Construcción de túneles de metro y trenes de alta velocidad: Monitorización inalámbrica subterránea y de superficie
A medida que aumentan los proyectos de construcción de túneles en diferentes continentes, se hace imprescindible encontrar una solución que cubra tanto la supervisión subterránea como la de la superficie. Teniendo en cuenta los diferentes retos de ingeniería, los riesgos de seguridad y las normativas de seguros en los proyectos de construcción de túneles, un sistema de supervisión inalámbrico basado en la tecnología del Internet de las cosas (IoT) es la respuesta.
Worldsensing organizó un seminario web para ingenieros, consultores, gestores de proyectos y fabricantes de sensores implicados en proyectos de excavación de túneles que deseen saber más sobre cómo la tecnología inalámbrica puede responder a las necesidades específicas de los proyectos de excavación de túneles.
Los principales temas tratados fueron: las ventajas y limitaciones de los métodos actuales utilizados para supervisar los proyectos de construcción de túneles, las ventajas de la automatización, cómo se realiza la supervisión utilizando diferentes métodos inalámbricos, una presentación visual detallada de cómo se utiliza la tecnología IoT en la construcción de túneles y las consideraciones clave a la hora de elegir una solución de supervisión. También se analizaron estudios de casos sobre la supervisión inalámbrica de la IO en la construcción de túneles en Europa y Estados Unidos.
Una variedad de tecnologías inalámbricas con diferentes resultados de rendimiento
La mayoría de las tecnologías inalámbricas dependen de las redes de área local (LAN), que incluyen tecnologías muy conocidas como Bluetooth o WiFI. Estas se utilizan sobre todo para distancias cortas (entre 50 y 100 metros) pero no son suficientes para cubrir las necesidades de monitorización de la construcción de túneles o, en general, del mercado geotécnico. Las tecnologías celulares, como 3G y 4G, pueden alcanzar distancias más largas y permitir la recogida frecuente de datos, pero su inconveniente es que los dispositivos móviles presentan un elevado consumo de energía.
Tanto las tecnologías LAN como las celulares dependen de la señal de red y de la línea de visión (LOS), lo que puede ser difícil de conseguir en los proyectos de construcción de túneles. En los proyectos de construcción de túneles en los que se trabaja con este tipo de tecnología, y con el fin de reducir el consumo, los datos suelen enviarse una vez al día o semanalmente, por lo que no son adecuados para la adquisición de datos en tiempo real o casi real.
En cambio, LoRa (comunicación de largo alcance) se basa en la tecnología IoT (Internet de las cosas), por lo que puede hacer frente a las limitaciones de alcance y consumo de energía de las tecnologías LAN y celular. Con LoRa, los datos pueden transmitirse a largas distancias (hasta 15 km con línea de visión y 4 km en un túnel) y sólo necesitan muy poca energía. Las baterías pueden durar mucho tiempo, ya que los dispositivos sólo se "despiertan" cuando tienen que leer y transmitir datos y vuelven al modo de reposo después.
"LoRa (Long-Range) se ha convertido en la tecnología de facto para las redes de Internet de las Cosas (IoT) en todo el mundo debido a sus capacidades de largo alcance y bajo consumo" María Navarro, Ingeniera Geóloga Senior.
LoRa también ofrece la posibilidad de desplegar redes privadas, lo que permite al usuario tener el control y no depender de los grandes operadores.
Sistemas de vigilancia inalámbricos: visión general de la arquitectura
María presenta Worldsensing como ejemplo de sistema de vigilancia inalámbrico basado en LoRa para ilustrar el funcionamiento de estos sistemas. Worldsensing incorpora un registrador de datos (nodo inalámbrico) y una pasarela a los sensores desplegados en el lugar. Los sensores se instalan en sus ubicaciones específicas y se conectan por cable a los registradores de datos, que recogen datos de ellos. Estos datos se transmiten por señal de radio a la pasarela. El servidor de radio y el servidor de datos de Worldsensing están alojados en la pasarela y es posible acceder a las lecturas de datos, a la visualización básica y a la gestión de la red a través de la web. El cliente puede añadir capas de software adicionales para gestionar las alarmas y realizar más cálculos enviando los datos de la pasarela automáticamente a su plataforma mediante protocolo FTP o Modbus o llamadas API.
Aplicación para la supervisión de la construcción de túneles
Juan describe cómo se aplica un sistema inalámbrico de red de área extensa de baja potencia como Worldsensing a la supervisión de la construcción de túneles. Utilizando el ejemplo de un proyecto de excavación de un túnel, detalla la solución inalámbrica correspondiente para cada necesidad clave de supervisión. El ejemplo ilustra la longitud total de una estación de metro o un segmento de túnel para un tren de alta velocidad y se centra en sensores de punto único y sensores enterrados.
"Durante la construcción de un túnel, se esperan movimientos del terreno y los edificios cercanos responderán a estos movimientos. Las soluciones inalámbricas pueden automatizar toda la instrumentación que se utiliza con frecuencia para controlar este movimiento" Juan Pérez, Ingeniero Geotécnico Senior.
