AUSCULTACION DE TUNELES JOSE Mª RODRIGUEZ ORTIZ Dr. Ingeniero de Caminos Catedrático de Mecánica del Suelo Y Cimentaciones de la UPM.
1. Introduccion
La instrumentación y la auscultación se están convirtiendo en operaciones rutinarias en la Ingeniería Civil, debiendo ser tanto más precisas cuanto mayor sea el riesgo asociado a una rotura, hundimiento o afección al entorno. No es por tanto, de extrañar que el campo de los túneles haya propiciado un intenso desarrollo de estas técnicas. Haremos una revisión sucinta de la instrumentación más utilizada, los objetivos de la auscultación y los aspectos más problemáticos de la misma. 2. Instrumentacion 2.1 Equipos
En este momento se dispone de una gran variedad de aparatos de medida, por lo que pueden controlarse la mayoría de las variables implicadas en el proceso constructivo. En el Cuadro nº 1 se hace un resumen de los aparatos más corrientemente utilizados y su campo de aplicación. En la fig. 1 se muestran algunos de dichos aparatos. Existen además otros muchos equipos de medida de uso poco frecuente como -
Medidores de resistividad o conductividad conductividad Acelerómetros Líneas de asientos, tasómetros, etc. Detectores de gases, etc.
Recientemente se está investigando en aplicaciones de la fibra óptica para detectar, de forma continua, variaciones en los estados tensionales de sostenimientos u otros elementos de los túneles. Por supuesto cada aparato tiene su campo de aplicación, su rango de medida, su precisión y su fiabilidad. En este sentido es muy importante la calidad de la instalación. Una instalación deficiente puede hacer que las medidas sean inaprovechables o, lo que es peor, lleven a conclusiones erróneas. Siempre se ha dicho que es preferible no tener medidas a tener una medida errónea.
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CUADRO Nº 1.- Equipos principalmente utilizados en instrumentación y resultados que proporcionan Función
Aparato o equipo
Utilización
Hitos de nivelación
Asientos terreno
Regletas o clavos
Asientos en estructuras
Dianas, prismas, etc.
Control topográfico
Errores por ángulo visual y distancia
Desplazamientos entre puntos a distancia métrica Registro continuo de asientos Desplazamientos o flechas Desplazamientos o asientos relativos entre puntos Medida de apertura de grietas, movimientos entre partes de una estructura, etc. Extensómetro múltiple Inclinación de edificios Medida de deformaciones en elementos estructurales Id.
Errores de 1 mm / 10 m o superiores.
Cinta de convergencia Medida de desplazamientos
Electroniveles Inclinómetros Extensómetros Fisurómetros o “crack meters”, micrómetros, comparadores, transductores de lectura manual o de registro automático, etc. TriVec Clinómetros
Medida de deformaciones
Extensímetros o straingauges
Fibra óptica Células de presión total Medida de Células de carga en anclajes fuerzas o Células de presión intersticial tensiones Células tipo Osterberg Piezómetros de tubo abierto Medida o de Casagrande de Piezómetros de cuerda presión intersticial vibrante Manómetros
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Observaciones
Defectos de apoyo en terreno compresible
Tramos cortos Problemas de instalación
Problemas de instalación
Diana taquimétrica y de nivelación
Cinta de convergencia
Inclinómetro
Piezómetro abierto
Piezómetros de cuerda vibrante
Células de presión total
Células de carga en anclajes
Extensímetro 3
Electronivel
Fisurómetro
Teodolito registrador
Base de referencia
Fig. 1.- Instrumentación habitual en túneles Para poder corregir errores es importante una cierta redundancia o duplicación de las medidas. También es fundamental, sobre todo en el caso de nivelaciones o medidas topográficas disponer de bases de referencia suficientemente fiables. Con frecuencia se dan por inamovibles bases “flotantes” que hacen inservible la auscultación. Hay que tener mucho cuidado con el vandalismo, ya que pueden moverse accidentalmente los puntos de medida, confundiendo los desplazamientos reales con los provocados. La inspección directa de los aparatos de medida debe permitir detectar estas incidencias. Actualmente el desarrollo tecnológico ha puesto en el mercado una gran oferta de aparatos registradores o sensores que proporcionan una gran cantidad de medidas en tiempo real. Las señales de los sensores se envían por radio o WiFi a una Estación Central donde se transforman, mediante un software apropiado, en medidas interpretables por un cierto número de usuarios autorizados. El propio sistema compara las medidas con umbrales preestablecidos, generando en su caso, las oportunas alarmas.
