Instrumentation des tunnels par capteurs à fibre optique répartis : exemple du Tunnel du Fréjus, France


Résumé

La mesure distribuée par fibre optique est une nouvelle technique qui a ouvert de nombreuses possibilités dans la surveillance de déformation des tunnels. Dans le cas du suivi du comportement du tunnel du Fréjus (frontière France-Italie) avant et après d’importants travaux de creusement, Cementys a utilisé son capteur « SensoLuxTM® » pour mesurer la déformation de la voute du tunnel. Il s’agit d’un câble contenant 4 fibres optiques qui permet de mesurer la déformation par rétrodiffusion Brillouin (sensible à la déformation et à la température) et la température par rétrodiffusion Raman (sensible à la température). Le capteur est sensible en continu sur toute sa longueur. Une fois intégré à la structure, il mesure la déformation du béton en traction et compression, déterminant ainsi le phénomène de convergence du tunnel. Les données peuvent être transmises sur de longues distances grâce à la fibre optique, permettant ainsi un suivi des déformations en temps réel.

Introduction

L’auscultation des infrastructures souterraines est nécessaire pour connaître l’état structurel d’un ouvrage, mitiger les risques d’accident en phase de construction ou d’exploitation et optimiser sa maintenance sur le long terme. Dans les tunnels, les inspections visuelles peuvent être difficiles à réaliser à cause de l’accès restreint. Un système de surveillance de la voûte en temps réel et à distance, prend alors tout son sens afin de détecter et suivre les mouvements de la structure.

La mesure distribuée, contrairement aux capteurs ponctuels, peut assurer le monitoring d’un tunnel sur toute sa longueur. Elle permet de localiser précisément tout désordre repéré, avec seulement une seule fibre optique connectée.

Une large gamme de capteurs à fibre optique a été développée pour différents usages. Dans notre article, nous allons vous présenter l’une de ces technologies majeure : la mesure distribuée de contrainte et de température par rétrodiffusion optique couplée Brillouin / Raman.

Qu’est-ce qu’une fibre optique?

Afin de comprendre les capteurs à fibre optique, regardons en premier lieu ce qu’est une fibre optique. Une fibre optique est un fil flexible en silice transmettant la lumière de bout en bout. Elle est extrêmement fine, proche du diamètre d’un cheveu, et totalement passive : elle ne transporte pas d’autre énergie que la lumière. Le cœur de la fibre peut être intégré à l’intérieur d’une gaine. On peut obtenir alors un câble optique aussi résistant qu’un câble électrique.
Une fibre optique est composée de deux couches de silice, aux indices optiques différents. Cette différence d’indices fait que la lumière est réfléchie totalement à l’intérieur du cœur ce qui assure sa transmission sans perte (Figure 1).

La mesure répartie à fibre optique par réflectométrie

Figure 1. Coupe d’un câble à fibre optique

La mesure distribuée dite « répartie » en français est une avancée majeure pour le monitoring des structures linéaires : une simple fibre de télécommunication peut fournir des mesures tous les mètres, et ce, sur plusieurs kilomètres ! Pas de capteur ponctuel, la fibre elle-même est impactée par son environnement thermo-mécanique et transmet les informations par la lumière jusqu’à l’appareil de mesure. La fibre fait ainsi office de capteur et de moyen de transmission des données. (Figure 2)

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Figure 2. Capteur SensoLuxTM®

L’appareil de mesure analyse la lumière rétrodiffusée dans la fibre (Figure 3) par réflectométrie temporelle (technologie de type radar).

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Un laser émet une courte impulsion lumineuse de l’ordre d’une dizaine de nanosecondes à travers la fibre. Ce flash transmis est rétrodiffusé vers sa source dans la fibre par le fait de différents phénomènes physiques (rétrodiffusions Rayleigh, Raman et Brillouin) (Figure 4). Le signal reçu est alors analysé dans les domaines temporel et fréquentiel. La localisation de l’information est connue grâce au temps de retour du signal (temps de vol aller et retour mesuré pour une vitesse de la lumière connue dans la fibre).

