7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 29 Interdisziplinäre Bestandserfassung und Bewertung von Injektionen des Schwarza-Witznaustollens mit Stollenradar Dr.-Ing. Gabriele Patitz Ingenieurbüro IGP Bauwerksidagnostik und Schadensgutachten Karlsruhe, Deutschland Dipl.-Ing. Robert Render Dr.-Ing. Daniel Stolz Schluchseewerk AG Asset Management Bautechnik Laufenburg, Deutschland Zusammenfassung Der Zustand des unbewehrten Schwarza-Witznaustollens aus den Jahren 1929 - 1943 wurde im Rahmen eines Pilotprojektes mit zerstörungsfreien Erkundungsverfahren wie Orthofotos und Stollenradar in interdisziplinärer Zusammenarbeit von Bauingenieuren, Geophysikern und Vermessungsingenieuren erfasst, dokumentiert und bewertet. Als Basis für die Entwicklung und Planung eines Sanierungskonzeptes erfolgte die Kontrolle der ausgeführten Probeinjektionen mit Stollenradar in einem ausgewählten Abschnitt. Durch identische Vorher-Nachher-Messungen konnten signifikante Veränderungen in den Datensätzen des Stollenradars abgestuft über verschiedene Bauteiltiefen analysiert und bewertet werden. Es ist naheliegend, dass diese auf die Injektion zurückzuführen sind. Das betrifft zum einen Injektionen innerhalb der Betonschale und den Grenzbereich Beton - Fels und zum anderen Veränderungen der anstehenden Wasserfront in der Stollenlängsrichtung und Stollenwandtiefe. Mittels gezielter kalibrierender Bohrungen wurden die physikalischen Messwerte des Stollenradars verifiziert. 1. Objektvorstellung Der Schwarza-Witznaustollen gehört zur Schluchseewerk AG und ist mit einer Länge von rund 9.200 m ein Triebwasserstollen zwischen dem Schwarzabecken und dem KW Witznau im Südschwarzwald. Das Wasser läuft mit einem durchschnittlichen Gefälle von 1,2 % zwischen Schwarzabecken, dem Kraftwerk Witznau in Ühlingen-Birkendorf und schließlich dem Witznaubecken im Turbinenbetrieb hin und im Pumpbetrieb zurück. Abschnittsweise sind Gefälle- und Querschnittsveränderungen vorhanden. In der Ausbaustufe I wurde der Stollen mit einer Länge von ca. 2930 m vom Schwarzabecken bis zum heutigen Fenster Oberes Eichholz gebaut. Baubeginn war August 1929 und Inbetriebnahme im Juni 1931. Geplant wurde ein Kreisquerschnitt mit Durchmesser 4,1 m. Aufgrund des eingesetzten Ausbruchsverfahrens kam es jedoch zu einer ovalen Aufweitung des Profils über eine Strecke von ca. 500 m. Die Dicke der unbewehrten Tunnelschale schwankt zwischen einigen wenigen Zentimetern und bis zu ca. 50 cm. Aufgrund von lokalen Einbrüchen sind bewehrte und mit Ziegelsteinen hintermauerte Abschnitte vorhanden. Durch die Nachwirkungen der Weltwirtschaftskrise und des folgenden zweiten Weltkrieges konnten die Arbeiten für die Ausbaustufe II erst 1939 wieder beginnen und wurden 1943 beendet. Dieser Stollenabschnitt hat eine Länge von etwa 6300 m mit einem Gefälle von ca. 1% und Durchmesser von ca. 4,5 m bis zur Einmündung des Mettmastollens. Ab dieser Einmündung erweitert sich der Durchmesser auf ca. 4,95 m und bleibt konstant bis zum Wasserschloss Berau. Von dort beträgt dann bei einem Durchmesser von ca. 5,0 m das Gefälle ca. 5 % auf 1000 m bis zur Panzerung. In dem ab 1939 gebauten Stollenabschnitt befindet sich eine ca. 2 - 5 cm dicke Putzschicht auf dem Stollenbeton. 