Подводные туннели мостов для автомобильного движения существуют по всему миру и обеспечивают связь между городами. Однако после постройки за этими туннелями сложно вести мониторинг и обслуживание, часто требуются остановки движения или инвазивные методы, которые создают риски для конструкций.
Мюография как метод мониторинга
Мюография — это метод визуализации, использующий мюоны высокой энергии, которые могут проходить сотни метров внутри Земли. Этот метод позволяет проводить неинвазивный осмотр подземной инфраструктуры.
В Журнале прикладной физики группа исследователей из государственных и частных организаций в Шанхае применила этот метод к внешнему кольцу Шанхайского тоннеля, который проходит под рекой Хуанпу как часть кольцевой скоростной автомагистрали города.
Принцип работы
Поскольку отложения, состоящие из грязной почвы и илистой глины, имеют более высокую плотность, чем окружающая туннель вода, они более эффективно снижают поток мюонов, чем одна вода. Переносная система обнаружения потока мюонов, размещённая внутри туннеля, чувствительна к этим различиям, что позволяет выявлять места с высоким уровнем накопления отложений.
«Мюоны теряют энергию в основном за счёт ионизации, когда они электромагнитно взаимодействуют с атомами и выбивают из них электроны, — сказал автор Ким Сианг Хо. — Более плотные материалы приводят к более высоким потерям энергии, эффективно блокируя больше мюонов. Гранулометрический или глинистый состав отложений усиливает этот эффект».
Результаты исследования
Используя комбинацию пространственного сканирования по длине туннеля и моделирования прохождения мюонов через упрощённую модель туннеля, исследователи составили карту толщины отложений. Они собрали данные за 10 минут в каждой точке с интервалом в 50 метров в качестве доказательства своего метода, но при его фактическом внедрении они планируют установить несколько детекторов в фиксированных точках по всему туннелю для круглосуточного мониторинга.
Исследователи намерены распространить свои исследования на несколько других туннелей в Шанхае и отмечают, что другие города могут легко внедрить этот метод в свою инфраструктуру. Всё, что для этого нужно, — это базовая информация о геометрии и материалах туннеля, данные об окружающей среде и исходные измерения потока мюонов.
«Сложных моделей заранее не требуется — метод работает с упрощёнными входными данными, проверенными с помощью моделирования в этом исследовании, — сказал Хо. — Этот метод также может выявлять опасные подземные полости, например, те, которые образуются, когда прорвавшаяся труба вымывает почву, создавая угрозу скрытого обрушения».
Применение мюографии
Мюография использовалась для археологических исследований, разведки полезных ископаемых и многого другого, но отслеживание изменений в системе с течением времени — это относительно новое практическое применение.
«Мы сейчас находимся в поистине захватывающей эпохе мюографии, — сказал Хо. — Мы надеемся сотрудничать с другими исследователями, чтобы применить эти достижения фундаментальной науки для решения насущных социальных задач».
Предоставлено Американским институтом физики.