Cavity Geometry Evaluation beneath Shield Tunnel Linings using Ground Penetrating Radar and Acoustic Sensing

आधुनिक शहरों की हलचल भरी सड़कों के काफी नीचे, बुनियादी ढांचे की एक छिपी हुई दुनिया समाज को गतिशील रखती है। सबवे, उपयोगिता सुरंगें और भूमिगत मार्ग विशाल मशीनों द्वारा खोदे जाते हैं, जो पीछे कंक्रीट के छल्ले छोड़ देते हैं जो पृथ्वी को थामे रखते हैं। इन छल्लों को सुरक्षित रखने के लिए, श्रमिक नए कंक्रीट और आसपास की मिट्टी के बीच के सूक्ष्म अंतराल को 'ग्राउट' नामक एक गाढ़े, सीमेंट जैसे पेस्ट से भर देते हैं। यह बैकफिलिंग अत्यंत महत्वपूर्ण है; यह सुरंग को सहारा देती है और जमीन को खिसकने से रोकती है। हालांकि, यदि यह ग्राउट पूरी तरह से नहीं डाला गया या समय के साथ बह गया, तो सुरंग की दीवारों के पीछे हवा की खाली जेबें (पॉकेट्स) बन सकती हैं। ये छिपी हुई गुहाएं (कैविटीज़) खतरनाक होती हैं क्योंकि वे संरचना को कमजोर करती हैं, जिससे अचानक ढहने की संभावना बनी रहती है, फिर भी वे सुरंग के अंदर से अदृश्य रहती हैं जहाँ कंक्रीट बिल्कुल चिकना दिखाई देता है।

दशकों से, इंजीनियरों ने सुरंग को बिना तोड़े इन खाली स्थानों को खोजने का प्रयास किया है। उन्होंने ग्राउंड-पेनेट्रेटिंग रडार जैसे उपकरणों का उपयोग किया है, जो सामग्री में बदलाव देखने के लिए जमीन में रेडियो तरंगें भेजता है, और थर्मल कैमरे जो तापमान के अंतर को देखते हैं। लेकिन इन उपकरणों की एक सीमा (ब्लाइंड स्पॉट) सुदृढ़ कंक्रीट (रिनफोर्स्ड कंक्रीट) के मामले में आती है, जिसका उपयोग अधिकांश आधुनिक सुरंगों में किया जाता है। इन दीवारों के भीतर, स्टील की छड़ों का एक ग्रिड, जिसे रीबार कहा जाता है, एक अराजक संकेत उत्पन्न करता है जो अक्सर उन दोषों को छिपा देता है जिन्हें इंजीनियर ढूंढने की कोशिश कर रहे होते हैं। जब रडार तरंगें स्टील से टकराती हैं, तो वे एक भ्रमित करने वाले शोर के रूप में वापस आती हैं, जिससे यह पहचानना लगभग असंभव हो जाता है कि प्रतिबिंब एक स्टील बार से आया है या दीवार के पीछे के किसी खतरनाक छेद से। यह अनिश्चितता टनल ऑपरेटरों को उनके बुनियादी ढांचे की सुरक्षा के बारे में अनुमान लगाने पर मजबूर कर देती है।

कोरिया यूनिवर्सिटी और कुनकुक यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने पारंपरिक रडार के साथ एक सरल, फिर भी अक्सर अनदेखे उपकरण—एक माइक्रोफ़ोन—को मिलाकर एक अलग दृष्टिकोण परीक्षण करने का निर्णय लिया। उनका लक्ष्य इन छिपी हुई गुहाओं का पता लगाना और उनके आयामों का अनुमान लगाना था। इसके लिए, उन्होंने प्रयोगशाला में टनल लाइनिंग का एक बड़े पैमाने का मॉडल बनाया। उन्होंने एक वास्तविक टनल वॉल की नकल करने के लिए एक मोटा, सुदृढ़ कंक्रीट प्लेट बनाया, जिसमें लगभग 38 सेंटीमीटर की दूरी पर स्टील की छड़ों का एक यथार्थवादी ग्रिड भी शामिल था। इसके नीचे, उन्होंने जमीन का प्रतिनिधित्व करने के लिए एक दूसरा कंक्रीट प्लेट रखा। इस निचले प्लेट पर, उन्होंने चार विशिष्ट खाली स्थान बनाए ताकि गुहाओं का अनुकरण किया जा सके: दो वर्गाकार थे और दो गोलाकार, जिनकी चौड़ाई और व्यास 30 से 60 सेंटीमीटर के बीच था। उन्होंने बाकी के अंतराल को मोर्टार से भर दिया ताकि बैकफिल के रूप में कार्य किया जा सके, और केवल विशिष्ट गुहाओं को खाली छोड़ा।

