Hohlräume und Ausspülungen

Hohlraumerkundung

Natürliche oder künstliche Hohlräume können als spezielle „Schwächezonen“ angesehen werden, die an der Tagesoberfläche zu Senkungen oder Erdfällen führen und somit Menschen, Tiere und Objekte gefährden können.

Ortung und Überwachung von Hohlräumen sind in der letzten Zeit zu wichtigen Spezialaufgaben der Geophysik geworden. Um diese Untersuchungen erfolgreich durchzuführen, müssen die aus der Erkundungsgeophysik abgeleiteten Messverfahren an die meist relativ kleinen Dimensionen der gesuchten Hohlräume angepasst werden. Bei der Interpretation der Messergebnisse ist eine sehr gute Kenntnis der Genese von Hohl-räumen in der betreffenden geologischen Formation von großer Bedeutung (geologisches / geotechnisches Know-How).

 

Detektion von Lagerungsdefekten

Organische und chemische Belastungen des Grundwassers in Stadt- und Industriegbieten sind überwiegend auf undichte Kanalsysteme zurückzuführen. Die häufigsten Ursachen von Defekten und Leckagen in bestehenden Abwasserkanälen sind Schwach-stellen im Baugrund wie verformungsempfindliche Böden oder Hohlräume im Umfeld der Rohre. Die Kanalinspektion mittels Videobefahrung liefert lediglich Hinweise auf Sekundärschäden wie Muffenversätze, Rissbildungen oder Brüche am Kanalrohr selbst. Die eigentliche, auf geotechnischen Vorgängen basierende Ursache bleibt zumeist verborgen. Für eine fachgerechte und wirtschaftliche Planung von Sanierungsmaßnahmen muss jedoch die Ursache der Schäden hinreichend bekannt sein. Es sind daher – über die optische Bewertung hinausgehend – weitere Untersuchungen der Bettungsbedingungen im Umfeld der Kanalrohre erforderlich. Neben einer direkten Erkundung durch Bohrungen, Sondierungen und Schürfgruben, die einen Aufbruch der Oberfläche erfordern, eignen sich für diese Untersuchung hochauflösende geophysikalische Messverfahren wie z.B. Georadar oder Kapazitive Geoelektrik, die zerstörungsfrei von der Straßenoberfläche aus eingesetzt werden können. Darüber hinaus werden auch geophysikalische Messungen zur Feststellung von Kanal-Bettungsschäden aus Kanälen heraus durchgeführt, da nur hierdurch der Zustand unterhalb der Kanalsohle erfasst werden kann.

 

Detektion von Hohlräumen / Ausspülungen im Straßenbereich

Aufgrund von lokalen, z.T. massiven Straßenabsenkungen, die auf Umlagerungsprozesse infolge eines Grundwasseranstiegs im Zusammenhang mit einer defekten  Drainageleitung zurückzuführen waren, wurden detaillierte Untersuchungen zur Detektion und Abgrenzung möglicher Auflockerungsbereiche und Hohlräume unter Einsatz des Georadar-Verfahrens sowie Kleinrammbohrungen und Rammsondierungen durchgeführt. Die Länge des gefährdeten Bereichs betrug ca. 700 m, die Untersuchungstiefe lag bei 4 m bis 7 m.

Die ersten Untersuchungen ergaben, dass sich direkt unter der Straßendecke ein Hohl-raum befand (siehe Abb. 1), in den ca. 27 m³ Injektionsmaterial verpresst werden konnte. Zur Kontrolle der Injektionsmaßnahmen sowie zur Überwachung des Drainageumfeldes wurden weitere Untersuchungen im Abstand von jeweils ca. 3 – 4 Wochen durchgeführt. In Abb. 2 ist exemplarisch anhand dreier ausgewählter Radargramme (Messwertdarstellung des Georadar-Verfahrens) die zeitliche Entwicklung von Hohlräumen im Umfeld der Drainageleitung dargestellt. Die markanten Strukturen im Bereich um 206 m sind auf den bei der ersten Untersuchung festgestellten Hohlraum (Abb. 2, oben) bzw. das eingepresste Injektionsmaterial (Abb. 2, Mitte) zurückzuführen. Es zeigte sich, dass auch nach mehreren Wochen die Umlagerungsprozesse im Untergrund nicht zum Stillstand gekommen waren, was die Bildung neuer Hohlräume direkt unter der Straßendecke zur Folge hatte (siehe Abb. 3).

Abb. 1: Ausdehnung des Hohlraums und des aufgelockerten Bereichs (Einflusszone; nach den ersten Untersuchungen)
Abb. 2: Zeitliche Entwicklung zweier ausgewählter Anomalien (Auflockerungsbereiche / Hohlräume; gelbe und weiße Ellipse). Zwischen den in den drei Profilen dargestellten Untersuchungsergebnissen liegen jeweils ca. 3 bis 4 Wochen.
Abb. 3: Ausdehnung des Hohlraumes und des aufgelockerten Bereichs (Einflusszone; erste Folgemessung)
 

Karsthohlraumortung in der Nordwestschweiz

Im Bereich einer in sechs Abschnitten ca. 5.000 m langen Leitungstrasse waren im Vorfeld von Baumaßnahmen mögliche Hohlräume zu erkunden. Der Untergrund im Untersuchungsgebiet besteht aus Kalksteinen, in denen Störungszonen und Karstphänomene anzutreffen sind. Die Leitung sollte in einer Tiefe von ca. 3,50 m verlegt werden. Bautechnisch waren damit vor allem karstbedingte Hohlräume bis zu einer Tiefe von ca. 5 m – 10  m relevant.

