Kurzfassung zum Seminar des VDV:

Gleisbau 2012, -Planung, Bau und Vermessung

Kontrolle der Gleisgeometrie im Gotthard-Basistunnel1.2 1: Institut fr Geodsie Geodtisches Labor, Universitt der Bundeswehr Mnchen,

Werner-Heisenberg-Weg 39, D-85577 Neubiberg, Germany 2: ristag Ingenieure AG, Eigerweg 4, CH-3322 Urtenen-Schnbhl, Switzerland

und BSF Swissphoto AG, Dorfstrasse 53, CH-8105 Regensdorf-Watt, Switzerland

Zusammenfassung Im Rahmen des Vortrages werden zunchst die Rahmenbedingungen am Gotthard-Basistunnel vorgestellt. Anschlieend folgt die Vorstellung des fr die Kontrollvermessung entwickelten Gleismesswagens RACER II. Diese Vorstellung umfasst zum einen die technische Realisierung und zum anderen die Beschreibung des in sich kontrollierten Messprozesses. Des Weiteren wird die Genauigkeit der Kontrollvermessung abgeleitet. Im Anschluss wird auf die Mglichkeit der Erfassung zustzlicher geometrischer Gleisparameter wie Abnutzung, Gratbildung und Schiefstellung des Schienenkopfes eingegangen. Zum Abschluss des Beitrages werden die ersten praktischen Messeinstze vorgestellt sowie kommende Neuerungen und Entwicklungen aufgezeigt, die sich im Rahmen des Projektes als gewinnbringend herausgestellt haben. Schlsselbegriffe: Kontrollvermessung, Gleisvermessung, Gotthard-Basistunnel, Qualittskontrolle, RACER II

1. Einleitung und Rahmenbedingungen am Gotthard-Basistunnel Der Fahrkomfort, die Sicherheit und ein verschleiarmer Betrieb sind im heutigen Bahnverkehr die wesentlichen Rahmenbedingungen fr die Verlegetoleranzen des Gleises. blicherweise sind bei der festen Fahrbahn die Verlegetoleranzen im unteren mm-Bereich, sodass die Kenngren des Gleises, wie Lage und Hhe der Achse, die berhhung sowie die Spurweite messtechnisch mit Submillimeter Genauigkeit zu erfassen sind. Bei Hochgeschwindigkeitsstrecken wie im Gotthard-Basistunnel ist eine unabhngige Kontrollvermessung des Gleises vorgesehen, um die hohen geometrischen Qualitts-ansprche verifizieren zu knnen. Zum einen ist dabei den hohen Genauigkeitsanforderungen Rechnung zu tragen, zum anderen muss dies im Vergleich zu der Absteckung durch einen unabhngigen, in sich kontrollierten Messprozess erfolgen.

Um die hohen Qualittsanforderungen bzgl. der Verlegetoleranzen des Gleises erfllen zu knnen, wurde ein hochgenaues Referenzsystem durch den Bauherrn hergestellt. Der Referenzrahmen wurde in Form von paarweise beidseitigen Festpunkten im Tunnel, den sogenannten Gleisversicherungs-punkten (GVPs), im Stationsabstand von 50 m oberhalb der Bankette realisiert (Verschraubungen mit 8 mm Innengewinde). Der koordinierte Punkt ist der Mittelpunkt eines Prismas, das mit Standard-Adaptern am Innengewinde befestigt werden kann. Die Koordinierung der Punkte wurde zeitnah vor der Absteckung der festen Fahrbahn mit einem zwangszentrierten Polygonzug mit Standpunkt-abstnden von 100 m durch den Auftragnehmer berprft und das Ergebnis mit dem Bauherrn abgestimmt (siehe hierzu Vlter, 2011). Zur berprfung wurden pro Standpunkt zustzlich zu den beiden Polygonpunkten jeweils die acht umliegenden GVPs beobachtet. Im Speziellen wurde durch die gewhlte Messanordnung angestrebt, eine hohe Nachbarschaftgenauigkeit der GVPs zu erreichen. Die zulssige Abweichung in Lage und Hhe der Gleisgeometrie vom Sollwert bezogen auf die Koordinaten der Gleisversicherungspunkte darf bei Messquerschnittsabstnden 0,5 m im Mittelwert 0,5 mm und in der Standardabweichung zum Mittelwert 1,0 mm bei der Absteckung nicht berschreiten. Die Angaben beziehen sich auf eine gleitende Streckenbasis von 5000 m. Weitere Kenngren knnen in Vlter (2011, Tab. 1) nachgelesen werden.

