control geométrico en la ejecución de túneles.

Transcripción

COTROL GEOMÉTRICO E LA EJECUCIÓ DE TÚELES
CONTROL GEOMÉTRICO EN
LA EJECUCIÓN DE TÚNELES.
ILUSTRE COLEGIO OFICIAL DE
IGEIEROS TÉCICOS E TOPOGRAFÍA
Madrid, abril de 2.008
1. MÉTODOS COSTRUCTIVOS
1.1. Nuevo método Austriaco (NATM)
1.2. Métodos Integrales
1.3. Métodos constructivos menos frecuentes
2. MAQUIARIA E ISTALACIOES
3. EQUIPOS DE MEDICIÓ
3.1. Estaciones robotizadas
3.2. Láser-escáner 3D
4. COTROL GEOMÉTRICO DE OBRA
4.1. EN EJECUCIÓN
4.1.1.
4.1.2.
4.1.3.
4.1.4.
4.1.5.
Metodología
Trabajos de campo
Trabajos de gabinete
Convergencias
Errores direccionales
4.2. EXCAVACIÓN TERMINADA
4.2.1.
4.2.2.
4.2.3.
4.2.4.
4.2.5.
Unidades pendientes de ejecución
Encofrados y revestimiento
Ajustes de trazado
Equipos láser 3D
Metodología
5. APLICACIOES (PERFILÓMETROS)
5.1.
5.2.
5.3.
5.4.
5.5.
5.6.
Estado de alineaciones
Secciones tipo
Proceso de datos
Editor de perfiles
Resultados
Análisis de desviaciones
MÉTODOS COSTRUCTIVOS
Como en alguna ocasión expertos en túneles han reconocido, cualquier planteamiento
o sugerencia referente a túneles puede recibir críticas razonables pero es de esperar
que, pese a las limitaciones inevitables, todo conocimiento pueda ser de utilidad a los
profesionales que intervienen en el complicado mundo de la obra subterránea.
Cualquier actividad de orden técnico, incluida las tareas de ámbito topográfico,
encaran un serio reto sobre cual es el mejor momento de aplicación, de hecho, la
ejecución de una obra subterránea se desarrolla en un camino crítico permanente
haciendo imposible iniciar una nueva unidad de obra sin finalizar la precedente.
Esta causa provoca ciertos inconvenientes a la hora de planificar la intervención de los
equipos topográficos en el interior de un túnel, sobre todo si se tiene en cuenta la
importancia de un correcto control geométrico y cuantitativo de una obra de estas
características, por cierto, poco reconocido con habitual frecuencia.
ATM (uevo método Austriaco)
El nuevo método austriaco es probablemente el sistema más empleado en la
excavación de túneles en mina. El concepto fue introducido en 1.964 por Ladislao
Von Rabcewicz para la construcción de túneles en Austria, de donde obtiene su
nombre.
El método constructivo empleado provoca que el propio terreno forme un anillo de
descarga en el contorno de la excavación, reduciendo las presiones que actúan sobre
el sostenimiento. Numerosos autores lo califican como un sistema apropiado para
rocas competentes pero la realidad es que, si se observa cuidadosamente su
clasificación, espesores y comportamiento del sostenimiento, se puede emplear
satisfactoriamente en terrenos con cierto grado de alteración.
De hecho, en nuestro país se pueden atravesar cientos de kilómetros de túnel para
cuya ejecución se ha empleado el NATM y no siempre se encuentra un macizo rocoso
ideal.
Básicamente, NATM utiliza hormigón proyectado y bulones como soporte primario;
el propio terreno participa en la función portante de la excavación realizada y para
aumentar esta función debe establecerse un confinamiento radial. Este confinamiento
debe ser flexible para permitir la deformación del terreno y su confinamiento,
logrando la estabilización de las tensiones con la participación prioritaria del macizo
rocoso.
El nuevo método Austriaco permite una gran variedad de formas geométricas de
excavación, sostenimiento aplicado y subdividir las fases de excavación según las
necesidades de cada situación concreta.
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Entre las grandes ventajas del método se encuentra la posibilidad de adoptar medidas
anticipadas de sostenimiento previas a la excavación y posteriores al sostenimiento
primario. Entra las primeras contamos con la posibilidad de realizar paraguas de
micropilotes o tratamientos Jet-Grouting y los procesos de inyecciones de
consolidación de terreno y refuerzos, permiten adaptar las características del
sostenimiento según el comportamiento de la excavación.
Con la experiencia adquirida en macizos rocosos competentes este método se
comienza a aplicar en condiciones poco favorables, con rocas alteradas y suelos,
presencia de agua y materiales sin cohesión mediante la adecuada justificación de uso
de los sistemas de sostenimiento anticipados. Tienen indudables ventajas en el método
constructivo pero hacen necesario un incremento de recursos en los sistemas de
control y seguimiento geométrico y cuantitativo.
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PARAGUAS DE MICROPILOTES
Permiten ejecutar un sostenimiento anticipado en rocas y suelos de calidad mala o
muy mala, reducen las deformaciones y aumentan la seguridad en rocas muy alteradas
y suelos.
Su colocación requiere replanteo por parte de los equipos topográficos. Producen
importantes excesos de la excavación y desviaciones en la medición de hormigón de
revestimiento por la exigencia de crear la superficie minima necesaria en el frente
para su colocación. Esta situación exige obtener datos fiables de la excavación
realizada para efectuar las mediciones oportunas de los excesos producidos y su
justificación.
JET-GROUTING
De forma similar a los paraguas de micropilotes, el sistema de consolidación JetGrouting se suele aplicar para la consolidación de suelos granulares transformándolos
en suelos cementados. A los inconvenientes de los paraguas de micropilotes se debe
añadir la complejidad y costes de ejecución por la necesidad de empleo de aparatosos
equipos de inyección que dificultan cualquier otra actividad en obra durante su
realización.
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INYECCIONES
Consolidan el terreno aumentando su capacidad portante. Su ejecución se suele
producir tras el frente de excavación por lo que afecta mínimamente al desempeño de
labores topográficas. Debe establecerse un sistema de control y seguimiento que
asegure la calidad, presión y volumen de material inyectado.
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CONTROLES GEOMÉTRICOS EN NATM
La ejecución de un túnel mediante NATM se realiza en fases de ejecución cíclicas que
suelen ser, salvo incidencias puntuales, idénticas para todo el proceso de excavación y
sostenimiento.
La mayor parte de la fases de
ejecución implican un elevado nivel de
ruido, atmosfera sucia y tráfico denso
de maquinaria y elementos de
transporte; por esta razón los equipos
topográficos deben desarrollar su
trabajo aprovechando los escasos
momentos en que las condiciones
ambientales son óptimas, sobre todo
para realizar trabajos de precisión y
teniendo en cuenta que, salvo en casos
puntuales plenamente justificados, la
producción de la obra no puede ni
debe detenerse.
Uno de los momentos idóneos para
efectuar trabajos que requieren una
gran precisión en las mediciones lo
encontramos en la fase de perforación
y carga del explosivo, momento en el
que la atmósfera en el interior del
túnel se encuentra libre de partículas
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en suspensión. Es necesario ajustar bien los tiempos de trabajo para evitar que en
pleno proceso de medición, nos veamos obligados a abandonar el túnel por el disparo
de la carga explosiva, lo que nos obliga a desmontar todos los equipos de medición
estacionados así como los elementos de anclaje y puntería.
En aquellos casos en los que la excavación se realiza mediante el empleo de
elementos mecánicos como martillos (pica-pica) o rozadoras, el tiempo disponible
para realizar trabajos de precisión aumenta considerablemente y al no existir
explosivo, se elimina la necesidad de abandonar precipitadamente la labor iniciada.
También se puede operar ventajosamente en las fases de gunitado (hormigón
proyectado), siempre y cuando esta actividad se desarrolle a cierta distancia, no
enturbie la atmósfera y como consecuencia no se ponga en entredicho la fiabilidad y
precisión de los datos obtenidos.
FASES DE EJECUCIÓ (CICLOS)
EMPLEO DE EXPLOSIVOS
PERFORACION
Excelente momento para realizar
trabajos que requieran precisión
CARGA
VOLADURA
No operativo
VENTILACIÓN
Tráfico denso de vehículos de
DESESCOMBRO
transporte
Aceptable a cierta distancia del
SANEO/SELLADO
frente
EXCAVACIÓ CO MEDIOS MECÁICOS
EXCAVACION
DESESCOMBRO
SANEO/SELLADO
Excelente momento para realizar
trabajos que requieran precisión
Tráfico denso de vehículos de
transporte
Aceptable a cierta distancia del
frente
SOSTENIMIENTO Y REFUERZO
BULONADO
GUNITA (HP)
MALLA
CERCHAS
GUNITA (HP)
BERNOLD
GUNITA (HP)
Condiciones aceptables si no se realizan otras actividades; muy corto espacio de tiempo
Atmosfera cargada de partículas en suspensión; Posibilidad de realizar mediciones de
precisión media si se está alejado del punto de hormigonado.
Condiciones aceptables hasta el comienzo del hormigón
Condiciones aceptables hasta el comienzo del hormigón
Al margen de cualquier solicitud de comprobación por parte de la Dirección de Obra
que deba ser atendida, los equipos de topografía deben poner especial empeño en la
toma de datos en tiempo y forma para garantizar el riguroso control de los siguientes
aspectos:
•
Dirección de la excavación.
