GEOPHYSIKALISCHE VORERKUNDUNG BEI DER KARSTPROBLEMATIK

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Vorbemerkung

In einigen Regionen Deutschlands kommt es zu ausgeprägten Verkarstungserscheinungen wie Hohlräume, Erdfälle und Dolinen. Die Verkarstung beruht auf der Lösung und Auslaugung von Gestein durch Wasser. Das Wasser transportiert das Material ab. Zurück bleiben Massendefizite in Form von Hohlräumen und Senkungen, die bei baulicher Nutzung eine Gefährdung darstellen können. Die Baugrunderkundung in karstgefährdeten Gebieten gestaltet sich schwierig, da sich Verkarstung nicht unbedingt an der Oberfläche abzeichnet. Hier kann durch eine geophysikalische Vorerkundung eine Übersicht über die Verhältnisse im Untergrund erzielt werden. I.a. reicht jedoch das Auflösungsvermögen der Geophysik nicht aus, Details zu liefern (Ausnahme u.U. Georadar). Der Einsatz der direkten Verfahren (Bohrungen, Schürfe) kann jedoch durch die Vorerkundung gezielter erfolgen.

Geophysikalische Vorerkundungsverfahren

Erfahrungsgemäß haben sich einige Verfahren für die Karsterkundung im Rahmen der Baugrunderkundung bewährt. Dies ist vor allem die Geoelelektrik/Elektromagnetik. Daneben sind auch die Seismik sowie die Gravimetrie im Einsatz. Diese Methoden haben den Vorteil, dass ein Gebiet in seiner Gesamtheit erfassbar ist. Das präzisere Georadar kann häufig erst in einer späteren Erkundungsstufe eingesetzt werden.
Geoelektrik und Elektromagnetik basieren auf der Materialeigenschaft ‚spez. elektr. Widerstand‘ und reagieren deshalb gut auf Verkarstung. Ein lufterfüllter Hohlraum wirkt als Isolator und führt deshalb zu einer hochohmigen Anomalie. Ein bindig (leitfähig) verfüllter Hohlraum oder Erdfall bedeutet dagegen eine niederohmige Anomalie. Daneben spiegelt sich in den Daten auch die weitere Untergrundsituation (z.B. Deckschicht, Verwitterungszone, Fels) wider. Zwei Verfahrensvarianten haben sich in der Praxis als praktikabel erwiesen: die linienhafte 2D-Widerstandstomografie und die flächige Widerstandskartierung. Je nach Variante ist die Darstellung von mehr oder weniger großen Grobstrukturen zu erwarten. Bei der ersten Variante erhält man einen Widerstandstiefenschnitt entlang der Messlinie, wie dies in mehreren folgenden Abbildungen dargestellt ist. Sie ist vorteilhaft für lineare Bauwerke (z.B. Pipelinetrassen, Straßentrassen, Tunnel), kann aber auch in der Fläche (parallele Messlinien) eingesetzt werden (3D-Widerstandstomografie).
Die Widerstandskartierung dient der flächigen Erkundung, indem die Messfläche in engem Raster und mit einer vorbestimmten Eindringtiefe abgescannt wird. Sehr ökonomisch lässt sich dies mit der Elektromagnetik durchführen. Das Resultat ist eine Karte des scheinbaren spez. Widerstandes. Es handelt sich dabei um integrale Werte ab der Oberfläche bis in die vorgegebene Tiefe. Mit dieser Karte können die lateralen Veränderungen im Untergrund in der Fläche beurteilt und kritische Stellen zur näheren Erkundung ausgewiesen werden.

Die Refraktionsseismik dient v.a. der Bestimmung der Felslinie auf Basis der Festigkeitseigenschaft ‚elastische Wellengeschwindigkeit‘. Der Verlauf der Felslinie ist ein guter Indikator für Erdfälle und tiefgründige Verwitterung, die einen darunterliegenden Hohlraum zur Folge haben könnte. Unterhalb der Felslinie befindliche Hohlräume sind nicht direkt zu detektieren. Allerdings können bis an die Felsoberfläche verlaufende offene Spalten die Ausbreitung der Wellen behindern und dadurch teilweise erkennbar werden.

