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Die Vermessung der Unterwelt

erstellt von timo_meyer zuletzt verändert: 17.11.2016 13:36 — abgelaufen

Wenn Metropolen vor dem Kollaps stehen oder Bergketten den Verkehr ausbremsen, sucht man häufig nach Auswegen im Untergrund. Doch nicht immer ist bekannt, auf was die gigantischen Tunnelbohrmaschinen dort stoßen könnten. Neue Erkundungsmethoden sollen Licht ins Dunkel bringen.

Der Mensch greift nach den Sternen: Architekten überbieten sich mit immer kolossaleren Wolkenkratzern. Dass hier die magische 1000-Höhenmeter-Marke fallen wird, scheint nur eine Frage der Zeit, nicht der Technik. Bei diesem Vordringen in Schwindel erregende Sphären wird leicht übersehen, dass wir auch in der entgegengesetzten Richtung immer mehr Zeit unseres Tages verbringen – unter der Erde. Zwar entsprechen urbane Lebenswelten (noch) nicht den Utopien von Jules Vernes oder Illustrationen unterirdischer Ballungszentren, wie sie der Space-Art-Künstler Klaus Bürgle aufs Papier gebracht hat. Die Eroberung ständig neuer Bereiche des Erdreichs durch den Menschen scheint aber angesichts der rasanten weltweiten Expansion von Metropolen und Megastädten unausweichlich. 

So entstand ab den 1960er Jahren in Kanada die größte Untergrundstadt der Welt. Insgesamt 32 Kilometer Tunnel wurden in Montreal in die Erde gebohrt, über ein Areal von 12 Quadratkilometern wurden Geschäfte, Büros, Restaurants und acht Metro-Stationen unterirdisch miteinander verbunden. In den klirrend kalten Wintern, denen die größte Stadt der Provinz Québec häufig trotzen muss, kann es seitdem vorkommen, dass mancher Bewohner wochenlang keinen Fuß vor die Zugänge zur U-City setzt: Zu Hause bringt ihn ein Aufzug zu einer unterirdischen Metro-Station, Minuten später betritt er die Stadt unter der Stadt – in leichter Kleidung und bei Außentemperaturen von minus 20 Grad Celsius. 

Ein Leben tief unter der Oberfläche setzt genaue Kenntnisse der Geosphäre, also der Beschaffenheit der Erdschichten voraus. Grund genug für das Forschungs- und Entwicklungsprogramm GEOTECHNOLOGIEN sich mit dem Schwerpunktthema „Erkundung, Nutzung und Schutz des unterirdischen Raumes“ dieses spannenden Forschungsgebiets anzunehmen. Auf einem Statusseminar Anfang Dezember in Braunschweig konnten die Mitwirkenden dieser „Untergrund-Bewegung“ gewonnene Erkenntnisse austauschen und sich ein Bild von dem Stand der anderen Projekte machen.

 

Auf Salz gebaut

 

So beschäftigt sich HADU mit „Hamburgs dynamischen Untergrund“. Aus Aufzeichnungen, die zum Teil mehr als 200 Jahre zurückreichen, ist bekannt, dass es in Hamburg in bestimmten Stadtteilen immer wieder zu Einbrüchen der Erdoberfläche kommen kann. Andere Regionen der Hansestadt blieben dagegen von jeher verschont. Die Ursachen für diese unterschiedlichen Bedingungen sind im geologischen Untergrund der Stadt zu finden: Unter dem Hamburger Stadtgebiet befinden sich fünf Salzstöcke, die aus einer Salzschicht, die sich 5000 Meter unter der Elbmetropole befindet, Richtung Oberfläche aufdringen. Während vier dieser Salzstöcke dabei in einigen Hundert Metern Tiefe „stecken geblieben“ sind, befindet sich die Spitze des fünften Stocks wesentlich näher an der Erdoberfläche.


