~mm CUR/COB Postbus AK Gouda Tel

Transcriptie

1 Civieltechnisch Centrum Uitvoering Research en Regelgeving ~mm CUR/COB Postbus AK Gouda Tel L 33-3 MONITORING GRAAFFRONT BOORPROCES. ONTvnKKELINGPROTOTYPESPEURNEUS CUR/COB-uitvoeringscommissie L 3 "Monitoring graaffront boorproces" Centrum Ondergronds Bouwen

2 Auteursrechten AIle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand of openbaar gemaakt, in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieen, opnamen of op enig andere manier, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de CUR/COB. Het is toegestaan overeenkomstig artikel 15a Auteurswet 1912 gegevens uit deze uitgave te citeren in artikelen, scripties en boeken, mits de bron op duidelijke wijze wordt vermeld, alsmede de aanduiding van de maker, indien deze in de bron voorkomt, 33-3 'Monitoring graaffront boorproces. Ontwikkeling prototype Speumeus', oktober 1999, CUR/COB, Gouda" Aansprakelijkheid CUR/COB en degenen die aan deze publicatie hebben meegewerkt, hebben een zo groot mogelijke zorgvu1digheid betracht bij het samenstellen van deze uitgave. Nochtans moet de mogelijkheid niet worden uitgesloten dat er toch fouten en onvolledigheden in deze uitgave voorkomen. leder gebruik van deze uitgave en gegevens daaruit is geheel voor eigen risico van de gebruiker en CUR/COB sluit, mede ten behoeve van al degenen die aan deze uitgave hebben meegewerkt, iedere aansprakelijkheid uit voor schade die mocht voortvioeien uit het gebruik van deze uitgave en de daarin opgenomen gegevens, tenzij de schade mocht voortvioeien uit opzet of grove schuld zijdens CUR/COB en/of degenen die aan deze uitgave hebben meegewerkt.

3 VOORWOORD Bij het boren van tunnels in de Nederlandse grond is het van belang om voorafgaand aan de boring te bepalen wat er zich voor het front van de boormachine bevindt aan grondslag en obstakels. In het kader van CUR/COB-uitvoeringscommissie L 3 'Montoring graaffront boorproces' is een aantal ontwikkelsporen gedefinieerd om aan deze informatiebehoefte tegemoet te komen. Een daarvan is het ontwikkelen van boorgatinstrumenten, die vanuit een horizontaal boorgat in het rond kijken om de aanwezigheid van obstakels alsmede de ligging van grondlagen vast te stellen. Voorliggend rapport beschrijft de uitvoering en werking van de akoestische Speumeus, een prototype dat is voortgekomen uit eerdere experimenten met een gestuurde boring waarin ook drie andere geofysische boorgatinstrumenten waren ingepast. De samenstelling van de commissie ten tijde van het samenstellen van dit rapport was: ir. J.A. de Ridder, voorzitter dr J.K. van Deen, secretaris dr Go Drijkoningen ir. M.A. van de Griendt dro R. Hack ir. F.J.M. Hoefsloot ing. F.C.P.M. Jansen ir. MoW.Po van Lange dr. J.A.C. Meekes it. P.A.A. Roelands i~. It.toL. Vos ir. J.T. de Vries iro ToP. van der Lijke, coordinator SAT Engineering v.o.f. Kennis en Wetenschappelijke Instituten Kennis en Wetenschappelijke Instituten BoorTunne1Combinatie ITC via stichting LWI TEC/Fugro Heijmans NV ITM CV Kennis en Wetenschappelijke instituten NV Nederlandse Spoorwegen Kennis en Wetenschappelijke instituten Bouwdienst Rijkswaterstaat CUR/COB oktober 1999 Het bestuur van de CUR Het bestuur van COB 3

