2 VDVmagazin 3/11 l Dreidimensionale Vermessung von Rohrleitungen

Feststellung vertikaler und horizontaler Ver-

schiebungen der Leitungen mit einem Mes-

spunktraster, das zudem die Ermittlung von

Krümmungen erlaubt. Hierfür sollte im ers-

ten Schritt für eine der Rohrleitungen aus

dem Dükerpaket die aktuelle Lage im Raum

ermittelt und in Form von Gauß-Krüger-Ko-

ordinaten angegeben werden.

3 MessverfahrenDie dreidimensionale Vermessung von

Rohrleitungen ist eine komplexe messtech-

nische Aufgabe. Die Höhenlage einer Lei-

tung lässt sich hydrostatisch sicher und ein-

fach bestimmen. Eine vergleichbar exakte

Bestimmung der Richtung (links-rechts) ei-

ner Rohrleitung ist dagegen problematisch,

insbesondere bei kleinen Leitungsquer-

schnitten (hier: DN 250). Für die gestellte

Messaufgabe wurde eigens ein Inertialsys-

tem adaptiert, das üblicherweise in der Na-

vigation und bei der Messung von Verdre-

hungen zum Einsatz kommt. Das Verfahren

Setzungen an der Rethesohle führen. Die

Ausbreitung der Setzungen und die daraus

resultierenden Belastungen für das im Mini-

mum nur rund 20 m entfernt liegende Rohr-

auflager des Dükers wurden mathematisch

modelliert. Wegen der kaum bekannten und

vor Ort auch nur schwer bestimmbaren me-

chanischen Eigenschaften der Leitung und

insbesondere des Rohrauflagers war es je-

doch nur bedingt möglich, die zu erwarten-

den Schäden zuverlässig abzuschätzen. Der

Auftraggeber AG wollte sich deshalb zusätz-

lich durch ein Beweissicherungsverfahren

absichern. Ziel der Beweissicherung war die

Florian Kölsch und Sven Weißenborn

Dreidimensionale Vermessung von Rohrleitungen*

1 EinleitungIn Hamburg-Wilhelmsburg soll die Rethe-

hubbrücke (Baujahr 1934) durch den Neubau

einer Klappbrücke ersetzt werden (Bild 1).

Für die Baumaßnahme im südlichen Hafen-

randgebiet sind umfangreiche Beweissiche-

rungen der sich in der Nähe befindlichen

Bauwerke notwendig. Insbesondere für ei-

nen oberflächlich nicht zu verfolgenden Dü-

ker unter der Rethe ist die vermessungs-

technische Aufnahme der Rohrleitungen

geboten, da die Baugruben zur Herstellung

der Brückenwiderlager in einem Abstand

von etwa 10 m parallel zum Dükerbauwerk

hergestellt werden. Der Düker selbst besteht

aus insgesamt acht Rohrleitungen mit un-

terschiedlichen Durchmessern (Bild 2). Ei-

gentümer des Dükers ist das Tanklogistik-

unternehmen VOPAK Dupeg Terminal

Hamburg GmbH. Die Leitungen werden ge-

nutzt, um Treibstoffe und Mineralölprodukte

von den Piers auf der Nordseite zu den La-

gerbehältern auf den südlich der Rethe ge-

legenen Betriebsflächen zu pumpen.

Die Planer konnten im Vorfeld nicht voll-

ständig ausschließen, dass im Zuge der

Bautätigkeiten die fast 40 Jahre alten Rohre

durch Setzungen und Horizontalverschie-

bungen mechanischen Belastungen ausge-

setzt werden, die zu Schäden führen. Eine

Beschädigung der Leitungen könnte unmit-

telbar zu Umweltschäden, in jedem Fall

aber zu kostenträchtigen Betriebsein-

schränkungen führen. Aus diesem Grund

sollte die örtliche Lage des Dükers mess-

technisch bestimmt werden, um einerseits

die Rammarbeiten entsprechend schonend

auszugestalten, andererseits eine Grund-

lage für die Beweissicherung zu schaffen.