•
Control de sección e invasiones.
•
Medición de unidades de obra.
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DIRECCIÓN DE LA EXCAVACIÓN
Toda obra ha de ajustarse a un plan concreto que establece los tiempos de ejecución
que se deben cumplir con la minima desviación y retraso posibles. En el caso
particular que nos interesa, la observación del plan de ejecución adquiere un carácter
relevante pues cualquier retraso producido en una unidad de obra, afecta
inevitablemente a todas las que le preceden con el evidente retraso en los
cumplimientos en plazos establecidos.
Atendiendo a esta premisa los túneles suelen ejecutarse por dos o mas frentes
diferentes y como consecuencia directa, los equipos responsables de topografía de
obra, deben extremar las medidas adecuadas para garantizar la correcta dirección de la
excavación. Toda precaución es poca, y a pesar de que el sistema topográfico de
unión de bocas se encuentre perfectamente comprobado, los trabajos de poligonación
en el interior transcurren y se realizan en un medio ciertamente hostil, siendo
frecuente la destrucción accidental de referencias topográficas (vértices de poligonal)
y desplazamientos de referencias por la propia convergencia del terreno que no
pueden pasarse por alto.
En túneles de cierta longitud es necesario plantearse la necesidad de utilizar sistemas
de direccionamiento giroscópico para verificar la orientación absoluta y evitar errores
que en grandes distancias pueden adquirir una magnitud importante, invalidando la
excavación realizada y haciendo extremadamente compleja cualquier solución para
poner remedio a la incidencia. Túneles importantes construidos en nuestro país han
recurrido a sistemas giroscópicos para verificar la alineación de la obra, y a pesar del
elevado coste de estos sistemas y la complejidad de su utilización, están plenamente
justificados por el mínimo impacto que sobre el presupuesto total de la obra
representan. El Ingeniero Topógrafo a cuyo cargo y responsabilidad se encuentra la
correcta alineación del túnel, no debe tener la más mínima duda en exigir a quien
corresponda, la dotación de los equipos necesarios que permitan garantizar el buen fin
de la misma.
CONTROL DE SECCION E INVASIONES
En toda excavación realizada mediante perforación y explosivo o medios mecánicos
es difícil, por no decir imposible, que la sección obtenida se asemeje a la de proyecto.
A pesar de que se actúe del lado de la prudencia en la perforación del recorte y la
disposición de carga del explosivo o la excavación con medios mecánicos, será
inevitable obtener una sección que en la mayoría de los casos presente un exceso de
excavación y en el caso de producirse desprendimientos localizados, este exceso
representará un mayor volumen difícil de prever con anterioridad.
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El exceso de excavación se solapa además con regiones que pueden invadir el anillo
de revestimiento –caso de que éste exista- o el gálibo mínimo exigido en proyecto,
agravándose esta situación en aquellos casos en los que es necesario realizar un
refuerzo del sostenimiento mediante anillos metálicos (cerchas) o proyección de
hormigón.
Ambas situaciones requieren tratamiento con medidas correctoras que corrigen la
incidencia.
Las invasiones de sección es necesario tratarlas mediante un repicado sistemático de
aquellas zonas que rebasan el gálibo exigido, con el evidente incremento de costes
que normalmente corren a cargo del contratista. La situación se agrava en aquellos
casos en los que la invasión se produce en zonas de sostenimiento reforzado con
anillos metálicos.
Los excesos en la excavación no requieren atención especial durante la ejecución de la
excavación, pero será imprescindible disponer de datos numéricos que permitan
valorar los costes añadidos que sobrevienen por un mayor volumen de hormigón de
revestimiento (Si existe).
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El departamento de topografía de obra o de la asistencia técnica encargada de verificar
la ejecución de la obra, han de poner los medios y métodos adecuados para realizar un
control de calidad que permita tomar medidas correctoras adecuadas para corregir el
origen de las desviaciones en la medida de lo posible.
Las actividades de control geométrico de la sección han de llevarse a cabo de manera
que la información esté disponible lo antes posible, de lo contrario, cualquier medida
correctora no podrá ser aplicada a su debido tiempo.
Al margen de las indicaciones y recomendaciones recogidas en los planes de control
de la obra, para garantizar una correcta ejecución y detectar a tiempo las posibles
desviaciones, se debe poner especial interés en atender los siguientes puntos de
control.
•
Replanteo de la perforación.
•
Replanteo y verificación posicional de elementos de refuerzo (Cerchas,
encofrados perdidos etcétera).
•
Verificación de la sección excavada en fase de sellado.
•
Verificación de la sección en sostenimiento.
•
Verificación de secciones en caso de desprendimientos, refuerzos puntuales o
en terrenos que manifiestan convergencias altas.
Se sobrentiende que los controles enumerados se apoyan en una red de vértices de
poligonal rigurosamente observada, calculada y compensada.
MEDICIÓN DE UNIDADES DE OBRA
Por norma general, mensualmente se realiza una medición de la obra ejecutada que
aporta la información necesaria para realizar certificaciones y analizar las
desviaciones respecto los valores de proyecto.
Las unidades de obra empleada en túneles, difieren sustancialmente de cualquier
unidad de obra exterior en cuanto a costes de suministro y puesta en obra, como en la
forma de medición.
De todas las unidades empleadas en NATM, la excavación, el hormigón proyectado
(gunita) y el de revestimiento, arrojan una importante desviación entre lo valorado en
proyecto y lo realmente ejecutado, por no entrar en la polémica habitual que se
establece por la discrepancia entre dirección de obra y contratistas a la hora de
valorarlas.
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La única forma conocida de realizar una rigurosa medición de estas unidades –que es
comúnmente aceptada por todas las partes implicadas- se apoya en la toma sistemática
de perfiles transversales.
Una separación entre dos perfiles consecutivos situada entre 1 y 2 m., junto a una
densidad apropiada del terreno para definir con precisión la forma de excavación, es
inicialmente suficiente para conocer con cierta precisión el volumen de excavación y
hormigón de revestimiento. En este caso, al encontrarnos en un método puramente
estadístico, es importante el ‘saber hacer’ del equipo encargado de los trabajos de
campo, pues un muestreo incorrecto puede provocar una mala distribución de la
realidad y obtener una medición por exceso o defecto, que nada tiene que ver con la
realidad.
El hormigón proyectado es la unidad más compleja de medir y valorar en cuanto a
volumen puesto en obra.
Por una parte el rechazo que se produce durante su colocación, genera una diferencia
importante entre el volumen suministrado en planta y el resultado de la puesta en obra
proyectado por vía húmeda, diferencia que se puede situar entre un 15 % y 20%. La
vía seca, actualmente en desuso, puede provocar desviaciones entre 30% y 40% al ser
su rechazo muy superior.
Por otro lado, la rugosidad del terreno excavado produce un consumo de hormigón
superior al que realmente puede medirse. Esto es debido en gran medida a la
imbricación y relleno de huecos (diente de sierra) que se produce en la excavación,
irregularidades que quedan suavizadas por la superficie resultante pero que consumen
un elevado porcentaje del material que puede medirse.
En este sentido y dado que resulta imposible tomar datos del terreno excavado, sin
hormigón de sellado, solamente podremos realizar una aproximación estadística
mediante la testificación de los espesores medios de gunita existente. En algunos
casos concretos se ha decidido realizar campañas sistemáticas de perfiles en la capa de
sellado y la de sostenimiento, datos que permiten medir con precisión el volumen de
hormigón empleado en el sostenimiento.
Para concluir baste decir que el empleo de NATM para la ejecución de túneles y obras
subterráneas, resulta ventajoso desde su aspecto técnico-económico frente a otros
sistemas de excavación, sobre todo cuando la propia longitud de la obra no permite
amortizar grandes inversiones en maquinaria de perforación integrales (Tuneladoras).
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MÉTODOS ITEGRALES
Siempre que se habla de métodos integrales de excavación, es inevitable pensar en la
imagen de impresionantes cabezas de corte de un equipo TBM (Tunnel Boring
Machine) o tuneladora como se conoce más familiarmente.
La excavación con el empleo de este tipo de maquinaria ofrece incuestionables
ventajas desde el punto de vista productivo, pero requiere unas condiciones de
volumen de obra a ejecutar que permitan amortizar sus elevados costes iniciales. Se
puede asegurar que nos encontramos ante auténticas fábricas de túneles y su
capacidad para realizar el corte a sección completa y la colocación del sostenimiento
en ciclo continuo, aumenta notablemente los ritmos de producción respecto de otros
sistemas constructivos.
La perforación se realiza mediante una cabeza de corte giratoria que es accionada por
una planta motriz y consigue la fuerza de empuje necesaria para realizar el avance
apoyándose en el propio sostenimiento colocado.
Existen dos grandes grupos de equipos integrales de excavación.
•
Topos
•
Escudos
Los topos se suelen emplear en macizos de roca sana, competente y que no suele
necesitar sostenimiento y su gran diferencia respecto a escudos y dobles escudos, es la
ausencia de elementos de entibado provisional de la excavación.