2. Erfassung des Ist- Zustandes der Stollenwandauskleidung In regelmäßigen Abständen erfolgt zu Revisionszwecken eine Entleerung des Stollens. Es wird zunächst eine visuelle Besichtigung und Bewertung des Stollenbetons durchgeführt, kombiniert mit Abklopfen. Typische Scha- 30 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Interdisziplinäre Bestandserfassung und Bewertung von Injektionen des Schwarza-Witznaustollens mit Stollenradar densbilder wie lokales Ausbrechen des Stollenbetons, Kiesnester, Hohllagen der Putzschicht bzw. des Stollenbetons, Risse in der Stollenwand und Wasseraustritte werden erfasst und ggf. repariert. Aufgrund des aktuellen Zustandes, bedingt durch die bisherige lange Lebens- und Nutzungszeit sowie die sehr unterschiedliche Qualität in der Bauausführung von 1929 - 1941 muss ein Sanierungskonzept unter Berücksichtigung der Dringlichkeit erarbeitet werden. Dazu ist es erforderlich, möglichst gut und vollflächig den aktuellen Zustand der betonierten Stollenwandauskleidung zu kennen. Im Zuge einer turnusmäßigen Entleerung 2018 wurde daher der Zustand des Stollenbetons zum einen durch die Aufnahmen von hochauflösenden Orthofotos und zum anderen durch vollflächige zerstörungsfreie Untersuchungen mit Stollenradar mit einer Auswertetiefe von ca. 30 cm erfasst und dokumentiert. Versuchs- und Entwicklungsreihen aus den Jahren 2014 - 2018 ergaben, dass das Stollenradar prinzipiell geeignet ist, sowohl lokale Fehlstellen als auch größere Abschnitte unterschiedlicher Betonqualität aufzuzeigen. Die Gesamtergebnisse aus Orthofotos und Stollenradar sind stationsgenau, übersichtlich, gut handhabbar und jederzeit fortschreibbar in einem pdf-Atlas digital dokumentiert. 3. Vorarbeiten für die Erstellung eines Sanierungskonzeptes Auf Basis der Ergebnisse aus den weitgehend vollflächigen Radarmessungen konnten stationierungsgenau Stollenabschnitte unterschiedlichen Schadensgrades und daraus ergebend mit unterschiedlichem Handlungsbedarf ausgewiesen werden. Es sind einerseits homogene und kompakte Betonabschnitte vorhanden und andererseits Abschnitte mit Wasserführung, Kiesnestern und zahlreichen Hohllagen. Kalibrierende Voll- und Kernbohrungen bestätigten die in den Radarergebnissen erkennbaren Verdachtsfälle unterschiedlicher Schäden und Schadensgrade. Als Basis für die Erstellung eines Sanierungskonzeptes erfolgten im Zuge der planmäßigen Revisionsphase 2020 Probeinjektionen in einem ausgewählten und vergleichsweise gut zugänglichen Stollenabschnitt. Um den Erfolg der Injektionen mit verschiedenen Materialien zu bewerten, wurden die injizierten Bereiche und unmittelbar angrenzende Stollenabschnitte mittels Stollenradar vollflächig untersucht werden. Durch den Einsatz identischer Geräte, Software und Datenverarbeitungsmodule bei identischem Messraster aus dem Jahr 2018 mit der Ersterkundung und der Wiederholungsmessung im Juni 2020 ist auf Basis eines Datenvergleichs eine Erfolgskontrolle der Injektionen möglich. 4. Kontrolle des Injektionserfolges in der Stollenwand Die Injektionskontrolle erfolgte zum einen durch einen direkten Vergleich der Radardaten aus 2018 und 2020. Zum anderen dienten Voll- und Kernbohrungen in Kombination mit Bohrlochvideos und Bohrlochbildern zur Kalibrierung der Radardaten und zur Injektionskontrolle. In einem Baustoffprüflabor wurden die entnommenen Bohrkerne einer visuellen Ansprache hinsichtlich vorhandenem Injektionsmaterial und Hohlraumgehalt unterzogen. 