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

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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