Georadar
1. Allgemeines
Im Rahmen flächenbezogener Erkundungen wie z.B. Baureifmachung ehem. Industrieflächen werden zur Quantifizierung nachfolgend durchzuführender Erdarbeiten umfassende Kenntnisse über den Untergrundaufbau benötigt.
Neben der herkömmlichen Vorgehensweise mit punktuellen Aufschlüßen (Bohrungen und/oder Schürfen) ist hier die linienhafte Erkundung mittels geophysikalischer Messungen eine bislang eher nachgeordnete Untersuchungsmethode.
Vorteil dieser unterstützenden Untersuchungsmethode ist zum einen die Überprüfung des ansonsten interpolativ zwischen den Bohrpunkten ermittelten Untergrundaufbaus sowie die lagegenaue Bestimmung von "Anomalien" wie z.B. Lage von Altablagerungsrenzen in der Deponietechnik oder alter Fundamente, Kanäle und Bunker-/Kellerräume im Rahmen des Flächenrecyclings und daraus resultierend eine erhöhte Planungssicherheit für die Ausschreibung von Erdarbeiten.
Untergrunderkundungen mittels Georadar wurde von uns bereits im Rahmen von mehren Projekten wie z.B.
- Untersuchung und Lokalisierung von vermuteten Bunkeranlagen auf einem Industriegebiet in Düren;
- Untersuchung und Lokalisierung von alten Erdtanks im Bereich von Großtanklagern;
- Dübel- und Ankerlagenmessungen im Festbeton der Fahrbahndecke diverser Autobahnen;
- zerstörungsfreie Erkundung von Fundamentunterbauten;
durchgeführt und sind nachfolgend im Hinblick auf das Meßprinzip beschrieben.
2. Prinzip und Methode
Das Georadar (oder Ground Penetrating Radar = GPR) ist ein elektromagnetisches Impulsreflexionsverfahren (EMR), das auf ähnlichen Grundlagen wie die Reflexionsseismik und die Entfernungsmessung mit Sonar und Radar beruht. In der angewandten Geophysik gehört es zu den neueren Verfahren, die in einer ständigen technischen Weiterentwicklung begriffen sind. Die Funktionsweise zeigt folgende Abbildung 1:
Das Georadar nutzt kurze elektromagnetische Impulse, die von der Oberfläche in den Untergrund abgestrahlt und nach der Reflexion an Schichtgrenzen und Objekten oder der Streuung an Einlagerungen wieder empfangen werden. Dabei werden die Laufzeiten und Amplituden der elektrischen Feldstärke dieser Impulse aufgezeichnet.
Reflexion und Diffraktionen elektromagnetischer Wellen entstehen, wenn im Untergrund stärkere Kontraste in den elektrischen Materialeigenschaften auftreten (Dielektrizitätskonstante, el. Leitfähigkeit).
Das Sende- und Empfangssignal wird durch Dipolantennen abgestrahlt und empfangen. Die Arbeitsfrequenzen liegen bei geologischen und ingenieurtechnischen Aufgaben etwa im Bereich von 10 – 1.000 MHz. Eine hohe Pulsfolge der Sendesignale ermöglicht quasikontinuierliche profilhafte Messungen.
Der Vorteil des Verfahrens liegt bei geeigneten Untergrundverhältnisasen in der zerstörungsfreien Anwendung mit einer extrem hohen horizontalen und vertikalen Auflösung sowie der Möglichkeit, die Meßergebnisse in Echtzeit auf dem Monitor als Radargramm darzustellen. Ferner sind Meßleistungen bis zu mehreren 1.000 m pro Meßtag möglich. Bodenradarmessungen lassen sich vor allem bei hochohmigem Untergrund wie trockenen Sanden mit geringem Tonanteil oder Festgestein erfolgreich einsetzen.
