MÉTODOS DE MONITOREO ESTABILIDAD LABORES MINERAS

MÉTODOS MÉTODOS DE MONITOR MONITOREO EO EN LABORES LABORES MINERAS SUBTERRÁNEAS SUBTERRÁNEAS

CAMILO ANDRES FLOREZ ESQUIVEL COD: 1180885

UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER FACULTAD FACU LTAD DE INGENIERÍAS PROGRAMA PROGRAMA DE INGENIERIA DE MINAS SOSTENIMIENTO DE MINAS SAN JOSÉ DE DE CÚCUTA CÚCU TA 2017



Trabajo presentado como requisito requisito para optar nota de tercer previo previo de la asignatura SOSTENIMIENTO DE MINAS

Docente JOSE AGUSTÍN VARGAS ROSAS ROSAS Ingeniero de Minas - Msc Gestión Minera Minera

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Trabajo presentado como requisito requisito para optar nota de tercer previo previo de la asignatura SOSTENIMIENTO DE MINAS

Docente JOSE AGUSTÍN VARGAS ROSAS ROSAS Ingeniero de Minas - Msc Gestión Minera Minera

UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER FACULTAD FACU LTAD DE INGENIERÍAS PROGRAMA PROGRAMA DE INGENIERÍA DE MINAS SOSTENIMIENTO DE MINAS SAN JOSÉ DE DE CÚCUTA CÚCU TA 2017

1. Tabla de Contenido 2. 3.

INTRODUCCIÓN ..........................................................................................................5 MÉTODOS DE MONITOREO ......................................................................................6 3.1. MÉTODO MÉTODO D DE E AUSCULTACIÓN AUSCULTACIÓN GEODÉSICA O TOPOGRÁFICA ..................6 3.1.1. DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO......................................................................6 3.1.2. APLICACIÓN DEL MÉTODO........................................................................6 3.1.3. APARATOS APARATOS Y EQUIPOS EQUIPOS UTIL U TILIZADOS IZADOS .......................................................8 .............................................. .........8 3.1.4. PROCEDIMIENTO ........................................................................................15 3.2. MÉTODO MÉTODO DE D E LA FOTO FOTO GRAMETRÍA Ó VISIÓN V ISIÓN METRO METRO LOGICA LOGICA...............19 ...............19 3.2.1. DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO....................................................................19 3.2.2. APLICACIÓN.................................................................................................21 3.2.3. APARATOS APARATOS Y EQUIPOS EQUIPOS UTIL U TILIZADOS IZADOS .....................................................23 .............................................. .......23 3.2.4. PROCEDIMIENTO ........................................................................................25 3.3. MÉTODO MÉTODO D DE E CONTROL DE FRACTURA FRACTU RAS S ......................................................29 3.3.1. DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO....................................................................29 3.3.2. APLICACIÓN DEL MÉTODO......................................................................30 3.3.3. APARATOS APARATOS Y EQUIPOS EQUIPOS UTIL U TILIZADOS IZADOS .....................................................32 .............................................. .......32 3.3.4. PROCEDIMIENTO ........................................................................................36 3.4. MÉTODO DEL ESCÁNER LÁSER 3D ...............................................................38 3.4.1. DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO....................................................................38 3.4.2. APLICACIÓN DEL MÉTODO......................................................................39 3.4.3. EQUIPOS EQUIPOS Y APARATOS APARATOS UTIL U TILIZADOS IZADOS .....................................................44 .............................................. .......44 3.4.4. PROCEDIMIENTO ........................................................................................47 3.5. MÉTODO MÉTODO DE D E LA FIBRA ÓPTICA EN PERNOS DE ANCLAJE Ó (BOTDR) ( BOTDR) .50 3.5.1. DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO....................................................................50 3.5.2. APLLICACION ..............................................................................................52 3.5.3. APARATOS APARATOS UTILIZAD U TILIZADOS OS ...........................................................................54 .......................................................................... .54 3.5.4. PROCEDIMIENTO ........................................................................................61 3.6. MÉTODO MÉTODO D DE E CONTROL GEOTÉCNICO - PRE P RESIÓN SIÓN DEL TERRENO ..........67 3.6.1. DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO....................................................................67 3.6.2. APLICACIÓN.................................................................................................68 3.6.3. APARATOS APARATOS UTILIZAD U TILIZADOS OS ...........................................................................68 .......................................................................... .68 3.6.4. PROCEDIMIENTO ........................................................................................70

3.7. MÉTODO MÉTODO D DE E CONTROL DE PRESIÓN HIDRÁULI HID RÁULICA CA ...................................77 3.7.1. DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO....................................................................77 3.7.2. APLICACIÓN DEL MÉTODO......................................................................77 3.7.3. APARATOS APARATOS Y EQUIPOS EQUIPOS ..............................................................................79 .............................................................................. 79 3.7.4. PROCEDIMIENTO ........................................................................................84 4. CONCLUSIONES ........................................................................................................87 5. BIBLIOGRAFÍA...........................................................................................................88

2. INTRODUCCIÓN En una excavación subterránea, el diseño del sostenimiento se basa en la experiencia, estudios geológicos, métodos empíricos y cálculos teóricos. Tal sostenimiento puede encontrarse lejos del idóneo, principalmente porque las propiedades del terreno y su comportamiento ante la excavación no son exactamente conocidos, además de que la naturaleza de los movimi entos y tensiones alrededor de la excavación pueden variar de un punto a otro. Esto implica que, en muchos casos, los sostenimientos sean sobredimensionados o infradimensionados, causando problemas de ine stabilidad. Por lo tanto, la aproximación a posteriori, es decir, durante la construcción; está dand o paso a la instrumentación sistemática, siendo la tendencia actual la integración de los instrumentos de control como parte del diseño y control general de la construcción para contrastar experimentalmente las hipótesis iniciales y modificarlas si es preciso. El conjunto de labores necesarias para el control del comportamiento de una excavación subterránea se engloban bajo el término auscultación, que abarca todas las medidas de monitoreo posibles dentro de un ambiente subterráneo. Para esto es primordial contemplar las siguientes fases. a) Previsión del comportamiento de acuerdo a las condiciones del terreno. b) Selección de parámetros a monitorear, cuya medición pueda resultar eficaz para reflejar el comportamiento del terreno c) Selección de los instrumentos adecuados para medir las magnitudes elegidas. d) Obtención e instalación de l os instrumentos seleccionados e) Lectura, mantenimiento y protección de los mismos. Los datos del monitoreo deben correlacionarse con las observaciones geológicas de la excavación, para lo cual es imprescindible la presencia del personal especializado, responsable del seguimiento. Los datos geológicos son necesarios para una correcta interpretación del monitoreo y la consiguiente toma de decisiones

3. MÉTODOS DE MONITOREO 3.1. MÉTODO DE AUSCULTACIÓN GEODÉSICA O TOPOGRÁFICA 3.1.1. DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO Se entiende por auscultación como el procedimiento por el cual se evalúa en qué condiciones se encuentra una infraestructura, cuando está en uso o en condiciones de estarlo, y sin interferir demasiado con los usuarios normales de la infraestructura. Es un procedimiento habitual en grandes obras de ingeniería, como presas, puentes y túneles. Es necesaria una auscultación para poder seguir la evolución en el tiempo de los fenómenos mecánicos que acompañan la construcción de un túnel. El papel de la auscultación será necesario desde la fase de proyecto, por ejemplo efectuándola en la galería de reconocimiento, con lo que se podrá observar in situ el comportamiento del terreno y aplicar las conclusiones obtenidas a la definici ón del proyecto. También durante los trabajos de construcción del túnel se requiere una auscultación continua con el fin de verificar la eficacia del sostenimiento utili zado, así como supervisar la influencia de los trabajos en el entorno, como son los asentamientos en superficie o la afectación a túneles o galerías vecinas. Por último, la auscultación debe permitir garantizar la seguridad de la obra en explotación realizando medidas periódicas durante toda la vida del túnel. La auscultación, para ser efectiva y útil, debe ser cuidadosamente planificada, siendo vital una clara definición del propósito específico de las i nstrumentación. El programa debe indicar el proceso de lectura, registro de datos y los criterios de interpr etación. Para conseguir los fines pretendidos, es importante que el personal encargado tenga continuidad, los instrumentos estén correctamente instalados y las unidades de lectura en buena condiciones. Estos requerimientos son obvios, pero la experiencia práctica muestra, en algunos casos, un cuadro bastante diferente, lo que provoca dificultades y baja calidad en las medidas.

3.1.2. APLICACIÓN DEL MÉTODO 3.1.2.1. Instrumentación topográfica en superficie. Nivelaciones superficiales. El método más obvio y sencill o para conocer los asentamientos es el colocar una serie de puntos estables distribuidos en superficie y nivelarlos periódicamente. En pavimento o concreto puede bastar la colocación de una serie de clavos, para señalar los puntos por nivelar; en superficie de tierra podrá convenir enterrar en el suelo un pequeño dado de concreto, en cuyo centro se haya colocado un tubo u otro indicador que sobresalga ligeramente del terreno. Se deben instalar con anticipación a la ex cavación del túnel teniendo siempre instaladas las secciones correspondientes a una distancia de 100 metros adelante del frente de la excavación del túnel.

El punto más delicado de las operaciones de la nivel ación estriba en la elección del punto de referencia fijo, que no participe para nada en los movimientos del túnel. Muchas veces este punto ha de estar situado a distancias muy grandes de la zona nivelada (por medir), pues es frecuente que las planicies que forman los suelos bl andos y compresibles sufran movimientos superficiales de importancia. Los cerros y elevaciones que pueda haber en las cercanías de la obra por medir pueden proporcionar buenos puntos de referencia; otras veces podrán quizá localizarse estructuras inmóviles, por ejemplo, por estar cimentadas sobre pilas que lleguen más abajo de los estratos deformables y estén sobre apoyos realmente firmes.

3.1.2.2. Instrumentación topografía en el interior del túnel. Medición de distancias diametrales (Convergencia-Divergencia). La lectura de convergencia formada entre dos puntos de medición entre las paredes del túnel, mide la distancia entre ambos puntos y mediante lecturas consecutivas se obtienen las variaciones de la distancia para determinar el comportamiento del movimiento, sea de convergencia cuando los puntos se acercan, o de divergencia cuando los puntos se alejan. Con el tipo de movimiento observado, las magnitudes medidas y su evolución con el tiempo, será posible observar la estabilidad del revestimiento. Las medicione s se pueden efectuar con una estación total. Este es un instrumento óptico-electrónico que consiste en la incorporación de un distanciómetro electrónico y un microprocesador, a un teodolito electrónico, lo que le permite al instrumento la medición de ángulos verticales, horizontales y distancias inclinadas, ó también se pueden efectuar con un extensómetro de cinta o longímetro, constituido por una cinta de acero (cinta Invar) y un conjunto de micrómetros; para esto se debe verificar que no existirán interferencias para la obtención de las lecturas iníciales. En caso de prever que existirán algunas interferencias, es conveniente el empleo de distanciómetro laser, de los cuales existe gran variedad en el mercado.

Figura 1. Medición con Extensómetro de cinta

Figura 2. Medición con estación total

3.1.3. APARATOS Y EQUIPOS UTILIZADOS 3.1.3.1. EXTENSÓMETRO DE CINTA Cada punto debe consistir de una pequeña ancla metálica en forma de ángulo, sujeta a la superficie interior del revestimiento de dovelas de concreto mediante clavos metálicos aplicados con herramienta de impacto. El dispositivo se compone esencialmente de una cinta de acero inoxidable de medida, l a cual contiene agujeros que se han perforado a intervalos regulares, esta cinta se puede estirar entre dos puntos situados en lados opuestos de la abertura subterránea. Hay un gancho en el extremo de la cinta y la otra en la parte posterior de la cinta del extensómetro. Un pasador de posicionamiento conectado a las barras de deslizamiento está diseñado para acoplarse a una de las perforaciones en la cinta. El agujero correcto es aquel que permite que la cinta se tense de forma correcta, que se indica por el sistema de luces de colores. El extensómetro de cinta se puede acortar y la cinta tensar, por rotación de un mango de enrollamiento hasta que la luz del indicador señala la tensión correcta.

Figura 3. Componentes de un extensómetro de cinta (Marca Geokon)

Figura 4. Especificaciones Técnicas De Extensómetro De Cinta Digital Marca Sisgeo Modelo 0dn0030d000

Figura 5. Características Físicas

Figura 6. Aplicación en monitoreo convergencia de túneles

3.1.3.2. Accesorios Y Repuestos Los pin de referencia terminales consisten de cabezas de acero inox de 3/8" montados sobre un anclaje galvanizado (Ø 22 mm) o sobre un anclaje expandible (Ø 14 mm). Ambos están disponibles en 50 o 200mm de longitud. Suministrado con tapón de plástico protectivo

Figura 7. PIN DE REFERENCIA ROSCADOS 0DN0CH00000

Los pin de referencia a argolla consisten de una cabeza montada en un rebar galvanizado de (Ø 22 mm) o un anclaje expandible de (Ø 14 mm). Ambos estan disponibles en 50 o 200 mm de longitud.

Figura 8. PIN DE REFERENCIA A ARGOLLA 0DN0CH00E00

3.1.3.3. ESTACIÓN TOTAL Se denomina estación total a un aparato electro-óptico utilizado en topografía, cuyo funcionamiento se apoya en la tecnologíaelectrónica. Consiste en la incorporación de un distanciómetro y un microprocesador a un teodolito electrónico. Algunas de las características que incorpora, y con las cuales no cuentan los teodolitos, son una pantalla alfanumérica de cristal líquido (LCD), leds de avisos, iluminación independiente de l a luz solar, calculadora, distanciómetro, trackeador (seguidor de trayectoria) y e n formato electrónico, lo cual permite utilizarla posteriormente en ordenadores personales . Vienen provistas de diversos programas sencillos que permiten, entre otras capacidades, el cálculo de coordenadas en campo, replanteo de puntos de manera sencilla y eficaz y cálculo de acimutes y distancias.