4 4

5 INHOUD SAMENV ATTING 9 1. INLEIDING."""'.."'.."'''''.'...""",..""" KARAKTERISERING VAN AKOESTISCHE BRON EN ONTV ANGER.15 Inleiding,.15 Karakterisering van het hydrofoonarray..."".." ""." ".."'."...""""".15 Karakterisering van de piezobron '."".'..".""'.16 "" ' "'.'.'..""'.' Karakterisering van de vonkbron.17 Metingen in het waterbassin.17 Metingen in grond..18 Alternatieve bronnen ",."""'''.'...18 Conclusies "'..'.."'.."' '..." "..."'..'.." "".."'..."'..'..""'.'".19 KARAKTERISERING VAN GRONDEIGENSCHAPPEN 21 Inleiding.21 Gasdetectie.....'" ",.... '." Gasmetingen te Papendrecht."'.'." "."...'."".""'.."'" '''.'.' ''' Akoestische metingen te Delft.22 Analyse van de akoestische metingen te Delft 23 Akoestische metingen met seismische conus 25 Gasdetectie te Delft.", 26 ",,., Metingen te Rucphen ""'.."'."".'..."".""."'.."".".'." ""..".".."".."'".26 Conclusies en aanbevelingen ",..", ".,, ",, "." ONTWERP VOOR TWEEDE PROTOTYPE SPEURNEUS 29 Inleiding.29 Constructief ontwerp.29 Trekkrachtmeting......" Veldproef te Lienden '..". ""."".'" "...."' "..."".""".3 " Kabe1doorvoer "..' ' ' ' ' "...' '..' ' "'..32 Wikkeldraadfilter.33 Layout van de Speurneus '..."..."' ' " "...' " ' "

6 TEST MET DE SPEURNEUS IN WATER 37 Inleiding """""""""""""""""""""""""""""""""""""""".37 Meetopzet """""""""""".37 Resultaten Conclusies """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" TEST MET DE SPEURNEUS IN GROND 41 Inleiding.41 Meetapparatuur """"""""""""""""""""""""""""""""""""""""".43 Meetseries """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""'" 44 Evaluatie van de meetresultaten 44 CONCEPT DATA-ACQUISITIE EN -OPSLAGSYSTEEM 47 Inleiding.47 Specificaties 47 Systeem ontwerp """""""""""""""""""""""""""""""""""""""".48 Componenten.48 PC/14 configuratie.48 Sensor inwin-board """""""""""""""""""""""""'".49 Triggerdetector """"""""""""""""""""""""""""""""""""""""".49 Software.49 CONCLUSIES.51 Logistiek """"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""".51 Behuizing """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""'".51 Lokaal meten.51 Geofysische logs 52 Atbeeldingsmethoden """""""""'" Grondradar """"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""'" Akoestiek """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""'" Dataverwerking """""""""""""""""""""""""""""'" """""""""'" Grondgedrag """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""'".53 BIJLAGE A RESPONS VAN DE VONKBRON IN EEN WATERBASSIN 55 BIJLAGE B RESPONS VAN DE VONKBRON IN EEN BOORGAT 57 6

7 BULAGE BULAGE C D MEETRESULTATEN VAN DE SPEURNEUS IN WATER 59 MEETRESULTATEN VAN DE SPEURNEUS IN GROND 63 BIJLAGE E TREKKRACHTPROEF TE LIENDEN 75 LITERA TUUR 77 7

8 8

9 SAMENV ATTING In het kader van CUR/COB-uitvoeringscommissie L 3 is een aantal ontwikkelsporen gedefinieerd voor het ruimtelijk in kaart brengen van de geologische structuur alsmede de aanwezigheid van obstakels. In een voorgaand onderdeel van L 3, het deelplan L 33/L 34, is onderzocht of het mogelijk en zinvol is een meetinstrument te ontwikkelen dat objecten detecteert en lokaliseert vanuit een horizontaal boorgat. Hieruit is naar voren gekomen dat het zinvol is om met de akoestische techniek een dergelijke Speurneus te ontwikkelen. In deze rapportage zijn de uitvoeringswerkzaamheden en de resultaten die leiden tot een prototype van de akoestische Speurneus weergegeven. 9