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Figure 4. Spectre de rétrodiffusion de la lumière

Application: instrumentation expérimentale d’un tronçon du tunnel du Fréjus

Le capteur SensoLuxTM® a été installé sur le tunnel du Fréjus, plus long tunnel routier d’Europe, reliant la France et l’Italie à travers les Alpes. Le capteur à fibre optique a été posé sur des zones sensibles à proximité de travaux importants : le creusement d’une nouvelle galerie. (Figure 5)

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Figure 5. Tunnel routier du Fréjus

Le système consiste à coller le câble à fibre optique au fond d’une rainure millimétrique creusée à la surface du béton, dans l’enrobage de la structure en béton armé. L’instrumentation a été faite sur 3 anneaux éloignés de 5 m les uns des autres. (Figure 6)

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Figure 6. Plan d’installation de la fibre optique : la fibre repérée en rouge est collée à chaque passage en voute

Le faible diamètre du câble (2mm) le rend facilement intégrable sur la voute par résinage structurel dans des rainures fraisées dans le béton. Le câble à fibres optiques est ainsi protégée pour le suivi sur le long-terme, sans maintenance du système de mesure et sans dérive des données. Cette solution présente par ailleurs les avantages d’être très peu intrusive, et parfaitement intégrée au
matériau. (Figure 7)

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Figure 7. Détail d’une paroi équipée du capteur SensoLuxTM® noyé dans rainure fraisée dans l’enrobage de l’intrados du tunnel.


Le capteur détecte les désordres locaux tels que des fissures ainsi que des déformations générales comme les phénomènes de convergence ou de flexion. Avec l’interrogateur utilisé SensoLogger®, il mesure les déformations du béton sans zone aveugle, avec une résolution spatiale de 50 centimètres
et une précision de ±10 µdef (10 « microdéformation » ou micromètres de déformation par mètre de béton armé).

La mesure de déformation par rétrodiffusion optique Brillouin est une mesure relative car la fibre a des contraintes mécaniques initiales intrinsèque au câble et à sa pose : la mesure initiale est donc nécessaire et constitue la référence. Les mesures suivantes seront comparées à cette première. Par conséquent, les variations de déformation initiale infligées à la fibre lors de la pose n’ont pas d’impact sur la mesure.

Lors de plusieurs études menées sur des ouvrages en béton comportant des gradients thermiques, nous avons développé une méthodologie de découplage des phénomènes mesurés par capteur à fibre optique. Cette méthode est basée sur le principe de superposition des déformations lors de la vie de l’ouvrage.

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Figure 8. Déformation des arches 1, 2 et 3 (µɛ)

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Figure 9. Diamètre du tunnel sur un profil – amplifié 1000 fois

Les structures en béton du Génie Civil ont souvent autant de déformations thermiques que de déformations mécaniques. De plus, l’effet photo-élastique Brillouin est également impacté par la température. Au total, on peut retenir qu’un changement de un degré Celsius dans la fibre SensoLuxTM® noyée dans un béton « libre » va engendrer un changement de déformation mesurée par effet Brillouin d’environ 30 microdéformations. C’est pourquoi nous devons mesurer systématiquement dans le même câble optique la répartition de la température par rétrodiffusion Raman sur une fibre multi-mode distincte de la fibre monomode utilisée pour la rétrodiffusion Brillouin.

Ainsi avec une précision de ±0,1 °C, nous pouvons mesurer les déformations mécaniques avec une précision de l’ordre de ±15 microdéformations. Les variations de déformations mesurées pendant la phase de creusement de la galerie sont présentées par profil sur une échelle de couleurs. (Figure 8)

Sur la figure 9 nous observons un phénomène de convergence très faible et assez régulier sur la voute. Nous constatons finalement lors de ces essais de creusement que le profil du tunnel s’est très peu déformer dans les zones instrumentées.

L’analyse des déformations de la structure à long terme est possible grâce à ces fibres installées. Pour interpréter ces mesures, il faudra évaluer la partie « libre» liée au retrait du béton si on souhaite calculer les contraintes mécaniques qui évoluent à long terme.

