El documento describe los diferentes instrumentos y métodos utilizados para el monitoreo geotécnico y control de deformaciones durante la construcción de túneles. Estos incluyen sistemas de medición óptica tridimensional, extensómetros, inclinómetros, celdas de presión, strain meters y piezómetros para medir deformaciones, presiones y niveles de agua subterránea. El monitoreo permite verificar el comportamiento del terreno, la estabilidad de estructuras cercanas y calibrar modelos de interacción suelo-estructura.
2. Control de deformaciones-Monitoreo Geotécnico
Alexis Chamorro Ruiz
Ingeniero Civil en Obras Civiles
Las Camelias Oriente 1020 Ciudad de Los Valles
Pudahuel – Santiago de Chile
Tel.: 02-6014029 / 09-2317158
3. Control de deformaciones-Monitoreo Geotécnico
1
Introducción
os más recientes planes de desarrollo de la red del Metro de Santiago han contemplado diversas prolongaciones y nuevos
proyectos en los cuales se ha considerado la construcción de cavidades subterráneas mediante el método NATM, que si
bien permite importantes ahorros en las estructuras de soporte de los túneles al “hacer trabajar al suelo”, requiere como
condición necesaria un monitoreo masivo y ojalá en tiempo real del comportamiento del terreno durante dichas
excavaciones para que puedan ser conocidas por los constructores y los proyectistas. En este contexto, Cade-Idepe ha participado
directamente y en conjunto con Geodata Austria y Geodata Italia en estas labores logrando a la fecha un nivel de especialización y
conocimiento tal de los trabajos asociados lo que la sitúa, en nuestro país, como pioneros en este campo.
Porqué realizar Monitoreo
Durante la construcción, el monitoreo se constituirá en una fuente de información y de datos que posibilitará efectuar verificaciones de
las hipótesis de partida y del diseño de las estructuras subterráneas, tal como éstas fueran proyectadas en gabinete. Adicionalmente,
los resultados del monitoreo proveerán la información necesaria para confirmar la integridad y estabilidad de las estructuras y
edificaciones existentes en inmediaciones de la obra, permitiendo verificar que los elementos de sostenimiento instalados sean
suficientes para satisfacer los criterios de diseño.
Además de evaluar los
siguientes aspectos:
• Verificación de la materialización de la función
portante del suelo alrededor del túnel.
• Verificación de la aptitud del método y secuencia
de ejecución de las tareas de excavación y
sostenimiento, las distancias que median entre
los frentes de sectores parciales de excavación y
de la capacidad portante del sistema de
sostenimiento del túnel en relación a los objetivos
de asentamientos previstos en el proyecto.
• Elemento de juicio para la instalación de
elementos de sostenimiento especiales.
• Elemento de verificación de la tendencia
decreciente de las deformaciones de referencia pronosticadas a través del diseño para la estructura y en la superficie del
terreno, como asimismo elemento de juicio para la intervención temprana en caso de que la evolución de las
deformaciones muestran una tendencia poco convergente o divergente.
• Fuente para la representación de la evolución de deformaciones y asentamientos en terreno a largo plazo como
instrumento de prueba y herramienta para el juicio acerca de la garantía de estabilidad de las estructuras construidas.
• Elemento de retroalimentación de información para verificación y calibración de los modelos continuos de interacción suelo
- estructura efectuados mediante los métodos de elementos o diferencias finitos, lo que permitirá efectuar durante la etapa
de obra, si ello resultara conveniente o necesario, adaptaciones del diseño de las estructuras o método de construcción,
como asimismo pronósticos más exactos de los asentamientos futuros del terreno.
• Elemento de juicio sobre la base de la comparación “pronósticos - realidad” para decidir la implementación de eventuales
medidas de refuerzo anticipadas de edificaciones u otras obras de infraestructura, como por ejemplo socalzado,
implementación de inyecciones del subsuelo debajo de fundaciones, instalación de elementos verticales de protección
entre cavidad y edificación, tal como cortinas de pilotes o paraguas de pilotes horizontales de caños de acero, etc.
