Fahrbahnerneuerung mittels mobiler Oberflächenerfassung

Siegen (ABZ). – Durch das zuletzt gestiegene öffentliche Bewusstsein für den Unterhaltungsstau im Bereich der Infrastruktur gewinnt eine effiziente und qualitativ hochwertige Straßenerneuerung immer mehr an Bedeutung. Auch vor dem Hintergrund des Bauens unter Verkehr und daraus resultierenden Verkehrsstörungen, ergeben sich besondere Anforderungen an die Organisation und Durchführung von Straßenerneuerungsmaßnahmen. Dabei gilt es in Zeiten von allgegenwärtigen Schlagworten wie (Bau-)Industrie 4.0 und Building Information Modeling (BIM) zu überlegen, inwieweit der Prozess der Straßenerneuerung durch moderne IT-Systeme verbessert werden kann. Bei der Suche nach Einsatzmöglichkeiten moderner IT sollten grundsätzlich nicht nur einzelne Arbeitsschritte, sondern der gesamte Arbeitsprozess (Workflow) betrachtet werden.Im Folgenden soll behandelt werden, wie dieser Workflow durch den Einsatz eines mobilen Oberflächenscanners unterstützt werden kann.

Mobile Oberflächenscanner

Mobile Oberflächenscanner werden an Fahrzeugen angebracht und tasten während der Fahrt die unter dem Fahrzeug befindliche Oberfläche ab. Gegenüber der nur punktuellen herkömmlichen Vermessung werden hier Millionen von Punkten flächendeckend über die gesamte Fahrbahnoberfläche aufgenommen. Die mit dem Oberflächenscanner erfasste Punktwolke dient als Grundlage für die Überplanung.Auf der World of Concrete 2015 in Las Vegas und auf der bauma 2016 in München wurde von der Firma Topcon Positioning der neue Oberflächenscanner RD-M1 für die Aufnahme von Fahrbahnoberflächen vorgestellt.Der zur Datenaufnahme eingesetzte Laserscanner ist dabei nach unten gerichtet, um die Straßenoberfläche optimal erfassen zu können. Zur Bestimmung der Position des Lasers ist dieser mit einem GNSS-Empfänger, einem Inertialsystem (IMU) sowie einem Radsensor (wheel encoder) ausgestattet. Der Oberflächenscanner kann, wie in obiger Abbildung dargestellt, an üblichen Pkw, Pick-Ups oder Lkw angebracht werden.Die Datenaufnahme kann laut Herstellerangaben mit Fahrgeschwindigkeiten bis zu 80 km/h erfolgen. Die zu sanierende Straße wird Fahrspur für Fahrspur mehrmals – je nach Fahrgeschwindigkeit – abgefahren. Aus der entstandenen Punktwolke errechnet die Topcon- Software Mobile Master Office ein hochgenaues Abbild der bestehenden Fahrbahn.

Einsatz des mobilen Oberflächenscanners im Zuge der Straßensanierung.

Aufnahme des Ist-Zustandes

Die Aufnahme der vorhandenen und zu sanierenden Fahrbahnoberfläche stellt insbesondere bei stark befahrenen Straßen eine schwierige Aufgabe dar. Fehlende Sichtfelder und nicht mögliche Begehbarkeit der Fahrspuren aufgrund des fließenden Verkehrs machen den Einsatz konventioneller Vermessungsmethoden problematisch bis unmöglich. Neben der rein technischen Problematik ist eine Oberflächenaufnahme bei laufendem Verkehr auch aus Sicherheitsaspekten kritisch zu betrachten. Das Vermessungspersonal, muss in unmittelbarer Nähe zu fahrenden Fahrzeugen agieren.Zur Vermeidung der zuvor genannten Probleme muss bei der Datenaufnahme mit herkömmlichen Vermessungsmethoden eine Sperrung des jeweiligen Streckenabschnittes erfolgen. Solche Sperrungen – wenn auch nur kurzzeitig – sind je nach Bedeutung des Straßenabschnittes kaum zu realisieren und führen, sofern sie genehmigt werden, oft zu erheblichen Verkehrsstörungen. An dieser Stelle setzt die Datenaufnahme mit dem mobilen Oberflächenscanner an. Dank seiner bis zu 80 km/h hohen Aufnahmegeschwindigkeit kann im fließenden Verkehr "mitgeschwommen" werden – eine Verkehrsbeeinträchtigung oder gar eine Straßensperrung werden vermieden. Durch die automatisierte Datenaufnahme mittels Scanning wird zudem die Sicherheitsproblematik bei der Datenaufnahme während des laufenden Verkehrs gelöst. Ein Betreten der Fahrbahn mit Vermessungsgeräten ist durch das Scanning obsolet.

Überplanung und Optimierung

Im Zusammenhang mit der Aufnahme von Gelände- oder Oberflächendaten ist es weiterhin notwendig, sich mit der Genauigkeit der jeweiligen Verfahren zu beschäftigen. Konventionelle Herangehensweisen interpolieren zwischen den Einzelpunkten, Unebenheiten dazwischen gehen verloren. Allein die wesentliche größere Punktdichte im Vergleich zur Einzelpunktaufnahme bietet ein tatsächliches Abbild der vorhandenen Fahrbahn. Diese Genauigkeitssteigerung hat positive Auswirkungen auf alle folgenden Arbeitsschritte des Workflows.

