Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona

ESTUDIO SOBRE LA INSTRUMENTACIÓN EMPLEADA EN OBRAS DE METRO. CASO DE LA LÍNEA 9 DEL METRO DE BARCELONA Nombre: Sergio Poza Fernández Escuela: ETSECCPB Titulación: Ingeniería Técnica de Obras Públicas Cógido de Proyecto: 708-TRE-OP-4542 Tutor: Josep Suriol Castellví Fecha de entrega: Mayo de 2010 ESTUDIO SOBRE LA INSTRUMENTACIÓN EMPLEADA EN OBRAS DE METRO. CASO DE LA LÍNEA 9 DEL METRO DE BARCELONA Autor: Sergio Poza Fernández Tutor: Josep Suriol Castellví RESUMEN En las grandes obras lineales, como el caso de la Línea 9 de Metro de Barcelona, donde las excavaciones representan un elevado volumen de tareas, es necesaria la instalación de una instrumentación para verificar que el progreso de la obra se efectúa dentro de los criterios establecidos en el proyecto. Una de las tareas básicas a realizar en el ámbito de la instrumentación es la de garantizar la seguridad en la obra, tanto para la empresa constructora como para terceras personas implicadas. Para un correcto control de la instrumentación, son necesarios técnicos formados en la materia, que, aparte de tener un conocimiento de los instrumentos, también lo tengan sobre el comportamiento del terreno y de los diferentes tipos de estructuras presentes en la obra. Todo esto es necesario con el fin de que se pueda hacer un análisis global de cada una de las diferentes situaciones y saber en cada momento cuál es la forma óptima de actuación. El propósito de este trabajo es dejar constancia del modo de proceder en la instrumentación y toma de datos en las obras en el dominio de la ingeniería civil. Para ello se explica detalladamente todo el proceso que se realiza, paso a paso, gracias a la experiencia adquirida y a la información facilitada por la empresa APPLUS+, fundamentalmente en los temas de frecuencias de lectura y formas de instrumentar la obra objeto de estudio. En el capítulo 1 se lleva a cabo una descripción detallada de cada uno de los instrumentos, así como cuáles son los parámetros que se miden en cada tipo de instrumento y cómo hacerlo de forma correcta. Una vez conocidas las herramientas de trabajo, en el Capítulo 2 se procede a la explicación de los procedimientos de instrumentación, que constituye la base principal de este estudio. En dicho capítulo se explica el porqué de cada una de las formas de instrumentar, el ámbito de aplicación y las frecuencias de lectura apropiadas a cada caso. Por último, en el Capítulo 3, se analizan los casos concretos de la pérdida de volumen de una sección determinada, de una pantalla en el caso de una estación y del nivel freático en una determinada zona de actuación de la Línea 9; concretamente del tramo Aeroport - Parc Logístic. STUDY ABOUT THE INSTRUMENTATION USED IN UNDERGROUND’S CONSTRUCTION. CASE: LINE 9 FROM BARCELONA Author: Sergio Poza Fernández Tutor: Josep Suriol Castellví SUMMARY In the great linear building, as in the Line 9 from Barcelona’s case, where excavations requires a high volume of tasks, it is necessary to install instrumentation to verify that the progress of the work is done within the project parameters. One of the basic tasks to perform in the field of instrumentation is to ensure safety at the building, both for construction company and third parties involved. Hight qualified technicians are needed for a proper control of the instrumentation. Technicians that, besides having a knowledge of the instruments, they also have a huge knowledge about the terrain’s behaviour and the different types of structures in the building. All this is necessary in order to make an analysis of each of the different situations and to know which it’s the best way to proceed. The purpose of this study is to reflect the way to proceed in instrumentation and data acquisition’s tasks on civil engineering buildings. The whole process it’s explained in detail, step by step, thanks to the experience acquired and the information provided by the company APPLUS+, primarily in the areas of reading frequency and the ways to instrument the building under consideration. Chapter 1, it’s a detailed description of each instrument and the parameters that are measured with and how to do it correctly. Once we know the tools, Chapter 2 it’s the explanation for instrumentation procedures, which are the primary basis for this study. This chapter explains the meaning of each one of the ways to instrument, its proper use and its lecture frequencies according to each case. Finally, Chapter 3 examines specific cases of loss volume from a particular section, first, a screen in the case of a station and the water table in a particular area of operation of Line 9, specifically the section Aeroport – Parc Logístic. AGRADECIMIENTOS En estas pocas líneas, quiero transmitir mis más sinceros agradecimientos a todas aquellas personas que han hecho posible que, tanto mi carrera, como este trabajo final, hayan podido cumplirse. Quiero dar las gracias, en primer lugar, a mi familia, por haber estado siempre presente a lo largo de toda mi carrera universitaria, prestándome su apoyo en todo momento. También debo mis agradecimientos a mi Tutor de Proyecto, el Sr. Josep Suriol, por haberme tutorado este trabajo y por el excelente trato recibido, mostrándose siempre dispuesto a ayudarme. Cómo no, también he de agradecer a mi actual empresa APPLUS+ y las otras pertenecientes a la UTE AUSCUL 9, el apoyo mostrado y a todos mis compañeros de faena, y concretamente a Joan y Susana, por la disposición y la ayuda que me han ofrecido. ÍNDICE INTRODUCCIÓN.............................................................................................................1 1. TIPOS DE INSTRUMENTOS Y SUS CARACTERÍSTICAS.................................3 1.1 Instrumentación profunda..................................................................................3 1.1.1 Piezómetro abierto.........................................................................................3 1.1.2 Piezómetro de cuerda vibrante ......................................................................5 1.1.3 Extensómetro incremental.............................................................................7 1.1.4 Inclinómetros vertical y en pantalla...............................................................9 1.1.5 Hito profundo de nivelación ..................................................................11 1.2 Instrumentación superficial .............................................................................12 1.2.1 Hito de nivelación simple .................................................................12 1.2.2 Hito de asfalto...................................................................................13 1.2.3 Hito combinado.................................................................................14 1.3 Instrumentación estructural .............................................................................15 1.3.1 Tiltmeter/Clinómetro........................................................................15 1.3.2 Célula de presión total y Extensímetro de cuerda vibrante...........................................................................................17 1.3.3 Fisurómetro potenciométrico............................................................21 1.3.4 Prisma manual...................................................................................22 1.3.5 Hito de vía.........................................................................................23 1.3.6 Convergencias mediante cinta extensométrica.................................24 2. PROCEDIMIENTOS DE INSTRUMENTACIÓN..................................................26 2.1 Ámbito de aplicación de la instrumentación ...................................................26 2.1.1 Control de edificios...........................................................................28 2.1.2 Control del terreno en superficie y en profundidad..........................32 2.1.2.1 Control en superficie ............................................................32 2.1.2.2 Control en profundidad.........................................................34 2.1.3 Control de las estructuras de soporte de la excavación..............................................................................................40 2.1.4 Control de galerías de conexión........................................................44 2.2 Formas habituales de instrumentar las obras más representativas .......................................................................................................45 2.2.1 Secciones de túnel de línea...............................................................45 2.2.1.1 Sección instrumentada tipo completa...................................46 2.2.1.2 Secciones instrumentadas para casos puntuales...........................................................................................48 2.2.2 Estaciones y pozos............................................................................49 2.3 Frecuencias de lectura......................................................................................53 2.3.1 Frecuencias en función de la tuneladora...........................................53 2.3.2 Frecuencias según la fase del proceso constructivo de una estación o pozo ......................................................... 