Informe

1 Introducció n

2 Método

3 Capacidad de Exploració n

4 Estudios de Casos

4.1 Excavació n con Tuneladora del Túnel de Ginori

4.2 Excavació n con Perforació n y Voladura del Túnel de Base de Lö tschberg

4.3 Exploració n del Perímetro del Túnel de Irlahüll

5 Características y Ventajas del Sistema BEAM

6 Referencias de Proyectos del Sistema BEAM

1 Introducció n

Para construir eficazmente y con seguridad los proyectos de tú neles y de minería, un requerimiento

previo es el poder tener un conocimiento con antelación y de manera detallada de las condiciones

geológicas, hidrogeológicas y geoté cnicas por delante del frente de excavación es. En particular, la

excavación de galerías en geologías complejas y en á reas urbanas requiere previsiones permanentes

por delante del frente de excavación sin que se produzcan perturbaciones en las obras de

excavación.

El Bore-Tunnelling Electrical Ahead Monitoring (BEAM) es un nuevo mé todo geofísico no

intrusivo especializado en la excavación de galerías, siendo el má s adecuado para cumplir los

objetivos previamente citados respecto a las exigencias especiales de la construcción subterrá nea

(patente pendiente, de Geohydraulik Data).

La aplicación de este mé todo de predicción y las acciones consecuentes en el avance en curso

dará como resultado una reducción importante de los costes de construcción y del plazo de ejecución

por las siguientes razones:

- se evita el derrumbe del tú nel y otros daños,

- se evitan accidentes inherentes a la excavación con tuneladora,

- se obtiene un alto rendimiento de avance,

- se hacen innecesarios o se minimizan los sondeos de investigación y prospección, los tú nelespilotos o cualquier otro mé todo de previsión geofísica que ocasionen interrupciones de la obra ointerfieran con los trabajos de excavación,

- se puede utilizar eventualmente los resultados para planificar medidas óptimas de

revestimiento y de seguridad,

- se pueden hacer valoraciones del terreno para utilizarlas en minería o construcción, es decir comomaterial de construcción de carreteras o á rido de hormigón, y para conocer el contenido y lanaturaleza de depósitos de minerales.

El mé todo se puede utilizar en roca dura así como en terrenos inestables para identificar y localizar prematuramente las á reas críticas tales como fallas y fracturas, zonas de rocas poco consistentes, zonas cá rsticas, zonas con presencia de agua, zonas erosionadas y desagregadas, depósitos de minerales, lentejones de arcilla, capas de arena y gravas, venas de carbón, acuíferos y aguas colgadas, agua subterrá nea mineralizada, depósitos de vertidos, depósitos minerales, bloques errá ticos, restos estructurales, pilares, cavidades, metales enterrados, etc.

Las aplicaciones incluyen casi todos los tipos de excavaciones tanto mecanizadas como convencionales

tales como tuneladoras (TBM) a plena sección, escudos, escudos de ataque puntual, microtuneladoras,

excavación con perforación y voladura y con martillos demoledores hidrá ulicos.

Ademá s, la exploración del perímetro del tú nel se puede realizar durante la excavación

o despué s de instalar el revestimiento del trasdós. Aplicaciones y desarrollos

adicionales incluyen sistemas basados en el terreno y en el agua, que realizan las predicciones

mientras se está excavando y las diagrafías durante la ejecución del jet grouting (la inyección a

alta presión).

El mé todo se puede utilizar tanto en roca dura como en terrenos inestables para identificar y

localizar con antelación las á reas críticas tales como fallas y fracturas, zonas de rocas no

competentes, zonas cá rsticas, zonas con presencia de agua, zonas erosionadas y desagregadas,

depósitos de minerales, lentejones de arcilla, capas de arenas y gravas, capas de carbón,

acuíferos y aguas colgadas, agua subterrá nea mineralizada, depósitos de residuos, depósitos

minerales, bloques errá ticos, restos estructurales, pilares, cavidades, metales enterrados etc.

