4. Kolloquium Straßenbau in der Praxis - Februar 2025 105 Wasser im Straßenkörper? Signalveränderungen in Georadar- und TSD-Daten am Beispiel des Hochwasserereignisses 2021 im Rheinland Dr. Claudia Podolski Bundesanstalt für Straßenwesen, Bergisch Gladbach Dr.-Ing. Dirk Jansen Bundesanstalt für Straßenwesen, Bergisch Gladbach Zusammenfassung Bei dem Starkregen-Ereignis im Juli 2021 wurden im Rheinland auch zahlreiche Straßen überflutet und dadurch teilweise zerstört. Georadar- und TSD-Messungen kurz nach den Überschwemmungen zeigten teilweise auffällige Signale, die vermutlich auf Wasser im Straßenkörper hinweisen. Drei Jahre nach dem Ereignis wurden erneut Messungen in diesen Gebieten durchgeführt und die Daten, mit denen aus dem Jahr 2021 verglichen. 1. Einführung Am 14.-Juli-2021 kam es in Teilen von Nordrhein-Westfalen und Rheinland-Pfalz infolge heftiger Regenfälle zu rapiden ansteigenden Pegeln von Flüssen und Bächen, die Überflutungen ganzer Land- und Ortschaften mit sich brachten. Als Folge wurden auch zahlreiche Straßen überflutet und unterspült. Es kam unter anderem zu Absackungen und komplettem Wegreißen von Autobahnabschnitten, da das von unten oder von der Seite eingedrungene Hochwasser die Standfestigkeit der Straßen massiv beeinträchtigte. Für die spätere Verkehrsfreigabe stellte sich die Frage, ob das Hochwasser auch Schäden bewirkt hat, die nicht offensichtlich an der Oberfläche erkennbar waren. Aufgrund des großen Streckenumfangs wurden flächendeckende Sondierungen ausgeschlossen und stattdessen auf zerstörungsfreie Messverfahren zurückgegriffen. Die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) hat darauf hin im Zuge der Feststellung der aus dem Starkregenereignis resultierenden Schäden im Bereich Erfttal Messungen mit dem 3D-Georadar-System und dem Traffic-Speed-Deflectometer (TSD) durchgeführt und ausgewertet. Ziel der Untersuchungen war die Detektion von Anomalien im Straßenoberbau und Untergrund/ Unterbau, die wahrscheinlich auf die Überflutungen zurückzuführen sind und sich sowohl auf die Verkehrssicherheit als auch auf die kurzbis langfristige Nutzbarkeit auswirken. Diese Anomalien können sich einerseits durch Betrachtung der Homogenität innerhalb einer Strecke ergeben, anderseits können die aktuellen Daten mit denen aus Messungen zu einem früheren Zeitpunkt verglichen werden. Für dieses Interpretationsziel lag zum Zeitpunkt der Messungen kein Erfahrungshintergrund vor. Ebenso waren derartige Erfahrungshintergründe, insbesondere im Falle der hier benötigten Projektgröße und Dringlichkeit, nicht in der Literatur zu finden. Es war daher zum Zeitpunkt der Messungen nicht klar, ob diese zum Erfolg führen. Ein besonderer Vorteil ergab sich dadurch, dass die Streckenabschnitte vor dem Hochwasserereignis bereits aus anderen Gründen von der BASt mit zerstörungsfreien Messverfahren befahren wurden. Zur wissenschaftlichen Weiterverfolgung der Thematik wurden im Juli 2024, also drei Jahre nach dem Ereignis, erneut Messungen mit dem 3D-Georadar-System und dem TSD im Bereich Erfttal durchgeführt. Die Daten können nun genutzt werden, um die damals detektierten Anomalien zu überprüfen, Veränderungen festzustellen und die Ergebnisse gegebenenfalls neu einzuordnen. 1.1 Untersuchungsgebiet Das Untersuchungsgebiet erstreckte sich zwischen Kerpen, Meckenheim und Brühl und umfasste Streckenabschnitte der Autobahnen A-1, A-61 und A-553 jeweils in beiden Fahrtrichtungen [Abb.