Figura 9. estación total Trimble S8 ESPECIFICACIÓN TÉCNICA ESTACIÓN TOTAL TRIMBLE S8

La estación total Trimble S8 High Precision de 1” de precisión angular es el instrumento de alta

gama diseñado específicamente para monitorizaciones. La Estación Trimble S8 será la encargada de medir los prismas distribuidos sobre la zona a auscultar. La estación total tiene la función de tomar lectura de la posición de los prismas registrando el ángulo horizontal, vertical y distancia inclinada. Posteriormente transforma estas variables polares en un sistema de coordenadas cartesiano. Adicionalmente el modelo Trimble S8 Vision, al disponer de una cámara interna, puede observar a través de video y en modo remoto, las visuales que esté realizando el instrumento y gracias al dispositivo de monitoreo SETTOP M1 observar en tiempo real el objetivo. SETTOP M1 es un receptor GNSS de referencia con control remoto de la Estación Total. Permite gestionar datos GPS al mismo tiempo que realiza el control de la monitorización de la Estación Total a través de diversos puertos de comunicación como: a) WiFI o WiMAX para grandes extensiones sin cobertura GSM . b) Cable de red Ethernet. c) Telefonia GSM. Es totalmente configurable mediante interfaz web. Las precisiones de dicho instrumento se cifran según un segun do sexagesimal en precisión angular y un 1 mm más 1 ppm (partes por millón) de la distancia tomada, lo que representa que si realizamos una lectura media a 100m de longitud obtendremos una diana de puntos de máxima probabilidad de: ・

・

Desviacion Transversa l (angular) = 100m x Tg (1’’) x √2 ≈ 0.7mm Desviacion Longitudinal (distanciometria) = 1mm + 1 x 0.1 ≈ 1.1mm

Figura 10. Especificaciones técnicas estación total Trimble S8 Parte 1



Figura 13. Especificaciones técnicas estación total Trimble S8 Parte 4 3.1.3.4. ACCESORIOS ESTACIÓN TOTAL Trípode Trípodes topográficos: es el soporte para diferentes instrumentos de medición como teodolitos, estaciones totales, niveles o tránsitos. Cuenta con tres pies de madera o metálicas que son extensibles y terminan en regatones de hierro con estribos para pisar y clavar en el terreno. Dianas reflectantes Tienen la misma función que los prismas, que es la de regresar la señal emitida por una estación total o teodolito. La distancia del aparato al prisma es calculada en base al tiempo que tarda en ir y regresar al emisor (estación total o teodolito).

Figura 14. Trípode

Figura 15. Diana Reflactante

3.1.4. PROCEDIMIENTO 3.1.4.1. PROCEDIMIENTO CON EXTENSÓMETROS Para ello se colocan inmediatamente después de la excavación, una serie de clavos en la sección transversal al eje longitudinal del túnel. Según la i mportancia del túnel los puntos de control de una sección transversal pueden ser tres o más. Habitualmente son uno en la clave, dos en los riñones y dos en l os hastiales, se mide la variación de longitud entre puntos opuestos y se nivela el punto en clave para tener constancia del movimiento (verti cal) absoluto de éste (Fig. 16).

Figura 16. Sección medidas de convergencia Para la medida de longi tudes se pueden utilizar aparatos, llamados extensómetros que con ayuda de hilos invar mantenidos a presión constante por un dinamómetro consiguen precisiones de la décima de milímetro, precisiones utilizadas en la fase de construcción, y hasta de la milésima de milímetro para túneles en explotación. La cinta metálica milimetrada puede ser utilizada cuando la precisión exigida es menor. La nivelación del punto en clave será geométrica y de precisión. La distancia entre secciones de convergencia depende de la naturaleza y heterogeneidad del terreno: habitualmente se suelen disponer cada 20 o 30 m, aunque en tramos delicados esta distancia puede reducirse considerablemente. Será necesario conocer también la distancia al frente de excavación (x) en cada toma de medidas de convergencia. El estudio detallado de la convergencia de la sección de un túnel se hace con la ayuda de tres gráficos: - En el primero se representa la distancia al frente de excavación (x) en función del tiem po (t). La convergencia de una sección crece más rápidamente cuando el frente de excavación se aleja; por lo tanto, es necesario hacer la medida de referencia lo más cerca posible del frente. - El segundo y el tercero dan respectivamente las variaciones de la convergencia (e) en función del tiempo (t) y en función de la distancia x. En la fase inicial suelen efectuarse lecturas diarias que se van espaciando progresivamente en función de la evolución de la curva convergencia-tiempo.

Figura 17. Resultados de convergencia Medida de desplazamientos absolutos La medida de convergencia de una sección puede ser útilmente completada por la medida de desplazamientos absolutos de puntos situados en el interior del macizo gracias a los extensómetros colocados en sondeos perpendiculares al eje de la obra. De esta manera se realizan medidas de variación de distancias entre un punto situado en la pared de la excavación y otro "supuesto fijo" situado en el fondo de un taladro y suficientemente lejos del túnel para salir de su zona de influencia. Es posible impl antar en estos aparatos varios puntos anclados a distintas profundidades. De esta manera se puede obtener la ley de desplazamiento del macizo en función de la profundidad. Los extensómetros utilizados pueden ser hilos tensos o barras ancladas al fondo del taladro. En túneles urbanos o en zonas de poca cobertura, pueden ser muy útiles los extensómetros colocados desde la superficie, antes del paso del frente, con puntos de anclaje a distintas profundidades, combinados con una nivelación de precisión de secciones transversales en superficie. También desde túneles vecinos se sitúan extensómetros y así se consigue, al i gual que en el caso anterior, el desplazamiento absoluto a partir del estado virgen del terreno.

Figura 18. Medida desplazamiento absolutos 3.1.4.2. PROCEDIMIENTO CON ESTACIÓN TOTAL Las mediciones son ejecutadas con una estación total, figura 18. Este es un instrumento ópticoelectrónico que consiste en la incorporación de un distanciómetro electrónico y un microprocesador, a un teodolito electrónico, lo que le permite al instrumento la medición de ángulos verticales, horizontales y distancias inclinadas. La estación total apunta a objetivos materializados mediante miras con material reflectante o prismas (más costosos y precisos) (figura 18), colocados sobre los pernos. En general, en secciones de monitoreo ubicadas aproximadamente cada 10-15m, para así determinar sus posiciones dentro de un sistema de coordenadas globales y/o coordenadas locales del proyecto. El proceso de nivelación que llevan a cabo es llamado Nivelación Trigonométrica. El desarrollo de los desplazamientos (magnitud y orientación) es calculado mediante la toma sistemática de lecturas en el tiempo. Debido a que el monitoreo de todo el túnel no se puede ejecutar mediante una sola posición instrumental, se requiere de un esquema de observación interconectado, el cual se establece a partir de puntos de referencia fijos. Dado lo anterior, se debe dife renciar entre los puntos que registren desplazamientos y aquellos tomados como “puntos estables”. En general, un punto puede ser tomado como “punto estable” si presenta desplazamientos en el tempo menores a 1mm/mes

(ASG, 2014).

Figura 19. (a) Estación total Leica TM30,(b) Puntos de control para monitoreo geodési co

En general se exige que las coordenadas de los puntos de monitoreo deben ser determinadas con una precisión de +/- 1mm (desviación estándar) durante el periodo de tiempo que dure el monitoreo, sin embargo se ha visto que la precisión teórica de esta metodología puede llegar a ser del orden de 2-3mm, la que para túneles extensos puede aumentar aún más debido a la mala calidad de la atmosfera y a múltiples posiciones instrumentales (S. T. Liu & Z. W. Wang, 2008). Ubicación de los Puntos en las Secciones de Monitoreo. En las figuras 20, 21, 22 y 23, a modo de ejemplo, se muestran las disposiciones típicas de los puntos de monitoreo en una misma sección. Estos esquemas representan los requerimientos mínimos, los que pueden adaptarse según las condiciones de cada proyecto.

Figura 20. Medición de puntos con estación

Figura 21. Medida de ángulos

Figura 22. Ubicación dianas Figura 23. Monitoreo con estación total teniendo punto estable reflectantes

3.2. MÉTODO DE LA FOTOGRAMETRÍA Ó VISIÓN METROLOGICA 3.2.1. DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO La fotogrametría es una técnica consistente en la obtención de las tres dimensiones de una escena a partir de pares de fotografías de la misma, denominados fotogramas, tomadas bajo distintos ángulos. Existen tres métodos fotogramétricos. El primero de ellos es la fotogrametría terrestre, en la que, como su nombre indica, los pares de fotogramas se obtienen desde tierra estacionando el instrumental a distancias inferiores a 200 metros de la zona a restituir, proporcionando una precisión de hasta 40 mm. Este sistema es más apropiado para el estudio de fenómenos de pequeña envergadura que ocupan áreas reducidas. La fotogrametría aérea constituye el segundo método fotogramétrico. A diferencia del anterior, la cámara se sitúa sobre una plataforma aérea (avión o helicóptero), siendo la altura de vuelo inferior a 500 metros. La precisión obtenida con la fotogrametría aérea es de unos 100 mm, barriendo amplias áreas. El procesado de las imágenes permite construir un modelo digital del terreno (MDT) de la zona de inte rés. La comparación de los MDTs obtenidos en diferentes intervalos de tiempo a través de la fotogrametría, permite comparar los cambios superficiales que se han producido en la zona. La principal ventaja de la fotogrametría es que permite obtener una visión global de la zona deformada y no sólo de algunos puntos de la misma, tal y como ocurre con otros métodos de control de deformaciones. La fotogrametría satélite se basa en los mismos principios que la aérea. La diferencia estriba en que las imágenes estereoscópicas son adquiridas desde una plataforma espacial. Hasta el momento las precisiones conseguidas son bajas. No obstante, la mejora de las imágenes de satéli te introducida por una nueva generación de satélites en el mercado como el SPOT V y el ASTER, capaces de adquirir dos imágenes en una misma órbita, ha hecho que la fotogrametría de satélite pueda llegar a competir con la fotogrametría aérea, permitiendo la fotointerpretación manual o la correlación automática de los pares.

Figura 24. Ubicación de cámaras para la toma de fotos con fines ingenieriles

Generalmente se han utilizado dispositivos de medición de convergencia o instrumentos de estación total. El equipo anterior requiere instalar pasadores en la superficie de la pared y tensionar el dispositivo de medición. Por lo tanto, es un impedimento para trabajar en el túnel y plantea problemas de seguridad, ya que toma mucho tiempo e implica trabajo en lugares altos. La precisión práctica de la medición se estima en 0,5 mm. El dispositivo mide la expansión entre pines pero no puede identificar desplazamientos tridimensionales. Este último equipo básicamente puede tomar medidas con precisión si se dispone de un entorno de medición satisfactorio o de tiempo suficiente. Sin embargo, puede realizar mediciones de posición tridimensionales en sólo unos pocos puntos por sección transversal a intervalos de 10 a 20 m debido a las restricciones de tiempo de medición y trabajo. La precisión de medición es de unos pocos mil ímetros en el mejor de los casos. Tampoco se puede identificar la configuración de todo el área en un túnel. Por el contrario, las condiciones de construcción de los túneles de montaña han experimentado recientemente cambios drásticos. El número de proyectos de construcción en l as áreas urbanas y de los que implican grandes secciones transversales ha estado aumentando. Se ha vuelto cada vez más importante obtener rápidamente mediciones más confiables de la convergencia de rocas en túneles y otros fenómenos, y reflejar los datos en la construcción posterior. Mientras tanto, la disponibilidad de cámaras digitales más baratas con alta resolución y computadoras personales más baratas y rápidas con grandes capacidades para el procesamiento de datos de imagen ha hecho que la metrología de visión utilizando cámaras digitales sea más aplicable. La metrología de la visión ha evolucionado de la fotografía usando las cámaras estéreas de la placa seca, o la fotogrametría cercana del rango. Recientemente se ha utilizado principalmente para la producción industrial, i ncluyendo la medición de configuración de precisión de objetos tales como buques, aviones y grandes antenas parabólicas. La precisión actual de medición oscila entre 0,3 y 1,0 mm para un objeto con dimensiones de 10 x 10 x 10 metros. La metrología de visión permite la medición planar de alta densidad mediante la unión de numerosos objetivos retro-reflectantes al objeto. Una vez que los objetivos están unidos al objeto, las fotografías son suficientes para la medición posterior. También existe una alta posibilidad de medición de campo en tiempo real. Por lo tanto, la técnica ofrece numerosos beneficios. Los autores están estudiando la aplicación de la técnica a la medición de deformaciones de estructuras de ingeniería civil, incluyendo la convergencia de rocas en el túnel. Este artículo presenta el principio y el procedimiento de la metrología de la visión y describe una prueba de verificación de exactitud de medición en un túnel real. También se informan los estudios realizados hasta el momento de la medición del desplazamiento para un túnel urbano excavado por NATM, para anillos segmentarios de acero en un túnel excavado por TBM y para la superficie de una pendiente en peligro de colapso. Ventaja de la fotogrametría Tomar fotografías con cámaras es el único requisito en el sitio una vez que los objetivos se despliegan, incluso cuando la medición se requiere en numerosos puntos. Por lo tanto, se puede reducir el tiempo requerido para la medición en el sitio.

La metrología de la visión ofrece alta movilidad, porque el equipo de medición es ligero y portable. Específicamente, la medición en una autopista o túnel ferroviario en servicio no puede implicar el cierre al tráfico. Las posiciones tridimensionales de numerosos puntos de medición pueden identificarse mediante medición remota sin contacto. A diferencia de los instrumentos de medi ción, la metrología de la visión básicamente no requiere habilidades especiales. Las mediciones se pueden tomar donde no se puede instalar ningún equipo de topografía. El rendimiento es mejor y se esperan reducciones de costos, ya que es probable que se ofrezcan equipos más sofisticados a un costo menor. Desventaja de la fotogrametría Incluso cuando se toman mediciones en algunos puntos, la red fotogramétrica necesita ser reforzada para garantizar la exactitud. Por lo tanto, es necesario desplegar objetivos suplementarios en puntos no de medición, lo que reduce la eficiencia. La metrología de la visi ón es muy superior a otros métodos de medición donde se requieren numerosos puntos de medición. Sin embargo, cuando hay pocos puntos de medición y están dispersos, la metrología de la visión no siempre ofrece una mayor eficiencia en el trabajo que otros medios de medición. Medición requiere la instalación de objetivos, y por lo tanto la disponibilidad de andamios. (Lo mismo ocurre con los instrumentos de la Estación Total o con los dispositivos de medición de la convergencia.) En la etapa actual, los objetivos deben resaltarse con luces estroboscópicas, por lo que la medición es difícil en lugares iluminados al aire libre.

3.2.2. APLICACIÓN 3.2.2.1. VISIÓN GENERAL DE LA FOTOGRAMETRÍA La clave para la aplicación de la fotogrametría a la medición del túnel es el modo fotográfico. Cómo fotografiar el objeto y de donde son cuestiones importantes. Identificar el número de fotografías necesarias para lograr la precisión designada y seleccionar el sitio fotográfico óptimo se conocen como diseño de primer orden. Todavía no se han obtenido soluciones definitivas. La fotografía convergente se utiliza generalmente para lograr una alta precisión en la que los objetos son fotografiados desde afuera para que sus imágenes sean capturadas en su totalidad. Los túneles plantean varias dificultades. Son mucho más grandes que los productos industriales, pero ofrecen sólo un espacio limitado para fotografiar. Las fotografías deben tomarse radialmente desde el interior del túnel. La forma longitudinal de los túneles hace imposible cubrir toda su longitud. Por l o tanto, se realizó un ensayo para verificar la exactitud de la medición mediante metrología de la visión. Por ejemplo, en un ensayo, las mediciones se realizaron en un túnel de 7 m de diámetro sobre una longitud de 15 m. Un total de 208 tarjetas retro-reflectantes se colocaron en la pared del túnel a intervalos de aproximadamente 1 m. Nueve barras de referencia se colocaron uniformemente como escalas de longitud.

