U-Bahn- und Hochgeschwindigkeitszug-Tunnelbau: Drahtlose Überwachung im Untergrund und an der Oberfläche
Da immer mehr Tunnelbauprojekte auf verschiedenen Kontinenten in Angriff genommen werden, ist die Suche nach einer Lösung, die sowohl die unterirdische als auch die oberirdische Überwachung abdeckt, unumgänglich geworden. In Anbetracht der verschiedenen technischen Herausforderungen, Sicherheitsrisiken und Versicherungsvorschriften bei Tunnelprojekten ist ein drahtloses Überwachungssystem auf Basis der Internet-of-Things-Technologie (IoT) die Lösung.
Worldsensing organisiert ein Webinar für Ingenieure, Berater, Projektmanager und Sensorhersteller, die an Tunnelbauprojekten beteiligt sind die mehr darüber erfahren möchten, wie die drahtlose Technologie die spezifischen Anforderungen von Tunnelbauprojekten erfüllen kann.
Die wichtigsten behandelten Themen waren: Vorteile und Grenzen der derzeitigen Methoden zur Überwachung von Tunnelbauprojekten, Vorteile der Automatisierung, wie die Überwachung mit verschiedenen drahtlosen Methoden durchgeführt wird, eine detaillierte visuelle Darstellung des Einsatzes der IoT-Technologie im Tunnelbau und die wichtigsten Überlegungen bei der Auswahl einer Überwachungslösung. Es wurden auch Fallstudien über die drahtlose IoT-Überwachung im Tunnelbau in Europa und den Vereinigten Staaten diskutiert.
Eine Vielzahl von Drahtlostechnologien mit unterschiedlichen Leistungsergebnissen
Die meisten drahtlosen Technologien beruhen auf lokalen Netzen (LAN), zu denen bekannte Technologien wie Bluetooth oder WiFI gehören. Diese werden meist für kurze Entfernungen (zwischen 50 und 100 Metern) eingesetzt, reichen aber nicht aus, um den Überwachungsbedarf im Tunnelbau oder allgemein im geotechnischen Markt zu decken. Mobilfunktechnologien wie 3G und 4G können größere Entfernungen überwinden und ermöglichen eine häufige Datenerfassung, haben aber den Nachteil, dass die mobilen Geräte einen hohen Stromverbrauch haben.
Sowohl LAN- als auch Mobilfunktechnologien sind von einem Netzsignal und einer Sichtverbindung abhängig, was bei Tunnelbauprojekten schwierig zu erreichen ist. Bei Tunnelbauprojekten, die mit dieser Art von Technologie arbeiten, werden die Daten zur Senkung des Verbrauchs in der Regel einmal täglich oder wöchentlich gesendet, so dass sie sich nicht für die Erfassung von Daten in Echtzeit oder nahezu in Echtzeit eignen.
Im Gegensatz dazu basiert LoRa (Langstreckenkommunikation) auf der IoT-Technologie (Internet der Dinge) und kann daher die Einschränkungen in Bezug auf Reichweite und Stromverbrauch von LAN- und Mobilfunktechnologien überwinden. Mit LoRa können Daten über große Entfernungen (bis zu 15 km bei Sichtverbindung und 4 km in einem Tunnel) übertragen werden, wobei nur sehr wenig Strom benötigt wird. Die Batterien können sehr lange halten, da die Geräte nur dann "aufwachen", wenn sie Daten lesen und übertragen müssen, und danach wieder in den Schlafmodus übergehen.
"LoRa (Long-Range) hat sich aufgrund der großen Reichweite und des geringen Stromverbrauchs weltweit als De-facto-Technologie für das Internet der Dinge (IoT) durchgesetzt", so Maria Navarro, Senior Engineering Geologist.
LoRa bietet auch die Möglichkeit, private Netze einzurichten, so dass der Nutzer die Kontrolle hat und nicht von den großen Betreibern abhängig ist.
