Construção de Metro e Túnel de Comboios de Alta Velocidade: Monitorização subterrânea e de superfície sem fios

À medida que mais projectos de escavação de túneis estão a descolar através de diferentes continentes, tornou-se imperativo encontrar uma solução para cobrir tanto a monitorização subterrânea como a de superfície. Considerando os diferentes desafios de engenharia, riscos de segurança e regulamentos de seguros em projectos de construção de túneis, um sistema de monitorização sem fios baseado na tecnologia Internet das Coisas (IoT) é a resposta. 

A Worldsensing organizou um webinar para engenheiros, consultores, gestores de projectos e fabricantes de sensores envolvidos em projectos de abertura de túneis que pretendam saber mais sobre a forma como a tecnologia sem fios pode responder às necessidades específicas dos projectos de escavação de túneis.

Os principais tópicos abordados foram: vantagens e limitações dos métodos actuais utilizados para monitorizar projectos de construção de túneis, benefícios da automatização, como a monitorização é realizada utilizando diferentes métodos sem fios, uma apresentação visual detalhada de como a tecnologia IoT é utilizada na construção de túneis, e as considerações chave na escolha de uma solução de monitorização. Foram também discutidos estudos de caso sobre a monitorização sem fios da Internet sem fios na construção de túneis na Europa e nos Estados Unidos. 

Uma variedade de tecnologias sem fios com diferentes resultados de desempenho

A maioria das tecnologias sem fios dependem de redes locais (LAN) que incluem tecnologias bem conhecidas, tais como Bluetooth ou WiFI. Estas são principalmente utilizadas para curtas distâncias (entre 50 e 100 metros) mas não são suficientes para cobrir as necessidades de monitorização da construção de túneis ou, em geral, do mercado geotécnico. Tecnologias celulares como 3G e 4G podem alcançar distâncias mais longas e permitir a recolha frequente de dados, mas o seu inconveniente é que os dispositivos móveis apresentam elevadas taxas de consumo de energia. 

Tanto a LAN como as tecnologias celulares dependem do sinal de rede e da linha de visão (LOS), o que pode ser difícil de conseguir em projectos de túneis. Em projectos de túneis que trabalham com este tipo de tecnologia, e a fim de reduzir o consumo, os dados são geralmente enviados uma vez por dia ou semanalmente, pelo que não são adequados para a aquisição de dados em tempo real ou quase em tempo real.

Em contraste, LoRa (comunicação de longo alcance) baseia-se na tecnologia IoT (Internet das Coisas) para que possa abordar as limitações no alcance e no consumo de energia das tecnologias LAN e celulares. Com LoRa, os dados podem ser transmitidos em longas distâncias (até 15 km com linha de visão e 4 km num túnel), necessitando apenas de muito pouca energia. As baterias podem durar muito tempo, pois os dispositivos só "acordam" quando têm de ler e transmitir dados e voltar ao modo de dormir depois.

"LoRa (Long-Range) tornou-se a tecnologia de facto para redes de Internet das Coisas (IoT) em todo o mundo devido às suas capacidades de longo alcance e baixa potência" Maria Navarro, Geóloga Sénior de Engenharia. 

LoRa oferece também a possibilidade de implantar redes privadas, permitindo ao utilizador ter o controlo e não estar dependente dos grandes operadores.

Sistemas de monitorização sem fios: visão geral da arquitectura

Maria apresenta o Worldsensing como exemplo de um sistema de monitorização sem fios baseado em LoRa para ilustrar o funcionamento destes sistemas. O Worldsensing incorpora um registador de dados (nó sem fios) e um gateway para os sensores instalados no local. Os sensores são instalados nos seus locais específicos e ligados a dataloggers que recolhem os seus dados. Estes dados são transmitidos via sinal de rádio para o gateway. O servidor de rádio e o servidor de dados Worldsensing estão alojados na gateway e é possível aceder às leituras de dados, à visualização básica e à gestão da rede através da Web. Camadas de software adicionais podem ser adicionadas pelo cliente para gerenciar alarmes e criar cálculos adicionais enviando dados do gateway automaticamente para sua plataforma via protocolo FTP ou Modbus ou chamadas API.

Aplicação para monitorização da construção de túneis 

Juan descreve como um sistema sem fios de rede de área alargada de baixa potência como o Worldsensing é aplicado na monitorização da construção de túneis. Utilizando um exemplo de um projeto de túnel de corte e cobertura, ele detalha a solução sem fios correspondente para cada necessidade de monitorização chave. O exemplo ilustra o comprimento total de uma estação de metro ou um segmento de túnel para um comboio de alta velocidade e centra-se em sensores de ponto único e sensores no solo.

"Durante os túneis, são esperados movimentos de terra e os edifícios próximos responderão a esses movimentos. As soluções sem fios podem automatizar toda a instrumentação frequentemente utilizada para monitorizar este movimento" Juan Pérez, Engenheiro Geotécnico Sénior.

