Presentado en el V Seminario Peruano de Geoingeniería.

Por: N. Vlachopoulos, Royal Military College of Canada.

Resumen

En el diseño y construcción de túneles se suele aplicar un enfoque de observación para evaluar los desplazamientos que se producen como resultado del proceso de excavación. Las decisiones de diseño del sostenimiento temporal del túnel se basan en dichos datos de desplazamiento. En condiciones de suelo débil, una evaluación correcta y precisa de estas mediciones, es fundamental para la seguridad, la sostenibilidad, la optimización y la economía del proceso de construcción. 

En este contexto, se presenta el desarrollo y la aplicación de sostenimientos de suelo (es decir, postes de avance, pilotes, pernos de anclaje, etc.) con tecnología de fibra óptica. Esta técnica de vanguardia monitorea la deformación con una resolución espacial de 0.65 mm, lo que permite determinar un perfil de deformación continuo a lo largo de la longitud de la muestra de sostenimiento del suelo. 

Esta novedosa tecnología también posibilita al ingeniero de diseño responder y realizar los ajustes pertinentes al sistema de sostenimiento y al proceso de excavación en respuesta a las condiciones actuales y potencialmente futuras del terreno.

Introducción

Uso del monitoreo de deformaciones mediante fibra óptica

La creciente demanda de transporte subterráneo y de gestión de recursos ha dado lugar al desarrollo de muchos más proyectos subterráneos (cimentaciones profundas, túneles, corredores de servicios, etc.) que se construyen a mayores escalas, distancias, profundidades y cerca de entornos urbanos sensibles (es decir, donde hay poca tolerancia con respecto a la infraestructura adyacente). 

En este tipo de proyectos, el diseño de ingeniería del sostenimiento se basa principalmente en el esfuerzo y la deformación que surgen dentro de las estructuras de sostenimiento como resultado de las condiciones del terreno circundante. Estas cargas del suelo se distribuyen de forma continua y espacial, por lo que una mayor comprensión del perfil de deformación continua permitiría conocer mejor el verdadero comportamiento de estos elementos de sostenimiento. 

La investigación que se está llevando a cabo en el Royal Military College de Canadá y en la Queen's University se centra en estos mecanismos e interacciones geomecánicas a microescala con el fin de determinar las implicaciones generales del diseño para el desarrollo del sostenimientos a escala real de los túneles. 

Es importante señalar que no todas las tecnologías de fibra óptica son similares, ya que cada tipo tiene sus puntos fuertes y sus limitaciones. Hasta ahora, el monitoreo de estos elementos de sostenimiento se ha limitado a las técnicas eléctricas y mecánicas (por ejemplo, medidores de tensión de lámina resistiva, inclinómetros, transductores de desplazamiento variable lineal).

Estas técnicas proporcionan puntos de medición discretos, lo que implica que se necesitan muchos sensores para obtener un perfil de deformación completo a lo largo del elemento de sostenimiento (Vlachopoulos y Forbes, 2018).

Estas técnicas proporcionan una resolución espacial limitada a lo largo del elemento, lo que hace que dichos métodos sean propensos a la interpretación errónea, la subestimación y posiblemente la omisión de la respuesta del sostenimiento. Por ejemplo, no es infrecuente observar un perno de anclaje "fallido" que ha sido sometido tanto a cargas axiales como a flexión (es decir, cargas transversales) (Figura 1, arriba). Como se muestra en la Figura 1 (abajo), un sistema de monitoreo general podría pasar por alto estos mecanismos locales por completo.

La aplicación del monitoreo continuo de la deformación para el sostenimiento de túneles

En el contexto de la construcción de túneles y de la interacción entre el suelo y el sostenimiento, se han llevado a cabo numerosas investigaciones sobre los elementos de seguridad que constituyen el sistema general de sostenimiento de un túnel (Figura 2) por separado, de manera aislada; sin embargo, no se ha investigado a fondo el efecto combinado de estas distribuciones. Además, cuando los elementos de sostenimiento se han abordado de forma individual en el pasado, la resolución espacial del monitoreo ha sido bastante general, lo que ha limitado la comprensión de mecanismos relacionados. Por lo tanto, hay una oportunidad de optimizar el comportamiento de los túneles y el diseño de los sostenimientos mediante un enfoque de observación de vanguardia (es decir, bien instrumentado) que permita determinar de manera explícita el comportamiento del suelo, de los elementos de sostenimiento y de las interacciones entre el material geológico y el sostenimiento. Mediante cálculos retrospectivos a partir de mediciones de laboratorio e in situ, se pueden obtener los comportamientos fundamentales y las propiedades de los materiales para introducirlos en simulaciones empíricas y numéricas (Forbes et al., 2015). 