5. Verfahrensbeschreibung Stollenradar Vor Ort wurden die Radardaten (elektromagnetische Wellen) entlang von horizontalen Profillinien als Radargramme mit hochauflösenden 1,5 GHz Sensoren aufgenommen. Bei den Radargrammen handelt es sich um einen Schnitt in die Stollenwand entlang dieser Profillinie. Die Datenaufzeichnung erfolgte online während der Messung, kombiniert mit einer visuellen Qualitätskontrolle der Rohdaten hinsichtlich Eindringtiefe, Qualität, Störeinflüssen und Datenplausibilität. Ist der Abstand zwischen den gemessenen parallelen Profilen hinreichend klein, können in mehreren Datenverarbeitungsschritten aussagekräftige Zeitscheiben berechnet werden. Das sind grundrissähnliche Darstellungen in ausgewählten und relevanten Tiefenbereichen. Die Lage und Anzahl der berechneten Tiefenbereiche hängen objektweise von der Fragestellung ab. Zeitscheiben bzw. Tiefenhorizonte werden immer dann berechnet, wenn große Flächen beurteilt werden müssen, da sich hier die auftretenden Reflexionen gut darstellen, erkennen und bewerten lassen. Bei dieser flächigen Ergebnisdarstellung werden die unterschiedlichen Reflexionsstärken farbcodiert wiedergegeben (Bild 1). Geringe Reflexionsstärken korrelieren hier mit einem homogenen und wenig hohlraumreichen Beton ohne anstehendes Wasser. Dies ist farbcodiert Blau / Schwarz. Hohe bis sehr hohe Reflexionsstärken sind rot und gelb farbcodiert. Ursächlich sind Reflexionen der elektromagnetischen Wellen an Grenzen von Materialien unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit. Diese werden zum Beispiel durch eine Anhäufung von Hohlräumen oder einer Ablösung mit Luftspalt, durch anstehendes Wasser oder durch die Materialgrenze Beton - Fels verursacht. Wasser ist ebenso wie Luft für das Radarverfahren ein Kontrastmittel. Bei der Interpretation der stark reflektierend rot erscheinenden Stollenwandbereiche muss folglich als deren Ursache zwischen Wasser, Luftspalten, Grenze Beton - Fels und der Anhäufung von Hohlräumen unterschieden werden. Dazu sind Kalibrierungsbohrungen kombiniert mit Videoendoskopie in auffälligen hoch reflektiven und im Vergleich dazu in kaum reflektiven Bereichen unerlässlich. [1, 2] 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 31 Interdisziplinäre Bestandserfassung und Bewertung von Injektionen des Schwarza-Witznaustollens mit Stollenradar Bild 1: Legende zu den Zeitscheiben: Details einer Radarzeitscheibe für den Tiefenbereich von ca. 8 - 20 cm, Daten des 1,5 GHz Sensors, farbcodierte Darstellung der kalibrierten Reflexionsstärken Im Folgenden werden nur die Ergebnisse über den Gesamttiefenbereich von ca. 5 - 50 cm vorgestellt. Bild 2 zeigt im Vergleich die Radardaten für die Injektionsstrecke 3, injiziert mit der Fließrichtung im Stollen. Die obere Zeitscheibe entspricht der Nullmessung aus dem Jahr 2018 und die untere zeigt die Veränderungen nach den Injektionsarbeiten 2020. Bei den neuen dunkelblauen Bereichen handelt es sich jetzt um einen injizierten kompakten und wenig hohlraumhaltigen Beton. Die sehr hohen Reflexionen im Bereich der Firste werden durch Wasser verursacht. Hier sind diese wasserführenden Bereiche nach den Injektionen erkennbar