Die Erdfallortungsanlage am Eisenbahnknoten Gröbers nutzt kabellose Neigungssensoren auf den Schwellen zur frühzeitigen Detektion altbergbaubedingter Setzungsmulden.
Autoren: Florian Schäfer, Holger Seidel (DB InfraGO AG), Andreas Schemmel (DB InfraGO AG)
Anlass der Maßnahme
Die Neubaustrecke (NBS) 5919, VDE 8.2, überquert nordöstlich der Ortschaft Gröbers die Abbau- und Streckenbereiche der ehemaligen Braunkohlengrube „Clara Verein“. Hier wurde zwischen 1852 und 1928 in untertägigen Braunkohleflözen in ca. 30 m Tiefe Bergbau betrieben. Das Verbauholz in den ausgekohlten Abbaukammern zersetzte sich über die Jahre, sodass das darüberliegende Erdreich einbrechen kann. Das kann zu Setzungsmulden oder sogar Tagesbrüchen an der Erdoberfläche führen.
Der Eisenbahnknoten Gröbers umfasst im benannten Gebiet acht Gleise und ist ca. 800 m lang und 120 m breit. Um diese Bahnanlage und insbesondere alle beförderten Personen vor Schäden durch Setzungsmulden o. ä. zu schützen, wurde im Zeitraum zwischen Ende 2000 und Mitte 2002 über dem Altbergbaugebiet eine geogitterbewehrte Erde-Verbund-Konstruktion errichtet und zusätzlich mit einer Erdfallortungsanlage zur permanenten Überwachung ausgerüstet.
Die im Boden verbauten elektronischen Bauteile alterten jedoch und mussten immer intensiver gewartet werden. Da ein erneuter, großflächiger Eingriff in den Untergrund nicht einfach möglich ist, stellte die DB InfraGO AG den Antrag, die bis zur Stunde bewährte Messanlage gegen ein oberflächennahes System zu ersetzen. Die Entscheidung fiel auf den Einsatz von Neigungssensoren. Im Ergebnis eines öffentlichen Ausschreibungsverfahrens wurden wir mit der Projektumsetzung unter Verwendung von Produkten unseres Partners Senceive beauftragt.
Erdfallortungsanlage am Eisenbahnknoten Gröbers: Grundprinzip
Auf Grundlage eines geotechnischen Berichtes weisen die im Gebiet möglichen Setzungsmulden eine Ausdehnung an der Oberfläche von ca. 20 m auf. Die im Bereich der Setzungsmulde befindlichen Gleise erfahren ebenfalls eine Veränderung in vertikaler Richtung. Auf den Schwellen der Gleise sind in einem festen Abstand Neigungssensoren installiert, die hochpräzise Winkeländerungen in Längs- und Querrichtung messen. Da eine Setzungsmulde mit einer Winkeländerung in Längsrichtung einhergeht, können diese mittels der Neigungssensoren detektiert werden.
Verwendete Sensorik
Bei den verwendeten Sensoren handelt es sich um dreiachsige, kabellose Neigungssensoren. Sie werden mittig auf der Schwellenoberseite mittels Montagekleber angebracht (Abb. 1).
Die Sensoren messen Neigungsänderungen der beiden horizontalen Achsen, aus denen im Rahmen der Auswertung die Parameter der inneren Gleisgeometrie berechnet werden können. Die Messauflösung des Neigungssensors beträgt 0.0001° (0,00175 mm/m). Zusätzlich ist ein Temperatursensor verbaut, der es ermöglicht, Korrelationen zwischen Gleisbewegungen und der Lufttemperatur zu kompensieren.
Die Sensoren besitzen eine integrierte Batterie mit einer Lebensdauer von 12 Jahren und arbeiten somit autark und wartungsfrei. Die Datenübertragung erfolgt kabellos über das sogenannte FlatMesh-Verfahren. Dabei handelt es sich um eine intelligente Vernetzung der Sensoren untereinander, um Messdaten über redundante Datenverbindungen weiterzuleiten. Die Messdaten werden schlussendlich von mehreren LTE-Gateways empfangen, die diese über Mobilfunk zu einem Auswerteserver weiterleiten. Die Stromversorgung der Gateways erfolgt über Solarpanels. In Kombination mit einem integrierten Akku ist damit ein vollständig autarker Betrieb der gesamten Erdfallortungsanlage möglich.