10 1

11 1. INLEIDING Het doel van het basisprojectplan L 3 [1] is te komen tot een methodiek om in de volledige doorsnede van het trace van een TBM de mimtelijke verdeling van grondparameters (inc1usief de aanwezigheid van objecten) vast te leggen. Hierbij zijn de volgende deelonderwerpen te onderscheiden: - Grondparameters lokaal. In het reguliere grondonderzoek worden hierbij vanaf het maaiveld boringen en in situ metingen (in het bijzonder sonderingen) uitgevoerd. Voor toepassing vanuit een TBM is in een parallel deelproject het concept van de Prikneus [2] uitgedacht en ontwikkeld, waarin met behulp van een horizontale sondering voor het boorfront van de TBM de grond lokaal wordt gekarakteriseerd. - Grondparameters in een groter gebied. Om de grond die door een TBM wordt weggeboord te karakteriseren, moet een volwne grond worden gekarakteriseerd. Met behulp van volumemetingen, zoals de elektromagnetische en de geo-elektrische methode, is dit mogelijk. Vanaf het maaiveld worden deze technieken ook als zodanig toegepast en in sommige omstandigheden ook in het kader van obstakeldetectie. - Obstakeldetectie. Hiervoor komen vooral de afbeeldingsmethodieken grondradar en akoestiek (seismiek) in aanmerking in verband met het doorgaans vereiste oplossend vermogen. Hoewel primair voor obstakeldetectie zijn deze methodieken ook inzetbaar voor detectie van laagovergangen en uitkarteren van de ondergrondse geometrie. Met een geringe aanpassing van de meetmethodiek zijn de methoden ook inzetbaar voor het bepalen van grondparameters. Bij de grondradar is de permittiviteit vooral gerelateerd aan het vochtgehalte en bij de akoestiek is de stijtheid gerelateerd aan de mechanische eigenschappen en aan de in situ spanning. In 1997 zijn activiteit 3.1 van deelproject L 33 (R<I>-grondradar) en activiteit 4.1 van deelproject L 34 (R<I>-akoestiek)uitgevoerd [3, 4]. Ais algemene conciusie uit deze deelstudies is naar voren gekomen dat er twee parallelle ontwikkelsporen bewandeld moeten worden en mogelijk ook twee parallelle meetstrategieen gevolgd moeten worden voor het inventariseren van het te boren tunneltrace: - voorafgaand aan de uitvoering en bij voorkeur ook voorafgaand aan het ontwerp van tunnel en TBM wordt met behulp van een gestuurde boring een boorgatloggingssysteem 'Speurneus' toegepast als pilotboring langs het trace van de aan te leggen tunnel; - tijdens de uitvoering van het werk wordt vanuit het front van een TBM periodiek het horizontaal sondeersysteem 'Prikneus' toegepast voor een permanente actualisering van het beschikbare ondergrondmodel. De belangrijkste reden om de twee ontwikkelsporen te scheiden is dat de toepassing van geofysische meetmethoden in het algemeen een grote diameter vereist (1-2 cm). Dit laat zich slechts moeilijk combineren met de wegdruktechniek, die uitontwikkeld is voor normaie sondeerdiameters (~ 36 mm of iets groter) maar bij de gewenste diameters tot een factor 1-2 grotere wegdrukkrachten leidt. 11

12 Het boorgatsysteem Speumeus, waarbij voorafgaande aan de TBM een kleine diameter gestuurde boring wordt uitgevoord, kan verschillende meetmethodieken in zich herbergen, waarbij direct gebruik kan worden gemaakt van wat er bij normale, verticaal toe te passen boorgatloggers ten behoove van de olie- en grondwaterexploratie reeds in omloop is. Daarnaast zou een afbeeldingmethodiek mooten worden ontwikkeld voor de directe omgeving van het boorgat. De problemen, die hierbij moeten worden opgelost, zijn deels van operationele aard: is het mogelijk om de meetapparatuur in een behuizing in te bouwen die zowel transparant is voor de meting als ook sterk genoeg is om de boorstreng mee te nemen. Daarnaast is de vraag of met de in te bouwen meetinstrumenten voldoonde oplossend vermogen voor obstakeldetectie kan worden bereikt. Hiertoo is de ontwikkeling in gang gezet van de Speurneus. Dit is een sonde die met behulp van een gestuurde boring een trace verkent in stukken van enige honderden meters tot een kilometer en daarbij structuren in een cilindervormig gebied met een diameter van 8 meter afbeeldt. Het gaat daarbij om de ligging van grondlagen met een minimale dikte van,5 meter en detectie van objecten met een minimale diameter van ongeveer 1 meter alsmede 'lange' voorwerpen als kabels en damwandplanken. Als eerste toepassing is gedacht aan het inzetten voorafgaand aan de toepassing van een TBM voor tunnelboren. De methode is evenwel veel breder inzetbaar voor allerlei grondonderzook op plaatsen die met normale grondonderzooksmethoden niet bereikbaar zijn, zoals onder bestaande bebouwing. In 1998 is een eerste ontwerp gemaakt voor een loggingsinstrument en is een prototype geconstrueerd. Met deze prototype-uitvoering zijn testmetingen uitgevoerd met een experimentele versie van een behuizing van glasvezelversterkt kunststof (GVK), voorzien van de afbeeldingstechnieken grondradar en akoostiek alsmede standaard boorgatloginstrumentatie uitgetest. Uit de testmetingen is naar voren gekomen dat de standaard boorgatinstrumentatie zonder meer kan worden ingezet, maar dat deze weinig informatie levert over structuren (obstakels) op enige afstand vanaf het boorgat. Hiervoor blijft nog steeds de noodzaak voor de ontwikkeling van een afbeeldingstechniek. Vande geteste afbeeldingstechnieken grondradar en seismiek, is seismiek als het meest veelbelovende ontwikkelspoor naar voren gekomen [5], in het bijzonder in verband met de benodigde penetratie en de voor grondradar dikwijls ongunstige omstandigheden in de Nederlandse bodem. In dit rapport worden de resultaten van de verder ontwikkeling van de akoostische Speurneus weergegeven. De algemene doolstelling van het project is om met behulp van opgewekte akoestische bronsignalen en de daarbij behorende ontvangapparatuur een beeld te krijgen van de (Nederlandse) bodem in een straal van enkele meters rondom het boorgat van waaruit wordt gemeten. Aan het eind van de eerste fase is geconstateerd [5, par. 7.3] dat alvorens deze doolstelling kan worden bereikt, eerst een aantal deelresultaten mooten worden bereikt. Er moeten daarom experimenten worden gedaan om: - de eigenschappen van de binnen (en mogelijk ook buiten) het project beschikbare akoestische bronnen beter vast te leggen in termen van met name de amplitude; 12