Los escudos o dobles escudos se componen de una carcasa metálica encargada de
sostener provisionalmente el terreno situado entre el frente de excavación hasta el
lugar que se encuentra ejecutado el sostenimiento definitivo formado por dovelas o
bloque de hormigón prefabricado.
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Tras el sistema principal de perforación se encuentra el sistema hidráulico responsable
de proporcionar el empuje necesario para realizar la perforación y el basculante
encargado de la colocación del sostenimiento. El sistema perimetral de empuje se
apoya en el último anillo del sostenimiento y es la causa principal de formación de
‘cejas’ e incluso de roturas parciales de las dovelas que conforman el sostenimiento.
El sistema de guiado se realiza mediante los automatismos y lógica embarcados en la
propia maquinaria, obteniendo los datos necesarios de equipos topográficos instalados
de forma permanente mediante anclajes en el sostenimiento y a una cierta distancia
del frente de excavación.
Dicho de este modo puede parecer que el guiado de un túnel ejecutado con este tipo
de maquinaria, es algo sencillo y libre de cualquier desviación en su trayectoria. Sin
lugar a dudas estamos ante el sistema de perforación más sofisticado que se conoce,
en el que la tecnología esta presente durante toda la ejecución. No obstante no es un
sistema infalible y presenta ciertos inconvenientes.
En primer lugar debe destacarse los desplazamientos incontrolados que se producen
en la trayectoria del eje y que, por norma general, se producen en zonas de falla,
alteración del terreno y que también suelen ser habituales en las zonas próximas a los
emboquilles, al abandonar la maquinaria la cuna de guiado inicial.
Por otra parte, lejos de ser un sistema idóneo, las piezas prefabricadas que integran el
sostenimiento sufren deformaciones de cierta importancia, provocadas por su propio
peso (deformación inicial por entrada en tensión de los anclajes) y las posteriores
provocadas por empujes del terreno, no consiguiendo en ningún caso un radio de
curvatura uniforme por los achatamientos como consecuencia de lass acciones
mencionadas.
Al tratarse de un método constructivo con importante implantación tecnológica,
automatización y –si cabe- más limpio que los sistemas de perforación en mina,
aporta una serie de ventajas que benefician a los equipos topográficos responsables de
realizar el control de calidad geométrico. Contrariamente existen factores a tener en
cuenta que generan ciertos inconvenientes a los topógrafos.
•
•
•
•
Desarrollo de obra
Complejidad de transporte
Instalaciones auxiliares
Controles en frente de excavación
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DESARROLLO DE OBRA
El empleo de sistemas integrales para la excavación lleva implícito unas dimensiones
de obra superiores a las que podemos encontrar en túneles excavados mediante otros
sistemas constructivos.
Este aumento de la longitud de excavación implica a su vez una necesidad de recursos
para garantizar la correcta dirección de la perforación, no en vano, se han utilizado en
las dos obras de túnel más importantes de Europa en los últimos años (Guadarrama y
Pajares) equipos giroscópicos para asegurar la correcta dirección azimutal de la
excavación.
Por otra parte es necesario tener presente que la mayor parte de túneles ejecutados con
TBM, tienen como finalidad la puesta en servicio de ferrocarriles de alta velocidad o
velocidad alta, cuyas especificaciones técnicas en materia de trazado son muy
exigentes.
COMPLEJIDAD DE TRANSPORTE
El transporte de medios humanos, maquinaria y materiales se realiza mediante un
sistema ferroviario de obra, siendo impracticable la libre circulación en el interior del
túnel con otros medios que no sean éstos. Esta situación particular, genera un mínimo
grado de libertad a los equipos topográficos que deben ser especialmente rigurosos en
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cuanto a programación de accesos a la obra, mantenimiento de equipos y material
necesario para el desempeño de sus funciones, en otras palabras, se consumen más
periodos temporales en los desplazamientos, que en el propio tiempo necesario para
realizar los trabajos de toma de datos y control geométrico de obra.
INSTALACIONES AUXILIARES
La excavación mediante el empleo de TBM implica la necesidad de instalar equipos y
maquinaria auxiliar que permitan realizar todas las actividades propias de la
excavación. Además de los sistemas de ventilación, suministro de agua y aire
comprimido que se utilizan en sistemas de excavación en mina, deben añadirse las
cintas transportadoras de material excavado al exterior, la implantación de vía de
servicio, maquinaria de tracción y vagones para el transporte de personas y materiales.
Uniendo todos los componentes mencionados es fácil comprender las dificultades con
la que pueden encontrarse los equipos de topografía para desarrollar sus funciones con
normalidad. Trataremos con cierto detalle este tema en el siguiente capítulo del curso.
CONTROLES EN FRENTE DE EXCAVACIÓN
Debido a la propia arquitectura de las TBM el frente de excavación, salvo tareas de
mantenimiento e inspecciones puntuales, queda oculto a la vista, a su vez, el equipo
de rezaga (backup) y la actividad que en su interior se produce, impide o dificulta
realizar ciertos trabajos, entre ellos los pertenecientes a equipos de topografía.
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METODOS COSTRUCTIVOS MEOS FRECUETES
Además de los métodos constructivos presentados hasta el momento existen otros que
como mínimo deben comentarse si bien no es objeto de este curso tratarlos en
profundidad por su limitada implantación en obra.
La mayor parte son utilizados en la construcción de líneas de ferrocarril
metropolitano, alguno de ellos no han tenido demasiado éxito como el precorte
mecánico (Premil) y otros sin embargo se aplican con cierta regularidad. En el caso
particular de Metro Madrid se utiiliza el Método Belga, con tal grado de implantación
que se ha rebautizado como Método clásico de Madrid.
Este método resulta de aplicación indispensable en aquellos casos en los que el túnel
transcurre por suelos, bajo cascos urbanos y zonas edificadas y la longitud total de la
obra no justifica ni permite el uso de tuneladora.
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MAQUIARIA E ISTALACIOES
Ya se ha insinuado anteriormente que un túnel es probablemente una de las obras más
complejas y comprometidas en todo lo referente a la ejecución de trabajos
topográficos, sobre todo aquellos que requieren una gran precisión en la obtención de
datos y sus resultados.
La construcción de un túnel, independientemente del método utilizado, requiere
disponer de unas instalaciones auxiliares y el empleo de maquinaria que dificultan la
ejecución de trabajos de precisión y a menudo impiden realizar controles geométricos
rutinarios en zonas que quedan ocultas a la vista.
Además el funcionamiento de instalaciones y maquinaria provoca en la mayor parte
de los casos, una contaminación atmosférica producida por gases de combustión y
polvo generado por procesos constructivos lo que dificulta en gran medida –junto con
la insuficiente iluminación- todos aquellos trabajos topográficos en los que es
imprescindible lanzar visuales a una cierta distancia.
En túneles realizados mediante NATM encontramos un tráfico prácticamente
continuo de camiones pesados, palas cargadoras, retroexcavadoras, robots de
hormigonado, equipos de perforación y otros vehículos de menor tara.
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En túneles excavados con métodos integrales el tráfico se reduce a las unidades
tractoras y vagones de servicio en obra, cuyo tráfico se produce con menor frecuencia
y como consecuencia dispondremos de una atmósfera más limpia. Su inconveniente
es que al transcurrir su circulación por carriles, no pueden modificar en ningún
momento su trayectoria.
Entre las instalaciones cabe destacar las mangueras de ventilación y las cintas
transportadoras de material, que debido a su gran tamaño ocultan un amplio sector de
túnel sobre el que es inviable realizar controles geométrico rutinarios como es la toma
sistemática de perfiles transversales.
El elevado tráfico de maquinaria y vehículos pesados provoca con bastante frecuencia
la destrucción accidental de vértices y referencias topográficas que malgasta muchas
horas de observaciones de precisión y obliga a su reposición. En este sentido es
recomendable valorar la instalación de ménsulas desmontables que evitan costosos
contratiempos, lógicamente, siempre que el volumen de la obra permita realizar la
inversión oportuna.
Otro aspecto que no debemos olvidar en el interior de un túnel es la seguridad en el
trabajo. La mayor parte de los accidentes graves que se producen en este tipo de obra
son ocasionados por aplastamiento de maquinaria o de los materiales que transportan,
siendo este tipo de accidentes en algunos casos mortales. Observar y cumplir las
normas de seguridad establecidas es una parte más de nuestras obligaciones laborales
que puede salvar nuestras vidas.
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EQUIPOS DE MEDICIÓ
El desarrollo tecnológico en materia de equipos de medición experimentado durante la
última década del pasado siglo, ha permitido implantar unos sistemas de control
geométrico en obra subterránea que anteriormente eran poco menos que
inimaginables.
El control de la sección de excavación de un túnel requiere un elevado volumen de
información sin el cual no es posible obtener resultados que se aproximen a la
realidad. En este sentido las estaciones topográficas robotizadas y los equipos láser
escáner 3D, si bien estos últimos no tienen un uso habitual, quizás por
desconocimiento de sus propiedades.
ESTACIONES ROBOTIZADAS
Las estaciones robóticas permiten a los equipos de topografía la obtención sistemática
de perfiles transversales de la excavación existente con gran agilidad y un reducido
coste de tiempos y recursos. Disponer de esta valiosa información nos permite
conocer con cierta rigurosidad el estado de mediciones de volúmenes de excavación,
hormigones de sostenimiento, revestimiento, superficies de impermeabilización y una
aproximación aceptable en cuanto al grado de excavación por exceso y defecto
existentes.
