Langzeitmonitoring von nicht visuell inspizierbaren Tunnelinnenschalen mittels Faseroptik

Urs Grunicke; Werner Lienhart; Alois Vorwagner

doi:10.1002/geot.202000051

Langzeitmonitoring von nicht visuell inspizierbaren Tunnelinnenschalen mittels Faseroptik

Translated title of the contribution: Long-term monitoring of visually not inspectable tunnel linings using fibre optic sensing

Urs Grunicke ^*, Werner Lienhart, Alois Vorwagner

^*Corresponding author for this work

Institute of Engineering Geodesy and Measurement Systems (5200)

Research output: Contribution to journal › Article › peer-review

Abstract

Regular structural assessments of tunnel linings are commonly performed by visual inspection. Crack phenomena and their development over time are essential indicators of changes of the stress regimen. These are the most prominent input data for the structural assessment of linings. Cladding for fire protection or noise control inhibit visual inspection and call for alternative methods of crack detection and monitoring. This paper presents the application of an alternative method which employs distributed fibre optic sensing (DFOS) which is installed on already existing linings. The objective is to obtain monitoring results with best reliability in comparison to conventional inspection. While the application of DFOS with fibres embedded in new linings has already been tested extensively, later installation on existing linings poses various challenges. Based on findings obtained from laboratory and field tests in an operational highway tunnel, we found that by means of later installed fibres with lengths of up to 70 m, strain measurements can achieve accuracies of about 1 µm/m over 10 mm. This allows the detection of both current and historical crack widths at 0.01 mm precision, conspicuous strain patterns and temperature abnormalities. The system can be mounted onto the inner lining surface which is covered by later claddings and are hence inaccessible to visual inspection. The structural performance can eventually be inferred from interpreted crack patterns.

Translated title of the contribution	Long-term monitoring of visually not inspectable tunnel linings using fibre optic sensing
Original language	German
Pages (from-to)	19-32
Number of pages	14
Journal	Geomechanics and Tunnelling
Volume	14
Issue number	1
DOIs	https://doi.org/10.1002/geot.202000051
Publication status	Published - Feb 2021

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Geotechnical Engineering and Engineering Geology
Civil and Structural Engineering

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Sustainable Systems

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10.1002/geot.202000051

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@article{dfcb9e9dce714a1ebede2e0c71ba1b20,

title = "Langzeitmonitoring von nicht visuell inspizierbaren Tunnelinnenschalen mittels Faseroptik",

abstract = "Die wiederkehrende Pr{\"u}fung von Tunnelinnenschalen erfolgt {\"u}blicherweise mittels visueller Inspektion. Rissph{\"a}nomene und deren Ver{\"a}nderungen sind dabei wesentliche Indikatoren f{\"u}r {\"A}nderungen des mechanischen Spannungsregimes. Risse z{\"a}hlen daher zu den prominentesten Grundlagen f{\"u}r die Zustandsbeurteilung bestehender Innenschalen. In Bereichen mit nachtr{\"a}glicher Verkleidung (z. B. Brandschutzplatten) ist die Innenschale visuell nicht ohne gr{\"o}{\ss}eren Aufwand inspizierbar, sodass auf andere Methoden der Rissdetektion und ‐verfolgung zur{\"u}ckgegriffen werden muss. Das Ziel dabei ist eine Bauwerks{\"u}berwachung mit einer Zuverl{\"a}ssigkeit, die der visuellen Inspektion m{\"o}glichst gleichwertig ist. Eine vielversprechende M{\"o}glichkeit bieten nachtr{\"a}glich an die Bestandsschale applizierte Glasfasern. Damit wird die Identifizierung lokaler Sch{\"a}den wie Risse in der Struktur oder unerwartete Ver{\"a}nderungen in Dehnungsmuster und Temperatur m{\"o}glich. Das System kann nachtr{\"a}glich auf die Betonoberfl{\"a}che, auch beispielsweise hinter Brandschutzplatten, appliziert werden. Damit k{\"o}nnen auch nicht einsehbare Bereiche {\"u}berwacht werden. Aus den gemessenen Dehnungsprofilen kann die effektive aktuelle und historische maximale Rissbreite auf bis zu 0,01 mm genau ermittelt werden und auf das Tragverhalten der Innenschale r{\"u}ckgeschlossen werden. W{\"a}hrend der Einsatz von verteilter faseroptischer Sensorik durch im Beton eingebettete Glasfaserkabel bereits erprobt ist, stellt die nachtr{\"a}gliche Applikation besondere Herausforderungen dar. Die daf{\"u}r durchgef{\"u}hrten Laborversuche, eine Versuchsinstallation in einem bestehenden Tunnel, sowie die Eignung f{\"u}r eine langfristige Bauwerks{\"u}berwachung werden hier im Detail vorgestellt.",

keywords = "Conventional tunneling, crack detection, distributed fibre optic sensing, Innovative procedures/test techniques, inspection, Measuring technology, secondary lining, structural health monitoring",

author = "Urs Grunicke and Werner Lienhart and Alois Vorwagner",

year = "2021",

month = feb,

doi = "10.1002/geot.202000051",

language = "deutsch",

volume = "14",

pages = "19--32",

journal = "Geomechanics and Tunnelling ",

issn = "1865-7362",

publisher = "Ernst & Sohn",

number = "1",

}

TY - JOUR

T1 - Langzeitmonitoring von nicht visuell inspizierbaren Tunnelinnenschalen mittels Faseroptik