शोधकर्ताओं ने फिर सुदृढ़ प्लेट की सतह पर दो अलग-अलग परीक्षण किए। सबसे पहले, उन्होंने एक ग्राउंड-पेनेट्रेटिंग रडार यूनिट का उपयोग किया, जिसे क्षेत्र को स्कैन करने के लिए विशिष्ट रेखाओं के साथ खींचा गया। रडार छवियों ने अपेक्षित परिणाम दिखाए: स्टील की छड़ों ने मजबूत, घुमावदार प्रतिबिंब बनाए जिन्होंने चित्र पर प्रभुत्व जमा लिया। हालांकि रडार यह पता लगा सकता था कि गुहाओं वाले क्षेत्रों में कुछ अलग था, लेकिन खाली स्थानों के संकेत स्टील की छड़ों के संकेतों के साथ उलझ गए थे। शोधकर्ताओं ने पाया कि वे इन ओवरलैपिंग संकेतों को अलग करने के लिए 'वेवलेट ट्रांसफॉर्म' नामक एक गणितीय तकनीक का उपयोग कर सकते हैं, और वे देख सकते थे कि जैसे-जैसे गुहाएं बड़ी होती गईं, सिग्नल की ताकत भी बढ़ती गई। हालांकि, स्टील की छड़ों ने छेदों के किनारों को स्पष्ट रूप से परिभाषित करना या यह निर्धारित करना बहुत कठिन बना दिया कि कोई गुहा वर्गाकार थी या गोल; अध्ययन ने निष्कर्ष निकाला कि गुहा के आकार की पहचान करना चुनौतीपूर्ण बना हुआ है और रडार का उपयोग करके आयाम के अनुमान की सटीकता कम हो सकती है।

इसके बाद, टीम माइक्रोफ़ोन की ओर मुड़ी। रेडियो तरंगें भेजने के बजाय, उन्होंने कंक्रीट की सतह पर प्रहार करने के लिए एक विशेष हथौड़े का उपयोग किया, जिससे एक तीखी ध्वनि और एक कंपन उत्पन्न हुआ जो प्लेट के माध्यम से यात्रा करता है। एक संवेदनशील माइक्रोफ़ोन, जिसे सतह से केवल दो सेंटीमीटर ऊपर रखा गया था, ने प्रहार के जवाब में हवा के कणों के कंपन को सुना। यहाँ का तर्क इस बात पर निर्भर करता है कि एक प्लेट कैसे व्यवहार करती है जब उसके नीचे एक छेद होता है। जब कंक्रीट ठोस होता है और जमीन द्वारा पूरी तरह से समर्थित होता है, तो वह सख्त होता है और झुकने का विरोध करता है। लेकिन जब उसके नीचे एक खाली गुहा होती है, तो प्लेट का वह हिस्सा लचीला हो जाता है, जैसे कि एक ट्रैम्पोलिन। जब उस पर प्रहार किया जाता है, तो लचीला हिस्सा अलग तरह से कंपन करता है, जिससे एक अलग चरित्र वाली ध्वनि उत्पन्न होती है जो ठोस हिस्सों से भिन्न होती है।

