Kostengünstiges und effizientes Monitoring für - Technische ...

Kostengünstiges und effizientes Monitoring für
„kleine“ instabile Hänge
- Beispiele aus Österreich, der Schweiz und Bayern -
Beitrag zur Bodenseetagung 2010
Bregenz, 22.-23. Oktober 2010
JOHN SINGER, KUROSCH THURO
Lehrstuhl für Ingenieurgeologie, Technische Universität München,
Arcisstraße 21, D-80333 München, Deutschland, singer@tum.de
GÜNTER MOSER
Moser/Jaritz Ziviltechnikergesellschaft,
Muenzfeld 50, A-4810 Gmunden
ULI SAMBETH
Stump ForaTec AG,
Madetswilerstrasse 33, CH-8332 Russikon

SINGER, J., THURO, K., MOSER, G. & SAMBETH, U.: 1
Kostengünstiges und effizientes Monitoring für “kleine” instabile Hänge
Kostengünstiges und effizientes Monitoring für
„kleine“ instabile Hänge
- Beispiele aus Österreich, der Schweiz und Bayern –
JOHN SINGER, KUROSCH THURO, JUDITH FESTL, GÜNTER MOSER & ULRICH SAMBETH
1 Einleitung
Die Überwachung von Großhangbewegungen stellt heutzutage eine Standardanwendung
geotechnischer Instrumentierung dar. Bei großen Hangbewegungen oder einem
hohen Gefährdungspotential ist meist das Beste gerade gut genug und Kosten sind oft
zweitrangig. Aber wie sieht es mit den vielen kleinen instabilen Hängen aus, die beispielsweise
die kleinen und mittleren Zugangsstraßen von Gemeinden bedrohen oder
bei denen man nicht das große Budget hat? Auch für diese sollte ein möglichst kostengünstiges,
aber trotzdem effizientes Messsystem möglich sein.
In diesem Beitrag wird ein solches einfaches Messsystem mittels TDR-Koaxialkabeln
vorgestellt, mit dem, unter entsprechenden geologisch-geotechnischen Rahmenbedingungen,
episodische oder kontinuierliche Verformungsmessungen durchführbar sind.
2 Grundlagen der TDR Deformationsmessungen
Das ursprünglich im Bereich der Kabelindustrie und Fernmeldetechnik eingesetzte
TDR Messverfahren zur Detektierung von Störungen und Kabelbrüchen kann als kabelgebundenes
Radar beschrieben werden. Wie bei einem Radarsystem werden
elektromagnetische Wellen von einem Sender ausgestrahlt. Treffen diese auf ein Hindernis
werden sie zum Sender bzw. einem dort installierten Empfänger reflektiert,
wo sie aufgenommen und auf ihre Reflexionscharakteristika hin analysiert werden
(O’CONNOR & DOWDING 1999). Beim TDR System werden Koaxialkabel (z.B. TV-Kabel)
verwendet, welche aus einem Innenleiter bestehen, der getrennt durch einen Isolator
(z.B. PE Schaum), röhrenförmig von einem Außenleiter umgeben wird (Abbildung 1).
Wird ein elektromagnetischer Impuls in ein Koaxialkabel eingespeist, kann über dessen
konstante Ausbreitungsgeschwindigkeit (nahezu Lichtgeschwindigkeit) und die
Zeitdifferenz zwischen der Aussendung und dem Empfangen einer durch eine Störstelle
verursachten Reflexion die Entfernung der Störstelle zum Impulsgeber berechnet
werden, was eine präzise Lokalisierung der Störung ermöglicht.
Das TDR System, wie es mittlerweile in der Geotechnik in unterschiedlichen Bereichen
zur Anwendung kommt, besteht im Wesentlichen aus drei Komponenten
(Abbildung 1): dem TDR Messgerät (optional mit Datenlogger für kontinuierliche
Messungen, Multiplexer für parallele Messung von mehreren Messstellen mit einem
Messgerät und Datenfernübertragungs Modul), dem koaxialen Messkabel und dem
koaxialen Zuleitungskabel.