Figura 25. Toma de fotografías en un túnel Se establece una ecuación de observación utilizando las coordenadas espaciales del objetivo como parámetros desconocidos a partir de la condición de colinearidad. Además de las coordenadas espaciales del objetivo, los parámetros de orientación exterior de la cámara tales como la posición y orientación de la cámara y los parámetros de orientación interior tales como desviaciones del centro del área fotografiada desde el punto principal de la cámara (Δx, Δy) La distancia entr e el centro de la lente y el área fotografiada (longitud focal c), y los coeficientes de distorsión de la lente son parámetros desconocidos. En la actualidad, se definen cinco coeficientes para la distorsión de la lente. Así, hay un total de ocho parámetros de orientación interior. La ecuación de observación con estos parámetros desconocidos se resuelve mediante el método de mínimos cuadrados.

Figura 26. Posición de la cámara

Figura 27. Intersección de fotografías

En resumen, múltiples fotografías de un punto se toman de múltiples posiciones y orientaciones. La posición tridimensional del punto puede entonces volver a calcularse identificando las posiciones correspondientes en las fotografías. Este es el principio básico de fotogrametría. La figura 29 muestra una visión general de la medición en un túnel. Se instalan barras de referencia y objetivos retro-reflectantes, y se toman fotografías con cámaras digitales desde múltiples posiciones y orientaciones. La barra de referencia consta de dos objetivos y fija la escala de longitud de coordenadas. Se analizan las imágenes producidas por la fotografía y se calculan las coordenadas de los puntos de medición con ordenadores personales. Las configuraciones planas se pueden identificar fácilme nte porque los cálculos se pueden hacer rápidamente para varios puntos.

Figura 28. Principio básico de la fotogrametría 3.2.3. APARATOS Y EQUIPOS UTILIZADOS Tabla 1. ESPECIFICACIONES Material Cámara Digital Lentes Blanco Retro-reflectivo Barra de referencia Computador

Modelo Kodak DCS 660 Nikon D1 Nikkor IHI Hubbs HP. Hacer, etc

Especificaciónes 3048X2008 pixels 2112x1324 pixels Longitud del foco 20-28 mm φ20 - 30mm 50-100cm (precisión 10 μm)

Figura 29. Cámara Kodak DCS 660

Figura 30. Especificaciones Especifi caciones Técnicas Cámara Kodak DCS 660

Figura 31. Lentes Nikkor

3.2.4. PROCEDIMIENTO Prueba de verificación de precisión de medición El principio principi o de medición básico bási co se muestra en la Figura 32. 32. El procedimiento procedimi ento se describe a continuación. continuación. El objeto obje to es fotografiado desde desd e varias estaciones e staciones de cámara. cámara. Este proceso se conoce como fotografía convergente. En realidad, la fotografía convergente se produce utilizando los objetivos unidos al objeto para especificar puntos de medición. Para la medición detallada de la configuración, numerosos objetivos se adjuntan. adjuntan. El objetivo objeti vo sobre la imagen obtenida por fotografía convergente se procesa para para obtener el centro de gravedad. El centro de gravedad de la imagen se utiliza como base para Cálculo posterior. Los cálculos se basan en condiciones de colinearidad. Colinearidad Coli nearidad significa significa que en la Figura 33, 33, el objetivo objeti vo Pi, un punto en la l a imagen p, y el centro de la lente de la cámara Oj están en la misma línea espacial. La relación entre las coordenadas espaciales espaciales P (X, ( X, Y, Z) y las l as coordenada coordenadass de imagen p (x, y) del objetivo se expresa mediante las siguientes ecuaciones de colinearidad.

Figura 32. Principio de la fotogrametría

Figura 33. Rotación de ángulos

Para fotografiar fotografiar por ejemplo un túnel de prueba en USA, la longitud del objeto de 15 m se dividió divi dió hipotéti camente en tres secciones. Cada sección fue divi dida en cinco áreas áreas (Figura 34). 34). En cada cada sección se tomaron un total de 22 fotografías, fotografías, 20 de cada lado en cada área área (Figura (Fi gura 35), 35), y dos de frente. Así, se obtuvieron un total de 66 imágenes en las tres secciones.

Figura 34. División de área por secciones

Figura 35. Colocación de l as cámaras cámaras

La exactitud ex actitud de la medición medici ón se verificó veri ficó comparando el valor de coordenadas de los obj etivos con las medidas tomadas por los instrumentos de la Estación Total. Las mediciones se realizaron mediante metrología de visión y instrumentos de la Estación Total en los 20 puntos de destino especificados para verificación .. Se utilizan los instrumentos de la Estación Total con una medida angular de 2 y una precisión de alcance de ± (1 mm + 2 mm x distancia (km)), ( km)), como se había utilizado utili zado para medir la convergencia de rocas rocas en túnel es. En la prueba, las mediciones medici ones se tomaron de dos posici ones para cada blanco para aumentar la precisión de la medición por los instrumentos de la Estación Total. Se hicieron observaciones recíprocas en cada posición y Se utilizaron valores medios. El cuadro 2 enumera los resultados de la prueba de verificación. verifi cación. Se dan las l as desviaciones desviacione s estándar de las diferencias con respecto a las mediciones de los instrumentos de la Estación Total. Se supuso que l as mediciones medici ones efectuadas efectuadas por los i nstrumentos nstrumentos de la l a Estación Estación Total contenían un error de aproxi madamente 0,5 mm. Por lo tanto, la fotogrametría se consideró tan precisa como la medición por instrumentos de la Estación Total. Para el modo fotográfico, se encontró que tomar fotografías uniformemente de todos los objetivos en todas todas las áreas áreas permitió la medición imparcial en tres dimensiones. Si n embargo, la evaluación de los l os modos fotográficos fotográficos óptimos debe continuar. continuar. La prueba estaba dirigida principalmente a verificar la precisión de la medición, por lo que los objetivos objeti vos estaban densame densamente nte espaciados. espaciados. En En la medición en túneles, túnel es, como como es obvio obvi o a partir de la condición de fotografía, toda la pared interna in terna no se puede fotografiar de una vez, por lo que varias fotografías deben conectarse. Para asegurar la conexi ón de las l as fotografías, es necesario fotografia fotografiarr numerosos objetivos en las fotografías respectivas, lo que da lugar a más tiempo para instalar objetivos y analizar imágenes. Estos factores deben considerarse como parámetros en el futuro.

Figura 36. Ubicación de las tarjetas reflectantes en una galería

Medición del desplazamiento para para un túnel Este es un ejemplo de medición durante la construcción de un túnel de autopista urbana. Se construyó una galería para conectar los carriles arriba y abajo. El desplazamiento se midió en la intersección entre la galería de conexión y el túnel principal mientras se estaba construyendo la galería de conexión. conexi ón. En la Figura 37 y en e n la Figura 38 se muestra una visión vi sión general de la medición. medici ón. Los datos recogidos durante durante la excavación de la galería gale ría de conexión se analizaro n y no mostraron desplazamiento desplazamiento signifi cativo. cativo. Un ejemplo de análisis se muestra en la Figura 10. 10. Medición de deforma de formación ción para anillos anillos segmentar se gmentarios ios de acero en túnel En este caso, caso, la fotogrametría se utilizó utili zó para para medir la deformación de los anill ani llos os segmentarios de acero durante la excavación del túnel por TBM TBM simultáneamente con la medición de la l a tensión tensi ón en los anillos anil los segment segme ntarios arios de acero por medidores de deformación. deformación. El objetivo de las medi ciones fue fue obtener datos básicos para para estimar el comportamie comportamiento nto del terreno y evaluar e valuar las especifi espe cificaciones caciones del revestimiento reve stimiento durante el ensanchamien ensanchamiento to del túnel después de la excavación e xcavación del encabezado superior.

Figura 37. Medida del área

Figura 38. Vista de la medición

3.3. MÉTODO DE CONTROL DE FRACTURAS 3.3.1. DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO El conocimiento de la magnitud y dirección del estado tensional del terreno es una parte esencial del diseño de excavaciones subterráneas, pues en muchos casos las tensiones inducidas alrededor de la excavación superan a la resistencia del macizo rocoso. En este caso se produce la rotura del terreno alrededor de la excavación, que se puede traducir en una inestabilidad en forma de convergencia excesiva, derrabes, hundimientos, estallidos de roca, etc.

Figura 39. Sección vertical de parte del techo de una galería en una mina subterránea fuertemente fracturada, ilustrando la secuencia de caída Las grietas o fisuras en una infracestructura constituyen la manifestación física de algún defecto, en donde estas pueden deberse a multitud de causas y factores. La morfología de los agrietamientos es complicada y su interpretación suele ser difícil, debido a que pueden ser varias las causas que motivan el agrietamiento, pero podremos comprender los movimientos que ha sufrido la estructura y así llegar a un diagnóstico sobre el origen del problema. Sólo a partir de ahí, puede plantearse una solución adecuada y en su caso, las medidas de prevención adecuadas para evitar que el daño se repita. Los trabajos de análisis de fi suras requieren una forma ordenada en las tomas de datos: indicando de manera rigurosa todas y cada una de las anomalías que se determinen por medios visuales o por medios más tecnológicos, y permitiendo estudiar su continuidad, situación y tipología. Para tal fin, se establecerá unos primeros criterios sobre las posibles causas y cuáles pueden ser sus orígenes que se han ido produciendo en el tiempo. En general una falla o fractura son producto de la deformación frágil en cualquier tipo de roca, se forman por esfuerzos cortantes y en zonas de tensión o de compresión. Los mecanismos que explican la génesis de las principales familias de fracturas son:

- Esfuerzos de cualquier tipo. - Perdida de carga. - Perdida de volumen. - Enfriamiento. - Por efecto de la diagénesis. - Actividad biológica. Bajo el campo de la deformación frágil las rocas se rompen conforme a superficies más o menos planas. Las superficies de rompimiento se denominan fracturas cuando no se aprecia desplazamiento entre los dos lados o paredes definidos por la superficie de discontinuidad, en sentido paralelo a la propia superficie. Las fracturas son discontinuidades aproximadamente planas que separan bloques de roca con desplazamiento perpendicular al plano de ruptura. Lo que consecuentemente nos hace suponer, que la dirección del flujo de los fluidos dentro de la roca, puede presentar una alta anisotropía creada por las diversas características de las fracturas, sin tomar en cuenta las diferencias mecánicas en su generación y propagación. Estos comportamientos mecánicos al relacionarlos y compararlos, nos aportan interesantes resultados sobre la generación y propagación del fracturamiento. El control de fracturas en túneles es complejo; ya que estos por encontrarse en macizos rocosos, siempre van a encontrarse fracturados, ya que de los principales problemas que gobiernan una estructura subterránea, se encuentran las discontinuidades (diaclasas, planos de sedimentación, fracturas), elementos que determinan su heterogeneidad, calidad y comportamiento geomecánicos. Sin embargo, por ejemplo, las diaclasas son fracturas naturales, ya que su origen se remonta los procesos geológicos y orogénicos que se dieron para crear las grandes cadenas de montañas y valles. Pero al abrir una excavación en un ambiente subterráneo, se altera el campo de esfuerzos in situ, y se crea uno nuevo, el de esfuerzos inducidos, esto trae consigo la apertura de nuevas fracturas, así como el crecimiento de las antiguas. El método de control de fisuras trata de medir la evolución de grietas o fracturas en zonas dónde se crea que se puede estar presentando inestabilidad y la formación de potenciales cuñas peligrosas que puedan afectar a toda la estructura minera subterránea. Para esto se emplean unos instrumentos llamados crakmeters o fisurómetros, los cuáles miden la variación de una grieta con el paso del tiempo, pueden ser manuales o digi tales.

3.3.2. APLICACIÓN DEL MÉTODO Este metódo de monitoreo de la estabilidad de las labores mineras subterráneas se emplea cuándo aparecen nuevas grietas en el macizo rocoso y que no corresponde a las familias de diaclasas caracterizadas durante el levantamiento geomecánico, ya sea producto de las voladuras

en los frentes de trabajo o por el fracturamiento progresivo del techo que puede terminar en hundimiento, en ambos casos toca examinar la evolución de las nuevas fracturas, ya que su propagación puede crear zonas potenciales de inestabilidad en lugares donde no los había, esto debido a que se podrían formar nuevas cuñas. Otra aplicación del método se da también en las diaclasas que ya están caracterizadas por el levantamiento topográfico, y que son naturales del macizo rocoso. Estas juntas por el mismo efecto de la excavación minera `pueden tener un crecimiento en sus aberturas, lo que posibilita la infiltración de agua dentro del túnel, representando un problema bastante grave tanto de seguridad como del aspecto medioambiental Lo anterior sólo mencionando la propagación de grietas en el macizo rocoso. Cuándo las galerías mineras principales como las de desarrollo, su revestimiento o sostenimiento es con shotcrete o concreto lanzado, estas están propensas a un agrietamiento producto de los esfuerzos de tensión, ya que el concreto resiste es esfuerzos de compresión. El agrietamiento del concreto lanzado es causado por momentos de flexión en la cáscara inducidos por condiciones heterogéneas de la roca. Además, la contracción y los gradientes térmicos (tanto en el espacio como en el tiempo) dan como resultado una carga de tracción que favorece el desarrollo de grietas. En general, l as cáscaras de shotcrete se refuerzan mediante dos capas de rejillas de refuerzo. Como se conoce a partir del diseño de hormigón armado, la presencia de refuerzo conduce a una distribución de grietas que finalmente da como resultado un patrón de grieta estabilizadas.

Figura 40. Curva de esfuerzo-deformación de algunas fibras de refuerzo

3.3.3. APARATOS Y EQUIPOS UTILIZADOS 3.3.3.1. Crackmeter El Crackmeter de Cuerda Vibrante está compuesto de un sensor de desplazamiento de cuerda vibrante y un anclaje. Instalación del anclaje a ambos lados de la grieta y medir la grieta y su desplazamiento. Una vez que se produce el desplazamiento de la grieta, éste se transmite al sensor de cuerda vibrante a través del anclaje.

Figura 41. Crackmeter de cuerda vibrante marca Sesgeo La frecuencia del sensor será diferente dependiendo de la grieta y la frecuencia de medición es convertida en desplazamiento. Una vez instalado cada crackmeter se cablea hasta una zona accesible protegiendo dicho cable. La lectura se hace con una unidad de lectura de sensores de cuerda vibrante o bien con un equipo de adquisición y registro de datos. El propósito del aparato sería: Monitorizar los cambios en el tamaño de las grietas en la roca o en las estructura. Monitoreo de juntas en estructuras. Monitorización de las grietas por asiento o por hinchamiento/levantamiento. Medición del progreso de las grietas antiguas en presas, túneles, puentes y otras estructuras. Chequeo de las condiciones de las grietas en estructuras de zonas sísmicas. Características: Product V.W. Crackmeter Type Vibrating Wire Range 10mm ~ 300mm Accuracy ±0.1% full scale Resolution 0.025% full scale Nonlinearity 0.5% full scale Temperature Range -20℃ ~ +80℃ Sensor material Stainless steel

    

Hay ocasiones que este tipo de dispositivos se colocan para medir diferentes direcciones en una misma ubicación. Para ello nos ayudaríamos de soportes metálicos y poder instalar los crackmeters en las direcciones que se necesite, ya sea en 2D o 3D

3.3.3.2. Fisurómetros mecánicos El medidor de fisuras reticulado es un instrumento simple y económico que permite medir los desplazamientos relativos de l os bordes de fisuras en dos direcciones.