माइक्रोफ़ोन से प्राप्त परिणाम आश्चर्यजनक रूप से स्पष्ट थे। शोधकर्ताओं ने अपने सर्वेक्षण लाइनों के साथ हर बिंदु पर प्लेट की "लचीलापन" (फ्लेक्सिबिलिटी) को मापा। जहाँ कंक्रीट ठोस था, वहाँ लचीलापन कम और स्थिर रहा। लेकिन जैसे ही माइक्रोफ़ोन किसी गुहा के ऊपर से गुजरा, लचीलापन काफी बढ़ गया। डेटा ने दिखाया कि ठीक वहीं लचीलापन तेजी से बढ़ा जहाँ छेद स्थित थे, जिससे टीम को उच्च सटीकता के साथ गुहाओं के किनारों को पहचानने में मदद मिली। रडार के विपरीत, माइक्रोफ़ोन को कंक्रीट के भीतर मौजूद स्टील की छड़ों से कोई खास फर्क नहीं पड़ा; प्लेट के छेद के ऊपर मुड़ने की आवाज स्टील के शोर को अनदेखा करने के लिए पर्याप्त स्पष्ट थी। टीम ने पाया कि वे न केवल छेद की उपस्थिति का पता लगा सकते थे, बल्कि तुलनात्मक रूप से उसके आकार का भी अनुमान लगा सकते थे। बड़ी गुहाओं के कारण लचीलेपन में अधिक वृद्धि हुई, और माइक्रोफ़ोन ने 30-से सेंटीमीटर और 60-से सेंटीमीटर के छेदों के बीच स्पष्ट अंतर किया।

सबसे प्रकट करने वाला निष्कर्ष यह था कि गुहा का आकार ध्वनि को कैसे प्रभावित करता है। जब शोधकर्ताओं ने गोलाकार छेदों की तुलना वर्गाकार छेदों से की, तो उन्होंने देखा कि समान चौड़ाई के गोलाकार छेद की तुलना में वर्गाकार छेद के ऊपर लचीलेपन का क्षेत्र अधिक चौड़ा था। ऐसा इसलिए हुआ क्योंकि वर्गाकार आकार सर्वेक्षण रेखा की पूरी लंबाई में अपनी पूरी चौड़ाई बनाए रखता है, जबकि गोलाकार आकार किनारों पर संकरा होता जाता है, जिससे लचीलेपन का क्षेत्र कम हो जाता है। हालांकि, अध्ययन ने उल्लेख किया कि हालांकि ध्वनिक संवेदन (एकुस्टिक सेंसिंग) पद्धति ने गुहा के किनारों को निर्धारित करने में स्पष्ट लाभ दिखाया, लेकिन विस्तृत गुहा आकारों से जुड़े लचीलेपन के अंतर नगण्य थे। इस सूक्ष्म अंतर का अर्थ था कि हालांकि शोधकर्ता गुहा के आकार का अनुमान लगा सकते थे, लेकिन वे केवल लचीलेपन के आधार पर वर्गाकार या गोलाकार आकार के बीच विश्वसनीय रूप से अंतर नहीं कर सकते थे। जहाँ रडार को स्टील के सिग्नल से छेद के सिग्नल को अलग करने में संघर्ष करना पड़ा, वहीं माइक्रोफ़ोन ने इस बात का एक स्पष्ट और सीधा मानचित्र प्रदान किया कि जमीन कहाँ गायब थी।

अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि हालांकि ग्राउंड-पेनेट्रेटिंग रडार एक उपयोगी उपकरण है, लेकिन सुदृढ़ कंक्रीट के पीछे गुहाओं की सटीक ज्यामिति को मैप करने की इसकी क्षमता स्टील की छड़ों के हस्तक्षेप के कारण सीमित है। इसके विपरीत, माइक्रोफ़ोन का उपयोग करके ध्वनिक संवेदन (एकुस्टिक सेंसिंग) इन छिपी हुई गुहाओं का पता लगाने और उनके आयामों का अनुमान लगाने का एक अधिक विश्वसनीय तरीका प्रदान करता है। सुरंग की दीवार के कंपन को सुनकर, इंजीनियर रडार छवियों के अकेले देखने की तुलना में बहुत अधिक सटीकता के साथ एक गुहा की सीमाओं की पहचान कर सकते हैं। यह सुझाव देता है कि भविष्य में, इन दोनों विधियों को मिलाने से इंजीनियरों को दीवारों के पीछे छिपे खतरों की एक स्पष्ट तस्वीर मिल सकती है, जिससे यह सुनिश्चित हो सके कि हमारे शहरों की भूमिगत धमनियां सुरक्षित और सुदृढ़ बनी रहें।