-1]. Dieser Beitrag befasst sich exemplarisch mit einem Untersuchungsabschnitt auf der A-553 zwischen der Anschlussstelle Brühl-Süd und dem Autobahnkreuz Bliesheim („Sektion-5“, Fahrtrichtung Süd [Abb.-1]). 106 4. Kolloquium Straßenbau in der Praxis - Februar 2025 Wasser im Straßenkörper? Signalveränderungen in Georadar- und TSD-Daten am Beispiel des Hochwasserereignisses 2021 im Rheinland Abb. 1: Untersuchungsgebiet (Geodaten: OpenStreetMap) 2. Messverfahren Eingesetzt wurden das 3D-Georadar-System sowie das Traffic-Speed-Deflectometer des multifunktionalen Messverfahrens MESAS der BASt. Beides sind zerstörungsfrei arbeitende und schnellfahrende Messsysteme. MESAS basiert auf einem TSD und vereint verschiedene weitere Messverfahren, unter anderem auch ein Einkanal-Georadarsystem, dessen Ergebnisse aber aufgrund der hier vorliegenden Aufgabenstellung nicht zur Anwendung kamen. 2.1 Das Georadarverfahren Beim Georadarverfahren (GPR,-engl.-ground penetrating radar) werden elektromagnetische Wellen von einer Antenne in den Untergrund gesendet, dort teilweise reflektiert und durch die Antenne wieder erfasst [Abb. 2]. Aus der laufzeitbasierten Interpretation der empfangenen Signale können Schichtdicken abgeleitet werden und größere Inhomogenitäten erkannt werden. Herkömmliche Georadar-Systeme erfassen pro Messung eine Profillinie. Bei Anwendung des 3D-Georadars der BASt können mit einer Überfahrt bis zu 25-Profillinien gemessen werden. Aus dieser Dichte von Informationen können flächenhafte und auch dreidimensionale Auswertungen erzeugt werden, welche die Interpretation der Signale vereinfachen. Für nähere Erläuterungen zur Funktionsweise des Georadarverfahrens sei beispielsweise auf die entsprechenden Arbeitspapiere der FGSV [1], [2] verwiesen. Abb. 2: Messprinzip des Georadars mit exemplarischer Darstellung eines Radargramms [1] Zusätzlich zum allgemeinen Auf bau und den Schichtdicken, die durch Bohrkerne noch verifiziert werden können, kann man auch aus den Amplituden der reflektierten Signale wertvolle Informationen ableiten. Elektromagnetische Wellen werden beispielsweise stark an Wasseroberflächen, wie auch an Metall, reflektiert, so dass kaum Energie in den darunterliegenden Bereich eindringen (und daher auch nicht zurückgestrahlt werden) kann und die reflektierte Schichtgrenze im Radarbild in der Regel gut sichtbar ist. Ebenso kann eine Signalumkehr, ein sogenannter Phasenwechsel, auf Wasser im Untergrund hinweisen. Durch im Boden vorhandene Feuchtigkeit verlangsamen sich zudem die elektromagnetischen Wellen, so dass das reflektierte Signal zu einer späteren 4. Kolloquium Straßenbau in der Praxis - Februar 2025 107 Wasser im Straßenkörper? Signalveränderungen in Georadar- und TSD-Daten am Beispiel des Hochwasserereignisses 2021 im Rheinland Laufzeit wieder an der Empfängerantenne ankommt als ohne Feuchtigkeit. Zur Unterstützung der Auswertung erfolgten im Rahmen des Projektes Simulationsrechnungen. Diese erlauben die Erzeugung künstlicher Radargramme unter bestimmten Voraussetzungen. Simuliert wurden typische Autobahnauf bauten bei verschiedenen Sättigungen bzw. Durchfeuchtungen einzelner Schichten. 