Construction de tunnels pour le métro et les trains à grande vitesse : Surveillance sans fil souterraine et de surface
Alors que de plus en plus de projets de tunnels décollent sur différents continents, trouver une solution pour couvrir la surveillance souterraine et de surface est devenu impératif. Compte tenu des différents défis d'ingénierie, des risques de sécurité et des réglementations en matière d'assurance dans les projets de tunnels, un système de surveillance sans fil basé sur la technologie de l'Internet des objets (IoT) est la solution.
Worldsensing a organisé un webinaire destiné aux ingénieurs, consultants, chefs de projet et fabricants de capteurs impliqués dans des projets de creusement de tunnels qui souhaitent en savoir plus sur la manière dont la technologie sans fil peut répondre aux besoins spécifiques des projets de construction de tunnels.
Les principaux sujets abordés étaient les suivants : les avantages et les limites des méthodes actuelles utilisées pour surveiller les projets de construction de tunnels, les avantages de l'automatisation, la façon dont la surveillance est effectuée à l'aide de différentes méthodes sans fil, une présentation visuelle détaillée de la façon dont la technologie IoT est utilisée dans la construction de tunnels, et les principales considérations lors du choix d'une solution de surveillance. Des études de cas sur la surveillance sans fil IoT dans la construction de tunnels en Europe et aux États-Unis ont également été discutées.
Une variété de technologies sans fil avec des résultats de performance différents
La plupart des technologies sans fil dépendent des réseaux locaux (LAN) qui comprennent des technologies bien connues telles que Bluetooth ou WiFI. Celles-ci sont principalement utilisées pour de courtes distances (entre 50 et 100 mètres) mais ne sont pas suffisantes pour couvrir les besoins de surveillance de la construction de tunnels ou, en général, du marché géotechnique. Les technologies cellulaires telles que 3G et 4G permettent d'atteindre des distances plus longues et de collecter fréquemment des données, mais leur inconvénient est que les appareils mobiles présentent des taux de consommation d'énergie élevés.
Les technologies LAN et cellulaires dépendent toutes deux du signal du réseau et de la ligne de vue (LOS), ce qui peut être difficile à réaliser dans les projets de tunnels. Dans les projets de tunnels utilisant ce type de technologie, et afin de réduire la consommation, les données sont généralement envoyées une fois par jour ou par semaine, ce qui ne convient pas à l'acquisition de données en temps réel ou quasi réel.
En revanche, LoRa (Long Range communication) est basé sur la technologie IoT (Internet of Things), il peut donc répondre aux limitations de portée et de consommation d'énergie des technologies LAN et cellulaires. Avec LoRa, les données peuvent être transmises sur de longues distances (jusqu'à 15 km en visibilité directe et 4 km dans un tunnel) tout en ne nécessitant que très peu d'énergie. Les batteries peuvent durer très longtemps, car les appareils ne se réveillent que lorsqu'ils doivent lire et transmettre des données, puis se remettent en mode veille.
"LoRa (Long-Range) est devenu la technologie de facto pour les réseaux de l'Internet des objets (IoT) dans le monde entier en raison de ses capacités de longue portée et de faible puissance" Maria Navarro, ingénieur géologue principal.
LoRa offre également la possibilité de déployer des réseaux privés, permettant à l'utilisateur d'avoir le contrôle et de ne pas être dépendant des grands opérateurs.
Systèmes de surveillance sans fil : aperçu de l'architecture
Maria présente Worldsensing comme un exemple de système de surveillance sans fil basé sur LoRa pour illustrer le fonctionnement de ces systèmes. Worldsensing intègre un enregistreur de données (nœud sans fil) et une passerelle vers les capteurs déployés sur le site. Les capteurs sont installés à leurs emplacements spécifiques et reliés à des enregistreurs de données qui collectent les données. Ces données sont transmises par signal radio à la passerelle. Le serveur radio et le serveur de données Worldsensing sont hébergés dans la passerelle et il est possible d'accéder aux lectures de données, à la visualisation de base et à la gestion du réseau via le web. Des couches logicielles supplémentaires peuvent être ajoutées par le client pour gérer les alarmes et effectuer d'autres calculs en envoyant automatiquement les données de la passerelle vers leur plateforme via le protocole FTP ou Modbus ou des appels API.
Application pour la surveillance de la construction de tunnels
Juan décrit comment un système sans fil de réseau étendu de faible puissance comme Worldsensing est appliqué à la surveillance de la construction de tunnels. À l'aide d'un exemple de projet de construction de tunnel en tranchée couverte, il détaille la solution sans fil correspondant à chaque besoin clé de surveillance. L'exemple illustre la longueur totale d'une station de métro ou un segment de tunnel pour un train à grande vitesse et se concentre sur les capteurs à point unique et les capteurs souterrains.
"Pendant le creusement d'un tunnel, des mouvements de terrain sont attendus et les bâtiments voisins réagiront à ces mouvements. Les solutions sans fil peuvent automatiser toute l'instrumentation fréquemment utilisée pour surveiller ces mouvements" Juan Pérez, ingénieur géotechnique principal.