größer und ausgedehnter. Durch den Vergleich der Datensätze aus 2018 und 2020 können injizierte Stollenwandabschnitte, wasserführende Bereiche und nicht injizierte Stollenwandabschnitte auskartiert werden (Bild 3). Bestätigt wurde dies durch die gezielt gesetzten Kalibrierungsbohrungen, die im Bild 3 entsprechend der Legende in Bild 4 eingetragen sind. 6. Ergebnisse der Radarmessungen zur Erfolgskontrolle der Injektionen Betrachtet und verglichen wurden die berechneten Zeitscheiben vor- und nach den Injektionen. Der wesentliche Vorteil einer Vorher-Nachher-Messung liegt darin, dass die Veränderungen in den Radardaten bewertet werden können. Es ist naheliegend, dass diese auf die Injektion zurückzuführen sind, mögliche Mehrdeutigkeiten hinsichtlich der Ursache (z.B. Hohlstellen oder Wasser) werden dadurch erheblich reduziert bzw. eingegrenzt. Die hier erreichte Datenqualität kann als sehr gut beurteilt werden. Bis in eine Eindringtiefe von ca. 50 cm sind aussagekräftige und zuverlässige Radardaten aus den Messungen von 2018 und 2020 vorhanden. Die Radarergebnisse wurden daher als farbcodierte Reflexionsstärken für folgende Tiefenbereiche berechnet: 1. Zeitscheibe für Tiefenbereich 5 - 10 cm oberflächennaher Bereich bis ca. 10 cm 2. Zeitscheibe für Tiefenbereich 10 - 20 cm vorderer Stollenwandbereich 3. Zeitscheibe für Tiefenbereich 20 - 50 cm tieferer Stollenwandbereich 4. Zeitscheibe für Tiefenbereich 5 - 50 cm Gesamtbereich bis ca. 50 cm Tiefe 32 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Interdisziplinäre Bestandserfassung und Bewertung von Injektionen des Schwarza-Witznaustollens mit Stollenradar Bild 2: Strecke 3, Ergebnisdarstellung der Radardaten als Zeitscheibe Tiefenbereich ca. 5 - 50 cm, oben Nullmessung 2018, unten nach den Injektionen 2020 Bild 3: Ergebnisse im Injektionsbereich Strecke 3, Darstellung der injizierten Bereiche, analysiert über einen Gesamttiefenbereich der Stollenwandauskleidung von ca. 5 bis 50 cm, Hellgrau sind die nicht injizierten Stollenwandabschnitte, Grün: injizierte Abschnitte, Hellblau: Wasseransammlungen. 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 33 Interdisziplinäre Bestandserfassung und Bewertung von Injektionen des Schwarza-Witznaustollens mit Stollenradar Bild 4: Legende zur Markierung der Informationen aus den Kalibrierungsbohrungen Die Injektionen in Strecke 4 (Injektionen entgegen der Fließrichtung) erscheinen erfolgreicher. Bild 5 zeigt wieder die Zeitscheiben vor und nach den Injektionen. Die Rotfärbung = stark erhöhte Reflexionen korrelieren hier mit anstehendem Wasser. Im unteren Bild ist erkennbar dass durch die Injektionen die Wasserfront um ca. 10 - 15 m nach links (absteigende Stationierung) verschoben und in die Tiefe des anstehenden Felses gedrückt worden ist. Der Stollenwandbeton ist kaum hohlraumhaltig und die geringen Reflexionsstärken korrelieren mit einem kompakten Beton. Auch hier bestätigen dies die Kalibrierungsbohrungen (Bild 6). Bild 5: Injektionsstrecke 4, Ergebnisdarstellung der Radardaten als Zeitscheibe Tiefenbereich ca. 5 - 50 cm, oben Nullmessung 2018, unten nach den Injektionen 2020 34 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Interdisziplinäre Bestandserfassung und Bewertung von Injektionen des Schwarza-Witznaustollens mit Stollenradar Bild 6: Ergebnisse Injektionsstrecke 4, Darstellung der injizierten Bereiche, analysiert über einen Gesamttiefenbereich von ca. 5 bis 50 cm, Hellgrau sind die nicht injizierten Stollenwandabschnitte, Grün: injizierte Abschnitte, Hellblau: Wasseransammlungen. 