3D-Laserscanning hält den HS2-Tunnelbau in London auf Kurs

High Speed Two (HS2) als Prestigeprojekt des britischen Schienennetzes der Zukunft wird die Reisezeit zwischen den beiden größten Städten des Landes, Birmingham und London, auf unter eine Stunde zu verkürzen. Dieses nationale Infrastrukturprojekt verspricht kürzere Fahrzeiten, verbesserte Verkehrsanbindungen, neue Arbeitsplätze und eine nachhaltige Senkung von Emissionen.

Solche Versprechen auch einzulösen, ist kein leichtes Unterfangen, insbesondere in der Hauptstadt. Der Hauptabschnitt des HS2-Tunnels erstreckt sich über eine Länge von 21 Kilometern von Euston in Central London bis nach West Ruislip im äußersten Nordwesten der Stadt. Mit dem Tunnelbau wurde das Joint Venture Skanska Costain STRABAG (SCS JV) betraut. Dieser Bau stellte eine erhebliche technische Herausforderung dar. Im Gegensatz zu anderen Tunnelprojekten, kamen beim Bau des Northolt-Tunnelabschnitts vier Tunnelbohrmaschinen (TBM) gleichzeitig zum Einsatz. Diese trieben von verschiedenen Startpunkten aus vor und wurden in speziellen druckfesten Stahlkammern geborgen, die über zwei große Zugangs- und Belüftungsschächte zugänglich waren.

Die Aufgabe des Vermessungsteams bestand darin, vier Tunnelbohrmaschinen (TBM) zu steuern, wie die hier abgebildete Maschine mit kleinerem Durchmesser, die für den Atlas Road Logistics Tunnel eingesetzt wurde.

Diesen Tunnel von beiden Seiten aus zu graben und die Tunnelstollen in der Mitte zusammenzuführen, ist so, als würde man versuchen, ein 10-Cent-Stück aus acht Kilometern Entfernung zu treffen“, sagt Matthew Baddeley, Survey Manager bei SCS0JV.

Das war aber nicht die einzige vermessungstechnische Herausforderung während der Bauarbeiten. Eine weitere bestand darin, sicherzustellen, dass die Tunnelabschnitte genau entsprechend der Pläne umgesetzt wurden. Um dies zu erreichen, hat das Vermessungsteam von SCS JV während der gesamten Bauphase detaillierte Bestandsdaten erfasst. Mithilfe der Technologie von Leica Geosystems lieferten sie den Ingenieuren und Planern 3D-Scans der Tunnelauskleidungen, Querschläge und Wartungswege. Diese Scans wurden mit den ursprünglichen Entwurfsmodellen abgeglichen, um die Genauigkeit jedes Bauabschnitts zu überprüfen und dabei strenge Sicherheits- und Präzisionsstandards einzuhalten.

Dabei kamen nicht nur Laserscanner zum Einsatz. Das Vermessungsteam von SCS JV stützte sich bei der Einrichtung von Vermessungsnetzen auf verschiedene Systeme von Leica Geosystems, wie Leica GS16 und Leica GS18.

Anspruchsvolle Herausforderung beim Tunnelbau

Die Vermessung der Tunnel stellte uns vor ganz besondere Herausforderungen. Das Projekt erforderte eine komplexe Vorgehensweise: Während die Maschinen vorrückten, bauten die Teams dahinter gleichzeitig die Tunnelsohlen, Querschläge und Wartungswege.

Zahlreiche Faktoren erschwerten diese Arbeiten, darunter Einschränkungen beim Unterqueren von im Betrieb befindlichen Förderanlagen sowie Refraktionseffekte, die aufgrund von Temperaturschwankungen im Inneren der Tunnel zu Messabweichungen führen konnten.

Um dem entgegenzuwirken, wurde ein Tunnelnetz aus diagonal angeordneten Kontrollmesspunkten eingerichtet, wobei Beobachtungen entlang der Tunnelwände gezielt vermieden wurden, da dort die Refraktionseffekte mit der größten Unsicherheit behaftet sind. Die Messungen wurden zudem in Phasen starker Maschinenbewegung und Staubentwicklung unterbrochen.

Das Vermessungsteam entwickelte spezielle Halterungen, an denen eine Totalstation, beispielsweise eine Leica TS60, befestigt werden konnte. Die Halterungen mussten extrem robust sein und dem Winkel der Tübbingringe auf einer definierten Höhe entsprechen. Die Hälfte dieser Halterungen wurde deshalb in ihrer Ausladung gekürzt, um eine Kollision mit den Betonquerungen im Invertbereich zu vermeiden. Standard-Wandhalterungen für Instrumente wurden modifiziert und für die TBM-Spurführung umfunktioniert, um eine kontrolliertes und sicheres Bohren in die Tübbingauskleidung sicherzustellen.