AU - Grunicke , Urs

AU - Lienhart, Werner

AU - Vorwagner, Alois

PY - 2021/2

Y1 - 2021/2

N2 - Die wiederkehrende Prüfung von Tunnelinnenschalen erfolgt üblicherweise mittels visueller Inspektion. Rissphänomene und deren Veränderungen sind dabei wesentliche Indikatoren für Änderungen des mechanischen Spannungsregimes. Risse zählen daher zu den prominentesten Grundlagen für die Zustandsbeurteilung bestehender Innenschalen. In Bereichen mit nachträglicher Verkleidung (z. B. Brandschutzplatten) ist die Innenschale visuell nicht ohne größeren Aufwand inspizierbar, sodass auf andere Methoden der Rissdetektion und ‐verfolgung zurückgegriffen werden muss. Das Ziel dabei ist eine Bauwerksüberwachung mit einer Zuverlässigkeit, die der visuellen Inspektion möglichst gleichwertig ist. Eine vielversprechende Möglichkeit bieten nachträglich an die Bestandsschale applizierte Glasfasern. Damit wird die Identifizierung lokaler Schäden wie Risse in der Struktur oder unerwartete Veränderungen in Dehnungsmuster und Temperatur möglich. Das System kann nachträglich auf die Betonoberfläche, auch beispielsweise hinter Brandschutzplatten, appliziert werden. Damit können auch nicht einsehbare Bereiche überwacht werden. Aus den gemessenen Dehnungsprofilen kann die effektive aktuelle und historische maximale Rissbreite auf bis zu 0,01 mm genau ermittelt werden und auf das Tragverhalten der Innenschale rückgeschlossen werden. Während der Einsatz von verteilter faseroptischer Sensorik durch im Beton eingebettete Glasfaserkabel bereits erprobt ist, stellt die nachträgliche Applikation besondere Herausforderungen dar. Die dafür durchgeführten Laborversuche, eine Versuchsinstallation in einem bestehenden Tunnel, sowie die Eignung für eine langfristige Bauwerksüberwachung werden hier im Detail vorgestellt.

AB - Die wiederkehrende Prüfung von Tunnelinnenschalen erfolgt üblicherweise mittels visueller Inspektion. Rissphänomene und deren Veränderungen sind dabei wesentliche Indikatoren für Änderungen des mechanischen Spannungsregimes. Risse zählen daher zu den prominentesten Grundlagen für die Zustandsbeurteilung bestehender Innenschalen. In Bereichen mit nachträglicher Verkleidung (z. B. Brandschutzplatten) ist die Innenschale visuell nicht ohne größeren Aufwand inspizierbar, sodass auf andere Methoden der Rissdetektion und ‐verfolgung zurückgegriffen werden muss. Das Ziel dabei ist eine Bauwerksüberwachung mit einer Zuverlässigkeit, die der visuellen Inspektion möglichst gleichwertig ist. Eine vielversprechende Möglichkeit bieten nachträglich an die Bestandsschale applizierte Glasfasern. Damit wird die Identifizierung lokaler Schäden wie Risse in der Struktur oder unerwartete Veränderungen in Dehnungsmuster und Temperatur möglich. Das System kann nachträglich auf die Betonoberfläche, auch beispielsweise hinter Brandschutzplatten, appliziert werden. Damit können auch nicht einsehbare Bereiche überwacht werden. Aus den gemessenen Dehnungsprofilen kann die effektive aktuelle und historische maximale Rissbreite auf bis zu 0,01 mm genau ermittelt werden und auf das Tragverhalten der Innenschale rückgeschlossen werden. Während der Einsatz von verteilter faseroptischer Sensorik durch im Beton eingebettete Glasfaserkabel bereits erprobt ist, stellt die nachträgliche Applikation besondere Herausforderungen dar. Die dafür durchgeführten Laborversuche, eine Versuchsinstallation in einem bestehenden Tunnel, sowie die Eignung für eine langfristige Bauwerksüberwachung werden hier im Detail vorgestellt.

KW - Conventional tunneling

KW - crack detection

KW - distributed fibre optic sensing

KW - Innovative procedures/test techniques

KW - inspection

KW - Measuring technology

KW - secondary lining

KW - structural health monitoring

UR - http://www.scopus.com/inward/record.url?scp=85100952721&partnerID=8YFLogxK

U2 - 10.1002/geot.202000051

DO - 10.1002/geot.202000051

M3 - Artikel

SN - 1865-7362

VL - 14

SP - 19

EP - 32

JO - Geomechanics and Tunnelling

JF - Geomechanics and Tunnelling

IS - 1

ER -

Langzeitmonitoring von nicht visuell inspizierbaren Tunnelinnenschalen mittels Faseroptik

Abstract

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