Metropolregion Hamburg

Die Metropolregion Hamburg mit unterlagernden Salzdiapiren. © HADU-Projekt


„Im Stadtteil Altona beginnt dieser Salzstock schon wenige Meter unter der Erdoberfläche“, erklärt HADU-Projektleiter Dr. Claus-Dieter Reuther, Professor für Allgemeine und Regionale Geologie der Uni Hamburg. Dringt in diesen Bereich nun Wasser in den Stock, kann sich das Salz lösen, und es bilden sich Hohlräume. Stürzt ein solcher Hohlraum ein, kann dies auch an der Oberfläche deutliche Spuren hinterlassen, „mehr als eine Delle im Boden und einige Risse in Häuserwänden sind aber in der Regel nicht zu befürchten“, sagt Reuther. Früher, als noch keine Raumnot in der Elbmetropole bestand, wurden diese Bereiche einfach nicht bebaut. Schon damals wussten die Leute: Hier stimmt irgendwas nicht mit dem Untergrund.

Bei der Erkundung des Hamburger Bodens kommen bei HADU verschiedene Verfahren zum Einsatz: Mit einem Georadar wird der Untergrund praktisch durchleuchtet. So erhalten die Wissenschaftler Aufschluss darüber, wo sich die Erdoberfläche abgesenkt hat, wie diese Senken entstanden sind und ob diese Stellen in der Vergangenheit schon einmal von einem Einsturz betroffen waren. Die Forscher können dadurch die Stadtgebiete eingrenzen, wo es zu lösungsbedingten Absenkungen kommen könnte – Gebiete wie den Hamburger Stadtteil Flottbek, wo zuletzt im Jahr 2000 ein Einbruch aufgetreten ist.

 

Erschütterung erwünscht

 

Der geophysische Teil des Projekts geht noch weiter in die Tiefe. Mit Hilfe von seismischen Wellen, wie sie auch von einem Erdbeben ausgelöst werden, lässt sich ein recht genaues Bild der Erdschichten erzeugen. Die Wellen, die für eine solche Exploration nötig sind, müssten eigentlich künstlich erzeugt werden. „Das macht man normalerweise mit Sprengungen oder großen Geräten, die den Boden erzittern lassen und starke Erschütterungen auslösen“, so Claus-Dieter Reuther. Diese Methoden kommen inmitten einer Großstadt natürlich nicht in Frage.

Die Geophysikergruppe bedient sich deshalb eines anderen, äußerst pragmatischen Ansatzes: „In einer Großstadt wie Hamburg tobt das Leben“, beschreibt es Claus-Dieter Reuther plastisch, „da gibt es Erschütterungen durch den Straßenverkehr, die Eisenbahn, die U-Bahnen und die Werften – alles bringt den Untergrund ins Schwingen.“ Diese Erschütterungen, die bei seismischen Untersuchungen normalerweise alles andere als erwünscht sind, können die Geophysiker nun mit eigens entwickelten Geräten „auffangen“ und zur Analyse der tiefer liegenden Bodenschichten verwenden. „Ambient Vibration“, so der Name des Verfahrens, ist relativ komplex, erreicht aber nicht die Genauigkeit von reflexionsseismischen Messmethoden. „Auf den Meter genau ist es nicht, aber für Messungen in einer Stadt natürlich dennoch sehr gut geeignet“, bekräftigt Reuther.

Auch für andere Städte könnte das Analyseverfahren der HADU-Gruppe interessant sein. „Salzstöcke findet man praktisch überall im Norden Deutschlands“, weiß Claus-Dieter Reuther, „von Hannover in den Norden bis nach Berlin gibt es unzählige davon.“

 

Permanente Vorauserkundung

 

Auch im Projekt AUTOSEIS geht es um die Erkundung des unterirdischen Raums, aber auch um seine Nutzung. Beim Einsatz von Vortriebsmaschinen im Tunnelbau ist meist wenig über die Bodenstruktur vor den Rollenmeißeln bekannt. „Man sieht nicht, auf was man zufährt“, erklärt Projektleiter Thomas Edelmann von der Herrenknecht AG, „man hat Fragmente von Informationen aus Bohrlöchern, aber davon gibt es vielleicht alle 500 Meter eins.“ Für eine genaue Vorhersage der Boden-Zusammensetzung vor dem Schneidrad seien solche Stichproben in der Regel nicht ausreichend, so der Diplom-Ingenieur.

