City-Tunnel Leipzig - Nivellement Messung

Höhenunterschied

Damit ein Höhenunterschied über größere Entfernung, über größere Höhenunterschiede oder um Hindernisse gemessen werden kann, wird die Messung in Abschnitte geteilt. Ein Abschnitt besteht jeweils aus der Messung vom bekannten Punkt zum neuen Punkt. Das Nivellier wird zwischen beiden lotrecht aufgestellt. Der bekannte Punkt wird Rückblick genannt, der neue Punkt heißt Vorblick. Die Ablesungen werden subtrahiert, Rückblick minus Vorblick, um den Höhenunterschied zu erhalten.
Auf dem Zielpunkt angekommen, werden die Höhenunterschiede aller Abschnitte addiert, um den Höhenunterschied zwischen Ausgangspunkt und Zielpunkt zu erhalten.

Bestandteile aller Nivelliere

Ein Nivellier besteht aus einem fest mit dem Stativ verbundenen Unterteil, bestehend aus

• dem Dreifuß,
• einem Verbindungsstück zum drehbaren Oberteil

und dem drehbaren Oberteil, bestehend aus

• Gehäuse,
• Fernrohrträger und Fernrohr,
• Dosenlibelle, Röhrenlibelle oder Kompensator
• Klemmschrauben und Feintrieb
  

Achsen

Folgende Achsen sind am Nivellier festgelegt:

• Zielachse ZZ
• Stehachse VV
• Libellenachse LLD der Dosenlibelle
• Libellenachse LLR der Röhrenlibelle (bei Libellennivellieren)

Die Vertikalachse (Stehachse VV) verbindet das Unterteil mit dem Oberteil und soll die konstante Lage des Oberteils gewährleisten.
Die Achsen müssen zueinander eine festgelegte Lage einnehmen. Zum ordnungsgemäßen Arbeiten muss eine exakte horizontale Ziellinie geschaffen werden. Sind die Achsbeziehungen untereinander verfälscht, wird eine Justierung des Instruments notwendig.

Unterscheidung der Nivellierinstrumente

Grundsätzlich werden die Nivellierinstrumente in Libellennivelliere und Kompensatornivelliere unterschieden, wobei sich die Kompensatornivelliere nochmal in optische Kompensatornivelliere, Digitalnivelliere und Lasernivelliere aufteilen.

Beim City Tunnel Leipzig dürfen nur digitale Präzisionsnivelliere (Trimble Dini 11 oder Leica DNA 03) eingesetzt werden.

Arbeitsprinzip des Digitalnivelliers

Da das digitale Nivellier eine Kombination von Kompensatornivellier und digitaler Kamera ist, wird bei allen Digitalnivellieren sowohl eine optische als auch eine automatische Ablesung möglich. Dabei durchläuft der Zielstrahl sowohl den üblichen Strahlengang, als auch einen Teilerwürfel, der ihn in eine zweite Abbildungsebene auf den CCD-Sensor lenkt.

Ein CCD-Sensor (Charge Coupled Device) ist ein elektronisches Bauteil, das aus einer Vielzahl winziger, ladungsgekoppelter Halbleiter (Fotodioden) besteht, die analog zur Helligkeit des vom erfassten Motivdetail reflektierten Lichtes eine bestimmte Spannung erzeugen. Das Aufnahmemotiv wird mosaikartig erfasst und in ein analoges Spannungssignal umgesetzt. Bei dieser Wandlung wird der analoge Spannungswert für jeden Bildpunkt in einen digitalen Helligkeitswert umgesetzt.

Die digitale Ablesung erfolgt an sogenannten Strichcodenivellierlatten. Am City Tunnel Leipzig werden nur kalibrierte Invarlatten eingesetzt.

Der erfasste Lattenabschnitt kann zum Beispiel mit der gesamten, im Instrument gespeicherten Nivellierlatte verglichen werden. Der Messwert entsteht somit im Instrument. Gleichzeitig erfolgt die Erfassung der Distanz zwischen Nivellierinstrument und Nivellierlatte.

Äußere Einflüsse auf die Präzisionsmessung

Für Präzisionsnivellements (Leica DNA 03) werden starre Nivellierlatten eingesetzt, bei denen die Teilung auf Invar aufgetragen ist, um die Längenausdehnung der Teilung zu minimieren. Die Überprüfung der Genauigkeit der Digitalnivelliere erfolgt nach dem Feldverfahren zur Justierung der Ziellinie nach Näbauer und Kukkamäki.
Insbesondere bei Präzisionsmessungen sollten zusätzliche Einflüsse beachtet werden:

• Temperatureffekte sind durch Austemperieren zu beseitigen
• Die Beobachtung des Lattenanfangs und Lattenendes sollte vermieden werden
• Einflüsse von ungenauen Lattenanzielungen, Erschütterungen und partiellen Lattenabdeckungen sind zu vermeiden
• Unterschiedliche bzw. extreme Beleuchtungsverhältnisse und Schattenmuster können sich auf die Messbereitschaft und die Messergebnisse auswirken

Vorteile von Digitalnivellieren

• Effektives Arbeiten durch den Wegfall des Ablesens und Protokollierens, keine Ermüdungserscheinungen des Beobachters
• Automatisierte Auswertung durch die Datenübernahme der Messwerte über Speichermedien
• Vermeidung grober Fehler, wie Zahlendreher beim Ablesen und Protokollieren
• Genauigkeitssteigerung durch automatische, streckenabhängige Korrekturberechnungen infolge Ziellinienrestfehler und Erdkrümmung

Durch den Wegfall des manuellen Ablesens lassen sich mit einem motorisierten Seitenfeintrieb und Autofokus versehene Digitalnivelliere zur permanenten automatisierten Bauüberwachung einsetzen.

Nivellement beim City-Tunnel Leipzig

Das Nivellement beim City-Tunnel Leipzig dient vor allem der passiven Sicherungen von Gebäuden, der Oberflächen und technischen Einrichtungen.
Es wird aber auch im Bereich der aktiven Sicherungen eingesetzt, zur absoluten Höhenbestimmung und als redundantes Messsystem für die Schlauchwaagenkreisläufe.
siehe Schlauchwaagenmessung

Genauigkeitsforderungen an die Nivellementsmessung beim City-Tunnel Leipzig

• Maximal e zulässige Abweichung d zwischen zwei Messungen einer Nivellementslinie:
• I d I < 1mm * √LängeNivellementsweg [km]/[km]
• Maximal zulässiger Schleifenschlussfehler w einer Nivellementsschleife:
• I w I < 1mm * √LängeNivellementsschleife [km]/[km]

mittlere Kilometerfehler des Doppelnivellements

• aus Differenz der Doppelmessungen < 0,5 mm
• aus Schleifenwidersprüchen < 0,5 mm
• Es dürfen nur digitale Präzisionsnivelliere (Trimble Dini 11 oder Leica DNA 03) eingesetzt werden


• Die Instrumente müssen eine Standardabweichung für 1 km Doppelnivellement mit (kalibrierten) Invarlatten von 0,3 mm aufweisen