Tunnel-Monitoring mit optischen Sensoren

Sie sind Herzstücke unserer Infrastruktur – in großen Städten, im Gebirge, unter Wasser: Tunnel schaffen Verbindungen, verkürzen Wege. Aber wie sicher sind sie?

Moderne Monitoring-Systeme ermöglichen es heute, den Zustand von Tunneln zuverlässig zu überwachen. Eine wichtige Rolle spielt dabei die Faser-Bragg-Technologie.

Mechanische Deformationen in einem Tunnel können eine große Gefahr darstellen. Gerade bei Baumaßnahmen am Tunnel selbst oder in der näheren Umgebung ist es daher von erheblicher Bedeutung, schnell und zuverlässig die Stabilität des Bauwerks prüfen zu können. Bei der Auswahl der Sensortechnologie für das Tunnel-Monitoring stellen sich einige Herausforderungen, die beachtet werden müssen:

  • Können mir die Sensoren über die eingesetzte Zeit – sowohl kurzfristig als auch langfristig über Jahre hinweg – sicher und zuverlässig die benötigten Signale liefern?
  • Üblicherweise ist im Tunnel mit langen Kabellängen zu rechnen. Daher muss die Qualität des Messsignals auch über lange Strecken hinweg gewährleistet sein.
  • Kann das Monitoring-System möglichst ohne Störung des laufenden Betriebs eingebaut werden?
  • Und natürlich die grundlegende Frage: Welche Messgrößen und dahinterstehenden Modelle eignen sich, um zum Beispiel im Falle eines Problems Alarm auszulösen?

Für alle genannten Punkte hat sich in den vergangenen Jahren die optische Sensortechnik –  basierend auf der Faser-Bragg-Technologie – als leistungsstarke Alternative zu bestehenden Monitoring-Systemen entwickelt.

Faser-Bragg-Technologie als optimale Lösung

Faser-Bragg-Sensoren messen physikalische Größen – wie zum Beispiel Dehnung – mit Licht. Neben ihrer außerordentlichen Langzeit-Stabilität punktet die Technologie im Tunnel-Monitoring mit einem weiteren großen Vorteil: Sie kann Messwerte über lange Kabellängen hinweg nahezu ohne Qualitätsverlust übermitteln. Zudem können in einem Lichtwellenleiter mehrere Faser-Bragg-Sensoren untergebracht werden, was den Aufwand bei der Einrichtung des Monitoring-Systems auf ein Minimum reduziert. Das ist gerade bei der Überwachung von Tunneln, die zum Teil viele Kilometer lang sind, ein entscheidender Aspekt.

Mit dem speziellen Lösungspaket „SysTunnel“ von HBM FiberSensing können Anwender die Vorzüge der Faser-Bragg-Sensoren im Tunnel-Monitoring voll ausschöpfen.

SysTunnel-Komponenten

SysTunnel besteht aus den folgenden Komponenten:

  1. Sensoren zur Messung der Messgrößen Dehnung und Temperatur, angeordnet an einem abgerundeten Stahlstück. Diese „Sensorringe“ können in verschiedenen Abschnitten des Tunnels eingesetzt werden und sind mit Lichtwellenkabeln miteinander verbunden.
  2. Interrogatoren zur Verarbeitung der Lichtsignale
  3. Passende Software zur Verarbeitung der Messdaten
Typischer Aufbau des SysTunnel-Systems
Platzierung der Sensoren
Anschweißbarer optischer Dehnungssensor

MEMCOT-Methode zur sicheren Bestimmung geometrischer Verformungen

Bei der Messung und Berechnung der Daten setzt SysTunnel dabei auf die MEMCOT-Methode. MEMCOT steht für Extensometric Method for Monitoring Convergences in Tunnels.

Die Methode – ursprünglich aus der Materialtheorie stammend –  besteht darin, dass Wege und Verschiebungen im Tunnel kontinuierlich überprüft werden. Dies erfolgt über Messungen von Deformationen an der Kontur des Tunnels, sowie in deren Transformation über die Zeit hinweg. Das mathematische Modell erlaubt es, die im Tunnel-Monitoring wichtigen radialen Versätze und Bewegungen auf Basis der axialen Dehnungsmessungen zu modellieren.

Dieser Ansatz bietet zahlreiche Vorteile in der Anwendung: Da MEMCOT absolute Bewegungen an jedem Messpunkt erfasst, können geometrische Änderungen an jeder Sektionsform ermittelt werden. Dies steht im Unterschied zu anderen Monitoring-Methoden, die von der (nicht immer stimmigen) Annahme ausgehen, dass die Bewegungen im Tunnel symmetrisch sind. Außerdem ist der Anwender mit SysTunnel in der Lage, die genaue Form der Deformation zu ermitteln, was herkömmliche Monitoringsysteme ebenfalls nicht leisten können.

Die Sensoren...
...werden im Tunnel angebracht.

Faser-Bragg-Sensoren im Tunnel: Vorteile im Einsatz

SysTunnel eignet sich sowohl für das Langzeit-Monitoring als auch für kürzere Messzyklen. Das System kann – wie etwa die Fallbeispiele Rossio-Tunnel und der Metrotunnel in São Paulo zeigen – auch im laufenden Betrieb eingesetzt werden.

Für den Anwender wichtig: Einmal installiert ist SysTunnel als zuverlässiges Überwachungssystem ständig im Einsatz. Das heißt, dass nicht „nur“ Messdaten zuverlässig und über lange Zeiträume erfasst werden. Auch automatisierte Alarme bei schwerwiegenden Änderungen in der Tunnelgeometrie können eingerichtet werden.

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Weitere Informationen finden Sie in unserer Application Note (auf Englisch): Optical Monitoring System for Strain and Convergence Measurement (PDF).

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