La función principal del Sistema BEAM se basa en enviar una corriente de protección a

travé s del anillo de revestimiento del trasdós del tú nel o incluyendo un electrodo blindado A1 y una

corriente de control de la misma tensión de señal a travé s de pequeños electrodos internos A0

seleccionados sucesivamente. Con tal configuración, se produce un efecto de enfoque de modo

que se fuerza al haz de corriente de control para que penetre en el suelo por delante del frente de

excavación hasta una distancia igual a varias veces el diá metro del tú nel. Como electrodos se

utilizan determinados componentes de la excavación, tales como las herramientas de corte o

cortadores, las varillas de perforación, el blindaje del escudo, los bulones de anclaje y el

revestimiento con elementos metá licos. Habida cuenta de las actividades de excavación, estos

electrodos se acoplan elé ctricamente al terreno a travé s del frente y de los hastiales del tú nel.

La adquisición de datos y su valoración se realiza utilizando corrientes alternas de

diferentes frecuencias I0(f) en cada punto de investigación A0 para calcular las resistencias

2 Método

El BEAM es un mé todo elé ctrico de frecuencias inducidas por polarización para

explorar el terreno por delante del frente y su perímetro mientras la tuneladora está excavando o

mientras se está n ejecutando fases de excavación con perforación y voladura (Fig. 1, Fig. 6 y

Fig. 7). Permite detectar, localizar y caracterizar con antelación los cambios de geología gracias

a las mediciones automá ticas continuas de los pará metros elé ctricos.

Fig. 1

Electrodo deretorno B (-)

Unidad operativa interna del BEAM

Representaciones

PFE de las

secciones del frente

Electrodos interiores A0(+)(útiles de corte aislados)

Ordenadores (PC) de control (cabina de pilotaje, etc.),acceso a distancia

Anillo trasdó s y electrodo blindado A1 (+)(escudo, rueda de corte)

dependientes de la frecuencia R(f) y el efecto de porcentaje de frecuencia (PFE) del terreno de la

manera siguiente:

R(f1) = U(f1) / I0(f1) [Ohm]

R(f2) = U(f2) / I0(f2) [Ohm]

con U(f) – tensió n constante y

PFE = 100 x (R(f1) – R(f2)) / R(f1) [%]

con f1 < f2

El efecto de porcentaje frecuencia es una medida de la polarización inducida con respecto a la capacidad de almacenamiento de energía elé ctrica dentro del macizo rocoso. Teniendo en cuenta

que el aire y el agua tienen valores de PFE-cero, los valores bajos de PFE indican que hay partes

del macizo rocoso altamente fracturadas y con porosidades cá rsticas así como arena, gravas y

material en bloques. Los valores altos de PFE son característicos de las rocas que contienen

arcillas, grafitos y minerales. Ademá s, un indicador de cambio de terreno denominado GCI por sus

siglas en inglé s (Ground Change Indicator) se diseñó especialmente para detectar con antelación

zonas críticas con agua (Fig. 2). É ste es una cantidad compleja basada en los valores de PFE y R.

Fig. 2: Programa informá tico de visualizació n: tratamiento de los datos en tiempo realque permite clasificar la roca adelante de la tuneladora y beneficiar de un sistemade alerta de cambios del terreno/obstá culos

3 Capacidad de Exploració n

Una alta densidad de puntos de exploración, una adquisición permanente de datos y un

procedimiento numé rico de los datos durante la exploración por el BEAM hacia delante permite

obtener los siguientes resultados en tiempo real o casi real, visualizados en las

representaciones de contornos PFE en color, en los grá ficos GCI y en los registros PFE de

clasificación de la masa rocosa (Fig. 2 y Fig. 5):

1) Reconocimiento de si el terreno es uniforme, homogé neo y con capas regulares merced a

cá lculos PFE casi sin cambios, que representan valores promedios integrados de un volumen

cilíndrico por delante del frente (no hay situación de cambio del terreno);

2) Las correlaciones y caracterizaciones del macizo rocoso podrían deducirse de los niveles

PFE (mismos colores) así como la composición, la porosidad y las condiciones

geohidrá ulicas;

3) Previsión de un cambio geológico de mayor importancia pertinente para la excavación

merced a una curva GCI que desciende por debajo de un cierto nivel y valores PFE que

disminuyen gradualmente a medida que se excava el tú nel;

4) Detección de heterogeneidades laterales indicadas por anomalías PFE en los contornos

de las representaciones (colores diferentes y varias isolíneas transversales);

5) Estimación de la distancia entre el frente y la interfaz de cambio del terreno u obstá culo.

