طريقة تحويل إجهاد الألياف البصرية Φ-OTDR وإجهاد بطانة النفق وتطبيقها في مراقبة سلامة الأنفاق

مراقبة «تنفس» الأنفاق

تمر أنفاق الطرق والسكك الحديثة تحت الجبال والأنهار والمدن المزدحمة، حيث يمكن أن يتحول شق خفي أو تشوه بطيء بسرعة إلى كارثة. تقدم هذه الدراسة طريقة لتمكين الأنفاق من «إخبار» المهندسين بحالتها في الوقت الفعلي، عبر تحويل خيوط طويلة من الألياف البصرية إلى أعصاب مستمرة تحس مدى تمدد وضغط بطانة النفق. لا تشرح العمل كيف تتفاعل هذه الألياف مع الإجهاد داخل الخرسانة فحسب، بل يوضح أيضاً كيف يمكن تحويل إشاراتها إلى تحذيرات أمان تلقائية لفرق البناء العاملة تحت الأرض.

من حسّاسات منفصلة إلى أعصاب متصلة

تعتمد مراقبة الأنفاق التقليدية على أجهزة منفصلة ملحومة في مواقع رئيسية من البطانة. قد تكون هذه الأجهزة دقيقة، لكنها تقيس نقاطاً قليلة وغالباً ما تتطلب وجود أشخاص في الموقع لقراءتها وصيانتها. يقدم الاستشعار الموزع بالألياف البصرية نهجاً مختلفاً: كابل واحد، ملصوق أو مصبوب داخل الخرسانة، يمكنه قياس الإجهاد على طول كامل طوله. التكنولوجيا المستخدمة هنا، المسماة قياس الزمكان البصري الحساس للطور (phase-sensitive OTDR)، ترسل نبضات ليزر قصيرة داخل كابل يبدو عادياً للاتصالات وتستمع إلى الصدى الضعيف المتشتت عن عيوب في الزجاج. عندما تتشوه بطانة النفق، تتحول تلك الأصداء بطريقة تكشف عن مقدار شد أو انضغاط الألياف في آلاف المواضع.

لماذا لا تتحرك الألياف والخرسانة معاً

في مشروعات الأنفاق الحقيقية لا يمكن ترك الألياف عارية. يجب أن تُغلف بطبقات حماية من البلاستيك والصلب كي تتحمل الانحناء وصب الخرسانة والصدمات أثناء البناء. تعني هذه الطبقات أن قلب الزجاج لا يتشوه بالضبط كما تفعل الخرسانة المحيطة. الألياف حسّاسة أيضاً للتغيرات البطيئة في درجة الحرارة ولزحف طويل المدى، ما يسبب انجرافاً تدريجياً في قراءات الإجهاد حتى عندما يكون البناء في حالة سكون. لو اعتمد المهندسون على إشارات الألياف الخام مباشرة، لساءلوا تقدير مدى الإجهاد الفعلي الواقع على البطانة. وجوهر هذه الورقة هو طريقة لترجمة ما «تشعر» به الألياف المحمية إلى الإجهاد الحقيقي لخرسانة النفق المحيطة بها.

بناء وانحناء أنفاق نموذجية

لاستنباط هذه الترجمة، صب الفريق ثلاثة ألواح خرسانية كبيرة بنفس أبعاد ونمط التسليح الفعلي كبطانة نفق حقيقية. داخل الألواح ركبوا كل من كابل الألياف المدرع ومقاييس إجهاد كهربائية تقليدية في مواضع مطابقة. ثم أجروا نوعين من الاختبار. في الاختبارات الديناميكية، تم تحميل الألواح كجسر مصغر، بزيادة القوة بوتيرة محكومة أثناء تسجيل كيفية استجابة كل من الألياف والمقاييس. في الاختبارات الساكنة، تُركت الألواح دون تحميل لأكثر من نصف ساعة لملاحظة كيف يزحف إجهاد الألياف مع الزمن تحت تأثير موادها والبيئة. أظهرت البيانات أن كل من إجهاد الهيكل وإجهاد الألياف يزيدان تقريباً بخط مستقيم مع الحمل والزمن، لكن بمعدلات مختلفة.