13 - de akoestische eigenschappen van (Nederlandse, ondiep liggende) sedimenten te bepalen om de aan de akoestische apparatuur te stellen eisen beter te specificeren. Deze eigenschappen zijn in het bijzonder de demping en daarnaast ook de propagatiesnelheid; - de mechanische en akoestische eigenschappen van mogelijke behuizingstypen te bestuderen om daannee tot een goede Speurneusconstructie te komen; - de operationele eisen aan de Speurneus nader te definieren. Parallel aan deze experimenten kan een tweede versie van het prototype van een akoestische Speurneus worden gebouwd en getest. 13

14 14

15 2. KARAKTERISERING VAN AKOESTISCHE BRON EN ONTV ANGER 2.1 Inleiding In de verkennende studie L 34 [4] is door TNO-TPD een piezobron ontwikkeld voor gebruik in de Speumeus (destijds nog gedacht als wegdrukinstrument). In verband met de gewenste frequentieband en de controleerbaarheid van het bronsignaal is destijds gekozen voor een piezobron. Omdat tijdens de experimenten in de eerste prototypefase [5] een boorgatvonkbron beschikbaar was bij NITG TNO is bij die experimenten als proef ook deze bron toegepast. De bronpuls van de vonkbron bleek zoveel krachtiger dan die van de piezobron, dat de in principe betere eigenschappen van de piezobron daar mogelijk niet tegen opwogen. Ook in de vervolgfase is daarom mede gebruik gemaakt van deze bron. Wel bleek uit de eerste prototypemetingen de noodzaak voor een betere karakterisering van de verschi1lende bronnen. Hiervoor zijn metingen uitgevoerd in de akoestische testbak bij TNO-FEL in Den Haag en in een bestaand boorgat te Rucphen (Noord-Brabant). Om de karakteristieken van de bronnen en ontvangers te kunnen bepalen zijn allereerst metingen verricht in het waterbassin van TNO-FEL. Hierbij zijn de eigenschappen bepaald van: - vonkbron (type SBS-36) van de firma Geo-Messtechnik; - experimentele piezobron van TNO-TPD. Tevens zijn bij deze metingen de eigenschappen vastgelegd van de hydrofoons in het hydrofoonarray (12 hydrofoons) van NITG TNO dat in het eerste prototype Speurneus was ingebouwd en ook nu weer kan worden toegepast. Dit zijn de hydrofoons die in hoofdstuk 4 als 'de passieve hydrofoons 18-29' worden benoemd. Het waterbassin van TNO-FEL heeft een diameter van circa 9 meter en een diepte van circa 7,5 meter. De wanden zijn voorzien van geluidabsorberend materiaal. 2.2 Karakterisering van het hydrofoonarray De 12 elementen van het NITG-hydrofoonarray zijn gekarakteriseerd met behulp van een breedbandige bron van TNO-FEL. Vit de metingen voigt dat alle hydrofoons een min of meer vlakke overdracht bezitten (binnen I 3 db) over de frequentieband 5-45 Hz. De spanningsgevoeligheid (~VIPa) is vrijwel constant tussen de hydrofoons onderling: < 1 db. Een aantal metingen is uitgevoerd om een indruk te krijgen van de richtingsgevoeligheid van de hydrofoons. Opvallend is dat de gevoeligheid van de hydrofoons een fractie (een paar db) groter is bij het aanstralen in de lengterichting dan in de richting loodrecht hierop. Geconc1udeerd kan worden dat hydrofoonelementen van het hydrofoonarray in principe bruikbaar zijn voor de Speumeusexperimenten. De bandbreedte is voldoende groot en de gevoeligheid redelijk vlak. Grondmetingen zuhen moeten uitwijzen of de hydrofoons voldoende gevoeligheid bezitten. 15