L
4. Control de deformaciones-Monitoreo Geotécnico
2
Instrumentos y Dispositivos de
Monitoreo
Monitoreo de Deformaciones Óptico
Tridimensional Para el monitoreo de
deformaciones de las cavidades subterráneas se utiliza un
sistema de monitoreo de deformaciones óptico tridimensional
de medición de deformaciones sobre la base de un sistema
tridimensional de coordenadas. El equipamiento de medición
será provisto por la Unidad de Monitoreo. Este sistema de
monitoreo de deformaciones posee las siguientes
características: las mediciones son llevadas a cabo por parte
de la Unidad de Monitoreo mediante una estación total Leica
1800L, la cual cuenta con una tarjeta de registro de
información del tipo PCMCIA, posee diversas opciones de
entradas de datos numérica y alfanumérica y un display
matricial iluminado. Los puntos internos en la cavidad sobre la
base de los cuales se efectuará la medición de
deformaciones se denominan miras, las cuales se
materializan bien mediante miras con láminas de reflexión o
con prismas ópticos de reflexión de alta precisión y centrado
positivo. El reflector posee un centro definido y permite
mediciones desde ambos lados sin necesidad de ser rotado.
5. Control de deformaciones-Monitoreo Geotécnico
3
En general las miras son más económicas y se usan para los
puntos de medición de deformación de la cavidad, mientras
que para puntos fijos de referencia son empleados
exclusivamente los prismas ópticos. El prisma o mira
reflectora es fijada a través de adaptadores especiales a
pernos de convergencia estándar de 250 mm de longitud de
acero.
Puntos de Referencia de Medición de
Asentamientos Los puntos de referencia para
medición de asentamientos se utilizan para evaluar las curvas
de asentamientos transversales y longitudinales de la
superficie del terreno asociadas a la excavación de túneles.
Mediante un monitoreo anticipado a la construcción de éstos
se podrá conocer la evolución de dichas curvas desde el
comienzo de los asentamientos hasta su estabilización
después de haber pasado el frente de excavación por el perfil
de monitoreo respectivo. Se distinguen dos tipos de puntos de
referencia para medición de asentamientos, los superficiales y
los profundos o sub-superficiales. Los primeros se
materializan mediante pernos de referencia directamente
instalados sobre el pavimento o en monolitos de hormigón
cuando se trata de puntos en terreno natural. Los segundos
se materializan a través de perfiles de acero verticales
anclados a suficiente profundidad en el terreno en un pozo,
de manera de poder obtenerse asentamientos de la superficie
del terreno sin distorsiones por algún tipo de acción o rigidez
superficial. El perfil de acero se ancla en el pozo mediante
mortero de cemento u hormigón pobre en una distancia de
mínimo 50 cm. En el mismo mortero u hormigón se ancla un
tubo corrugado flexible de PVC que envuelve el citado perfil,
terminando ambos 20 cm bajo la superficie del terreno. El
espacio anular alrededor del tubo corrugado es llenado y
compactado con arena. Sobre el extremo superior del perfil
de acero se suelda un perno o punto de medición.
Finalmente, el instrumento es protegido mediante una caja
con tapa empotrada en hormigón. Los puntos de control para
medición de asentamientos de edificios o de servicios se
utilizan para monitorear los movimientos que sufrirán
estructuras o servicios cercanos a las cavidades por motivo
de la construcción de estas últimas.
6. Control de deformaciones-Monitoreo Geotécnico
4
Extensómetros Los extensómetros para perforaciones
se emplean para el monitoreo de deformaciones del subsuelo
circundante a la cavidad a distintas profundidades y en
distintas direcciones. Su instalación podrá ser requerida tanto
en perforaciones radiales a ser efectuadas desde el interior de
la cavidad excavada o en perforaciones verticales a ser
ejecutadas desde la superficie del terreno. Las lecturas son
llevadas a cabo por la Unidad de Monitoreo mediante un
instrumento comparador de dial mecánico La precisión de las
lecturas es de +/ 0.1 mm, no debiendo ser afectadas por la
longitud del cable y estables en el largo plazo bajo las
condiciones ambientales reinantes en el terreno.