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Su aplicación influye incluso en la medida de convergencias por métodos
topográficos, sobre todo de aquellas partes de la sección en las que el acceso para
instalar cintas de convergencia está limitado por la necesidad de utilizar maquinaria
que no siempre está disponible. Es cierto que la precisión en la medida que se puede
alcanzar con los medios apropiados para auscultar el terreno (Cintas, extensómetros,
células), poco o nada tienen que ver con las de un equipo topográfico, pero en este
sentido se debe valorar cuidadosamente si es más apropiado tener un dato con un
intervalo de confianza menor, o no tenerlo.
LÁSER ESCÁNER 3D
La aparición en el mercado de equipos de medición Láser 3D es sin lugar a dudas un
valor añadido que se está empleando satisfactoriamente en el control geométrico de
túneles y previsiblemente en un futuro no muy lejano su presencia en las obras
subterráneas será habitual e imprescindible.
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La evolución en los equipos de campo implica la creación de nuevos desarrollos de la
lógica necesaria para tratar los volúmenes de información que es necesario calcular y
tratar para obtener resultados concretos. En este sentido existen en el mercado un
cierto número de aplicaciones informáticas que facilitan enormemente las tareas del
Ingeniero Topógrafo para procesar la información adquirida en obra.
Es imprescindible establecer metodologías que garanticen la homogeneidad de los
datos, cálculos y resultados obtenidos; para ello y como parte fundamental del
contenido del curso trataremos los pasos que deben seguirse en las diferentes fases de
la obra, los equipos de medición y utilizaremos el software PFT 6.99 desarrollado por
GEOasbuilt para el control geométrico y cuantitativo de túneles y obras subterráneas.
Igualmente vamos a ser testigos de los resultados que se obtienen utilizando equipos
láser 3D realizando una simulación en el aula de los trabajos de campo y gabinete,
estableciendo los métodos adecuados para recabar la información y productos
deseados.
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4. COTROL GEOMÉTRICO DE OBRA
Entraremos de lleno en este capítulo para enumerar los controles geométricos que
principalmente deben realizarse en una obra de túnel. El capítulo se encuentra
dividido en dos partes principales, que recogen los datos y resultados que siempre
deben estar disponibles durante la ejecución de la obra y aquellos que serán necesarios
una vez este finalizada la excavación a nivel de destroza o contrabóveda (en el caso de
que ésta exista).
En todo momento vamos a dar por entendido que la red de vértices y poligonales en el
interior del túnel, así como sus cálculos y compensaciones existen y son correctas.
4.1 EN EJECUCIÓN
4.1.1 Metodología
En primer lugar es necesario detectar las necesidades de control que deben
implantarse en la obra y el grado de información necesaria para realizar las labores de
vigilancia de la ejecución. El tamaño de la obra es una variable a tener en cuenta para
dimensionar los recursos humanos y materiales que ineludiblemente proporcionarán la
estructura y composición inicial de los equipos topográficos de control.
El ritmo de producción en el interior de un túnel deja poco margen de libertad para
realizar trabajos topográficos, sobre todo aquellos que requieren una especial atención
en la precisión de los datos obtenidos.
En este sentido es necesario que el departamento de topografía de la obra disponga de
la información puntual sobre los ciclos establecidos, manteniendo siempre la
predisposición necesaria para obtener esta información. Para su coordinación es
necesario una fluida comunicación entre los departamentos responsables la ejecución
material de la obra: Producción, Oficina Técnica y por descontado conocer los datos
que precisa la jefatura de obra y en que momento le son imprescindibles para analizar
desviaciones, valorar costes, aplicar medidas correctoras y que consecuentemente
permiten tomar decisiones que benefician la calidad de la obra.
Otro dato a tener en cuenta para una organización eficiente de los recursos es el
calendario. Los equipos de perforación, independientemente del método empleado,
trabajan en ciclos continuos de 24 horas y ciertas necesidades de replanteo se
producirán en buena medida fuera del horario habitual del personal técnico.
Nuevamente debemos mantener una buena comunicación con el jefe de túnel o los
encargados de obra, acordando los momentos en los que requieren la presencia de
equipos topográficos de replanteo.
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Recordemos que en el capítulo dedicado a los diferentes métodos constructivos
enumeramos tres puntos principales de control: dirección de la excavación, control de
la sección y mediciones.
La correcta dirección de la excavación solamente se puede conseguir mediante un
oportuno replanteo del frente (métodos no integrales) y una precisa aportación de
datos a los sistemas direccionales de las tuneladoras (métodos integrales).
Los métodos no integrales, por su sistema de ejecución, requieren una mayor
presencia de equipos de topografía para replantear los frentes de voladura que
garanticen la correcta dirección de la excavación, posicionamiento de anillos de
refuerzo y apoyos de encofrado de revestimiento.
Hemos de ser conscientes lo poco probable que resulta contar con los recursos
humanos suficientes para disponer un equipo topográfico ‘presencial’ a pie de obra, y
satisfacer las necesidades de replanteo que requieren disponibilidad 24 x 7. Para
resolver este contratiempo será indispensable contar con una estrecha colaboración de
los encargados de obra, tratando de facilitarles los medios necesarios para que puedan
realizar todas aquellas labores de replanteo que no requieran necesariamente la
presencia de equipos topográficos.
En este sentido es recomendable disponer en cada frente de ejecución de un equipo de
alineación láser, equipos cuya adquisición se puede justificar en la mayor parte de
obras subterráneas en ejecución se puede justificar la adquisición de un equipo
estático láser que facilite nuestro trabajo.
Aunque inicialmente puede suponer una carga de trabajo añadida, es recomendable
instalar referencias regulares en los hastiales del túnel, materializadas de forma tal que
garanticen una permanencia a lo largo de la obra. Su instalación no debe ser
demasiado costosa, pudiendo emplear clavos o redondos empotrados en el hormigón
de sostenimiento, pero deben tener unas características comunes que permitan ser
identificadas unívocamente por toda aquella persona que necesite utilizarlas.
Si se posicionan en puntos kilométricos enteros (cada 5, 10 o 20 m.) y a una distancia
constante respecto de la rasante de proyecto, pueden ser de utilidad para que un
encargado de túnel pueda replantear (visualmente) el frente de la voladura en alzado.
Referencias homónimas ancladas en clave y en el eje en planta o a una distancia
constante de éste, permitirán replantear el frente en planta.
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En aquellos casos en los que dispongamos de sistemas láser de alineación, estas
referencias ancladas en el sostenimiento resultan ser de gran utilidad para orientar la
alineación del eje del túnel, incluso verificar con extraordinaria sencillez que la
orientación del puntero láser es la correcta.
Evidentemente en los tramos que la excavación transcurre en curva, es necesario
confeccionar un gráfico que indique las flechas que se deben aplicar para replantear la
voladura respecto de la tangente del punto donde se encuentra situado el emisor.
Actuaremos de forma análoga para los casos en los que el túnel transcurra en un tramo
de acuerdo vertical.
Evidentemente este sistema obliga a marcar el punto kilométrico de su posición y
encontrarse lo suficientemente cercano al frente de forma que permita definir la
progresiva del frente a replantear con una simple cinta.
Debo insistir en la implementación de este eficaz sistema de replanteo que nos puede
ahorrar muchos desplazamientos y mantener una presencia constante en obra,
haciendo posible que los encargados de turno puedan replantear con gran precisión y
libertad de movimiento la perforación del frente, los posibles elementos de refuerzo y
casi cualquier otra unidad de obra.
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La excavación y el sostenimiento ejecutado en cualquier túnel, incluidos los
construidos mediante el empleo de tuneladoras, difiere en mayor o menor porcentaje
con las secciones recogidas en proyecto. Es imprescindible disponer de datos que
permitan analizar el grado de desviación obtenido.
En túneles sostenidos con dovelas prefabricadas (integrales) se deben realizar
controles de la sección, pues es necesario conocer los tramos en los que la maquinaria
se ha desviado accidentalmente de su correcta trayectoria, y la deformación sufrida
por la estructura de sostenimiento que, como ya ha sido mencionado anteriormente,
manifiesta un achatamiento provocado por su propio peso y por los empujes del
terreno al tratar de recuperar su equilibrio tensional.
En sistemas de excavación en mina (NATM, Belga etc), la rugosidad del terreno
provocada por las voladuras, desprendimiento de bloques y formación de cuñas y
chimeneas, provoca sistemáticamente y en toda la longitud de la obra, una excavación
por exceso y otra por defecto. La excavación en exceso provoca un incremento de los
volúmenes previstos para la ejecución del revestimiento y las invasiones, sobre toso
aquellas de cierta importancia, requieren un tratamiento de repicado que las elimine,
evitando inconvenientes en la puesta de encofrados de revestimiento y garantiza
cumplir los espesores de hormigón recogidos en proyecto.
