שיטת רדאר לחפירות והקמת מנהרות
בעשורים האחרונים, ככל שהערים גדלות ומתרחבות, הצורך במרחבים תת־קרקעיים נעשה קריטי. מנהרות לא משמשות רק לתעבורת כלי רכב ורכבות אלא גם להעברה של מים, חשמל ותשתיות תקשורת - עמוד השדרה הנסתר של הערים המודרניות. טכנולוגיית "מנהור מוגן" נהפכה לכלי עבודה מרכזי בפרויקטים אלה בזכות יעילות גבוהה והפחתת סיכונים לסביבה שמעל הקרקע.
הטכנולוגיה היא שיטת מנהור מתקדמת המבוססת על מכונת כריית וחפירת מנהרות (TBM). מגן עגול מאפשר חפירה בטוחה בקרקעות רכות או רוויות מים. המכונה טוחנת את הקרקע בחזית, מפנה את החומר לאחור ומתקינה בו־בזמן טבעות בטון קדם יצוק ליצירת דפנות המנהרה. השיטה מספקת יציבות, בטיחות ודיוק גבוה, ומתאימה במיוחד למנהרות מטרו, רכבות, ביוב ותשתיות עירוניות עמוקות.
במשך שנים הסתמכו מהנדסים על טבעות בטון מחוזק קדם יצוק (RC) לחיפוי המנהרות. למרות אמינותן, טבעות אלה חשופות לבעיות במצבים של לחץ מים גבוה, בעיקר סדיקה וחדירת נוזלים. בעקבות זאת התחילו להשתמש בבטון מחוזק בסיבי פלדה (SFRC), המפזר מאמצים באופן אחיד יותר ומציע עמידות טובה לסדקים ודליפות.
בשנים האחרונות נוספו פתרונות מורכבים אף יותר: חיפויים מרובדי שכבות המשלבים RC עם SFRC לצד שכבות איטום והזרקה. אך כאן עולה קושי מרכזי: איך לבדוק את איכות המבנה בלי לפגוע בו?
האתגר בבדיקת חיפויים נסתרים
בדיקות חזותיות אינן אפשריות, שכן סיבי הפלדה והבטון חוסמים את קו הראייה. שיטות סטנדרטיות כגון קידוח ליבה או בדיקות הד פגיעה מספקות מידע, אך גורמות נזק. היה צריך שיטה שאינה הרסנית, שתאפשר הצצה פנימה.
כאן נכנסת לתמונה טכנולוגיית הרדאר חודר הקרקע (GPR). במשך שנים שימשה GPR לבדיקת בטון RC באמצעות שידור גלים אלקטרומגנטיים והחזרת האותות. אולם בבטון סיבי פלדה נוצר רעש רב בשל פיזור האותות, מה שהקשה את פרשנות הנתונים. עד לאחרונה לא הייתה התמודדות מעשית עם הבעיה.
פער זה הביא לשיתוף פעולה של אוניברסיטת טונג'י (Tongji), חברת כריית המנהרות שנגחאי הממוקמת בסינגפור (Shanghai Tunneling Engineering) וחברה סינית לבניית מסילות רכבת (China Railway Construction Corp.). השלושה בחנו את הנושא בפרויקט DTSS-Phase 2 - פרויקט תשתית עצום להולכת שפכים בסינגפור. היקפו והדרישות הטכניות הגבוהות הפכו אותו לאתר ניסוי אידיאלי.
המחקר התקדם בשלושה שלבים עיקריים: תחילה בוצעו סימולציות ממוחשבות באמצעות תוכנת gprMax כדי לבחון את חדירת הגלים דרך סיבי הפלדה בבטון; לאחר מכן נעשו ניסויי מודל פיזיים ששחזרו תנאי חיפוי אמיתיים ובחנו את השפעתם של תדרים; ולבסוף בוצעו בדיקות שטח במנהרות DTSS שאימתו את הממצאים בסביבה הנדסית ממשית.
החוקרים גילו כי תדר של 300 מגהרץ הוא האופטימלי - שילוב נכון בין עומק חדירה לרזולוציה. בתדר זה אפשר לזהות בבירור את השכבות במערכת החיפוי. כמו כן גובשו נוסחאות אמפיריות לתיאור דעיכת האותות בבטון סיבי פלדה, המספקות למהנדסים כלי עבודה כמותיים לפרשנות אמינה יותר של נתוני GPR.
יישום מוצלח של GPR בבטון סיבי פלדה הוא ציון דרך בהנדסת מנהרות. הוא מאפשר בדיקות איכות לא הרסניות גם במבנים מורכבים, חוסך עלויות תיקון עתידיות ומפחית סיכונים. מדובר בפריצת דרך חשובה במיוחד בפרויקטים קריטיים כגון מערכות ביוב עמוקות, רשתות מטרו ומנהרות אנרגיה, שבהן כל כשל עלול להיות הרסני.