Messanordnung
Damit ein möglicher Erdfall mit den Neigungssensoren lückenlos detektiert werden kann, wurden die Sensoren im Abstand von zehn Schwellen, also 6 m, in allen betroffenen Gleisen installiert. Das Messintervall wurde auf 60 Minuten festgelegt. Insgesamt 1.026 Neigungssensoren auf ca. 6 km Gleis überwachen das rund 7 ha große Gebiet hinsichtlich etwaiger Setzungsmulden.
Aufgrund der Übertragungsreichweite der kabellosen Verbindung und der Datenmenge wurden insgesamt 16 Gateways mit Solarpanels im Gebiet installiert. Eine Herausforderung war dabei die Planung der Anordnung der Gateways. Bei über 1.000 Sensoren auf recht kleinem Raum, mussten separate, lokale Netze eingeteilt werden. Erschwerend hinzu kam die Tatsache, dass zahlreiche Schallschutzwände zwischen den einzelnen Gleisen installiert sind, die das Signal der Sensoren gleisübergreifend blockieren. Unter diesen Voraussetzungen wurde folgende Messanordnung vor Ort gewählt (Abb. 2).
Installation des Messsystems
Die Installation der Neigungssensoren erfolgte meist in nächtlichen Sperrpausen oder in Zugpausen. Während der Installation wurde ein zusätzliches Gleisaufmaß mit Tachymeter und Gleismesslatte durchgeführt (Abb. 3).
Das Material für die Installation der Neigungssensoren und für das tachymetrische Gleisaufmaß wurde mit Hilfe eines Kleintransportwagens im Gleis bewegt. Bevor der Sensor mittels Montagekleber auf die Schwelle geklebt werden konnte, musste diese gereinigt und teilweise von Schnee und Eis befreit werden. Anschließend wurde der Sensor inklusive einer zweiteiligen Grundplatte auf die Schwelle geklebt. Die zweiteilige Grundplatte ermöglicht es, den Sensor temporär zu deinstallieren, ohne das angeklebte Unterteil entfernen zu müssen. Dies kann notwendig werden, wenn beispielsweise eine Eingleisstelle errichtet werden muss oder maschinelle Stopfarbeiten mit Schotterbesen stattfinden.
Auswerteprinzip
Die Sensoren messen hochpräzise Änderungen in Längs- und Querneigung in Grad. Üblicherweise werden diese Rohmesswerte genutzt, um Änderungen der inneren Gleisgeometrie gemäß den Richtlinien der Bahn zu ermitteln. Dazu werden die Winkelwerte trigonometrisch in metrische Werte umgerechnet.
Im Hinblick auf die Detektion von Setzungsmulden liegt das Hauptaugenmerk auf den gemessenen Neigungsänderungen in Längsrichtung, die genutzt werden, um vertikale Verschiebungen ableiten zu können. Beim genutzten Auswerteprinzip werden jeweils drei benachbarte Sensoren betrachtet und die relative vertikale Verschiebung des mittleren Sensors gegenüber den äußeren beiden bestimmt.
Für die Auswertung und Darstellung der Daten wird der WebMonitor von Senceive genutzt. Dabei handelt es sich um eine Webplattform, über die berechtigte Nutzer Zugriff auf die Daten erhalten. Neben der grafischen Übersichtskarte können alle Messwerte als Zeitreihe betrachtet werden. Des Weiteren sind automatische Alarmmeldungen eingestellt, die über das Unterschreiten der erlaubten Setzung (7 mm) oder über das Fehlen von Daten informieren.
Fazit
Kabellose Neigungssensoren stellen eine innovative Messmethode für das Geomonitoring von Gleisen und anderen Infrastrukturbauwerken dar. Mit der Installation der Sensorik am Eisenbahnknoten Gröbers ist es gelungen, eine neue Erdfallortungsanlage kosteneffizient zu implementieren, die für die nächsten Jahre den sicheren Bahnbetrieb im Knoten Gröbers im Hinblick auf mögliche Setzungsmulden o. ä. ermöglichen wird.
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