Figura 42. Medidor Lineal fisurado

El fisurómetro se fija a ambos lados de la fisura. Mediante una lectura origen y continuo seguimiento visual se aprecia la evolución de la fisura a lo largo del tiempo con precisión milimétrica. Especificaciones técnicas:    

Modelo: 2-D biaxial Rango de medi da: Eje X: ± 25 mm, Eje Y: ± 10 mm Resolución: 0.01 mm Precisión: 0.05 mm

3.3.3.3. Medidor de juntas, fisuras o grietas de cuerda vibrante Han sido diseñados para controlar los movimientos de fisuras o juntas estructurales. El instrumento está compuesto de un cuerpo cilíndrico de acero inoxidable que contiene un transductor de desplazamiento de cuerda vibrante instalado sobre unos bloques para montarlo a ambos lados de la fisura o grieta obteniendo un seguimiento mediante una unidad de lectura de

sensores de cuerda vibrante. Uno de los bloques se fija en un lado de la grieta y el otro en el otro lado. Este sensor está constituido por una pequeña varilla de acero corrediza con el rango elegido.

Figura 43. Medidor desplazamiento cuerda Figura 44. Croquis de medidor de desplazamiento de vibrante cuerda vibrante

El fisurómetro será cableado hasta una zona accesible para poder realizar la lectura. La lectura de los medidores de desplazamiento se realiza medianteun equipo de lectura de sensores de cuerda vibrante o un equipo de registro de datos. La frecuencia medida se convierte en desplazamiento mediante factores de conversión. Especificaciones técnicas: – Tipo de sensor: sensor de cuerda vibrante – Rangos de medida: 30mm, 50mm y 100mm – Sensibilidad: ±0.025% FS – Exactitud: ±0.01% FS – Resolución: 0.025% FS – No linearidad: 0.5% FS – Rango de temperaturas: -20ºC a +80ºC – Material: acero inoxidable Propósito: – Medición de cambios en el tamaño de la superficie de las juntas en piedra o en estructuras de hormigón y grietas. – Monitorización de los cambios de tamaño de las grietas en edificios adyacentes o estructuras, como consecuencias de un comportamiento inesperado de éstos o chequeo del mismo. – Chequeo del estado de las fisuras en estructuras situadas en zonas sísmicas. – Medición del progreso de las grietas en túneles, puentes, etc.

3.3.3.4. Ternas Para controlar la apertura y/o cierre de juntas y grietas o fisuras existentes o de nueva generación se propone la i nstalación de ternas.

Figura 45. Puntos para la instalación y lectura de la ternas Cada una de estas ternas está formada por 3 dispositivos similares a una chincheta fijado a la estructura y colocados en torno a la grieta. Su medición se realiza con un calibre digital, sacando diferentes componentes de desplazamiento:  

Desplazamiento perpendicular a la fisura Desplazamiento paralelo a la fisura

Con estos dos componentes, se deduce el desplazamiento total, que junto con una determinada frecuencia de lecturas se establece la velocidad de desplazamiento.

Figura 46. Ternas en grietas

Figura

47.

Esquema

de

componentes

de

desplazamiento en ternas en grietas 3.3.4. PROCEDIMIENTO La medición de las grietas debe hacerse con el mayor grado de exactitud posible, definiendo su apertura y si la apertura es uniforme, si se trata de una grieta lisa u ondulada, continua o discontinua, si existen indicios de movimiento a ambos lados de la grieta, Debe indicarse el sentido de movimiento relativo de las dos caras de la grieta, mediante flechas, etc. Es necesario que se representen las grietas con todas sus características para tener una visión de conjunto y poder analizar las posibles causas. La representación de estas grietas se suele hacer en planos de planta y/o secciones verticales. En los planos deben estar definidos todos los huecos de ventanas, puertas y posibles muros de carga, pues constituyen zonas de debilidad y de acumulación de tensiones. Al objeto de poder definir la magnitud de cualquier anomalía se suele instrumentar los elementos fundamentales de las estructuras afectadas y del terreno colindante para medi r los movimientos verticales, horizontales, giros, etc Hay métodos e instrumentos más o menos sofisticados para llevar un control de la evolución de la patología. Todos ellos pasan por medir la amplitud de las grietas y controlar el avance de otras deformaciones que paralelamente sufra la construcción: abombamientos, inclinaciones, desplome, etc Para el estudio y control de la evolución de las grietas, el método más sencillo y eficaz es la instalación de testigos de yeso o cristal en los puntos más significativos de las grietas más representativas, anotando la fecha de la colocación. Este método solo nos dirá si la fisura esta viva, pero no indicará un valor del movimiento. Dependiendo de si la obra es importante o una sencilla y del dinero que se puede usar para su estudio, se pueden usar distintos equipos de control de estos movimientos. Un equipo barato y fácil de usar es el fisurómetro . Fisurómetro: podemos definirlo como un testigo colocado en una grieta que se moverá con esta y nos indicará el movimiento en un valor real de la misma para un periodo determinado de tiempo. Suelen constar de dos partes que se mueven entre sí.

Figura 48. Medición de una grieta o fractura Otro equipo mas tecnológico es el defórmetro. Defórmetros: son aparatos de precisión hasta décimas de milímetro, se basan en mediciones de la variación de longitud de los lados de un triángulo equilátero. El defórmetro proporciona datos de apertura de la grieta y también del movimiento relativo en su misma dirección

Figura 49. Deformómetro

3.3.4.1. Análisis De La Evolución Un punto importante es la colocación de estos testigos. Si usamos fisurómetros lo ideal es colocar dos como mínimo para poder ver el tipo de movimiento de la grieta, y para poder tener doble lectura de comprobación. Una vez que se ha colocado el equipo de medida se debe tomar las lecturas, si se hacen manuales a una misma hora del día y en una mismas condiciones, para poder prevenir movimientos involuntarios debido a las inclemencias del tiempo y de la temperatura. Los movimientos y vibraciones producto de las voladuras puede ser que nos dé una lectura que no deseamos. Si volvemos hacer la lectura otro día dónde no hay vibración producto de voladura o

maquinaria notaremos una diferencia de lectura y no debida a la patología sino la fuerza sobre esa superficie. Una comprobación de todos los posibles problemas nos puede ayudar a la hora de poder clasificar la grieta y cuál puede ser su problema. Lo ideal es hacer lecturas cortas al principio, para luego si vemos que no hay movimiento hacer unas lecturas más larga en el tiempo. Una buena solución para tener documentada nuestras medidas es tomar una foto a los fisurómetros para poder ponerlos en nuestro análisis final y poder documentarlo de manera gráfica, junto con la hora del día.

3.4. MÉTODO DEL ESCÁNER LÁSER 3D 3.4.1. DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO Un escáner 3D es un dispositivo que analiza un objeto o una escena para reunir datos de su forma y ocasionalmente su color. La información obtenida se puede usar para construir modelos digitales tridimensionales que se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones. Desarrollados inicialmente en aplicaciones industriales (metrología, automóvil), han encontrado un vasto campo de aplicación en actividades como la arqueologí a, arquitectura, ingeniería

Figura 50. Las nubes de puntos de ambas campañas se superponen (rojo y gris) con cambios espaciales significativos.

El propósito de un escáner 3D es, generalmente, el de crear una nube de puntos a partir de muestras geométricas en la superficie del objeto. Estos puntos se pueden usar entonces para extrapolar la forma del objeto (un proceso llamado reconstrucción). Si la información de color se incluye en cada uno de los puntos, entonces los colores en la superficie del objeto se pueden determinar también. Los escáneres 3D son distintos a las cámaras. Al igual que éstas, tienen un campo de visión en forma de cono, pero mientras una cámara reúne información de color acerca de las superficies dentro de su campo de visión, los escáneres 3D reúnen información acerca de su geometría. El modelo obtenido por un escáner 3D describe la posición en el espacio tridimensional de cada punto analizado. Si se define un sistema esférico de coordenadas y se considera que el origen es el escáner, cada punto analizado se asocia con una coordenada φ y θ y con una distancia, que corresponde al

componente r. Estas coordenadas esféricas describen completamente la posición tridimensional de cada punto en el modelo, en un sistema de coordenadas local relativo al escáner.

El láser escáner terrestre es un dispositivo de adquisición de datos masivos, que nos reporta una nube de puntos generada tridimensional, a partir de la medición de distancias y ángulos, medi ante un rayo de luz láser. Básicamente es una estación topográfica de medición sin prisma, que realiza observaciones masivas sobre áreas preseleccionadas. Además, cuenta con la incorporación cámaras fotográficas, que registran la información del rango visible, lo que aporta una información infinita del objeto. Se trata de una tecnología en desarrollo, que se puede considerar el futuro en el mundo de la Topografía, El potencial que presenta esta tecnología es altísimo, obteni endo en las mediciones, una cantidad masiva de datos donde todo lo que exista en la realidad quedará representada mediante puntos tridimensionales. El problema a determinar por tanto, será la precisión y escala del proyecto a desarrollar, pues ahí residirá el tipo de aparato que elegiremos. Esta tecnología ha permitido una ventaja para la construcción y mantenimiento de túneles, ya que la recogida masiva de datos permite el registro y control de la superficie perforada con una alta precisión. Permite representar de manera fiable y rápida los perfiles obtenidos y la totalidad de elementos que pueden encontrarse en el túnel una vez terminado.

3.4.2. APLICACIÓN DEL MÉTODO 3.4.2.1. Escaneo de túneles durante su construcción La utilización de escáneres láser durante la construcción de un túnel está permitiendo obtener una representación geométrica y visual completa del frente de excavación y de todo el contorno inmediatamente después de realizado el avance. El sistema Dibit utiliza un escáner láser de alta resolución junto con una cámara fotográfica de alta precisión, todo ello unido a un software

especializado para el tratamiento de datos y obtención de imágenes, gráficos y tablas. Mediante este conjunto de herramientas tecnológicas se obtienen informaciones que son convenientemente tratadas y presentadas de manera comprensible, lo que permite realizar una evaluación rápida de la geometría, del estado y de la calidad de los trabajos de construcción del túnel en cada una de sus fases.

Figura 51. Imagen 3D de túnel (canal visual y térmico

Las aplicaciones de e sta tecnología son: • Registro e inventario de l a excavación del túnel, gene rando documentación de tipo geológico

con imágenes de alta resolución en color, una comprobación del perfil de la excavación, y permitiendo un cálculo automático de los volúmenes de sobrexcavación. • Registro e inventario de las capas de hormigón proyectado, determinando su sección y

espesores, calculando mediciones, y comprobando la rugosidad del acabado. • Registro e inventario del revestimiento final, determinando su sección y e spesores y calculan do

la medición de hormigón. Los resultados se presentan en varias formas: imágenes en 3D que permiten una inspección vi rtual del túnel, secciones transversales, mapas con curvas de nivel reflejando diferentes características, orto-imágenes, y listados de cálculos en formato Excel. 3.4.2.2. Inspección del estado de un túnel en explotación El objetivo de las inspecciones periódicas de túneles es la preservación a largo plazo de la idoneidad para su uso, así como el mantenimiento de la seguridad operativa y de tráfico de la

infraestructura. Para la comprobación del estado de las infraestructuras y la detección de cambios es crucial la comparación entre una inspección inicial y otras posteriores. De ese modo, por un lado se puede detectar la aparición de nuevos daños (fisuras, desconchados, etc.) objetivamente y con exactitud y, por otro lado, se pueden identificar con precisión alteraciones en daños ya existentes (incremento de la longitud o ancho de fisuras, etc.). Para lograr esta comparación entre inspecciones consecutivas se debe capturar la superficie completa del túnel en toda su longitud mediante una técnica precisa y reproducible. Además, se deben documentar los resultados de las inspecciones mediante procedimientos estandarizados. 3.4.2.3. Escaneo de túneles para su rehabilitación Los túneles precisan trabajos de rehabilitación cada cierto tiempo, para reparar elementos de revestimiento dañados y envejecidos, para mejorar las condiciones de seguridad y uso, para aumentar su sección o adecuarla a nuevas condiciones de utilización, o por otros motivos. Mediante la utilización de técnicas de escaneo láser como las de Dibit , los propietarios, los contratistas, los proyectistas y los supervisores pueden obtener una información objetiva y de gran calidad sobre la geometría y la calidad del estado del túnel, antes, durante y después de los trabajos de rehabilitación. En la fase previa a la rehabilitación, la inspección con láser permite obtener: • Registro completo de la cara interior visible del túnel. • Captura geométrica de componentes e instalaciones. • Optimización del eje del túnel, de l perfil nominal y obtención de diagramas de gálibo. • Mediciones para petición de ofertas, con volúmenes de demolición y de hormigón nuevo a

utilizar, longitudes de fisuras, superficie de áreas dañadas a rehabilitar. Al final de la fase de demolición, la inspección con láser permite obtener: • Cálculo de volúmenes reales de demolición. • Documentación del subsuelo que aparece. • Comprobación del perfi l teórico con los perfile s reales. • Determinación del volumen de hormigón necesario para el revestimiento final.

Al terminar la rehabilitación, la inspección láser permite obtener: • Comprobación del perfil final del túnel. • Determinación de los espesores de revestimiento colocados. • Documentación de las zonas rehabilitadas. • Medición de longitudes de fisuras reparadas. • Medición de superficies reparadas

. Para todos estos trabajos se utiliza el software Dibit, que realiza el tratamiento de datos y presenta los resul tados en forma de imágenes 3D, secciones transversales, mapas con curvas de nivel que representan diferentes valores de un determinando parámetro, bases de datos, listas

de resultados de cálculos en formato Excel, exportación de coordenadas de nube de puntos a otros formatos CAD, ortoimágenes en color verdadero con alta resolución.