Inclinómetros Los inclinómetros son instrumentos de
alta precisión instalados en forma vertical desde la superficie
del terreno. Su función es la de medir deformaciones
horizontales del subsuelo en dos direcciones prefijadas en
forma continua a lo largo de todo el instrumento. El
instrumento consiste de un tubo de material sintético provisto
con cuatro ranuras longitudinales al mismo, dispuestas en
forma de cruz en la sección transversal circular del tubo. La
orientación típica de las ranuras respecto del eje del túnel
será tal que un par de ellas esté dispuesta paralelamente al
mismo, mientras que el otro lo será en forma perpendicular.
Las mediciones de desvíos horizontales del tubo en ambas
direcciones citadas se efectúa mediante una sonda de
medición, consistente en un tubo de acero especial, provista
por la Unidad de Monitoreo. La sonda es introducida en el
tubo mediante un cable de sostén, el que al mismo tiempo es
el que alimenta con energía la sonda y transmite la
información de medición al equipo de lectura. La Unidad de
Monitoreo hará descender la sonda dentro del tubo,
deteniendo la misma aproximadamente cada ½ metro para
medir el desvío horizontal del tubo a través de un equipo de
lectura portátil. La sonda será introducida primero en una
dirección y luego de completar las mediciones hasta el fondo
del tubo, en la dirección perpendicular a ésta. La sonda es
capaz de medir las deformaciones mediante un acelerómetro
incorporado a la misma, que responde frente a cualquier
cambio en la alineación del tubo. El tubo del instrumento es
instalado por el Contratista de Obra en una perforación de
diámetro mínimo 120 mm, pero no menor que el diámetro
recomendado por el fabricante del instrumento, debiendo
inyectar el espacio anular que queda entre tubo y perforación
con una suspensión predefinida de cemento/bentonita. Los
tubos no deberán estar dañados ni presentar algún quiebre,
doblado o torsionado, tanto antes de ser instalados como
después de ello. Deberán asimismo estar provistos con
acoplamientos apropiados de manera de poder materializarse
la longitud total de tubo sin interferencias al paso de la sonda.
Esta tipo de instrumentación se materializa exclusivamente en
los sitios en que se requiera el monitoreo de deformaciones
horizontales del subsuelo. En particular estos lugares están
en correspondencia con estructuras o edificios sensibles a
éstas.
Vista en Planta
7. Control de deformaciones-Monitoreo Geotécnico
5
Celdas de Presión Se utilizan para medir presiones
entre el subsuelo y el revestimiento de hormigón proyectado.
Una vez materializado un sistema de ductos y cajas de
registro, personal de la Unidad de Monitoreo procede a la
instalación de las celdas con el apoyo del contratista. Este tipo
de instrumentación va colocado contra terreno para lo cual se
debe preparar, mediante mortero, una superficie plana dentro
de un área del material del subsuelo.
Strain Meters Los instrumentos de medición de
deformaciones unitarias (strainmeters) son instrumentos
mediante los que se miden las elongaciones o contracciones
en los revestimientos de hormigón proyectado o de hormigón
moldeado. Ellos se componen de dos barras de acero
paralelas unidas por un tubo central, perpendicular a las
mismas, en el que se encuentra incorporado el instrumento
de medición, el cual mide el desplazamiento relativo entre
ambas barras. El tubo central es orientado de tal forma de
quedar dispuesto paralelo a la dirección en la que se quieren
medir las deformaciones unitarias del revestimiento. Las
mediciones se efectúan con equipos de lectura especiales
que se conectan a los instrumentos a través de conexiones
preparadas en cajas de distribución instaladas en el propio
revestimiento. A partir del conocimiento de las deformaciones
unitarias en las caras interna y externa de un revestimiento
será posible calcular las tensiones y solicitaciones internas en
el mismo. Los instrumentos se empotran completamente en
la estructura de hormigón proyectado. Se instalan en forma
de pares para poder medir tensiones en ambas caras de los
revestimientos.
