Monitoring tunnelvervorming met behulp van glasvezel

Vervormingen van de constructie kunnen gevolgen hebben voor de structurele veiligheid van een tunnel. Conventionele technieken kunnen niet alles goed vastleggen. Voor zijn promotie aan de TU Delft heeft Xuehui Zhang onderzocht in hoeverre glasvezel geschikt is om een nauwkeuriger monitoringsysteem mee op te zetten.

Afzinken is als tunnelbouwmethode onder waterwegen in Nederland sinds de jaren 1940 het populairst geworden. Begin 2021 zijn er ongeveer dertig afgezonken tunnels in gebruik, met als oudste de Maastunnel in Rotterdam, die in 1942 werd geopend. Het monitoren van vervorming is essentieel voor een betrouwbare beoordeling van de structurele veiligheid van deze kunstwerken.

Uit recente waarnemingen blijkt dat een afgezonken tunnel cyclische dagelijkse vervormingen kan vertonen onder invloed van getijdenschommelingen en seizoensgebonden vervormingen onder invloed van temperatuurschommelingen. Dit kan gevolgen hebben voor de structurele integriteit van de tunnel. Het conventionele monitoren op verzakkingen gemeten in (half)jaarlijkse intervallen met een nauwkeurigheid van één millimeter of minder, kan het potentiële dagelijkse en seizoensgebonden gedrag van een afgezonken tunnel niet vastleggen.

Gedistribueerde glasvezelsensor (DOFS)

Distributed optical fiber sensor (DOFS), een gedistribueerde glasvezelsensor, is een detectietechniek waarmee via een dunne glasvezel gedistribueerde rek- en temperatuurmetingen kunnen worden uitgevoerd. In deze monitoringstudie wordt DOFS toegepast om een op afstand bestuurd monitoringssysteem in de Heinenoordtunnel op te zetten. De gegevensverwerving ondersteunt nieuwe inzichten in het dagelijkse en seizoensgebonden gedrag van afgezonken tunnels.

Een DOFS-monitoringssysteem kan werken volgens de principes van een Brillouin-, Rayleigh- of Raman-verstrooiing van licht dat zich in een glasvezel voortplant. Momenteel is DOFS op basis van Brillouin-verstrooiing de beste keuze voor het monitoren van de gezondheid van structuren bij het afwegen van de kosten en de monitoringsvereisten. In dit DOFS-systeem meet de interrogator de Brillouin-frequentieverschuiving (Brillouin frequency shift, BFS) van terugverstrooid licht op elk bemonsteringspunt langs de glasvezel. De verwerkte BFS-gegevens worden omgezet in rek- of temperatuurinformatie met ruimtelijke resolutie die via een bepaalde lineaire relatie langs de vezelas wordt verdeeld.
Binnen een DOFS-systeem kan de glasvezel op afstand worden verlengd en geïntegreerd in de gemonitorde structuur of het gemonitorde gebied, waarbij de glasvezel als detectiedeel en als signaaltransmissiekanaal fungeert, terwijl het vezeleinde (één of beide uiteinden) wordt aangesloten op de interrogator (met een ingebouwde computer voor gegevensbemonstering) voor stimulering en verwerking van het lichtsignaal (figuur 1).

Heinenoordtunnel

In de Heinenoordtunnel (1969) veroorzaken de dagelijkse of seizoensgebonden temperatuurschommelingen thermische uitzetting en inkrimping van de tunnelsegmenten, waardoor de tunnelvoegen in de lengterichting open en dicht gaan. Bovendien wordt waargenomen dat getijdenschommelingen in de rivier boven de tunnel een cyclische verticale respons op de afgezonken tunnel teweegbrengen, die meestal meer uitgesproken is op de plaats van de onderbroken voegen.

Er is een DOFS ontworpen om voor alle voegen van de Heinenoordtunnel (figuur 2) de dagelijkse en seizoensgebonden vervormingen van de voegen in twee richtingen te meten: de horizontale voegopening en de verticale ongelijke verzakking (tussen de twee kanten van de voeg). Aan de monitoringvereisten kan worden voldaan met een speciaal ontworpen sensorblok dat op de individuele voeg is geïnstalleerd (figuur 3a). Door de rekverandering in de twee gespannen vezellengtes te analyseren, kunnen de voegopening en ongelijke verzakking worden afgeleid. De geïnstalleerde sensoren (met externe beschermplaat) op de westelijke zijwand van de Heinenoordtunnel zijn weergegeven in figuur 3. Een interrogator op basis van Brillouin optical frequency-domain analysis (BOFDA) wordt gebruikt voor het verzamelen van gegevens. Het meten van de vervorming gebeurt elk half uur.

Gedrag

Uit de monitoring blijkt dat de gehele afgezonken tunnel zich min of meer gedraagt als een star lichaam dat periodiek naar boven (bij eb) en naar beneden (bij vloed) beweegt met een amplitude van ongeveer 0,3 mm, wanneer deze wordt onderworpen aan getijdenvariaties met een amplitude van ongeveer 1,2 m en een periode van een halve dag (figuur 4).

De monitoringsresultaten bevestigen een seizoensgebonden periodieke voegopening: de voegspleet sluit in de zomer en opent in de winter. De amplitudes van de seizoensgebonden voegopeningen bij de zinkvoegen (binnen een bereik van 1,77 tot 6,15 mm) zijn groter dan die van de meeste dilatatievoegen (binnen een bereik van 0,6 tot 2,0 mm). Bij enkele dilatatievoegen is de amplitude (binnen een bereik van 2,2 mm tot 4,9 mm) van de voegopening echter vergelijkbaar met die van de zinkvoegen, wat erop wijst dat voor gesegmenteerde monitoring van afgezonken tunnels, dilatatievoegen in dezelfde mate in aanmerking moeten worden genomen als zinkvoegen.

Samengevat valideren de onderzoeksresultaten de hypothesen van cyclische dagelijkse vervorming onder invloed van getijden en seizoensgebonden vervorming onder invloed van temperatuurschommelingen, die een uitgebreidere veiligheidsbeoordeling en onderhoud van afgezonken tunnels in de gebruiksfase verder ondersteunen. Tevens wordt de grote toepasbaarheid van DOFS voor het verbeteren van de huidige monitoringpraktijk in afgezonken tunnels bevestigd, hetgeen een goede referentie vormt voor toekomstige gedragsmonitoring op dit gebied.