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Abbildung 1: Installationsschema eines TDR Messsystems für die Überwachung von Hangbewegungen
(verändert nach SINGER 2010).
Bei der Überwachung von Hangbewegungen wird das Koaxialkabel in einem Bohrloch
installiert und mit Hilfe eines Injektionsgutes mit dem Gebirge kraftschlüssig
verbunden. Kommt das TDR Verfahren bei einer Überwachung von Bauwerksteilen
zum Einsatz, so wird das Messkabel angepasst an die jeweilige Messaufgabe möglichst
so in das Bauwerksteil integriert, dass die auftretende Deformation optimal auf
das Messkabel übertragen wird. Auf jeden Fall muss sichergestellt sein, dass sich bei
der Deformation des Koaxialkabels der Abstand zwischen Außen- und Innenleiter
verändert, da dies die durch TDR messbare Änderung des Wellenwiderstandes im Koaxialkabel
verursacht.
Zu beachten ist, dass bei einer nur leichten Biegung eines Koaxialkabels meist keine
ausreichende Geometrieänderung eintritt und die Deformation so für TDR nicht
detektierbar wird. Dies hat zur Folge, dass sich TDR Deformationsmessungen in der
Regel vor allem für die Untersuchung von Scherdeformationen entlang diskreter Bewegungsbahnen
eignet. Eine Bestimmung des Bewegungssinnes ist generell nicht möglich.
Durch die Analyse der von einer Kabeldeformation verursachten Signale können Informationen
über den Betrag und die Art der Deformation gewonnen werden (SINGER et al
2009a). Dazu werden die TDR Signale parametrisiert, wobei insgesamt 15 verschiedene
Größen aus den Signalen abgeleitet werden (SINGER 2010). Dies ist z.B. die Amplitude,
Fläche, Breite und Symmetrie des Signals, wobei die Amplitude und Fläche des Signals
– Indikatoren für die Signalstärke – mit dem Deformationsbetrag korrelieren und
damit zur Quantifizierung der Deformation verwendet werden können (Abbildung 2).
Die übrigen Parameter erlauben Rückschlüsse auf die Art und den Ort der Deformation.

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Abbildung 2: a, Durch Scherung eines Koaxialkabels verursachte TDR Signale. b, Aus TDR Signalen abgeleiteter
Zusammenhang zwischen Deformation und Signal-Amplitude (verändert nach SINGER et al 2006).
Das Verhältnis zwischen der Signalstärke und der Deformation hängt immer stark
von den Rahmenbedingungen ab, wie z.B. dem Typ des verwendeten Koaxialkabels
sowie dem Injektionsmittel bzw. dem Material des Bauwerksteiles in das das Koaxialkabel
eingebettet ist.
Somit muss das TDR Messsystem für jede Messaufgabe in Labor- oder in In-situ-Versuchen
kalibriert werden bevor eine Quantifizierung des Deformationsbetrags möglich
wird. Durch die Definition von an die jeweilige Messaufgabe angepassten Installationsstandards
(z.B. für die Überwachung von verschiedenen Hangbewegungstypen)
kann dieser Aufwand jedoch für Endnutzer vermieden werden.
Mit zunehmender Kabellänge wird das in das Koaxialkabel eingespeiste TDR Signal
durch Leitungsverluste gedämpft (DOWDING et al 1988). Dies führt zu einer deutlichen
Verminderung der Signalstärke, welche ebenfalls bei der Auswertung von TDR Signalen
berücksichtigt werden muss. In diversen Feld- und Laborversuchen hat sich gezeigt,
dass eine Signaldämpfung bis 6 dB noch zuverlässig korrigiert werden kann.
Dementsprechend sollte die gesamte Kabellänge (Zuleitung und Messkabel) bei Verwendung
von hoch qualitativen Koaxialkabeln in der Regel 100 m nicht überschreiten
(Singer et al 2009c).
3 Feldversuche
Das TDR Messsystem wurde in den letzten Jahren in einer ganzen Reihe von Feldinstallationen
auf seine Praxistauglichkeit für die Überwachung von Hangbewegungen
geprüft. Dabei sind für das TDR-Messsystem generell drei verschiedene Installations-
Szenarien üblich, die auch jeweils in einem der folgenden Praxixbeispiele zum Einsatz
kamen: 1. Parallelinstallation von TDR Koaxialkabel und Inklinometer-Rohr im
selben Bohrloch (Fallbeispiel Gschliefgraben), 2. Installation des TDR Koaxialkabels
in ein abgeschertes Inklinometer-Rohr (Fallbeispiel Triesenberg) und 3. Installation
des TDR Koaxialkabels in ein eigenständiges Bohrloch (Fallbeispiel Aggenalm)
(Abbildung 3).

