DISEÑO, ANÁLISIS GEOMÉTRICO Y CONTROL CONSTRUCTIVO DE TÚNELES FERROVIARIOS

RESUMEN

En la construcción de túneles y en particular los proyectados para ferrocarril y metro es necesario comprobar las desviaciones entre el túnel diseñado y el realmente construido, deben ser detectadas para ser tenidas en cuenta en el proceso de ajuste definitivo del proyecto.

La singularidad de los datos obliga a realizar numerosos tipos de análisis y a utilizar datos obtenidos con equipos de medición láser. El ingeniero necesita evaluar en tiempo real la validez de la geometría del trazado y comprobar que se cumplen las especificaciones. Nuestra aplicación es la única herramienta del mercado que permite realizar todas estas tareas sin necesidad de cambiar de entorno de trabajo.

1. FASE DE DISEÑO DEL PROYECTO

La aplicación correcta de los radios, clotoides y sus correspondientes peraltes en los proyectos ferroviarios, se rige teniendo en cuenta factores dinámicos generados en función del tráfico para el que va a ser diseñado, aunque al final prima la comodidad del viajero.

El ingeniero proyectista debe de contar con tablas de diseño que puedan ser cargadas por el software de trazado, automatizando los cálculos y ofreciendo un tiempo extra que puede ser dedicado a otros apartados del proyecto.

ISTRAM ISPOL permite la completa definición del proyecto ferroviario mas complicado que se pueda imaginar. Actualmente, muchos proyectos ferroviarios y de transporte metropolitano emblemáticos están siendo diseñados con nuestra aplicación .

1.1. EL TÚNEL, FACTORES DE DISEÑO


Es normal que las dimensiones de un túnel dependan directamente de las características del tráfico que va a soportar y del tipo de transporte que va a circular por su interior.

El número de elementos que van a determinar las dimensiones de la sección del túnel tiene que ser definido con facilidad y rapidez, ofreciendo ISTRAM ISPOL un flujo de trabajo dinámico para que el usuario proporcione las geometrías con todo lujo de detalles.

1.2. CONTROL DE GÁLIBOS Y GEOMETRÍAS

En una segunda aproximación, y partiendo de la geometría inicial se analizan los siguientes elementos:

     • Gálibos dinámicos y de implantación

     • Areas libres dentro del túnel, pasillos

     • Señalización y equipamiento viario



Figura1.

Al finalizar esta etapa de trabajo, se utilizan herramientas que permitan tener la certeza de que se cumplen las especificaciones constructivas y los gálibos de circulación, calculándose éstos con sencillas herramientas de análisis interactivo.

1.3. PRESUPUESTOS, PLANOS E INFORMES

ISTRAM ISPOL contempla la medición de áreas, volúmenes y elementos lineales como un elemento básico del proyecto, evitando al proyectista la necesidad de exportar datos a hojas de cálculo y obtener allí las mediciones asociadas al túnel.

Los datos, al estar en formato ascii, pueden ser utilizados inmediatamente por otros programas, al contrario de otras aplicaciones que usan un modelo de trabajo cerrado.

Los planos e informes preparados son incluidos inmediatamente en los anejos correspondientes, proporcionando al ingeniero un tiempo extra muy valioso que puede ser aplicado a otras tareas de mayor valor añadido.

2. EXCAVACION DEL TUNEL

2.1. REPLANTEO Y CONTROL

El control de los equipos de perforación sigue un riguroso protocolo para garantizar que las bases topográficas utilizadas y que los prismas y estaciones colocadas en el túnel sean correctas.

Figura 2: Establecimiento del sistema de bases de replanteo para un túnel.

Los equipos modernos de perforación utilizan los datos geométricos que definen el eje del túnel en cada punto especificado, apoyándose en modernos sistemas de guiado que dependen en todo caso de la información de partida.

Los listados de geometrías y replanteo emitidos por ISTRAM ISPOL tienen un formato ascii puro, de manera que rápidamente pueden ser fácilmente transformados y cargados por los equipos de control de los topos o tuneladoras.

2.2. DETECTAR LOS CAMBIOS EN EL TÚNEL


Dependiendo de la formación geológica atravesada, o de la propia singularidad del método de excavación, es normal que el túnel construido sufra pequeñas desviaciones que es necesario detectar.