La valoración geoté cnica de los cambios de terreno y de los obstá culos detectados se

efectú a basá ndose en los resultados geoelé ctricos previamente citados y en su interpretación

geológica e hidrogeológica. De esta manera, se puede deducir una clasificación de eventos

importantes y menos importantes, en la que los eventos importantes indican condiciones

geológicas peligrosas y potencialmente inestables.

4 Estudios de Casos

4.1 Excavació n con Tuneladora del Túnel de Ginori

En el transcurso de la construcción del tú nel de Ginori (Italia), se procedió a realizar mediciones

BEAM para prever los pará metros geofísicos y geológicos y preparar documentación de

acompañamiento para el consorcio CAVET (Consorzio Alta Velocità Emilia Toscana) y para WIRTH

GmbH en la excavación del tú nel con tuneladora. El tú nel de Ginori, de 6,3 m de diá metro y 9,3 km

de largo, se utilizará cuando esté terminado como tú nel de servicio y de acceso al tramo Vaglia que

hace parte de la línea alta velocidad entre Florencia y Bolonia. Durante la construcción de los

principales tú neles, servirá de tú nel de investigación y desagüe. La excavación se hizo mediante

una tuneladora telescópica WIRTH en condiciones geológicas e hidrogeológicas complejas como,

por ejemplo, varias formaciones calcá reas. El BEAM instalado en la tuneladora del tú nel de Ginori

constaba de los siguientes componentes mecá nicos e informá ticos y sus respectivas funciones

(Fig. 1):

- rueda de corte, cortadores no aislados y escudo utilizados como electrodo A1 queproyectan una corriente de protección I1 desde una superficie del blindaje y del frente deexcavación,

- seis cortadores aislados utilizados como electrodos A0 que introducen de manera independienteuna corriente de control I0 desde varios puntos situados en diferentes posiciones en el frente;

- electrodo B de corriente de retorno para establecer el contacto con el terreno mediante una pica clavada en la superficie del terreno;

- unidad de operación (unidad OP): dispositivo electrónico de control, situado sobre la pared trasera fija del cabezal de corte y conectada con los electrodos y la totalidad del sistema, para realizar la regulación automá tica y la medición de las tensiones e intensidades de las corrientes (Fig. 3);

- rotor elé ctrico con contactos deslizantes para transferir señales desde los ú tiles de corte (cortadores)A0 a la unidad de operación;

- cable de datos y repetidor entre la unidad de operación, el PC (ordenador personal) de control y losmonitores de ordenadores esclavos;

- sensores de recorrido de avance y de rotación del cabezal para establecer el posicionamientoexacto de los puntos de exploración I0,

- PC (ordenador personal) de control con programas de guiado y de procedimiento (Fig. 4) y funciones de comunicación de los datos situado en el barracón-oficina de obra en Ginori,

- dos monitores de ordenadores esclavos, con programa de visualización continua de los datos recogidos (Fig. 2), instalados en la cabina del operador de la tuneladora y en el barracón-oficina de obra.

Fig. 3: Unidad operativa BEAM instalada sobre la pared trasera fija del cabezal de corte de la tuneladora

En la Fig. 2 se muestra un ejemplo de visualización en el monitor esclavo durante la excavación del

tú nel de Gironi. En el grá fico GCI (indicador de cambio de terreno), el eje horizontal es una escala

mé trica relativa con su posición cero aproximadamente en el frente de excavación, los datos del

terreno recogidos hacia delante (los valores má s recientes) está n a la derecha y los datos históricos a

la izquierda. Dado que la distancia de detección del sistema BEAM hacia delante en el tú nel de Ginori

era aproximadamente de 20 metros, un cambio de estructura geológica/obstá culo importante empieza

a modificar el valor GCI a unos veinte metros por delante del frente. El punto de comienzo de la

disminución cruza la marca 0 m (+/- 3-5 m) cuando el cambio estructura geológica/obstá culo

esté próximo al frente. Con objeto de facilitar la manipulación y la valorización, una franja de color

naranja indica una disminución importante de los valores recogidos. Si la línea azul del grá fico

desciende y permanece dentro de esta banda mencionada a lo largo de una distancia de al menos

varios metros, se puede esperar una zona de roca crítica tal como una falla con presencia de agua o

una zona fracturada. Los datos PFE proporcionados visibles en la representación del contorno del

tú nel se pueden considerar como una proyección en 2D de un volumen rocoso cilíndrico en 3D

por delante del frente de excavación.