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Estas Redes de control Automático son lógicamente bastante costosas si bien se argumenta que su mayor coste viene compensado por la reducción de mano de obra en personal de medida y control. Desgraciadamente no todas las magnitudes se pueden registrar automáticamente en todos los puntos de interés por lo que el personal in situ sigue siendo necesario. Por otra parte es frecuente tener que ampliar los puntos de medida conforme se va comportando la obra. También hay que tener en cuenta que un exceso de datos puede ser inmanejable e innecesario. Es absurdo tomar datos cada minuto de un proceso cuya evolución se manifiesta en días o semanas. En los hospitales no se toma la temperatura a los enfermos cada décima de segundo, aunque podría hacerse. No es lo mismo hacer el seguimiento de las tensiones en un túnel de dovelas, en donde los movimientos significativos son indetectables en periodos de semanas que el de las subsidencias de edificios en zona urbana, donde hay que detectar el peligro con suficiente antelación. También está injustificado disponer aparatos registradores, necesariamente fijos, para controlar procesos que van a pasar fugazmente por su tramo de observación. Un aparato registrador no tiene por qué ser necesariamente más preciso que un aparato de control manual. Aparte de derivas electrónicas, hay otros muchos factores de error. Por ejemplo, los teodolitos registradores se instalan en puntos altos, terrazas de edificios etc. con lo que las medidas adolecen de las dilataciones del propio edificio, muchas veces superiores al rango de movimientos esperables. Creemos que el registro continuo puede estar indicado en estructuras importantes o monumentales en cuyo entorno se van a hacer operaciones complejas de bastante duración pero no tiene sentido cuando va a pasar una tuneladora a 30 m/día. De todos modos es importante, para algunas Administraciones, poder decir en los periódicos que “… preocupados por la seguridad de los vecinos se ha instalado el sistema de auscultación más caro y sofisticado existente en el mercado ”. Se registra hasta el aleteo de las mariposas (por aquello del caos). La apoteosis se alcanza cuando se dispone de un sistema de seguimiento centralizado, con varios ordenadores y un programa que permite saber lo que pasa en cada punto de la obra, los detalles de la misma, el tipo de terreno, los datos de los edificios, la historia de medidas de cada aparato, etc. 2.2 Túneles en mina 2.2.1 Túneles convencionales
Nos referimos a los realizados por el Nuevo Método Austriaco, Sistema Bernold, Método Belga, etc. Normalmente la auscultación se limita a la medida de convergencias, aunque pueden incorporarse algunos controles complementarios como -
Nivelación de clave Extensómetros para definir la zona plastificada en torno al túnel Densímetros o extensímetros en cerchas
Aunque algunas veces se colocan células de carga en el hormigón proyectado las dificultades de colocación hacen que se prefiera instalarlas en el revestimiento definitivo, si bien su utilidad es mucho menor.
