Cavity Geometry Evaluation beneath Shield Tunnel Linings using Ground Penetrating Radar and Acoustic Sensing

Tief unter den geschäftigen Straßen moderner Städte hält eine verborgene Welt der Infrastruktur die Gesellschaft in Bewegung. U-Bahnen, Versorgungstunnel und unterirdische Passagen werden von massiven Maschinen ausgehoben, die Betonringe hinterlassen, welche die Erde zurückhalten. Um sicherzustellen, dass diese Ringe stabil bleiben, füllen Arbeiter den winzigen Spalt zwischen dem neuen Beton und dem umliegenden Boden mit einer dicken, zementähnlichen Paste namens Grout auf. Dieses Verfüllen ist entscheidend; es stützt den Tunnel und verhindert, dass der Boden sich verschiebt. Wenn dieser Grout jedoch nicht perfekt gegossen wird oder im Laufe der Zeit wegfließt, können sich hinter den Tunnelwänden leere Lufttaschen bilden. Diese verborgenen Hohlräume sind gefährlich, da sie die Struktur schwächen und potenziell zu plötzlichen Einstürzen führen können, doch sie sind von der Innenseite des Tunnels aus unsichtbar, wo der Beton vollkommen glatt aussieht.

Seit Jahrzehnten versuchen Ingenieure, diese leeren Räume zu finden, ohne den Tunnel aufbrechen zu müssen. Sie haben Werkzeuge wie das Bodenradar eingesetzt, das Radiowellen in den Boden sendet, um Veränderungen im Material zu erkennen, sowie Wärmebildkameras, die nach Temperaturunterschieden suchen. Aber diese Methoden haben eine Schwachstelle, wenn es um Stahlbeton geht, die Art von Beton, die in den meisten modernen Tunneln verwendet wird. In diesen Wänden erzeugt ein Gitter aus Stahlstäben, bekannt als Bewehrung oder Rebars, ein chaotisches Signal, das oft genau die Defekte verbirgt, die Ingenieure zu finden versuchen. Wenn die Radarwellen auf den Stahl treffen, prallen sie in einem verwirrenden Durcheinander zurück, was es fast unmöglich macht, zu unterscheiden, ob eine Reflexion von einem Stahlstab oder einem gefährlichen Loch hinter der Wand stammt. Diese Ungewissheit lässt Tunnelbetreiber über die Sicherheit ihrer Infrastruktur spekulieren.

Ein Team von Forschern der Korea University und der Konkuk University beschloss, einen anderen Ansatz zu testen, indem sie das traditionelle Radar mit einem einfachen, aber oft übersehenen Werkzeug kombinierten: einem Mikrofon. Ihr Ziel war es, diese verborgenen Hohlräume zu entdecken und ihre Dimensionen abzuschätzen. Zu diesem Zweck bauten sie im Labor ein großmaßstäbliches Modell einer Tunnelauskleidung. Sie konstruierten eine dicke, bewehrte Betonplatte, um die Tunnelwand nachzubilden, komplett mit einem realistischen Gitter aus Stahlstäben, die etwa 38 Zentimeter voneinander entfernt waren. Darunter platzierten sie eine zweite Betonplatte, die den Boden darstellte. Auf dieser unteren Platte schnitzten sie vier verschiedene Hohlräume aus, um die Kavitäten zu simulieren: zwei waren quadratisch und zwei kreisförmig, mit Breiten und Durchmessern zwischen 30 und 60 Zentimetern. Den restlichen Spalt füllten sie mit Mörtel auf, um als Backfill zu dienen, wobei nur die spezifischen Hohlräume leer blieben.

Die Forscher führten dann zwei verschiedene Tests über die Oberfläche der bewehrten Platte durch. Zuerst verwendeten sie eine Bodenradarstation und zogen sie entlang bestimmter Linien, um den Bereich zu scannen. Die Radarbilder zeigten die erwarteten Ergebnisse: Die Stahlstäbe erzeugten starke, gekrümmte Reflexionen, die das Bild dominierten. Obwohl das Radar erkennen konnte, dass sich in den Bereichen mit Hohlräumen etwas veränderte, waren die Signale der leeren Stellen mit den Signalen der Stahlstäbe verstrickt. Die Forscher fanden heraus, dass sie eine mathematische Technik namens Wavelet-Transformation nutzen konnten, um zu versuchen, diese überlappenden Signale zu trennen, und sie konnten sehen, dass die Signalstärke zunahm, wenn die Hohlräume größer wurden. Die Stahlstäbe machten es jedoch sehr schwierig, die Ränder der Löcher klar zu definieren oder zu bestimmen, ob ein Hohlraum quadratisch oder rund war; die Studie kam zu dem Schluss, dass die Identifizierung der Form des Hohlraums eine Herausforderung bleibt und dass die Genauigkeit der Dimensionsschätzung mittels Radar abnehmen könnte.