2.2 Das Traffic-Speed-Deflectometer Das multifunktionale Messsystem MESAS basiert wesentlich auf dem schnellfahrenden Tragfähigkeitsmessgerät Traffic-Speed-Deflectometer. Mithilfe von 11-Doppler-Lasersensoren wird die kurzzeitige Verformung der Straßenoberfläche unter Einwirkung der 10-t-Achse des Sattelaufliegers ermittelt. Für die Bewertung können nach heutigem Stand des Wissens sowohl die Steigungen (Slope-Werte) als auch die Verformungswerte verwendet werden. Davon abgeleitet hat sich die Verwendung des Kennwerts SCI 300 zur Beschreibung der Tragfähigkeit international etabliert. Zur näheren Erläuterung der Funktionsweise des TSD-Verfahrens sowie der Auswertung mittels verschiedener Kennwerte sei auf die AP-Reihe Trag der FGSV-[3] verwiesen. 3. Ergebnisse 3.1 Georadarverfahren Auf den Untersuchungsstrecken wurden viele Positionen identifiziert, bei denen Feuchte oder Wasser in der Straßenbefestigung vermutet wurde. Dies wurde durch gezielte Sondierungen der Autobahn- GmbH bestätigt. Abb.-3 zeigt exemplarisch die markierten Auffälligkeiten für die Sektion- 5. Die Klassifizierung der Auffälligkeiten erfolgte nach visueller Einschätzung mit den Kategorien-A (deutlich erkennbare Anomalie, rot) und B-(deutlich erkennbare Anomalie, die aber in der Ausprägung geringer ist als die der Kategorie-A, orange). Abbildung-4 (oben) zeigt ein Beispiel mit einer deutlichen Phasenumkehr an der Unterkante der Asphalttragschicht. Gleichzeitig zeigt der Vergleich mit den neuen Daten drei Jahre später (Abb.-4, unten) eine Änderung der Signale. Es ist teilweise zwar immer noch ein Phasenwechsel zu sehen, jedoch scheint dieser schwächer ausgeprägt. In einem weiteren Beispiel (Abb.-5, oben) ist von einer Signalstruktur, die sich durch stark wechselnde Amplituden hervorhebt, drei Jahre später fast nichts mehr zu sehen (Abb.-5, unten). Sowohl im Radargramm („B-Scan“) als auch im Zeitschnitt („C-Scan“) kann man die Unterschiede zwischen den Messkampagnen der Jahre 2021 und 2024 sehr gut ausmachen: Es zeigen sich deutlich kurze Abschnitte mit starken Amplituden bzw. „schwarze Flecken“ in einer Tiefe von ca. 20-cm. Abb.-3: A-553 zwischen AS-Brühl-Süd und AK-Bliesheim, Georadar - Darstellung der mit den Kategorien A-(rot) und B-(orange) gekennzeichneten Positionen überlagert mit den Fließgewässern (Geodaten: OpenStreetMap) 108 4. Kolloquium Straßenbau in der Praxis - Februar 2025 Wasser im Straßenkörper? Signalveränderungen in Georadar- und TSD-Daten am Beispiel des Hochwasserereignisses 2021 im Rheinland Abb. 4: Radargramm mit Beispiel für Phasenwechsel aus den Jahren 2021 (nach dem Hochwasser, unten) und 2024 (oben). Die Pfeile zeigen zwei Positionen mit deutlich erkennbarer Phasenumkehr entlang der Messlinie (2021). Im Jahr 2024 sind ebenfalls Änderungen der Phase entlang der Messlinie zu sehen, gleichzeitig erscheinen diese schwächer und unterscheiden sich deutlich von denen aus den früheren Daten. Abb. 5: Radargramm („B-Scan“) und Zeitschnitt („C-Scan“, 7 ns = ca. 20 cm Tiefe) mit Beispiel für Amplitudenänderungen zwischen 2021 (oben) und 2024 (unten). Das deutlich sichtbare Amplitudenmuster in den Daten von 2021 ist drei Jahre später so nicht mehr zu erkennen. 