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Technical Report NTB 90-07

Grimsel Test Site Geophysical methods for the detection of discontinuities ahead of a tunnel face (out of print)

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Im Jahr 1988 startete die NAGRA ein Forschungs- und Entwicklungsprogramm im Felslabor Grimsel (FLG), um zu klären, in wie weit geophysikalische Fernerkundungsmethoden zur Vorhersage von Störungen im Vor­und Umfeld eines Tunnels eingesetzt werden können.

Dieses Projekt wurde angeregt, um eine Möglichkeit zu schaffen, umfassendere Informationen über das Gebirge im Bereich eines Tunnels zu erhalten und so die Sicherheit beim Vortrieb des Tunnels zu erhöhen. Eine frühe Kenntnis über Hauptstörungszonen im Umfeld des Tunnels können sowohl zur Reduktion des Sicherheitsrisikos und auch der Kosten führen.

Folgende praktische Ziele wurden als Leitfaden für die Studie und Experimente aufgestellt:

  • Die Messungen sollten während der Pausen des normalen Vortriebs durchgeführt werden können. Es sollten keine zusätzlichen Wartezeiten entstehen.
  • Die minimale Reichweite bei den Untersuchungen sollte 100 m betragen, um genügend Zeit für die Datenbearbeitung und Interpretation zu gewährleisten, bevor der Ausbruch die lokalisierte Störung erreicht.
  • Die Vorbereitungen für die Arbeiten sollten den Vortrieb weder behindern noch verzögern.
  • Die Methode sollte sowohl bei konventionellem Sprengvortrieb als auch beim Einsatz von Vollschnitt-Tunnelbohrmaschinen möglich sein.

Erste Untersuchungen wurden mit Hilfe eines Teils von existierenden Datensätzen aus Radar- und Seismikprojekten durchgeführt, die für Tomographieprojekte im FLG erhoben worden waren. Obwohl die Erfassung dieser Daten (Stationsabstände etc) für die Tomographieanwendung optimiert und nicht ideal für Reflexionsauswertungen war, konnten gute Resultate erreicht werden. In den prozessierten Daten konnten Reflektoren identifiziert und bekannten Störungen und Lamprophyren zugeordnet werden.

Radarmessungen führen zu guten Resultaten in Gesteinen mit hohem elektrischen Widerstand (z. B. Granit, Steinsalz) aber in Gesteinen mit geringen elektrischen Widerständen (z. B. Mergel, Ton) lassen sich nur sehr begrenzte Reichweiten realisieren. Da die NAGRA in der näheren Zukunft ihre Feldarbeiten auf Sedimentgestein fokussiert und wegen der Resultate der ersten Radartests, beschlossen wir, die Radarmethode zugunsten der Seismik zurückzustellen.

Die Diskussion mit verschiedenen Experten ergab, dass die für die gegebene Fragestellung am besten angepasste seismischen Untersuchungsmethode eine modifizierte Version der «Vertical Seismic Profiling (VSP)» -Methode ist. Diese Methode ist bekannt und erprobt in der Bohrlochgeophysik. Obwohl für diese Anwendung der besser angepasste Namen z. B. «Horizontal Tunnel Profiling» gewesen wäre, beschlossen wir den Namen VSP zu behalten. Um eine objektive Wertung der VSP-Resultate zu ermöglichen, wurden empfohlen, die Ergebnisse mit Standard-Reflexionsseismikresultaten zu vergleichen.

Theoretische Rechnungen (FD-Modellierung) wurden durchgeführt, um das optimale Layout zu ermitteln. Diese Studie zeigte, dass idealerweise die Quelle und die Empfänger in einer gewissen Entfernung von der Tunnelwand (einige Meter) plaziert werden sollten, um Tunnelwellen zu vermeiden. In der praktischen Anwendung ist dies wegen der grossen Anzahl der benötigten radialen Bohrungen nicht möglich. Der beste Kompromiss zwischen theoretischer Anforderung und praktischer Machbarkeit ist, die Quelle in einer Radialbohrung in einem minimalen Abstand von 4 m zur Tunnelwand zu plazieren und die Empfänger direkt an der Tunnelwand zu befestigen. In diesem Fall kann eine Reduktion der Tunnelwellenamplitude erreicht werden, ohne unrealistische Vorbereitungszeiten in Kauf nehmen zu müssen. Da es sich im FLG in erster Linie um ein wissenschaftliches Experiment handelte, wurde beschlossen, nicht nur das Messlayout mit den besten Erfolgschancen, sondern auch andere Möglichkeiten zu testen, um die theoretische Ergebnisse überprüfen und die Feldarbeiten optimieren zu können.