Die Messungen wurden unter Einsatz von Widerstandsgeoelektrik in zwei Etappen durchgeführt: eine geoelektrische Kartierung mit drei Informationstiefen entlang der gesamten Messstrecke zur Ermittlung von Verdachtszonen (Phase I) und eine geoelektrische Tomographie mit neun Informationstiefen (Phase II) in den Verdachtsbereichen. In den Verdachtsbereichen wurden die Messungen jeweils auf zwei Profilen entlang und senkrecht zur Trasse durchgeführt.

In einem 870 m langen Abschnitt wurden z.B. mittels geoelektrischer Kartierung drei Verdachtszonen festgestellt und mit geoelektrischer Tomographie näher untersucht. In Abb.1 sind die Messergebnisse der Tomographie eines Verdachtsbereichs als Verteilung des scheinbaren spezifischen elektrischen Widerstandes dargestellt. Auf dem Längsprofil (Profilmeter 560-568) sowie auf dem Querprofil (Profilmeter 22-30) wurde in größerer Tiefe eine Zone mit erhöhten bis stark erhöhten Widerständen festgestellt, die auf Hohlräume oder sehr starke Auflockerungen zurückzuführen sein dürfte. Nach einer computer-gestützten Interpretation (2D-Inversion) ergaben sich deutliche Indizien auf Hohlräume im Untergrund, so dass eine Überprüfung des Verdachtsbereichs durch eine Bohrung notwendig wurde. Als Bohrpunkt wurde Profilmeter 24 des Querprofils vorgeschlagen. Die Bohrergebnisse sind der Tabelle 1 zu entnehmen und beweisen die Anwendbarkeit der geoelektrischen Tomographie zur Lokalisierung von Karsthohlräumen, obwohl in diesem Fall die Interpretation der Messergebnisse durch Störeinflüsse (geklüftete, verwitterte und tektonisch stark beanspruchte Gesteine) erheblich erschwert war.

Abb. 1: Messergebnisse der geoelektrischen Tomographie
a) Längsprofil
b) Querprofil
Tabelle 1: Schichtenverzeichnis

Künstliche Hohlräume im Untergrund eines Baugrundstückes

Gegenstand der Untersuchungen war die Ortung von bergbaubedingten Hohlräumen im Untergrund eines Baugrundstückes. Aus Kostengründen sollte die geophysikalische Erkundung lediglich bis in einen Tiefenbereich von 15 m durchgeführt werden, da auch laut Planunterlagen in Tiefen von 8 m bis 12 m am ehesten mit Hohlräumen zu rechnen war. Die Lage der ehemaligen Stollen ist dokumentiert (Abb. 1), so dass die eigentliche Aufgabe darin bestand, Informationen über den Zustand der Stollen (Hohlraum oder verstürzter bzw. verfüllter Bereich) zu gewinnen.

Abb. 1: Lageskizze mit Messpunkten, Messprofilen und Bohrungen

Zur Lösung der Fragestellung wurden entlang von fünf Profilen, deren Lage vor Ort in Abhängigkeit von den örtlichen Randbedingungen sowie den bekannten Richtungen der ehemaligen Stollen festgelegt wurde, insgesamt 45 geoelektrische Widerstandstiefensondierungen (WTS) mit einem Messpunktabstand von 3 m und einer Informationstiefe von 15 m durchgeführt.

Die Ergebnisse wurden als Pseudohorizontalschnitte für die gesamte Untersuchungsfläche dargestellt, wobei für jedes vorhandene Informationsniveau eine separate Graphik erstellt wurde (insgesamt 15). Anhand der Verteilung der gemessenen scheinbaren spezifischen elektrischen Widerstände kann man Schritt für Schritt von oben nach unten die Ergebnisse der einzelnen Untersuchungsniveaus verfolgen und über die festgestellten Anomalien Rückschlüsse auf mögliche Hohlräume und Auflockerungszonen ziehen.

Mögliche Hohlräume oder Auflockerungszonen sind im Bereich von “Maxima“-Anomalien zu erwarten. In Abb. 2 sind die Messergebnisse für die Informationsniveaus von 3 m (Abb. 3a) bzw. von 6 m (Abb. 3b) dargestellt. Nach den vorliegenden Untersuchungsergebnissen wurde vorgeschlagen, im Bereich der Widerstandstiefensondierungen WTS 205 (BK 205) und WTS 207 (BK 207) Aufschlussbohrungen bis in eine Tiefe von ca. 10 m zur Überprüfung der Anomalien abzuteufen. Als zusätzliche Absicherung wurde Bohrung BK 404 in einem Bereich abgeteuft, in dem ursprünglich ein bedeutender Stollen war, der jedoch bei der geophysikalischen Erkundung keinen Verdacht hinsichtlich eines möglichen Hohlraums aufkommen ließ. Die Bohrergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengefasst und bestätigen auch in diesem Fall die Anwendbarkeit des eingesetzten Verfahrens.

Abb. 2: Geoelektrische Pseudohorizontalschnitte für eine Informationstiefe von:
a) 3 m, b)  6 m
Tabelle 1: Bohrergebnisse