8. Control de deformaciones-Monitoreo Geotécnico
6
Piezómetros Instrumento para la observación del nivel
de la napa subterránea debajo de la superficie del terreno, se
usan para observar y registrar las variaciones del nivel de la
napa o de napas parciales colgantes de agua subterránea en
las cercanías de la cavidad. Los piezómetros son de cerámica
porosa del tipo de bajo ingreso de aire, de longitud no inferior
a 150 mm y diámetro mínimo 40 mm, protegidos en ambos
extremos mediante un elemento de PVC, instalados en
perforaciones verticales efectuadas desde la superficie del
terreno. Las mediciones de los piezómetros de observación
son efectuadas por la Unidad de Monitoreo con las
frecuencias indicadas en proyecto. Los tubos de observación
son de PVC. La instalación de los tubos de observación en
las perforaciones es ejecutada por el Contratista de Obra de
acuerdo a los siguientes requisitos: cada piezómetro será
instalado en una perforación separada de diámetro mínimo
100 mm, la instalación ha de ser completada lo antes posible
después de concluida la perforación de manera de reducir al
máximo las alteraciones del suelo alrededor del sitio de
instalación de la punta del piezómetro. La perforación debe
ser ejecutada hasta la profundidad requerida mediante el
método rotativo o roto-percusor, sin usarse inyección de aire o
de algún aditivo que pueda alterar las propiedades de
permeabilidad del subsuelo en el sector en que se instale el
piezómetro, tal como bentonita. Una vez materilaizado el
conjunto tubería-relleno se deberá proteger el extremo
superior del tubo de observación mediante una caja, provista
de una tapa y un candado.
13. Control de deformaciones-Monitoreo Geotécnico
11
Secciones de Monitoreo
Las Secciones de Monitoreo (SM) son planos transversales al eje longitudinal del túnel sobre los que se instala un conjunto de
instrumentos de medición de deformaciones, tanto en el interior del túnel, como también en la superficie del terreno y edificaciones
vecinas. El proyecto o mandante definirá en los planos de diseño o especificación todas sus características, como por ejemplo
progresiva, cantidad, tipo y ubicación de instrumentos, etc.
Deberán definirse los tipos de SM en función de la distribución de los dispositivos de medición previstos. El emplazamiento de cada
SM particular es función de las condiciones propias de la obra, en especial de la longitud de los túneles y de la cercanía de estructuras
y edificios.
14. Control de deformaciones-Monitoreo Geotécnico
12
Presentación de la Información
La aplicación de visualización permite acceder a todo tipo de gráficas, de esta forma es posible generar una visión global del avance y
comportamiento del proyecto:
• Gráficos de asentamiento en el tiempo.
• Gráficos de asentamiento transversal.
• Gráficos de asentamiento longitudinal.
• Gráficos de deformación tridimensional (control trigonométrico).
• Avances de excavación.
• Gráficos de esfuerzo – tensión.
• Fotografías del frente, etc.
15. Control de deformaciones-Monitoreo Geotécnico
13
Finalmente y dependiendo de la complejidad del proyecto abordado se podrá siempre contar con la colaboración tanto de Geodata
Austria como de Geodata Italia para lo cual se pueden implementar los siguientes servicios:
• Auditoría y Control de Calidad de los trabajos ejecutados.
• Materialización de mediciones automáticas para contar con información en tiempo real.
• Suministro de Instrumentación.
• Visualización de la información mediante un Sistema de Información Geográfico vía Página Web, etc.