Técnica de monitoreo óptico

El punto central de esta investigación ha sido una reflectometría óptica en el dominio de la frecuencia (OFDR) capaz de monitorear la deformación con una resolución espacial de 0.65 mm a lo largo de la longitud de una fibra óptica estándar de bajo costo. La precisión operativa de la técnica de monitoreo de deformaciones (utilizando un analizador Luna) que ha sido desarrollado es bastante aceptable (mejor que una microdeformación de +/- 10). La tecnología óptica monitorea los cambios espectrales en la retrodispersión local de Rayleigh que surgen de las alteraciones en el índice de refracción de la fibra óptica, que es inherentemente sensible a la deformación. De este modo, se puede registrar una medición inicial para referenciar todas las sucesivas y, por tanto, determinar los cambios en la deformación (Duncan, R.G. et al., 2007). En esencia, miles de transductores individuales y discretos pueden ser sustituidos por una sola fibra óptica (125µm de diámetro), que actúa como transductor y conductor. Además, la fibra óptica no se degrada (es decir, en gran medida) ni requiere recalibración con el paso del tiempo, como ocurre con su homóloga eléctrica. Estas cualidades hacen que la técnica óptica sea ideal para monitorear los elementos de sostenimiento longitudinales, lo que no solo captaría el comportamiento de los elementos de sostenimiento individuales, sino que también proporcionaría una visión sin precedentes del comportamiento del suelo y de la interacción sostenimiento-suelo por delante del frente de excavación. De este modo, la técnica óptica puede utilizarse como una herramienta complementaria a las actuales técnicas de observación, que se limitan principalmente a las mediciones dentro de la excavación (y al monitoreo en superficie). Por lo tanto, los resultados de los ensayos de laboratorio seleccionados utilizando la instrumentación OFDR se destacan en las siguientes secciones de este documento (Forbes et al., 2015a).

Ensayos de laboratorio con la técnica de monitoreo de deformaciones mediante fibra óptica

A la fecha, se han realizado muchas configuraciones de pruebas que incluyen ensayos axiales, de flexión y de cizallamiento utilizando múltiples elementos de sostenimiento. Estos se probaron como muestras únicas, así como inyectados dentro de muestras de hormigón (roca). Los sostenimientos ensayados en el laboratorio hasta la fecha incluyen: Barras de refuerzo (pernos de anclaje), D-bolts, pernos de cable, pilotes y postes de avance. La preparación de cada muestra tiene sus propios desafíos en términos de ajuste de la fibra óptica en conjunto con un elemento de sostenimiento particular.

Ensayos de carga de postes axiales y pruebas de cizallamiento bidireccional con barras de refuerzo 

En el marco de las pruebas seleccionadas, se prepararon barras de refuerzo de grado 60 Nº 6, instrumentándolas con una fibra óptica. Las barras de acero se modificaron con ranuras diametralmente opuestas de 2.5 mm por 2.5 mm como se muestra en la Figura 3 (Vlachopoulos y Forbes, 2018).

La mayoría de los ensayos de laboratorio que se realizaron como parte de esta investigación se llevaron a cabo dentro del laboratorio de Ingeniería Civil del Royal Military College de Canadá.

 Ensayo de flexión de los postes de avance

Los elementos de sostenimiento del poste de avance (ver Figura 2) actúan de forma bidireccional tanto en la dirección radial como en la longitudinal. El componente de sostenimiento radial se iniciará en respuesta al estado de la secuencia de excavación, que pasará de una reacción en voladizo a una reacción fija de sostenimiento simple. En este último caso, la carga radial se transferirá al suelo por delante del frente de excavación y al soporte del revestimiento/marco de acero dentro de la región excavada. Por lo tanto, las propiedades del suelo y la resistencia y rigidez del revestimiento/marco de acero desempeñarán un papel importante en la contribución de sostenimiento de los elementos del poste de avance (Volkmann, G., & Schubert, W., 2007). Esta contribución al sostenimiento radial se simplificó en un dispositivo de flexión simétrica de tres puntos para evaluar los beneficios de la técnica OFDR. En la Figura 6, se ensayaron dos tamaños de tubo de acero como poste de avance:

a). 114 mm de diámetro exterior (DE) con 6 mm de espesor de pared y b). 21.3 mm de DE con 2.8 mm de espesor de pared. El primero es un tamaño de poste de avance comúnmente utilizado in situ. El segundo se eligió porque tiene un área de segundo momento similar a la de las barras de refuerzo que se ensayaron bajo flexión en tres puntos con la técnica óptica por (Hyett, A.J. et al., 2013).