Mittels Crosshole-Seismik betrachtet man die Laufzeiten von elastischen Wellen zwischen zwei benachbarten Bohrungen. Im Falle eines Hohlraumes ergibt sich ein Umweg der Welle und damit eine Laufzeitverlängerung. Ebenso ergeben Auflockerungen im Fels Laufzeitverlängerungen. Das Verfahren ist für die lokale Karsterkundung gut geeignet.

Die Gravimetrie basiert auf der Massenanziehungskraft und ist damit ein auf vorhandene Massendefizite (z.B. Hohlräume und Dichtevariationen) direkt ansprechendes Verfahren. Die Gravimetrie ist ein eher aufwendiges Verfahren (langsame Messung, umfangreiche Datenkorrekturen), dessen Empfindlichkeit mit der Tiefe schnell abnimmt, so dass der Einsatz seltener stattfindet.

Das Georadar hat das höchste Auflösungsvermögen der genannten Verfahren. Allerdings absorbieren häufig bindige Deckschichten das Signal und beschränken damit die Eindringtiefe stark. Fehlt diese bindige Deckschicht oder ist sie abgeräumt (Baugrube), kann dieses Verfahren gute Ergebnisse liefern.

Fall B – Tunnelbauprojekt

Aufgabe

Karsterkundung bei einem Tunnelbauprojekt

Messprogramm

• 2D-Widerstandstomografie

Vorgehensweise/Ergebnisse

Um möglichst aussagekräftige Ergebnisse erzielen zu können, wurden die Messungen mit einer gut auflösenden Wenner-Schlumberger-Anordnung, engen Elektrodenabständen und optimalen Messzeitparametern durchgeführt. Die Abbildung B-WT zeigt den nach der Inversion erhaltenen Tiefenschnitt mit eingezeichneter Tunneltrasse. Die Erkundungsstrecke reicht links von einem verfüllten Steinbruch (Sk = Steinbruchkante) bis rechts in ein Tal.
Entlang der Messstrecke treten oberflächennah vielfach lokale Stellen erniedrigten Widerstandes (x) auf. Sie kommen vermutlich durch mehr oder weniger tiefgründige Verwitterungsbereiche zustande. Die Pfeile markieren weiter in der Tiefe befindliche Anomalien, wovon die beiden größeren Pfeile die bedeutsameren Auffälligkeiten anzeigen. Gleichzeitig gliedern die Pfeile Abschnitte, in denen die Felsoberkante (horizontale Striche) auf unterschiedlichem Niveau liegt. Hier deuten sich geologische Störungen an. Die besonders auffälligen Bereiche sind schraffiert. Die deutlichste karstverdächtige Anomalie liegt nahe am Hang.

Im zweiten Schritt sind Messungen entlang mehrerer Linien zur näheren Erkundung mittels 2D-Widerstandstomografie und Refraktionstomografie erfolgt. Die Abbildung C-WT/RT zeigt die zugehörigen Ergebnisse. Die 2DWiderstandstomografie bestätigt die Annahme aus der Widerstandskartierung bezüglich der Felstiefe. Sie zeigt weiterhin an, dass etwa in Mitte der Messlinie eine tiefgründig verwitterte Zone vorkommt. Die Refraktionstomografie löst hier die hangende Deckschicht mit niedriger Wellengeschwindigkeit und den verwitterten Fels besser auf. Die Seismik gibt die Tiefe des festen Felsens an. Die Zone tiefer Felslage und tiefgründiger Verwitterung birgt eine erhöhte Gefahr von Verkarstung und ist deshalb Ziel für direkte Erkundungsverfahren (Bohrungen).

Bemerkung zur 3D-Widerstandstomografie

Die Quasi-3D-Tomografie (Dahlin und Loke, 1997) beruht auf der Messung entlang einer einzigen Messlinien- und damit Stromrichtung (eine von 3 Raumrichtungen x, y, z). Die Begründung für eine zweite Richtung liegt darin, dass die orthogonale Anordnung bei besonderen geologischen Situationen (z.B. Störung) und Anisotropie andere Stromstärken und damit andere Widerstände ergeben kann. Um aus Kostengründen eine zweite Messrichtung zu vermeiden, wird die Richtung der Messlinien bei der Quasi-3D-Tomografie möglichst zielgerecht gemäß Kenntnisstand eingestellt.