Monitoring deformácií tunelov v reálnom čase s využitím FBG optovláknových senzorických systémov

Monitorované tunelové systémy, ktorým sa venujeme v tomto článku, sú neprestajne vystavované rôznym typom napätostí, okrem iného aj z dôvodov nových podzemných výkopových prác a prítomnosti raziacich strojov. Z toho vyplýva nevyhnutnosť nasadenia spoľahlivého automatizovaného systému monitoringu deformácií tvaru.

V súčasnosti výrazne narastá aj požiadavka na imunitu proti elektromagnetickému rušeniu, ktoré často spôsobuje zlyhávanie tradičných elektrických senzorických systémov. Našim cieľom je preto predstaviť optovláknový monitorovací systém, vyvinutý špeciálne na uvedené účely, ktorý v sebe spája výhody technológie FBG optického vlákna ako ľahkú a rýchlu montáž, multiplexing senzorov (v rámci každého kanála), prirodzenú bezpečnosť systému vo výbušnom prostredí, elektromagnetickú odolnosť a ďalšie.

Prezentovaný monitorovací systém možno navyše rýchlo a jednoducho premiestniť, čím sa umožňuje jeho viacnásobné využitie.

Článok opisuje na mieru šitý dizajn senzorov, spôsob ich inštalácie, zberu a zobrazovania meraných údajov a odhaľuje tak nové trendy monitoringu tunelových stavieb.

Dôvody monitorovania v geotechnike

Geotechnické stavby v sebe vždy nesú určité riziká a prekvapenia, ktoré sú dôsledkom práce s materiálmi vytvorenými prírodou (napr. pôda alebo hornina). Nemožnosť presne stanoviť vlastnosti a stav prírodných materiálov pomocou prieskumu či pozorovania vyúsťuje do predpokladov v dizajne stavby, ktoré nemusia odrážať skutočnosť. V priamej korelácii s týmito predpokladmi idú aj rozhodnutia o voľbe vybavenia a materiálov danej stavby. Kvantitatívne merania získané prostredníctvom inštrumentácie sú v súčasnosti kritické pri všetkých geotechnických stavbách, keďže pomáhajú navrhovať projekt, ktorý bude bezpečný a efektívny z pohľadu stavebnej realizácie.

Dá sa povedať, že zámerom použitia geotechnickej inštrumentácie nie je len monitorovanie bezpečnosti stavby, ale aj určenie východiskových podmienok objektu. Bez ohľadu na to, či hovoríme o monitoringu podzemných vôd, napätosti skalného masívu alebo stabilizačných múrov, si všetky riešenia vyžadujú individuálne posúdenie a voľbu inštrumentácie s cieľom získať odpovede na určité otázky.

V rámci geotechnických snímačov existujú dve hlavné kategórie. Do prvej spadajú snímače inštalované s cieľom zistiť hrúbku a priepustnosť pôdy a horniny, ktoré sa využívajú pred realizáciou stavby. Druhá kategória pozostáva zo snímačov určených na monitoring aktuálnej kondície stavby počas jej existencie alebo po jej ukončení a môže zahŕňať parametre ako napätosť, tenzia, deformácia, záťaž alebo tlak.

Použitie inštrumentácie pritom nepredstavuje len obyčajnú voľbu jednotlivých snímačov, ale komplexný proces, ktorý sa začína opísaním problematiky a končí úspešnou implementáciou riešenia. Pri oboch kategóriách je k dispozícii rozsiahla množina meracích systémov, ktoré využívajú rôzne technologické koncepty. Medzi nimi vyniká geotechnická inštrumentácia založená na vláknovej FBG mriežke so svojimi nespochybniteľnými fyzikálnymi vlastnosťami, ktoré umožnili jej nasadenie aj pri aplikáciách, kde to predtým nebolo možné.

Monitorovanie tunelov a kanalizácií použitím FBG technológie

V roku 2016 bol Sylex oslovený s požiadavkou vyvinúť systém včasného varovania a monitorovania deformácií kanalizácie v Londýne, ktorá je súčasťou väčšieho projektu Crossrail s názvom Tideway. Predmetná kanalizácia, ktorá predstavuje vlastne tunelovú stavbu umiestnenú pod oblasťou Thames Bank, mala byť vybavená geotechnickými nástrojmi monitorovania s cieľom umožniť inžinierom s použitím vhodného modelu a nameraných údajov vyhodnocovať aktuálny stav štruktúry stien počas výkopových a podzemných vŕtacích prác. Kanalizácia pochádzala z 19. storočia, kedy na rozdiel od súčasnosti nemal nikto z inžinierov kanalizácie formálne školenia z mechaniky pôdy a hornín.

