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Aug 06, 2023

Bodenbewegungen werden auf dem HS2-Gelände mit faseroptisch instrumentiertem Geogitter überwacht

Bei einem High-Speed-2-Schneidwerk wird ein System zur Erkennung von Bodenbewegungen unter der Oberfläche eingesetzt, das Geokunststoffe und faseroptische Sensorkabel kombiniert. Frühzeitige Erkennung von Bodenbewegungen zur Vermeidung von Schäden

Bei einem High-Speed-2-Schneidwerk wird ein System zur Erkennung von Bodenbewegungen unter der Oberfläche eingesetzt, das Geokunststoffe und faseroptische Sensorkabel kombiniert.

Die frühzeitige Erkennung von Bodenbewegungen zur Vermeidung von Schäden durch Geogefahren wird immer wichtiger, da der Klimawandel zu immer mehr extremen Wetterereignissen führt.

Allerdings ist die konventionelle Sensortechnologie, die in der Lage ist, große Gebiete mit ausreichend großer räumlicher und zeitlicher Auflösung zu überwachen, um eine Frühwarnung vor unterirdischen Bodenbewegungen zu geben, begrenzt.

Ein neues faseroptisch instrumentiertes Geogitter, bekannt als Sensorgrid, könnte eine Echtzeitüberwachung von Bewegungen innerhalb geotechnischer Anlagen ermöglichen.

Die Lösung wurde vom Cambridge Centre for Smart Infrastructure & Construction (CSIC), dem CSIC-Spinoff und Spezialisten für Glasfasersensorik Epsimon und dem Geogitterhersteller Huesker entwickelt.

Sensorgrid wurde bereits in einem Teil des High Speed ​​2 (HS2)-Systems getestet und installiert.

Es wurde am Tilehouse Lane-Einschnitt umgesetzt, einem 710 m langen und bis zu 13 m tiefen Kreideaushub entlang der HS2-Route. Es verbindet das Colne Valley Viaduct mit dem Südportal des Chiltern-Tunnels in der Nähe der Autobahn M25.

Der Hauptauftragnehmer für diesen Abschnitt ist Align JV, bestehend aus Bouygues Travaux Publics, Sir Robert McAlpine und Volker Fitzpatrick.

Bei Bodenuntersuchungen und Aushubarbeiten wurden an der Schnittstelle Auflösungsmerkmale festgestellt.

Als Teil der Designlösung wird eine mit Geogittern verstärkte Matratze an der Basis des Einschnitts installiert, um mögliche Hohlräume unter der Gleisplatte zu verhindern.

Es wurde auch klar, dass die Fähigkeit, Bewegungen unter der Matratze zu erkennen, während des Baus, wenn das Gelände als Transportstraße genutzt werden soll, und während des Betriebs der Eisenbahnlinie selbst von entscheidender Bedeutung sein würde.

Die verteilte Glasfasermessung (Distributed Fiber Optic Sensing, DFOS) ist für die Branche nichts Neues und wurde bisher zur Messung der Belastung entlang von Glasfaserkabeln über viele Kilometer in verschiedenen Infrastrukturtypen eingesetzt. Bodenbewegungsmessungen beruhen jedoch auf der mechanischen Kopplung zwischen diesen Kabeln und dem Boden, die nicht immer garantiert werden kann.

CSIC-Betriebsleiter Cedric Kechavarzi sagt: „Unser Arbeitsgebiet ist die faseroptische Sensorik und dafür verwenden wir kleine Kabel mit einem Durchmesser von wenigen Millimetern.“ Wenn Sie sie in Beton einbauen, verbinden sie sich natürlich mit dem Beton, und wenn sich der Beton ausdehnt oder zusammenzieht, wird das Kabel entsprechend belastet. In Böden ist das Durchrutschen des Kabels jedoch viel wahrscheinlicher.

„Dies hängt von der Bodenart, dem Wassergehalt und der Abraumlast ab, aber wenn das Kabel durchrutscht, werden nur teilweise Bodenbewegungen und Belastungen auf das Kabel übertragen.“

Um diese Herausforderung zu meistern, haben CSIC, Epsimon und Huesker eine Lösung entwickelt, bei der die faseroptischen Dehnungsmesskabel während der Produktion in ein Geogitter integriert werden.

„Geogitter sind so konzipiert, dass sie eine wirklich gute Wechselwirkung mit dem Boden haben und den Boden an Ort und Stelle halten. „In Zusammenarbeit mit Huesker, einem deutschen Hersteller von Geogittern, wurden Versuche durchgeführt, verschiedene Glasfaserkabel bei der Herstellung in Geogitter einzuarbeiten“, erklärt Kechavarzi.