16 2.3 Karakterisering van de piezobron Piezobronnen beschikken, in vergelijking met andere akoestische bronnen, over gunstige akoestische eigenschappen. Zo is het bronsignaal volledig controleerbaar binnen het frequentiebereik waarop het piezo-element gedimensioneerd is. Zodoende is het bronsignaal in hoge mate reproduceerbaar. De herhalingsfrequentie wordt slechts beperkt door de looptijden in het medium en niet, zoals bij een vonkbron, door een regeneratietijd. Wel wordt de herhalingsfrequentie mede bepaald door het lage bronniveau. Ten opzichte van andere brontypen is het relatief lage bronniveau een bezwaar. Dit kan worden verbeterd door lange bronsignalen uit te zenden. In plaats van een pills wordt een continue golf met een verlopende frequentie (sweep) uitgezonden. Pulscompressie tijdens de dataprocessing na de meting levert weer een pills-echoplaatje vergelijkbaar met een normale pulsbron. Door de sweep bij een gelijkblijvende frequentieband langer te maken (dus een trager frequentieverloop) kan de signaal-ruisverhouding naar wens worden verbeterd. Dit leidt echter wel weer tot een langere meettijd. Een hoger bronniveau is tevens te bereiken door meerdere piezo-elementen in de bron toe te passen. Meerdere piezo-elementen dragen tevens de mogelijkheid in zich een gerichte bundel te genereren die dan met een geschikte aansturing tevens richtingsgevoelig kan worden gemaakt. Gezien de stand van zaken met de piezo-elementen is in de huidige ontwikkeling de richtingsgevoeligheid van de Speurneus vooralsnog uitsluitend aan de detectiekant gelegd. Tijdens het voortraject van dit project (L 34, [4]) heeft TNO-TPD een experimentele piezobron ontworpen met een geschikte overdrachtskarakteristiek voor toepassing in de Speurneus. In dit ontwerp was voorzien dat het aantal piezo-elementen later zou kunnen worden vergroot om zo het bronniveau te verhogen. De metingen, die zijn uitgevoerd tijdens de eerste fase van de prototype-ontwikkeling [5], toonden aan dat het bronniveau van de huidige versie van de piezobron ongeveer een factor 1 lager ligt dan dat van de tevens geteste vonkbron van NITG TNO. Helaas bleek de piezobron tijdens de karakteriseringsmetingen bij TNO-FEL defect. Omdat de bron enkele maanden ongebruikt was blijven liggen, was een verouderingseffect opgetreden. Het defect is veroorzaakt doordat de olie, waarmee het PVC-omhillsel van de bron is gevu1d (om de statische drukken op te vangen wanneer de bron op diepte wordt gebruikt), de afdichting van de bron aantastte. Verder bleek de olie (Tellus R5 olie) ook de weekmaker uit de coaxkabel te hebben verwijderd. De olie is in het koperen huis van de bron gedrongen en de piezopillen hebben losgelaten. Ben ph was door het klapperen tegen de omhillling gebarsten. De bron is volledig gereinigd en opnieuw opgebouwd (met een nieuw element). Bij het opnieuw opbouwen is tevens de PVC-behuizing weggelaten om een hog ere signaalsterkte te bereiken. Vervolgens is de bron getest in het waterbassin bij TNO-TPD. Opnieuw bleek de bron defect, ditmaal door intredend water door een lek in het akoestische venster. In verband met de tijdsdruk was het niet mogelijk de piezobron nog tijdig gereed te maken en is ervoor gekozen om op dit moment af te zien van het inzetten van deze bron. 16