Los inclinómetros inalámbricos pueden utilizarse para supervisar la inclinación de los edificios y la distorsión angular relacionada con los criterios de daños. Este tipo de movimiento en 3D puede supervisarse con estaciones totales.
El movimiento a través de grietas superficiales existentes o nuevas grietas puede controlarse con un potenciómetro conectado a un nodo analógico de 1 canal, como el Piconode de Worldsensing, para recoger lecturas. También puede utilizarse un fisurómetro de cuerda vibrante conectado a un nodo de cuerda vibrante.
En la vigilancia de la respuesta de los edificios a la construcción de túneles, es esencial medir los asentamientos (y el oleaje en algunos casos). Además de las técnicas geodésicas, como las estaciones totales, el asentamiento puede controlarse con sistemas de asentamiento de nivel líquido. Cada célula de asentamiento es un sensor de presión y puede leerse con un nodo analógico. Estos sistemas mantienen la precisión de las lecturas incluso cuando se instalan en sótanos de edificios y zonas sin línea de visión.
La supervisión de los movimientos del suelo detrás de los muros pantalla y por encima de los túneles se realiza con extensómetros de sondeo multipunto (MPBX) que miden la deformación vertical a varias profundidades. Los sensores de desplazamiento instalados en el MPBX pueden ser hilos vibrantes o potenciómetros que pueden leerse con nodos analógicos o de hilo vibrante.
En los proyectos de excavación de túneles a cielo abierto es fundamental controlar el nivel de las aguas subterráneas, ya que los trabajos de desagüe realizados para permitir la excavación pueden producir cambios en la presión del agua de los poros que, a su vez, pueden generar asentamientos en la superficie y afectar a los edificios circundantes. El nivel del agua se comprueba en diferentes puntos de monitorización mediante piezómetros, normalmente de cuerda vibrante, y el correspondiente nodo inalámbrico. La distancia entre los puntos de monitorización suele ser de más de 100 m, por lo que se requiere radio de largo alcance para recoger datos casi en tiempo real.
El comportamiento de algunos elementos estructurales, como la fuerza en los anclajes del suelo, también debe controlarse mediante células de carga con un nodo analógico de 1 canal o una cuerda vibrante utilizada para leer la célula. Para analizar los asentamientos, las galgas extensométricas de cuerda vibrante conectadas a los nodos de cuerda vibrante monitorizarán la deformación y las tensiones en los elementos estructurales.
Los nodos inalámbricos alimentados por baterías pueden leer automáticamente cadenas de inclinómetros in situ para medir la deformación lateral en los muros pantalla o detrás de ellos.
Juan también explica cómo las tecnologías inalámbricas contribuyen a monitorizar los parámetros clave dentro del túnel teniendo en cuenta los diferentes métodos de tunelización utilizados (TBM, NATM, etc.).
Las tendencias futuras exigen la automatización
Los panelistas debatieron sobre la situación actual y las tendencias futuras previstas para el sector de la construcción de túneles. Según María, las licitaciones de túneles han empezado a prescribir la automatización, ya sea incluyendo un porcentaje de instrumentación que debe ser automatizada o prescribiendo indirectamente mayores tasas de muestreo, lo que lleva a un sistema de instrumentación automatizado.
La automatización proporciona una valiosa información sobre la evolución del comportamiento del suelo y la roca y el comportamiento global de las secciones del túnel a lo largo de todas las etapas. En un futuro próximo, la monitorización se inclinará hacia las lecturas automatizadas. En entornos de alta densidad de operaciones, la monitorización inalámbrica es la mejor solución para adquirir datos fiables, ya que proporciona altas tasas de muestreo que permiten a los equipos de proyecto detectar cualquier defecto utilizando datos en tiempo (casi) real.
Una mayor adquisición de datos conducirá al desarrollo de modelos predictivos más precisos y a un mayor conocimiento del comportamiento del suelo y de las estructuras. El cotejo de estos datos con otra información relevante, como los parámetros de la excavación, proporcionará una visión integral del comportamiento de la excavación. Esto podría ayudar a reducir el tiempo de respuesta a los incidentes y minimizar los riesgos para los trabajadores, los entornos de los túneles urbanos y los ciudadanos.
En opinión de María, aunque el IoT ha penetrado en el mercado de la monitorización geotécnica en la última década, aún queda mucho camino por recorrer: "Podríamos decir que ahora todos los sistemas (manuales, cableados e inalámbricos) conviven en los proyectos de túneles", afirma. "Para escenarios complejos como la excavación de túneles, con varios contratistas y sistemas implicados, una solución de monitorización automatizada inalámbrica es la más eficaz y menos arriesgada para garantizar la fiabilidad y precisión de los sistemas de gestión de riesgos".
La inteligencia de datos será un área importante de atención, ya que dará un valor adicional a los proyectos de vigilancia. Los modelos actuales se alimentan de datos de vigilancia, pero, según María, para añadir inteligencia de datos a los modelos aún faltan unos 5 años.