Als Nächstes wandte sich das Team dem Mikrofon zu. Anstatt Radiowellen zu senden, verwendeten sie einen speziellen Hammer, um gegen die Betonoberfläche zu klopfen, wodurch ein kurzer Schlag und eine Vibration erzeugt wurden, die durch die Platte wanderte. Ein empfindliches Mikrofon, das nur zwei Zentimeter über der Oberfläche gehalten wurde, lauschte den in der Luft schwingenden Partikeln, die als Reaktion auf den Schlag entstanden. Die Logik dahinter beruht darauf, wie sich eine Platte verhält, wenn sich unter ihr ein Loch befindet. Wenn der Beton massiv und vollständig vom Boden gestützt wird, ist er steif und widersteht der Biegung. Aber wenn sich unter ihm ein leerer Hohlraum befindet, wird dieser Abschnitt der Platte flexibel, wie ein Trampolin. Wenn man darauf klopft, vibriert der flexible Abschnitt anders und erzeugt einen Klang mit einem anderen Charakter als die soliden Abschnitte.

Die Ergebnisse des Mikrofons waren verblüffend klar. Die Forscher maßen die „Flexibilität“ der Platte an jedem Punkt entlang ihrer Vermessungslinien. Wo der Beton solide war, blieb die Flexibilität niedrig und konstant. Doch sobald das Mikrofon über einen Hohlraum fuhr, sprang die Flexibilität signifikant in die Höhe. Die Daten zeigten einen scharfen Anstieg der Flexibilität genau dort, wo sich die Löcher befanden, was es dem Team ermöglichte, die Ränder der Hohlräume mit hoher Präzision zu lokalisieren. Im Gegensatz zum Radar wurde das Mikrofon von den Stahlstäben im Beton kaum gestört; der Klang der Platte, die sich über dem Loch bog, war deutlich genug, um das Rauschen des Stahls zu ignorieren. Das Team stellte fest, dass sie nicht nur die Anwesenheit eines Lochs detektieren, sondern auch dessen Größe vergleichend abschätzen konnten. Größere Hohlräume verursachten einen größeren Anstieg der Flexibilität, und das Mikrofon konnte deutlich zwischen den 30-Zentimeter- und 60-Zentimeter-Löchern unterscheiden.

Der vielleicht aufschlussreichste Befund war, wie die Form des Hohlraums den Klang beeinflusste. Als die Forscher die quadratischen Löcher mit den kreisförmigen verglichen, bemerkten sie, dass der Bereich der erhöhten Flexibilität über den quadratischen Löchern breiter war als über den kreisförmigen Löchern gleicher Breite. Dies geschah, weil die quadratische Form ihre volle Breite entlang der gesamten Länge der Vermessungslinie beibehält, während die kreisförmige Form zu den Rändern hin schmaler wird, was eine schmalere Flexibilitätszone erzeugt. Die Studie merkte jedoch an, dass während die akustische Sensorik einen klaren Vorteil bei der Abgrenzung der Hohlraumränder zeigte, die mit der detaillierten Form des Hohlraums verbundenen Flexibilitätsunterschiede vernachlässigbar waren. Dieser subtile Unterschied bedeutete, dass die Forscher zwar die Größe des Hohlraums ableiten konnten, aber nicht zuverlässig zwischen einer quadratischen oder kreisförmigen Form allein basierend auf der Flexibilität unterscheiden konnten. Während das Radar damit kämpfte, das Signal des Lochs vom Signal des Stahls zu trennen, lieferte das Mikrofon eine saubere, direkte Karte darüber, wo der Boden fehlte.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass Bodenradar zwar ein nützliches Werkzeug ist, seine Fähigkeit, die exakte Geometrie von Hohlräumen hinter Stahlbeton abzubilden, jedoch durch die Interferenz der Stahlstäbe begrenzt ist. Im Gegensatz dazu bietet die akustische Sensorik mittels eines Mikrofons eine zuverlässigere Methode, um diese verborgenen Hohlräume zu entdecken und ihre Dimensionen abzuschätzen. Indem Ingenieure darauf hören, wie die Tunnelwand vibriert, können sie die Grenzen eines Hohlraums mit viel größerer Genauigkeit identifizieren als durch das bloße Betrachten von Radarbildern. Dies deutet darauf way, dass die Kombination dieser beiden Methoden in Zukunft Tunnelinspektoren ein viel klareres Bild der verborgenen Gefahren liefern könnte, die hinter den Wänden lauern, um sicherzustellen, dass die unterirdischen Adern unserer Städte sicher und stabil bleiben.