17 2.4 Karakterisering van de vonkbron De vonkbron van NITG TNO (type SBS-36 van de firma Geo-Messtechnik) produceert een geluidsveld door het opwekken van cavitatie. De bron bestaat uit een elektrode ('bougie') waarover een hoogspanningspuls wordt gezet (orde 5 kv). De ontlading veroorzaakt een stoombel die direct weer implodeert. Het geclaimde bronniveau is in vergelijking met piezobronnen een factor 1-1 hoger. De vonkbron wordt gevoed door een impulsgenerator van het type SWG 55-S (Geo-Messtechnik). In de bestaande uitvoering is deze generator een tamelijk grote kast (,5 x,5 x,5 m) die op enige afstand op het maaiveld wordt geplaatst Metingen in het waterbassin De herhalingsfrequentie voor het ontsteken van de bron bedroeg 1 keer per 8 seconden, dit is de hoogst haalbare frequentie (kortste herhalingstijd Het akoestische bronsignaal van de vonkbron is gemeten met de bron op 3,5 en 2, m diepte, met behulp van een geijkte hydrofoon (type B&K 814), op een diepte van 3,5 men een afstand van 2 m. Er zijn metingen verricht voor de drie mogelijke bronspanningen van de vonkbron (respectievelijk 3, 4 en 5 kv). De werkelijk gemeten spanningen waren op het moment van ontlading circa,5 kv lager dan de nominale spanning. De herhalingsfrequentie voor het ontsteken van de bron bedroeg 1 keer per 8 seconden, dit is de hoogst haalbare frequentie (kortste herhalingstijd) in verband met de tijd die nodig is voor het herladen van de condensatoren die de bron aansturen. In bijlage A is een registratie van een meting met de vonkbron in het waterbassin op twee tijdschalen weergegeven. Een probleem bij de analyse van de signalen is de vorm van de uitgezonden bronpuls. Overleg met de fabrikant van de vonkbron was noodzakelijk om het een en ander te kunnen begrijpen. Het signaal in de tijd begint met een elektrische overspraak, nabij t = O. Vervolgens een eerste aankomst op circa 1,3 ms: een scherpe piek met een negatieve amplitude die door de horizontale as schiet en vervolgens geleidelijk terugvalt naar het nulniveau. Dit is de directe golf (transmissie over 2 m met 15 mls). Op circa 5 ms is een positieve uitslag waarneembaar: dit is geinterpreteerd als reflectie aan het wateroppervlak (ca. 7,2 m looppad). Op circa 6 ms komen scherpe negatieve pieken binnen. Tussen circa 7 en 17 ms komen laagfrequente reflecties binnen, waarschijnlijk aan de wanden en bodem van het bassin dat akoestisch bij deze frequenties niet zo 'dood' is als verwacht, gezien de aanwezigheid van geluidabsorberend materiaal. In hetzelfde tijdvenster en nog duidelijker zichtbaar daarna komen dezelfde reflecties binnen van de scherpe pieken bij 6 ms. In het bijzonder het optreden van de scherpe negatieve pieken bij 6 ms is niet begrepen. Mogelijk zijn de scherpe negatieve pieken een onderdeel van het bronsignaal zelf. Sparkers staan niet bekend om de hoge reproduceerbaarheid van het bronsignaal [6]. Uit de registraties van 1 achtereenvolgende pulsen blijkt ook dat het proces nogal varieert tussen de schoten, gelet op de variatie in de aankomsttijd (circa 2 ms) van de 'tweede' puls. Ook de amplitude fluctueert met een factor twee. Het eerste deel van de golfvorm (rond de 1,3 ms) fluctueert daarentegen een stuk minder. Bij de leverancier was dit probleem uit de praktijk onbekend. Bij de fabrikant is de bron nagekeken en schoon gemaakt, maar er zijn geen aanpassingen aan de bron uitgevoerd. Om na te gaan of deze signaalvormen ook in de grond voorkomen, zijn hierna metingen in een boorgat uitgevoerd en geanalyseerd. 17