La sección representa valores PFE promedios integrados. Los macizos rocosos u obstá culos

má s próximos al frente de excavación tienen en este promedio un peso específico mayor que los

objetos situados má s distantes. La detección de un cambio de terreno hace que se produzca un

cambio de color a medida que se excava el tú nel. Las heterogeneidades y anomalías laterales pueden

tambié n ser identificadas por un cambio de color y de los contornos de isolíneas.

Fig. 4: Programa de control del sistema BEAM: medició n automá tica de la resistencia dela roca durante la excavació n, arriba a la derecha: cortadores aislados; en verde = cortador que actúa como electrodo activo; en azul a la izquierda = recorrido efectuado

En la Fig. 5 se representa un ejemplo de predicción del terreno a encontrar por delante del frente de

excavación y de la documentación producida correspondiente al recorrido efectuado entre los p.k.

1.560 y 1.640, que permite las siguientes interpretaciones geológicas:

1) Macizo rocoso A: no se detectó cambio de terreno hasta los 1.570–1.575 m,

reconocimiento de valores PFE relativamente altos comprendidos entre 20-30 % que indican la

presencia de calizas poco fracturadas con de poca porosidad;

2) Predicción: se detectó un cambio de terreno dentro del macizo rocoso A debido a

que los valores PFE tendían a disminuir hacia los 1.570–1.575 m se esperaba encontrar en los

siguientes 20 metros un macizo rocoso con presencia de agua, fracturado y cá rstico;

3) Documentación: aproximadamente a los 1.594 m (1.589–1.596 m), los valores PFE muy bajos

indican una anomalía (final del descenso de la curva PFE) que se puede interpretar como una zona

de falla con presencia de agua con fracturación relativamente elevada y caracterizada por

porosidad cá rstica y permeabilidad;

4) Macizo rocoso B: no se detectó cambio de terreno desde los 1.597 m hasta el final,

se reconocieron valores PFE bajos alredededor de 10–14 % que indicaron un acuífero

principalmente fracturado con presencia de agua.

Basá ndose en los resultados geoelé ctricos anteriores, la detección de una zona de falla con presencia

de agua a los 1.594 m desde el origen, se clasificó desde el punto de vista de la excavación como un

tramo hidrogeológicamente importante (Figuras 5 y 6). . Esta evaluación se confirmó al encontrarse

posteriormente grandes cantidades de agua y dificultades en la excavación, es decir velocidades

de avance reducidas, en la zona correspondiente de la traza.

Fig. 5: Presentació n de resultados obtenidos por el sistema BEAM en su previsió n dediferentes condiciones de terreno a lo largo de un tramo del túnel de Ginori excavado con tuneladora.

4.2 Excavació n con Perforació n y Voladura del Túnel de Base de Lö tschberg

En un tramo corto excavado con perforación y voladura llevado a cabo en el tú nel de base de

Lötschberg (Suiza) se llevaron a cabo mediciones de prueba con un equipo BEAM móvil.

El sistema BEAM aplicado al sistema de excavación con perforación y voladura estaba compuesto por

los siguientes componentes (Fig. 6):

- bulones de anclaje (próximos al frente) unidos entre sí por un cable y utilizados como

electrodo A1 para introducir la corriente protegida I1, el diá metro de A1 es aproximadamente 16 m

(diá metro del tú nel de unos 10 m má s la longitud de los bulones de 2 x 3 m de largo alrededor de la

sección del tú nel);

- como electrodo A0 se utilizó una varilla de perforación del jumbo robotizado para introducir

en el frente una corriente de control I0 a travé s de puntos independientes de diferentes barrenos

(puntos de investigación A0). El jumbo estaba aislado del suelo por planchas de madera colocadas

bajo los apoyos metá licos;

- electrodo B para recoger la corriente de retorno que se pone en contacto con el terreno a unos

cientos metros por detrá s en el interior del tú nel ya excavado;

- un conjunto portá til de unidad operativa portá til con baterías situado en el jumbo durante la

fase de perforación de barrenos y la fase de medición

Fig. 6: Esquema del BEAM en el caso de excavació n con voladura en el túnel de base de Lö tschberg y representaciones de la secció n del frente mostrando el reparto de los porcentajes PFE en el macizo rocoso por delante del frente