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En zonas urbanas donde es importante el control de la subsidencia en superficie se suelen colocar hitos de nivelación sobre el terreno. Hay que tener cuidado con la instalación de estos hitos ya que si existe tráfico o están colocados sobre rellenos pueden presentar medidas que no tengan nada que ver con las obras subterráneas. Si la cobertera no es muy grande también se prefiere instalar los extensómetros desde superficie. Ocasionalmente también se colocan inclinómetros a los lados del túnel o entre éste y los edificios. También es habitual disponer piezómetros a ambos lados del túnel para controlar la afección a los niveles freáticos. Lógicamente la instrumentación se completa colocando detectores de movimientos (hitos, regletas, clinómetros, etc.) en los edificios o servicios que quedan dentro de la zona de influencia del túnel
Fig. 2.- Instrumentación habitual en túneles convencionales-Zona urbana. 2.2.2 Túneles con tuneladora
La auscultación del propio revestimiento del túnel supone algunas diferencias respecto a los túneles convencionales. Normalmente la instrumentación se coloca en el taller de fabricación de dovelas introduciendo en las mismas: -
Tensímetros en armaduras Células de presión total radiales y perimetrales
Las células radiales son de difícil instalación e interpretación en dovelas de pequeño espesor. Las células en el trasdós de las dovelas tienen dos inconvenientes: 6
-
La inyección de mortero, de mejor o peor calidad, modifica la transmisión de las tensiones del terreno a la célula. La diferencia de rigidez entre la célula y la dovela favorece un cierto “puenteo”, midiéndose tensiones muy diferentes de las reales
Se han ensayado métodos para atravesar las dovelas y colocar las células contra el terreno, evitando los efectos anteriores. Se trata sin embargo de una operación bastante complicada.
Fig. 3.- Instrumentación típica de un anillo de dovelas
Fig. 4.- Medida de convergencias en un anillo de dovelas. 7
Fig. 5.- Zona de influencia e instrumentación típica en torno a un túnel de dovelas También se intenta medir convergencias en los anillos de dovelas, pero esto tropieza con bastantes dificultades por la presencia de la máquina y el back-up, por lo que las medidas suelen iniciarse con bastante retraso respecto al momento de colocación del anillo. En algunos casos se colocan extensómetros radiales desde el propio túnel, aunque la instalación ofrece bastantes dificultades en presencia del nivel freático.. En túneles urbanos la instrumentación exterior al túnel, normalmente ejecutada desde superficie, es similar a la indicada para los túneles en mina. 2.3. Túneles a cielo abierto
Nos referimos principalmente al sistema cut-and-cover, con el empleo de pantallas. El objetivo de la auscultación es controlar las flechas de las pantallas y los eventuales asientos o movimientos producidos en el entorno de las mismas. También conviene detectar las modificaciones del nivel freático (efecto barrera). En la fig. 6 se muestra una disposición típica. Hasta hace poco se intentaba un control de los empujes sobre las pantallas mediante la instalación de numerosas células de presión total, acopladas a la jaula de armaduras. Los resultados han sido poco satisfactorios y de difícil interpretación, por lo que se ha ido abandonando esta instrumentación a favor de la medida de desplazamientos, que es mucho más importante por los efectos sobre el entorno. No obstante se siguen manteniendo las células para medir las subpresiones o las presiones de contacto en la base de las soleras o contrabóvedas. 8
Fig. 6.- Instrumentación típica de un túnel entre pantallas Los tensímetros pegados a las armaduras se siguen colocando aunque casi nunca se consigue una determinación clara de los esfuerzos a que está sometida la pantalla. Se está prestando, sin embargo, bastante atención a las flechas de los forjados y a sus acortamientos por fluencia o retracción. También es interesante el control de cargas en estampidores. Por supuesto la mayor atención se centra en los edificios y servicios próximos, para lo cual son útiles los hitos de superficie, regletas, etc. Los extensómetros son de difícil interpretación (hacen falta modelos al menos 2-D) así como los inclinómetros situados en el terreno comprendido entre la pantalla y el edificio, por lo que son preferibles los inclinómetros colocados en la propia pantalla, siempre que se prolonguen de 3 a 5 m bajo el pie de la misma. En líneas generales puede asimilarse la flecha máxima de la pantalla al asiento esperable en el edificio. δmax ≈
smax
De todos modos es importante poder determinar la cubeta de asentamientos del edificio con objeto de calcular las distorsiones angulares. 3. Interpretación
Habitualmente la interpretación de las medidas no corresponde al auscultador sino a técnicos asociados a la Dirección de Obra, Asistencia Técnica, Asesores, etc. Ni que decir tiene que todas las empresas de auscultación se consideran capacitadas para interpretar las medidas y consideran un desdoro que no se les encargue este trabajo. 9
En general hay tres métodos de interpretación: a) b) c)
Por umbrales Por comparación con modelos teóricos Por experiencia previa en casos similares o “feeling” de experto
La interpretación por umbrales es la más sencilla y por tanto la más utilizada. Basta con ver si la medida ha rebasado o no unos valores preestablecidos (de origen incierto), generalmente caracterizados por colores Verde Amarillo Rojo
Todo va bien Nos estamos aproximando al peligro Situación de riesgo elevado
Cuando se alcanza un cierto umbral el Informe de Auscultación lo hace notar y ahí acaba su cometido. Todo ello presupone que la medida sigue las pautas o esquemas previstos por el modelo. Cuando no es así (fig. 7) el sistema se bloquea.