4 SINGER, J., THURO, K., MOSER, G. & SAMBETH, U.:
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Abbildung 3: TDR-Installations-Szenarien (verändert nach SINGER et al 2006).
3.1. Hangbewegung Gschliefgraben
Am Gschliefgraben kam das TDR Messsystem im Zuge der Monitoringmaßnahmen
des Ereignisses von 2007 / 2008 zum Einsatz (s. auch MARSCHALLINGER et al 2009).
Insgesamt war das Messsystem über einen Zeitraum von nahezu einem Jahr an verschiedenen
Messstellen kontinuierlich in Betrieb. Die Datenerfassung und Datenspeicherung
erfolge automatisch mit Hilfe eines Datenloggers, der sporadisch ausgelesen
wurde. Aufgrund des geringen Stomverbrauchs des TDR Messsystems und durch den
Einsatz von Leistungsfähigen Blei-Akkumulatoren war ein wartungsfreier Betrieb von
bis zu 3 Monaten realisierbar. Die Ausfallquote der Messungen liegt im gesamten
Messzeitraum bei weniger als 2 %, wobei Probleme mit der Konnektierung (Eindringen
von Wasser, mechanische Überbeanspruchung durch versehentlichen Kabelzug)
nahezu für alle Fehlmessungen verantwortlich waren.
Da am Gschliefgraben die TDR Koaxialkabel parallel zu Inklinometer-Rohren installiert
wurden, ist ein direkter Vergleich der Messdaten von beiden Systemen möglich
(Abbildung 4).
Dabei hat sich gezeigt, dass die TDR- und Inklinometermessungen generell vergleichbare
Ergebnisse liefern. Durch den parallelen Einbau von Koaxialkabel und
Inklinometerrohr in ein Bohrloch reagierten allerdings die TDR Messungen in der
Regel etwas später auf die Deformation als die Inklinometermessungen. Dafür zeigten
die TDR Messungen meist einen deutlich längeren Messweg von bis zu über 10 cm.
Gleichzeitig erlaubten die TDR Messungen die Erfassung eines zeitlich hochaufgelösten
Deformationspfades, was mit den sporadisch durchgeführten Inklinometermessungen
nicht möglich war. Die Reaktion des Hanges auf etwaige Triggereinflüsse (z.B.
Niederschlag) kann so besser beurteilt werden.

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Abbildung 4: TDR Rohdaten (links) und Vergleich der von Inklinometer und TDR bestimmten Deformationen
in der Messstelle KB08 (Scherzone bei ca. 17 m Teufe) (rechts).
3.2. Hangbewegung Triesenberg
Die Hangbewegung Triesenberg in Liechtenstein wird bereits seit mehreren Jahren
intensiv messtechnisch überwacht, wobei die entlang einer diskreten Scherbahn auftretenden
Deformationen im Untergrund mittels Inklinometern überwacht wurden.
Im Mittel wurden so Bewegungsraten in einer Größenordnung von wenigen Zentimetern
pro Jahr ermittelt. Nachdem einige Inklinometer-Rohre aufgrund zu hoher
Scherdeformation nicht mehr durchgängig waren, wurden im März 2010 zwei Inklinometer-Rohre
jeweils mit TDR Koaxialkabel bestückt und in einem Fall parallel dazu
zusätzlich ein Extensometer installiert. Der verbleibende Hohlraum wurde dann mit
einer Zementsuspension verfüllt. Beide Messsysteme wurden mit automatischen Datenerfassungsgeräten
bestückt und die Daten sind per GSM Modem abrufbar. Durch
eine Solarstromversorgung wurde ein autarkes System geschaffen, welches bis dato
(Okotober 2010) wartungsfrei in Betrieb ist.
Abbildung 5: autarkes TDR Messystem
zur gleichzeitigen Überwachung von 2
TDR Messstellen am Triesenberg.