 

3.4.2.4. CONTROL EVOLUTIVO Imagen visual y térmica completa de la cara interior del túnel: Identificación de materiales en los revestimientos, grietas, humedades, eflorescencias, cambios de sección, instalaciones, bulones, traviesas, cableado, señales, etc. Perfiles Geométricos para la comprobación del gálibo Localización de juntas, nichos, salidas de emergencia, etc. Mediante varias tomas de datos de las infraestructuras establecidas entre lapsos de tiempo lo suficientementeamplios es posible determinar los cambios y así localizar e identificar la aparición de nuevas patologías como grietas, fisuras, deformaciones etc. e identificar con precisión alteraciones en daños ya existentes en mediciones anteriores. Análisis de: Evaluación en 2D de daños y en 3D deformaciones del estado de túnel Termografía para el control de humedades estacionales y afloramientos hídricos Transformación de las patologías a lo largo del tiempo Control del deterioro de las instalaciones del túnel    

3.4.2.5. ESCANEO LASER EN MINERÍA SUBTERRANEA Desde 2011, el Instituto de Geonics dispone y utiliza activamente un sistema estático de exploración láser terrestre. Particularmente, se trata de Leica ScanStation C10 de Leica Geosystems AG. Se trata de un escáner de pulso compacto con compensador de doble eje, con escaneado de alta velocidad (hasta 50 000 puntos por segundo), alta precisión de medición y haz de largo alcance. El dispositivo utiliza el rayo láser verde con una longitud de onda de 532 nm. Basándose en la intensidad del haz reflejado, el dispositivo puede distinguir diferentes tipos de planos dentro de la nube de puntos. Existe la posibilidad de escanear en todo el campo de visión (ver Fig. 1). ScanStation C10 es capaz de medir en distancia hasta 300 m en condiciones de reflectividad ideales. La distancia más corta de detección es de 0,1 m. El dispositivo también se complementa con cámara digital integrada. En términos de exploración de resolución espacial, cuanto más cerca el objeto escaneado es el más cerca de los puntos que definen el objeto son entre sí (ver Fig. 2). El dispositivo es capaz de distinguir diferentes puntos en la distancia mutua de 1 mm.

Figura 52. Vista planar en dos líneas consecutivas de exploración en resolución espacial de 10x10 cm, a 100 m de distancia y resolución teórica adecuada para otras distancias La precisión 3D indicada de los puntos medidos es de 6 mm, lo que significa que la distancia real entre el dispositivo y el objeto es de 4 mm. La precisión angular es de 60 μrad (ver Fig. 3). Una

determinación más exacta de la precisión es el asunto de las mediciones repetitivas y comparativas y las evaluaciones estadísticas. Sin embargo, el rango en milímetros es más que adecuado para la amplia variedad de utilización que solicita la precisión en centímetros.

Figura 53. Vista general esquemática de los errores básicos de medición de ScanStation C10

3.4.2.6. FACTORES LIMITANTES DE LA ESCANEAMIENTO SUBTERRÁNEO La aplicación primaria de la exploración láser es capturar la condición actual de las minas. La calidad de las nubes de puntos escaneadas resultantes depende de muchos factores. Se demostró que no sólo los factores limi tantes, sino también las limitaciones propias del equipo del dispositivo se basan en las características específicas del entorno minero. Existen varias limitaciones durante el escaneo subterráneo:

mente oscuridad (estabilización problemática de los aparatos de topografía, problemas de visibilidad de los objetivos, limitaciones de la cámara integrada, etc.) ia el escáner, etc.) refuerzo de acero de las minas, etc.) los límites de la temperatura de funcionamiento del dispositivo), cuidadoso, portabilidad complicada,

(en áreas con aire potencialmente explosivo en las minas),

3.4.3. EQUIPOS Y APARATOS UTILIZADOS 3.4.3.1. Escáner Leica ScanStation P30/P40 Los sistemas Leica ScanStation ofrecen datos en 3D de calidad, así como imágenes de alto rango dinámico (HDR) a una velocidad de escaneo realmente rápida de 1 millón de puntos por segundo con alcances de hasta 270 m. El insuperable alcance y la precisión angular, el bajo ni vel de ruido y el compensador de doble eje constituyen las bases para conseguir nubes de puntos 3D a color con alto nivel de detalle y una claridad propia del mundo real.

Figura 54. Escáner Leica ScanStation P30/P40

Especificaciones técnicas Reducción del tiempo de inactividad Los nuevos escáneres láser de excepcional duración funcionan incluso en las condiciones medioambientales más exigentes, por ejemplo, en intervalos de temperatura que oscilan entre –20 °C y +50 °C. Además, se ajustan a la clasificación IP54 en cuanto a resistencia al polvo y al agua.

Figura 55. Especificaciones técnicas de Escáner Leica ScanStation P30/P40 Parte 1



3.4.4. PROCEDIMIENTO Durante el levantamiento, el escáner láser rota uniformemente alrededor de su eje longitudinal. En forma simultánea, un rayo láser desviado por un prisma rotaivo, es emitido en rango de apertura de 90º. Cuando el escáner se posiciona en forma vertical, se obtiene como resultado el registro de una escena panorámica (panorama de 360º)

Figura 57. Escáner listo para operar en un túnel

Mediante el mismo sistema de escaneo se obtiene una definición geométrica y una representación visual completa en el momento de finalizar la obra y proceder a su entrega. El sistema Dibit obtiene datos con mucha calidad, y el software Dibit permite realizar una evaluación fácil, rápida y eficiente de la geometría y del estado del túnel. Mediante la inspección con escaneo láser y cámara fotográfica de alta resolución se obtienen: • Pe rfiles geométricos, incluyendo huecos, calzada, etc. • Dimensiones de comp onentes y fijaciones. • Posición de juntas, nichos y otros elementos del túnel . • Imagen visual, con identifi cación de zonas con diferentes materiales de revestimie nto, zonas

reparadas, zonas dañadas (fisuras, desconches, humedades, etc.), cambios de sección, bulones, instalaciones (conducciones, cableado, señales de tráfico, luminarias, elementos de seguridad, etc.). • Comprobaciones de gálibo. • Chequeo automático de juntas entre dovelas (posición, se paración, resalto, etc.). • Base de datos de todos los elementos que constituyen el túnel y que definen su estado en el

momento de la i nspección. Como en el caso anterior, los resultados se presentan en forma de imágenes 3D, secciones transversales, mapas con curvas de nivel que representan diferentes valores de un determinando parámetro, bases de datos, listas de resultados de cálculos en formato Excel, exportación de coordenadas de nube de puntos a otros formatos CAD, orto -imágenes en color verdadero con alta resolución.

La inspección de túneles mediante el escáner de túneles Dibit proporciona una documentación de la estructura de manera objetiva, de total cobertura y de alta precisión, en todo l o referente a su estado y su geometría. Los datos obtenidos permiten detectar: • Daños tales como fisuras, desc onchados, filtraciones, efl orescencias, etc. • Componentes e instalaciones existentes dentro del túnel. • Equipamiento técnico y de control de tráfico, así como instalaciones de seguridad.

Este registro digital proporciona datos y atributos geométricos (l ocalización, longitud, Information System), pudiendo ser recuperados para análisis posteriores según se necesite. Se reali za “in situ” una grabación geométrica y visual combinadas de la superficie del

revestimiento del túnel. La resolución geométrica es 10 x 10 mm con una precisión de 5 mm de desviación estándar. La resolución de la imagen es 1 x 1 mm en la superficie del túnel. De los datos obtenidos se crea un modelo 3D del túnel en textura de color verdadero. Este modelo constituye la base para cualquier otra evaluación posterior.

La captura de componentes estructurales y daños se realiza semi-automáticamente (p. ej. Para fisuras), el cálculo de cualquier atributo geométrico de cualquier objeto se realiza de manera totalmente automática. El modelo de cobertura total 3D y los objetos almacenados en el sistema TIS producen los siguientes resultados: • Comprobación de la sección: desviación de la superficie del túne l con respecto a una sección de

referencia. • Orto-imágenes: superficie del túnel con representación visual de las zonas dañadas. • Planos “as-built” y de indicación del estado actual.

Una vez realizado el escaneo del túnel, para un posterior examen visual y una valoración de la estructura por parte de un ingeniero especializado sólo se necesitan inspecciones puntuales en zonas seleccionadas a partir de los resultados del escaneo. El modelo 3D texturizado en color verdadero en combinación con el software dibit 3D-View y dibit TIS permiten hacer una preparación simple y económica de esas visitas puntuales de evaluación en el túnel mediante: • Inspección virtual del túnel en ordenador. • Preparación de planos e informes de campo (hojas de datos).

Durante la inspección de campo no hace falta elaborar largos informes de inspección, sino tan solo tomar algunas notas adicionales sobre los mismos documentos preparados previamente. Tras importar la nueva información recogida durante el examen en la base de datos TIS (Tunnel Information System), se dispondrá de un reflejo digital completo de la estructura del túnel y de sus características más relevantes.

3.5. MÉTODO DE LA FIBRA ÓPTICA EN PERNOS DE ANCLAJE Ó (BOTDR) 3.5.1. DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO La tecnología de Reflectometría Óptica Brillouin1 de Dominio Temporal (BOTDR, por sus siglas en inglés) que ha sido intensamente investigada en las últimas décadas, permite medir la deformación unitaria de la fibra óptica a través del despl azamiento de frecuencia de la luz Brillouin transmitida y reflejada dentro de ella (Ohsaki et al., 2002; Kurashima et al., 1993; Horiguchi et al., 1995). La deformación en una estructura puede ser medida en toda su dimensión a través del sistema BOTDR, utilizando fibra óptica adherida o instalada en ella. Debido a limitantes de esta tecnología, la medición no se efectúa en forma continua en el tiempo, sino que en intervalos discretos, en los que se observa el estado de la estructura, para luego repetir las mediciones cuando se desee monitorearla. Cada una de estas mediciones, demora un lapso de tiempo determinado por parámetros de entrada ( input ) en el sistema, ingresados antes de efectuar la medición, como el rango o ancho de banda de frecuencias y su discretización o paso. Cada lectura del sistema BOTDR aplicada en este estudio, toma generalmente entre 5 a 10 minutos. La información de salida, entregada por el sistema BOTDR, corresponde a una banda de frecuencias (GHz), cada una con sus respectivas potencias asociadas medidas en decibeles (dB). La frecuencia característica, asociada al estado de deformación en una posición determinada de la fibra, teóricamente, es aquella donde la potencia de la señal recibida es máxima, como se explicará en detalle más adelante. Los espectros así recibidos, tienen formas de distribuciones simétricas en torno al máximo en potencia. Por ende, sería posible ajustar al espectro recibido, cualquier distribución simétrica con ciertos parámetros. En el estudio de señales, es común la utilización de la distribución (o curva) Lorentziana. A grandes rasgos, el procedimiento del sistema BOTDR, consiste en buscar dentro del espectro de frecuencias, aquella asociada a la máxima potencia, para luego ajustar una curva Lorentziana centrada en esa frecuencia. La resolución espacial BOTDR es fijada por el ancho del pul so de luz óptico usado en la medición, estando actualmente limitada a 1m. Si se continúa disminuyendo el ancho del pulso óptico para mejorar la resolución espacial (i.e. haciendo que ésta sea menor a 1m), la precisi ón en la medición de la deformación se deteriora abruptamente. Por lo tanto, la resolución espacial debe ser mejorada sin disminuir el ancho del pulso (Ohsaki et al., 2002; Hotate y Hasegawa, 2000; Naruse y Tatema, 2001).

Figura 58. Espectro de dispersión Brillouin tridimendional.

La tecnología de la Reflectometría Óptica Brillouin de Dominio Temporal BOTDR emplea fibra óptica para monitorear deformaciones con ventajas sobre métodos tradicionales, al permitir incluir extensos tramos con inmunidad a influencias electromagnéticas. La teoría establece que existen cambios en la frecuencia de la luz que pasa a través de la fibra óptica cuando ella se deforma, y que tales cambios están directamente relacionados con las deformaciones axiales que determina automáticamente el sistema analizador BOTDR. Éste sistema permite obtener las curvas de espectro de frecuencia, de donde se deduce la frecuencia característica asociada al máximo nivel de potencia. Para la aplicación en pernos de anclaje, ha sido necesario observar el procedimiento que usa el sistema deteniéndose en la curvas de espectro, y utilizar varias alternativas para la obtención de parámetros correlacionándolos con las mediciones de deformaciones uni tarias a través de strain gages. Existe una importante restricción en la resolución espacial, ya que el sistema BOTDR sólo permite obtener las deformaciones unitarias axiales promedio en la fibra óptica en tramos de un metro de longitud. Su aplicación directa en pernos de anclaje es por tanto cuestionada, en particular debido a la gran variación de la deformación tanto en el tiempo, como en la posición a l o largo del perno.

En la actualidad existen variados métodos para monitorear el estado de estructuras naturales o artificiales, que debido a su función, requieren de constante observación y cuidado. Algunos instrumentos de monitoreo cuentan con una historia de eficacia y gran aprobación en su uso en ingeniería. Sin embargo, todos estos métodos están sujetos a constante estudio y perfeccionamiento, fomentándose la búsqueda de nuevos y más eficientes sistemas de monitoreo. El perfeccionamiento parte por mejorar los aspectos más deficientes de lo existente. Un caso particular y de uso masivo son los Strain Gages, instrumentos para medición de deformaciones, de larga historia de utilización con resultados de gran confiabilidad en la práctica de ingeniería. Sin

embargo, esta herramienta tiene como limitantes: el que sólo mide deformaciones puntuales; que su instalación para abarcar grandes tramos monitoreados resulta lenta y compleja; y que requieren de electricidad para su funcionamiento, implicando un riesgo en lugares de alta humedad. Frente a esta problemática, surge una alternativa innovadora que motiva el presente estudio, aplicando tecnologías que hace poco tiempo atrás, poseían usos muy distintos a los que se les entrega en la actualidad. Este es el caso de la Fibra Óptica (BOTDR1), que es utilizada para la medición de deformaciones. Su principal cualidad surge del hecho de permitir abarcar grandes tramos monitoreados de forma simple, y por ventajas tales como su inmunidad a influencias electromagnéticas (Zhang & Wu, 2008), su rápida y económica instalación, y el pequeño espacio utilizado por ésta debido a su pequeña dimensión transversal. Tenienendo en cuenta estas ventajas, se propone y estudia su aplicación en minería subterránea. La teoría detrás de esta tecnología puede llegar a ser compleja dependiendo del grado de profundidad con que se estudie y de la aplicación que se le quiera dar. Sin embargo, a grandes rasgos, puede entenderse el principio con conocimientos básicos de la física en el campo de estudio de óptica cuántica. Debido a sus características como alta durabilidad, no generar ruido de inducción electromagnética y la posibilidad de trasmitir señales sobre grandes distancias, etc., los métodos de medición que usa la fibra óptica son reconocidos por su buen dese mpeño y el alcance de su uso práctico va en aumento 3.5.2. APLLICACION La información sobre el estado de las galerías y túneles es imprescindible en cada momento. Hasta la fecha, el monitoreo de toda la longitud de una galería se realiza en forma de inspección visual la que, lógicamente, no puede ser de forma permanente y además, depende del observador; siendo ésta una gran desventaja. De aquí surge la necesidad de contar con un sensor que pueda monitorear la totalidad de un túnel, que sea de fácil y rápida instalación, como el sistema BOTDR (Reflectometría Óptica Brillouin de Dominio Temporal). El monitoreo de una galería puede y debe llevarse a cabo en distintas áreas. Una de ellas es el monitoreo del estado de deformaciones del macizo rocoso mismo, en la superficie del túnel. Además, existe la necesidad de monitorear el estado de los sistemas de soporte, como complemento de un monitoreo global del estado de una galería.El uso de anclajes pasivos que se instalan embebidos en resina epóxica o lechada de cemento (en inglés: grout ) Su mecanismo es de tipo pasivo, ya que entran en acción al oponerse a la expansión o dilatancia que se produce en l as discontinuidades de la roca, comenzando a producirse un deslizamiento entre las mismas. Su función, por tanto, es la de actuar como soporte de paredes y techo de túneles subterráneos en macizos rocosos. El trabajo al que son sometidos estos anclajes, puede incluir tanto la acción de esfuerzos longitudinales como transversales a su eje. Una forma de estar al tanto de lo que ocurre en alguna sección de un túnel, es observar el estado de deformaciones de los anclajes de soporte. Si es posible obtener la información de un número considerable de éstos, se puede tener una idea global de lo que ocurre en las paredes y techo de un túnel subterráneo. El monitoreo de estos anclajes es complejo, debido a que las solicitaciones

que estos sufren se encuentran bajo la superficie. La tecnología BOTDR plantea la posibilidad de medir la evolución temporal de la deformación del perno en profundidad. Los pernos de sostenimientos dependiendo de la calidad de la roca pueden trabajar en alguna o algunas de las siguientes formas: - Creando un arco reforzado - Previniendo la caída de bloques individuales - Cómo elemento estructural transmitiendo tracción entre bloques manteniendo la geometría. - Prevención de desprendimientos violentos de bloques (Rock Burst) Cada una de estas formas genera un tipo de deformación particular en los pernos de sostenimiento y por lo tanto implica cambios en el diseño de estos. No existe un consenso general del tipo de análisis que se debe realizar. En este trabajo se describe un sistema de medición de deformaciones en pernos que permita deducir las deformaciones a lo largo de estos en f orma continua y segura, al no ser necesario que exista personal de medición en las cercanías de la zona donde se encuentra el perno. Esto se logra a través de un sistema de medición en base a fibra óptica pegada a lo largo del perno y monitoreada a través de un sistema de medición de deformaciones BOTDR, el que será descrito más adelante. Al ser instalado en terreno, este tipo de sistemas podrá deducir cómo trabaja el perno de sostenimiento en distintas condiciones, con lo que se podrá determinar un diseño adecuado de estos en la práctica.