Esta situación se complica en aquellos tramos en los que, por la mala o muy mala
calidad del terreno, presencia de agua u otras causas, sea necesario reemplazar la
sección tipo de sostenimiento prevista, por otra mas apropiada al tipo de terreno
existente. En estos casos es muy probable que la instalación de anillos metáicos de
refuerzo (cerchas) sea inevitable, con la consiguiente reducción de gálibo que puede
provocar. Nuevamente he de recordar la importancia de los replanteos en la
metodología que debemos aplicar en túnel y tener muy presente que una cercha mal
replanteada, cuyos apoyos se encuentren a una distancia inferior lo previsto, mal
ensamblada o que su alineación no sea normal al eje de replanteo, provocará sin lugar
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a dudas una importante invasión de gálibo, invasión que será muy difícil subsanar una
vez se encuentre totalmente instalada y hormigonada. En la Fig-xx se pueden observar
las cerchas colocadas y hormigonadas como parte de un refuerzo del sostenimiento
existente y es apreciable a simple vista el grado de invasión provocado.
La toma sistemática de perfiles transversales permite verificar con cierto grado de
confianza el estado de la sección excavada a la vez que proporciona los datos
necesarios para confeccionar un estado de mediciones y desviaciones respecto de los
datos de proyecto.
No debemos olvidar que estamos ante un proceso de cálculo estadístico, en el que
hemos de tratar que la muestra sea lo suficientemente representativa para obtener
datos fiables, de distribución normal y con una curva de confianza lo más pequeña
posible.
A la vista de la irregularidad existente en una excavación realizada con explosivos o
medios mecánicos, la lógica nos incita a pensar que contra mayor sea el universo,
mejor distribuida estará la muestra y la confianza en cualquier operación realizada
será mayor.
Esto es cierto pero lamentablemente no podremos realizar durante la ejecución de la
obra, con los medios que por lo general dispondremos, una campaña de perfiles de tal
densidad que nos asegure resultados muy cercanos a la realidad.
Se nos presenta en este punto un dilema que debemos resolver en obra de acuerdo a
las necesidades particulares de la misma. Si decidimos describir los perfiles en los que
la excavación resulta mas escasa a la vista o con mayor probabilidad de serlo,
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estaremos garantizando un correcto control de invasiones, pero cometemos un
importante error en la valoración de los posibles excesos de hueco y -lógicamentevolumen de hormigón de revestimiento a emplear.
Si los equipos topográficos están bien dimensionados y pueden desarrollar sus
cometidos sin demasiado agobio, es aconsejable establecer una toma sistemática de
secciones con un intervalo constante de entre 1-2 m., reduciendo esta distancia de
separación en aquellos tramos cerchados en los que es aconsejable representar las
invasiones y medir con cierta precisión la desviación que vamos a obtener en rellenos
de la sobrexcavación, incluso los incrementos que se producirán en la medición de
ciertos tratamientos especiales como puede ser la impermeabilización.
4.1.2 Trabajos de campo
Contamos en este caso con los últimos avances experimentados en equipos
topográficos de medición que permiten automatizar tareas repetitivas, sobre todo en
aquellos casos en los que el volumen de datos a tomar es importante como es el caso
de campañas sistemáticas de perfiles transversales.
Si disponemos de una red de vértices de poligonal a lo largo de la excavación
realizada, y además hemos implantado referencias de replanteo sistemáticas, de las
cuales podemos obtener valores para calcular la posición del equipo en cualquier
punto, estaremos en condiciones de realizar campañas de control de sección de forma
ágil y sencilla. Para hacerlo realidad será imprescindible contar con una estación total
robotizada que incluya entre sus utilidades la toma desasistida de secciones.
En aquellos casos en los que no se disponga de equipos automáticos, la toma manual
de los perfiles provocará una merma importante en nuestra capacidad de control de la
sección excavada, siendo este un punto importante que nos permite justificar
económicamente la adquisición de equipos robotizados.
Los trabajos de campo los realizaremos de forma que podamos disponer de una
colección completa de perfiles actualizados en la totalidad del sostenimiento
definitivo ejecutado.
En algunas casos concretos y obras de cierta importancia se han realizado campañas
de perfiles en fase de sellado y de sostenimiento de forma independiente,
implantación de un método del que se desprende una medición de hormigón de
sostenimiento de gran precisión. Lógicamente esto implica una mayor presencia de
equipos topográficos en el frente de excavación, pues el intervalo de tiempo que
transcurre entre sellado y sostenimiento es, por norma general, muy limitado. En este
caso la colección de perfiles referentes al sellado se encuentra muy cercana al frente
de excavación, limitando sustancialmente el grado de libertad de decisión del
momento de toma.
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4.1.3 Trabajos de gabinete
Cuando formamos parte del equipo técnico que participa en una obra subterránea o
en aquellas obras que cuentan con uno o más túneles en ejecución, nos damos cuenta
de que los plazos de entrega de datos y de conclusiones se reduce drásticamente. Es
por tanto un factor relevante, disponer de los sistemas informáticos necesarios para
obtener una rápida respuesta al proceso de datos de campo.
Esto es aplicable a cualquier proceso de cálculo topográfico, pero es realmente
necesario cuando el volumen de información es elevado y requiere además de una
representación gráfica para describir con la mayor claridad posible una situación
concreta.
Las aplicaciones informáticas encargadas de procesar perfiles transversales como la
que tendremos oportunidad de utilizar en el curso, requieren una preparación inicial
en la que es necesario definir los tipos de secciones de sostenimiento que se utilizarán
en el proceso constructivo, el estado de alineaciones en planta y alzado, los peraltes a
aplicar en cada tramo (túneles carreteros) y dependiendo del fabricante, algún dato
relativo a opciones, parámetros funcionales y configuración del software.
Una vez implementados los datos necesarios, es deseable que las características de la
aplicación permitan obtener resultados de forma inmediata tras la incorporación de los
datos que provienen de los trabajos de campo de la jornada.
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Entre otros datos imprescindibles, es necesario obtener por el medio a nuestro
alcance, planos de los perfiles tomados que permiten analizar gráficamente y
numéricamente las desviaciones que se producen en la excavación, y un estado de
mediciones del que se desprenden los costes de ejecución, desviaciones porcentuales
respecto de proyecto y las certificaciones periódicas de obra realizada en cuanto a las
unidades representadas.
4.1.4 Convergencias
La excavación de un macizo rocoso provoca inevitablemente un desequilibrio de su
estado tensional, provocando una tendencia del propio terreno para recuperar su
estabilidad inicial y generando en ese proceso unos desplazamientos convergentes que
se deben controlar sistemáticamente.
No es objetivo de este curso entrar en detalle de la medición de convergencias por
métodos ópticos y topográficos pero si es necesario incidir en todo aquello que puede
afectar al control geométrico de la excavación.
En rocas competentes y poco alteradas, los valores que se obtienen de convergencias
suelen ser muy pequeños, no generando por lo general desplazamientos que superen
valores milimétricos una vez colocado el sostenimiento definitivo. Teniendo además
en cuenta que los mayores desplazamientos se producen en el preciso momento de la
excavación, sobre todo con empleo de explosivos, nuestra campaña de perfiles
transversales para control de la excavación no se ven afectados por las convergencias.
Esto no sucede así cuando nos encontramos en zonas de falla o en túneles que se
ejecutan en rocas muy alteradas o terrenos muy blandos, sobre todo si se emplean
métodos no integrales.
En estos casos los desplazamientos del terreno suelen ser bastante importantes,
alcanzando con cierta frecuencia valores que pueden superar la decena de centímetros.
Estas cifras pueden parecer alarmantes, pero si el sostenimiento está debidamente
controlado no encaran necesariamente un riesgo a la seguridad en el túnel, pero ponen
en entredicho los datos tomados al inicio de los procesos convergentes.
Esta circunstancia implica que los responsables de topografía de un túnel tomen
ciertas medidas de precaución, procurando estar bien informados sobre el
comportamiento del terreno y con especial atención en los tramos falla o de material
alterados.
Es evidente, cualquier tomado tomada del terreno (perfiles) y todas las referencias
topográficas ancladas solidariamente sobre él, se están desplazando y haciéndolas
inutilizables y lo que es más grave, pueden provocar importantes errores accidentales
de resultados impredecibles.
En estos casos y como única solución posible, solo cabe pensar en retomar todos los
datos que pueden encontrarse afectados hasta la estabilización de la convergencia.
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4.1.5 Errores direccionales
El proceso de cale de un túnel que se ha ejecutado simultáneamente por dos o más
frentes de ataque, es con toda seguridad el momento más emotivo que experimentan
los equipos de topografía responsables de la obra.
Por gran fortuna para todos los errores de dirección con los que se encuentran dos
frentes de excavación, suelen ser de unos pocos centímetros una vez ejecutadas las
lecturas y cálculos de cierre, no afectando de manera especial a la propia ejecución.
En todo caso es necesario realizar ajustes en ciertos datos y sobre todo en los perfiles
transversales tomados, donde lo que antes teníamos por invasión de gálibo o un
exceso de excavación, puede corregirse, empeorar o transformarse en efecto opuesto.
Llegados a este punto intermedio de la ejecución cabe plantearse la posibilidad de
emplear sistemas láser 3D para una verificación de gálibo eficaz y un estado de
mediciones definitivo y muy próximo a la realidad.
