon erreicht werden. Diese hohe Genauigkeit ist durch die Lotungen im Schacht Lätten und Kilchberg bestätigt worden. Sie weisen - für die für Orientierungsmessungen relevanten Querabweichungen - Werte von maximal 15 mm auf . Dies entspricht einer Verdrehung von nur 0,2 mgon, bezogen auf den 4,47 km entfernten Startschacht Brunau.

 

Prof. Dr.-Ing.habil. H. Heister
Institut für Geodäsie
Universität der Bundeswehr München
D-85579 Neubiberg
e-Mail: h.heister@unibw-muenchen.de

 

Vollständige Version siehe VPK 12/2000
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Vielfältige Vermessungsarbeiten für den Bahn2000-Tunnel Zürich-Thalwil (VPK 12/2000)

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