Durch das Forschungsprojekt soll nun eine permanente Vorauserkundung etabliert werden. Dafür müssen bestehende Hard- und Software optimiert und Grundlagenforschung hinsichtlich der Abhängigkeiten bei Wellenausbreitung in verschiedenen Bodentypen betrieben werden. Beim Tunnelbau für die neue S-Bahn-Stammstrecke in Leipzig konnten bereits in der Projektphase Teile des Systems auf Herz und Nieren geprüft werden. „Dort ergaben sich besondere Risiken“, sagt Edelmann, „weil wir sehr knapp an Gebäude-Fundamenten vorbei arbeiten mussten – bei ohnehin kritischen Platzverhältnissen, wie sie unter einer Großstadt üblich sind.“

Tunnelbohrmaschine

Beim Bau des Leipziger City-Tunnels kam eine gigantische Tunnelbohrmaschine zum Einsatz. © Herrenknecht AG


Vorrangiges Einsatzgebiet von AUTOSEIS ist die so genannte Lockergesteinserkundung. Im Gegensatz zum Bau des Gotthardtunnels, wo ein Hartgesteinsvortrieb erforderlich ist, ist der Austrag von Lockergestein wesentlich komplexer. Denn auch Lockergestein kann sehr hart sein. „Genau genommen können wir unsere Technik überall dort einsetzen, wo ein flüssigkeitsgestütztes Verfahren zum Einsatz kommt. Das bedeutet, dass man an der Ortsbrust eine Flüssigkeitssuspension einsetzt, die die Begrenzungsfläche am Schneidrad vor dem Zusammenstürzen schützt“, so Thomas Edelmann.

 

Schneller durch Verlangsamung

 

Ist also künftig ein Dauerbetrieb von Tunnelbohrmaschinen möglich, ganz ohne Stillstandszeiten? „Ein Vorteil an unserem System ist, dass man jetzt manchmal auch gezielt stoppen kann“, erläutert Edelmann. So bewegte sich beim Bau eines Nahverkehrstunnels der Riesenbohrer auf zwei unbekannte Hindernisse, so genannte Reflektoren zu. Edelmann: „Die Baustelle hat uns dann angerufen und gefragt: ‚Was ist das, könnt ihr da noch mal die Details prüfen, uns 3D-Ansichten davon schicken?’. Daraufhin haben wir die Daten durchprozessiert und das Schneidrad wenige Dezimeter vor dem Hindernis verlangsamt.“

Tatsächlich ergab die anschließende Analyse des gebrochenen Gesteins, dass große Granitsteinblöcke von der Bohrmaschine zerkleinert worden waren. Außerdem wurde eine alte Wasserleitung angebohrt, die man in aktuellen Plänen des urbanen Untergrunds vergeblich suchte. „Stahl am Schneidrad ist immer besonders heikel. Wenn man da mit hoher Penetration darauf zufährt, macht man sich alles Mögliche kaputt, und eine Reparatur ist teuer und aufwändig“, erklärt Edelmann, „so haben wir durch die Reduzierung der Geschwindigkeit rund eine Stunde verloren, aber gleichzeitig vielleicht auch 14 Tage gewonnen.“

Wenig überraschend also, dass auch Bauunternehmen großes Potenzial in diesem System sehen und künftig auf einen Einsatz der im Rahmen von AUTOSEIS entwickelten Technik setzen. „Für die Baufirmen erhöht sich durch unsere Verfahren in Kombination mit bereits bekannten Messmethoden natürlich die Sicherheit“, ist Thomas Edelmann überzeugt, „jede Information, die man bekommen kann, die vor der Maschine etwas definiert, ist wichtig.“

RD, iserundschmidt 12/2008


Nähere Informationen zum Schwerpunktthema „Erkundung, Nutzung und Schutz des unterirdischen Raumes“ finden Sie auf den Seiten der GEOTECHNOLOGIEN.

Utopien unterirdischer Ballungszentren des Space-Art-Künstlers Klaus Bürgle können auf der Seite Retro-Futurismus betrachtet werden.

Einen Übersichtsplan der kanadischen Untergrund-Stadt in Montreal können Sie sich hier ansehen (PDF-Datei).

Verweise
Bild(er)