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Entgegen den Erwartungen traten an den TDR Messstellen am Triesenberg im Zeitraum
März bis Oktober 2010 keine messbaren Deformationen auf. Die Anfangsinsensitivität
des TDR-Systems (Deformation entlang der diskreten Scherbahn, die
notwendig ist, um ein auswertbares TDR-Signal zu erzeugen) wurde für den am
Triesenberg verwendeten Ausbau in Laborversuchen mit ca. 5 mm bestimmt. Dementsprechend
wird davon ausgegangen, dass die im Messzeitraum aufgetretenen Deformationen
unter diesem Wert liegen.
3.3. Hangbewegung Aggenalm
In einem weiteren Feldversuch an der Aggenalm-Hangbewegung (Sudelfeld nahe
Bayrischzell, Bayerische Alpen) wurde das TDR Messsystem im Rahmen des Forschungsprojekts
alpEWAS (www.alpewas.de) als Teil eines drahtlosen Geosensornetzwerks
bestehend aus diversen weiteren Sensoren zur Erfassung der Oberflächendeformationen
(Global Navigation Satellite System (GNSS) und Videotachymetrie (V-
TPS)) und Triggereinflüsse (Wetterstation und Piezometer) installiert (SINGER et al
2009c). Alle Daten der diversen Sensoren werden in diesem Geosensornetzwerk automatisch
abgefragt, ausgewertet und in eine zentrale MySQL Datenbank gespeichert,
auf die via Internet zugegriffen werden kann. Ein Datenviewer ermöglicht die Abfrage
der Messdaten nahezu in Echtzeit und deren Darstellung als Zeitreihen so dass sofort
eine erste visuelle Beurteilung und Analyse der Daten durchgeführt werden kann.
Zwar konnten bislang an der Aggenalm aufgrund der sehr langsamen Bewegungen
des Hanges weder in den Inklinometer noch in den TDR Messstellen signifikante Deformationen
festgestellt werden, jedoch konnte seit Inbetriebnahme der automatisierten
Datenerfassung im Zeitraum von nunmehr über einem Jahr eine sehr hohe
Zuverlässigkeit des Messsystems auch bei alpinen winterlichen Bedingungen (bis 2 m
Schnee) erreicht werden. Die Ausfallrate lag bei < 1 % während des Betriebs des
Messsystems; längere Betriebspausen und dementsprechende Datenlücken sind vor
allem durch fremdbeeinflusste Stromausfälle und während Software-Aktualisierungen
entstanden (Abbildung 6).
Abbildung 6: TDR Rohdaten der Messstelle B2 an der Aggenalm Hangbewegung im Zeitraum Januar
2009 bis März 2010. Bislang ist keine signifikante Deformation detektierbar.

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4 Kosten-Nutzen Analyse von TDR Deformationsmessungen im Kontext
etablierter Messverfahren
Auf Grundlage der in den Labor- und Feldversuchen gewonnenen Erfahrungen wurde
das TDR System im Vergleich zu den etablierten Inklinometer- und Extensometer-
Messsystemen hinsichtlich der Funktionalität, Genauigkeit und anfallenden Kosten
charakterisiert (Tabelle 1), wobei von der Überwachung einer diskreten Scherzone
ausgegangen wurde.
Tabelle 1: Vergleich der Funktionalität, Genauigkeit und Kosten von TDR-, Inklinometer- und
Extensometermessungen (verändert nach SINGER et al 2009c).
Funktionalität TDR Ketteninklinometer Extensometer
Messrichtung Horizontal Horizontal Vertikal
Lokalisierung der Deformation
(Genauigkeit)
Qualitativ-quantitative
Quantifizierung der Deformation
(Genauigkeit)
cm
cm
gute Qualitative
Bestimmung
dm - m
mm
dm – m
(je nach Anzahl)
Bestimmung der Orientierung - -
Maximaler Messweg
(bei diskreter Scherung)
Überwachung der gesamten
Bohrlochlänge
mm
cm - dm cm dm - m
Ketteninklinometer
Automatische Erfassung Inplace-Inklinometer
Datenfernübertragung,
Fernwartung
Einschränkungen
Nur mit automatischem
Messgeber
Inplace-Inklinometer
Punktuelle
Deformation
Probleme beim Einbringen
der Sonde
Vertikale Messung
Kosten
(1 Messstelle, Teufe: 20 m)*
TDR Inklinometer Extensometer
Reine Bohrkosten Ca. € 1000 Ca. € 1500-2000 Ca. € 1500
Installationsmaterial
Messgeräte
Koaxialkabel, Kupplung,
Zubehör
€ 200
TDR Gerät,
Datenlogger
€ 5500
Inklinometer-Rohr, Deckel,
Zubehör
€ 400
Inplace-Inklinometer
€ 1000 pro Stück
Datenlogger:
€ 5000
Ketteninklinometer:
> € 20000
Kopf, Einpunkt-Messung
€ 350 pro Stück
Datenlogger:
€ 5000
Messgeber:
Ca. € 300,- pro Stück
* Da die tatsächlichen Kosten stark von den örtlichen Rahmenbedingungen abhängen, sind die hier
genannten Zahlen nur grobe Richtwerte.
Beim Einsatz des TDR Messsystems für die Überwachung von lokalisierten Scherzonen
in Hangbewegungen oder Bauwerken kann mit einer vergleichbar hohen Genauigkeit
bei der Positionierung einer Deformationszone gerechnet werden, jedoch müssen bei
der Quantifizierung der Deformation geringfügige Abstriche gegenüber den etablierten
Inklinometer- und Extensometer-Messsystemen gemacht werden. Nachteilig ist zudem