3. Anwendungsmöglichkeiten
- Ortung von Rohrleitungen, Kabeln, und anthropogenen Einlagerungen (z.B. Fässer, Fundamente), Einlagerungen in Betondecken,
- Hohlraumnachweis,
- Detektion von Lücken und Schwächen in Straßen, Dämmen und Fundamenten,
- Untersuchung von Sediment- und Bodenstrukturen; Abgrenzung zwischen Anomalien und Homogenbereichen,
- Nachweis von Störungen, Klüften und Rissen im Festgestein,
- Auffinden von Tonlinsen, Eiskeilen, Torfvorkommen etc.,
- Ermittlung der Lage der Grundwasseroberfläche in Kies, Sand und Sandstein; bei geringer Leitfähigkeit des Grundwassers auch Abbildung der Aquiferbasis,
- Prüfung des Zustandes von Deponieabdichtungssystemen,
- Detektion org. Schadstoffe oberhalb oder an der Grundwasseroberfläche (noch im Forschungsstadium),
Das Verfahren versagt, wenn an der Oberfläche gut leitende Substrate ( z.B. feuchte Tone und Schluffe, Wässer mit Salzfracht, eisenhaltige Schlacken) vorkommen.
4. Untersuchungsumfang und Geräteeinsatz
Vor der eigentlichen Untersuchung sollte in jedem Falle eine geophysikalische Vorerkundung mittels Georadar zur Prüfung der Machbarkeit und Bestimmung der optimalen Messfrequenz durchgeführt werden.
Zur Kalibrierung sowie zur Sicherstellung der Ergebnisse sollten auf dem Untersuchungsgebiet einige Sondierbohrungen niedergebracht werden.
Nach Feststellung der Methodeneignung sind folgende generelle Arbeitsschritte durchzuführen:
- Festlegung und Einmessen eines der Aufgabenstellung entsprechenden Profilrasters,
- Strukturerkundung der Bodenverhältnisse sowie das Aufzeigen (Orten) von ggf. vorhandenen Anomalien,
- Aufzeichnung der Meßdaten entlang der Profile (Radargrammerstellung),
- Darstellung, Auswertung (dataprozessing) und Interpretation der Meßdaten (Aufzeigen von z.B. verborgenen Bauwerken, Hohlräumen oder Versorgungsleitungen und -rohren).
Die folgende Abbildung zeigt den Normalumfang des Geräteeinsatzes zur Erkundung von Bodenstrukturen oder verborgener Gegenstände. In einem abgeschirmten Schlittengehäuse sind die Radarantennen (hier z.B. eine 250 MHz Sende- und Empfangsantenne) untergebracht. Sende-, Empfangs- und Steuereinheit befinden sich in einem weiteren tragbaren Gehäuse und sind mit einem Laptop zur Aufzeichnung der Daten gekoppelt (rechts im Bild Teile einer Bohrgeräteausrüstung).
Zur cm-genauen Aufzeichnung der Entfernungen dient ein spezielles Meßrad oder ein angekoppeltes GPS.
Zur Inspektion von Wänden und Decken verwendet man zur höheren Auflösung eine höherfrequente Radarantenne. Das folgende Bild zeigt den Einsatz einer 1 GHz –Antenne zur Detektion von Strukturen und Gegenständen z.B. in Betondecken.
Das Bild in der Mitte zeigt die Aufzeichnungen in Form eines Radargrammes, in denen die reflektierten Signale in Abhängigkeit von der Laufzeit (in Nanosekunden, ns) bzw. der Tiefe (m) auf einem Profilschnitt dargestellt werden. Die Größe der Amplituden wird in einer Graustufenzuordnung wiedergegeben.
Metallische Gegenstände wie z.B. Betondübel, Anker oder vergleichbares zeichnen sich wegen des besonders guten Reflektionsvermögens der elektromagnetischen Impulse deutlich als Diffraktionshyperbeln im Radargramm ab (vgl. Abb. 1 und 3).
Falls Ihrerseits weitere Detailfragen bestehen steht Ihnen Herr Sieben in unserem Hause unter der Tel.-Nr. 02271/801-214 gerne zur Verfügung.