Zur Kollisionsvermeidung wurden maßgeschneiderte Halterungen für die Leica TS60 entwickelt. Standard-Wandhalterungen wurden für die TBM-Spurfühung modifiziert.

Richtungsweisendes Scannen

Das Laserscanning erfolgte mit Leica RTC360 und zwei bis drei Scans auf beiden Seiten eines neuen Querschlags, um eine Punktwolke zu erstellen. Diese lieferte ein genaues 3D-Modell der Tübbingringe, welches zur Überprüfung des Baufortschritts und zur Überprüfung des Entwurfes diente.

Leica RTC360 erwies sich auch aufgrund seiner Geschwindigkeit und Mobilität als unverzichtbar. „Der RTC360 ist leicht, kompakt und erfasst sowohl Scans als auch Bilddaten in nur drei Minuten“, fügte Baddeley hinzu. „Ideal also für den Arbeitseinsatz acht Kilometer unter Tage. Er gibt uns exakt die benötigte Genauigkeit und liefert eine perfekte Bestandsaufnahme für unsere Stakeholder.“

Dabei kann der Laserscanner sowohl von erfahrenen Profis als auch von Einsteigern zuverlässig bedient werden. „Die Handhabe ist ausgesprochen intuitiv: Nach entsprechender Anleitung kann dieser auch von weniger erfahrenen Kollegen einfach vor Ort bedient werden, sodass Mitarbeiter wie ich mehr Zeit für die Analyse und das Post-Processing der Daten im Büro haben.“ Ein nahtloser Übergang vom Einsatzort ins Büro also“, erklärt Baddeley.

„Der Leica RTC360 ist leicht, kompakt und erfasst sowohl Scans als auch Bilder in weniger als drei Minuten – mit exakt der Genauigkeit, die wir benötigen.“ 

Für effizientes Scanning entschied sich das Team für die Leica Nova MS60 MultiStation. Dies erwies sich im Einsatz hinter den TBM als besonders nützlich, da die Tübbingringprofile vor dem ersten Betoniervorgang schnell erfasst werden mussten. „Die MS60 ist für diese Art der Bestandsaufnahme prädestiniert. Wir können sie hinter einer TBM aufstellen, eine Resektion durchführen, ein vollständiges Tübbingringprofil scannen und sofort eine Abweichungsanalyse für ein Meeting erstellen“, sagt Baddeley. „Diese MultiStation ist leicht, schnell und die Dateien lassen sich einfach bearbeiten.“

Das Team entwickelte einen zuverlässigen Vermessungsablauf, der dafür sorgte, dass der Bau planmäßig voranschritt. Tatsächlich gab es anfangs Bedenken, jeden einzelnen Bauabschnitt der Tunnel zu scannen. Aber Baddeley ergänzte, dass diese rasch beiseite geschoben wurden: „Anfangs waren die Leute etwas skeptisch, alles in 3D zu scannen, aber mittlerweile ist es zur Routine geworden. Die hohe Zeitersparnis war dabei ausschlaggebend.“

Die Rooftop Traverse

Selbst die präzisesten Laserscans wären ohne ein verlässliches Vermessungsnetz nicht aussagekräftig. Jede Resektion, jede Punktwolke und jede Ringextraktion müssen im selben Grid, dem HS2 Survey Grid, verarbeitet werden.

Die etwa acht Kilometer lange Rooftop Traverse diente der Validierung dieses Grids zwischen den Stationen Old Oak Common und Euston. Diese war erforderlich, um die horizontale Netzanbindung zwischen beiden Standorten zu verifizieren, sowie das Projektgrid auf Maßstabsverzerrungen zu prüfen und die Stabilität der ursprünglichen, ein bis zwei Jahre zuvor eingerichteten statischen GNSS-Basislinien zu bestätigen.

Im Rahmen der Rooftop Traverse ließ sich die Reichweite der Totalstation durch genaues Monitoring der Umgebungsbedingungen und entsprechende Anpassung der Einstellungen deutlich erhöhen.

„Mit Leica TS60 und den Leica GPH1P-Prismen konnten wir eine zuverlässige automatische Zielerfassung und -verfolgung über die Spezifikation von 1.500 Metern hinaus aufrechterhalten“, sagte Baddeley.

Um diese Genauigkeit zu erreichen, wurden Temperatur, Druck und Luftfeuchtigkeit überwacht und deren Werte alle dreißig Minuten in die Totalstation eingegeben. „Da 1 °C/km einer Abweichung von etwa einem Millimeter entspricht, spielten selbst kleine Schwankungen eine Rolle“, erklärte Baddeley.