18 2.4.2 Metingen in grand Op 22 maart 1999 is in Rucphen een serle transmissiemetingen uitgevoerd. Deze metingen werden uitgevoerd ten behoeve van het bepalen van grondparameters (zie hoofdstuk 3) en worden hier alleen geanalyseerd voor wat betreft de puisvorm. Er is gebruik gemaakt van een bestaand, verbuisd boorgat van circa 2 m diep. Ais ontvangers zijn hydrofoons in het bestaande boorgat geplaatst en is de seismische conus van GeoDelft weggedrukt. Als bron is onder andere de vonkbron ingezet. Vit de data, geschoten met de vonkbron, is de signatuur van deze bron gehaald en vergeleken met de signatuur zoals gevonden in het FEL-meetbassin. In bijlage B is een karakterlstieke opname te zien van een hydrofoonresponsie in het boorgat waar tevens de vonkbron in is gehangen. De hydrofoon hing hierbij op een diepte van 22 m in het boorgat, de vonkbron op een diepte van 12 m in hetzelfde boorgat. Opgemerkt moet worden dat dit een andere opnemer is dan in het FEL-meetbassin en dat de meetwaarden dus niet kwantitatief te vergelijken zijn. De grote uitslag van het signaal bij circa 4 ms is afkomstig van de buisgolf die langs de wand van het boorgat naar de opnemers loopt. Opvallend is verder het karakter van de uitgezonden puis. Bij de metingen in het waterbassin is de puis unipolair, terwijl deze nu in de grond bipolair is. Onderaan is ingezoomd op de eerste aankomst. Er is geen 'tweede' puis circa 4 ms later te zien, zoals die is waargenomen in de metingen in het waterbassin. Ben reden hiervoor zou kunnen zijn dat het cavitatiemechanisme in schoon water anders werkt dan in het minder schone water van het boorgat. Bekend is de gevoeligheid van een vergelijkbaar type bron (Sparkers) voor het zoutgehalte van het water. Ben ander verschil tussen de metingen in een waterbassin en het boorgat is dat de ruimte om de vonkbron in het geval van een boorgat veel beperkter is; ook dat kan en za1 invloed hebben op de puisvorming. Voor de vervolgmetingen is ervan uitgegaan dat het 'tweede puiseffect' geen rol speelt bij metingen in de grond Alternatieve bronnen De tot heden in het project toegepaste bronnen hebben enkele bezwaren. De piezobron houdt ook na het oplossen van de operationele problemen als lekkage en veroudering het principiele probleem van de lage bronsterkte. De vonkbron heeft bezwaren in termen van reproduceerbaarheid van het bronsignaa1; daarnaast is de herhalingsfrequentie beperkt (1 meting per 8 seconden beperkt de mogelijkheden van meervoudige opnamen sterk) en de voeding is in de huidige uitvoering een fysiek zodanig groot apparaat dat deze op het maaiveld dient te staan. Dit brengt de noodzaak van een (hoogspannings)kabel naar de bron met zich mee. Om deze redenen is kort gekeken naar mogelijke alternatieven. In het kader van de literatuurstudie bij de start van L 3 [7] is een octrooi-onderzoek gedaan en dit is opnieuw nagelopen. Hieruit zijn geen bruikbare alternatieven naar voren gekomen. In het akoestische Amberg-systeem, dat in de TBM van de 4e tunnelbuis van de Elbetunnel in Hamburg en in de TBM van de Botlektunnel is toegepast, is een elektromechanisch systeem ingebouwd waarbij een 'Schallplatte' aan de voorzijde van de TBM mechanisch met een sweepsignaal wordt aangestuurd. In boorgaten wordt wel gebruik gemaakt van boorgathamersystemen [8] die tamelijk laagfrequent zijn «4 Hz) en die gebaseerd zijn op een valgewicht. Voor horizontaal gebruik zou daarvan een afgeleide moeten worden gemaakt. De meest beperkende randvoorwaarde is de afmeting die binnen circa,2 m moet blijven. De meeste operationele seismieksystemen zijn voor gebruik op zee ontwikkeld waar moote geen 18