8 SINGER, J., THURO, K., MOSER, G. & SAMBETH, U.:
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die „Blindheit“ des TDR Messsystem im Bezug auf graduelle Deformationen (Biegen)
entlang längerer Messstreckenabschnitte, wobei in diesem Kontext der Messstellenausbau
(Interaktion Gebirge-Hinterfüllung-Messkabel) eine bedeutende Rolle spielt
(vgl. SINGER 2010). Ist der Deformationsmechanismus einer Hangbewegung unbekannt,
kann das TDR Messsystem deshalb nicht die Aufdeckung aller stattfindenden Bewegungen
garantieren – hier ist das Inklinometermesssystem klar im Vorteil.
Um wie mit TDR möglich, kontinuierlich über die gesamte Bohrlochlänge lokalisierte
Messungen der Deformation zu erhalten, mussten bisher jedoch das kostenintensive
Ketteninklinometer oder ggf. sogar mehrere Multi-Point Extensometer zum Einsatz
kommen. Hinsichtlich der Kosten ist TDR damit sehr konkurrenzfähig, insbesondere
wenn mehrere Messkabel mit einem TDR Messgerät ausgelesen werden können. Ein
zusätzlicher Kostenvorteil kann entstehen, wenn eine bereits existierende jedoch
abgescherte Inklinometermessstelle mit TDR ausgestattet wird.
Das TDR Messsystem hat sich im Feldeinsatz als sehr zuverlässig erwiesen. Eine
hochfrequente, kontinuierliche Datenerfassung und Fernabfrage aller Messdaten ist
einfach zu realisieren, so dass TDR sich insbesondere auch für den Einsatz in Alarmsystemen
eignet, wo die Ereignisdetektion und nicht die absolute Messgenauigkeit im
Vordergrund steht. Bei Installation einer Solar-Stromversorgung ist ein langfristiger
autarker Betrieb möglich.
Damit kann das TDR Messsystem für bestimmte Messaufgaben eine kostengünstige
und effiziente Ergänzung oder sogar ein Ersatz der etablierten Messsysteme darstellen.
Literatur
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Measurement of Rock Mass Deformation.– Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr., 25
(5): 287–297.
O’CONNOR, K.M. & DOWDING, C.H. (1999): GeoMeasurements by Pulsing TDR Cables and Probes.– 402 p.;
Boca Raton (CRC Press). (ISBN: 0-8493-0586-1).
MARSCHALLINGER, R., EICHKITZ, C., GRUBER, H., HEIBL, K., HOFMANN, R. & SCHMID, K. (2009): The Gschliefgraben
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SINGER, J. (2010): Development of a Continuous Monitoring System for Instable Slopes Using Time Domain
Reflectometry. – Dissertation, Lehrstuhl für Ingenieurgeologie, Technische Universität
München.
SINGER, J., FESTL, J. & THURO, K. (2009a): Computergestütze Auswertung von Time Domain Reflectometry
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COG Fachtagung Salzburg 2008: 19–34; Heidelberg (Wichmann).
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SINGER, J., SCHUHBÄCK, S., WASMEIER, P., THURO, K., HEUNECKE, O., WUNDERLICH, T., GLABSCH, J. & FESTL, J.
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SINGER, J., THURO, K. & SAMBETH, U. (2006): Development of a Continuous 3D-Monitoring System for Unstable
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