تحويل قراءات الألياف إلى إجهاد هيكلي

من خلال ملاءمة معادلات خطية بدقة على نتائج الاختبارات، فصّل المؤلفون استجابة الألياف إلى جزأين: جزء ناتج عن انحناء الخرسانة الفعلي، وجزء ناتج عن تراكم بطيء من التأثيرات البيئية. ثم اشتقوا معادلة بسيطة تحول قراءات الألياف إلى الإجهاد الذي سيقيسه حساس هيكلي عادي، مع خصم الانجراف الزمني. في المتوسط، يساوي إجهاد الخرسانة نحو 1.26 ضعف إجهاد الألياف، ناقص حد صغير ينمو مع زمن المراقبة. عندما طُبِّق هذا التحويل في نفق طريق فعلي في سيتشوان، الصين، طابقت نتائج الألياف المترجمة عن كثب قراءات مقاييس الأسلاك المهتزة عالية الجودة المركبة في نفس المواضع، وبقرب نحو 5% من بعضها البعض.

من البيانات الخام إلى التحذيرات التلقائية

بثقة أن قراءات الألياف تمثل فعلاً سلوك النفق، تقدم الباحثون خطوة أبعد وبنوا منصة رقمية للسلامة حولها. في نفق تجريبي، وُضعت الكابلات في نمط على شكل حرف U على طول القبة والجدران والمناطق الجانبية السفلى، وربطت بوحدة مركزية جمعت البيانات كل دقيقة. حولت برامج داخل المنصة الإجهاد إلى إجهاد مقطعي، حسبت مقدار القوة المحورية وعزم الانحناء الذي تتحمله البطانة، ثم قيّمت عامل أمان استناداً إلى قوانين تصميم الأنفاق والخرسانة الصينية. قورنت هذه القيم مع حدود مُعدة مسبقاً. إذا اقترب أي قسم من مستويات غير آمنة، صُمم النظام لإطلاق إنذارات في غرفة المراقبة وإرسال رسائل تحذيرية مباشرة إلى هواتف العمال، محوّلاً الألياف إلى العمود الفقري لشبكة إنذار مبكر في الوقت الفعلي.

جعل العمل تحت الأرض أكثر أماناً

لغير المتخصصين، النتيجة الأساسية هي أن كابلاً بصرياً واحداً ومتيناً يمكنه الآن أن يعمل كمراقب صحي مستمر لنفق، بشرط أن تُترجم قراءاته بشكل صحيح. توضح هذه الدراسة كيفية تأسيس تلك الترجمة من خلال اختبارات مخبرية محكومة وتؤكدها في مشروع إنشائي حقيقي. من خلال دمج قياسات الألياف المعايرة مع تحليل تلقائي وحدود أمان واضحة، يحصل مشغلو الأنفاق على وسيلة لمراقبة «تنفس» البطانة بأكملها مع تغير الأحمال، وللكشف عن المشاكل قبل حدوث الشقوق أو الانهيارات. يشير النهج إلى مستقبل تحرس فيه أنظمة عصبية من الضوء الإنشاءات تحت الأرض والتشغيل، متتبعة بهدوء سلامة هياكل لن يراها معظمنا أبداً.

الاستشهاد: Cao, K., Xie, Z., Zhou, F. et al. Transformation method of Φ-OTDR optical fiber strain and tunnel liner strain and its application in tunnel safety monitoring. Sci Rep 16, 13842 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43749-5

الكلمات المفتاحية: سلامة الأنفاق, استشعار بالألياف البصرية, مراقبة صحة الهيكل, قياس الإجهاد, أنظمة الإنذار المبكر