Dôvodom na inštalovanie monitorovacieho systému do existujúcej kanalizácie bolo zaistenie bezpečnosti infraštruktúry, keďže neočakávaný posun pôdy by mal katastrofálne následky. Vzhľadom na to, že okolité podzemné výkopové práce sa mali realizovať s minimálnymi nákladmi a nenáročnými spôsobmi podopierania, očakávané posuny pôdy a tenzie podpier mali zaťažovať steny predmetnej kanalizácie.

Snímače založené na FBG technológii sú prirodzene bezpečné a vyhovujú do výbušného prostredia (ATEX), čím spĺňajú požiadavky inštalácie do kanalizácie bez potrebných úprav návrhu riešenia alebo dodatočnej certifikácie. Medzi požiadavky na nový monitorovací systém, ktoré definovala spoločnosť realizujúca geologický monitoring výstavby, spadali jednoduchá inštalácia a modulárny koncept, certifikovaný ATEX, bezúdržbovosť a vhodnosť do náročných podmienok (vysoká vlhkosť, korozívne prostredie a ponáranie do splaškov). Cieľom nebolo vyvinúť zložitý systém monitorovania stálosti tvaru, čo nebýva ekonomické riešenie, ale praktický nástroj na získavanie údajov o záťaži stien kanalizácie vplyvom pohybu pôdy ako indikácie na ďalšie skúmanie.

Po zvážení všetkých predpokladov sa vyvinul špeciálny snímač deformácie kanalizačného tunela pod názvom SDS-01 (obr. 1). Dizajn snímača a škálovateľnosť systému umožňuje jeho uplatnenie pri rôznych tvaroch a priemeroch tunelov alebo kanalizácií. Telo snímača pozostáva z vysoko kvalitnej nehrdzavejúcej ocele a tvorí pevnú konštrukciu, pričom poskytuje aj potrebnú mechanickú a chemickú odolnosť. Na zvýšenie chemickej odolnosti sa zvolil chemicky odolný silikón, ktorý chráni samotnú oblasť FBG vlákna.

SDS-01, navrhnutý v dvoch dĺžkach, môže byť vybavený vlastnou teplotnou kompenzáciou, ktorá poskytuje potrebné informácie o zmene teploty a umožňuje geotechnickému inžinierovi kompenzovať všetky teplotné efekty. Súhrn parametrov snímača je v tab. 1. Geotechnická analýza označila na meranie päť obvodových sekcií, pričom v každej sekcii sa stanovilo sedem alebo osem meraných segmentov (jednotlivých snímačov SDS-01).

Podzemné inštalácie monitorovacích systémov sú osobité vzhľadom na časové obmedzenia prístupnosti na miesta inštalácie a ani prípad londýnskej kanalizácie nebol výnimkou (obr. 2).

Jednou z najväčších výziev pri navrhovaní snímača bola rýchla, jednoduchá „plug and play“ inštalácia, ktorá si vyžadovala úzku spoluprácu inžinierov všetkých zúčastnených strán. Snímač SDS-01 má jedinečný chrbticový dizajn, ktorý umožňuje prispôsobiť sa tvaru tunelov a kanalizácií s rôznymi priemermi a zároveň sa inštaluje jednoduchým systémom upevnenia – priskrutkovaním.

Montáž takéhoto systému je preto veľmi rýchla a nevyžaduje si žiadne špeciálne nástroje alebo úkony okrem jednoduchého vŕtania. Jednotlivé segmenty (snímače) v rámci každého prstenca sú vzájomne spojené špeciálnym adaptérom s polyamidovým krytovaním prepojovacích konektorov, takže tvoria jednotnú líniu senzorov s jedným prepojovacím káblom.

Prepojovacie káble vychádzajúce z každého prstenca sa zbiehajú v ústredných bodoch a pripájajú sa k hlavnému distribučnému optickému káblu s vonkajším priemerom 6,7 mm s obsahom 24 vlákien. Tento distribučný kábel prechádza cez 120 metrov kanalizačného tunela k interogátoru – zariadeniu na záznam meraných údajov (obr. 4).

