Fundamental investigations of new source signals for seismic-while-drilling exploration ahead of the face in conventional and mechanised tunnelling

Tunnel Seismic While Drilling (TSWD) stellt ein erprobtes und anerkanntes Mittel für die geophysikalische Erkundung im maschinellen Tunnelbau dar. Die Besonderheit dieser Methode liegt in der Verwendung akustischer Emissionen einer Tunnelbohrmaschine (TBM) als seismische Quelle. Um diese Methodik im maschinellen Tunnelbau weiterzuentwickeln und in den konventionellen (NATM) Vortrieb zu übertragen wurde ein großmaßstäblicher Laborversuch an einem Diskenprüfstand durchgeführt und verschiedene Maschinen, die im realen Vortrieb eingesetzt werden, am Zentrum am Berg (ZaB) auf ihr Eignungspotential als seismische Quellen untersucht. Die getesteten Geräte umfassen einen Minibagger mit Hydraulikhammer, einen dieselbetriebenen einarmigen Kleinbohrwagen (Tamrock) und einen elektrischen zweiarmigen Bohrwagen (Epiroc). Eine passende Pilotsensorposition (±500 g Beschleunigungssensor) zur Quellsignalabnahme wurde durch aufgenommene Hammerschläge an verschiedenen Sensorpositionen am Bagger sowie am Epiroc Bohrwagen bestimmt. Der Hammer des jeweiligen Geräts bietet eine adequate Option für die Platzierung des Sensors, da die dort registrierten Signale eine kurze Dauer, hohe Amplitude am Beginn und Reproduzierbarkeit in Bezug auf Wellenform, Spektrum und Polarisation aufweisen. Ein direkter Vergleich verschiedener Geophone und Kopplungen im Nahbereich der Quelle zur Abnahme der im Gebirge transmittierten Wellen zeigt, dass die Bohrlochgeophone die hochwertigsten Aufnahmen liefern. Diese sind durch hohe Signalamplituden und ein klar definiertes Spektrum ohne Einfluss von Oberflächenwellen charakterisiert. Die schwächsten Ergebnisse lieferten Einzelgeophone im Spritzbeton. Die Kopplung der Oberflächengeophone im Fels und Spritzbeton wurde durch die Amplitudenabnahme über zunehmende Entfernung evaluiert. Dabei erfährt ein Großteil der betrachteten Aufnehmer (in Holzwürfeln und einzeln gesteckt) ohne Einfluss von Oberflächenwellen eine geringere Amplitudenreduktion als die berechnete sphärische Divergenz. Die Amplitudenstärke verringert sich jedoch im Spritzbeton um den Faktor 10. Die Pilotsignalanalyse der schlagenden Quelle (Bagger mit Hydraulikhammer) im Gegensatz zu einer drehschlagenden Quelle zeigt deutliche Unterschiede. Obwohl die Einzelschläge in beiden präsent sind, ist das Maß an Hintergrundrauschen bei einer drehschlagenden Quelle höher und zeigt Parallelen zu einem TBM-Pilotsignal. Sowohl die Minimum Delay Transformation als auch konventionelle Kreuzkorrelation liefern gute Ergebnisse für eine Korrelation zwischen Pilot- und Geophonspuren. Eine vorangehende Integration der Pilotsensor- oder Ableitung der Geophondaten ist nicht erforderlich. Bandpassfilter und predictive bzw. spike deconvolution zeigten Qualitätsverbesserungen der seismischen Spuren. Die gebirgswirksame Frequenzbandbreite ist für die drei Quellen unterschiedlich und liegt beim Bagger mit Hydraulikhammer zwischen 50 und 500 Hz, für den Tamrock Bohrwagen bei 100-400 Hz und den Epiroc Bohrwagen zwischen 200 und 500 Hz, damit bieten die Testobjekte eine ausreichende Signalbandbreite und die erforderlichen höheren Frequenzen für seismische Erkundungszwecke. Ein Gesamtvergleich der resultierenden seismischen Spuren unter Berücksichtigung der Auslagereichweite stuft den Bagger sowie den Epiroc Bohrwagen als geeignete Quellsignalgeber ein, während die Ergebnisse des Tamrock Bohrwagens als weniger zufriedenstellend bewertet werden. Beim Bagger wurde sowohl die Abstrahlung von Kompressions- als auch Scherwellen detektiert, die in ihrer räumlichen Ausbreitung eindeutige Parallelen zu einer Einzelkraftquelle zeigen. Bei den beiden Bohrwägen war aufgrund des eingeschränkten Beobachtungswinkels (seitlich der Quelle) nur der Nachweis abgestrahlter Scherwellen möglich. Um Diskenkräfte als neue seismische Quelle von TSWD im TBM-Vortrieb zu testen, wurde ein Experiment mit simultan