Fig. 7.- Registro inclinométrico muy diferente de la deformada prevista por el cálculo Estas divergencias no son raras ya que hay muchos factores no contemplados en el cálculo como son las deformaciones asociadas a la excavación de las pantallas, los acortamientos térmicos de los estampidores o anclajes, etc., aparte de la incertidumbre respecto a los
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parámetros geotécnicos o los empujes de agua, sin contar los errores o limitaciones del propio método de cálculo. El método de “umbrales” es especialmente discutible ya que -
Los mismos umbrales se extienden a toda una obra, independientemente del tipo de terreno, edificio, entorno físico, etc. Algunas empresas discretizan algo más pero de manera arbitraria.
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La existencia de umbrales puede crear alarma social ya que a nadie le gusta saber que su casa ha alcanzado el nivel rojo de peligro.
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Los umbrales no suelen corresponderse con la realidad. De hecho el umbral de fisuración de un edificio solo se sabe cuando se fisura el edificio. Los criterios al uso (Burland, Boscardin y Cording, etc.) son escasamente precisos en casos concretos. Solo en casos muy especiales se hace la modelización del terreno con el edificio (en el supuesto de un buen conocimiento de su estructura y cimentación).
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Los proyectos y los Planes de Auscultación suelen indicar las personas a las que hay que comunicar las incidencias, como la superación de umbrales críticos, pero no suele estar definido qué se hace en esos casos.
En algunas ciudades donde se conocen bien las propiedades del terreno y se han hecho muchos túneles se han llegado a establecer unos umbrales prácticos de seguridad, como es el caso de Madrid (Cuadro 2). De hecho se diseña para no rebasar tales valores. No obstante se trata de valores “característicos” que pueden no ser admisibles en algunos casos. CUADRO Nº 2.- Valores limites de movimientos propuestos en Madrid MAGNITUD Asiento máximo Distorsión angular Deformación horizontal
VALOR MAXIMO ADMISIBLE 15 mm 1/1000 0,001
En otras localidades se han rebajado estos umbrales. El problema es la aplicación de estos criterios a un edificio concreto que puede tener un valor histórico especial o un estado de daños elevado. Esa función de “susceptibilidad” del edificio es muy difícil de establecer y por supuesto las previsiones estándar que se encuentran en muchos planes de auscultación no son sino groseras aproximaciones. Los planos con edificios rojos, verdes y amarillos (en función de su riesgo o sensibilidad) tienen su interés pero nunca deben tomarse como algo riguroso, entre otras cosas, porque la información disponible sobre los edificios (estructura, cimentación, daños, intervenciones, etc.) suele ser muy escasa, por muchas fotos que contengan los “inventarios de edificaciones”. La planificación matemática de decisiones (sistemas “expertos”) tiene sus riesgos ya que por mucho que se prevea, pesa mucho el factor personal. Lo ideal es que un experto riguroso pondere la situación, independientemente del umbral establecido más o menos arbitrariamente y adopte la decisión, a su juicio, más correcta. Este procedimiento, hasta ahora con resultados más o menos buenos, según la calidad del experto, está en trance de desaparición en España. En otros países desarrollados ya desapareció hace tiempo. El uso de los modelos teóricos como referencia es aparentemente más serio. Consiste en comparar las medidas con las predicciones de cálculo como por ejemplo: 11
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Las deformadas de cálculo vs. las deformadas inclinométricas Las cubetas de subsidencia medidas y calculadas Las convergencias de túnel medidas y calculadas, etc.