55 3. ANÁLISIS DE LOS VALORES OBTENIDOS........................................................57 3.1 Análisis de una sección de túnel de línea ........................................................57 3.2 Análisis de una estación de metro ...................................................................61 CONCLUSIONES...........................................................................................................65 ANEJOS ...........................................................................................................................67 BIBLIOGRAFÍA.............................................................................................................83 Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -1- INTRODUCCIÓN Ante la construcción de obras subterráneas, en las que se realicen excavaciones, bien sean de forma tradicional o con tuneladora, hay que hacer frente a situaciones inesperadas, pues se trabaja con elementos, como son los suelos y rocas, que no presentan condiciones uniformes ni homogéneas. Las propiedades del terreno y su comportamiento nunca son exactamente conocidas, además de que la naturaleza de los movimientos y tensiones varían de un punto a otro, por lo que surge la necesidad de instalar una instrumentación que permita contrastar experimentalmente las hipótesis iniciales y modificarlas, si fuera preciso. Dados los límites del conocimiento y la experiencia en obras realizadas con anterioridad, siempre será necesario organizar un procedimiento de observación y seguimiento, con objeto de adaptar el proyecto a la realidad y definir una adecuada instrumentación que permita a los expertos profesionales servirse de ella. Hay que ver con antelación el comportamiento global del terreno y de las estructuras, para prever las diferentes situaciones que se puedan producir y poder seleccionar los parámetros de auscultación requeridos. Asimismo, se deben elegir cuidadosamente los instrumentos que permitan medir con garantía y sencillez las magnitudes precisas. Todo ello repercutirá en ahorro de tiempos, costes y seguridad, si se hace de forma correcta. Cuando hay estructuras ajenas a la obra, pero que entran dentro de los límites de afección definidos, como serían viviendas, servicios o carreteras entre otros, es necesario controlar el efecto que las obras pueden provocar sobre ellas para que, en caso de que les afecte, poder detectar el problema a tiempo y tomar las medidas necesarias, bien sea reforzar las estructuras, cambiar los parámetros de trabajo de la tunleladora o incluso poder llegar a cambiar el trazado de la obra lineal, en caso de que sea necesario. En cuanto al control de la propia obra, se instrumenta para tener un control antes, durante y después de la ejecución y así poder ir avanzando en el proceso constructivo, comprobando que los esfuerzos y deformaciones que sufren los diferentes elementos se corresponden con los calculados en el proyecto y si no es así, tomar de nuevo las medidas necesarias para la estabilidad de la obra y la seguridad, tanto de la obra como de los trabajadores. Antes de empezar la ejecución de la obra, hay que instalar una serie de instrumentos que permitan saber el estado del terreno, para poder disponer de unos valores a los que referenciarlos posteriormente. Durante la ejecución de la obra, dichos instrumentos permitirán observar la evolución de ésta y, una vez acabada, se seguirán tomando mediciones, durante cierto periodo de tiempo, para ver que todo está estabilizado. Se establecen umbrales de movimiento que sirven para definir zonas de seguridad. El motivo de ello es fundamentalmente que el cliente compruebe que, a medida que el contratista avanza en su trabajo, se cumplen todas las previsiones y las medidas de seguridad. Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -2- Para poder cumplir este objetivo, es necesario que las medidas sean fiables y precisas y que sean analizadas convenientemente por técnicos formados en la materia, para que sea posible adoptar las adecuadas medidas correctoras. Conseguir medidas fiables no es tarea fácil, pues ya partimos de que es necesario obtener la primera lectura o medida cero con calidad y en tiempo adecuado y eso no todas las veces se consigue, ya que se trata de medidas relativas que han de ser analizadas en el momento en que se producen y aplicarlas de forma efectiva sobre los cálculos previamente realizados, para detectar anomalías con la mayor rapidez posible. Hay que tener cuidado a la hora de instalar los instrumentos, pues dicha instalación puede influir en el comportamiento de estos, repercutiendo en la calidad de los datos. Si esta tarea se deja en manos de personas inexpertas, poco competitivas e irresponsables, que no cumplan con todos los requisitos descritos anteriormente, podemos estar instalando de forma incorrecta la instrumentación y por lo tanto, obteniendo datos que no se corresponden a lo que realmente sucede. En definitiva, podemos decir que instrumentación y ejecución de obras tienen un estrecho lazo. Por un lado, la obra necesita de la instrumentación para avanzar con seguridad en su proceso y por otro, la instrumentación necesita la experiencia de las obras para progresar en su afán de mejorar y anteponerse a los inconvenientes antes de que estos no tengan remedio, de forma que no solamente valga el hecho de realizar la medición y obtención de los datos, sino que haya un exacto conocimiento de la situación para que, cuando se efectúen las lecturas, los técnicos responsables sepan el porqué de los valores. El objetivo de este estudio es explicar todo el proceso de la instrumentación en las obras, desde la instalación de los instrumentos, hasta la valoración de la situación. Para ello, se empezará definiendo cada uno de los instrumentos colocados en las obras, es decir, qué función cumple cada uno y cuál es su metodología de lectura, ya que, a lo largo del estudio, se hará referencia constantemente al tipo de instrumento. Una vez sabida la función que desempeña cada uno de los instrumentos, se proseguirá con los procedimientos de la instrumentación. En dichos procedimientos, se encuentra la base de este estudio, ya que, se explicarán los ámbitos de la instrumentación, para entender qué lugares y elementos se instrumentan; cómo se instrumentan las obras más representativas, para hacerse a la idea de las pautas de instrumentación y por último, qué frecuencia de lectura tenemos que llevar a cabo, en función del tipo de obra que tengamos; todo ello explicado con su porqué y sus esquemas o planos correspondientes. Por último, se expondrán los casos prácticos más representativos, analizando la gestión de los datos obtenidos en la obra y se finalizará con las conclusiones y recomendaciones a tener en cuenta de cara al futuro de la instrumentación. Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -3- CAPÍTULO 1 TIPOS DE INSTRUMENTOS Y SUS CARACTERÍSTICAS Los instrumentos utilizados en la Línea 9 de Metro de Barcelona se clasifican según su colocación dentro de la obra, pudiendo ser profundos, superficiales o estructurales. Al mismo tiempo, se hace una descripción de cada instrumento para entender qué función tiene cada uno, puesto que, a partir de ahora, serán mencionados con frecuencia. 1.1 INSTRUMENTACIÓN PROFUNDA Los instrumentos clasificados como profundos son aquellos que están instalados en el terreno a profundidades que oscilan entre 10 y 70 m. El proceso de su montaje en obra es el más complicado, ya que todos ellos requieren de un sondeo previo para su colocación. Gracias a ellos, se obtiene información del terreno en profundidad. 1.1.1 PIEZÓMETRO ABIERTO (PA) El piezómetro abierto es un instrumento que sirve para calcular el nivel freático del terreno sobre la vertical en la que estamos midiendo. Consta de un número determinado de tubos ensamblados cada dos o tres metros, dependiendo del fabricante. Normalmente todos los tubos serán ciegos, a excepción del último, que será ranurado para que el agua pueda filtrarse en su interior. En el caso de que haya acuíferos intermedios, entre la superficie del terreno y el punto inferior del sondeo, se colocarán tubos ranurados en la zona del acuífero (ver figura 1.1). PROCEDIMIENTO DE LECTURA La lectura de los piezómetros abiertos se realiza mediante una sonda piezométrica, que es una cinta métrica que, en la parte inicial, lleva un sensor, muy sensible al agua. Esta sonda tiene dos cables paralelos a lo largo de toda la cinta métrica y actúan como unos electrodos. Cuando los dos electrodos se ponen en contacto con el nivel de agua, se cierra el circuito eléctrico, activando el dispositivo mediante una luz y un pitido. Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -10- Figura 1.10 Foto de una tubería inclinométrica. Figura 1.11 Esquema de las direcciones de la tubería inclinométrica respecto al eje de medida. PROCEDIMIENTO DE LECTURA Se introduce la sonda inclinométrica dentro de la tubería correspondiente, según la dirección correcta, que siempre será la perpendicular a la estructura a medir. La sonda consta de dos ruedas superiores y dos inferiores que por un lado se encuentran más elevadas. Se deberán introducir una primera vez por el lado elevado según la dirección antes descrita y a continuación bajar la sonda hasta la base de la tubería. En la pantalla de la caja de lectura predomina un recuadro donde figura la profundidad a la que se encuentra la sonda y debajo están los parámetros A y B. Estos parámetros muestran los datos a registrar. Se hace coincidir la profundidad introducida con los metros marcados en el cable y se espera a que los datos de los parámetros A y B se estabilicen para presionar el botón. A continuación, hay que subir manualmente el cable, medio metro y volver a repetir la acción, cada medio metro, hasta llegar a la superficie. Se saca la sonda y en la caja de lectura configuramos la segunda vuelta. Inmediatamente, en la parte superior derecha de la pantalla, aparecerá el número 2 y la profundidad volverá a ser la inicial. Se repite el mismo proceso que en la primera vuelta. Figura 1.12 Equipo inclinométrico de lectura (cortesía de Applus+). Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -11- 1.1.5 HITO PROFUNDO DE NIVELACIÓN (HP) El HP es un instrumento que sirve para medir movimientos verticales del terreno a una determinada profundidad (coordenada z). Se trata de una barra de acero de 25 mm de diámetro, ensamblada cada 2 m y su lectura se lleva a cabo mediante un nivel topográfico, ayudado por una mira. Este instrumento tiene básicamente dos aplicaciones (ver figura 1.13): La instalación del HP hasta reposar en una estructura enterrada a unos metros de profundidad, para ver el asiento que sufre esta estructura, como por ejemplo, una losa de hormigón (a). La instalación del HP hasta alcanzar un estrato resistivo, ya que, los asientos en los terrenos poco resistivos no son proporcionales a los muy resistivos, de modo que, si se coloca en superficie, existe una falta de información en el estrato resistivo (b). (a) (b) Figura 1.13 Esquema de un hito profundo de nivelación. – (a) Hito profundo reposando sobre una estructura enterrada. – (b) Hito profundo reposando en un estrato resistivo. Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -12- 1.2 INSTRUMENTACIÓN SUPERFICIAL Como su nombre indica, en este apartado se hace referencia a los instrumentos instalados en superficie, no más profundos de 60 cm. Estos instrumentos sirven para obtener información del terreno únicamente a nivel de superficie. 