Suomalaisinnovaatiolla kurkistetaan sähköisesti talojen ja katujen alle

Sähköisen tomografian avulla saadaan näkyviin maanalaiset rakenteet ja niiden materiaalit, putket ja kaapelit, maalajit kerroksittain, maaperässä oleva kosteus ja veden kulku tontilla sekä pohjavesi ja peruskallio. Innovaation kehittäjä Deep Scan Tech Oy tulkitsee tulokset, jotka voidaan sitten yhdistää CAD- ja BIM-malleihin 3D-kuvina.

Kolmen VTT-taustaisen tutkijan Antti Knuutin, Pekka Tuomisen ja Juhani Korkealaakson vuonna 2021 perustama cleantech-ohjelmistoyritys on jo ehtinyt osoittaa, että menetelmä soveltuu niin uudisrakentamiskohteisiin kuin olemassa oleviin rakennuksiin ja olemassa olevan infrastruktuurin maanalaisen maailman kartoittamiseen. Menetelmällä nähdään myös rakennusten alle.

Yhtiön referensseihin kuuluu muun muassa Suomenlinnan 200 vuotta vanhan telakan vedenpoistotunnelin tarkan paikan selvittäminen. Poistotunnelin ohella paikannettiin alueet, joissa vesi liikkuu maan alla, jotta voitiin selvittää telakka-altaaseen tihkuvan meriveden kulkureitti ja se voivatko vuodot vaarantaa tulevaisuudessa kuivatelakan rakenteellisen vakauden. Kun telakka-allas rakennettiin yli 200 vuotta sitten, täytettiin pienten saarten välistä aluetta maapäällysteisillä puupadoilla. Sähköisellä kartoituksella näitä historiallisesti arvokkaita insinöörirakenteita on voitu tutkia niitä rikkomatta.

Kuopiossa menetelmää testattiin viikon ajan vesi- ja viemärilinjan vuotojen kartoitukseen. Ympäristöministeriön tukema pilottihanke demonstroi viemärivuotojen tunnistamiseen ja paikantamiseen käytettävien 3D-skannaustekniikoiden suorituskykyä, käytettävyyttä ja kustannustehokkuutta. Se arvioi myös teknologian soveltuvuutta, toistettavuutta ja skaalautuvuutta erilaisten kaupunkien riskialueiden kartoittamiseen. Kiinnostuksen taustalla on se, että ilmastonmuutoksen odotetaan lisäävän ylivuotojen riskejä viemäriverkostossa ja pumppaamoilla. Viemäriylivuodot johtuvat usein huonoista viemäriverkostoista, jotka päästävät hulevettä viemäriverkostoon rikkoutuneiden viemäriputkien ja kaivojen kautta. Lisäksi Suomessa 18 prosenttia juomavedestä vuotaa ulos verkosta.

Sähköinen skannus tuo lisäarvoa muihin putkien kuntoa selvittäviin menetelmiin siinä, että se kertoo sen mitä on putkien ulkopuolella. Vuodon syyksi voidaan nähdä esimerkiksi se, että kaivuri on kuopaissut sitä tai että putki on taipunut maaperän pettämisen vuoksi. Skannauksella voidaan myös varautua riskeihin eli esimerkiksi siihen, että putki on hankalassa kalliotaitteessa paikassa, johon voi tulla vuoto. Putkiverkosta voidaan tehdä jopa digitaalinen kaksonen, jonka avulla näitä riskipaikkoja tarkkaillaan.

Etelä-Suomessa selvitettiin omakotitalon maaperän vesivuotojen juurisyyt. Skannauksessa selvisi, että tontin loiva kalliopinta ohjasi veden suoraan talon alle. Lisäksi havaittiin, että rinteen puoleinen salaoja ei tukkeutumisen vuoksi poistanut tehokkaasti perustusten lähellä olleissa maaperäkerroksissa ollutta vettä.

Yhtiö on mukana myös Olkiluodon ydinjätteen loppusijoituspaikan Onkalon loppusijoituskokeen monitoroinnissa, jossa asennettiin kaksi koekapselia loppusijoitusreikiin Onkalon demonstraatioalueelle noin 50 metriä pitkään tunneliin. Tämän jälkeen noin 420 metrin syvyydessä sijaitseva tunneli täytettiin bentoniitilla ja suljettiin teräsbetonitulpalla samalla tavalla kuin varsinaisessa loppusijoituksessa.

Mittausmenetelmälle on ollut jo kysyntää myös ulkomailla. Tanskassa oli kaksi kohdetta, joista toinen oli vanhan vedenpuhdistamon tontilla ja toinen merenrantatontilla, jonne oli läjitetty maita 1800-luvulta alkaen. Vedenpuhdistamoalueelta löydettiin skannauksella maan alla oleva käytöstä poistettu vesisäiliö sekä useita pienempiä rakenteita ja rakenneosia, kuten putkilinjoja ja -kanaaleja. Merenrantatontilla kartoitettiin vanhan merenpohjan sijainti sekä sen päällä olevat sora- ja hiekkakerrokset. Lisäksi maan alta löytyi betoni- ja rautarakenteita. Päivässä tai kahdessa tehdyt skannaukset palvelivat täydennys- tai uudisrakennussuunnittelua näillä tonteilla.