Figura 58. Aplicación de fibra óptica sensora en fortificación de túneles mineros El sistema BOTDR tiene una resolución espacial mínima de 1m, debido al principio físico que está detrás de esta tecnología. Esto hace que su aplicación para medir deformaciones en anclajes no sea directa, ya que si bien normalmente estos tienen largos mayores a la resolución espacial del

sistema BOTDR, las deformaciones presentadas en ellos, así como en cualquier estructura, pueden concentrarse en largos bastante menores a 1m, por lo cual no serían detectadas con esta tecnología. Para la aplicación en pernos de anclaje, ha sido necesario observar el procedimiento que usa el sistema deteniéndose en la curvas de espectro, y utilizar varias alternativas para la obtención de parámetros correlacionándolos con las mediciones de deformaciones uni tarias a través de strain gages. Existe una importante restricción en la resolución espacial, ya que el sistema BOTDR sólo permite obtener las deformaciones unitarias axiales promedio en la fibra óptica en tramos de un metro de longitud. Su aplicación directa en pernos de anclaje es por tanto cuestionada, en particular debido a la gran variación de la deformación tanto en el tiempo, como en la posición a lo largo del perno. La alternativa que este estudio recomienda utilizar, consiste en modificar la curva del espectro de frecuencias aplicando una determinada función potencia, calcular luego su frecuencia promedio obtenida como centro de gravedad del área de esta curva y asociar esta frecuencia promedio con la deformación de la fibra. Las confirmaciones experimentales permiten trabajar con tramos de hasta aproximadamente 50 cm de longitud. 3.5.3. APARATOS UTILIZADOS 3.5.3.1. Equipos para Aplicación y Medición de Carga Axial Cilindro, Bomba y Manguera Hidráulica Power Team®: Los equipos para aplicación de carga, son utilizados para ensayar pernos de acero a tracción. Éstos incluyen (ver Fig.59): • Cilindro de carga a tracción, marca Power Team®, modelo RH306. Capacidad máxima 30Tonf; 6”

de carrera, simple acción, con orificio central. • Gato o bomba hidráulica, marca Power Team®, 2 veolcidades, capacidad máxima 10.000psi • Manguera hidráulica de caucho, marca Power Team®, dimensiones:10’x1/4”.

Figura 59. Equipos de aplicación de carga. Cilindro de carga a tracción, Bomba Hidraúlica y Manómetro

3.5.3.2. Equipos y software para medición y adquisición de datos Celda de carga (ver Fig. 60): Aparato diseñado para medi r cargas de hasta 30Tonf. Se conecta a un sistema de adquisición de datos que registra los valores en voltaje entregados por ésta, los que posteriormente se transforman en valores de carga según su calibración. Para este dispositi vo, se estima un error de medición de ±8Kgf.

Figura 60. Celda de carga Field Point (adquisición de datos) (ver Fig. 61): El sistema de adquisición de datos utilizado, permite obtener un muestreo continuo de las mediciones de strain gages (deformación) y celda de carga. El aparato portátil utilizado es el Compact FieldPoint® modelo cFP-1804, manufacturado por National Instruments®. Este equipo posee 32 canales de entrada con voltajes ajustables según los instrumentos a utilizar. Una característica principal es su movilidad, lo que permite mediciones en terreno en condiciones de ensayos similares a las util izadas en laboratorio.

Figura 61. Sistema de adquisición de datos tipo compact field point. Modelo Cfp-1804 A continuación se describen los módulos y componentes que integran el equipo Compact FieldPoint® con sus principales características:

• Bloque conector integrado para cablear a la E/S (NI cFP -CB-1):  Se monta al plano trasero en medio de los módulos de E/S  Facilidad de cableado con las terminales, con codificación en colores para conexiones de voltaje

y conexiones comunes  Liberación de tensi ón y ranuras integradas para ataduras de cables  Se requiere un cFP-CB-1 para cada módulo de E/S Compact FieldPoint • Módulo de entrada de voltaje analógica de 16 canales (NI cFP -AI-112):  Resolución de 16 bits, rechazo de ruido de 50/60 Hz  Rango de entrada y filtro configurable por software y canal  16 entradas de voltaje  Operación HotPnP (plug-and-play)  Mide señales de 60mV a 10V, unipolares y bipolares  Rango de operación de -40 a 70 °C • Interfaz Ethernet/Serial para Compact FieldPoint® (NI cFP-1804):  Acceso a través de protocolos de comunicación estándares en la industria como Modbus y OPC  Software FieldPoint para acceso de E/S por medio de clic y arrastre a sistemas distribuidos  Hardware robusto para entornos industriales - 50 g de impacto, 5 g de vibración, -40 a 70 °C  Hasta 4 módulos Compact FieldPoint® por interfaz distribuida en red para Ethernet/Serial  Fácil de leer y escribir desde un servidor en red usando NI LabVIEW o cualquier cliente OPC • Módulo de entrada analógica de strain gage de 8 canales (NI cFP-SG-140):  Resolución de 16 bits  Rango de operación de -40 a 70 °C  Mide strain gages instalados como puente completo o medio puente, celdas de carga, sensores

de fuerza y sensores de par de torsión  Nivel de excitación (2.5, 5 o 10 V) y fi ltro configurable por software y canal  8 canales de entrada  Operación HotPnP (plug-and-play) La frecuencia máxima de adquisición de datos que alcanza el módulo de strain gages del equipo Compact FieldPoint®, es de 1.1Hz cuando los 8 canales disponibles se encuentran funcionando simultáneamente. En el caso del presente estudio, se utilizaron generalmente 3 canales, por lo cual, la frecuencia máxima de muestreo fue de 3Hz aproximadamente. Software LabView® de National Intruments®: El software LabView® de National Instruments®, permite rescatar y almacenar los datos medidos con el equipo Compact FieldPoint®. La interfaz del software permite ajustar la frecuencia de adquisición de datos hasta una capacidad máxima de 1000Hz. Para este trabajo se fija en 1Hz.

Analizador BOTDR ADVANTEST® desarrollado por Nipon Telegraph and Telephone®, Software N8510® y Computador Dell®: El analizador ADVANTEST® manufacturado por NTT, como fue descrito anteriormente, permite enviar el pulso de luz a través de la fibra óptica y recibir la luz retro-dispersada en ella. Además, se utiliza un computador marca DELL® de gran capacidad para el almacenamiento de de datos, además del software N8510® también descrito anteriormente

Figura 62. Sistema BOTDR: Izquierda generador de pulso de luz. A la derecho pc con software

3.5.3.3. Dispositivos de medición de deformación A continuación, se describen los dispositivos utilizados específicamente para la medición de deformación tanto en ensayos de calibración en laboratorio, como de ensayos en terreno. Es importante además, la estimación de errores de medición provenientes de los equipos involucrados en el proceso. Estos errores pueden estimarse en forma teórica, analizando las variables involucradas en la deducción de algún parámetro estudiado o también pueden ser verificados con mediciones controladas. En esta sección se exponen los errores de fábrica para los dispositivos Extensómetro Durante los ensayos de calibración, se utilizó un extensómetro de calibración certificada. Este dispositivo se muestra en la Fig. 3.10. Su funcionamiento consiste en 2 brazos metálicos ajustables, que se abren o cierran según la deformación del objeto en el cual se haya instalado. El principio físico involucrado es similar al de un strain gage, donde el cambio en las propiedades físicas de una resistencia, debido a la deformación aplicada, se traduce en un cambio en voltaje. Este voltaje es posteriormente transformado en deformación unitaria según una calibración conocida. La precisión de este instrumento es de un 0,06% de la escala completa de medición, según certificación.

Figura 63. Extensómetro Epsilon, modelo 3542

Figura 64. Especificaciones Extensómetro Epsilon Modelo 3542

Diales Los diales1 fueron utilizados para medir desplazamiento en l os ensayos de calibración de fibra óptica. Su medición fue transformada en deformación unitaria al dividirla por el largo total de fibra deformada. En la Fig. 3.11 se aprecia la instalación experimental típica de los dos diales usados y en la Tabla 3.2 se presentan sus características.

Figura 65. Diales Mitutoyo, modelo 3062S-19

Strain gages Estos dispositivos fueron utilizados durante la investigación, tanto en ensayos preli minares, como durante ensayos en terreno. A grandes rasgos, los strain gages (ver Fig. 3.9) son resistencias que al cambiar sus dimensiones, debido a la deformación aplicada, entregan un cambio en el voltaje transmitido. Este voltaje es convertido a deformación unitaria mediante una calibración conocida, obtenida al contrastar resultados con los de un extensómetro calibrado.

Figura 66. Strain Gage modelo PFL-20-11 marca TMLA a) Esquema b) Imagen real Para que los strain gages actúen como sensores de deformación, son conectados formando un Puente de Wheatstone1, cuyo principio físico permite la medición de una resistencia desconocida y sus propiedades, utilizando una fuente de voltaje y resistencias conectadas en un circuito cerrado, de valores conocidos.

Fibras Ópticas Utilizadas: En las figuras a continuación se muestran las distintas fibras ópticas utilizadas durante la presente investigación, las cuales pueden ser sensoras (se les aplica deformación) y no-sensoras (no se utilizan para medir deformación). La Fig. 67 muestra el carrete que porta la fibra óptica embossing sin uso.

Figura 67. Carrete Fibra óptica Tipo Embossing Surface

Figura 68. Procedimiento de desenvoltura Fibra Óptica

Figura 69. Especificaciones técnicas Fibra óptica Tipo Embossing Surface

3.5.4. PROCEDIMIENTO En un ejemplo de aplicación práctica y real se instrumentaron pernos de acero helicoidales de 22mm de diámetro y largos entre 2 y 4m, los detalles de la instrumentación dependen del tipo de ensayo ejecutado, entre los cuales se encuentran ensayos a tracción pura en laboratorio, ensayos a tracción pura en terreno y ensayos de barras ancladas a la losa de hormigón con distintos materiales (Sandoval 2010). Los ensayos realizados modelan dos tipos de solicitación teóricamente esperados en caso de formación de un bloque de roca deslizante (ver modelos A y B en Fig. 2). El modelo A representa la zona anclada del perno en la roca. El modelo B representa una zona li bre sin unión a la roca que se encuentra en tracción. En este artículo se muestran algunos re sultados de los ensayos de pernos anclados en una losa de hormigón armado.

Figura 69. Modelos de solicitación representados en ensayos de laboratorio y terreno La instrumentación en pernos contempló, en general, las siguientes etapas: - Instalación de strain gauges en la superficie lisa y debidamente acondicionada del perno (ver Fig. 70). - Fusión de distintos tipos de fibra para completar el circuito requerido por el sistema BOTDR (ver Fig. 71) - Tensado inicial de fibra sensora - Pegado de fibra sensora al perno, en superficies li sas de éste. - Comprobación de lectura inicial de fibra y strain gauges para verificar su buen funcionamiento antes de cada ensayo. El tensado inicial o pretensado de la fibra se realizó pegando un punto de la fibra a la barra con adhesivo instantáneo de alta resistencia, y luego estirando la fibra mediante un peso conocido de aproximadamente 2,0 Kgf, para finalmente pe gar la fibra por tramos. El pretensado aplicado a la fibra que queda adherida al perno, se traduce en una deformación inicial de aproximadamente 0.2%.

Figura 70. Instalación de strain gages en pernos de sostenimiento

Figura 71. Vista fusiones fibra ultraflexibl e con fibra embossing

La fibra óptica utilizada en estas mediciones permite continuar midiendo si se mantiene un radio de giro mínimo de 5 cm. Esto no es posible de efectuar en pernos de 22mm de diámetros (ver Fig. 5) por lo que se fusiona en este sector una fibra flexible que transmite la luz (sin medir deformación) permitiendo dar el giro necesario (ver Fig. 5). Adicionalmente, para evitar daños en la fibra óptica durante la instalación en terreno (en especial en la punta donde se encuentra el loop con fibra flexible), se fabricó un cartucho de resina de forma cilíndrica, que cubre toda la zona del loop y fusi ones de fibra (ver Fig. 72), que en la práctica están ubicadas dentro de la roca. El procedimiento para construir esta protección consiste en la utilización de un tubo de PVC de un diámetro interior tal que permita insertar dentro de él, el perno con la zona del loop y que además sea menor que el diámetro de la perforación donde se instalará el perno. Este tubo actúa como molde sobre el perno para verter resina epóxica que cubrirá toda la zona del loop (ver Fig.73).