Der Projektträger, die Hamburg Port Autho-

rity (HPA), hatte deshalb die Dr. Kölsch

Geo- und Umwelttechnik GmbH (Braun-

schweig) mit einer ausführlichen Zustand-

serfassung des Dükers beauftragt.

2 ZielsetzungNach den durch die Ingenieurgesellschaft

Dr. Veenker (Hannover) ausgeführten Vor-

planungen zu den Gründungsarbeiten wurde

davon ausgegangen, dass die Schwin-

gungseinträge aus den Rammarbeiten zu

Bild 1a und 1b (unten): Rethehubbrücke mit Dükereinlässen (gelbe Markierungen)

* Nachdruck aus „ROHRLEITUNGEN – WAS WIRD SEIN IN DEN NÄCHSTEN 25 JAHREN“, IRO-Schrif-tenreihe, Band 35, erschienen im Vulkan Verlag GmbH, Essen. Der Tagungsband erschien zum 25. Oldenburger Rohrleitungsforum 2011, durchge-führt vom „Institut für Rohrleitungsbau an der Fach-hochschule Oldenburg e.V.“

3Dreidimensionale Vermessung von Rohrleitungen l VDVmagazin 3/11

sätzlich wird die Querneigung kontinuierlich

über einen Neigungssensor erfasst.

Da es sich um einen einachsigen Kreisel

(rechts-links) handelt, der in der zweiten

Achse (auf-/abwärts) „blind“ ist, wird in

Schrägstellung die Richtungsänderung

nicht vollständig erkannt. Bis zu einer

Schrägstellung von etwa 10° sind die Ab-

weichungen gering, bei größeren Neigun-

gen ergeben sich jedoch schnell signifi-

kante Messfehler. Im Extremfall steht der

Kreisel 90° quer geneigt und würde dann

eine Kurve in rechts-links-Richtung gar

nicht erfassen. Bei Verwendung eines zwei-

achsigen Inertialsystems wie in der Pipe-

line-Vermessung wären diese Probleme

nicht aufgetreten, ein solcher Sensor ist je-

doch für Querschnitte DN 250 und kleiner

nicht verfügbar. Zudem handelt es sich im

geodätischen Sinn um einen Polygonzug,

so dass sich geringere Richtungsfehler be-

trächtlich akkumulieren können, ohne dass

die Möglichkeit einer Korrektur besteht (kein

definierter Endpunkt oder Kontrollquer-

schnitt vorhanden). Dieses grundlegende

physikalische Problem lässt sich durch

sorgfältiges Messen (Doppelmessung) ein-

grenzen, jedoch nicht gänzlich beseitigen.

4 DurchführungBei dem Düker handelt es sich um ein ver-

senktes Leitungspaket bestehend aus acht

Stahlrohren unterschiedlicher Durchmes-

ser. Für die erste Vermessung wurde die so

genannte Stickstoffleitung (Bild 5) ausge-

erfolgt während des

Herausziehens des

Messkopfes im Ab-

stand von 1 m. Bei

der hydrostatischen

Höhenvermessung

handelt es sich um

ein langjährig einge-

setztes, präzises und

robustes Messver-

fahren.

Die Richtung der Leitung an einem Mes-

spunkt angegeben als Azimut wird über ei-

nen faseroptischen Drehwinkelsensor (Krei-

sel) ermittelt. Es handelt sich um einen

μFORS-6 Sensor der Fa. Litev, der aus ei-

nem Gerät zur Verdrehungsmessung frei

drehbarer Inklinometer stammt und für die

Anwendung angepasst wurde. Der Sensor

wird ebenfalls von der Kameralafette in die

Rohrleitung eingefahren (Bild 4). Er ist so an

der Kamera montiert, dass er durch Nach-

regeln in der Horizontalen gehalten werden

kann. Dazu dient als optische Hilfe eine vor

der TV-Linse platzierte Wasserwaage, zu-

wurde am Rethedüker erstmalig eingesetzt.

