Metoda przekształcania odkształceń włókna optycznego Φ-OTDR na odkształcenia obudowy tunelu i jej zastosowanie w monitorowaniu bezpieczeństwa tuneli

Obserwacja „oddechu” tuneli

Współczesne tunele drogowe i kolejowe przechodzą pod górami, rzekami i zatłoczonymi miastami, gdzie ukryta pęknięcie lub powolna deformacja może szybko przekształcić się w katastrofę. Badanie to przedstawia sposób, by tunele „mówiły” inżynierom, jak się czują w czasie rzeczywistym, przekształcając długie odcinki włókna optycznego w ciągłe nerwy, które wyczuwają, jak obudowa tunelu się rozciąga i ściska. Praca wyjaśnia nie tylko, jak te włókna reagują na odkształcenia we wnętrzu betonu, ale także pokazuje, jak ich sygnały można zamienić w automatyczne ostrzeżenia bezpieczeństwa dla ekip budowlanych pod ziemią.

Od pojedynczych czujników do ciągłych nerwów

Tradycyjne monitorowanie tuneli opiera się na oddzielnych przyrządach przytwierdzonych do kluczowych punktów obudowy. Urządzenia te mogą być dokładne, ale mierzą tylko kilka punktów i często wymagają obecności ludzi na miejscu do odczytu i konserwacji. Rozproszone monitorowanie za pomocą włókna optycznego oferuje inną koncepcję: jeden kabel, przyklejony lub zalany w betonie, może mierzyć odkształcenie na całej swojej długości. Technologia zastosowana tutaj, zwana fazowo-czułą reflektometrią w dziedzinie czasu (Φ-OTDR), wysyła krótkie impulsy laserowe przez zwykły wyglądający kabel telekomunikacyjny i nasłuchuje drobnych ech rozproszonych od niejednorodności w szkle. Gdy obudowa tunelu się odkształca, te echa przesuwają się w sposób odsłaniający, o ile włókno zostało rozciągnięte lub ściśnięte w tysiącach miejsc.

Pozorny brak zgodności ruchu włókna i betonu

W rzeczywistych projektach tunelowych włókno optyczne nie może pozostać gołe. Musi być owinięte warstwami ochronnymi z tworzyw sztucznych i stali, aby przetrwać zginanie, wylewanie betonu i uszkodzenia podczas budowy. Te warstwy jednak sprawiają, że rdzeń szklany nie odkształca się dokładnie tak jak otaczający beton. Włókno jest też wrażliwe na powolne zmiany temperatury i długotrwały pełz materiałów, co powoduje stopniowy dryft w jego odczytach odkształceń nawet gdy konstrukcja spoczywa. Gdyby inżynierowie używali surowych sygnałów włókna bez korekty, źle oceniliby rzeczywiste obciążenie obudowy tunelu. Istotą tego artykułu jest metoda przekładu tego, co „czuje” chronione włókno, na rzeczywiste odkształcenie betonu otaczającego je.

Budowa i wyginanie modelowych belek

Aby odkryć ten przekład, zespół odlał trzy duże belki betonowe o tych samych rozmiarach i rozmieszczeniu zbrojenia co rzeczywista obudowa tunelu. Wnętrze belek wyposażono zarówno w opancerzony kabel optyczny, jak i konwencjonalne elektryczne tensometry w odpowiadających sobie miejscach. Następnie przeprowadzono dwa typy testów. W testach dynamicznych belki obciążano jak miniaturowy most, zwiększając siłę w kontrolowanym tempie i rejestrując odpowiedzi zarówno włókna, jak i tensometrów. W testach statycznych belki pozostawiono bez obciążenia przez ponad pół godziny, aby zaobserwować, jak odkształcenie włókna pełznie w czasie pod wpływem własnych materiałów i otoczenia. Dane wykazały, że zarówno odkształcenie konstrukcyjne, jak i odkształcenie włókna rosły w przybliżeniu liniowo z obciążeniem i upływem czasu, lecz w różnych współczynnikach.

Przekształcanie odczytów włókna na odkształcenia konstrukcyjne

Poprzez staranne dopasowanie równań liniowych do wyników testów autorzy rozdzielili reakcję włókna na dwie składowe: jedną wynikającą z rzeczywistego zginania betonu i drugą z powolnego narastania pod wpływem czynników środowiskowych. Wyprowadzili następnie prosty wzór, który przekształca odczyty włókna w odkształcenie mierzone przez zwykły czujnik strukturalny, odejmując jednocześnie dryft zależny od czasu. Średnio odkształcenie betonu wynosi około 1,26 razy odkształcenie włókna, pomniejszone o niewielki składnik rosnący wraz z czasem monitorowania. Gdy tę konwersję zastosowano w rzeczywistym tunelu drogowym w Syczuanie w Chinach, przetłumaczone wyniki włókna ściśle zgadzały się z danymi z wysokiej klasy tensometrów drgających zamontowanych w tych samych miejscach, mieszcząc się w granicach około 5% różnicy.

Od surowych danych do automatycznych ostrzeżeń

Mając pewność, że odczyty włókna rzeczywiście odzwierciedlają zachowanie tunelu, badacze poszli o krok dalej i zbudowali wokół nich cyfrową platformę bezpieczeństwa. W tunelu demonstracyjnym kable ułożono w kształcie litery U wzdłuż sklepienia, ścian i dolnych partii, i podłączono do jednostki centralnej, która zbierała dane co minutę. Oprogramowanie wewnątrz platformy przekształcało odkształcenie na naprężenie, obliczało, jakie osie ściskania i momenty zginające przenosi obudowa, a następnie oceniano współczynnik bezpieczeństwa na podstawie chińskich norm projektowania tuneli i betonu. Te wartości porównywano z uprzednio ustalonymi progami. Jeśli którykolwiek odcinek zbliżał się do niebezpiecznych poziomów, system miał wyzwalać alarmy w centrum monitoringu i wysyłać ostrzeżenia bezpośrednio na telefony pracowników, czyniąc włókno kręgosłupem sieci wczesnego ostrzegania w czasie rzeczywistym.

Podnoszenie bezpieczeństwa prac pod ziemią

Dla osób niebędących specjalistami kluczowy wniosek jest taki, że pojedynczy, wytrzymały kabel optyczny może teraz pełnić rolę ciągłego monitora stanu tunelu, pod warunkiem że jego odczyty zostaną poprawnie przetłumaczone. Badanie pokazuje, jak ustalić ten przekład poprzez kontrolowane testy laboratoryjne i potwierdza go w rzeczywistym projekcie budowlanym. Łącząc skalibrowane pomiary włókna z automatyczną analizą i jasnymi progami bezpieczeństwa, operatorzy tuneli zyskują sposób na obserwację całej obudowy, jak „oddycha” wraz ze zmianami obciążeń, oraz na wykrywanie problemów zanim pojawią się pęknięcia lub zawalenia. Podejście to wskazuje na przyszłość, w której podziemne budownictwo i eksploatacja będą chronione przez nerwowe systemy światła, cicho śledzące bezpieczeństwo konstrukcji, których większość z nas nigdy nie zobaczy.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: bezpieczeństwo tuneli, monitorowanie za pomocą światłowodów, monitoring stanu konstrukcji, pomiar odkształceń, systemy wczesnego ostrzegania