4. Kolloquium Straßenbau in der Praxis - Februar 2025 109 Wasser im Straßenkörper? Signalveränderungen in Georadar- und TSD-Daten am Beispiel des Hochwasserereignisses 2021 im Rheinland Auch auffällige Veränderungen der Schichthorizonte im Streckenverlauf sowie quer davon wurden markiert, da davon auszugehen war, dass Änderungen des Auf baus, insbesondere solche mit „Anrampungen“, und Änderungen der Belastungsklassen auf den betrachteten Autobahnen nicht anzutreffen sind. Die im Radargramm sichtbaren Veränderungen der Schichthorizonte konnten somit nicht als Schichtdickenveränderung interpretiert werden, sondern als Verlängerung der Laufzeit, die wiederum durch Feuchtigkeit verursacht wird. Die Simulationsrechnungen dienten zur besseren Interpretation sowie zur Verifizierung der Ergebnisse. In Abbildung-6 sind zwei Simulationsergebnisse exemplarisch dargestellt. Die Simulation zeigt, dass bei trockenem Oberbau (Abb.-6, links) die Schichtgrenzen bis hin zum Planum klar zu erkennen sind. Im Fall einer Durchfeuchtung unterhalb des Asphaltpaketes, siehe Abb.-6 rechts, ist zu erkennen, dass Schichtgrenzen unterhalb der Asphalttragschicht aufgrund der Dämpfung des Signals nicht mehr erkennbar sind. Zudem stellt sich ein Phasenwechsel an der Unterkante des Asphaltpaketes ein, was wiederum ein Indikator für Feuchte ist. Sehr vergleichbare Signalbilder sind in den In-situ-Messdaten erkennbar, womit die Detektion der Durchfeuchtung des Oberbaus verifiziert werden konnte. Kritische Schadensbilder wurden nicht gefunden. Abb. 6: Georadar-Simulationsergebnisse mit trockenem Oberbau (links) und mit durchfeuchtetem Oberbau (rechts). (Simulationen und Abbildung durch Ingenieurgesellschaft Nordwest) 3.2 TSD Die Abbildung 7 zeigt den Tragfähigkeitskennwert SCI300 auf der Beispielstrecke der A 553 für die Messungen aus den Jahren 2020 und 2021 (nach dem Hochwasser). Es wurde hier ein gleitender Mittelwert über 50 m angewendet, um Unterschiede besser sichtbar zu machen. Das Tragfähigkeitsniveau ist in den beiden Jahren ähnlich hoch. Es fällt jedoch auf, dass die Werte kurz nach dem Hochwasserereignis (2021, HW) stärker streuen und inhomogener wirken als im Jahr 2020. In vielen Bereichen konnten zwar deutliche Änderungen der Tragfähigkeit festgestellt werden, es sind jedoch auch hier keine kritischen Positionen aufgefallen. Abb. 7: TSD-Daten mit dem Tragfähigkeitskennwert SCI300 kurz nach dem Hochwasserereignis (2021) im Vergleich mit den Werten aus dem Vorjahr (2020). 4. Diskussion Sowohl Georadarmessungen als auch Tragfähigkeitsmessungen werden in der Regel nicht auf Straßen durchgeführt, bei denen bekannt ist, dass diese im Oberbau oder Untergrund durchnässt oder durchfeuchtet sind. Im Falle des Georadars liegt der Grund darin, dass die von der Antenne ausgesendeten Radarwellen durch Wasser und Feuchte stark gedämpft und reflektiert werden. Die Sichtbarkeit in die Tiefe wird daher deutlich eingeschränkt. Die Auswertungen konzentrierten sich daher auf die Beantwortung der Frage, ob Wasser oder Feuchte im Straßenoberbau zum Zeitpunkt der Messungen unmittelbar nach dem Hochwasser vorhanden ist und ob größere Schäden, beispielsweise Ausspülungen, festgestellt werden können. Im Falle von Tragfähigkeitsmessungen können Fehlinterpretationen entstehen, da Wasser in der Straßenbefestigung bei schneller Belastung aufgrund des entstehenden Porenwasserüberdrucks eine höhere Tragfähigkeit suggerieren kann. Gleichfalls kann sich Wasser aber auch sehr tragfähigkeitsmindernd auswirken. Eine quantitative Bewertung ist daher nahezu ausgeschlossen. Vorteilhaft im vorliegenden Fall war, dass die BASt seit 2018 eine breite Datenbasis mit Tragfähigkeitsdaten des Autobahnnetzes auf baut. Somit lagen Vergleichsdaten vor, mit deren