Fräsen

Das digitale Modell des Bestandes sowie das Planungsmodell bilden die Grundlage für den Fräsvorgang. Dadurch, dass durch das Scannen bekannt ist, wie die Oberfläche genau beschaffen ist und diese Informationen an die Maschinensteuerung der Fräse weitergegeben werden, kann mit variablen Frästiefen gearbeitet werden. Dadurch kann das Fräsen effizienter (u. a. potenzielle Granulatersparnis) erfolgen. Die Fräsensteuerung erfolgt mittels Ultraschall-Sensoren (Sonic) für die Höhe, welche die vorhandene Fahrbahn abtasten und dadurch millimetergenau die Frästiefen berechnen. Die GNNS Antennen dienen zur Bestimmung der Position.

Erneutes Scannen

Dadurch, dass die Oberflächenaufnahme mittels des mobilen Oberflächenscanners ohne Straßensperrungen und in kurzer Zeit vonstattengeht, erfolgt in einem optimierten Workflow zur Straßenerneuerung vor den Asphalteinbauarbeiten eine erneute Aufnahme der gefrästen Oberfläche. Diese dient als Grundlage für den Asphalteinbau.

Asphalteinbau

Beim Asphalteinbau wird auf das gleiche Steuerprinzip zurückgegriffen, die Höhe wird mittels Ultraschallsensoren von der gefrästen Oberfläche abgetastet und die Position wird über zwei GNSS-Systeme erfasst. Die Einbaustärken werden dem gefrästen Untergrund angepasst und optimiert, um die Einhaltung der geforderten Einbaustärke zu gewährleisten. Beim Erstellen des digitalen Models wird in der Software automatisch ein einstellbarer Verdichtungsfaktor berücksichtigt, sodass nach dem Verdichten eine Oberfläche ohne Längsunebenheiten entsteht. Dies war bislang bei herkömmlichen Abtastsystemen durchaus ein Problem, da Längsunebenheiten möglicherweise nicht korrigiert, sondern nur verschleppt wurden.

Verdichtung

Durch den Einsatz von Walzensystemen, die miteinander "kommunizieren", werden unnötige Überfahrten vermieden. Mit der Dokumentation der flächendeckenden Verdichtungskontrolle (FdVk) in Echtzeit sieht jeder Walzenfahrer sofort auf einer Anzeige in der Maschine die Anzahl der bereits getätigten sowie noch erforderlichen Überfahrten des kompletten Walzenverbundes. Ebenfalls werden Temperatur und Steifigkeit angezeigt und dokumentiert.

Abnahme

Wie schon im Zuge der Datenaufnahme der zu erneuernden Fahrbahnoberfläche kann ein mobiler Oberflächenscanner auch bei den für die Abnahme notwendigen Messungen konventionelle Messverfahren ersetzen. Die Sperrzeit kann dadurch wiederum verringert werden. Zudem entsteht, wie zuvor beschrieben ein flächendeckendes Oberflächenmodell aus einer Vielzahl an aufgenommenen Punkten. Insbesondere zur Überprüfung der geforderten Ebenheit und zur Erstellung einer Bestandsdokumentation kann das daraus entstehende Modell verwendet werden.

Speziell für die Nutzung solcher moderner Technologien als Dokumentationsmittel für Abnahmezwecke müssen jedoch noch die in Deutschland vorherrschenden Regelwerke modifiziert und auf den aktuellen Stand der Technik gebracht werden (bspw. 4-m-Latte zur Bestimmung der Ebenheit).

Ganz im Sinne der immer mehr geforderten Betrachtung des gesamten Lebenszyklus' eines Bauwerkes kann das digitale Bestandsmodell für den Betrieb und die Instandhaltung der neuen Straßenoberfläche verwendet werden.

Fazit

Der Einsatz von mobilen Datenerfassungssystem wie Drohnen oder dem neu vorgestellten mobilen Straßenoberflächenscanner RD-M1 von Topcon bietet insbesondere bei großen Flächen und bei Maßnahmen im Bestand große Vorteile und wird mit Sicherheit in Zukunft eine gesteigerte Rolle einnehmen. Insbesondere der große Unterhaltungsstau auf deutschen Autobahnen, die während laufendem Verkehr möglichst schnell saniert werden müssen, macht den Einsatz von neuen Technologien erforderlich.

Die Aspekte:

1. Aufnahme der Punkte bei laufendem Verkehr
2. Optimierung des Fräsvorgangs und des Asphalteinbaus
3. Erstellung einer digitalen Bestandsdokumentation während des laufenden Verkehrs bringen sowohl für Auftragnehmer als auch für Auftraggeber große Vorteile mit sich.

Insbesondere deshalb kann mit einer zunehmenden Verbreitung solcher Systeme gerechnet werden. Letztlich kann auch hier ein Ansatz sein, dass Auftraggeber in Zukunft zur Vermeidung von Verkehrsbeeinträchtigungen den Einsatz von mobilen Oberflächenscannern bei besonders verkehrsbedeutenden Strecken vorschreiben.

Der Autor ist Ingenieur und Lehrbeauftragter für Baubetrieb und Bau-Projektmanagement an der Universität Siegen.