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4.2 EXCAVACIÓN TERMINADA
4.2.1 Unidades pendientes de ejecución
Las unidades que restan por ejecutar difieren sustancialmente del método empleado
para ejecutar la excavación, tanto es así que un túnel realizado con sistema integral
(tuneladora), alcanzado el último anillo de excavación, se encuentra prácticamente
preparado para entrar en la fase industrial de instalaciones y colocación de vía siendo
las únicas obras auxiliares pendientes de ejecución la perforación de galerías de
evacuación (Caso de no estar previamente ejecutadas) y todas las referentes a
tratamientos puntuales de consolidación de terreno o de impermeabilización; en casos
muy poco frecuentes se puede presentar algún proceso aislado de refuerzo del anillo
de sostenimiento.
En túneles excavados por medios no integrales que contempla como unidad de obra a
ejecutar el revestido mediante anillo de hormigón en masa o armado, esta será la
unidad de obra pendiente ejecutar, al margen de las posibles galerías de evacuación,
instalaciones y colocación de vía.
En ambos casos es importante disponer de los datos necesarios para garantizar el
cumplimiento de un gálibo mínimo capaz de recibir la parte pendiente de obra a
ejecutar.
4.2.2 Encofrados y revestimiento
El gálibo existente puede afectar notablemente a la puesta de encofrados y maquinaria
para la ejecución de anillos de revestimiento, aceras, extendido de placa y colocación
de vía. El método empleado para una exhaustiva verificación de gálibo y empleado
comúnmente en túneles en mina, se basa en la construcción de una armadura metálica
de las mismas dimensiones que los paneles de encofrado y que se hace pasar por todo
el trazado del túnel. Este denominado ‘carro de gálibo’ puede ser autopropulsado en
los modelos más sofisticados o confiar su desplazamiento al arrastre por medio de
maquinaria de obra o incluso cabestrantes manuales.
Para este proceso es necesaria la previa ejecución de aceras y en muchos casos de un
murete de arranque del anillo, elemento sobre el que se instalarán los paneles de
encofrado y sobre el que transcurre el carro de control.
A pesar de ser muy efectivo, sus dimensiones y peso estructural convierten este
sistema en una maniobra de difícil ejecución, dificultad que se ve acentuada en
aquellos casos en los que se detecta una colisión con el sostenimiento que debe ser
reparada de forma inmediata.
Afortunadamente la evolución tecnológica pone a nuestra disposición herramientas
indispensables para realizar esta actividad de control de forma más ágil y de idéntica o
superior precisión, pero sobre todo en unos tiempos establecidos que permiten
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adelantar los plazos de entrega, siendo posible anticiparse a la propia ejecución de los
elementos de apoyo del encofrado. Además permiten ejecutar las acciones correctoras
en un solo paso.
Me refiero en este caso a los equipos láser-escáner que permiten realizar
levantamientos 3D de gran precisión y con una densidad de datos capaz de detectar
cualquier incidencia de forma numérica.
El empleo de sistemas de barrido escáner nos ofrecen además la posibilidad de
realizar una precisa valoración de la obra ejecutada y las unidades pendientes de
ejecución
4.2.3 Ajustes de trazado
Si disponemos de la información necesaria en lo referente a desviaciones de las
alineaciones del túnel respecto de los ejes de trazado de proyecto es posible iniciar
tanteos de variantes de trazado que reduzcan el impacto de éstas sobre la obra
definitiva. En aquellos casos en los que no sea aconsejable la demolición de un
sostenimiento por razones que afecten a su estabilidad o por la complejidad de
ejecución (desplazar cerchas, demoler anillos de dovelas etcétera), existe la alternativa
de proponer variaciones en el estado de alineaciones, siempre y cuando estas
modificaciones no afecten a los parámetros en tal magnitud que impidan cumplir los
condicionantes mínimos para el objetivo al que está destinada la obra en cuestión.
He de aclarar que presentar modificaciones de última hora en cualquier partida que
afecte a lo recogido en el proyecto aprobado, no suele ser bien aceptada, pero en
determinados casos muy justificados se puede ser el planteamiento más eficaz y no se
debe desistir de presentarlo si se considera necesario y es razonable.
4.2.4 Equipos Láser 3D
Los equipos de medición Láser-Escáner aportan, como ya se ha comentado, una
tecnología sorprendente de múltiples aplicaciones pero que en el caso que ocupa este
curso, como es el control geométrico de túneles, podremos a asegurar que sus
diseñadores nos lo han fabricado a medida.
Desde su aparición en el mercado aproximadamente 1998-2000, se han ido
implantando en las obras subterráneas, experimentando un notable crecimiento en los
dos últimos años en cuanto a su aplicación. Lamentablemente su precio y
características provocan un uso restringido que se limita a ponerlo en obra cuando la
excavación a sección completa esta finalizada o muy próxima a su completa
ejecución.
Esto no quiere decir que no preste un excelente servicio, pues es en este momento de
la obra en el que se requiere una comprobación final de la excavación que garantice
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entre otros las correctas dimensiones de gálibo, capaces de absorber sin problemas las
unidades de obra pendientes de ejecución.
Su uso puede evitar la construcción y transporte de un carro de verificación de gálibo
y el coste de contratación está justificado en función de las dimensiones de la obra.
4.2.5 Metodología
El método a seguir para un levantamiento 3D de una excavación difiere notablemente
de los empleados para la toma sistemática de perfiles durante la ejecución de la obra.
En primer lugar porque todo es diferente: realmente no se tomas perfiles, no son
equipos topográficos y ni actúan ni tienen las funcionalidad de éstos y sobre todo
adquieren un volumen de información, en un espacio de tiempo tan reducido, que su
comparación resulta imposible.
Es importante aclarar que deben establecerse unas formas y métodos de trabajo
rigurosos a la vez que ensayados y con resultados técnicamente comprobados.
Me ha parecido oportuno delegar este punto del curso a un artículo publicado en las
revistas especializadas Ingeo-Press, Obra Subterránea y la edición técnica IngeoTúneles.
Trata con cierto profundidad todos los aspectos que se deben tener presentes para
realizar un trabajo de calidad con equipos Láser-Escáner.
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5. APLICACIOES (Perfilómetro)
5.1 Estado de alineaciones
5.2 Secciones Tipo
5.3 Proceso de datos
5.4 Editor de perfiles
5.5 Resultados
5.6 Análisis de desviaciones
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APLICACIÓN DE EQUIPOS LÁSER 3D PARA EL CONTROL CUALITATIVO Y
CUANTITATIVO DE TÚNELES EN EJECUCIÓN Y REHABILITACIÓN.
1.- ITRODUCCIÓ
La aplicación de modelos 3D en túneles permite obtener un elevado volumen de
información, de la que se desprende el conocimiento en detalle de todos los aspectos
geométricos de la obra realmente ejecutada o estado previo de rehabilitación. A
diferencia de otros sistemas de medición los modelos 3D obtenidos con equipos
Láser-Escáner 3D proporcionan un modelo numérico sin interrupciones, con una
densidad de información próxima a la realidad absoluta.
En túneles ejecutados con métodos no integrales, el sistema representa una alternativa
real para el control de invasiones del terreno susceptibles de minorar los espesores de
revestimiento siendo evidentes las ventajas sobre los métodos tradicionales. Por una
parte, al tratarse de un método numérico, se evitan las deformaciones que se pueden
producir en métodos mecánicos de control (carro de gálibo) que resultan difíciles de
controlar. El conocimiento de incidencias en formato continuo y la velocidad de
ejecución del proceso así como la fiabilidad de los datos obtenidos, justifican su
aplicación en todo tipo de túneles.
Los métodos de excavación integral por su parte necesitan el conocimiento de la
disposición y forma final del anillo de dovelas sobre el teórico. La principal
aplicación del sistema en estos casos, es el conocimiento de la posición absoluta de la
estructura de sostenimiento respecto de ejes de vía o carriles de circulación. Con la
información disponible se pueden plantear alternativas de trazado que sin variar
notablemente los valores y parámetros de proyecto, permiten subsanar las
desviaciones detectadas entre lo teórico y lo realmente ejecutado.
En proyectos y obra de rehabilitación de túneles, se pone de manifiesto las ventajas de
la utilización de sistemas 3D para valorar adecuadamente diferentes aspectos del
método constructivo y de las mediciones previas al comienzo de obra, para adaptar el
túnel existente a las nuevas situaciones y exigencia de gálibo.
2.- TEORÍA GEERAL BÁSICA
El propósito de un equipo de medición 3D escáner es crear una nube de referencias
numéricas de cualquier superficie objeto, y dependiendo del modelo utilizado los
datos obtenidos corresponden a los valores de un sistema de coordenadas local,
pixelado (imagen) de la superficie y valor de intensidad de señal.
Por norma general, un modelo completo del objeto no se consigue mediante una única
posición de los equipos 3D, fundamentalmente debido al alcance en distancia y
condicionado por el ángulo de incidencia de la señal sobre el objeto a representar.
Estos factores hacen necesario establecer una metodología adecuada a cada situación,
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normas que si no se observan con rigor pueden ocasionar la pérdida de detalles
(sombras), densidad deficiente e incluso la obtención de mediciones erróneas (ruido).
En la actualidad podemos agrupar los equipos 3D en dos tecnologías diferenciadas y
aunque en ambos casos se utiliza algún tipo de radiación, entre las que se incluyen luz
modulada o ultrasonidos, lo más común es la utilización de equipos basados en láser
de baja-media frecuencia que no revisten peligro para la salud de las personas.