1.2.1 HITO DE NIVELACIÓN SIMPLE (HN) El HN es un instrumento que se utiliza para el control de los asientos o movimientos verticales. Para la instalación del hito se realiza una cata. Está confinado en pequeños pozos cilíndricos de 40 cm de diámetro y 60 cm de profundidad, que quedan cubiertos con un cilindro de chapa metálica de las mismas dimensiones. En la punta del hito se rosca un clavo pequeño para facilitar el apoyo de la mira (ver figura 1.14). La lectura se realiza mediante un nivel tradicional, donde el instrumento de medida auxiliar (mira), se apoya directamente sobre la cabeza redondeada del clavo de acero que actúa como referencia de nivelación. Figura 1.14 Esquema de un hito de nivelación simple. Los HN, a parte de colocarlos en los lugares que la D.O. estipule, se han de colocar al lado de un extensómetro incremental (EI). Esto se hace por si se diera el caso de que el área de asiento fuera tan grande, que todo el EI asentase solidario con el terreno, de forma que, habiendo asentado, no se detectaría nada al realizar el ensayo extensométrico, ya que no habría movimiento relativo entre los anillos de éste; todos descenderían por igual. Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -13- 1.2.2 HITO DE ASFALTO (HF) El HF es un instrumento que presenta las mismas características que el HN, con la diferencia de que, físicamente son clavos, es decir, que se pueden llamar también clavos de nivelación (ver figura 1.15). Estos clavos se colocan cuando es imposible instalar un HN, bien sea porque no es posible hacer una arqueta, por temas de permisos, paso de vehículos, etc. Se utiliza básicamente en pilares, aceras y bordillos; lugares donde no suelen conceden permiso para realizar una cata. La lectura se realiza con un nivel topográfico y la mira se apoya directamente en el clavo de nivelación (ver figura 1.16). Figura 1.15 Foto de un clavo de nivelación. Figura 1.16 Esquema de lectura de un hito de asfalto. Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -14- 1.2.3 HITO COMBINADO (HC) El HC es un instrumento que se utiliza para el control de los asientos y movimientos horizontales, es decir, que controlamos el movimiento en los tres ejes (x, y, z). Su instalación es semejante a la de los HN, con la diferencia de que estos llevan un hito hembra, empotrado unos 60 cm en el terreno, al cual se le rosca un hito macho que lleva acoplado un prisma (ver figura 1.17). La lectura se lleva a cabo mediante una estación total de topografía, enfocando directamente al prisma (ver figura 1.18). Figura 1.17 Foto de un hito combinado hembra al que se le acopla un prisma macho (cortesía de Applus+). Figura 1.18 Esquema de lectura de un hito combinado. Los HC, a parte de colocarse donde se haya estipulado en el proyecto, también será necesaria su colocación al lado de un inclinómetro vertical (IN), por si se diese el caso de que hubiese un movimiento horizontal de grandes dimensiones y todo el inclinómetro se desplazase, de forma que, al hacer el ensayo inclinométrico, no se detectase movimiento, ya que se habría desplazado todo por igual. Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -15- 1.3 INSTRUMENTACIÓN ESTRUCTURAL La instrumentación estructural es la instalada en estructuras, tanto implicadas en el proceso constructivo, como no implicadas, pero sí vinculadas a una posible afección. 1.3.1 TILTMETER / CLINÓMETRO (HK) Un HK es un instrumento estructural diseñado para medir pequeños movimientos, tanto del suelo, como de las estructuras. Se utiliza básicamente para ver el giro que sufren las paredes de los edificios cercanos a la obra, ya que estos se encuentran dentro de la zona de afección. Su mayor uso se da en edificios. Como se muestra en la figura 1.19, se tiene en cuenta dos planos, uno el perpendicular a la pared (1-3) y otro el paralelo (2-4). Consiste en un transductor sensible a la gravedad, instalado en el interior de una caja que, mediante un sistema de péndulo, mide la inclinación de la superficie en la que se apoya. (a) (b) Figura 1.19 Esquema de un tiltmeter. – (a) Esquema en 3D. – (b) Esquema en planta. PROCEDIMENTO DE LECTURA Para realizar las medidas, es necesario un equipo de lectura, que consta de un sensor servoacelerométrico monoaxial y una caja de registro de datos que, unida con un cable al sensor, da la medida de los ángulos (ver figura 1.20). Se emplean unas escaleras para acceder al dispositivo (en la mayoría de casos se instalan de forma que no puedan sufrir agresiones y se pueda acceder fácilmente). Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -16- (a) (b) Figura 1.20 – (a) Foto del sensor servoacelerométrico. – (b) Foto de la caja de lectura. Cortesía Applus+. El plato clinométrico, donde se fija el sensor, contiene dos direcciones preferentes (ortogonales entre ellas) que, con la ayuda de unos túmulos que contiene el mismo plato, se fija el sensor en estas direcciones. El sensor se ajusta con unas guías que lo fijan a estos túmulos y no lo dejan moverse. El plato de anclaje tiene marcadas las direcciones de medición, con 4 puntos numerados del 1 al 4. El sensor tiene un péndulo que en un sentido da valores de ángulos positivos (dirección preferente) y en el otro, valores negativos (ver figura 1.21). Figura 1.21 Foto del plato clinométrico metálico (cortesía de Applus+). El procedimiento, después de haber accedido al dispositivo, es básicamente mecánico. Se orienta el sensor con la dirección positiva hacia la estructura a auscultar y hacia la izquierda, apoyando la base del sensor en el plato. Se empieza en la dirección 1-3. Hay que esperar a que se estabilice y tomar el dato del lector en un soporte de papel. A continuación hay que repetir el mismo proceso en las otras direcciones. El eje principal 1-3 mide el giro que la pared hace sobre su perpendicular, mientras que el 2-4 mide el paralelo sobre si misma. Direcciones positivas: 1-3, 2-4 Direcciones negativas: 3-1, 4-2 Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -17- 1.3.2 CÉLULA DE PRESIÓN TOTAL Y EXTENSÍMETRO DE CUERDA VIBRANTE (A) CELULA DE PRESIÓN TOTAL (CPT) La CPT es un instrumento que se emplea para conocer las presiones totales radiales, en el trasdós de las dovelas, que componen el anillo de sostenimiento del túnel, por efecto del empuje del terreno (ver figura 1.22). Tiene una superficie activa conocida y dispone de un sistema de compensación de su presión interna. Figura 1.22 Esquema de una sección de túnel instrumentada con células de presión total (cortesía de Applus+). PRINCIPIO BÁSICO DE FUNCIONAMIENTO Su funcionamiento se basa en dos placas de acero, soldadas por su perímetro y rellenas de un fluido desgasificado. El espacio entre las placas se rellena de mercurio o aceite, aplicando un procedimiento especial, que garantiza la ausencia de aire en el interior de la célula (ver figura 1.23). Al aumentar la presión sobre las placas, aumenta la presión del fluido, que está conectado, mediante un tubo, a un transductor de presión de cuerda vibrante. Llevan asociadas un termistor para poder conocer la temperatura de la célula y así calcular los factores de compensación. Su medición en obra se lleva a cabo con un sensor de cuerda vibrante. Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -18- Figura 1.23 Foto del mecanismo de las células de presión total (cortesía de Applus+). CARÁCTERÍSTICAS La CPT tiene buena estabilidad a largo plazo, es resistente a la humedad y permite usar cables de lectura muy largos, para una mayor comodidad. Por otro lado, al ser un sistema hidráulico, es sensible a la temperatura. Cada anillo del túnel tiene un metro de ancho y está divido en siete dovelas; A1, A2, A3, A4, B, C y K, siendo ésta última la dovela de cierre. En cada una de estas dovelas se colocan dos CPT, excepto en la K, donde únicamente se pone uno. Todas ellas se disponen en el trasdós de la estructura (ver figura 1.26). (B) EXTENSÍMETRO DE CUERDA VIBRANTE (ECV) El ECV es un instrumento que se emplea para controlar la solicitación que provoca en la dovela la trasmisión de esfuerzos desde el terreno y la tensión en los puntos de unión entre anillos sucesivos, obtenido con el alargamiento o el acortamiento de las armaduras. Se coloca en las vainas de acero, para detectar su deformación. Puede ser trasversal o longitudinal (ver figura 1.24) Figura 1.24 Foto de un extensímetro colocado en una armadura (cortesía de Applus+). Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -19- PRINCIPIO BÁSICO DE FUNCIONAMIENTO El equipo lleva alojado, en su interior, un fino hilo de acero, sujeto longitudinalmente entre sus placas internas. La deformación del dispositivo, por contracción o elongación, se manifiesta en una disminución o aumento respecto de la tensión del hilo. Ante la actuación de un campo electromagnético, creado por una bobina exterior, el hilo, en un estado de tensión cualquiera, vibra con un periodo de resonancia proporcional a este estado de tensión (ver figura 1.25). De esta forma, se mide indirectamente la deformación del material al que está fijado el extensómetro, pudiéndose conocer a partir de ésta, la tensión a la que está sometido. Su colocación se efectúa solidarizándolo a través de unos pasadores que se fijan directamente a la armadura, empleando para ello una base posicionadora. Su medición se lleva a cabo con el lector de cuerda vibrante. Bobina Sensor CV Cable de conexión Soporte Figura 1.25 Esquema de un extensímetro. CARACTERÍSTICAS El ECV tiene buena estabilidad a largo plazo, alta resistencia a la humedad y a los relámpagos y posibilita el poder usar cables de lectura muy largos, para tener mayor comodidad a la hora de tomar lecturas. En las dovelas A1, A2, A3, A4, B, y C se colocan cuatro ECV; dos longitudinales y dos trasversales, de los cuales tres en el intradós y otro en el trasdós (ver figura 1.26). (a) Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -26- CAPÍTULO 2 PROCEDIMIENTOS DE INSTRUMENTACIÓN Descritos todos los instrumentos, desde qué se mide con cada uno hasta la forma de hacerlo, ahora hay que saber qué función ocupan dentro de la obra. Es por eso que, a continuación, se explicará el ámbito de uso, cómo instrumentar las obras más representativas y las frecuencia de lectura, en función de la distancia respecto a la cabeza de la tuneladora o de la fase de obra; todo ello explicado con su por qué. 2.1 ÁMBITO DE APLICACIÓN DE LA INSTRUMENTACIÓN Una vez sabidas las razones que llevan a instrumentar una obra y las características de cada instrumento, hay que saber dónde colocarlos para llevar a cabo el control de la obra y de las afecciones a terceros. Como se muestra en la figura 2.1, para la realización de ambos controles, se utuliza un sistema de coordenadas ortogonal al que referenciar los movimientos, con el origen situado en el punto donde el instrumento se encuentre en el momento de las lecturas. En el plano horizontal se definirán las coordenadas según el sistema U.T.M. (“Universal Transverse Mercator”). El sentido positivo de la dirección “x” indicará el Este geográfico y el sentido positivo de la dirección “y” el Norte. En cuanto a la cota topográfica “z”, se trata de la altura sobre el nivel del mar, en metros, a partir de la altura promedio del nivel del mar en la costa de la ciudad de Alicante. Figura 2.1 Esquema del sistema de coordenadas ortogonal. Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -27- Para poder referir los movimientos al trazado del túnel y, por lo tanto, longitudinalmente a las estaciones en el plano xy, se utiliza un sistema de coordenadas auxiliar que siga las direcciones horizontales, tanto paralelas (P) como perpendiculares (R) al eje del túnel y de las pantallas, definido de forma que el sentido positivo de la dirección R siempre está encarado al eje del túnel o, en el caso de pantallas, hacia la excavación y la dirección P siempre forma un ángulo de 90º en el sentido horario respecto a R (ver figura 2.2). Para el control de movimientos horizontales en las fachadas de los edificios por efecto de las obras, se define un sistema de coordenadas A y B como direcciones perpendicular y paralela respectivamente. Figura 2.2 Esquema del sistema de coordenadas auxiliar. Sobre las lecturas realizadas con los instrumentos de auscultación se definen unos límites de referencia para controlar la evolución de éstas a lo largo del tiempo y que el movimiento no sea superior al calculado. Estos límites varían en función del elemento a controlar (edificio, estructura o terreno) y del instrumento de control. De menor a mayor importancia son: - Límite de notificación. - Límite de preaviso. - Límite de atención. Los valores límites posteriormente expuestos están tomados por la D.O., a partir de la experiencia adquirida en otras obras del mismo calibre, como pueden ser la Línea 12 de Metrosur, en Madrid o el metro de Amsterdam. Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -28- Los valores expuestos son, en su gran mayoría, los válidos para la Línea 9 de metro de Barcelona, aunque cabe destacar que, puntualmente y con justificación suficiente, se podrán modificar y ajustar según las condiciones estructurales de la obra y el historial de deformaciones, siempre en común acuerdo entre Contratista y D.O. Los límites de referencia se fijan, en su mayor parte, respecto a la lectura cero (L0), lectura que se fijará con dos o tres medidas del mismo punto inmediatamente después de su instalación y con suficiente antelación antes del inicio de la obra auscultada. Los elementos básicos a auscultar, por todo lo citado con anterioridad, son: - Edificios. - Terreno (en superficie y en profundidad). - Estructuras de soporte de la excavación. - Galerías de conexión. 2.1.1 CONTROL DE EDIFICIOS El control de los desplazamientos que se den en los edificios cercanos a la obra durante la excavación, bien sea del túnel de línea, de los pozos o de las estaciones, será de vital importancia para la repercusión social y económica de la obra, dado que puede suponer la aparición de daños, debido al movimiento del terreno. Los parámetros de control serán los desplazamientos horizontales y verticales, giros y la evolución del tamaño de las grietas, si se dan. Para el control de los edificios será importante definir el área de influencia de la actividad constructiva, dado que condicionará el número de instrumentos a instalar y su disposición. En el caso de la excavación del túnel de línea, el área se define en base a la cubeta de asientos previstos en el proyecto y explicado posteriormente. En el caso de estaciones y pozos, las áreas de influencia dependerán de diversos factores como se muestra en la figura 2.3: (a) Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -29- (b) (c) Figura 2.3 Áreas de influencia para edificios cercanos a las excavaciones de estaciones / pozos. - (a) Pozo empotrado con suficiente clava de pantalla. - (b) Pozo excavado parcialmente en roca. - (c) Pozo resistente en colaboración con apuntalamiento. (Cortesía de Applus+). Para definir los límites de los parámetros de control de los edificios, hay que considerar factores como el tipo de edificio, el estado de conservación y la orientación respecto a la obra. Para el control de desplazamientos en edificios se colocan prismas, tiltmeters y fisurómetros. Como criterio general, los edificios situados dentro del área de influencia de los trabajos deberán tener un mínimo de tres prismas de control en su estructura y dos fachadas auscultadas. DESPLAZAMIENTO VERTICAL El desplazamiento vertical es el producido en la dirección “z”, tanto los ascensos como los descensos. Este movimiento se definirá para las medidas en superficie. Los valores de los límites son: Límite de notificación: ± 5 mm. Límite de preaviso: ± 15 mm. Límite de atención: ± 25 mm. Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -30- DESPLAZAMIENTO HORIZONTAL El movimiento horizontal lo calculamos como el módulo del vector “C”, resultante de la combinación de los movimientos “x” e “y”. Este módulo se calcula del siguiente modo: 22 yxC += Límite de notificación: 5 mm. Límite de preaviso: 15 mm. Límite de atención: 25 mm. DESPLAZAMIENTO HORIZONTAL DE LA LÍNEA DE FACHADA (A, B) El desplazamiento horizontal de la línea de fachada se trata del movimiento de cada uno de los dos planos de una fachada, el perpendicular y el paralelo, explicados en la descripción del instrumento tiltmeter. Los límites que tenemos en cuenta son: Límite de notificación: ± 2 mm. Límite de preaviso: ± 3 mm. Límite de atención: ± 4 mm. ASIENTO DIFERENCIAL El movimiento vertical diferencial entre dos puntos se define como la rotación, respecto al plano horizontal, de dos puntos situados en un plano vertical, en fachada y pertenecientes a un mismo edificio o estructura y que no estén separados por juntas estructurales (ver figura 2.4). Figura 2.4 Esquema de la deformación producida por el asiento diferencial entre dos puntos. (Cortesía de Applus+). Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -31- El movimiento vertical diferencial entre dos puntos de una misma estructura se calcula del siguiente modo: ( ) L zz tg ba ∆−∆ = θ donde: “L” es la proyección horizontal del segmento que une ambos puntos. “ a z ∆” y “ b z ∆” son el movimiento vertical medido en cada punto. Los límites de referencia son los siguientes: Límite de notificación: 1/1000 [ ( ) θ tg ] Límite de preaviso: 1/666 [ ( ) θ tg ] Límite de atención: 1/500 [ ( ) θ tg ] En los casos en los que la estructura acumule movimientos de magnitud importante, se considerará la opción de estudiar también el movimiento diferencial en la dirección horizontal. Para estos casos será necesaria una propuesta y un procedimiento específico para el cálculo de dichos desplazamientos. VELOCIDAD DE MOVIMIENTO VERTICAL U HORIZONTAL ENTRE DOS PUNTOS Será necesario tener en cuenta la velocidad de movimiento horizontal (G h ) o vertical (G z ), en especial en los prismas, para la medida de movimientos en los edificios. La velocidad de movimiento vertical se calcula según la expresión: ( ) ( ) t tztz G z ∆ ∆−∆ = 12 Para los límites de referencia, en el caso de lecturas automáticas, se utiliza el valor de la media diaria y un intervalo de tiempo de una semana. Los valores son: Límite de notificación: ± 3 mm/ 28 días. Límite de preaviso: ± 5 mm/ 14 días. Límite de atención: ± 8 mm/ 7 días. La velocidad de movimiento horizontal en la dirección del vector “C”, tendrá que ser estudiada para la instrumentación de las zonas donde se superen valores de preaviso en el movimiento vertical o en su velocidad. No hay unos valores establecidos de límites, debido a su menor importancia frente a los movimientos verticales. Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -32- APERTURA DE FISURAS El control de aperturas detectadas mediante la instalación de fisurómetros en estructuras o edificios existentes en la zona de influencia de trabajos de la obra no generará mensajes de prevención. Cada caso será analizado de forma específica en función de la situación relativa del edificio respecto a la zona de trabajos de la obra, la fase de ejecución de los trabajos de la obra, la historia de deformaciones producidas, la velocidad del movimiento, la tipología estructural del edificio al que está adosado el instrumento de medida y todas aquellas variables que puedan condicionar la interpretación de la situación. 2.1.2 CONTROL DEL TERRENO EN SUPERFICIE Y EN PROFUNDIDAD 2.1.2.1 CONTROL EN SUPERFICIE Los desplazamientos en superficie, tanto en la componente horizontal como en la vertical, pueden ser un indicio de desplazamientos en estructuras cercanas, y por lo tanto, los límites que se establezcan servirán para el control de las posibles afecciones en las edificaciones. El seguimiento de los desplazamientos del terreno en superficie se lleva a cabo mediante HN para medir asientos y HC para desplazamientos en las tres componentes (x, y, z). DESPLAZAMIENTO VERTICAL Límite de notificación: ± 5 mm. Límite de preaviso: ± 15 mm. Límite de atención: ± 25 mm. DESPLAZAMIENTO HORIZONTAL Límite de notificación: ± 5 mm. Límite de preaviso: ± 10 mm. Límite de atención: ± 20 mm. PÉRDIDA DE VOLUMEN La pérdida de volumen es un parámetro de control del movimiento que se genera en superficie, debido a la excavación y se evalúa mediante el análisis de los asientos producidos en dicha superficie. En entornos urbanos es un parámetro de control muy importante a tener en cuenta por su posible amplia área de afección. Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -33- Figura 2.5 Esquema de la cubeta de pérdida de volumen según las hipótesis de Peck. El valor de la pérdida de volumen se determina mediante las hipótesis de Peck (ver figura 2.5), asumiendo que los asientos que genera la excavación del túnel se pueden asimilar a una cubeta Gaussiana invertida y calculada con las siguientes ecuaciones: 2 2 2 i x MAXV eSS − ⋅= (1ª ecuación) donde: “S max” es el asiento máximo, S(x) en el eje del túnel. “i” es la distancia del punto de inflexión de la cubeta al eje del túnel, calculada como Hki ⋅ = , donde k es un parámetro asociable a las características geotécnicas del terreno y H es la profundidad del eje horizontal del túnel respecto a la superficie. “S v ” es el valor de asiento registrado en un punto de medida en superficie situado a una distancia x del eje del túnel. Integrando la ecuación se obtiene: iSV MAXS ⋅⋅= π 2 (2ª ecuación) Donde: “V s ” es el área correspondiente a la cubeta de asientos o la pérdida de volumen por m de túnel. La pérdida de volumen (V L ) se expresa siempre como porcentaje del área excavada, es decir, al final se obtiene la siguiente expresión: ( ) 100 2/ 2 2 ⋅ ⋅⋅ == D iS A V V MAX S L π π ; [ ] % (3ª ecuación) Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -34- Para poder estimar con fiabilidad el valor de la cubeta y minimizar los posibles errores de medida, es necesario tener unos cuantos valores de cada punto y un mínimo de 5 puntos por sección, si no hay factores externos que lo impidan. En cuanto a precisión y fiabilidad en la estimación de la cubeta, hay que