Es habitual que cada cierto tiempo se realicen labores de mantenimiento y revisión de la información topográfica, sobre todo de las estaciones de apoyo cercanas a los equipos de perforación, esto significa que el topógrafo necesita una herramienta que le permita transmitir a los ficheros de datos ya tomados los cambios sufridos por las coordenadas de las bases de replanteo.

Estas labores de control pueden ser gestionadas usando las utilidades de seguimiento y análisis que ISTRAM ISPOL ofrece a tal efecto, permitiendo al ingeniero proyectista y al topógrafo el correcto tratamiento de la información de campo.

Figura 3: Análisis de superficie excavada fuera de tolerancia.

Los datos a procesar pueden ser obtenidos usando perfilómetros y laser scann, aplicándose esta técnica desde hace relativamente poco tiempo. Para cualquiera de los dos sistemas, es necesario realizar unos procesos de lectura y proyección, para convertir los puntos 3D en sus equivalentes de perfil transversal y longitudinal.

Independientemente del origen de los datos, se hace necesario disponer de una herramienta que permita ‘ver’ los datos, que en el fondo no dejan de ser un taquimétrico, permitiendo así que se puedan dar validez a los datos por que el usuario los ha podido revisar visualmente.

2.3. PERFILOMETROS

La toma de datos mediante perfilómetro permite obtener perfiles del interior del túnel, siendo necesario procesar los datos para ubicarlos en una posición conocida en pk e interpretar la superficie media mas aproximada posible.

Es habitual encontrar huecos de datos debido a la existencia de obstáculos dentro del túnel, tal y como sucede con los conductos de ventilación, cables, pasarelas, etc. En este aspecto ISTRAM ISPOL ofrece la posibilidad de crear la superficie teórica circular más aproximada y el centro de la misma, datos que posteriormente son usados para realizar los estudios de desviaciones.

2.4. LASER SCANN

Estos equipos son utilizados en la actualidad gracias a su rapidez y calidad, substituyendo progresivamente a los perfilómetros manuales. Prácticamente permiten obtener una representación 3D perfecta del estado de un túnel, basada en una nube de puntos x,y,z que es necesario estudiar y analizar.

Figura 4: Equipo de técnicos preparando la toma de datos con laser scann.

La precisión es configurable, pudiéndose obtener superficies de precisión subcentimétrica, en las que llega a observarse hasta el último detalle.

Para hacernos una idea del volumen de información podemos indicar que para medir 15 metros lineales de un túnel de 6 metros de radio se necesitan más de 200.000 puntos, es lógico pensar que el tratamiento de la información no puede ser efectuado con cualquier programa.

2.5. MANIPULAR Y ANALIZAR DATOS LÁSER

El volumen y significado de los datos tomados obliga a aplicar algoritmos desarrollados específicamente para procesar correctamente la información. En pruebas reales ISTRAM ISPOL ha procesado más de 30 millones de puntos y generado perfiles transversales en un tiempo realmente corto ( inferior a la hora ) .

Está claro que esta información debe de ser convenientemente transformada para que sea de utilidad, preparándose ficheros más ligeros y con mayor velocidad de acceso computacional.

Figura 5: Representación 3D de la nube de puntos.

Los datos de la nube de puntos deben de poder ser representados según la típica vista de perfil transversal por lo que es necesario proyectar cada punto sobre el eje a analizar y obtener la superficie equivalente. Sin embargo, la información 3D aporta al usuario una visión más natural y le permite detectar rápidamente los posibles fallos y/o la conveniencia de aplicar uno u otro tipo de filtro.

2.6. DEFINIR LA PRECISION ESPACIAL

Tras haber examinado y analizado varios trabajos, hemos llegado a la conclusión de que la resolución o distancia entre puntos tomada por el láser debe de rondar los 5 centímetros, esta información debe de ser consensuada entre el equipo de medición y el ingeniero proyectista.

Resoluciones menores impedirían generar perfiles de trabajo precisos, en tanto que resoluciones mayores, además de no poder ser tratadas con los equipos habituales en un tiempo razonable, no aportarían mayor calidad de datos.

Es posible, sin embargo, que muy pronto se pueda trabajar con precisiones milimétricas si se considera necesario. Este tipo de resolución permitiría incluso visualizar los encajes de las dovelas y detectar fallos estructurales.

Una vez determinada la resolución espacial debemos definir la forma en que van a ser obtenidos los perfiles transversales , la franja de datos a estudiar para generar un perfil válido debe de estar comprendida entre 2 y 3 veces la precisión media de los datos, de esta manera nos aseguramos de que disponemos de suficiente información a derecha e izquierda de cada perfil.