La fibra óptica se montó en los elementos de acero utilizando un adhesivo de unión metálica en tres métodos distintos: a) montaje en superficie, b) hospedado y encapsulado en una ranura mecanizada de 4 mm de ancho por 2 mm de grosor, y c) montaje en el perfil interior de la tubería (solo aplicable a 114 mm de diámetro exterior). Se pueden encontrar más detalles en Forbes et al., 2015b. Se aplicó una carga incremental a los elementos de acero utilizando una pieza de platina para garantizar que la carga no se transfiriera directamente a la fibra óptica, que se alineó a lo largo del perfil superior (es decir, de compresión) de las muestras. En la Figura 6, se presentan los resultados del perfil de deformación a lo largo de la longitud sostenida. La técnica óptica fue capaz de capturar con precisión y de forma repetida la deformación a varios niveles de carga aplicada.

Pruebas de campo

Generalidades - Prueba de concepto en el campo

Como ocurre con cualquier tecnología de esta naturaleza, es alentador obtener excelentes resultados en el entorno controlado del laboratorio. La cuestión que se plantea ahora es cómo puede emplearse esta tecnología en las adversas condiciones asociadas al campo, limitando al mismo tiempo su impacto en las operaciones. Hasta la fecha, se han llevado a cabo con éxito múltiples experimentos de campo en tres lugares distintos del mundo.

El autor y su grupo de investigación también están en contacto con otras partes interesadas a nivel mundial que han mostrado interés en emplear dicha técnica en sus operaciones (Vlachopoulos y Forbes, 2018). A continuación (Figura 7) se muestran fotos representativas de la instalación in situ de la tecnología de fibra óptica dentro de elementos de sostenimiento que fueron diseñados por el autor y su equipo de investigación.

Los datos acumulados en el campo hasta la fecha son de gran calidad, sin embargo, en el momento de la publicación no se había autorizado la difusión de dichos resultados. No obstante, es muy alentador que la tecnología desarrollada y probada en RMC funcione como se esperaba en las austeras condiciones del campo, sin ninguna interrupción real de las operaciones de excavación de túneles o mineras. También hay que tener en cuenta que hay que determinar una solución de instrumentación de fibra óptica única para cada tipo de elemento de sostenimiento; se trata de una tarea difícil debido a los requisitos y procedimientos de instalación únicos asociados a cada tipo de sostenimiento y lugar. Hasta la fecha, esta tecnología se ha empleado en cuatro sitios en todo el mundo.

Estudio de caso 

Instalación de pilotes de fibra óptica como parte del tránsito ferroviario ligero (LRT) de Edmonton (Forbes et al., 2018).

Generalidades

En 2009, la ciudad de Edmonton (Alberta, Canadá) acordó el desarrollo de una red de LRT a largo plazo de seis líneas: incluida la Valley Line de 13.1 kilómetros. A cargo de TransEd Partners, el proyecto de construcción de la fase 1 del LRT de la Valley Line se extiende desde el centro de Edmonton. Con un costo aproximado de 1,800 millones de dólares canadienses, el sistema LRT de piso bajo incluye: 11 paradas, 1 estación de tránsito, 1 instalación de operaciones y mantenimiento, 1 intercambio con el sistema de LRT de piso alto existente en Edmonton (intercambio Churchill) y 1 puente que cruza el río Saskatchewan del Norte (Puente Tawatinâ) (TransED LRT, 2017).

Se han clasificado varias categorías de sostenimiento temporal a lo largo de la excavación del túnel gemelo. Dentro de la zona de interés de este proyecto de monitoreo, las medidas de sostenimiento del suelo consisten en: una capa de hormigón proyectado para sellado, una capa de hormigón proyectado reforzado con fibras de acero (SFRS), pilotes autoperforantes e inyectables de seis metros de longitud y vigas de celosía con tiras de continuidad reforzadas en la línea de arranque. También se emplean medidas adicionales de sostenimiento en el frente y de monitoreo/drenaje (por ejemplo, pernos en el frente reforzados con fibra de vidrio), según sea necesario.