7. Zusammenfassung Die Kombination von Stollenradar mit kalibrierenden Bohrungen und Videoendoskopie ist prinzipiell geeignet, um den Zustand der betonierten Stollenwandauskleidung vollflächig zu erfassen und zu beurteilen. Es konnte hier durch den Einsatz hochfrequenter Radargeräte eine Bauteildicke bis ca. 50 cm erkundet und bewertet werden. Auf der Basis von Vorher-Nachher-Messungen können Veränderungen in den Radardaten erfasst und im Zusammenhang mit den erfolgten Eingriffen analysiert werden. Es konnte der Erfolg von Injektionen hinsichtlich der Verbesserung des Betonzustandes und des anstehenden Wassers überprüft werden. Der Einsatz des Radarverfahrens im Stollen hat auch gezeigt, dass unter realen Bedingungen sowohl Anpassungen der Geräte- und Messtechnik als auch Änderungen im Messkonzept sinnvoll und erforderlich werden können. Für diese Art von Untersuchungsobjekten können daher keine standardisierten Lösungen erstellt werden. Eine Beurteilung hinsichtlich der Praktikabilität und Aussagekraft der Messdaten kann und muss zwingend immer erst unter den reellen Bedingungen vor Ort beurteilt und bewertet werden. Unerlässlich ist, dass etwa zeitgleich eine Bewertung, Auswertung und Interpretation über kalibrierende Bohrungen der Radardaten erfolgt. Dabei sind Vollbohrungen mit Durchmesser ca. 22 mm ausreichend. Es muss maximale Flexibilität hinsichtlich der einzusetzenden Messtechnik, technischen Unterstützung für die Ausführung und Zugänglichkeit sowie Datenauswertung bestehen. Weiterführende Literatur: [1] Gabriele Patitz, Bauradar zur Bestandsbewertung am Laufenmühle-Viadukt. In: BAUSUBSTANZ Betoninstandsetzung, Sonderheft 1, 2017 [2] Der Bausachverständige, Baurechtliche und -technische Themensammlung, Arbeitshefte für Baujuristen und Sachverständige. Heft 7: Bauteiluntersuchungen Notwendigkeit und Grenzen. Seibel, Zöller (Hrsg.), Bundesanzeiger Verlag, Fraunhofer IRB Verlag 2016 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 35 Interdisziplinäre Bestandserfassung und Bewertung von Injektionen des Schwarza-Witznaustollens mit Stollenradar Auftraggeber Schluchseewerk AG Säckinger Str. 67, 79725 Laufenburg (Baden) Dipl.-Ing. Robert Render, Dr.-Ing. Daniel Stolz Projektleitung Dr.-Ing. Gabriele Patitz IGP Ingenieurbüro Bauwerksdiagnostik Schadensgutachten Alter Brauhof 11, 76137 Karlsruhe Bestandserfassung mit Orthofotos Radaruntersuchungen vor - und nach den Injektionen Bewertung Injektionserfolg Dipl.-Geophys. Markus Hübner GGU Gesellschaft für Geophysikalische Untersuchungen mbH Ettlingerstr. 51, 76137 Karlsruhe Dr. Andreas Bruschke Messbildstelle GmbH Altplauen 19, 01187 Dresden Planung Probeinjektionen ILF CONSULTING ENGINEERS AUSTRIA GMBH Feldkreuzstrasse 3 | A-6063 Rum/ Innsbruck | Österreich Eva Manninger ILF BERATENDE INGENIEURE AG Flurstrasse 55 | CH-8048 Zürich | Schweiz Dr. Markus Schwalt Frank Hennig Ausführung Probeinjektionen Renesco GmbH - Abteilung Marti Geotechnik Industriestrasse. 2, D-79541 Lörrach Andreas Heizmann, Flavio Piras, Petar Filev