Figura 72. Vista real zona de loop con fibra ultra-flexible recomendada

Figura 73. A) Vaciado de resina en molde PVC. B) Después de llenado

3.5.4.1. Ensayos en pernos instrumentados. Para determinar la factibilidad de utilizar la fibra óptica como sistema de medición se realizan distintos ensayos a la fibra óptica y a los pernos instrumentados con fibra óptica. Dentro de los ensayos realizados a pernos instrumentados se tienen ensayos de tracción simple en pernos, y ensayos que buscan representar los modelos de carga A y B mostrados en la figura 2. En la Figura 7 se muestran detalles de los ensayos del tipo bloque A (Fig. 7 a y los ensayos del tipo B ( Fig. 7 b). En esta figura se puede observar la ubicación de los strain gauges que son utilizados para compararlos con la deformación deducida mediante la fibra óptica. Tal como se mencionó anteriormente con el sistema BOTDR deducen la deformación unitaria de la fibra mediante mediciones del cambio en el espectro de frecuencia de la luz reflejada que viaja por la fibra. Este sistema funciona muy bien cuando se tienen largos con deformación relativamente constante de aproximadamente 1m de largo, como mínimo. Sin embargo, cuando se ti enen una o más deformaciones (o cambio continuo de deformación) en un tramo menor a 1m de l ongitud, el

espectro de frecuencias comienza a mostrar mas de un peak de frecuencias tal como se muestra en la Figura 8 para dos posiciones a 20 cm de distancia. Es por esta razón que la utilización automática del peak de frecuencia demuestra no ser adecuada para medicione s de deformación en el perno instrumentado donde la deformación cambia en forma continua a lo largo de este. Para resolver este problema con las mediciones de cambio de frecuencia peak en el espectro de frecuencias (ver Fig. 8) se utilizan alternativas de deducción de frecuencia peak que buscan determinar adecuadamente las deformaciones a lo largo del perno instrumentado. Las sigui entes son las alternativas analizadas. Alternativa 1: Se le suma 100dB a las mediciones del espectro de frecuencia medido en cada punto de la curva, permitiendo que la curva posea sólo valores positivos. Luego de esto se integra la curva modificada de modo de obtener las frecuencias promedio. Alternativa 2: Semejante a la alternativa 1 pero sin cambiar el espectro de frecuencias origina (el cual contiene valore s negativos). Luego se calcula el valor Δfrecuencia como:

Figura 74.a) Ensayos Falla Tipo Bloque

Figura 75.b) Ensayos Zona Anclada

Alternativa 3: Similar a las Alternativas 1, pero se desplaza o suma a cada punto de la curva el valor mínimo del rango seleccionado. Este valor mínimo es el más negativo encontrado en el registro de espectro de frecuencia original. De esta manera, se desplaza la curva completa en dicho valor mínimo, haciendo positivos todos los puntos del rango. En la Fig. 9 se muestra un ejemplo de este desplazamiento , la que efectivamente queda con valores posi tivos. Fuera de los rangos analizados, esto ya no se cumple. Luego se calcula el promedio obtenido para esta alternativa.

Alternativa 4 Transformar las curvas de espectro y devolverlas a su forma original en potencia, mediante la aplicación de la función inversa a la que define el decibel (ver Ec. 2). Luego, realizar el procedimiento de cálculo de frecuencias promedio con estas curvas (ver Figura 10).

Figura 76. Resultados mostrados en ensayos con fibra óptica Se puede observar de la figura 11 que es posible encontrar una buena correlación entre la frecuencia promedio (medida con el BOTDR) de la curvas de frecuencia medidas (de acuerdo a alternativas 1, 2 y 4) y mediciones de deformación realizadas con strain gauges. Por lo tanto dependiendo de la ubicación en el perno donde se desea medir la deformación unitaria y de la alternativa de análisi s elegida es posible determinar la deformación unitaria mediante el uso de la fibra óptica como sensor. En particular la alternativa 4 muestra tener más de un 90% de correlación con la deformación medida mediante strain gauges.

Por lo tanto en este artículo se muestra que es posible instalar fibra óptica en las caras de un perno de sostenimiento y medir las deformaciones que se generan en distintos puntos de este. Esto permitiría instrumentar pernos de sostenimiento en túneles mineros con fibra óptica y determinar la deformación a la que se encuentran sometidos. Una vez determinada esta deformación se podrá determinar el modo más común de trabajo (bloque suelto, arco, etc.) de modo de definir el diseño en forma adecuada según las condiciones del túnel en roca analizado.

3.6. MÉTODO DE CONTROL GEOTÉCNICO - PRESIÓN DEL TERRENO 3.6.1. DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO Durante la ejecución de una obra subterránea (ya sea un túnel, una explotación minera, o cualquier otro tipo de excavación) la apertura del hueco en el macizo rocoso provoca una serie de alteraciones en el estado inicial del terreno, las cuales pueden afectar a la propia excavación, al sostenimiento colocado o las instalaciones existentes en la superficie, por lo que aquell as deben ser controladas y analizadas, con la instrumentación adecuada, para tomar las medidas correctoras en el menor tiempo posible. La instrumentación básica de auscultación que formaría parte de un Plan de Monitorización en minería debe ser la necesaria para poder realizar el control de los siguientes parámetros: medición de l a deformación relativa entre puntos interiores a la sección excavada (convergencias). Debe controlarse tanto el valor de la deformación como la velocidad de deformación, para lo que es necesario instalar a lo largo de la excavación una serie de estaciones de convergencia. Control de la deformación en el trasdós de la excavación como respuesta a la relajación tensional del terreno o descompresión. Deben instalarse, al menos, extensómetros de varillas equipados para realizar medidas a distintas profundidades. medición de las carga/presión que en cada momento está soportando el sostenimiento. Cuando se utilizan bulones como elementos de sostenimiento y se quiere medir la carga que están soportando deben utilizarse células de carga. Cuando se utiliza hormigón proyectado y se quiere medi r la carga que están sopor tando (radial y tangencial) deben utilizarse células de presión total. Si no existen problemas de subsidencia originados por la excavación subterránea que se realice, con el control de los parámetros mencionados debería ser suficiente para garantizar la e stabilidad de la excavación Los dos primeros métodos han sido ex plicados anteriormente en el presente documento

3.6.2. APLICACIÓN Las celdas de carga se emplean para medir la fuerza total en anclajes pretensados en suelos y roca. Las principales aplicaciones incluyen monitoreo de túneles, grandes excavaciones subterráneas, paredes de retención para excavaciones profundas y para la corrección de pendi entes o taludes inestables en roca. La fuerza que se desarrolla entre la placa de anclaje y los diferentes tramos de la barra será medida mediante Pernos de Medición de Carga. Éste es un instrumento importante para evaluar el funcionamiento de los anclajes en roca y optimizar su uso. Se emplean en diferentes condiciones, desde uso local para fijar bloques inestables de roca, hasta uso en sistemas de anclaje como taludes o en excavaciones de la roca y en construcción de túneles. El perno de medición de carga actúa como un anclaje, permitiendo medir y monitorear las fuerzas inductoras hasta en 4 posiciones a lo largo del perno/anclaje mismo. Conociendo la magnitud y distribución de las fuerzas del perno/anclaje, se puede evaluar el factor de utilización de los anclajes que se están empleando, permitiendo ajustar su longitud, su número y/o la distribución estudiada, y obtener un sistema con funcionamiento óptimo y más seguro. Las celdas de presi ón se utilizan donde hay uqe medi r presión al interior de elementos de concreto y shotcrete, entre superficies de contacto con hormigón y terreno y en un túnel. Los resultados permiten hacer importantes afi rmaciones acerca de los esfuerzos ejercidos sobre los componentes de la estructura o sobre la presión existente en la superficie de contacto entre varios materiales. Esta es la razón del por qué se utilizan celdas de presi´n en la construcción de túneles como también en estructuras subterráneas. Hay que recordar que el comportamiento del concreto y shotcrete en lo que se refiere a contracción o fluencia puede alterar las lecturas.

3.6.3. APARATOS UTILIZADOS 3.6.3.1. Células de presión Las células de presión total están constituidas por dos placas de acero inoxidable soldadas a lo largo de todo su perímetro; el espacio entre las dos placas se rellena al vacío con aceite desaireado. La célula así construida está conectada a un transductor de presión por medio de un tubo de acero inoxidable, formando de esta manera un circuito hidráulico cerrado.

Figura 77. Células de presión total (Sensogeo S.A.)

La presión que actúa sobre la célula se trasmite al transductor de presión a través del aceite y éste la transforma en una señal que puede ser leída por una unidad de lectura o por un equipo de registro de datos. Las especificaciones técnicas de la célula de presión total comercializada por Sensogeo son las siguientes: 00, 500, 700, 1000 kPa.

-20°C +80°C.

3.6.3.2. Células de carga Este tipo de células se utilizan, entre otras cosas, para medir las cargas a las que están sometido los bulones, o anclajes de un sostenimiento, y están constituidas por un cuerpo de acero inoxidable de forma toroidal, sensibilizado por medio de puntos de cuerda vibrante, garantizando así una sensibilidad muy pequeña a las cargas excéntricas. La célula va acompañada de placas de distribución estándar que permiten una correcta distribución de las cargas trasmitidas por los bulones o anclajes en el cuerpo anular de la célula. Las características técnicas de las células de carga comerciali zadas por Sensogeo son las siguientes:

-20°C +80°C

Figura 78. Células de carga (Sensogeo S.A.)

Una vez instaladas en el correspondiente anclaje o bulón, la célula se cablea hasta una zona accesible. La lectura se realiza con la unidad de lectura de sensores de cuerda vibrante o con un equipo de adquisición de datos. Sus aplicaciones son varias, pero cabe destacar que se colocan para: Pruebas de tesado y destesado de anclajes o bulones. Monitoreo de posibles cambios en las cargas de los anclajes o bulones durante las diferentes fases de la excavación. Medición de la tensión temporal en cables, péndolas instalados en puentes y vi aductos. Comprobación de la estabilidad y la evaluación de la eficacia del sistema de apoyo, como muro de contención, anclajes tierra, etc. Control de cargas en bulones de interior de túnel, galerías y cavernas.

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3.6.4. PROCEDIMIENTO 3.6.4.1. Celdas de presión El procedimiento para instalar la celda de presión se observa en la Figura. La instalación consiste primeramente en limpiar la superficie donde se instalará el instrumento y aplicar un mortero de nivelación de espesor entre 2,5 cm a 10 cm (A) en caso de tener suelos gruesos y dejándolo fraguar por al menos 20 minutos. En caso de suelo fino, la aplicación del mortero de ni velación no es estrictamente necesaria. Luego de ello, la celda puede ser fijada con clavos (B) y se aplica una delgada capa de mortero para protegerla (C) y se cubre con una malla tipo gallinero (D). La malla tipo gallinero también se cubre con una capa delgada de mortero dejándola fraguar idealmente durante al menos 24 horas (E), antes de construir el sostenimiento definitivo mediante la

aplicación del hormigón proyectado. La manguera de presurización también es protegida con una planza de diámetro i gual a ½”, l a que se extiende desde la celda hasta la superficie, lugar donde se realizan las lecturas (F).

Figura 78. Instalación de celdas de presión

Las células se instalarán entre el terreno y el sostenimiento o entre la primera capa de sellado de hormigón proyectado y la siguiente, según sea su disposición radial o tangencial.

Figura 79. Esquema de instalación de células de presión

Figura 80. Células de presión e instalación

3.6.4.2. Interpretación de las medidas proporcionadas por las células de presión En la misma zona donde se colocaron los bulones extensométricos representados en las figuras 10 y 11, se instalaron células de presión radial y de presión tangencial en la zona alta y baja de los hastiales de la galería.

En la figura siguiente puede observarse como se produce la rotura de la gunita en la zona baja de los hastiales y a los pocos día de colocarse, lo que coincide con la rotura de los bulones extensométricos en esa zona, por lo que si parece lógico modificar la rigidez y l as plasticidad de la gunita.

Figura 81. Evolución de la carga soportada por el terreno

3.6.4.3. Celdas de carga El sistema completo consiste en una celda de carga que se coloca entre una placa de fundación, pegada a la cabeza del anclaje y a la placa de distribución, para asegurar el contacto perfecto y carga uniforme. Las mediciones se realizan en forma manual con un dial micrométrico de profundidad o con un transductor eléctrico de desplazamiento, que también permite lecturas automáticas y/o remotas. Este sistema con transductores es especialmente ventajoso cuando existe dificultad para acceder a ciertos lugares. La evaluación de los datos del monitoreo puede hacerse con el software especializado que produce gráficos claros, que muestran las fuerzas que influyen en un perno de medición de carga relacionadas con el tiempo o que muestran la distribución de la fuerza en un conjunto de pernos construidos en una sección transversal. Esto permite una fácil y rápida interpretación de los datos de monitoreo que ayudarán a reconocer las situaciones críticas oportunamente.

Figura 82. Perno de medición de carga

Figura 83. Esquema de colocación de una celda de carga

En el caso de pernos de expansión tipo Swellex La pieza del bul ón se compone de un tubo de acero plegado, que se ensancha con presión del agua, tras su montaje en la perforación. El recubrimiento exterior se pega al terreno y se deforma adaptándose a las rugosidades. Así se garantiza una unión altamente resistente y duradera con el terreno. La ventaja primordial sobre otras técnicas conocidas es la disponibilidad inmediata sin la utilización de cemento y materiales sintéticos o trabajos de tensado y golpeo.

Figura 84. Perno extensómetrico tipo Swellex 3.6.4.4. Interpretación de las medidas proporcionadas por las células de carga La carga sobre los bulones extensométricos, que se representa en la siguiente agrupación de figuras, fue obtenida en la misma zona de galería que en el caso donde se midieron las expansiones

Figura 85. Evolución de la carga soportada por pernos

Figura 86. Evolución de la carga soportada por pernos

De las figuras anteriores parece deducirse que se crea una zona de compresión en entorno de la galería que afecta a los bulones, llegando a producir su rotura. La zona de compresión puede tener su origen en una resina demasiado rígida, por lo que parece l ógico utilizar una resina más plástica y con mayor tiempo de fraguado, para que pueda realizar su trabajo conjuntamente con los pernos.

3.7. MÉTODO DE CONTROL DE PRESIÓN HIDRÁULICA 3.7.1. DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO En la construcción de obras subterráneas, existe gran incertidumbre en el conocimiento hidrogeológico de los terrenos montañosos, lo cual repercute en una esti mación errónea del grado de afectación de los recursos hídricos superficiales y subterráneos. Las excavaciones subterráneas, de manera general, son afectadas en mayor o menor medida por filtraciones inherentes a la circulación del agua en el macizo rocoso laboreado; sin embargo, a este aspecto no siempre se le da la importancia que merece en los proyectos de construcción de obras subterráneas. Aunque se conocen algunos métodos de control de las filtraciones, su implementación no siempre responde a un estudio previo de las características del macizo ni a un procedimiento basado en un análisis de variantes que permita aplicar la más racional en cada caso específico, aspecto que incide en la calidad y efectividad de las soluciones que se adoptan para controlar las filtraciones. ¿Por qué medir las presiones hidráulicas? El monitoreo de las presiones hidráulicas suele proporcionar información esencial sobre el estado y el comportamiento de la roca o suelo bajo investigación En los suelos, las presiones hidráulicas se designan más comúnmente como presiones de los poros. Su importancia se resume por ejemplo. Conceptualmente, las tensiones efectivas controlan la mayoría de los aspectos del comportamiento del suelo que son de i nterés para los ingenieros geotécnicos y las tensiones totales son controladas por las condiciones de equilibrio, por lo que las presiones de los poros son necesarias para estimar las tensiones efectivas a partir de La presión de poros en el suelo es a menudo más fácil de medir que otros aspectos igualmente significativos del comportamiento del suelo porque no exhibe dependencia direccional. Es especialmente así en la situación de campo que implica esfuerzo anisotrópico y no uniforme (o tensión) del terreno. Por otra parte, la presión de poro es uno de los tres parámetros esenciales en los modelos de THM que se utilizan para describir el comportamiento del suelo y que se utilizan para evaluar las mediciones de campo.