2.7. DESCRIPCION DEL MODELO DE TRABAJO

ISTRAM ISPOL ofrece los medios necesarios para crear un flujo de trabajo que permita al usuario aplicar diferentes tipos de procesado de datos y generación de perfiles transversales, con los que en definitiva está acostumbrado a trabajar.

El sistema de trabajo permite además optimizar los recursos y permite aplicar diferentes escenarios de trabajo sin necesidad de reiniciar los procesos, siendo esta función muy útil, ya que ofrece al usuario la posibilidad de realizar rápidos tanteos antes de decidir los parámetros que finalmente va a aplicar.

Figura 6.

Uno de los elementos más importantes del proceso es el punto en el que se determina el círculo (túneles perforados con TBM) que más se aproxima a la superficie tomada. Análogamente se determina el centro de esa superficie y se generan las polilíneas que posteriormente permitirán redefinir el trazado del túnel.

Figura 7: Visualización de puntos aceptados y rechazados y círculo generado.

Es necesario discriminar que puntos definen el revestimiento y que puntos representan entidades que no deben ser tenidas en cuenta, como los conductos de ventilación, tratando de obtener el centro del túnel y la superficie teórica real que mejor lo represente.

3. AJUSTE Y CONTROL DEL PROYECTO

El trazado definitivo y la ubicación final de los elementos del túnel se mecanizan después de haber realizado diferentes análisis, con la intención de encontrar la geometría óptima de las vías y el equipamiento.

Los elementos condicionantes se derivan por un lado del propio proceso constructivo (colocación de estructura interior ) y posteriormente de la dinámica de circulación de los vehículos (control de gálibos). En este sentido, las respuestas devueltas por los programas de cálculo de obra lineal no son suficientes, siendo necesario complementarlo con herramientas de análisis puro y específico.

3.1. TUNEL PROYECTADO vs. CONSTRUIDO

Al comparar las polilíneas 3D del eje construido y el proyectado se obtienen relaciones espaciales que informan de la dirección y cuantía de las diferencias geométricas del trazado.

Esta información, permite a la dirección de obra detectar anomalías en el proceso constructivo e incluso proporciona información que permite suponer como pueden comportarse los equipos de perforación en situaciones similares.

ISTRAM ISPOL proporciona un interface en el que se informa al usuario de la situación mediante códigos, acotaciones y una leyenda cromatográfica muy útil, permitiendo que de un simple vistazo se detecten las zonas donde debemos observar lo que está sucediendo y redefinir la geometría si es necesario.

3.2. CONTROL DE SUPERFICIES

Las tolerancias definidas para cada capa constructiva tienen que ser medidas y controladas, para proceder a la aplicación de las medidas correctoras necesarias.

Figura 8: Elementos constructivos de un túnel.

Los datos ofrecidos también pueden ser utilizados por el director de producción con el objetivo de dimensionar correctamente los pedidos y acopios de materiales, esta funcionalidad es muy apreciada por nuestros usuarios y permite ajustar los programas de trabajo y localizar las acciones espacialmente en el túnel , con lo que pueden ser planificadas perfectamente.

Un ejemplo muy habitual de esta funcionalidad es la determinación correcta del volumen que realmente hay que gunitar o la ubicación exacta de los lugares donde habrá que realizar un picado localizado.

3.3. INTEGRAR LOS DATOS DE SEGUIMIENTO

Los datos obtenidos por sistemas de medición no pueden existir sin completarse de alguna manera con las notas, observaciones u otro tipo de ensayos realizados en el túnel.

Es habitual que se tomen datos sobre las formaciones geológicas atravesadas, el número de anillo construido y la disposición de cada una de las dovelas, y que además pueda ser introducida , asociada al proyecto y conectada con todas las aplicaciones.

Figura 9: Plano con datos tomados en el interior del túnel.

Toda esta información debe de estar disponible para que pueda ser analizada por el propio programa, exportada a bases de datos u hojas de cálculo o simplemente poder ser representada en los planos de control.

3.4. ANALIZAR LOS GÁLIBOS REALES

Dependiendo de la cantidad de desviación producida, puede ser necesario modificar la planta y/o rasante, o cambiar alguno de los componentes de la sección.