Tiempo de Vuelo
Los equipos basados en tecnología time-of-flight están formados por un emisor de
pulsos láser y un conversor digital. El pulso de salida transmitido hacia el receptor de
salida y reflejado sobre un objeto distante, es capturado por el receptor de entrada.
Ambas señales debidamente codificadas son procesadas por el conversor digital y la
diferencia de tiempo transcurrida (medida en picosegundos) entre ambos eventos,
hace posible calcular la distancia entre el emisor y el objeto con precisiones de rango
milimétrico (Fig – 1)
Fig – 1 Esquema funcional Tiempo-de-Vuelo
Diferencia de Fase
Consiste en la salida de una onda portadora desde el emisor que es devuelta tras ser
reflejada por el objeto. La diferencia entre la portadora (λ) y su diferencia de fase
(∆Φ) permite calcular con precisión milimétrica (1-3 mm) la distancia entre el emisor
y el objeto. Por no estar condicionada a la medición de tiempos transcurridos, los
equipos basados en esta tecnología son capaces de procesar valores superiores a
250.000 referencias por segundo. (Fig – 2)
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Fig – 2 Esquema funcional Diferencia-de-Fase
Los sistemas de medición, independientemente de la técnica empleada, solamente son
capaces de calcular la distancia a un único objeto; por esta razón los equipos láserescáner 3D incorporan un sistema auxiliar de espejos y servo-motores que hacen
posible el desplazamiento angular de las señales a lo largo del modelo objeto, en
modo planar(raster) o esférico. En todo caso la capacidad de adquirir información es
sorprendente, variando entre un rango de 5.000-100.000 referencias por segundo para
los equipos basados en tiempo-de-vuelo, y superiores a 250.000 en diferencia de fase.
El paso angular de giro o desplazamiento del sistema de espejos se puede configurar
mediante el software de sistema proporcionado por cada fabricante, haciendo posible
ajustar la densidad de referencias deseada. Lamentablemente la medida angular se
mantiene constante en todo el proceso de medición, característica que provoca que la
malla obtenida no resulte uniforme, distanciándose los nodos entre si mismos a
medida que el objeto se aleja del foco emisor.
Por otra parte los equipos 3D no pueden considerarse un equipo topográfico y por lo
tanto no disponen de mecanismo alguno que les permita obtener una posición
absoluta, tomando siempre como origen de coordenadas el foco emisor del equipo.
Todo ello obliga a establecer un método que garantice el éxito de cualquier estudio en
el que se utilice esta tecnología.
Escáner FARO LS HE880 de diferencia de fase y detalle del reflector rotatorio
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3.- METODOLOGÍA
El uso de sistemas 3D en túneles y obras subterráneas implica necesariamente la
implantación de un método adecuado de trabajo. Por norma general cualquier proceso
en el que se emplee técnicas láser-escáner 3D se divide en tres fases diferenciadas.
•
•
•
Captura de datos (trabajo de campo)
Registro y orientación de modelos
Explotación numérica y gráfica de los datos
En cada una de las etapas enumeradas, los equipos utilizados y el personal técnico que
interviene en los procesos es importante; no obstante los trabajos de campo adquieren
una mayor relevancia en cuanto a la observación de las recomendaciones y
rigurosidad de método.
Captura de Datos
El inicio de los trabajos de campo suele coincidir –aunque no necesariamente- con la
fase final de excavación del túnel, momento en el que la obra reúne las condiciones
óptimas para ello: mínimo tráfico de maquinaria y vehículos pesados, ausencia de
instalaciones auxiliares y atmósfera con baja densidad de partículas en suspensión.
Seleccionada la instrumentación se deben planificar sus posicionamientos para
alcanzar la densidad de datos exigida. Este es un aspecto que debe tratarse con sumo
rigor para evitar diferencias notables en la malla y sobre todo para proteger el modelo
de oclusiones y zonas de sombra producidas por la propia irregularidad del terreno
(Excavaciones no integrales).
Todos los equipos de medición tridimensional, independientemente de sus
características específicas, realizan el barrido ajustándose a un intervalo angular fijo
establecido que condiciona irremediablemente la dispersión de la malla a medida que
el objeto se aleja, lo que supone que la nube de puntos no se consiga de acuerdo a una
cuadrícula regular y homogénea. (Fig-3)
Pág –-38Fig
3 Dispersión de malla
Por ésta y otras razones, la separación máxima entre estaciones ha de establecerse de
acuerdo a los parámetros que la condicionan: Densidad exigida, radio de túnel y
rugosidad.
El radio de la sección ejecutada influye notablemente en la velocidad en la que
disminuye la densidad de malla a medida que aumenta la distancia al objeto. La figura
2 muestra la relación existente entre (radio-densidad de malla)->separación de
estaciones instrumentales.
Fig – 4 Distancias recomendadas según el radio de excavación
Pág -39Fig – 5 Recomendaciones específicas en zonas de refuerzo (cerchas)
De la gráfica (Fig – 4) podemos obtener la distancia recomendada entre estaciones
contiguas para conseguir una densidad de modelo de las proporciones deseadas. Por
norma general, para la inmensa mayoría de túneles (6-7 m.), la distancia apropiada
para alcanzar una malla de 0.05 x 0.05 (escenario ideal), oscila entre 23-24 m. Y no
debe superar esta medida salvo razones plenamente justificadas.
La rugosidad de la excavación es un factor importante a tener en cuenta para ajustar
este parámetro. Si la superficie del terreno presenta irregularidades importantes será
necesario disminuir la distancia recomendada. La propia irregularidad del terreno hace
difícil establecer normas que se cumplan en todo momento, y la experiencia y buenas
prácticas del equipo técnico responsable de la toma de datos, será la encargada de
aplicar la correcciones necesarias en cada situación concreta. En todo caso, ante
terrenos muy irregulares, conviene establecer reducciones de 10%-20% .
Los tramos de obra en los que la sección de sostenimiento incluye cerchas, son claros
candidatos a la generación de sombras en las simas que se producen entre dos anillos
contiguos. El gráfico de la figura 3 representa los valores máximos de separación
entre estaciones en función de radios y profundidades de sima (Fig – 5).
Apoyo Topográfico
Anteriormente se ha hecho referencia a la imposibilidad de los equipos láser-escáner
3D para obtener una posición absoluta de coordenadas, y como consecuencia es
necesario e imprescindible establecer un sistema de apoyo topográfico que
proporcione un sistema de coordenadas de obra, referencias que serán utilizadas para
registrar y orientar los diferentes modelos 3D.
Fig – 6 Instalación fija de anclajes y posicionamiento del target
En este sentido nos encontramos con diferentes sistemas de realizar el apoyo
topográfico, dependiendo en gran medida del equipo escáner utilizado para realizar
los levantamientos del túnel y del software de configuración y registro proporcionado
por el fabricante.
Existen dispositivos que permiten la instalación de un prisma reflector en el eje de
giro del emisor láser y que observado topográficamente, establece la situación
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absoluta del equipo 3D. En este caso es necesario establecer al menos dos referencias
externas de valores topográficos conocidos para orientar el modelo.
El sistema más habitual consiste en la colocación de al menos cuatro referencias
(targets) en las proximidades de la estación. Estas dispositivos suelen ser
suministradas por el fabricante del equipo y están constituidas por piezas circulares,
planares o esféricas de dimensiones y tramas normalizadas, agentes que el proceso de
escaneo es capaz de identificar, posicionar y por lo tanto correlacionar con los valores
topográficos de cada una de ellas. (Figs 6 y 7)
Fig – 7 Target posicionado listo para ser observado topográficamente.
En todo caso es necesario disponer de un equipo de topografía que, apoyado en los
vértices y bases de la red utilizada para la ejecución de la obra, realice las
observaciones a todas las referencias móviles o fijas necesarias para registrar y
orientar las diferentes modelos 3D.
4.- ORIETACIÓ DE MODELOS
El registro y orientación de modelos es el paso intermedio entre los trabajos de
campo (toma de datos) y la obtención de los resultados deseados. Este es un proceso
manual y delicado en el que los técnicos operadores han de trabajar con rigor para
conseguir una nube de referencias de terreno totalmente fiable, homogénea y con el
mínimo error residual en el registro correlación de modelos.
Para registrar y transformar los modelos de las diferentes tomas, se utilizan
normalmente las herramientas suministradas por el fabricante o aplicaciones
informáticas de ingeniería inversa (RapidForm, Geomagic, Polyworks) capaces de
manejar con agilidad hasta 100 Mio de referencias de terreno e identificar referncias
topográficas comunes que permitan una correlación libre de errores.
Pág -41Fig – 8 Malla 3D sin tratar y vista planar del modelo.
Sobre el modelo 3D así procesado es aconsejable realizar una limpieza de objetos no
deseados y que no representan el terreno (Tuberías, mangueras, maquinaria) salvo que
se prefiera omitir en esta fase y delegarla al proceso de explotación si se disponen de
las aplicaciones especificas de control geométrico de túneles.
El resultado final es un modelo numérico con varios millones de referencias x,y,z del
terreno. Para hacerse una idea aproximada, un kilómetro de túnel puede contener una
media de 20 Mio de referencias.
