3D-voegmeters kleiner en slimmer

De Vollenhoventunnel in de A28 bij Zeist, de Kiltunnel onder de Dordtsche Kil en de Vlaketunnel in de A58 in Zeeland hebben ze inmiddels: 3D-voegsensoren. Een klein kastje over de voeg, dat met uiterste precisie bewegingen tussen de tunnelelementen monitort. Reinier Brongers van StabiAlert geeft samen met Arie Bras, die net is afgezwaaid als directeur van de Kiltunnel, uitleg over de techniek erachter.

Tunnels vertonen onder invloed van bijvoorbeeld het getij of de buitentemperatuur cyclische dagelijkse vervormingen. “In het verleden zagen we dat tunnels één keer per jaar werden gemeten”, vertelt Reinier Brongers, ooit tweede stuurman op de grote vaart, vandaag de dag CEO bij StabiAlert. “De ene keer werd gemeten in de winter, de andere keer bij mooi weer in de zomer. Dat zijn momentopnames, die geven onbetrouwbare informatie over de doorgaande dagelijkse bewegingen van een tunnel. Inmiddels wordt op veel plekken het hele jaar door gemeten. Die gegevens kun je relateren aan bijvoorbeeld temperatuur of waterstanden en dan zie je dat tunnels bewegen op het ritme van de seizoenen. Door die constante monitoring begrijp je veel beter wat er met een tunnel gebeurt. Uit de data kun je afleiden of afwijkingen worden veroorzaakt door de seizoenen of dat er iets anders aan de hand is, waardoor mogelijk schade aan de constructie kan ontstaan. Als tunnels bijvoorbeeld te veel zakken, kunnen ze gaan deformeren, ook rond de voegen. Daar is wel wat ruimte voor, maar op een bepaald moment kunnen de krachten te groot worden, waardoor in ernstige gevallen bijvoorbeeld scheuren in het beton kunnen ontstaan of rubberprofielen, die voor de waterafdichting zorgen, gaan lekken. Daarom willen we graag die bewegingen weten, zodat er op tijd kan worden ingegrepen.”

Innovatie in de Kiltunnel

“De oudere systemen die vaak voor tunnelmonitoring worden toegepast, werken met twee of drie schuif- of potentiemeters die met kabels vanuit een node worden gevoed”, vervolgt Reinier Brongers. “Deze node stuurt de data naar een gateway die ze vervolgens doorstuurt naar een server. Ze nemen relatief veel ruimte in en vragen om een stroomvoorziening. Ze zijn daarom kostbaar.”

Bij de renovatie van de Kiltunnel in 2023 zijn nieuwe type voegmeters geïnstalleerd. “Ze zitten in de noord- en de zuidbuis”, aldus Arie Bras. “Op de voegen waar we de meeste vervorming zien. Het was altijd al een wens om daar continue metingen te doen; deze meters zijn heel gemakkelijk inpasbaar en betaalbaar, dus waarom zou ik het niet doen? Daarnaast vind ik het ook leuk om nieuwe dingen te proberen en de kennis die we opdoen te delen. Het is tenslotte publiek geld dat we hiervoor inzetten. Misschien zit je een keer verkeerd en is het een verloren investering, maar zelfs dan word je daar wijzer van.”

“De nieuwe sensor is klein,” vertelt Brongers, “23 centimeter lang, 7,5 centimeter breed en 3,5 centimeter hoog. Hij bestaat uit twee delen die vrij van elkaar kunnen bewegen. Met zes schroeven plaats je hem over een voeg. Je bent dan meteen klaar om te meten, want er zit een simkaart in die data via het gsm-netwerk in de tunnel verstuurt en een batterij die met twaalf metingen per dag rustig tien jaar meegaat. Je hebt dus verder geen randapparatuur nodig. Er kan nog een extra beschermkap overheen, waardoor het een robuust geheel is en er geen beschadigingen ontstaan tijdens bijvoorbeeld schoonmaakwerkzaamheden.”

Doorlopende lijn

Het ene deel van de sensor bevat een magneet, het andere deel meet het magnetische veld. Als de delen ten opzichte van elkaar bewegen, ontstaan er veranderingen in de krachten in dat magnetisch veld. Die verschillen worden door de meter omgezet in verschuivingen in x-, y- en z-richting. “Verschuivingen tot twee centimeter in de x- en y-richting kunnen we tot op een tiende millimeter nauwkeuring meten. Bij meer dan twee centimeter wordt de nauwkeurigheid minder”, legt Brongers uit. Wanneer in de loop der jaren een sensor beschadigd raakt, kan deze worden vervangen en kunnen de data softwarematig worden gekoppeld aan de voorgaande metingen. Een doorlopende lijn van meetgegevens blijft zo in stand. Meten met behulp van magnetisme is nieuw voor deze toepassing. Brongers: “Onze kennis en kunde zit in de algoritmes die de verschuivingen in het magnetisch veld omzetten in metrische eenheden.”

Aan de schermen met meetdata kan een digitaal weer- of getijdestation worden gekoppeld, maar het is ook mogelijk om verkeerstellingen mee te nemen. Brongers: “Al die gegevens kunnen we plotten in een grafiek zodat er een compleet beeld ontstaat. De gegevens zijn met een API ook beschikbaar voor een eigen tunnelplatform of voor onderzoek.”

Arie Bras: “Deze nieuwe techniek werkt goed, maar heeft met deze aantallen (er zijn vier sensoren geïnstalleerd) een nadeel, want je brengt niet de bewegingen in de hele tunnel in beeld. We gebruiken daarom ook total stations, die werken met een horizon en die kunnen dat wel. Dit zijn systemen die wel kostbaarder zijn.” Brongers: “Je kunt overwegen om tiltmeters te plaatsen met een referentiepunt buiten de tunnel. Samen met de voegmonitoring is dat voldoende om een doorgaande lijn van bewegingen van de tunnel vast te leggen en de kosten zijn een stuk lager. Het voordeel is ook dat je niet met reflectoren werkt. Die worden door het gebruik van de tunnel vies en verliezen dan hun werking.”

Over de grens

Niet alleen in Nederland zijn de eerste sensoren geplaatst, ook over de grens is er belangstelling. Brongers: “Het valt me op dat men in het buitenland wat sneller geneigd is om nieuwe innovatieve oplossingen toe te passen. De nieuwe meters hangen bijvoorbeeld al in de Gotthardtunnel en ook de Franse spoorwegen werken er mee. Er is interesse bij Deutsche Bahn om ze op bruggen te installeren. Daar loopt inmiddels een uitgebreide proef. De eenvoud van het systeem en efficiënte dataverwerking zijn volgens ons de reden waarom ze op steeds grotere schaal worden ingezet.