Aus der Pipelinevermessung sind Inertial-

messverfahren gut bekannt, dort kommen

in der Regel zweiachsige Verfahren (rechts-

links, auf-ab) zum Einsatz. Ein Einsatz die-

ser Verfahren war unter den Randbedingun-

gen aus verschiedenen Gründen nicht

möglich (zu kleiner Leitungsquerschnitt,

kein Transportfluid, keine Kontrollquer-

schnitte zur Fehlerkorrektur).

Das Messprinzip des eingesetzten hy-

drostatischen Höhenmessgerätes ist dem ei-

ner Schlauchwaage ähnlich. In das zu ver-

messende Rohr wird ein Messkopf

geschoben, der eine Messleitung hinter sich

herzieht. Der Vortrieb erfolgt mittels eines

Hilfssystems, in diesem Fall einer selbst fah-

renden Kameralafette. Die Messleitung be-

steht aus mehreren elektrischen Adern, so-

wie einem mit entgastem Wasser gefüllten,

dünnen Polyamidschlauch. Der Wasser-

schlauch ist einseitig mit einem Niveaugefäß

und auf der anderen Seite mit dem elektro-

nischen Messaufnehmer im Messkopf ver-

bunden. Erfasst wird der hydrostatische

Druck, der von der Flüssigkeit in dem Ni-

veaugefäß über die Schlauchleitung auf den

Messaufnehmer im Messkopf ausgeübt wird.

Daraus lässt sich unter Berücksichtigung

des spezifischen Gewichtes der Flüssigkeit

der geodätische Höhenunterschied zwi-

schen Messkopf und Niveaugefäß ermitteln.

Änderungen des auf der Wassersäule wir-

kenden atmosphärischen Druckes werden

durch eine barometrische Druckmessung er-

fasst und ggf. berücksichtigt. Die Messung

Bild 2: Leitungspaket mit Dükereinlass (Südseite)

Bild 3: Prinzip der hydrostatischen Höhenvermessung

Bild 4: Inertialsensor auf Kameralafette

4 VDVmagazin 3/11 l Dreidimensionale Vermessung von Rohrleitungen

Sensor in die gleiche Lageposition zu brin-

gen, um die Drift einzelfallgenau zu bestim-

men. Dies war unter den gegebenen Rand-

bedingungen nicht möglich. Der mögliche

Fehler aus einer einzelfallspezifischen Ab-

weichung bei der Drift ist allerdings gering,

da er sich erst mit zunehmender Zeitdauer

stärker bemerkbar macht.

Winkelverlust durch Querneigung des ●●Sensors

Ein spezifisches Problem stellt die Quernei-

gung des Sensors während einer Rich-

tungsänderung dar. Sobald der Sensor eine

Querneigung aufweist, wird nicht mehr die

volle Richtungsänderung erfasst, sondern

nur noch der trigonometrische Anteil. Bis zu

einer Querneigung von rund 10° ist der Feh-

ler vernachlässigbar. Im Extremfall (Sensor

ist um 90° geneigt) wird eine Richtungsän-

derung gar nicht mehr erfasst, der Sensor

wird quasi „blind“ in der rechts-links-Ebene.

Während der Befahrung gelang es dem

Fahrwagenbediener mittels einer vor der

Linse auf dem Sensor angebrachten Libelle

recht gut, den Sensor in der Waage zu hal-

ten. Gleichzeitig wurde die Querneigung

rechts, anschließend liegt der Azimut kon-

stant bei etwa 9°.

Die Messwerte wurden in den von HPA

übergebenen CAD-Bestandslageplan ein-

gepflegt. Die CAD-Darstellung erlaubt am

Rechner Betrachtungen des Leitungsver-

laufes aus verschiedenen Blickwinkeln.

6 MessunsicherheitenDie hydrostatische Höhenvermessung er-

reicht unter den gegebenen Randbedingun-

gen eine Messunsicherheit von etwa ±2 cm.

Es gab keine Hinweise auf außergewöhnli-

che, unsystematische Messfehler. Die Rich-

tungsmessung mit dem Drehwinkelsensor

erwies sich insgesamt als erfolgreich, die

ermittelten Ergebnisse erscheinen absolut

plausibel. Nichtsdestoweniger müssen bei

diesem erstmalig eingesetzten Messverfah-

ren mögliche Messunsicherheiten umfas-

send diskutiert und dargestellt werden.