En la Fig-8 podemos observar una nube de puntos sin procesar. Sobre ella se aprecia
la dispersión de malla como consecuencia de la separación del objeto respecto del
foco emisor y el valor de paso angular. Nótese en la imagen planar la representación
de taludes de emboquille y la sombra producida por la propia sección del túnel.
En la Fig-p vemos el mismo modelo ya depurado , registrado y unido a múltiples
tomas, formando un único objeto continuo y apoyado en los datos topográficos de
obra
Fig – 9 Múltiples modelos registrados y orientados.
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5.- EXPLOTACIÓ DEL MODELO.
Por último es necesario obtener información tratable para la valoración
pormenorizada de la obra existente desde todos los enfoques posibles, información
que permite tomar decisiones apoyadas en la realidad para la resolución de
incidencias detectadas y ajuste de las unidades pendientes de ejecutar, así como
valorar las producidas hasta el momento de los trabajos de campo.
Para procesar los datos registrados y orientados como se indica en el apartado anterior
y confeccionar informes de los resultados obtenidos, es necesario disponer de los
elementos y herramientas de proceso numérico adecuadas que se encarguen de
convertir los datos existentes en información manejable. El software a emplear debe
disponer como mínimo de utilidades para definir datos básicos del proyecto como son
estado de alineaciones, geometría de sección tipo y sus peraltes y naturalmente ha de
ser capaz de procesar en formato continuo y con agilidad la totalidad de los datos
obtenidos en obra, datos que suelen alcanzar en la mayoría de los casos cientos de
millones de ítems.
Los estudios e informes realizados hasta el momento ponen de manifiesto las
necesidades para realizar un adecuado seguimiento de incidencias y control de la obra
realmente ejecutada. Los resultados obtenidos se resumen en los siguientes apartados:
Gálibo virtual
En toda excavación realizada con métodos no integrales se producen
irremediablemente desviaciones respecto de la sección teórica de proyecto, rebasando
o invadiendo la línea de excavación teórica. En aquellos casos en los que se
contempla el revestimiento del túnel como unidad de obra a ejecutar, la excavación
por defecto puede suponer una disminución de los espesores de revestimiento respecto
de los reflejados en proyecto, y en algunos casos puede dificultar el posicionamiento
de los elementos de encofrado.
Fig – 10 Esquema de invasiones en cupón de 0.50 m..
Realizar una campaña de verificación topográfica de invasiones resulta lenta y
compleja en su ejecución, además no puede garantizar con certeza absoluta el registro
de la totalidad de las desviaciones existentes. Alternativamente se suele emplear una
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estructura metálica consistente en un anillo de dimensiones idénticas del trasdós de
encofrado, al que se le añaden a lo largo de su desarrollo unas varillas palpadoras que
cubren el espesor de revestimiento y son las encargadas de detectar colisiones con el
sostenimiento existente.
Al disponer de un modelo 3D del terreno debidamente tratado y con la garantía de que
la malla de terreno obtenida tiene la densidad suficiente, el proceso de cálculo de
comprobación de gálibo simula numéricamente el paso de las secciones teóricas
aplicables en cada caso concreto, analizando todos los vértices y planos del modelo
3D y recogiendo en un informe los datos de aquellas regiones que invaden la sección
mínima definida en cada sección tipo. Los resultados obtenidos aventajan
notablemente a los sistemas habituales de comprobación de la excavación por medios
mecánicos o topográficos, proporcionando un conocimiento de todas las incidencias
existentes en un único proceso y en la totalidad de la obra (Fig – 9).
Fig – 11 Cupón de túnel procesado y listado de datos de replanteo de invasiones.
Lógicamente los resultados se deben representar de forma esquemática, recogiendo
aquellos puntos de máxima invasión que se producen en tramos de túnel relativamente
pequeños, de lo contrario la información obtenida sería difícil de manejar e interpretar
por el usuario, por no decir intratable. En las figuras 10 y 11 podemos ver el grado de
invasión (tramado) en un tramo de túnel, su equivalente en representación
esquemática y los datos numéricos de replanteo de máxima invasión.
La ventaja más evidente de aplicar este sistema es la rapidez con la que se obtienen
resultados de forma global, lo que permite iniciar de forma inmediata las labores
necesarias para corregir las invasiones existentes, incluso en diferentes tramos de la
obra simultáneamente. Por otra parte evita la necesidad de diseñar y construir un carro
para verificar el gálibo de la obra ejecutada y su transporte a lo largo del túnel.
Desprendimientos
En la mayoría de los casos en túneles excavados con métodos no integrales se
producen, como consecuencia de desprendimientos espontáneos tras la voladura,
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sobrexcavaciones inevitables y difíciles de preveer a pesar de seguir una buena praxis
constructiva.
El volumen de los excesos localizados y producidos por esta causa se pueden valorar
mediante el análisis sistemático de la malla numérica, agrupando en regiones
independientes las zonas que por su volumen localizado y ajustándose a lo recogido
en el Pliego de Prescripciones de Proyecto, sean susceptibles de ser consideradas
desprendimientos localizados del terreno.
Fig – 12 Esquema posicional y valoración de desprendimientos localizados.
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Mediciones
Como no puede ser de otra forma el volumen de datos obtenidos en un proceso láserescáner, permite obtener un cálculo de mediciones más preciso y de mayor contenido
que con cualquier otro sistema conocido. Normalmente este proceso se realiza
apoyándonos en perfiles transversales del terreno existente, y en el caso que nos
ocupa es posible obtener secciones del terreno muy próximas entre si y con un grado
de representación del terreno muy elevado, alcanzando una precisión de mediciones
muy próxima a la realidad.
Para que resulte posible obtener las mediciones deseadas, el software empleado debe
tener las herramientas y utilidades necesarias para aislar diferentes zonas del perfil y
formular los cálculos necesarios que actúan sobre éstas. Dicho de otra forma, el
proceso de cálculo requiere de una versatilidad capaz de obtener mediciones de
unidades de ejecución concretas, por ejemplo volúmenes de hormigón diferenciados
entre zona de aceras y bóveda, superficies localizadas entre acotaciones, perímetros de
las zonas excavadas por exceso y defecto etcétera.
Desviaciones de trayectoria
Ocasionalmente se producen desviaciones en la ejecución de la excavación respecto al
estado de alineaciones de proyecto, siendo éstas causadas por desviaciones de
trayectoria en los equipos de perforación, siendo más acusadas si cabe cuando se
utilizan métodos integrales en la ejecución del túnel.
Pág –-46Fig
13 Análisis de desviaciones de trazado .
Con los datos procedentes del túnel y la densidad de éstos es posible realizar una
comparación exhaustiva entre la sección de proyecto y lo realmente ejecutado (Fig –
13), consiguiendo una tabla de desviaciones mediante las cuales es posible acometer
estudios de diferentes variantes de trazado basados en la situación existente, que
pueden mejorar sustancialmente la posición absoluta de la obra existente sobre la
sección de proyecto.
Incluso es posible simular el paso de figuras geométricas que representan unidades y
maquinaria de obra que permiten verificar aspectos tales como tolerancia de catenaria,
contacto entre elementos del sostenimiento existente y equipos de construcción
En la Fig-14 se observa la posición absoluta del terreno respecto de la sección teórica
aplicando datos de proyecto, y el resultado comparativo de aplicar una determinada
variante de trazado.
Fig – 14 Simulación alternativa de estado de alineaciones.
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Perfiles transversales
Seccionamiento sistemático del modelo en el intervalo deseado para la obtención de
perfiles transversales del terreno que permiten verificar y justifican cualquier informe
emitido.
5.- APLICACIOES
Estudios e informes AS-BUILT de obra realmente existente en la que se
incluye la comprobación de gálibo, desprendimientos, mediciones y perfiles
transversales.
Verificación puntual de sección en tramos de refuerzo o convergencias de
magnitud notable.
Medición de grandes cavidades y colapsos.
Comprobación de emboquilles previos (Tuneladoras)
Análisis de desviaciones del trazado y ajuste de variantes
Inventario numérico.
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7. – CONCLUSIONES
Los sistemas y métodos descritos se apoyan en la experiencia de los trabajos
realizados en las obras de túnel más relevantes a nivel nacional, tanto a nivel de ASBUILT en obras de nueva factura, controles puntuales durante la ejecución y
rehabilitación de túneles en servicio.
Del contenido del presente artículo se desprende que el establecimiento de control
geométrico y cuantitativo mediante sistemas Láser-Escáner 3D, supone una ventaja
respecto a otros métodos empleados, sobre todo si atendemos a la velocidad de
captura de la información y obtención de resultados inmediatos.
Es interesante observar el grado de implantación de sistemas 3D en otros países de la
Comunidad Europea para el control de obras subterráneas; así se pudo comprobar en
las ponencias a cargo de los catedráticos de la Universidad de Graz (Austria) D. Wulf
Schubert y D. Klaus Rabensteiner en las Jornadas Técnicas que tuvieron lugar el
pasado mes de marzo de 2.007 en la Fundación Gómez Pardo, a las que tuvimos la
ocasión de asistir y tomar buena nota de su aplicación en otras áreas tales como
explotación de minas y canteras, arquitectura, documentación de patrimonio, industria
naval etcétera.
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control geométrico en la ejecución de túneles.

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