Ukrainan Melitopolissa yhtiö kävi kartoittamassa kaatopaikan ja sen vuotovedet ja vapautuvat biokaasut. Kaatopaikkojen suotovesi sisältää usein runsaasti ammoniakkia, joka ympäristöön joutuessaan reagoi muodostaen vesistöjen rehevöitymistä aiheuttavia nitraatteja.

Japanissa yhtiö on tutkinut Osakan keskustaan rakennettavien tornitalojen pohjaolosuhteita. Kyseessä on jokisuisto, jonne joki on tuonut hienojakoista maata. Rakentamisen haasteena on myös se, että vanhan kaupunkikeskustan alla on vanhoja rakenteita piilossa. Toisaalta hankkeisiin kannattaa panostaa, sillä tonttimaa on arvokasta ja yhtiön asiakkaana on jättimäinen rakennusliike Takenaka.

Näkymä katujen alapuoliseen maailmaan

Maanalaista maailmaa tutkivalle pintaa rikkomattomalle, maatutkaa tarkemmalle menetelmälle on ollut pitkään iso tarve. Sellaisen puutetta valiteltiin jo Hämeentien remonttia suunniteltaessa Helsingissä, sillä katutöitä ei voi jouduttaa esimerkiksi tahtituotannolla, jos työt pysähtyvät jatkuvasti maan alla olevien yllätysten vuoksi. Kun maan alla olevia putkia ei saatu kartoitettua, kävi Hämeentiellä niin, että työkone rikkoi vesiputken kymmenen metriä siitä paikasta, missä putken piti vanhojen suunnitelmien mukaan olla. Tämä on valitettavan tuttu näky monissa katutöissä.

Kansainvälisesti käytössä oli jo silloin teknologioita, joilla lähtötietoja olisi voitu selvittää pintaa rikkomatta. Suomessa näiden geofyysisten menetelmien käyttö ja tutkimus olivat silloin kuitenkin jälkijunassa esimerkiksi Lontooseen verrattuna, jossa maata rikkomattomia menetelmiä käytettiin monipuolisesti hyödyksi. Professori Olli Seppäsen totesi jo vuonna 2020, että tälle alalle tarvittaisiin samalla tavalla oma professuuri kuin on digitaalisessa infrassakin.

Aika näyttää pystyykö Deep Scan Tech vastaamaan tähän haasteeseen. Yrityksen kehitystoiminnasta vastaavan tekniikan tohtori Pekka Tuomisen mukaan menetelmällä on mahdollista vastata katuhankkeiden hankalimpaan haasteeseen eli jopa löytää skannaamalla putki, joka on toisen alla. ”Muutenkin menetelmä tuottaa maatutkaa tarkempia tietoja esimerkiksi eri maalajeista, maan muokkauksen jättämistä jäljistä, materiaaleista ja kosteudesta. Lisäksi sillä nähdään syvemmälle, kymmeniin metreihin asti.”

Tuominen sanoo, että maatutkalla saadaan kuva vain yhdestä suunnasta tulevista heijastuksista. Siksi päällekkäin olevat putket jäävät näkemättä. Sähköisellä tomografialla sen sijaan muodostetaan kolmiulotteinen kuva eri suunnista ja kaksi päällekkäin olevaa putkea saadaan näkyviin helposti. Sellainen rajoite menetelmällä kuitenkin on, että jos putkia on iso määrä pienellä alueella, niin kaikkia yksittäisiä putkia voi olla vaikea erottaa toisistaan. Tällöinkin kuitenkin nähdään millä alueella maanalaisia putkia on.

Vanhaa infrastruktuuria hän pitää yhtenä menetelmän pääkohteista. Kun infrastruktuurin todellista tilaa ei nähdä maan alta, vuodot, kosteus, saastunut maaperä, maaperän liikkeet ja perustuksen huononeminen voivat kehittyä hitaasti jopa katastrofaalisiin seurauksiin. Rakenteiden, kuten vesijohtoverkoston ikä, ei vielä kerro juuri mitään niiden kunnosta: satavuotias voi olla paremmassa kuin kuusikymppinen.

Kriittisen infrastruktuurin valvonnassa pintaa rikkomattomilla mittausmenetelmillä on iso potentiaali. Skannauksella voidaan nähdä esimerkiksi padon sisäiset ja alapuoliset piilevät vuodot. Viemäri- ja vesijärjestelmissä puolestaan voidaan paikantaa vuotoja.

”Voimme skannata maata nähdäksemme olosuhteet pinnan alla tai jopa nähdä olemassa olevien rakennusten ja infrastruktuurin alta tutkiaksemme niiden kuntoa. Sellaiset asiat kuin kosteus, maakerrokset ja erilaiset perustusten osat tulevat näkyviin.”