Im Gotthard-Basistunnel mit seinen beiden Rhren sind bei der Kontrollvermessung bei einer Tunnellge von ca. 57 km insgesamt ca. 117 km Gleis zu berprfen. Aufgrund der Tunnellnge und einer dichten Folge von Messprofilen, die zudem variabel gehalten werden muss, ist ein effizienter Messprozess mglichst automatisiert durchzufhren. Die Arbeitsgemeinschaft BSF Swissphoto AG und ristag Ingenieure AG hat den Auftrag die Kontrollvermessung des Gleises fr den Bauherrn ATG im Gotthard-Basistunnel durchzufhren. Um diese Aufgabe optimal ausfhren zu knnen, wurde in Zusammenarbeit zwischen dem Ingenieurbro ristag AG und dem Institut fr Geodsie Geodtisches Labor der UniBw Mnchen das automatisierte und kinematische Gleismesssystem RACER II (Rapid Automated Control Equipment for Rails) auf Basis des Vorgngermodells RACER (Heister et al., 2007) entwickelt. Hauptgrnde fr die Weiterentwicklung sind die noch gestiegenen

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Anforderungen an die Genauigkeit gegenber der Kontrollvermessung im Ltschberg-Basistunnel, eine leichtere Bauweise und eine Verbesserung der Messgeschwindigkeit.

2. Das Gleismesssystem RACER II fr die Kontrolle der Gleisgeometrie Der RACER II ist ein automatisiertes Multisensorsystem fr die Gleisvermessung und zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass smtliche Gleisparameter fr einen Messquerschnitt im Bezug zu den bergeordneten GVPs bestimmt werden knnen. Durch redundante Bestimmung quasi aller Gren ergibt sich ein in sich kontrollierter Messprozess. Der RACER II ist neben der klassischen Gleisdokumentation insbesondere fr Kontrollvermessungen konzipiert. Grundgerst des Gesamtsystems ist eine Zwei-Wagen-Lsung (vgl. Abb. 1), wobei ein Messwagen die Sensorik fr die eigentliche Gleisvermessung trgt und der zweite Wagen den automatischen Vortrieb im Stop&Go-Modus ermglicht. Beide Wagen sind als verwindungsfreie Metallrahmen konstruiert, an denen alle weiteren Komponenten befestigt sind. Der Gleiswagen kann durch zwei Personen problemlos transportiert und ins Gleis gesetzt werden, wobei die eigentliche Vermessung auch im Ein-Mann-Betrieb erfolgen kann. Gegenber dem Vorgngermodell wiegt der RACER II weniger als die Hlfte.

Als wesentliche Sensoren sind auf dem Messwagen ein Tachymeter, ein Zweiachs-Neigungssensor, vier Profillaserscanner, ein Multikanal-Messsystem fr Luft- und Materialtemperatur sowie der Steuer- und Auswerterechner (Mini-PC) verbaut. Der Vortriebswagen beinhaltet zwei Antriebsmotoren und optional einen Laserscanner fr die simultane Bestandsdokumentation. Zur Ableitung der endgltigen Schienengeometrie werden alle Sensoren in einem lokalen Sensornetz vereinigt und von dem Mini-PC gesteuert. Fr die weitere Bearbeitung und Visualisierung der Daten ist eine WLAN-Verbindung zu einem externen Notebook realisiert, sodass das Messsystem vollstndig im Remote Betrieb bedient werden kann. Eine unmittelbare und zuverlssige Bewertung der Messungen und der abgeleiteten Schienengeometrie durch den Operateur in Echtzeit ist gegeben.