Pilotes instrumentados con fibra óptica

Los pilotes empleados en el LRT de Valley Line consisten en una barra de acero hueca con un diámetro exterior de 29.5 milímetros y un diámetro interior de 15 milímetros. El diámetro externo del pilote se adapta muy bien a las ranuras mecanizadas en sentido longitudinal y a las ranuras de bucle; sin embargo, la transferencia de esta tecnología de detección de fibra óptica a los pilotes resultó ser una tarea complicada debido al procedimiento de instalación de los pilotes. Cada elemento de seis metros de largo está formado por dos segmentos de pilote de tres metros, que se unen con un acoplador de acero solo después de que el primer segmento (es decir, el más profundo dentro de la perforación) haya sido perforado en el suelo. Por consiguiente, la posición centrada del conector LC en la cabeza del elemento de sostenimiento, que se utiliza para fijar el sensor (es decir, para conectarlo al sensor de fibra óptica), lo hace susceptible de sufrir daños y de quedar bloqueado por el agua o la lechada durante la instalación. Se decidió mantener la posición centrada del conector LC, pero crear orificios para el agua y la lechada (Figura 8). Para ello, fue necesario modificar el conector de instalación estándar para permitir que el agua y la lechada evadan el conector LC. Se optó por esta técnica de instalación y lechada en lugar de la alternativa de insertar el pilote dentro de un pozo preperforado y de inyectar el pilote utilizando un tubo de lechada, ya que esto podría afectar al comportamiento mecánico del pilote, además de alterar el procedimiento de instalación utilizado en el proyecto. Además, debido a la incertidumbre de que el sensor óptico sobreviviera al procedimiento de autoperforación, se decidió instrumentar únicamente el segmento de tres metros más cercano a la excavación.

Instalación y monitoreo

Se instrumentaron ocho pilotes como parte del proyecto de monitoreo en el túnel del LRT de Valley Line. Los ocho pilotes se instalaron en el túnel en dirección sur y se espaciaron de forma relativamente uniforme entre 14 y 25 metros desde la boca norte. Los pilotes instrumentados se instalaron con el patrón normal de sostenimiento y se situaron cerca de la posición central de la corona.

La unidad de interrogación de sensores seleccionada, utilizada para tomar medidas de deformación de los sensores de fibra óptica durante el proyecto de monitoreo, estaba limitada a un sensor. En consecuencia, fue necesario conectar manualmente la unidad de detección a los cables de fibra óptica que se habían tendido a lo largo de la periferia de la excavación hasta el nivel del banco. Las mediciones se realizaron a diario, como mínimo, en los pilotes instrumentados durante un periodo de aproximadamente 1.5 meses y un avance de 36 metros del túnel. Las mediciones se realizaron a menudo de forma sincronizada con las rondas de prospección tras el avance inicial o del banco.

Mediciones de la deformación de los pilotes

En la Figura 9, se presentan las distribuciones de la deformación medidas en algunos pilotes. La distribución de deformación del sensor de pilotes se comporta de la manera esperada para un elemento de arco, donde se observa que el pilote actúa de manera similar a una viga de varios tramos (John y Mattle, 2002). En el gráfico de distribución de la deformación lateral, durante los tres primeros avances de la excavación, la longitud del pilote sometida a la deformación inducida por el momento de flexión aumenta casi por igual con los avances de 1 metro de longitud del túnel.

Conclusiones

1. La técnica de detección de deformación óptica distribuida ha demostrado ser una herramienta novedosa de monitoreo y geotecnia para capturar el comportamiento de los elementos de sostenimiento del suelo utilizados en proyectos subterráneos. 

2. La sensible resolución espacial permite medir un perfil de deformación continuo, superando las limitaciones de las técnicas convencionales de medición discreta de deformaciones. 

3. Los resultados de la utilización de esta instrumentación con elementos de sostenimiento del suelo en el laboratorio y en el campo, en relación con los proyectos de construcción de túneles, han proporcionado confianza para utilizar y mejorar dicha técnica en el campo. 

4. Otras investigaciones además de las citadas aquí (Vlachopoulos et al. 2020a y Vlachopoulos et al. 2020b), también han demostrado el potencial de esta tecnología para su uso por parte de profesionales. Como solución de monitoreo, DOS proporciona información sin precedentes sobre el comportamiento y la interacción entre el suelo y los elementos de sostenimiento que pueden ser analizados a posteriori para los métodos de modelos numéricos predictivos y, en última instancia, apoyar la optimización del diseño.

Agradecimientos

El autor desea agradecer el apoyo de los siguientes patrocinadores industriales y gubernamentales: Consejo de Investigación en Ciencias Naturales e Ingeniería de Canadá (NSERC), Departamento de Defensa Nacional de Canadá, MITACS, Yield Point Inc. y el Equipo Verde del Royal Military College (RMC). Asimismo, agradecemos enormemente las contribuciones reales de los estudiantes de posgrado actuales y pasados, en particular del Sr. Bradley Forbes.

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