Conclusions

La mesure répartie par fibre optique présente une capacité unique pour instrumenter des ouvrages de grande dimension : par rapport aux jauges ou extensomètres classiques, la fibre optique donne une exhaustivité de mesures, réparties sur une large zone, permettant de diagnostiquer des phénomènes
de déformation complexes, dans des milieux hétérogènes. Cette technologie permet de représenter l’état de déformation spatiale du tunnel en temps réel, le tout étant accessible par le gestionnaire d’ouvrage sur un serveur sécurisé.

La faible dimension du capteur lui permet de suivre le comportement des structures depuis l’intérieur même des matériaux (mortier de clavage, voussoirs, béton projeté…).

Sa capacité de détection et de localisation de phénomènes ponctuels (fissuration, arrivée d’eau, fontis..) est également à souligner.

Références

Lamour V., Haouas A., Dubois J.-Ph. & Poisson R. (2009) Long term monitoring of large massive concrete structures : cumulative effects of thermal gradients. 7th International Symposium on NonDestructive Testing in Civil Engineering (NDTCE’09), Nantes, France.

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Projet du Charles de Gaulle Express

Le projet du Charles De Gaulle Express s’inscrit dans Le Grand Paris Express autour d’un plan de réseau de transport public composé de quatre lignes de métro automatique autour de Paris, et de l’extension de deux lignes existantes.

 

Ce projet de liaison ferroviaire en région Île-de-France vise à faire rejoindre la gare de Paris-Est et l’aéroport de Paris-Charles-de-Gaulle en moins de 20 minutes. Avec un budget de plus de 1,7 milliards d’euros, le CDG Express est donc un des projets majeurs qui forgera le visage de la mobilité parisienne de Demain.

 

Une fois de plus, Cementys est reconnu pour son sérieux, sa réactivité et ses solutions technologiques en fournissant un suivi automatique topographique de haute précision pour l’un des plus gros projets ferroviaires parisien du début du siècle. Cementys accompagne Eiffage et SNCF Réseau sur les premiers travaux du CDG express à Tremblay, en Seine-Saint-Denis.
Nous suivons en temps réel la possibilité d’impact des travaux sur la ligne du RER B. A travers 6 théodolites entièrement automatisés, 500 prismes posés sur les rails et des softwares de traitements de données innovants.

Sur une période de 3 mois, Cementys accompagnera SCNF Réseau sur la surveillance de l’impact des travaux d’assainissements sur la ligne Nord du RER B.

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Newsletter Avril 2019

 

 


Notre prochain évènement

L’OTC (Offshore Technologie Conference) est l’événement incontournable de l’industrie du pétrole et du gaz. Chaque année, début mai à Houston, l’OTC -conférences et exposition – attire tous les professionnels de l’industrie pétrolière, para pétrolière et para gazière mondiale.

2 300 exposants internationaux sont réunits et plus de 70 000 professionnels autour des dernières innovations technologiques et les questions environnementales du 4 Mai au 7 Mai à Houston aux USA. Cette année, l’OTC fêtera ses 50 ans d’existence.

L’équipe Cementys

 

Séminaire Cohésion d’équipe Valloire 2019

 

Les équipes de Cementys, SensOptix et Géotys en séminaire Cohésion d’équipe sur la station de ski Valloire dans les Alpes françaises. Au travers d’une approche collaborative nous combinons un évènement de team building au ski avec des ateliers de travail sur l’innovation. Work hard, Play Hard…

Smarter, Faster, Further, TOGETHER for our Customers !

Projets

 

Pont Wadi Laban à Riyad

Cementys a installé pour la première fois un système d’auscultation combinant les technologies GNSS/Insar et des capteurs à fibre optique sur le pont Wadi Leban à Riyad en Arabie Saoudite.

Le pont Wadi Leban est un pont à haubans situé au sud-ouest de Riyad. Il relie le Centre à ses banlieues sud et est emprunté par de nombreux automobilistes. Par conséquent, la surveillance de l’état de ce pont au travers des effets saisonniers et de la circulation est un enjeu important.
 

Nouveau projet Monitoring Grand Paris Express : Ligne 16 Lot 2

Nous avons le plaisir d’annoncer l’obtention du projet Ligne 16 Lot 2 pour le groupement CEMENTYS (mandataire) et Quarta. Cela en tant que sous-traitance du groupement Salini Impregilo et NGE.