19 probleem is en bovendien is voor een goede energieoverdracht een minimumgrootte vereist. Bij de gebruikelijke landseismiek wordt in het algemeen met explosieven gewerkt in min of meer ondiepe (enkele meters) boorgaten. Die werkwijze vereist een betrekkelijk goede toegankelijkheid van de bronpositie, die bij een gestuurde boring moeilijk te bereiken is, aangezien voor ieder schot een lading langs de boorstreng naar voren moet worden gebracht. Vooralsnog lijkt, wanneer de controleerbaarheid van de bron nog verbeterd kan worden, de vonkbron de meest aangewezen ontwikkelrichting Conclusies Naar aanleiding van de uitgevoerde experimenten is de vonkbron als geschikte bron naar voren gekomen om toe te passen in de akoestische Speurneus. De vonkbron bezit een relatief hoog bronniveau op de gewenste bandbreedte (ongeveer 5 tot 3 Hz). Bij een aangenomen voortplantingssnelheid van 15 mls komt dat overeen met golflengten vanaf,5 m tot 3 m, ruim voldoende voor de aan de Speurneus gestelde eisen. Richtingen waarin de bron moet worden verbeterd zijn de vergroting van de reproduceerbaarheid, het verdwijnen van de noodzaak van een kabelverbindingen naar het maaiveld en het verhogen van de herhalingsfrequentie. Na overleg met de fabrikant van de vonkbron is duidelijk geworden dat de herhalingsfrequentie tot maximaal een meting per 4 a 5 seconden kan worden verhoogd en dat het mogelijk is een hoogspanningsvoeding te ontwerpen die kan worden ingebouwd in de Speurneus. Of deze vanuit accu's in de Speurneus of vanuit een laagspanningskabel langs of door de boorstreng moet worden gevoed, is nog een ontwerpaspect dat in hoofdstuk 4 aan de orde komt. 19

20 2

21 3. KARAKTERISERING VAN GRONDEIGENSCHAPPEN 3.1 Inleiding Bij de metingen in het kader van de eerste prototypeproeven [5] bleek de grond in Papendrecht de akoestische signalen veel sterker te verzwakken dan verwacht. Als hypothese werd geformuleerd dat de aanwezigheid van gas hierbij een belangrijke parameter zou zijn. Aangezien het fenomeen zich ook voordeed onder de grondwaterspiegel zou het daarbij dan om van nature gevormd moerasgas gaan. Omdat ook in een ander kader bleek dat de transmissie van akoestische golven in de ondiepe ondergrond een slecht begrepen verschijnsel is, is besloten een aantal experimenten uit te voeren om een idee te krijgen van de akoestische eigenschappen van de Nederlandse ondergrond. Een belangrijke veronderstelde parameter is daarbij de aanwezigheid van gas in de bodem. Naast de verzwakking van akoestische signalen is ook de akoestische propagatiesnelheid bij de interpretatie van seismische metingen een voortdurend terugkerende onzekere factor. Om de akoestische grondparameters te bepalen zijn twee testlocaties geselecteerd: - op het terrein van het TNO Zuidpolder in Delft. Van deze ondergrond is uit het verleden bekend dat deze gashoudend is, onder andere uit de kwaliteit van oppervlakteseismiekmetingen; - op zandgrond te Rucphen (Noord-Brabant). Hier wordt geen gas in de grond verwacht in verband met de lokale geologie en gezien de goede resultaten van hoge resolutie oppervlakteseismiek. Op de locatie te Delft is nog met de piezobron van TNO- TPD gemeten. Door de problemen, beschreven in hoofdstuk 2, kon deze bron daarna niet meer worden ingezet. Op de locatie te Rucphen is naast de vonkbron ook met ontstekers als bron gewerkt om een indruk te verkrijgen van de relatieve bronsterkte van de vonkbron in vergelijking met deze op land routinematig toegepaste bron. Een ontsteker is een kleine hoeveelheid springstof die elektrisch tot ontploffing wordt gebracht. 3.2 Gasdetectie Op enkele locaties is de aanwezigheid van gas in de ondergrond kwantitatief bepaald. Aangenomen is dat eventueel gas in de ondergrond onder de grondwaterspiegel bestaat uit moerasgas (methaan). De aanwezigheid van dit gas is betrouwbaar en specifiek vast te stellen. Als, door wat voor oorzaak dan ook, gas in de ondergrond bestaat uit luchtinsluitingen, is dit veel moeilijker vast te stellen omdat voorkomen moet worden dat tijdens de monstername lucht 'van boven' kan toetreden. Het percentage gas in een monster wordt gemeten met een mobiele gaschromatograaf met PhotolonisatieDetector (type PE-VOYAGER). Kalibratie vindt plaats voorafgaand aan de metingen. 21