Trotz schwieriger Zugänglichkeit und schlechten Licht- und Wetterbedingungen gelang dem Team eine präzise Traversierung, um Durchschlagtoleranzen im zulässigen Bereich sicherzustellen.

„Die Scanning-Software Leica Cyclone 3DR steht für absolute Präzision.“

Von der Punktwolke zur Fortschrittskontrolle

Nach dem Scannen werden die Daten in Leica Cyclone 3DR hochgeladen, um die Tübbingringe als hochdichte 3D-Punktwolken zu extrahieren. Diese werden dann zu einem aktualisierten Bestandsmodell verarbeitet, welches mit dem ursprünglichen Entwurfsmodell abgeglichen werden kann.

„Es ist sehr einfach, Daten in Cyclone 3DR zu importieren. Man kann eine Vielzahl unterschiedlicher Entwurfsdaten in Cyclone 3DR einlesen. So können etwa Dateien im IFC- und IGS-Format importiert und diese anschließend problemlos als DXF-Datei exportiert werden, um die Liniengeometrie in CAD zu übernehmen. Die Analysewerkzeuge sind dabei sehr intuitiv und unkompliziert. Sobald der Entwurf in 3DR vorliegt, lassen sich schnell Vergleichsanalysen durchführen, der richtige Maßstab laden und automatisch Berichte erstellen. Das geht schnell und auch umfangreiche Datensätze können problemlos verarbeitet werden.“

Ein weiterer Vorteil von Cyclone 3DR ist die hohe Flexibilität. „Ein Kollege hat kürzlich ein Skript in Cyclone 3DR verwendet, um das Volumen von Erstbeton außerhalb der Toleranz zu berechnen, was sich als unglaublich leistungsstark erwiesen hat.“

„Die Scanning-Software Leica Cyclone 3DR steht für absolute Präzision“, lobte Baddeley.

Das Team profitierte auch vom Datenaustausch aller Scandaten, die es hierfür in Leica Cyclone ENTERPRISE lud. „Sobald die Daten in Cyclone ENTERPRISE hochgeladen waren, konnten Ingenieure und Planer direkt darauf zugreifen und Koordinaten für Verpressöffnungen oder Entwässerungssysteme extrahieren, ohne dass wir vor Ort erneut vermessen mussten“, so Baddeley. 

Dies demonstriert die hohe Wertschöpfung von 3D-Daten. Als Grundlage dieses Prozesses sorgte die Software Leica Infinity dafür, dass die nachbearbeiteten statischen GNSS-Basislinien und das daraus resultierende Survey Control Framework für alle Laserscanning-Kampagnen absolut stabil und zuverlässig waren. Statische GNSS-Messungen wurden simultan über einen Zeitraum von mindestens sechs Stunden durchgeführt und anschließend in Leica Infinity nachbearbeitet, um präzise Basislinien für das gesamte Projekt festzulegen und eine exakte Georeferenzierung sämtlicher Punktwolken im HS2-Projektkoordinatensystem sicherzustellen.

Beeindruckende Präzision

Das Scannen ergab eine hochgenaue 3D-Punktwolke, um den Baufortschritt anhand der geplanten Trassenführung zu überprüfen, Abweichungen frühzeitig zu erkennen und die TBM zuverlässig zu steuern. So gelang es, bei den Northolt Tunnels East Durchschläge mit einer Genauigkeit im Millimeterbereich zu erzielen.

Für das Vermessungsteam waren die Momente des Durchschlags kritisch und emotional zugleich. „Die abschließenden Abweichungsmessungen können erst nach dem Durchschlag der TBM vorgenommen werden; daher ist die Erleichterung groß, wenn alles exakt passt“, sagte Baddeley. Die Stabilität des Vermessungsnetzes und der täglichen Messungen erfüllte das Team mit Stolz.

„Die Fertigstellung der Rooftop Traverse war ein echter Höhepunkt, ebenso die Durchschläge selbst“, sagte Baddeley. „Für mich war es dabei besonders eindrucksvoll, die Entwicklung des Teams zu sehen.“

Das HS2-Tunnelprojekt in London zeigt, wie die Technologie von Leica Geosystems die erforderliche Genauigkeit und Sicherheit bietet, um Tunneldurchschläge zu steuern und die Bauarbeiten zu überprüfen.

Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, wie die Technologie von Leica Geosystems komplexe Infrastrukturprojekte präzise und zuverlässig unterstützt, kontaktieren Sie uns bitte hier.