Záznam údajov z meracieho zariadenia poskytuje priebežné meranie a zabezpečuje údaje o štruktúre a zmenách napätosti stien kanalizačného tunela vzdialenému serveru na online vizualizáciu (obr. 4).

Údaje na grafe na obr. 4 ukazujú porovnanie FBG merania (horné krivky) a merania snímačom Shape Array (SAA). SAA tvorí rad pevných segmentov oddelených spojmi, ktoré sú flexibilné vo všetkých smeroch, no nedajú sa prekrúcať, a funguje na princípe MEMS gravitačných snímačov, ktoré merajú náklon v dvoch smeroch. To je častá metóda geotechnického monitoringu, pričom bolo pre nás potešením sledovať vysokú koreláciu údajov získaných obidvomi technológiami, inštalovanými v rovnakom čase jedna vedľa druhej. Peak viditeľný v strede grafu na FBG krivke a pokles krivky SAA v rovnakom čase bol spôsobený prechodom raziaceho stroja v blízkosti kanalizačného tunela, čo je výborný dôkaz vhodnosti FBG technológie na projekty monitorovania tunelov.

Monitorovací systém funguje nepretržite od inštalácie a vlastníkovi stavby poskytuje hodnotné údaje. Od čias realizácie tohto projektu sa takýto systém monitorovania deformácií na báze FBG realizoval (a plánuje realizovať) vo viacerých prípadoch vrátane kanalizačného tunela vo Francúzsku, metra v Malajzii alebo testovacieho železničného tunela v Rakúsku. Flexibilita architektúry systému umožňuje obvodové aj pozdĺžne merania, ako aj jednoduchú montáž a spustenie aj pri skombinovaní oboch meraní do jedného.

Možná je aj priebežná škálovateľnosť systému alebo jeho demontáž a opakovaná montáž v ďalších častiach tunela. Po malej úprave možno systém striekať alebo zalievať betónom (obr. 5), čím sa stáva použiteľný nielen pri novostavbách tunelov, ale aj pri retrofitných inštaláciách. Na reálnych príkladoch sme predviedli, ako FBG technológia poskytuje kvalitné údaje o meraniach a ponúka spoľahlivú a cenovo dostupnú indikáciu včasného varovania kritických zmien v tunelových stavbách.

Optovláknová technológia Braggovej mriežky

Senzorické systémy založené na technológii vláknovej Braggovej mriežky (FBG) sa v súčasnosti stále viac využívajú pri monitoringu štrukturálnej bezpečnosti konštrukcií, pričom v porovnaní so zaužívanými elektrickými senzormi prinášajú mnoho výhod. Optovláknový snímač predstavuje (elektricky) pasívnu súčasť senzorickej siete, vďaka čomu ho na rozdiel od elektrického snímača možno použiť aj vo výbušnom prostredí.

Ak porovnávame základný princíp obidvoch technológií, vychádza, že zatiaľ čo bežné elektrické snímače fungujú vďaka elektrickému prúdu, optovláknový snímač využíva na prenos signálu svetlo, vďaka čomu je odolný proti elektrostatickým a elektromagnetickým rušeniam. Spomedzi ďalších výhod treba uviesť skĺbenie optovláknovej technológie pre dátový prenos a technológie FBG pri výrobe snímacieho prvku, čím sa dosahuje schopnosť prenosu signálu na dlhé vzdialenosti bez nevyhnutnosti použiť zosilňovač.

Záver

Na zrealizovaných a pripravovaných projektoch v Londýne, Paríži, Hamburgu, Herzbergu či v Kuala Lumpur, opísaných v tomto článku, sme preukázali schopnosti FBG technológie dodávať kvalitné údaje o meraniach a ponúkať spoľahlivú a cenovo dostupnú indikáciu včasného varovania kritických zmien v tunelových stavbách, ktoré sú bežne vystavované rôznym typom napätostí, okrem iného aj z dôvodov nových podzemných výkopových prác a prítomnosti raziacich strojov.

Z toho vyplýva nevyhnutnosť nasadenia spoľahlivého automatizovaného systému monitoringu deformácií tvaru, čím sa zabezpečí štrukturálna celistvosť daného diela.