Les inclinomètres sans fil peuvent être utilisés pour surveiller l'inclinaison des bâtiments et la distorsion angulaire liée aux critères de dommages. Ce type de mouvement 3D peut être surveillé à l'aide de stations totales.
Le mouvement à travers les fissures de surface existantes ou les nouvelles fissures peut être surveillé à l'aide d'un potentiomètre connecté à un nœud analogique à 1 canal, tel que le Piconode de Worldsensing, afin de recueillir des données. Un fissuromètre à fil vibrant connecté à un nœud à fil vibrant peut également être utilisé.
Pour surveiller la réaction des bâtiments au creusement de tunnels, il est essentiel de mesurer le tassement (et le soulèvement dans certains cas). Outre les techniques géodésiques telles que les stations totales, le tassement peut être surveillé avec des systèmes de tassement à niveau liquide. Chaque cellule de tassement est un capteur de pression et peut être lue par un nœud analogique. Ces systèmes conservent la précision des relevés même lorsqu'ils sont installés dans les sous-sols des bâtiments et dans des zones sans visibilité directe.
La surveillance des mouvements du sol derrière les parois moulées et au-dessus des tunnels se fait à l'aide d'extensomètres multipoints de forage (MPBX) mesurant la déformation verticale à différentes profondeurs. Les capteurs de déplacement installés dans le MPBX peuvent être des fils vibrants ou des potentiomètres qui peuvent être lus avec des nœuds analogiques ou des fils vibrants.
Dans les projets de creusement de tunnels en tranchée couverte, il est crucial de surveiller le niveau des eaux souterraines, car les travaux d'assèchement réalisés pour permettre l'excavation peuvent produire des changements dans la pression de l'eau interstitielle qui peuvent, à leur tour, générer des tassements en surface et affecter les bâtiments environnants. Le niveau de l'eau est vérifié à différents points de surveillance à l'aide de piézomètres, généralement à fil vibrant, et du nœud sans fil correspondant. La distance entre les points de surveillance étant généralement supérieure à 100 m, une radio à longue portée est nécessaire pour recueillir des données en temps quasi réel.
La performance de certains éléments structurels, comme la force dans les ancrages au sol, doit également être surveillée à l'aide de cellules de charge avec un nœud analogique à 1 canal ou un fil vibrant utilisé pour lire la cellule. Pour analyser le tassement, des jauges de contrainte à fil vibrant connectées à des nœuds de fil vibrant permettront de surveiller les déformations et les contraintes dans les éléments structurels.
Des nœuds sans fil alimentés par batterie peuvent lire automatiquement des chaînes d'inclinomètres en place pour mesurer la déformation latérale dans les parois moulées ou derrière celles-ci.
Juan explique également comment les technologies sans fil contribuent à surveiller les paramètres clés à l'intérieur du tunnel en tenant compte des différentes méthodes de creusement utilisées (TBM, NATM, etc.).
Les tendances futures exigent l'automatisation
Les panélistes ont discuté de la situation actuelle et des tendances futures attendues pour le secteur des tunnels. Selon Maria, les appels d'offres pour les tunnels ont commencé à prescrire l'automatisation, soit en incluant un pourcentage d'instrumentation à automatiser, soit en prescrivant indirectement des taux d'échantillonnage plus élevés, ce qui conduit à un système d'instrumentation automatisé.
L'automatisation donne des informations précieuses sur l'évolution du comportement du sol et de la roche et sur le comportement global des sections de tunnel à toutes les étapes. Dans un avenir proche, la surveillance s'orientera vers des relevés automatisés. Dans les environnements d'exploitation à haute densité, la surveillance sans fil est la meilleure solution pour acquérir des données fiables, car elle fournit des taux d'échantillonnage élevés qui permettent aux équipes de projet de détecter tout défaut en utilisant des données en (quasi) temps réel.
L'acquisition d'un plus grand nombre de données conduira au développement de modèles prédictifs plus précis et à une meilleure connaissance du comportement des sols et des structures. La mise en correspondance de ces données avec d'autres informations pertinentes, telles que les paramètres d'excavation, fournira une vision intégrale du comportement de l'excavation. Cela pourrait contribuer à réduire le temps de réponse aux incidents et à minimiser les risques pour les travailleurs, les environnements des tunnels urbains et les citoyens.
De l'avis de Maria, bien que l'IoT ait pénétré le marché de la surveillance géotechnique au cours de la dernière décennie, il reste encore beaucoup de chemin à parcourir : "Nous pourrions dire que désormais tous les systèmes (manuels, câblés et sans fil) coexistent dans les projets de tunnels", dit-elle. "Pour les scénarios complexes comme les excavations de tunnels, avec plusieurs entrepreneurs et systèmes impliqués, une solution de surveillance automatisée sans fil est la solution la plus efficace et la moins risquée pour garantir la fiabilité et la précision des systèmes de gestion des risques".
L'intelligence des données sera un domaine d'intérêt important car elle apportera une valeur ajoutée aux projets de surveillance. Les modèles actuels sont alimentés par les données de surveillance, mais, selon Maria, il faudra encore attendre environ cinq ans avant d'ajouter l'intelligence des données aux modèles.