Los modelos son necesarios para interpretar las medidas de algunos instrumentos como los que miden deformaciones (Trivec, extensómetro incremental, etc.) o desplazamientos en la masa del terreno (extensómetros, inclinómetros). Normalmente se utilizan programas tipo FLAC 3D, PLAXIS, etc. donde la principal incertidumbre se deriva de la asignación de parámetros geotécnicos de deformabilidad y resistencia. Quizá lo más sencillo de ajustar sean las medidas de convergencias y subsidencia ya que se pueden elaborar modelos simplificados regulables por un solo parámetro. Mucho más difícil es explicar las diferencias entre medidas y cálculos en el caso de pantallas. También ofrece considerable dificultad el ajuste de las medidas piezométricas a los modelos hidrogeológicos ya que habría que disponer de datos en un área mucho más extensa que la traza del túnel. Rara vez las modelizaciones del Proyecto coinciden con las secciones instrumentadas, siendo poco frecuente modelizar en obra para interpretar la auscultación, por lo que se suele hacer una evaluación a ojo. Ocasionalmente, no obstante, se hacen modelos específicos para algún tramo conflictivo. A veces, incluso, demasiados modelos como es el caso de la Sagrada Familia en Barcelona. La mejor alternativa sería tener en obra el modelo de cálculo e irlo tarando con los resultados de las medidas. Esto es lo que propugna el denominado DEA (Diseño Estructural Activo), aunque no se puede hablar de aplicación sistemática de estos procedimientos. Sabemos que el ADIF está intentando integrar proyecto y auscultación en algunos túneles importantes. La experiencia es algo muy denostado (por los que no la tienen) ya que (según opinan) nada es comparable a un buen cálculo por PLAXIS o FLAC. Además hay que respetar los valores fijados en el Plan de Auscultación (!). Desgraciadamente ni los modelos son perfectos ni las medidas son siempre fiables y alguien tiene que subsanar las inevitables carencias, con experiencia y sentido común. Por muy bueno que sea un modelo es difícil disponer de datos espaciales de un proceso complejo como es la ejecución de un túnel por lo que el experto debe ponderar conjuntamente las estimaciones del modelo, la calidad de las medidas, la evolución previsible, las posibilidades de medidas correctoras, etc. y emitir un diagnóstico o tomar una decisión. No conocemos ningún programa o “modelo experto” capaz de realizar esta labor. La pequeña tragedia del día a día es que se tienen unas medidas de un proceso desconocido o al menos no experimentado previamente. Un caso especial es el de los túneles ejecutados con tuneladora. La auscultación es la constatación de una realidad inamovible. Las máquinas van tan deprisa que no cabe adoptar ninguna medida correctora sobre la marcha. Desde luego descartamos parar la máquina hasta que se nos ocurra algo y podamos realizarlo. Como mucho se puede comprobar que las cosas van mal y adoptar alguna medida a cierta distancia por delante, lo cual es muchas veces poco viable. Por otra parte los cambios de terreno y de entorno hacen que la experiencia de un tramo no sea directamente traspasable a otro de la misma obra. Únicamente cuando se va acumulando suficiente experiencia en una determinada ciudad o tipo de terreno se pueden introducir acciones correctoras desde un principio, preferiblemente desde la fase de proyecto.