Drahtlose Überwachungssysteme: Überblick über die Architektur
Maria stellt Worldsensing als Beispiel für ein drahtloses Überwachungssystem auf der Grundlage von LoRa vor, um zu zeigen, wie diese Systeme funktionieren. Worldsensing umfasst einen Datenlogger (drahtloser Knoten) und ein Gateway zu den am Standort installierten Sensoren. Die Sensoren werden an ihren jeweiligen Standorten installiert und mit Datenloggern verbunden, die Daten von ihnen sammeln. Diese Daten werden per Funksignal an das Gateway übertragen. Der Funkserver und der Worldsensing-Datenserver werden im Gateway gehostet, und es ist möglich, über das Internet auf die ausgelesenen Daten, die grundlegende Visualisierung und die Netzwerkverwaltung zuzugreifen. Zusätzliche Softwareschichten können vom Kunden hinzugefügt werden, um Alarme zu verwalten und weitere Berechnungen zu erstellen, indem Daten vom Gateway automatisch über FTP- oder Modbus-Protokoll oder API-Aufrufe an seine Plattform gesendet werden.
Antrag auf Überwachung von Tunnelbauten
Juan beschreibt, wie ein drahtloses Weitverkehrsnetz mit geringem Stromverbrauch wie Worldsensing bei der Überwachung von Tunnelbauten eingesetzt wird. Anhand eines Beispiels für ein Tunnelbauprojekt in offener Bauweise erläutert er die entsprechende drahtlose Lösung für jeden wichtigen Überwachungsbedarf. Das Beispiel veranschaulicht die Gesamtlänge einer U-Bahn-Station oder eines Tunnelabschnitts für einen Hochgeschwindigkeitszug und konzentriert sich auf Einzelpunktsensoren und in den Boden eingelassene Sensoren.
"Während des Tunnelbaus sind Bodenbewegungen zu erwarten, auf die die nahe gelegenen Gebäude reagieren werden. Drahtlose Lösungen können die gesamte Instrumentierung automatisieren, die häufig zur Überwachung dieser Bewegungen eingesetzt wird", so Juan Pérez, leitender Geotechniker.
Mit drahtlosen Neigungsmessern können die Neigung von Gebäuden und die Winkelverzerrung in Bezug auf Schadenskriterien überwacht werden. Diese Art der 3D-Bewegung kann mit Totalstationen überwacht werden.
Die Bewegung durch bestehende Oberflächenrisse oder neue Risse kann mit einem Potentiometer überwacht werden, das an einen 1-Kanal-Analogknoten wie den Worldsensing Piconode angeschlossen ist, um Messwerte zu erfassen. Ein Rissmessgerät mit schwingendem Draht, das an einen Knoten mit schwingendem Draht angeschlossen ist, kann ebenfalls verwendet werden.
Bei der Überwachung der Reaktion von Gebäuden auf den Tunnelbau ist die Messung von Setzungen (und in einigen Fällen von Hebungen) unerlässlich. Neben geodätischen Verfahren wie Totalstationen können Setzungen auch mit Flüssigkeitspegelsystemen überwacht werden. Jede Setzungszelle ist ein Drucksensor und kann mit einem analogen Knotenpunkt abgelesen werden. Diese Systeme behalten die Genauigkeit der Messwerte bei, auch wenn sie in Gebäudekellern und Bereichen ohne Sichtverbindung installiert werden.
Die Überwachung von Bodenbewegungen hinter Schlitzwänden und über Tunneln erfolgt mit Mehrpunkt-Bohrlochaufnehmern (MPBX), die vertikale Verformungen in verschiedenen Tiefen messen. Bei den in den MPBX installierten Wegaufnehmern kann es sich um Schwingsaiten oder Potentiometer handeln, die mit analogen oder Schwingsaiten-Knotenpunkten abgelesen werden können.