Folgende VSP-Konfigurationen wurden untersucht:

  1.  Empfängerkette mit 7 Aufnehmern in einer Bohrung radial zur Stollenachse und einer Handhammerquelle. Die Schusspunkte befanden sich im Stollen in einem Abstand von 0.7 m.
  2. Empfängerkette mit 7 Aufnehmern in einer Bohrung radial zur Stollenachse. AIs Quelle wurden Schüsse in kleinen Bohrlöchern (l= 400 mm, Φ=14 mm) verwendet. Der Schusspunktabstand betrug 0.7 m.
  3. Schüsse in den Bohrungen radial zur Stollenachse. Die Aufnehmer befanden sich in einem Abstand von je 0.7 m im Stollen.

Zusätzlich zu den VSP-Messungen wurde eine konventionelles seismisches Reflexionsprofil entlang des Stollens gemessen. Die Schuss- und Aufnehmerpunkte hatten einen Abstand von jeweils 0.7 m, wobei die Schusspunkt in der Mitte zwischen den Aufnehmerpunkten lagen. Dadurch ergab sich ein «Common Depth Point» (CDP) -Abstand von 0.35 m.

Die Rohdaten aller Sektionen zeigen, bedingt durch die geringen Reflexionskoeffizienten der Störungszonen im FLG, nur sehr schwache Refexionen. Daher war im Vergleich zu anderen Daten (z. B. reflexionsseismische Daten in Sedimenten) ein sehr umfangreiches Processing notwendig, das hier nicht in allen Einzelheiten erklärt wird. Generell wurden die direkten P-­ und S-Wellen sowie die reflektierten S-Wellen durch Medianfilter unterdrückt und die reflektierten P­-Wellen mit Hilfe der Bildpunkt-Verarbeitung (Image Point Filtering) hervorgehoben. Diese Methode basiert auf der generalisierten Radon Transformation und wurde von C. Cosma und seinen Mitarbeitern entwickelt.

Es wurden auch grosse Anstrengungen unternommen, um Programme zu entwickeln, die es erlauben, die geophysikalischen Ergebnisse in ein zuverlässliches geologisches Bild umzusetzen. Aufgrund der guten Kenntnis des FLG's aus anderen Projekten war es möglich, die gewonnenen geophysikalischen Vorhersagen in den verschiedenen Phasen der Auswertung direkt mit den bekannten geologischen Strukturen zu vergleichen.

Die Uebereinstimmung von vorhergesagter und wahrer Lokation der erkannten Strukturen war sehr gut. Es konnten Störungen bis in 150 m Entfernung lokalisiert werden.

Die konventionellen RefIexionsdaten wurden mit Standard-Processingroutinen bearbeitet. Wegen der geringen Energie der verwendeten Quelle (Handhammer) betrug die Eindringtiefe nur ca. 40 m. Innerhalb dieses Bereichs konnten mehrere Reflektoren erkannt werden (hauptsächlich Lamprophyre). Ausserdem waren Reflexionen vom benachbarten Labortunnel zu erkennen. Obwohl dieser Test recht gute Resultate ergab, zeigte es sich, dass die VSP-Methode für die Vorhersage besser geeignet ist.

Der abschliessende Test der Methode unter realistischen Bedingungen erfolgte im August 1990 im Tunnel bei Leissigen, einem Strassentunnel im Kanton Bern. Dieser Tunnel war zur Zeit der Messungen im Bau. Obwohl die Messsituation in diesem Fall komplizierter war aIs im FLG, stimmten die Vorhersagen recht gut mit den später angetroffenen Verhältnissen überein.

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