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El gran problema son los casos dudosos, donde las previsiones “rozan” los umbrales de peligro. La decisión de efectuar un tratamiento preventivo conlleva costes bastante elevados y siempre faltan datos para una evaluación precisa del riesgo., por lo que, al final, solo queda el miedo o la experiencia de los obligados protagonistas. Actualmente se está trabajando en métodos interactivos que podrían tener algún futuro. Si se dispone de información continua computerizada de lo que está pasando en superficie es posible enviar mensajes al piloto de la tuneladora para que modifique las variables que están en su mano como la presión en la cámara, la velocidad de rotación, el empuje, etc. También se podría controlar la presión del mortero o la inyección a través del escudo. Es un camino bastante prometedor pero que nunca nos ahorrará la fase de aprendizaje y calibrado. Es evidente la dificultad de contemplar otras variables como la vulnerabilidad de los edificios o servicios adyacentes, cambios en la naturaleza del terreno, etc. Al no disponerse de modelos de estimación de subsidencias suficientemente precisos el calibrado del sistema solo puede hacerse experimentalmente, por un proceso de prueba y error. 4. Presentación de resultados
Es el principal obstáculo para una buena interpretación. Desgraciadamente a cada experto le gustan las cosas de una manera, aunque las diferencias no son grandes. Cada empresa debería conocer los “gustos” más frecuentes pero no se va creando un know-how al respecto. Cuando se consigue una presentación adecuada hay que volverla a explicar e imponer en la obra siguiente ya que el técnico auscultador de la obra anterior ya es jefe y no se ha molestado en enseñar al novicio. Si alguna labor debe realizar AUSIGETI sería la de normalizar la presentación de resultados. Habitualmente el auscultador mide y elabora un cuadro fechas-medidas y, si hay suerte, representa un gráfico. El preferiría un listado de EXCEL ya que da menos trabajo. En un túnel en mina, como mucho, se representa también la posición del frente cada día y eso es todo. Rara vez se indica si estamos en avance o a sección completa, a que distancia estaba la destroza, hasta donde se había colocado el sostenimiento, etc. Si se trata de un túnel entre pantallas el problema es mayor ya que habría que saber, cada día las pantallas excavadas, hormigonadas, etc. en el entorno. Los gráficos deberían señalar las actividades realizadas en cada fecha como la posición del fondo de excavación, el momento de ejecutar la losa de techo o los estampidores, etc. Las fechas, por sí solas, están bien para celebrar los cumpleaños pero no sirven de nada para interpretar una gráfica de movimientos. Si se miden niveles piezométricos es habitual no registrar la pluviometría. Unas veces se marcan profundidades de agua y otras cotas absolutas del nivel freático. Si se trata de grietas o fisuras, rara vez se anotan las temperaturas. Cuando se miden convergencias siempre queda la duda de si se mueve la clave o los dos hastiales, o uno sí y otro no. En las medidas inclinométricas se confunden con frecuencia los ejes AA y BB o es imposible conocer su posición respecto a la obra. No se ha conseguido aclarar el misterio de los inclinómetros que se mueven más en el plano de las pantallas que perpendicularmente a las mismas. Ni el de la onda solitaria que aparece entre dos tramos inmóviles. La interpretación geotécnica de unas medidas es imposible de realizar sin conocer el corte del terreno y la posición del nivel freático. Es raro que dicho corte aparezca en los registros de medidas.
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Parece como si todo lo que no son medidas se saliera del contrato y posiblemente sea así, pero ya va siendo hora de exigir algo más de elaboración. Hay informes geotécnicos que describen los sondeos en forma literaria, otros presentan las columnas de sondeo con colores y resultados de ensayo y unos pocos llegan a dibujar cortes geotécnicos relacionando los sondeos entre sí o dibujando plantas de isopacas, profundidades, etc. En este sentido es muy difícil interpretar las medidas piezométricas sin un plano de isolíneas o isopiezas, reflejando la obra y los puntos de medida. La interpretación de un eventual “efecto barrera” exige elaborar perfiles piezométricos aguas arriba y aguas debajo de la obra (lo cual no siempre está tan claro). No merece la pena seguir. Afortunadamente cuando se examina el informe periódico de auscultación siempre hay mucha gente alrededor que va aclarando las circunstancias de la obra en cada momento. Cada informe va acompañado de sus exégetas. Rara vez se cumple la que podríamos denominar “regla de oro de la auscultación”: Que cada hoja de resultados contenga toda la información relevante (terreno, geometría, posición, fechas, marcha de la obra en el entorno, etc.). Es decir, sea “self-explaining”. Si tenemos estos problemas con los métodos tradicionales ¿qué podemos esperar de los registradores continuos?. Suponemos que habrá unas cámaras de video que tendremos que ir visionando al mismo tiempo que el registro, para interpretar éste. Lo malo es cuando suceden cosas no visibles, subterráneas, etc. 6. Conclusión
Cada vez disponemos de mejores métodos de análisis y toma de datos, pero todavía estamos lejos del diagnóstico automático y de la toma de decisiones por un ordenador.
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