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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
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