Bei Tunnelbauvorhaben in offener Bauweise ist die Überwachung des Grundwasserspiegels von entscheidender Bedeutung, da die für den Aushub durchgeführten Entwässerungsarbeiten zu Veränderungen des Porenwasserdrucks führen können, die wiederum Setzungen an der Oberfläche hervorrufen und die umliegenden Gebäude beeinträchtigen können. Der Wasserstand wird an verschiedenen Überwachungspunkten mit Hilfe von Piezometern, in der Regel mit Vibrationssaiten, und dem entsprechenden Funkknoten überprüft. Die Entfernung zwischen den Überwachungspunkten beträgt in der Regel mehr als 100 m, so dass eine Funkverbindung mit großer Reichweite erforderlich ist, um Daten nahezu in Echtzeit zu erfassen.
Die Leistung einiger Strukturelemente, wie z. B. die Kraft in Bodenankern, sollte auch mit Wägezellen mit einem analogen 1-Kanal-Knoten oder einem vibrierenden Draht zum Ablesen der Zelle überwacht werden. Zur Analyse von Setzungen werden Dehnungsmessstreifen mit vibrierenden Drähten, die mit vibrierenden Drahtknoten verbunden sind, Dehnungen und Spannungen in Bauteilen überwachen.
Batteriebetriebene drahtlose Knotenpunkte können automatisch Ketten von Neigungsmessern vor Ort auslesen, um die seitliche Verformung in oder hinter Schlitzwänden zu messen.
Juan erklärt auch, wie drahtlose Technologien zur Überwachung der wichtigsten Parameter im Tunnel beitragen, wenn man die verschiedenen Tunnelbauverfahren (TBM, NATM usw.) berücksichtigt.
Künftige Trends erfordern Automatisierung
Die Diskussionsteilnehmer erörterten die aktuelle Situation und die für den Tunnelbau erwarteten künftigen Trends. Maria zufolge wird in den Ausschreibungen für Tunnelbauvorhaben inzwischen die Automatisierung vorgeschrieben, indem entweder ein bestimmter Prozentsatz der Instrumentierung automatisiert wird oder indem indirekt höhere Probenahmeraten vorgeschrieben werden, was zu einem automatisierten Instrumentierungssystem führt.
Die Automatisierung liefert wertvolle Informationen über die Entwicklung des Boden- und Felsverhaltens und das Gesamtverhalten der Tunnelabschnitte in allen Phasen. In naher Zukunft wird sich die Überwachung auf automatische Messungen verlagern. In Umgebungen mit hoher Betriebsdichte ist die drahtlose Überwachung die beste Lösung zur Erfassung zuverlässiger Daten, da sie hohe Abtastraten bietet, die es den Projektteams ermöglichen, etwaige Mängel anhand von Daten (fast) in Echtzeit zu erkennen.
Mehr Datenerfassung wird zur Entwicklung genauerer Vorhersagemodelle und zu mehr Wissen über das Boden- und Strukturverhalten führen. Der Abgleich dieser Daten mit anderen relevanten Informationen, wie z. B. den Aushubparametern, wird eine ganzheitliche Sicht auf die Leistung des Aushubs ermöglichen. Dies könnte dazu beitragen, die Reaktionszeit bei Zwischenfällen zu verkürzen und die Risiken für die Arbeiter, die städtische Tunnelumgebung und die Bürger zu minimieren.
Obwohl das Internet der Dinge in den letzten zehn Jahren in den Markt für geotechnische Überwachung eingedrungen ist, liegt nach Marias Ansicht noch ein langer Weg vor uns: "Man könnte sagen, dass jetzt alle Systeme (manuell, verkabelt und drahtlos) bei Tunnelprojekten nebeneinander bestehen", sagt sie. "Für komplexe Szenarien wie Tunnelausbrüche, an denen mehrere Auftragnehmer und Systeme beteiligt sind, ist eine drahtlose, automatisierte Überwachungslösung die effektivste und risikoärmste Lösung, um sicherzustellen, dass die Risikomanagementsysteme zuverlässig und genau sind".
Die Datenintelligenz wird ein wichtiger Schwerpunktbereich sein, da sie den Überwachungsprojekten einen zusätzlichen Wert verleiht. Die derzeitigen Modelle werden mit Überwachungsdaten gefüttert, aber laut Maria ist die Ergänzung der Modelle durch Datenintelligenz noch etwa 5 Jahre entfernt.