Les travaux concernent le tronçon entre l’ouvrage de raccordement au centre d’exploitation d’Aulnay et le puits Bel-Air sur la commune de Chelles.

Deux tunneliers doivent intervenir sur ce tronçon, dont la mise en service est prévue pour fin 2024.

 

En savoir plus

Nouvelle filiale

Cementys Vietnam

Cementys est heureux de vous annoncer la création de sa filiale Cementys Vietnam à Hanoi, dédiée aux métiers d’auscultation et de “data manager”. Elle permet ainsi de répondre à une forte demande de monitoring des infrastructures au Vietnam et de renforcer notre présence auprès de nos principaux clients en Asie.

L’agence vietnamienne assurera également l’astreinte pendant la nuit en France pour les projets Grand Paris grâce au décalage horaire de 6 heures. 

Partenaires

Nous mettons à jour notre site internet afin de mettre en avant nos partenaires financiers et scientifiques

Reponsable Communication et Recrutement
Godefroy Regnier
Email: godefroyregnier@cementys.com


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Nouveau Projet Monitoring Grand Paris Express : Ligne 16 Lot 2

Nous avons le plaisir d’annoncer l’obtention du projet Ligne 16 Lot 2 pour le groupement CEMENTYS (mandataire) et Quarta. Cela en tant que sous-traitance du groupement Salini Impregilo et NGE.

Les travaux concernent le tronçon entre l’ouvrage de raccordement au centre d’exploitation d’Aulnay et le puits Bel-Air sur la commune de Chelles. Cela représente notamment le génie civil de 11,1 km de voies en tunnel et de quatre gares – Aulnay, Sevran-Beaudottes, Sevran-Livry, Clichy-Montfermeil.

Deux tunneliers doivent intervenir sur ce tronçon, dont la mise en service est prévue pour fin 2024.

L’auscultation du projet se compose de :

• Suivi des avoisinants dans la ZIG des ouvrages pendant les travaux
• Suivi des avoisinants dans la ZIG du tunnel sur le tracé pendant le passage des tunneliers
• Suivi des voies SNCF dans la ZIG pendant les travaux et le passage des tunneliers
• Forages réalisés par l’entité GEOTYS et le suivi inclinométrique des parois moulées (y compris les réseaux et les sections mesures renforcées)
• Visualisation des données sur notre logiciel THM-Insight avec l’astreinte 24h/24 7j/7 (avec participation de la filiale CEMENTYS Vietnam)

Ce dernier complète les 5 autres projets d’auscultation remportés par Cementys dans le cadre du projet Grand Paris (T2C, T3A, Ligne 14 GC3, EOLE, Ligne 16 lot 1). Cette obtention confirme le savoir-faire de nos équipes mais aussi la réactivité et l’accompagnement fourni aux clients.

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Pont Wadi Leban à Riyad

De fin 2018 à début 2019, Cementys a installé pour la première fois un système d’auscultation combinant les technologies GNSS/Insar et des capteurs à fibre optique sur le pont Wadi Leban à Riyad en Arabie Saoudite.

Le pont Wadi Leban est un pont à haubans situé au sud-ouest de Riyad. Il relie le Centre à ses banlieues sud et est emprunté par de nombreux automobilistes. Par conséquent, la surveillance de l’état de ce pont au travers des effets saisonniers et de la circulation est un enjeu important.
Au cours de cette intervention, Cementys a remis au goût du jour et amélioré l’installation faite en 2014, qui était toujours en fonctionnement. Nous avons ajouté de nouveaux capteurs à fibre optique et une toute nouvelle combinaison des techniques de mesure GNSS et Insar à des endroits stratégiques du pont, en collaboration avec le Ministère des Transports saoudien.
Les capteurs à fibre optique sont basés sur la technologie des réseaux de Bragg (FBG pour Fiber Bragg Grating). Un réseau similaire à un code barre est photo-inscrit sur la fibre. Une source à spectre large est injectée dans celle-ci et le réseau va réfléchir une longueur d’onde donnée proportionnelle au pas du réseau lors du passage dans le capteur. Trois types de capteurs ont été installés pour mesurer des déplacements, des déformations ou des inclinaisons. Les avantages de la technologie à réseau de Bragg sont la longévité de la mesure sans dérive, la résistance aux environnements corrosifs, l’immunité électromagnétique et la possibilité de mettre à la chaine jusqu’à douze réseaux sur une même voie de mesure.

