Contexto
Muchos túneles de las minas australianas están funcionando más allá de su vida útil original. Factores como los cambios en las condiciones de carga, los distintos grados de deterioro y la evolución de las normas de diseño añaden complejidad a la gestión de la integridad de estos activos. Las evaluaciones teóricas tradicionales a menudo conducen a clasificaciones de carga conservadoras, lo que puede crear discrepancias entre la capacidad de carga prevista de un túnel y su rendimiento real en servicio.
Este estudio de caso presenta la integración de datos de monitorización de túneles con análisis de elementos finitos para volver a evaluar la capacidad estructural de un túnel operativo en una mina de Pilbara y apoyar la gestión en curso. El túnel de arco de hormigón, construido a finales de la década de 1970, soportaba una pila de almacenamiento de 30 m de altura sobre un corredor ferroviario interno. Cuando se evaluó únicamente con arreglo a las normas de diseño modernas, sin análisis más complejos, el túnel parecía sobreutilizado, lo que condujo a la aplicación de una restricción de la altura de la pila.
Solución
Para perfeccionar la evaluación, se introdujo un análisis estructural de nivel superior que utilizaba un análisis no lineal de elementos finitos e instrumentación en tiempo real. Las redes de monitorización inalámbricas instaladas en secciones transversales clave proporcionaron datos de convergencia bajo cargas de apilamiento. Estos datos, combinados con información operativa, permitieron al equipo cuestionar las hipótesis conservadoras sobre la capacidad del túnel, lo que permitió una recalificación más precisa.
La solución implementada por Rockfield Technologies Australia utilizó una serie de nodos de cuerda vibrante de 5 canales de Worldsensing con galgas extensométricas VW soldables por arco que monitorizan las deformaciones de los aros en el túnel. Un gateway situado a la entrada del túnel envía los datos a la plataforma Mercuto de Rockfield para su análisis, visualización y alerta a través de un router 4G seguro que utiliza la opción de salida Ethernet del gateway para cumplir los estrictos requisitos de seguridad informática del cliente.
El sistema de monitorización continua ofrece información en tiempo real sobre la respuesta del túnel a las variaciones de carga y ahora sirve como herramienta operativa. Como resultado, los datos de monitorización soportaron la relajación del límite de altura de las pilas, optimizando la productividad sin comprometer la seguridad.
Dado que la deformación es un indicador directo y fiable de la respuesta estructural, el efecto de diferentes patrones de apilamiento puede evaluarse empíricamente sin necesidad de volver a analizar cada caso mediante simulaciones que requieren mucho tiempo. Este enfoque también elimina la necesidad de modelizar explícitamente fenómenos complejos de interacción suelo-estructura, como el arqueamiento del suelo, o de tener en cuenta el comportamiento del relleno dependiente de la tensión en el modelo estructural.
Este caso pone de relieve el valor de la supervisión avanzada y las evaluaciones de alto nivel para gestionar el envejecimiento de los túneles, colmar las lagunas de verosimilitud y permitir la toma de decisiones basada en datos».
Phil Cutter, Jefe Superior de Mercado, Ingeniero Principal, Rockfield Technologies Australia
Beneficios
El sistema de galgas extensométricas ha permitido desarrollar una envolvente de rendimiento en tiempo real que soporta una gestión sensible del relleno. Por ejemplo, en caso de saturación del relleno debido a condiciones meteorológicas extremas o a fugas en la infraestructura, la rigidez efectiva del terreno de soporte puede disminuir, lo que provoca mayores tensiones en la estructura del túnel. Con una monitorización continua, las lecturas de deformación excesiva pueden servir como alerta temprana, provocando restricciones temporales en la altura de la pila mientras se investiga y aborda el origen del problema. De este modo se garantiza que el túnel se mantenga dentro de su rango de rendimiento elástico y se evita la aparición de daños o deformaciones irreversibles.
La capacidad de controlar las tendencias de la deformación durante los ciclos de carga y descarga también proporciona información sobre la reversibilidad y resistencia del túnel en condiciones operativas variables. No se observó ninguna acumulación significativa de deformación residual a lo largo de múltiples ciclos de apilamiento, lo que soporta la conclusión de que el túnel se mantiene en un régimen de respuesta elástica bajo las prácticas de carga actuales.
Ventajas
En un principio, se consideró que el túnel estaba sobreutilizado mediante modelos de elementos finitos basados en la elasticidad del revestimiento con una interacción suelo-estructura simplificada, lo que dio lugar a restricciones de la altura de las pilas para gestionar el riesgo estructural. Sin embargo, estos modelos no reflejaban plenamente el comportamiento real del túnel en condiciones operativas. Mediante la integración de análisis no lineales avanzados de elementos finitos validados con instrumentación de galgas extensométricas, se demostró que el túnel se comportaba dentro de límites aceptables, incluso bajo cargas crecientes. Estas pruebas soportaron la relajación segura de las restricciones de almacenamiento.
Este cambio de una gestión basada en supuestos a otra basada en resultados dio lugar a resultados clave:
- Justificación de zonas de almacenamiento más elevadas
- Reducción de la necesidad de múltiples modelos
- Alerta temprana de cambios estructurales o del estado del suelo
- Mejora de la coordinación entre ingeniería y operaciones
El estudio pone de relieve cómo las infraestructuras heredadas pueden recalificarse con seguridad utilizando datos en tiempo real y modelos avanzados. Proporciona un marco escalable para activos enterrados similares, lo que demuestra la creciente importancia de las estrategias basadas en la instrumentación en la gestión moderna de activos.