Skannaukset palvelevat myös rakennusten pohjan ja perustuksen tilan selvittämistä. Kosteusmittarit antavat Tuomisen mukaan tästä vain rajallista tietoa. Tarkempien selvitysten tekeminen taas vaatisi poraamista tai kaivamista.

”Sähköisen tomografian tuomat tulokset mahdollistavat kolmiulotteisen näkymän rakennuksen pohjalla piileviin ongelmiin ja vaurioihin.”

Mallia lääketieteestä ja geofysiikasta

Sähköisten tomografiamittausten avulla on mahdollista muodostaa kuva tutkittavista kohteesta fysikaalisen vuorovaikutuksen kautta mittaamalla kohdeaineesta saatu vaste. Vastesignaaleista voidaan Deep Scan Tech:n kehittämien matemaattisten mallien avulla päätellä eri aineiden jakautuminen kohteen sisällä. Tomografiset mittaustulokset voidaan tämän jälkeen esittää poikkileikkaus- tai 3D-kuvina, joissa esimerkiksi rakenteiden sisäiset kosteuden aiheuttamat riskikohdat on visualisoitu läpivalaisukuvan tapaisesti kerros kerrokselta.

Kuvantamismenetelmä on samanlainen, joka on käytössä lääketieteellisissä ja geofysiikkaan liittyvissä kohteissa. Lääketieteessä käytetään impedanssitomografiaa (EIT), joka perustuu pintaelektrodien mittauksiin. EIT tuottaa kuvan tutkitusta ruumiinosasta mittausten avulla, ja se perustuu eri kudosten sähkönjohtavuuden, permittiivisyyden ja impedanssin vaihteluun. Geologian alalla käytetään sähköistä resistanssitomografiaa (ERT), joka luo kuvan maan rakenteesta sähköisen vastuksen vaihtelun mittauksista. Verrattuna EIT-tekniikkaan, siinä kuvanmuodostuksen voidaan katsoa olevan matemaattisessa mielessä käänteisen ongelman ratkaisua.

Rakennetun ympäristön kohteita varten Deep Scan Tech hyödyntää menetelmien yhdistelmää, jossa edellä mainittuja mittaustapoja on täydennetty aika-alueen indusoidun polarisaation menetelmällä (DCIP), jossa mitataan tomografisesti maaperän resistanssivaihtelua taajuuksien suhteen ja sitten näistä mittaustuloksista lasketaan inversiolaskennalla niitä vastaavat keskeiset maaperän sähköiset ominaisuudet (reaalinen ja imaginaarinen sähkönjohtavuus, normalisoitu varautuvuus ja vaihe-ero) kolmiulotteisina parametrijakaumina. Kahden tai useamman sähköisen parametrin käyttö tulosten analysoinnissa vähentää tulkinnanvaraisuutta, kun mittaukset liittyvät monimutkaisiin rakenteisiin tai geologisiin muodostelmiin.

Käytännössä kenttämittaukset toteutetaan painamalla maahan elektrodeja, joiden muodostamassa mittauskentässä tietokoneohjatusti käydään läpi elektrodien väliset sähköiset yhteydet tomografiakuvan muodostamiseen tarvittavan datan keräämiseksi. Tyypillisesti kenttämittaukset toteutetaan joko linjamittauksena, jossa kaikki elektrodit ovat suorassa linjassa, tai kahden erillisen linjan välisenä mittauksena. Mittauslinjat tehdään kahdella monijohtimisella kaapelilla; kummassakin kaapelissa on 32 elektrodia, ja tyypillinen mittauspituus on joko 62 metriä rinnakkaisten kaapelien osalta tai 126 metriä yhden lineaarisen kaapelin osalta. Laajemmat mittausalueet katetaan tekemällä useita peräkkäisiä mittauksia.

Yksinkertaistetusti neljän elektrodin välisiä vastusmittauksia voidaan käyttää keskimääräisen sähkönvastuksen arvioimiseen maanalaisessa tilavuudessa. Kuitenkin tällainen mittaus ei anna aitoa tietoa tilavuuden vastusjakaumasta, koska virta hakeutuu kohtiin, joissa on erityisen alhainen vastus. Siksi todellisen vastuksen arvioimiseksi käytetään menetelmää, jota kutsutaan inversioksi tai käänteismallinnukseksi.

Deep Scan Tech kehittää parhaillaan liiketoimintaansa kohti skaalautuvaa toimintamallia, joka mahdollistaisi yrityksen keskittyä analyyseihin ja kasvattaa asiakaskuntaansa ja liikevaihtoaan ilman merkittäviä kustannuksia. Mittauksia tekevien kumppaneiden hankkiminen voi olla yksi keino siihen.

Lisätietoa: Pekka Tuominen Deep Scan Tech Sähköisellä tomografialla maanalainen osa rakennuksista haltuun. Rakennusfysiikkapäivien luento keskiviikkona 25.10 Tampere-talolla.