Hilfe eine Bewertung der schädlichen Veränderung der Tragfähigkeit in Folge des Hochwassers möglich war. 110 4. Kolloquium Straßenbau in der Praxis - Februar 2025 Wasser im Straßenkörper? Signalveränderungen in Georadar- und TSD-Daten am Beispiel des Hochwasserereignisses 2021 im Rheinland Generell konnte für die betroffenen Abschnitte auch aus den Daten vor dem Hochwasserereignis geschlossen werden, dass ein hohes Tragfähigkeitsniveau vorliegt. Somit konnte das Risiko eventuell kurzfristig durch Feuchte im Straßenoberbau abgeminderter Tragfähigkeiten, in Kombination mit der Feststellung, dass keine massiven Änderungen in den Messwerten kurz nach dem Hochwasser feststellbar waren, ebenso reduziert angesehen werden. 5. Schlussfolgerungen Generell zeigte sich insbesondere bei diesem Projekt, dass ein möglichst vollumfängliches digitales Abbild der Straßenbefestigung und deren Eigenschaften ein unerlässliches Mittel zur Interpretation insbesondere von zerstörungsfreien Messungen ist. Die Etablierung von strukturierten, vollständigen und zugänglichen Datenbanken ist ein Schlüssel hierzu. 6. Ausblick Die Messungen mit dem 3D-Georadarverfahren der BASt sind unproblematisch und ohne großen Aufwand durchführbar, da sie unter anderem im fließenden Verkehr stattfinden können. Daher bietet es sich an, auch auf anderen durch Hochwasser gefährdeten Autobahnabschnitten eine Datenbasis mittels 3D-Georadar aufzubauen. Bei Bedarf könnten diese Daten dann zur Bewertung und Einordnung von Signalveränderungen schnell herangezogen werden. Weiterhin finden sich in der Literatur Studien zu Georadardaten, die neben der Schichtdicke, Amplitude und Phase auch andere sogenannte Attribute wie beispielsweise die Frequenzanteile auswerten [4]. In [5] berichten die Autoren bei einem steigenden Wassergehalt in Sand von einer erkennbaren Verschiebung der Frequenzanteile hin zu niedrigeren Frequenzen. Speziell die Analyse der Frequenzanteile bietet zudem großes Potential in der automatisierten Auswertung. Es bietet sich an, diese Methoden auch im Straßenkontext auf ihre Anwendbarkeit zu prüfen. Insbesondere im Zusammenhang mit Hochwasserereignissen können sich hier wertvolle Zusatzinformationen zur Bewertung ergeben. In der Bundesanstalt für Straßenwesen startet Anfang 2025 ein Forschungsprojekt, das verschiedene Georadar-Attribute unter verschiedenen Bedingungen untersuchen soll. Literatur [1] Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrsw., „Arbeitspapier Anwendung des Georadarverfahrens zur Substanzbewertung von Straßen, Teil A: Bestimmung von Schichtdicken des Oberbaus von Verkehrsflächenbefestigungen mit dem Georadar-Impulssystem,“ FGSV-Verlag, Köln, 2023. [2] Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrsw., „Arbeitspapier Anwendung des Georadarverfahrens zur Substanzbewertung von Straßen, Teil Allgemeines: Beschreibung und Qualitätssicherung von Georadarmessungen mit dem Georadar-Impulssystem,“ FGSV-Verlag, Köln, 2022. [3] Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrsw., „Reihe 433 AP Trag,“ FGSV, Köln, 2008-2023. [4] J. Tronicke und U. Böniger, „GPR attribute analysis: There is more than amplitudes,“ First Break, Bd. 31, Nr. 8, 2013. [5] Y. YongShuai, Y. Yajing und Z. Guizhang, „Estimation of sand water content using GPR combined time-frequency analysis in the Ordos Basin, China,“ Open Physics, Bd. 17, Nr. 1, pp. 999-1007, 2019.