A medida que aumentan los proyectos de construcción de túneles en distintos continentes, se hace imperativo encontrar una solución que abarque tanto la supervisión subterránea como la de superficie. Teniendo en cuenta los diferentes retos de ingeniería, los riesgos para la seguridad y las normativas sobre seguros en los proyectos de construcción de túneles, la respuesta es un sistema de supervisión inalámbrico basado en la tecnología del Internet de las cosas (IoT).

Worldsensing organizó unun seminario web para ingenieros, consultores, jefes de proyecto y fabricantes de sensores involucrados en proyectos de tunelización que desean obtener más información sobre cómo la tecnología inalámbrica puede abordar las necesidades específicas de los proyectos de tunelización.

Los principales temas tratados fueron: ventajas y limitaciones de los métodos actuales utilizados para supervisar los proyectos de construcción de túneles, 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 monitorización inalámbrica de IoT en la construcción de túneles en Europa y Estados Unidos.

Diversas tecnologías inalámbricas con distintos resultados

La mayoría de las tecnologías inalámbricas dependen de redes de área local (LAN) que incluyen tecnologías bien 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 permiten la recogida frecuente de datos, pero su inconveniente es que los dispositivos móviles presentan elevados índices de 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 proyectos de construcción de túneles. En los proyectos de construcción de túneles que trabajan con este tipo de tecnología, y con el fin de reducir el consumo, los datos suelen enviarse una vez al día o a la semana, por lo que no es adecuada 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 grandes distancias (hasta 15 km con línea de visión y 4 km en un túnel) con un consumo de energía mínimo. 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 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: arquitectura general

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 un gateway 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 gateway. El servidor de radio y el servidor de datos de Worldsensing están alojados en gateway y es posible acceder a las lecturas de datos, a la visualización básica y a la gestión de la red vía web. El cliente puede añadir capas de software adicionales para gestionar las alarmas y realizar otros cálculos enviando los datos desde gateway automáticamente a su plataforma a través del protocolo FTP o Modbus o de llamadas API.

Aplicación para la Monitorización de construcción de túneles

Juan describe cómo se aplica un sistema inalámbrico de red de área extensa de baja potencia como Worldsensing a la Monitorización de 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.

Los clinómetros inalámbricos pueden utilizarse para controlar la inclinación de los edificios y la distorsión angular relacionada con los criterios de daños. Este tipo de movimiento 3D puede supervisarse con estaciones totales.

El movimiento a través de grietas superficiales existentes o nuevas se puede monitorear con un potenciómetro conectado a un nodo analógico de 1 canal, como el Piconode de Worldsensing, para recopilar lecturas. 1 También se puede utilizar un fisurómetro de hilo vibrante conectado a un nodo de hilo vibrante

En la vigilancia de la respuesta de los edificios a la excavación de túneles, es esencial medir los asentamientos (y el oleaje en algunos casos). Además de 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 vigilancia de los movimientos del terreno detrás de los muros pantalla y por encima de los túneles se realiza con extensómetros de varilla 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 hilos vibrantes.

En los proyectos de excavación de túneles a cielo abierto es fundamental controlar el nivel de las aguas subterráneas, ya que los trabajos de bombeo realizados para permitir la excavación pueden producir cambios en la presión de poros que, a su vez, pueden generar asentamientos en la superficie y afectar a los edificios circundantes. El nivel del agua se comprueba en distintos puntos de control mediante piezómetros, normalmente de cuerda vibrante, y el correspondiente nodo inalámbrico. La distancia entre los puntos de monitorización suele ser superior a 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 al suelo, también debe supervisarse 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 nodos de cuerda vibrante monitorizarán la deformación y las tensiones en los elementos estructurales.

Los nodos inalámbricos alimentados por batería pueden leer automáticamente cadenas de inclinómetros in situ para medir la deformación lateral en 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 automatización

Los panelistas debatieron 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, bien incluyendo un porcentaje de instrumentación que debe automatizarse, bien prescribiendo indirectamente tasas de muestreo más elevadas, lo que conduce a un sistema de instrumentación automatizado.

La automatización proporciona información valiosa 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 explotación de alta densidad, la monitorización inalámbrica es la mejor solución para adquirir datos fiables, ya que proporciona altas frecuencias 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 las estructuras. El cotejo de estos datos con otra información relevante, como los parámetros de excavación, proporcionará una visión integral del comportamiento de la excavación. Esto podría ayudar a reducir el tiempo de respuesta ante incidentes y minimizar los riesgos para los trabajadores, el entorno de los túneles urbanos y los ciudadanos.

En opinión de María, aunque 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) coexisten en los proyectos de túneles», afirma. «Para escenarios complejos como la excavación de túneles, con varios contratistas y sistemas implicados, una solución de supervisión 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 con datos de vigilancia, pero, según María, aún faltan unos 5 años para que los modelos incorporen inteligencia de datos.