Unidadoperativa BEAM

Jumborobotizado

Electrodo A0 (+)

Revestimiento de hormigón proyectado con elementos metá licoso bulones de anclaje = electrodo A1 (+)

Electrodo de retornoB (-)

La exploración del geofísica del terreno obtenida por delante del frente se pudo comparar

posteriormente con las representaciones de la sección del frente de excavación obtenidas

posteriormente y se pudieron destacar los siguientes resultados (Fig. 6):

- un aumento de la proporción de las zonas con altos valores PFE dentro de los tres frentes

medidos a lo largo de la excavación, que indicaban un cambio del terreno por delante del frente,

de calizas secas a margas arcillosas;

- se pudo determinar la interfaz entre dichas formaciones a unos 65 m por delante del ú ltimo

frente medido.

4.3 Perímetro de Exploració n del Túnel de Irlahüll

En el marco de una investigación previa para la localización de cavidades cá rsticas en el entorno

de los tú neles existentes de la nueva línea alta velocidad Nuremberg-Ingolstadt (Alemania),

se probaron varios mé todos geológicos. Los ensayos se llevaron a cabo en diferentes zonas del tú nel

de Irlahüll en el que durante la excavación se cortaron varias cavidades abiertas, pero que no eran

conocidas por los contratistas geofísicos.

Fig. 7: Esquema del sistema BEAM de exploració n de perímetros, adquisició n de datos yrepresentació n del contorno PFE de la solera izquierda y del hastial izquierdo de un tramo del túnel de Irlahüll

Electrodo de retornoB (-)

Revestimiento de hormigón proyectado con elementosmetá licos o bulones de anclaje = electrodo A1 (+)

Frente

Anomalías detectadas (cavidades abiertas)

Electrodo A0 (+) varillas de perforación

El sistema de exploración de perímetro BEAM consta de los siguientes componentes (Fig. 7):

- revestimiento exterior de gunita de la armadura metá lica utilizada como electrodos A1 para introducir

una corriente protegida I1;

- perforadoras manuales utilizadas como electrodos desplazables A0 para introducir la corriente de

control I0 a travé s de pequeños barrenos en la gunita; los barrenos se perforaron segú n un esquema

de puntos parcialmente establecido, utilizando una cesta de elevación (Fig. 7);

- electrodo B de corriente de retorno para establecer contacto con el terreno a varios cientos metros

dentro del tú nel o a la superficie del suelo;

- conjunto portá til de unidad operativa con baterías instalado en el vehículo de mediciones.

La detección que se obtuvo de cavidades abiertas fue posible gracias a las anomalías PFE negativas

detectadas en todos los puntos de ensayo (Fig. 7), por lo que Geohydraulik Data GdbR fue quien obtuvo

el encargo realizar de las investigaciones del perímetro de tres tú neles cuya longitud totalizó 11.700 m.

5 Características y Ventajas del BEAM

· predicción automá tica y continua de alta resolución por delante del frente y exploración del perímetro de excavación en curso

· resultados fiables en tiempo real que permiten decisiones rá pidas in situ

· aplicable en todo tipo de tuneladoras para rocas duras y terrenos blandos y en excavación con perforación y voladura

· primero y ú nico mé todo geofísico que se puede utilizar en tuneladoras para rocas duras y para investigar el terreno sin perturbar ni interrumpir la excavación

· distancia de predicción, igual a hasta 5 veces el diá metro del tú nel por delante del frente

· detección prematura (alarma), localización y valoración de los cambios de terreno (por ejemplo fallas, estructuras cá rsticas, zonas con presencia de agua)

· clasificación hidrogeológica y geoté cnica, y documentación

· valoración del material excavado para utilizarlo posteriormente en obras de minería o de construcción

· utilización tambié n en tuneladoras que trabajan en geologías complejas y en á reas urbanas

· rendimientos de avance muy elevados

· seguridad y revestimiento óptimos incluyendo medidas preventivas

· prevención de accidentes inherentes a la excavación con tuneladora y al derrumbamiento del tú nel

· no hay interrupciones de la excavación originadas por perforaciones en el frente hacia delante

· opciones para aplicaciones futuras: sistemas basados en el terreno, sistemas basados en el agua, predicción durante la excavación en curso, diagrafías durante el jet grouting (inyección de mortero a presión)

6 Referencias de Proyectos del Sistema BEAM