„Die Geogitter bestehen aus zu einem Netz zusammengenähten Garnen und so konnten wir gegebene Garne einfach durch Glasfaserkabel mit ähnlicher Steifigkeit ersetzen.

„Auf diese Weise haben wir dehnungsempfindliche Geogitter unterschiedlicher Stärke entwickelt, deren Messdichte während der Herstellung angepasst werden kann, indem die Anzahl der durch Sensorkabel ersetzten Garne geändert wird.“

CSIC-Forschungsmitarbeiter Xiaomin Xu fügt hinzu: „In der Vergangenheit haben wir versucht, das Kabel manuell auf extrudierte Geogitter zu kleben, aber das ist nicht skalierbar. Es gab auch Versuche, bei denen Kabel in Vliesstoff-Geotextilien eingelegt wurden, was nicht den gleichen Grad der Bindung wie das Nähen bieten würde.

„Die Einbindung von Kabeln während des Strickprozesses und die anschließende Polymerbeschichtung des Sensorgitters gewährleisten eine außergewöhnliche Dehnungsübertragung und Erfassungsleistung.“

Im Jahr 2021 durchlief Sensorgrid erste Kleinversuche

Seit den ersten Gesprächen mit Huesker im Jahr 2017 wurden mehrere Prototypen hergestellt und ausgiebig getestet.

„Die Stärke der Verbindung zwischen den verschiedenen Kabeln und Geogittertypen musste getestet werden, um das Konzept zu validieren und die Konfiguration zu optimieren“, bemerkt Xu.

Kechavarzi sagt: „Wir haben umfangreiche Tests im Labor durchgeführt, insbesondere Zugtests, aber auch Tests mit vertikaler Belastung, um die Dehnungsübertragungseigenschaften und die Empfindlichkeit dieser Prototypen zu untersuchen.

„CSIC, Epsimon und Huesker haben sich dann mit Jacobs und Align JV zusammengetan, um einen von HS2 Ltd. finanzierten kleinen Feldversuch durchzuführen, bevor die vollständige Installation am Tilehouse Lane-Abschnitt erfolgte.“

Im Rahmen dieses Versuchs wurden in der Nähe des Chiltern-Südportals Teile des Sensorgrids zwischen Erde oben und wassergefüllten Hochleistungssäcken unten eingeklemmt.

„Wir hatten zwei 3 x 3 m große Gruben mit Wassersäcken, aus denen die Luft abgelassen wurde, um ein Erdloch zu simulieren, wodurch ein Hohlraum unter dem Boden entstand, der zum Absinken und Dehnen des Geogitters führte. Diese Verschiebung wurde mit dem Glasfaserkabel und anderen Instrumenten gemessen“, sagt Xu.

Dieser kleine Versuch, der im Jahr 2021 stattfand, demonstrierte die Empfindlichkeit des Sensorgrid-Systems gegenüber kleinen vertikalen Setzungen sowie seine Robustheit.

Anschließend arbeiteten CSIC, Epsimon, Huesker, Jacobs, Align JV und HS2 Ltd zusammen, um das Überwachungssystem beim Tilehouse Lane Cutting zu entwerfen, zu installieren und zu betreiben.

Das System wurde im Mai 2022 in Betrieb genommen. Das Sensorgrid mit Sensorkabeln im Abstand von 500 mm wurde auf einer Fläche von 100 x 10 m im Kalksteingraben installiert, bietet 10.000 Sensorpunkte und ermöglicht die Lokalisierung von Bewegungen mit einer räumlichen Auflösung von 250 mm.

„Der Sensorgird wurde in einer 5-m-Rolle geliefert, die in zwei parallelen Bahnen abgewickelt wurde. „Die 20 Sensorkabelenden wurden durch Fusionsspleißen zu zwei Glasfaserkreisen zusammengefügt, die dann mit einem Glasfaserverlängerungskabel einen Kilometer entfernt zu einem Gelände verlegt wurden, wo wir die Überwachungsausrüstung an einem sicheren Ort in der richtigen Umgebung unterbringen konnten“, sagt Kechavarzi fügt hinzu.

Alle 20 Minuten werden Messungen durchgeführt und die resultierenden Daten in Echtzeit auf einem von Epsimon entwickelten Online-Dashboard angezeigt, sodass die Projektpartner jede Bewegung überwachen können, die unter der Basis des Schnitts auftritt.

Dieser Einsatz hat das Potenzial einer räumlich verteilten Überwachung der unterirdischen Bodenbewegung über ein großes Gebiet in Echtzeit aufgezeigt.

Die Erkenntnisse aus diesem Projekt haben dazu geführt, dass Sensorgrid von Huesker zu einem kommerziellen Angebot entwickelt wurde und von Epsimon für Projekte in Großbritannien bereitgestellt wird.

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