Transformationsmetod för Φ‑OTDR optisk fiber‑deformation och tunnelbeklädnadsdeformation och dess tillämpning i tunnelsäkerhetsövervakning

Att iaktta tunnlarna andas

Moderna väg‑ och järnvägstunnlar löper under berg, floder och tätt bebyggda städer, där en dold spricka eller långsam deformation snabbt kan bli katastrofal. Denna studie presenterar ett sätt att låta tunnlar ”berätta” för ingenjörer hur de mår i realtid, genom att förvandla långa optiska fibrer till kontinuerliga nerver som känner hur tunnelbeklädnaden töjs och trycks ihop. Arbetet förklarar inte bara hur dessa fibrer reagerar på deformation i betong, utan visar också hur deras signaler kan omvandlas till automatiska säkerhetsvarningar för personal i tunneln.

Från enskilda sensorer till kontinuerliga nerver

Traditionell tunnelövervakning bygger på separata instrument som bultas fast på viktiga punkter i beklädnaden. Dessa enheter kan vara exakta, men de mäter bara några få punkter och kräver ofta personal på plats för avläsning och underhåll. Distribuerad optisk fiberavkänning erbjuder en annan strategi: en kabel, limmad eller ingjuten i betongen, kan mäta deformation längs hela sin längd. Tekniken som används här, så kallad fas‑känslig optisk tidsdomänsreflektometri (Φ‑OTDR), skickar korta laserpulser ner i en vanlig telekomkabel och lyssnar på de små eko‑signalernas spridning från oregelbundenheter i glaset. När tunnelbeklädnaden deformeras skiftar dessa eko‑signaler på ett sätt som avslöjar hur mycket fibern har sträckts eller pressats ihop på tusentals platser.

Varför fiber och betong inte rör sig likadant

I verkliga tunnelsprojekt kan inte den optiska fibern lämnas bar. Den måste vara omsluten av skyddande lager av plast och stål för att klara böjning, betonggjutning och byggnadsstötar. Dessa lager innebär dock att glaskärnan inte deformeras exakt som den omgivande betongen. Fibern är också känslig för långsamma temperaturförändringar och för tidsberoende krypning, vilket orsakar en gradvis drift i dess deformationsmätningar även när konstruktionen vilar. Om ingenjörer använde de råa fibersignalerna direkt skulle de felbedöma hur belastad tunnelbeklädnaden verkligen är. Kärnan i denna artikel är en metod för att översätta vad den skyddade fibern ”känner” till den verkliga deformationen i betongen runtomkring.

Bygga och böja modelltunnlar

För att kartlägga denna översättning gjöt forskarna tre stora betongbalkar med samma dimensioner och armeringsmönster som en riktig tunnelbeklädnad. Inuti balkarna installerades både den pansrade optiska kabeln och konventionella elektriska töjningsgivare på matchande platser. Därefter genomfördes två typer av tester. I de dynamiska testerna belastades balkarna som en miniatyrbro, där kraften ökades i kontrollerad takt medan både fiberns och givarnas svar registrerades. I de statiska testerna lämnades balkarna obelastade i över en halvtimme för att observera hur fiberdeformationen krypte över tid under påverkan av sina egna material och omgivningen. Data visade att både strukturell deformation och fiberdeformation ökade nästan linjärt med last och tid, men i olika takt.

Omvandla fibersignaler till strukturell deformation

Genom att noggrant passa rätlinjiga samband till testresultaten separerade författarna fiberns respons i två delar: en orsakad av den faktiska böjningen av betongen och en orsakad av långsam ackumulering från miljöeffekter. De härledde sedan en enkel formel som omvandlar fibermätningar till den deformation som en vanlig struktursensor skulle registrera, samtidigt som den tidsberoende driften subtraheras. I genomsnitt motsvarar betongens deformation ungefär 1,26 gånger fiberdeformationen, minus en liten term som växer med övervakningstiden. När denna omräkning tillämpades i en verklig motorvägstunnel i Sichuan, Kina, överensstämde de översatta fibermätningarna väl med de från högklassiga vibrerande trådgivare som installerats på samma platser, inom ungefär 5 % av varandra.

Från rådata till automatiska varningar

Med förtroende för att fibermätningarna faktiskt representerar tunnelförloppet tog forskarna nästa steg och byggde en digital säkerhetsplattform runt dem. I en demonstrations­tunnel lades kablar i ett U‑format mönster längs valvet, väggarna och de nedre sidoregionerna, och kopplades till en central enhet som samlade in data varje minut. Programvaran i plattformen omvandlade deformation till spänning, beräknade hur stora axiella krafter och böjmoment beklädnaden bar, och utvärderade sedan en säkerhetsfaktor baserad på kinesiska tunnel‑ och betongdesignkoder. Dessa värden jämfördes mot förinställda gränsvärden. Om någon sektion närmade sig osäkra nivåer var systemet utformat för att utlösa alarm i övervakningsrummet och skicka varningsmeddelanden direkt till arbetarnas telefoner, vilket förvandlade fibern till ryggraden i ett realtidsvarningsnätverk.

Göra arbete under jorden säkrare

För icke‑specialister är huvudresultatet att en enda, robust optisk kabel nu kan fungera som en kontinuerlig hälsomonitor för en tunnel, förutsatt att dess avläsningar översätts korrekt. Denna studie visar hur man etablerar den översättningen genom kontrollerade laboratorietester och bekräftar den i ett verkligt byggprojekt. Genom att kombinera kalibrerade fibermätningar med automatisk analys och tydliga säkerhetströsklar får tunneloperatörer ett sätt att se hela beklädnaden ”andas” när laster förändras, och att upptäcka problem innan sprickor eller kollaps uppstår. Tillvägagångssättet pekar mot en framtid där underjordisk byggnation och drift skyddas av ljusets nervsystem, som tyst följer säkerheten hos strukturer som de flesta av oss aldrig ser.

Citering: 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

Nyckelord: tunnelsäkerhet, optisk fiberavkänning, strukturhälsomonitorering, deformationsmätning, varningssystem