3.7.2. APLICACIÓN DEL MÉTODO Las labores mineras subterráneas por su naturaleza se encuentran en ambientes agresivos, en dónde el sólo hecho de hacer la ex cavación se altera el campo de esfuerzo y se modifica distintos comportamientos en el terreno que antes eran normales, como por ejempl o el agua subterránea; la cuál tiene una gran incidencia en el control y monitoreo que ha de tener el ingeniero a cargo de la mina, ya que si no se tiene en cuenta los niveles de agua que presenta el macizo rocoso, se podría sufrir graves problemas de seguridad, ya sea por romper una bolsa de agua (acuífero) o por el debilitamiento progresivo que las pequeñas infiltraciones de agua puede ocasionar sobre los

elementos de sostenimiento, por ejemplo a la madera la pudre, al acero lo corroe, y al concreto lo deteriora. Como se puede ver, a todos los elementos estructurales que se utilizan para darle estabilidad y seguridad a las labores subterráneas, el agua las puede afectar. La roca misma por la que el agua circula se ve afectada, ya que la presencia de esta disminuye sus esfuerzos efectivos, logrando cambiar modificar la estructura tenso-deformacional que un determinado macizo rocos pueda tener; por ejemplo, puede hacer pasar de una roca dura a una roca blanda, modif icando sus niveles de esfuerzo-deformación; es por esto que hay que tener un buen control y monitoreo sobre la circulación subterránea y superficial del agua en las cercanía de nuestra mina, ya que si no se posee información al respecto, se puede poner en peligro la vida de los trabajadores y la caducación de la mina 3.7.2.1. Técnicas de medición e implementación El control de la presión hidráulica en labores mineras subterráneas esta influeciado por la medición de la presión del agua porosa que implica el uso de un elemento filtrante para separar la presión del agua de la presión total. Típicamente, se utilizan filtros de acero sinterizado, pero también materiales de filtro de cerámica y plástico están en uso. El tamaño de poro de estos filtros (expresado en μ) debe adaptarse al ambiente (por ejemplo, tipo de arcilla). Un transductor de presión con un filtro integrado también se denomina "piezómetro". En lugar de utilizar un transductor integrado, la parte del filtro puede ser separada de la parte del sensor por un tubo (gemelo). Esto permite saturar el filtro en una etapa posterior (y eliminar el gas que podría acumularse), reemplazar / recalibrar el sensor si éste se instala en un lugar accesible, tomar muestras de agua y medir otros parámetros hidráulicos como la permeabilidad. Debe prestarse especial atención a la aplicación en un entorno no saturado. El piezómetro inicialmente saturado puede ser desaturado por la bentonita (en estado de succión) alrededor del filtro, creando una baja presión. La diferencia de presión que puede mantenerse antes de que el gas penetre en el piezómetro a través del filtro depende del valor de entrada de aire. Esto es típicamente bastante elevado para filtros cerámicos con poros pequeños. Este efecto se aprovecha en los tensiómetros para medir la succión. Un problema similar podría ocurrir para el monitoreo de la presión hidráulica en la roca encajante de los túneles. Un sensor de presión está conectado a una unidad de adquisici ón de datos a través de un cable de sensor que suministra electricidad al sensor y registra los datos del sensor. Cuando se instala un piezómetro en un túnel, el cable del sensor penetra los sellos en el túnel. De manera similar, cuando se instala un piezómetro en tampones o rellenos, el cable los penetra. Así, en ambos casos, la estanqueidad de los materiales a lo largo del cable es importante para medir presiones hidráulicas precisas. También se debe prestar la misma atención al uso de la línea hidráulica para el monitoreo. El rango de medición debe abarcar no sólo los valores de presión hidrostática en el túnel, sino también los aumentos temporales debidos a operaciones subterráneas (por ejemplo, excavaciones) o al calentamiento (expansión de los poros). Otros requisitos técnicos pueden

incluir la dimensión del sensor y la estabilidad a largo plazo. Si e l sensor se instala en tampones que rodean el residuo, también será necesaria la resistencia al calor y la dureza de la radiación.

3.7.3. APARATOS Y EQUIPOS Varios tipos de sensores de presión eléctricos están disponibles para el monitoreo de la presión hidráulica en la excavación; Tipo piezorresistivo, tipo alambre vibrante, tipo de strain-gage y transformador diferencial variable lineal (LVDT) son los más comunes. Otras técnicas incluyen estructuras micromecanizadas resonantes de presión (de cuarzo o de silicona), otros tipos de sensores inductivos y sensores capacitivos (siendo el diafragma sensible a la presión una de las dos placas de condensador). También se están desarrollando sensores no eléctricos, utilizando los principios de medición de fibra óptica disponibles (rejilla de Bragg como sustituto del strain gauge o técnicas interferométricas para medir el desplazamiento del diafragma). 3.7.3.1. Piezorresistiva Los transductores piezoresistivos se basan en el cambio de resistividad de un diafragma bajo presión. Este diafragma se puede hacer de di ferentes materiales, p. Cristal de sílice mecanizado en bloques mediante ataque químico, o titanio micromecanizado.

Figura 87. Accesorios piezómetro

Figura 88. Piezómetro piezorresistivo

Figura 89. Especificaciones técnicas. Marca Sesgo

3.7.3.2. Piezometro de Cuerda Vibrante Los piezómetros de cuerda vibrante son usados para monitorear la presión de agua en los poros del terreno. Son típicamente sel lados en hoyos pero pueden también ser embebidos en rellenos, o suspendidos en un pozo.

Figura 90. Piezómetro de cuerda vibrante Las aplicaciones típicas incluyen la evaluación de la estabilidad del terreno, esquemas de drenajes, sobrepresión en terrenos arcillosos y limosos, permeabilidad y gradiente hidráulico en presas, y también medición de nivel de agua. Pueden también ser usados para monitorear la presión de elevación en presas de gravedad.

Figura 91.Especificaciones técnicas. Marca Sesgo

Figura 92. Accesorios 3.7.3.3. Strain Gage -Medidor de tensión En el sensor de presión del strain-gage, la presión del agua causa la tensión en un calibrador con un elemento resistivo. Para la medición de deformación, se forma un puente de Wheatstone para convertir el cambio de resistencia iniciado por deformación en un cambio de voltaje. Las especificaciones detalladas están disponibles en el sitio web del fabricante Está diseñado específi camente para encontrar los ambientes retadores que existen en las aplicaciones de medición de nivel y para proporcionar mediciones de profundidad repetibles y de precisión. Este piezómetro está disponible con una tapa de nariz portada o con una nariz de piezómetro que incorpora un fi ltro poroso de acero inoxidable sinterizado

Figura 93. Piezómetro de deformímetro marca RST Instruments Ltd

Figura 94. Características

Figura 95. Especificaciones técnicas

3.7.3.4. LVDT El principio de funcionamiento del sensor de presión del transformador diferencial variable lineal (LVDT) es el siguiente. Un LVDT es un dispositivo electromecánico que produce una salida eléctrica que es linealmente proporcional al desplazamiento de un núcleo móvil. Consiste en una bobina primaria con dos bobinas secundarias colocadas a ambos lados de la bobina primaria. Un núcleo magnético blando en forma de varilla dentro del conjunto de bobina proporciona una trayectoria para el flujo magnético que une las bobinas. Un movimiento del núcl eo conduce a un aumento en el acoplamiento magnético a la bobina en la dirección del movimiento ya una reducción en el acoplamiento magnético a la otra bobina produciendo una señal de salida neta de los secundarios conectados. Para formar un transductor de presión, el desplazamiento del núcleo del LVDT se produce por el movimiento de un diafragma metálico sensible a la presión. Para la selección del sensor, el tipo de señal y los dispositivos correspondientes para medir y almacenar datos también deben ser considerados. Los sensores de tensión y los sensores de presión LVDT generalmente emiten señales en forma de tensión analógica, mientras que los sensores de presión de hilo vibratorio emiten señales en forma de frecuencia. Un dispositivo de medición universal puede utilizarse para señales de tensión analógicas, sin embargo las señales de frecuencia requieren un dispositivo específico.

Características principales: Rango de medida: Hasta 300mca. Linealidad: 0.25% y 0.5%. Señal de salida: Analógica en corriente y tensión. Formato: Acero inoxidable con diferentes protecciones y tipos de cable. Protección: IP68. Disponible en versión ATEX.

3.7.4. PROCEDIMIENTO Para el caso de la tecnología de cuerda vibrante, el piezómetro opera midiendo la frecuencia vibratoria de un cable de acero tensionado a una membrana y su tubo principal y se mide por medio de una bobina electromagnética. La presión del agua causa que la membrana se desvíe de su estado anterior, reduciendo la tensión en el cable y cambiando la frecuencia vibratoria medida por la bobina electromagnética, la que transmite por un cable de señal al aparato de lectura. El valor monitoreado es una frecuencia que es convertida a presión de agua. La mayor ventaja es que no habrá menor precisi ón aumentando la longitud del cable Los sensores de presión de cuerda vibrante contienen un alambre de acero sostenido en tensión entre un diafragma externo flexible y un mammaro rígido interno. El sensor es configurado en modo que la presión de agua actúe en el alambre. Cuando la presión aumenta, la tensión del alambre decrece, y vice versa. La tensión en el alambre es medible colocándolo a vibración con una serie de pulsos electromagnéticos desde una bobina. El alambre posteriormente vibra primariamente a su frecuencia de resonancia natural. Cuando la excitación termina, el alambre continua a vibrar y una señal sinusoidal, a la frecuencia de resonancia, es inducida en l a bobina y transmitida a la unidad de lectura. Un descargador de gas bipolar incorporado protege el sensor contra voltajes transitorios. Un termistor incorporado provee datos de temperatura y puede ser usado para correcciones termales.

Figura 96. Piezómetro cuerda vibrante

El sensor de presión piezo-resistivo incorpora un diafragma de cerámica químicamente inerte. Un puente de wheatstone preciso en un barra de 4-arm es depositado en la parte seca del diafragma. La presión de agua aplicada a la parte mojada del diafragma causa que la barra a emita una señal que es directamente proporcional al estrés aplicado.El circuito convierte la señal en una señal robusta en 4-20mA que puede ser transmitida sobre largas distancias a lectoras o sistemas de adquisición.

Figura 97. Piezómetro piezoresistivo Ensayos a sondeo único: Este ensayo consiste en introducir un obturador (packer) de ntro del sondeo y obstruir la zona de interés (zona de fracturamiento o formación transmisiva). Posterior a esto, se deja que se estabilice la presión hidrostática y se da inicio con la prueba, al permitir la salida del agua con la apertura de una válvula que influye en el descenso del nivel o despresurización de la formación, esto puede tomar entre 1 a 2 horas. Durante los descensos de la presión, se registra el caudal de extracción con un caudalímetro, la presión con un sensor de presión y posterior a esto, su recuperación con un registrador de nivel. Este ensayo obtiene el valor de conductividad hidráulica (K) del tramo ensayado.

Figura 98. Ensayo a sondeo único Ensayos de interferencia: Los ensayos de interferencia siguen la misma configuración del ensayo a sondeo único, pero se obtura en dos puntos (un pozo y un piezómetro). Con este tipo de ensayos se pueden obtener valores de conductividad hidráulica (K) y coeficiente de almacenamiento (S). Estos ensayos tienen la particularidad de ser ensayos de mayor duración y caracterizar formaciones acuíferas de media a alta permeabilidad (K >10-6 m/s). Para obtener los parámetros, desde el punto de ensayo (pozo), se da apertura de la válvula y se extrae el agua hasta provocar un abatimiento del nivel piezométrico del punto de observación (piezómetro). Como estos ensayos emplean bastante tiempo, suelen realizarse con escalones de caudal, pero depende de los parámetros hidr áulicos de la formación y que tan cerca se encuentre el pozo del punto de observación.

Figura 99. Ensayos de interferencia

4. CONCLUSIONES La importancia de la instrumentación y la monitorización consiste en que nos proporcionan un conglomerado de poderosa información, lo que otorga un gran poder sobre el control de las obras subterráneas como las minas. Para ello, se ha de elegir el plan de monitorización de manera adecuada, de forma que abarque el mayor campo de conocimiento posibl e acerca de los trabajos a realizar y realizados. Toda esta información obtenida a partir de los instrumentos de monitorización sirve como respaldo para el ingeniero a cargo de la mina, puesto que se demuestra un estricto control y cuidado en el desarrollo, la construcción y la operación del proyecto en cuestión. La instrumentación y monitorización de las labores mineras subterráneas representa una parte indispensable en el desarrollo de la ingeniería de minas. Ésta ha sido incorporada de manera gradual en este sector, y desde las últimas décadas hasta ahora, está tomando aún mayor relevancia gracias al avance de la tecnología que se ha ido desarrollando. Por esto, con lo presentando en el presente trabajo, se demuestra ampliamente los muchos métodos de monitorización que puede tener una excavación subterránea, así como la inmensa cantidad de equipos y tecnologías que pueden ser aplicables. A pesar de que la actualidad de nuestro país y aun mas de nuestro departamento en cuanto a materia de innovación y mecanización dentro de las minas no permite acceder a sistemas de monitorización complejos y sofisticados como los Escáner láser o la fotogrametría, si se puede tener control con los métodos de auscultación topográfica y geotécnicas, que son fáciles de implementar y ayudan a mantener controlado la estabilidad presente en una mina. El ingeniero de minas debe ser un profesional íntegro capaz de poder implementar todos métodos, ya que sus conocimientos y perfiles teóricos-prácticos los hacen los profesionales idóneos para la aplicación de estas metodologías; a su vez que puede él mismo implementar nuevos métodos, ya que las ciencias mineras tienen mucho de práctica y empirismo, y una buena conjugación entre la teoría y la experiencia, puede proporcionar una nueva metodología de diseño, que los ingenieros de minas están en toda la competencia de desarrollar. La instrumentación también es de vital importancia por la protección que proporciona al medio vecino. Aunque toda obra de ingeniería, por su naturaleza de transformar el entorno a favor del provecho y beneficio de la sociedad, produce una alteración en él, mediante la monitorización se trata de que ésta sea mínima y poco perceptible para las personas, animales, y medio ambiente en general, que forman parte de dicho medio vecino. De cara al futuro, la evolución de la tecnología tiende a enfocarse a la automatización de medidas mediante sistemas de telecomunicación, así como a la mejora de la fiabilidad y durabilidad de los sensores, permitiendo que se convierta en una herramienta de gran utilidad en la fase de manteniendo a largo plazo, más allá de la fase de construcción.

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MÉTODOS DE MONITOREO ESTABILIDAD LABORES MINERAS

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