Abb. 1: Gleismesswagen RACER II auf der Versuchstrecke Mitholz im Ltschberg-Basistunnel.

Der Mess- und Rechenablauf zur Bestimmung der endgltigen Gleisparameter ist umfangreich erprobt und das System arbeitet nach dem Aufsetzen auf dem Gleis vollstndig autonom, angefangen von der Positionierung mit Hilfe der bestckten Gleisversicherungspunkte, die sich der RACER II auch selbstndig sucht. Eine Innovation des Messsystems liegt darin, dass es den messtechnischen Bezug zur Gleisoberflche ohne physikalische Anschlagspunkte herstellt. Auf diese Weise knnen neben den klassischen punktuellen Kenngren bei Bedarf auch weitere Messgren wie Abnutzung, Gratbildung und Schiefstellung des Schienenkopfes an der Schieneninnenseite mit 1/10 mm Genauigkeit dokumentiert werden (vgl. Abschnitt 4). Der grundlegende Ablauf der Messungen auf einem Messquerschnitt kann wie folgt zusammengefasst werden:

Suche und Einstellen der GVPs, Positionsbestimmung (3D) des Tachymeters ber 4 GVPs in einem nicht horizontierten System, Auslesen des Neigungssensors (berbestimmt)

Herstellen des Bezuges zum Gleis ber vier Laserprofilscanner (berbestimmt, da zwei Profile parallel gemessen werden; siehe auch Abb. 3)

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Erfassung der Meteorologie und Materialtemperaturen Online Berechnung smtlicher Gleisparameter, Plausibilittschecks durch redundante Erfassung Online Vergleich der Ist- gegenber den Sollparametern des Gleises ber die Software Toporail Online Berechnung smtlicher Qualittsparameter der Messung und Auswertung Automatischer Vorschub in frei whlbaren Abstnden zum nchsten Messquerschnitt

3. Genauigkeiten des Messsystems RACER II Aufgrund der hohen Genauigkeitsanforderungen bei der Gleiskontrolle wurden vor dem Einsatz des Messsystems im Gotthard-Basistunnel umfangreiche Test- und Validierungsmessungen durchgefhrt. Diese dienen als Nachweis fr die Qualitt des Messsystems und zur Beurteilung der Signifikanz der gemessenen Abweichungen zwischen Soll und Ist der Gleisparameter bei der Kontrolle. Auf einer Teststrecke wurde die Gleisgeometrie zunchst mit einem Lasertracker aufgenommen, um dies mit den Ergebnissen des Gleismesswagens vergleichen zu knnen. Aufgrund der Genauigkeit des Laser-trackers Leica AT 901 in Verbindung mit der T-Scan kann die Referenzmessung fr die Lage- und Hhe der Gleisachse mit einer einfachen Messunsicherheit von u = 0,1 mm abgeschtzt werden und eignet sich hervorragend zur In-Situ-Validierung des Systems. Tab. 1 zeigt die Genauigkeit und Pr-zision der Gleisparameter, die aus den Abweichungen zwischen den Messungen des Gleismesswagens RACER II und des Lasertrackers auf einer Teststrecke berechnet wurden. Die Genauigkeit beschreibt die Qualitt der bestimmten Gleisparameter im Bezug zu dem bergeordneten Referenzrahmen, der durch die GVPs gegeben ist. Die genannten Genauigkeiten knnen nur erreicht werden, wenn der bergeordnete Referenzrahmen in einer vergleichbaren Genauigkeit vorliegt. Die Przision ist eine quantitative Angab