Drift●●Die systemimmanente Drift des Sensors

konnte im Vorfeld mit hoher Zuverlässigkeit

bestimmt werden. Allerdings empfiehlt der

Hersteller, zu Messbeginn und -ende den

wählt. Die Leitung war bis dahin ausschließ-

lich mit Stickstoff beschickt worden, der als

Treibgas für Molche in den anderen Produk-

tenleitungen dient. Es handelt sich um ein

Stahlrohr 267 x 6,3 mit einem Innendurch-

messer von 254,4 mm. Bei den Arbeiten

stellte sich heraus, dass ein Teil der Haltung

durch ein bei einer früheren Kamerainspek-

tion abgerissenes, verloren gegangenes Ka-

merakabel blockiert war (Bild 6). Die freie

Haltungsstrecke konnte von Süden aus auf

einer Länge von rund 120 m mit allen Sen-

soren befahren werden. Die Messungen

wurden im September 2008 durchgeführt.

Im Oktober 2010 wurde im Zuge der ersten

Baumaßnahmen eine weitere Leitung ver-

messen. Diese Haltung konnte mit besse-

rem Erfolg nahezu auf der ganzen Länge

(225 m) befahren werden. Die Auswertung

ist noch nicht abgeschlossen.

5 MessergebnisDie hydrostatische Höhenvermessung

konnte ohne Probleme durchgeführt wer-

den. Der Leitungsverlauf ist sehr gleichmä-

ßig und weist keine Knicke oder ähnliche lo-

kale Abweichungen auf. Auf der Südseite

konnte eine Länge von 118 m vermessen

werden. Die Leitung verläuft im Uferbereich

nahezu horizontal, bevor sie dann unter un-

terschiedlichen Gefällen auf die Endtiefe von

-17,15 m NN unter dem Fluss hinuntergeht.

Im Sohlbereich nimmt die Tiefe noch leicht

zu und liegt bei Befahrungsende bei einem

Höhenwert von minus 17,42 m NN (Bild 7).

Während für die Anbindung der Höhen-

vermessung ein Festpunkt ausreicht, muss

die Lagemessung, genauer gesagt die Win-

kelmessung, auf einer Achse beginnen, für

deren Festlegung die Koordinaten von min-

destens zwei Festpunkten erforderlich sind,

außerdem müssen die Gauß-Krüger-Koordi-

naten des Startpunktes bekannt sein. Bild 8

zeigt den Rohranfang mit den geodätischen

Punkten für die Anfangsrichtung. Die Start-

richtung des Fahrwagens mit dem Lagesen-

sor wurde zu -103,136° bestimmt.

Aus dem gemessenen Azimut und der

aus der hydrostatischen Höhenvermessung

bestimmten Horizontalentfernung wurden

ausgehend von den Koordinaten des Start-

punktes die Gauß-Krüger-Koordinaten für

jeden Messpunkt im Abstand von 1 m er-

rechnet. Die Lage der Messpunkte in ebe-

ner Projektion (Draufsicht) kann Bild 9 ent-

nommen werden. Die Leitung macht im

Uferbereich annähernd eine 90°-Kurve nach

Bild 5: Stickstoffleitung Bild 6: Hindernis bei der Befahrung

Bild 7: Höhenprofil der Stickstoffleitung

5Dreidimensionale Vermessung von Rohrleitungen l VDVmagazin 3/11

gehörigen Wiederholungsmessungen noch

nicht vorliegen. Die erfolgreicher verlaufene

zweite Messung in einer weiteren Leitung

des Dükerpaketes ist ausgewertet, liegt je-

doch zur Publikation nicht vor. Vorläufig

bleibt festzustellen, dass mit der Kombina-

tion aus hydrostatischer Höhenvermessung

und einachsiger Inertialmessung eine Lage-

messung in Rohrleitungen ab DN 250 mög-

lich ist. Vermessungsarbeiten und Auswer-

tung sind jedoch mit erheblichem Aufwand

verbunden und lohnen derzeit wohl nur bei

besonders sensiblen Randbedingungen.