Le système de mesure GNSS permet de surveiller les déplacements dans les trois directions de l’espace. Trois récepteurs ont été installés, un en haut de chaque pylône et un au milieu du pont sur le tablier. Ils fournissent des mesures continues et régulières :

• De l’inclinaison et de l’éventuel tassement des pylônes.

• Des déplacements absolu et relatif des pylônes dans les directions latérales et longitudinales.

• Des mouvements du centre du tablier.

• De l’accélération. Les modes de vibration peuvent aussi être mesuré en adaptant le système à une mesure plus haute fréquence (10Hz).

Au total, vingt-huit capteurs à fibre optique ont été installés dont deux capteurs de déplacement (un au niveau de chaque joint), quatre inclinomètres (deux en haut de chaque pylône mesurant les inclinaisons dans l’axe du pont et dans l’axe transverse) et vingt-deux capteurs de déformation mesurants les tensions sur les tirants. Cinq système GNSS/Insar ont été installés, ils mesurent les mouvements en haut de chaque pylône et les mouvements du tablier au milieu du pont. Une station météo mesure la température ambiante, la vitesse, la direction du vent et l’humidité relative. Une caméra prend des photos du pont afin d’évaluer la circulation automobile.

Les mesures de déplacements sont corrélées et comparées avec les données provenants de la station météo (vent et température) et de la caméra (circulation automobile). Le but est d’identifier les origines d’anomalies ou de charges exceptionnelles dans le comportement de la structure.

Déplacements horizontaux et verticaux du milieu du tablier.

Les déplacements verticaux sont dûs aux effets thermiques (Température représentée par la ligne rouge).
Le système est entièrement automatisé et autonome grâce à une combinaison de panneaux solaires et batteries. En plus des systèmes GNSS, des réflecteurs d’angle pour onde Radar (Radar Corner Reflector) ont été installés à la même position que les antennes GNSS afin d’expérimenter la surveillance du pont par interférométrie radar.

Une centrale d’acquisition récolte les données venant de tous les capteurs via un réseau de communication entièrement fibré. Ce système traite et envoie les données sur le serveur sécurisé de Cementys sur l’interface web THM Insight©.

Il se compose de deux modes principaux permettant à l’utilisateur de voir la dernière mesure effectuée et l’état du pont (Real Time Display). Il est aussi possible de constater l’évolution des données au cours du temps. Cela permet d’évaluer l’effet des saisons, de la circulation, du vieillissement de la structure et de nombreux autres effets.

Le système permet de mesurer les effets de déformation à court et long termes.

Les effets de déformation à long terme peuvent être causés par
• Le tassement des fondations.
• Les effets de relaxation dû aux contraintes.
• Le fluage du béton.

Les effets de déformation à court terme peuvent être causés par
• Le vent
• La dilation thermique
• La circulation

En parallèle de l’intervention sur le pont Wadi Leban, Cementys a installé un système de surveillance similaire sur le pont Gulf situé en plein centre de Riyad.

Trente-trois capteurs à fibre optique et trois GNSS ont été nécessaires, à des positions stratégiques choisies en collaboration avec le Ministère des Transports saoudien.

L’auscultation, et la surveillance de l’état de santé des structures (Structural Health Monitoring), est un outil très pratique pour accompagner la gestion et la maintenance des ponts. Surveiller les déformations du pont est essentiel pour détecter et prédire des modifications dans les propriétés géométriques, des matériaux ou des performances de celui-ci. Le système THM Insight© récolte de manière continue les mesures de déplacements, les paramètres environnementaux et les conditions d’opération du pont dans le but de fournir des alertes de comportement anormaux.

Ainsi, Cementys est en capacité de délivrer des conseils de maintenance et de réhabilitation du pont ou de tout autre ouvrage.

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