Os inclinómetros sem fios podem ser utilizados para monitorizar a inclinação dos edifícios e a distorção angular relacionada com os critérios de dano. Este tipo de movimento 3D pode ser monitorizado com estações totais. 

O movimento através de fissuras superficiais existentes ou de novas fissuras pode ser monitorizado com um potenciómetro ligado a um nó analógico de 1 canal, como o Piconode da Worldsensing, para recolher leituras. Também pode ser utilizado um crackmeter de fio vibratório ligado a um nó de fio vibratório. 

Na vigilância da resposta dos edifícios à construção de túneis, é essencial medir o assentamento (e o assentamento em alguns casos). Para além de técnicas geodésicas como estações totais, os assentamentos podem ser monitorizados com sistemas de assentamento a nível líquido. Cada célula de assentamento é um sensor de pressão e pode ser lido com um nó analógico. Estes sistemas mantêm a precisão das leituras mesmo quando instalados em caves de edifícios e áreas sem linha de visão. 

A monitorização dos movimentos do solo atrás das paredes do diafragma e acima dos túneis é feita com extensómetros de furo multiponto (MPBX) que medem a deformação vertical a várias profundidades. Os sensores de deslocamento instalados no MPBX podem ser fios vibratórios ou potenciómetros que podem ser lidos com nós de fios analógicos ou vibrantes.

Em projectos de túneis de corte e cobertura é crucial monitorizar os níveis das águas subterrâneas, uma vez que os trabalhos de desaguamento realizados para permitir a escavação podem produzir alterações na pressão da água nos poros que, por sua vez, podem gerar assentamentos na superfície e afectar os edifícios circundantes. O nível da água é verificado em diferentes pontos de monitorização utilizando piezómetros, geralmente fio vibratório, e o correspondente nó sem fios. A distância entre pontos de monitorização é tipicamente superior a 100 m, pelo que é necessário um rádio de longo alcance para recolher dados quase em tempo real.

O desempenho de alguns elementos estruturais, tais como a força nas ancoragens no solo, também deve ser monitorizado usando células de carga com um nó analógico de 1 canal ou um fio vibratório usado para ler a célula. Para analisar o assentamento, os extensómetros de fio vibratório ligados aos nós de fio vibratório monitorizam a tensão e as tensões nos membros estruturais.

Os nós sem fios alimentados por bateria podem ler automaticamente correntes de inclinómetros no local para medir a deformação lateral em paredes de diafragma ou atrás deles. 

Juan também explica como as tecnologias sem fios contribuem para monitorizar os parâmetros-chave no interior do túnel, considerando os diferentes métodos de tunelização utilizados (TBM, NATM, etc.). 

As tendências futuras exigem automatização

Os membros do painel discutiram a situação actual e as tendências futuras esperadas para o sector da construção de túneis. Segundo Maria, os concursos de túneis começaram a prescrever a automatização, quer através da inclusão de uma percentagem de instrumentação a ser automatizada, quer através da prescrição indirecta de taxas de amostragem mais elevadas, o que leva a um sistema de instrumentação automatizado.

A automatização dá informações valiosas sobre a evolução do comportamento do solo e das rochas e o comportamento global das secções dos túneis ao longo de todas as etapas. Num futuro próximo, a monitorização tenderá para leituras automatizadas. Em ambientes de operação de alta densidade, a monitorização sem fios é a melhor solução para adquirir dados fiáveis, pois fornece altas taxas de amostragem que permitem às equipas de projecto detectar quaisquer defeitos utilizando dados (quase) em tempo real. 

A aquisição de mais dados levará ao desenvolvimento de modelos de previsão mais precisos e mais conhecimentos sobre o solo e o comportamento estrutural. A correspondência destes dados com outras informações relevantes, tais como parâmetros de escavação, proporcionará uma visão integral da forma como a escavação está a decorrer. Isto poderá ajudar a reduzir o tempo de resposta a incidentes e minimizar os riscos para os trabalhadores, ambientes de túneis urbanos e cidadãos.

Na opinião de Maria, embora a IOT tenha penetrado no mercado da monitorização geotécnica na última década, há ainda um longo caminho a percorrer: "Poderíamos dizer que agora todos os sistemas (manuais, com e sem fios) coexistem em projectos de túneis", diz ela. "Para cenários complexos como escavações de túneis, com vários empreiteiros e sistemas envolvidos, uma solução de monitorização automatizada sem fios é a solução mais eficaz e menos arriscada para assegurar que os sistemas de gestão de risco são fiáveis e precisos". 

A inteligência de dados será uma importante área de enfoque, uma vez que dará um valor adicional aos projectos de monitorização. Os modelos actuais são alimentados com dados de monitorização mas, de acordo com Maria, acrescentar inteligência de dados aos modelos ainda está a cerca de 5 anos de distância.