En este punto el usuario demanda información analítica, ya que quiere en definitiva ajustar el trazado al espacio disponible. En este aspecto, ISTRAM ISPOL se destaca como la única aplicación que ofrece una metodología sencilla y potente que permita averiguar que cambios hay que aplicar, justo al contrario de la metodología habitual que se basa en ‘rediseñar-probar’.

Figura 10: Controles dinámicos de gábilo generados por ISTRAM ISPOL.

Cuando estos cambios han sido mecanizados, es necesario realizar una comprobación final que permita obtener la certeza de que los gálibos se mantienen dentro de las tolerancias permitidas, ofreciendo los medios gráficos para demostrarlo ante la dirección de obra.

La información analizada debe de ser representada usando sistemas gráficos y alfanuméricos, permitiendo al ingeniero proyectista obtener una visión general de la situación en el primer caso y un informe detallado en cada pk y punto característico para el segundo.

3.5. TRANSMISION RAPIDA DE LOS CAMBIOS

Una vez resideñado el trazado del túnel, el ingeniero proyectista debe poder transmitir las relaciones geométricas existentes en el proyecto inicial, esta tarea que es imposible con la mayoría de los programas del mercado es resuelta con sencillez por ISTRAM ISPOL.

Realmente la ingenieria de diseño de un túnel ferroviario, y en concreto los de metro, incluye una gran cantidad de elementos que son dependientes de dos únicos elementos: el túnel y los vehículos que circulan por el.. Todos las demás geometrías se derivan de la definición de ambos, así que la pregunta es: ¿porqué no diseñamos los elementos para que estén vinculados entre si? De esta manera, los cambios son actualizados inmediatamente.

Figura 11: Automatización del diseño y control sobre herencias geométricas.

INTEGRACION DEL SOFTWARE

Dentro de la filosofía de desarrollo que intenta ofrecer una herramienta completa y multidisciplinar, en el futuro prevemos que las herramientas de diseño de proyectos de obra civil contarán con muchos más módulos o extensiones, siempre integrados en un único entorno.

Otros elementos de proyecto no contemplados hoy en día como puedan ser la electrificación, los sistemas de seguridad o la ventilación del túnel estarán integrados en la misma aplicación, beneficiándose todos los integrantes del equipo de ingenieria, ya que se aprovechan al máximo los recursos.

GESTION DEL CONTROL DE CALIDAD

La necesidad de controlar todos los ensayos e inspecciones está contemplada en todo proyecto de obra civil, y de manera especial, dada la singularidad constructiva, en la construcción de túneles donde se realizan controles específicos.

Figura 12.

ISTRAM ISCEO es nuestra respuesta a las necesidades en material de control de calidad planteadas en el mundo de la ingenieria civil.

CONCLUSIONES

A la vista del proceso descrito, es patente que se necesita una aplicación que permita gestionar, procesar y analizar adecuadamente toda la información asociada a un proyecto de ingeniería civil, particularizado en uno muy complicado y específico: ferroviario, con túnel incluido y toma de datos laser scann.

Es necesario evitar programas intermedios y procesos de aproximación sucesiva que en definitiva no son rentables para los equipos de trabajo y que acaban por generar errores. Es habitual que la dinámica normal de trabajo pase por tener varios programas: algunos específicos, otros de tipo CAD generalista y alguna que otra hoja de cálculo de ayuda.

En ese entorno de trabajo es prácticamente imposible tener garantías de éxito y conseguir ejecutar el proyecto en los plazos previstos, con el equipo humano óptimo y libre de errores.

ISTRAM ISPOL ha desarrollado, en colaboración con sus clientes, un completo sistema con el que es posible cumplir con los requerimientos técnicos de proyectos tan emblemáticos y complejos .

La ilustración adjunta representa un proyecto actual al que estamos prestando un especial apoyo, conscientes de la certeza de que no existe ninguna herramienta en el mercado que permita encajar hasta 3 y 4 trenes dentro del mismo túnel, gracias al potente sistema de control de gálibos que hemos desarrollado.

Figura 13.

Nuestra aplicación siempre ha tenido en cuenta la necesidad última del ingeniero proyectista de realizar cambios con rapidez y de poder calcular y representar cualquier entidad geométrica.

En el caso de los proyectos ferroviarios en túnel se está haciendo un esfuerzo especial para ofrecer herramientas cada vez más potentes, versátiles y funcionales, a la par que preparamos abundante documentación para que nuestros usuarios puedan utilizar el programa apoyándose en los resultados de nuestros estudios y análisis.