AutorenDr.-Ing. Florian KölschDr. Kölsch Geo- und Umwelttechnik GmbHGliesmaroder Straße 10038106 Braunschweigoffice@dr-koelsch.dewww.dr-koelsch.de

Dipl.-Ing. Sven WeißenbornHamburg Port AuthorityNeuer Wandrahm 420457 Hamburgsven.weissenborn@hpa.hamburg.dewww.hamburg-port-authority.de

Fahrwagens in beide Richtungen wirken.

um die Vergleichbarkeit (und Wiederholbar-

keit) der Messungen abzusichern, ist es

deshalb empfehlenswert, zu Messbeginn

koordinatenmäßig definierte Kontrollab-

schnitte auf 3–4 m zu durchfahren

Zusammenfassend ergibt sich hinsicht-

lich der Messunsicherheit, dass in Folge von

Winkelverlusten oder Anschlussfehlern

durchaus ein absoluter Lagefehler im Meter-

bereich auftreten kann. Bei einem Winkelver-

lust läge die Leitung

näher an der Brücke,

der Anschlussfehler

hat dagegen keine

bestimmte Richtung.

Die relative Rich-

tungssicherheit (un-

abhängig von Einzel-

abweichungen)

erscheint dagegen

hoch, es gibt keinen

Anlass für den Mess-

verlauf ab der Kurve

Fehler von mehr als

einem Dezimeter zu

erwarten.

7 BewertungDie Messung ergab

ein insgesamt gutes

Ergebnis mit gesi-

cherten Erkenntnis-

sen zur Höhenlage

und zum Richtungs-

verlauf ab dem süd-

lichen 90°-Bogen.

Die Arbeiten an der

Hubbrücke haben

noch nicht begon-

nen, so dass die zu-

über einen Neigungssensor kontinuierlich

erfasst. Lediglich beim Durchfahren des

90°-Bogens am Südufer wurde die kritische

Querneigung von 10° überschritten. Winkel-

verluste in Folge Querneigung des Sensors

wirken immer in eine bestimmte Richtung.

Messfehler bedeuten stets, dass der ge-

messene Winkel kleiner ist als die tatsäch-

liche Richtungsänderung. Im vorliegenden

Fall erlaubt die Lage des Bogens (noch an

der Oberfläche) eine nachträgliche Korrek-

tur durch terrestrische Messungen. Gene-

rell bedeuten scharfe Leitungsknicke jedoch

eine erhebliche Beeinträchtigung.

Offene Messung●●Da die Messung nicht wie beabsichtigt bis zu

einem geodätischen Festpunkt geführt wer-

den konnte (anderes Rohrende), kann keine

Fehlerkorrektur durchgeführt werden. Ver-

messungstechnisch handelt es sich um ei-

nen offenen Polygonzug mit 115 Stützstel-

len, bei dem sich Fehler kumulieren oder

auch aufheben können. Die Messunsicher-

heiten, die sich aus diesen offenen Messun-

gen ergeben, sind aus Inklinometermessun-

gen bestens bekannt. Messunsicherheiten

können ausschließlich durch eine oder meh-

rere Kontrollmessungen spezifiziert werden.

Anschlussrichtung●●Die exakte Richtung des Kamerafahrwa-

gens bzw. des Richtungssensors als Azi-

mut am Startpunkt zu bestimmen, ist tech-

nisch schwierig. Eine Abweichung bei der

Anschlussrichtung wirkt sich ebenso aus

wie ein Winkelverlust in der Kurve. Ein Rich-

tungsfehler von 1° würde bei fehlerfreier

Messung „mitgeschleppt“ und zu starken

Lageabweichungen von über 1 m führen.

Der Fehler kann je nach Aufstellung des TV-

Bild 8: Lage der Richtungsanschlusspunkte Südseite

Bild 9: Lage der Dükerleitung (rote Punkte), ebene Projektion