disponer de valores de asiento medidos en superficie de magnitud suficientemente importante, como sería 5 mm, para considerar una fiabilidad suficiente de la lectura que permita discriminar errores. A partir del último parámetro, definido en la 3ª ecuación, se definirán los siguientes límites: Límite de notificación: ± 0,6 % Límite de preaviso: ± 1,2 % Límite de atención: ± 1,6 % 2.1.2.2 CONTROL EN PROFUNDIDAD Los desplazamientos o deformaciones del terreno en profundidad serán indicadores de los desplazamientos que se pueden trasmitir a la superficie. (A) TÚNEL DE LÍNEA Para la medida de estas componentes se instrumentarán secciones tipo transversales al trazado. Estas secciones están compuestas por EI, IN, PA y PCV. DESPLAZAMIENTO VERTICAL EN PROFUNDIDAD Los desplazamientos verticales del terreno se obtienen mediante el desplazamiento relativo de cada metro de tubería extensométrica. Los límites de control son una recta de pendiente proporcional a la profundidad del valor medido, así que diferenciaremos el punto inicial (base), del punto final (cabeza), con los siguientes valores: Cabeza de EI: Base de EI: Límite de notificación: ± 10 mm. Límite de notificación: ± 18 mm. Límite de preaviso: ± 15 mm. Límite de preaviso: ± 25 mm. Límite de atención: ± 20 mm. Límite de atención: ± 30 mm. DESPLAZAMIENTO HORIZONTAL EN PROFUNDIDAD Los desplazamientos horizontales del terreno se obtienen mediante el desplazamiento relativo de cada medio metro de tubería inclinométrica y están referidos a las coordenadas (P, R). Los límites de referencia en estos instrumentos están referidos al movimiento absoluto en cualquier punto de la pantalla, exceptuando los primeros metros en la base, pues es desde allí donde empieza la acumulación de movimientos, por lo que los valores tendrían que ser despreciables y no superar los límites siguientes: Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -35- Límite de notificación: ± 5 mm. Límite de preaviso: ± 10 mm. Límite de atención: ± 20 mm. NIVEL FREÁTICO El control del nivel freático se lleva a cabo mediante piezómetros. Es importante tenerlo controlado para saber la presión que el agua ejerce sobre el túnel, a medida que éste se va excavando. En la figura 2.6 se muestra una red de flujo bidimensional para explicar cómo y por qué se produce dicho flujo: Figura 2.6 Esquema de red de flujo bidimensional. En la figura 2.6 se representa una sección de terreno excavado por la tuneladora con el nivel freático en superficie, base impermeable y cotas tomadas respecto a la base, siendo de valor positivo el sentido ascendente. En color rojo se muestran las líneas equipotenciales, líneas donde todos los puntos tienen la misma altura piezométrica )( z u w += γ ϕ , que va creciendo desde el túnel hacia el exterior de forma radial. La base impermeable y la superficie también son líneas equipotenciales. Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -42- (B) ESTACIONES Y POZOS En los casos de estaciones o pozos se mira muy atentamente los posibles desplazamientos del tapón de fondo de Jet Grouting y la deformación de las pantallas, debida a la excavación de terreno. DESPLAZAMIENTO VERTICAL DEL TAPÓN DE FONDO El desplazamiento vertical del tapón de fondo, en el caso de que se produzca, se detecta gracias a la instalación de un hito profundo (HP), que irá clavado en el suelo hasta reposar en dicho tapón. Es importante tener controlado este posible desplazamiento, ya que en el tapón de fondo se podría producir un levantamiento, debido a las subpresiones de agua inducidas por la excavación del terreno, cosa que originaría una inestabilidad a la obra. Los límites a los que los referenciamos son los siguientes: Límite de notificación: + 8 mm. Límite de preaviso: + 12 mm. Límite de atención: + 15 mm. DESPLAZAMIENTO HORIZONTAL DE LAS PANTALLAS El desplazamiento horizontal de las pantallas se mide mediante inclinómetros en pantalla (IP). Durante la excavación de los recintos de tierra rodeados de pantallas, se producen movimientos horizontales en el trasdós de las pantallas, movimientos que repercuten éstas, que sufrirán una deformación al absorber el empuje del terreno. En el caso de que exista un puntal, en vez de tapón de fondo los límites de referencia a tener en cuenta dependerán de si es por encima de la base del puntal de Jet Grouting o en el pie de pantalla. Esto es debido a que, por debajo del puntal, al estar suelta la pantalla, la deformación que sufrirá por el movimiento del terreno será mayor. El puntal de Jet Grouting, a diferencia del tapón de fondo, se considera únicamente un elemento estructural, nunca de cierre y tiene aproximadamente 3 m de altura (ver figura 2.11). Figura 2.11 Esquema de un recinto de tierra con pantallas ubicadas en su perímetro y unidas mediante un puntal. Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -43- Por encima de la base del puntal: A pie de pantalla: Límite de notificación: ± 9 mm. Límite de notificación: ± 18 mm. Límite de preaviso: ± 13 mm. Límite de preaviso: ± 25 mm. Límite de atención: ± 15 mm. Límite de atención: ± 30 mm. En el caso de que exista tapón de fondo, la ley de esfuerzos de la pantalla varía, puesto que ya no está suelta en su parte inferior, sino que se considera un empotramiento la unión de la pantalla con el tapón de Jet. Los límites a tener en cuenta serán sobre el punto crítico de deformación de la pantalla, según está definido en el proyecto. CONVERGENCIAS Para medir las convergencias entre pantallas de elevada profundidad se instalan hitos combinados (HC) que midan en las tres direcciones (x,y,z) y se hará el seguimiento de la variación de la longitud de las cuerdas, formadas por cada conjunto de dos prismas. También se podrán colocar pernos en las pantallas y medirlos con la cinta extensométrica para tener valores de comparación. (Ver figura 2.12) Figura 2.12 Esquema de cuerdas de convergencias en un recinto circular rodeado por pantallas en todo su perímetro. Vista en planta. Los límites a tener en cuenta son los mismos que para el caso de convergencias en túnel de línea. Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -44- 2.1.4 CONTROL DE GALERÍAS DE CONEXIÓN El objetivo de este control es hacer un seguimiento de los esfuerzos a los que está sometida la galería y también controlar que esos esfuerzos coincidan con los teóricos estimados en la fase de proyecto. De forma general, la instrumentación de una galería, excavada con métodos tradicionales (ver figura 2.13), sirve para confirmar, durante la fase ejecutiva, los criterios de proyecto adoptados, permitiendo, en caso de necesidad, corregir un sostenimiento que no soporte adecuadamente las cargas del macizo. Por esta razón, los límites de los instrumentos usados en el control de una galería tendrán que ser definidos en base a las presiones y desplazamientos que sufra la galería. Figura 2.13 Esquema de galería de conexión. (Cortesía Applus+). DEFORMACIONES Los resultados de las deformaciones en los elementos de sostenimiento o revestimiento de las galerías se controlan con instrumentos inmersos en el interior de la estructura o adheridos en las armaduras; los ECV. Los límites de referencia son los mismos que los existntes para las deformaciones en túnel de línea de estructuras de soporte de la excavación. Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -45- PRESIONES Para medir la presión ejercida sobre el sostenimiento o revestimiento de la galería, se instalan células de presión en contacto con el trasdós de la estructura. Los límites de referencia son los mismos que los existentes para las presiones en túnel de línea de estructuras de soporte de la excavación. CONVERGENCIAS Para el control de la respuesta del revestimiento a las cargas trasmitidas se instalan prismas o pernos. Los límites de referencia son los mismos que los existentes para las convergencias en túnel de línea de estructuras de soporte de la excavación. 2.2 FORMAS HABITUALES DE INSTRUMENTAR LAS OBRAS MÁS REPRESENTATIVAS Dentro de todo el ámbito de una gran obra lineal, como es la Línea 9 de Metro, dejando de lado la instrumentación en los edificios, que es bastante simple, hay que analizar la forma de instrumentar las secciones de túnel de línea y estaciones o pozos, puesto que son las obras más frecuentes, las más complejas y las de mayor calibre. 2.2.1 SECCIONES DE TÚNEL DE LÍNEA Las secciones instrumentadas tienen múltiples utilidades y sirven para conocer bien la interacción terreno-máquina y son, por lo tanto, de gran importancia para saber cómo va evolucionando el movimiento del terreno, a medida que avanza la tuneladora. Su diámetro es de 9,4 m o de 12 m, dependiendo de la zona. Para tener la posibilidad de reaccionar según los desplazamientos observados en las secciones instrumentadas, éstas se ubican al principio de cada tramo de características litológicas nuevas, en el sentido de avance de las tuneladoras. Debido a los diferentes tipos de materiales y por lo tanto, de distintos tipos de definiciones geotécnicas, se han definido unas secciones instrumentadas tipo. La aplicación de estas secciones instrumentadas obedece a los criterios de posibilidad de implantación, ya que el trazado trascurre prácticamente en su totalidad por zona urbana y en gran parte de su recorrido no existen grandes avenidas o calles anchas para ubicar el túnel debajo. Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -46- 2.2.1.1 SECCIÓN INSTRUMENTADA TIPO COMPLETA (SI 1) Es el tipo de sección más completa y la que se aplica en la mayor parte de los casos. Sirve para ir del lado de la seguridad, ya que se controlan los asientos a lo largo de los ejes trasversal y longitudinal, los movimientos horizontales en la zona de mayor movimiento y, por último, el nivel freático. A continuación se explica cómo se instrumenta y su porqué (ver figuras 2.14 y 2.15). Extensómetro (3) Se coloca un EI en el eje del túnel hasta una profundidad de 2 m sobre la clave del túnel. Con este instrumento se mide el desarrollo del máximo asiento y su comportamiento en el tiempo, puesto que su ubicación se corresponde con el punto de mayor asiento. Otro EI a cada lado del eje del túnel, situado aproximadamente a 6 m de la dovela más alejada del eje del túnel. Su profundidad será de hasta 3 m por debajo de la solera del túnel. De esta forma se obtiene información sobre los movimientos internos del terreno en la zona donde empieza una clara afección y asegurarse de que, fuera de este límite, no se producen asientos destacables. Inclinómetro (2) Se coloca un IN a cada lado del eje del túnel, situado a una distancia de 3 m del muro lateral (punto de la dovela más alejado del eje) y a una profundidad de unos 3 m por debajo de la solera del túnel. Se intentan instalar de forma que queden alineados perpendicularmente con eje del túnel. Con estos instrumentos se pretende observar los desplazamientos horizontales, tanto al lado de la excavación del túnel, como en superficie y su comportamiento en el tiempo. Su ubicación coincide más o menos con el punto de inflexión de la cubeta de asientos, que se considera que es el punto que tendrá un mayor movimiento horizontal. Piezómetros (2) Se instala un PA a un lado del eje y un PCV al otro lado. Ambos instrumentos están ubicados a varios metros del EI más separado del eje, alejándose de éste. La profundidad será la misma que los EI e IN. Su punto de colocación no es tan preciso como los anteriores instrumentos, ya que la litología no suele cambiar en estos escasos metros. Con estos instrumentos podemos controlar las variaciones del nivel freático a medida que pasa la tuneladora, y controlar las subpresiones producidas por el flujo de agua generado al excavar el terreno. Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -47- Hito de Nivelación (15) e Hitos Combinados (2) Sentido trasversal al túnel: A cada lado del túnel se coloca un HN a 3 m del EI más alejado, uno a 8 m y otro a 18 m, es decir, que están separados entre ellos 5 y 10 m respectivamente. Estos instrumentos complementan a los EI, en cuanto a número de puntos de control de movimientos verticales del terreno, para poder calcular la cubeta de asientos. Sentido longitudinal al túnel: En cada uno de los sentidos un HN a 5 m del EI del eje, uno a 15 m y otro a 25 m, es decir, que están separados entre ellos 10 m. Estos instrumentos se colocan en el eje del túnel, por ser el mayor punto de asiento y también complementan a los EI, ya que se obtiene información de movimientos verticales en puntos a lo largo del eje, como si se tratara de minisecciones paralelas a la sección de la que estamos hablando. Referenciados a instrumentos: Un HN asociado a cada uno de los tres EI. Un HC asociado a cada uno de los dos IN. Figura 2.14 Esquema de la sección instrumentada SI 1. Vista en alzado. Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -48- Figura 2.15 Esquema de la sección instrumentada SI 1. Vista en planta. 2.2.1.2 SECCIONES INSTRUMENTADAS PARA CASOS PUNTUALES Existen otros tipos de secciones, aunque su aplicación no es habitual. En cuanto a la colocación de los instrumentos, la variación únicamente es en el sentido trasversal; en el longitudinal son todas iguales a la sección SI 1. SECCIÓN INSTRUMENTADA TIPO REDUCIDA (SI 2) Para la aplicación de este tipo de sección se considerará que los movimientos verticales serán obtenidos con suficiente precisión, mediante los HN, por lo que se prescinde de los EI laterales. La disposición de la instrumentación es la misma que en SI 1; a falta únicamente de los dos EI laterales. SECCIÓN INSTRUMENTADA TIPO MEDIA (SI 3) Esta sección se aplicaría en caso de simetría del terreno o inclinaciones muy pequeñas, tanto de la orografía, como del contacto de los estratos geológicos. Otro caso de aplicación sería la falta de espacio para desarrollar la sección completa, bien sea por la presencia de edificios u otras instalaciones superficiales. Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -49- La colocación de los instrumentos a un lado del eje del túnel es la misma que en la sección SI 1. Al otro lado únicamente se colocan HN. SECCIÓN INSTRUMENTADA TIPO EXTENSOMÉTRICA (SI 4) La implantación de este tipo de sección sería útil en zonas donde los desplazamientos verticales previstos son mucho mayores respecto a los horizontales y, significativos para la evaluación de los parámetros de ejecución y de los suelos excavados. La disposición de la instrumentación es como en la sección SI 1, a diferencia de que desaparecen los dos IN y se sustituyen por dos EI. SECCIÓN TIPO EXTENSOMÉTRICA REDUCIDA (SI 5) Este tipo de sección es la más incompleta de todas. Su aplicación sería para terrenos muy estables, donde no se previera grandes asientos verticales, ningún tipo de movimiento horizontal significativo y encima no hubiera espacio (por ejemplo debido a la presencia de edificios). La colocación de los instrumentos es como en la sección SI 4, con la diferencia de que faltan los dos EI laterales. 2.2.2 ESTACIONES Y POZOS Durante el proceso de construcción de una estación de metro o de un pozo, la obra pasa por varias fases, alguna de ellas bastante peligrosa como por ejemplo la de excavación, donde es muy probable que haya movimientos de tierras y asientos. Es por eso que, la instrumentación en estaciones y pozos (ver figura 2.16), está básicamente enfocada al proceso de excavación de la obra. Los criterios que se siguen para cada instrumento son los siguientes: Extensómetro Se colocan entre la estación y los edificios, a un mínimo de 2 m de estos últimos, para controlar los movimientos verticales que se puedan producir sobre el terreno, situado en el exterior del recinto. Otro lugar de instalación será entre pantallas, para ver cómo evoluciona el asiento durante las fases de jet y el paso de la tuneladora. Por último, es conveniente colocar uno en un extremo de la obra, para ver el asiento, tras el paso de la tuneladora. Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -50- Inclinómetro en Pantalla Se colocan en la armadura de los módulos de pantalla, para ver la deformación horizontal que sufre la pantalla, debido al empuje del terreno. Si no se dispone de la definición concreta de los módulos, se facilita la posición aproximada, sin especificar la numeración del módulo dentro del cual se quiere instalar el instrumento. La profundidad coincide con la del módulo. Todos van acompañados de un HC para detectar posibles desplazamientos en la cabeza. En las pantallas de entrada y de salida de la tuneladora, se instala un IP para ver la evolución del antes y el después del paso de ésta. Inclinómetro Vertical Se instala al lado de los edificios más cercanos a la estación. A partir de estos IN se pretende observar las afecciones que produzcan las obras de ejecución de la estación y el paso de la tuneladora sobre el terreno situado en el exterior del recinto entre pantallas. Estos IN también han de ir acompañados de un HC. Piezómetros en la zona interior de la obra La distribución de los piezómetros se hace de modo que se cubra al máximo la superficie de la estación comprendida entre pantallas. Los PA se suelen encontrar, por norma general, en la zona central y los PCV en los vértices. Las profundidades dependerán de la litología del terreno. También se ejecutan PCV dobles a cada banda de la hipotética zona de paso de la tuneladora. Las profundidades irán en función del tapón de jet, uno inmediatamente por encima del tapón y otro por debajo de éste. En un principio la estructura formada por el tapón de fondo de Jet Grounting se considera impermeable, por lo que se consideran dos zonas independientes. En el caso que la naturaleza del terreno sea bastante heterogénea (por ejemplo limosoarcilloso y limoso-arenoso), se colocan también PA cerca de estos PCV para contrastar las lecturas. Piezómetros en la zona exterior de la obra En el exterior se dispone de piezómetros de diferente tipología alrededor del recinto y fuera del ámbito del Jet Grouting. Con estos piezómetros se pretende observar si las condiciones de estanqueidad del pozo son efectivas y durante el bombeo interior no se producen variaciones en el exterior del recinto, en la zona más cercana a la estructura del tapón de fondo. Las profundidades a las que se lleve el control pizométrico vendrán dadas en función de los acuíferos, la base del tapón de fondo de Jet y la base de las pantallas. Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -51- En la zona central de la estación, en la dirección longitudinal de ésta, se sitúan PA, con el propósito de preveer el posible efecto barrera que ocasione la presencia de las pantallas en zonas de acuíferos. La profundidad vendrá dada por la profundidad del acuífero. En las zonas de los vértices de la estación, se ubicarán PCV a las profundidades correspondientes a la parte superior e inferior del tapón de fondo y la base de las pantallas, con el objetivo de detectar los posibles ascensos que puedan ser ocasionados por posibles infiltraciones, a través del tapón de fondo o de las propias pantallas de la estación. Topografía automática Para la auscultación de las estructuras situadas dentro de la zona de afección, se implanta un sistema de topografía total automática. Esta implantación se realiza teniendo en cuenta la propuesta técnica que emita la empresa de auscultación, la cual tiene que ser aprobada por la D.O. e incluye la definición del número y posición de las estaciones totales, así como las referencias necesarias para su posicionamiento. También se incluirán las posiciones de los prismas de las fachadas de los edificios a auscultar, así como las alturas. Topografía manual La topografía manual sólo comprende los HC asociados a los IN/IP y los HN asociados a los EI. En función de la evolución de las lecturas y del estado de la instrumentación en general, se evaluará y, si se cree conveniente, se indicará a la empresa de auscultación la necesidad de instalar una red de prismas manuales para observar la convergencia entre pantallas o deformaciones en el resto de estructuras de la estación. Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -58- A partir de las mediciones obtenidas, se genera una cubeta de asientos que matemáticamente, se asocia a una función Gaussiana invertida donde, según la teoría, el punto de máximo asiento se producirá en el eje del túnel. A partir de este punto, a medida que nos alejemos del eje, el asiento se verá reducido, siguiendo la función Gaussiana. Los gráficos mostrados a continuación demuestran que, efectivamente, el punto crítico de asiento se encuentra en el eje del túnel. En este punto se observa como, en tan solo 17 m de profundidad, se acumula un asiento de unos 7 mm (ver figura 3.1). Figura 3.1 Gráfico de la evolución del asiento producido en el extensómetro del eje del túnel, al paso de la tuneladora. A este último valor, se le añade el asiento detectado en el HN asociado y que el EI no detecta, puesto que éste último, sólo mide los movimientos relativos respecto a su cabeza; nunca detectará un movimiento en ésta. El movimiento total detectado fue de unos 6,8 mm de forma que, sumados a los del EI, se obtiene un asiento total cercano a 14 mm en el eje del túnel. Los gráficos de las figuras 3.2 y 3.3 muestran los asientos producidos en los hastiales del túnel, siendo estos claramente inferiores al anterior. Como se puede observar, el asiento acumulado en 29 m de profundidad es de unos 3,5 mm en el hastial izquierdo y de 4 mm en el derecho. En los HN asociados a los EI de los hastiales, se detectaron en torno a 2 mm de asiento, lo que suma un total de 5,5 mm en el hastial izquierdo y 6 mm en el derecho. Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -59- Figura 3.2 Gráfico de la evolución del asiento producido en el extensómetro del hastial izquierdo del túnel, al paso de la tuneladora. Figura 3.3 Gráfico de la evolución del asiento producido en el extensómetro del hastial derecho del túnel, al paso de la tuneladora. Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -60- Una vez conocidos estos valores, se hace el dibujo aproximado de la cubeta de asientos, tal como se muestra en la figura 3.4. Figura 3.4 Esquema de la cubeta de asientos del caso analizado. La distancia del eje del túnel al punto de inflexión ( i ), en los casos como éste, donde el túnel tiene un diámetro de 9,4 m, se considera de aproximadamente unos 8,2 m. Este valor se obtiene teniendo en cuenta que, para el caso de 9,4 m de diámetro, la distancia i está comprendida entre los 3 y 4 m, de forma que se coge un valor medio igual a 3,5 m, que, sumados al radio del túnel (4,7 m), dan los 8,2m. El resultado de calcular la pérdida de volumen de esta sección será: %42,0100 2 4,9 2,82014,0 2 2 22 =⋅       ⋅⋅ =       ⋅⋅ == m mm D iS A V V MAX S L π π π π Este valor es el porcentaje de pérdida de volumen del terreno respecto al área del túnel, por un metro de anchura. Una pérdida de volumen del 0,42% entra dentro del rango habitual en las secciones instrumentadas de la Línea 9 y es un valor muy aceptable. A partir de un 2%, es cuando la pérdida de volumen empieza a ser preocupante y saltan todas las alarmas. Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -61- 3.2 ANÁLISIS DE UNA ESTACIÓN DE METRO DEFORMACIÓN DE UNA PANTALLA Las pantallas son un elemento estructural de contención, ampliamente utilizadas en las obras de excavación. Se encargan de sostener el trasdós del terreno, a medida que se excava el intradós. Debido a la pérdida de terreno en uno de los lados, los estados tensionales del suelo dejan de estar en equilibrio, por lo que, el terreno del trasdós tiende a ceder, desplomándose hacia el intradós. Gracias a las pantallas se consigue que el terreno no se desplome, deformándolas éste último, según el planteamiento estructural que se haya adoptado. El ejemplo analizado se trata de una pantalla de base empotrada y con un solo anclaje. En la figura 3.5 se muestra un gráfico de la deformada de una pantalla con las características mencionadas. Figura 3.5 Esquema de la deformada de una pantalla anclada y de base empotrada. Al estar la base empotrada, no hay desplazamiento de ésta, al igual que ocurre en el punto de anclaje; ambos se mantienen en el punto inicial y no se deforman. Por el contrario, la zona situada entre la base y el anclaje, es la que sufre la deformación, ya que, es donde la pantalla absorbe todo el empuje del trasdós, impidiendo su desplome. Por último, la zona por encima del anclaje se deforma siguiendo la curvatura adoptada en la zona entre la base y el anclaje. Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -62- A continuación, se muestra un gráfico de la evolución que sufre una pantalla, en las obras de una excavación en una estación de la Línea 9 de Metro de Barcelona. Como se puede comprobar, gracias a la instrumentación colocada en el interior de dicha pantalla, se observa que la evolución de la deformación horizontal es la esperada (ver figura 3.6). Figura 3.6 Esquema de la deformación horizontal de un Inclinómetro en pantalla, de una pantalla anclada con empotramiento en la base. La línea azul celeste muestra cómo, la deformación antes de excavar, es nula y a medida que se excava, las tensiones aumentan progresivamente, hasta alcanzar los 15 mm de deformación, como indica la línea roja. Este valor aún no es motivo de emergencia, pero ya se tiene que empezar a tener en cuenta y hay que fijarse en su evolución. Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -63- NIVEL FREÁTICO El control del nivel freático es indispensable en cualquier obra que requiera de una excavación. El recinto de terreno entre pantallas que se proceda a excavar, tendrá que someterse a un bombeo previo del nivel freático, para rebajar la presión de agua. A medida que se excava, es necesario ir rebajando el nivel freático para evitar el sifonamiento, hecho que, si ocurre, puede ser catastrófico para la obra, pues el suelo perdería todo su confinamiento. A continuación, se muestra un plano de una estación de metro, en el término municipal de El Prat de Llobregat, donde se aprecia cómo los piezómetros abiertos PA-1 y PA-2, están ubicados dentro de recinto de terreno entre pantallas y por otro lado, los piezómetros abiertos PA-3 y PA-4, se encuentran fuera (ver figura 3.7). Figura 3.7 Plano de una estación de la Línea 9 de Metro de Barcelona, con dos piezómetros abiertos situados dentro del recinto entre pantallas y dos fuera de éste. Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -64- En la figura 3.8 se muestra la evolución de los cuatro piezómetros abiertos que aparecen en el plano anterior (figura 3.7). En los piezómetros PA - 1 y PA - 2, que son los que se encuentran dentro del recinto de terreno entre pantallas, su evolución es estable hasta la fecha 14/03/2010, donde se aprecia con claridad que se empezó a bombear, para su posterior excavación, ya que, en quince días el nivel freático, calculado en m.s.n.m., descendió de 1,5 a - 9 m.s.n.m., y de 1,5 a -7 m.s.n.m. respectivamente. Por el contrario, los piezómetros PA - 3 y PA - 4, no muestran cambios sintomáticos; únicamente ligeros cambios que pueden venir dados por recargas de agua, debido a las lluvias. Figura 3.8 Gráfico de la evolución del nivel freático en los piezómetros abiertos de una estación de la Línea 9 de Metro de Barcelona. Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -65- CONCLUSIONES Las siguientes conclusiones resultan de la experiencia obtenida durante dos años realizando las tareas de auscultación de la Línea 9 de Metro de Barcelona en la empresa APPLUS+. Con todo ello se desprende que: 1. Existe una gran variedad de instrumentos a instalar en la auscultación de las obras, por lo que es de vital importancia tener un amplio conocimiento de la función de cada uno de ellos, para saber qué instrumento hay que instalar, teniendo en cuenta la necesidad y el presupuesto. 2. El técnico en instrumentación debe tener también un conocimiento general sobre el comportamiento del terreno y de las diferentes estructuras, para saber qué elementos ha de instrumentar y con qué cantidad. Si no existe ese conocimiento, podemos encontrarnos ante obras que carezcan de instrumentación en puntos de interés o, por el contrario, obras sobredimensionadas en las que se gaste un dinero innecesario. 3. El control y la calidad de las lecturas son fundamentales, ya que éstas, son la base y el motivo por los cuales se instrumenta. Tanto un mal control de las frecuencias de lectura, como una mala calidad de ellas, llevarían a una situación en la que los datos obtenidos no serían un reflejo real de lo que está sucediendo. 4. Si se instrumenta correctamente una obra, se reproducen claramente las previsiones de la mecánica del suelo y, por lo tanto, cuando no se mida lo esperado, conviene precisar sobre cuál puede ser el problema subyacente, antes de que sea demasiado tarde. 5. En el análisis de los movimientos verticales, el parámetro más trascendente es la pérdida de volumen, sobretodo en obras de túnel que trascurren por un entorno urbano. Una pérdida de volumen más elevada de lo previsto puede provocar desplazamientos no previstos en las cimentaciones de los edificios y/u otras estructuras que entren dentro de la zona afectada. 6. En el análisis de movimientos horizontales se debe hacer hincapié en la evolución de las pantallas, puesto que, son éstas las que sujetan el terreno del trasdós, durante una excavación. La rotura de una pantalla por exceso de deformación podría tener consecuencias muy graves para la seguridad de la obra y de sus trabajadores. 7. En cuanto al nivel freático, cabe destacar su importancia en todas las obras y muy concretamente en los recintos de tierra entre pantallas. Un mal control del nivel freático puede originar problemas irreparables en una obra. Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -66- RECOMENDACIONES 1. Es muy conveniente disponer de protocolos bien definidos para el análisis de los datos, de forma que pueda darse una respuesta rápida y activar las alarmas que se hayan fijado en el protocolo evitando, así, problemas en la obra. 2. La relación y el traspaso de información entre la Dirección de Obra, la empresa de auscultación y el contratista deben de ser constantes, para que exista una buena coordinación de las tareas. Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -67- ANEJOS PROCEDIMIENTOS DE CÁLCULO DE LOS INSTRUMENTOS PIEZÓMETRO ABIERTO (PA) Lo que se busca con este instrumento es encontrar el nivel freático, es decir, la cota del agua respecto al nivel del mar. Las cotas de nivel freático siempre se toman en m.s.n.m. (metros sobre el nivel del mar). Inicialmente, se mide topográficamente para obtener las coordenadas U.T.M., tomando como referencia la parte superior del tubo piezométrico. La coordenada "z" indica la cota de la parte superior del piezómetro respecto el nivel del mar. A esta última cota, se le resta la medida obtenida con la sonda piezométrica, de forma que se puede saber cuántos metros hay de diferencia con respecto el nivel del mar. Para llevar a cabo este proceso, se usa Microsoft Office Excel. T1E SECCIÓ MARTÍ I POL (1) ETIQUETA (2) NOMBRE COMÚN (3) Cotas (4) Profundidad (5) SNACKS (7) Lectura (6) T1E09764L149PA300/W PA1 5,70444 30 0,824440 4,88 Tabla de cálculo de un piezómetro abierto (1): Tramo concreto de la Línea 9 donde se encuentra este piezómetro abierto. (2): Etiqueta del piezómetro abierto (*). (3): Nombre vulgar que se le da para referenciarlo en la obra. (4): Cota en m.s.n.m. de la parte superior del tubo piezómetro. (5): Profundidad del tubo piezométrico. (6): Lectura tomada en campo. (7): Cota del nivel freático en m.s.n.m. (llamada dato SNACKS). Para calcularla se aplica la ecuación siguiente: SNACKS(7) = Cota(4) – Lectura(6) NOTA: En este tipo de piezómetro, la profundidad no es necesaria para el cálculo del dato SNACKS, sólo se toma como referencia para poner la profundidad en la etiqueta. (*) - Nomenclatura de las etiquetas de los instrumentos (se usa éste como ejemplo): Tramo/PK./Lado respecto túnel/Distancia a eje túnel/Instrumento/Prof./Sentido Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -74- TILTMETER / CLINÓMETRO El objetivo de este cálculo es hallar el ángulo de inclinación del paramento instrumentado, comparándolo con el primer día que se instrumentó. Para estos cálculos se utiliza la siguiente hoja de cálculo Excel: T1E POLIESPORTIU Eje 1-3 (L0) 0,412 Eje 2-4 (L0) 0,290 Hoja medición Clinómetros Med. + Med. - Med. + Med. - Incl. Media Media lect. DIF Incl. Media Media lect. DIF Eje Fecha (1-3) (3-1) (2-4) (4-2) (A) (A) A (B) (B) B 27-11 0,388 -0,432 0,252 -0,333 0,410 0,293 - 27-11 0,372 -0,455 0,247 -0,329 0,414 0,412 0,000 0,288 0,290 0,000 2-12 0,36 -0,448 0,238 -0,326 0,404 0,282 - 2-12 0,361 -0,448 0,236 -0,326 0,405 0,404 0,008 0,281 0,282 0,008 Tabla de cálculo de un tiltmeter/clinómetro. - Anotación del ángulo inicial (L0) de cada una de las direcciones generales (1-3, 2-4). - De cada una de las cuatro direcciones se toman un par de lecturas. Inclinación Media (A): Semisuma de la diferencia entre las direcciones 1-3 y 3-1. Inclinación Media (B): Semisuma de la diferencia entre las direcciones 2-4 y 4-2. Media Lectura (A): Media de las dos “Inclinaciones Medias (A).” Media Lectura (B): Media de las dos “Inclinaciones Medias (B).” Diferencia (A): Diferencia entre la “Media Lectura (A)” y la L0 del eje general 1-3. Diferencia (B): Diferencia entre la “Media Lectura (B)” y la L0 del eje general 2-4. De esta forma se obtiene el giro que ha sufrido la estructura desde que se instrumentó. Los valores de giro obtenidos se expresan en grados sexagesimales. Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -75- CÉLULAS DE PRESIÓN TOTAL (CPT) El objetivo de este cálculo es saber la presión a la que está sometida la dovela de hormigón. Se emplea la siguiente hoja de cálculo Excel: CPT-A1-1 P CPT-A1-2 P µseg. Kp/cm2 µseg. Kp/cm2 L0 334,60 - 334,50 - 23-09-09 342,70 36,89 343,80 33,45 Tabla de cálculo de una célula de presión total. L0: Lectura tomada antes de instalar la célula en la dovela, es decir, a presión atmosférica. 6 2 1 2 0 10 11 ×        −×= TT KP ; [ ] 2 /cmKp donde: P = Presión obtenida en Kp/cm 2 K = Cte. de calibración de cada sensor, obtenida de la hoja de calibración del fabricante. T 0 = Periodo de vibración antes de la instalación de la célula (L0). T 1 = Periodo de vibración una vez instalada la célula. EXTENSÍMETROS DE CUERDA VIBRANTE (ECV) Para calcular la deformación de la estructura se emplea la siguiente hoja de cálculo Excel: ECV-A1 ε µseg. µm/m ECV-1 ECV-2 ECV-3 ECV-4 ECV-1 ECV-2 ECV-3 ECV-4 L0 787,4 786,9 803,5 795,4 - - - - 23-09-09 788,5 783,3 828,2 817,0 -18,3 60,4 -369,7 -335,0 Tabla de cálculo de un Extensómetro de cuerda vibrante. L0: Lectura tomada antes de instalar el extensímetro en la dovela. 9 2 1 2 0 10 11 ×        −×= TT K ε ; [ ] ./mm µ donde: ε = Deformación unitaria del extensímetro en µm/m. K = Cte. de calibración de cada sensor, obtenida de la hoja de calibración del fabricante. T 0 = Periodo de vibración antes de la instalación de la célula (L0). T 1 = Periodo de vibración tras la instalación de la célula. Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -76- FISURÓMETRO POTENCIOMÉTRICO Para saber la evolución que va sufriendo la fisura, se utiliza esta hoja de cálculo Excel: Lectura cero % 02/11/2009 51,8 mm 03/11/2009 51,8 0,00 04/11/2009 52,6 0,10 05/11/2009 53,7 0,30 06/11/2009 55,6 0,58 Tabla de cálculo de un fisurómetro potenciométrico. - LECTURA CERO (L0): Lectura tomada el primer día. - %: Valor obtenido con el lector, en tanto por ciento respecto al recorrido. - mm: Apertura de la fisura en mm., calculada de la siguiente forma: mm = (Lectura – L0) x Recorrido/100; [ ] % donde: Lectura = Lectura tomada después de la L0. Recorrido = Longitud máxima de la barra. CONVERGENCIAS MEDIANTE CINTA EXTENSOMÉTRICA (CCE) El objetivo es saber el incremento de distancias que se producen. Para ello usaremos la siguiente hoja de cálculo Excel: L0 7878,07 Cuerda (B-A2) Lectura Mitja ∆ Desplaz. Fecha (mm) (mm) Constant dia Mitja Variació 7878,11 6785,55 23-07-09 7878,03 7878,07 0,00 6785,56 6785,56 0,00 (L0) 7883,09 6787,04 14-8-09 7883,47 7883,28 0,65 6787,18 6787,11 1,56 7882,97 6788,54 12-09-09 7883,27 7883,12 1,96 6788,75 6788,65 3,09 Tabla de cálculo de las convergencias. Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -77- - L0: Media de las dos lecturas obtenidas el primer día. - Constante del día: Media de las dos lecturas realizadas cada día, antes de medir en obra. Se realiza siempre en el mismo sitio, por ejemplo, en la oficina, con dos argollas fijas. - Variación: Media obtenida en oficina – Media obtenida en oficina (L0). - Desplazamiento = Media cuerda B-A2 – Media cuerda B-A2(L0) – Variación. MATERIALES DE MONTAJE EN INSTRUMENTACIÓN PROFUNDA PIEZÓMETRO ABIERTO (PA) - Bomba de inyección. - Tubo piezométrico ranurado. - Tubo piezométrico ciego. - Tapón de fondo (no en todos los casos). - Agua. - Cemento. - Bentonita. - Arena o grava granulada. - Plomada (pesa normalmente de metal de forma cónica o cilíndrica que, mediante la cuerda de la que pende, marca la vertical). - Sonda piezométrica. PIEZÓMETRO DE CUERDA VIBRANTE (PCV) - Medias. - Malla geotextil. - Filtro del sensor. - Sensor de cuerda vibrante. - Cúter. - Hilo de pescar. - Cinta Adhesiva. - Plomada. - Agua. - Bentonita. - Arena o grava granulada. - Lector de cuerda vibrante. - Arqueta. - Bomba de inyección. Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -78- EXTENSÓMETRO INCREMENTAL (EI) - Tubo extensométrico. - Manguitos de unión. - Remachadora. - Roblón. - Silicona. - Cinta Adhesiva. - Cúter. - Tapón de fondo y de superficie. - Plumada. - Arqueta. - Taladro y broca. - Pistola de silicona. - Cola. - Guantes. - Caballetes. - Bomba de inyección. - Tornillos. - Destornillador. - Plantilla métrica. - Goma de sellado. INCLINÓMETRO (IN/IP) - Tubo inclinométrico. - Taladro y broca. - Manguitos de unión. - Pistola de silicona. - Remachadora. - Cola. - Remaches. - Tubo de PVC para hacer el negativo. - Silicona. - Bridas. - Cinta adhesiva. - Alicates. - Cúter. - Paños. - Tapón de fondo y de superficie. - Plomada. - Caballetes. - Arqueta. - Bomba de inyección. Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -79- PROCEDIMIENTOS DE MONTAJE EN INSTRUMENTACIÓN PROFUNDA PIEZÓMETRO ABIERTO (PA) Una vez que se ha perforado hasta la profundidad adecuada, se procede de la siguiente manera: -Verificar con una plomada que la profundidad del sondeo es correcta; como mínimo, a unos 50 cm por debajo del nivel de instalación (para el tapón de fondo). - Lavar cuidadosamente el sondeo hasta que el agua de lavado salga clara. - En caso de que la D.O. lo crea conveniente, podrá solicitar hacer un tapón de bentonita en el fondo del sondeo. - Comprobar la profundidad del sondeo de nuevo para ver si el tapón ha quedado bien colocado. - Levantar el revestimiento 70 cm, para evitar que éste se enganche con la bentonita. - Preparación del tubo ciego y del tubo ranurado para situar el filtro a la profundidad establecida. - Montaje e instalación del tubo piezométrico, uniéndolo con el tubo ciego hasta la superficie. Las uniones van enroscadas y encoladas. Los tubos piezométricos se van uniendo cada dos o tres metros antes de introducirlos en el sondeo. - Introducir arena o grava granulada (hasta 0,5 cm de tamaño máximo) para formar un filtro en el espacio granular, verificando la profundidad. La arena tiene que quedar a un mínimo de 20 cm por encima del filtro. - Sobre el filtro se coloca un tapón de bentonita. - El sondeo se acaba de llenar, a criterio de la D.O., con material inerte o con una mezcla de cemento y agua con una relación a/c de 0,5, evitando la entrada de agua y/o contaminantes no deseados. PIEZÓMETRO DE CUERDA VIBRANTE (PCV) Una vez se ha perforado hasta la profundidad adecuada, se procede de la siguiente manera: - Se introduce el filtro del sensor en un vaso con agua, con 24 h de antelación. - Acoplar el filtro lleno de agua con el sensor de cuerda vibrante y hacer una lectura cero de comprobación con el lector de cuerda vibrante. Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -80- - Verificar con una plomada que la profundidad del sondeo es correcta, como mínimo unos 50 cm por debajo del nivel de instalación. - Lavar cuidadosamente el sondeo hasta que el agua de lavado salga clara. - En caso de que la D.O. lo crea conveniente, podrá solicitar hacer un tapón de bentonita en el fondo del sondeo. - Comprobar la profundidad del sondeo otra vez. - Levantar el revestimiento 70 cm para evitar que éste se enganche con la bentonita. - Usaremos un recipiente para bajar el material. Se introduce la media en la malla geotextil, llenando con grava granulada los 25 cm de la base. A continuación, se introduce el sensor de cuerda vibrante en la media y se acaba de llenar con grava granulada toda la malla. Se cose con hilo de pescar, evitando que la grava salga de la malla y dejando una apertura para el cable. - Introducir una columna de 1 a 2 m de bentonita y verificar la posición con la plomada (tapón de fondo). Se introduce 1 m de grava granulada. - Bajar el conjunto (sensor de cuerda vibrante más malla geotextil) hasta la profundidad definida, ayudándose del hilo de pescar y asegurando el cable en superficie. - Se introduce 1 m de grava granulada y se sella con 2 m de bentonita. - Llenar hasta la superficie o hasta la cota deseada, a criterio de la D.O., con material inerte o con una mezcla de cemento y bentonita con una relación c/b de 0,9. - Esta operación de tapón de bentonita, más sensor de graba granulada y el tapón de bentonita, se repite tantas veces como sensores de cuerda vibrante se quieran instalar. EXTENSÓMETRO INCREMENTAL (EI) El primer paso es hacer un montaje previo del tubo extensométrico, en tramos de 3 m sobre unos caballetes del siguiente modo: - Se introducen tres anillos metálicos por cada tubo de 3 m, colocando el primero de ellos a 50 cm del extremo del tubo. Se separan 1 m entre ellos (utilizando la plantilla métrica) y se unen al tubo mediante cuatro tornillos. - En cada extremo del tubo se introduce una goma de sellado, encolando uno de ellos e introduciendo un mango de unión. - Se hacen cuatro agujeros en el extremo del tubo con el mango de unión y se unen con los roblones. Posteriormente, se sella la unión con silicona y cinta adhesiva. Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -81- Cuando se tienen montados todos los metros de tubo extensométrico, se pone el tapón de fondo en el extremo inferior. Una vez se haya perforado hasta la profundidad adecuada, se procederá de la siguiente manera: - Verificar con una plomada que la profundidad del sondeo es correcta, como mínimo unos 50 cm por debajo del nivel de instalación. - Lavar cuidadosamente el sondeo hasta que el agua de lavado salga clara. - Comprobar la profundidad del sondeo otra vez. - Levantar el revestimiento 70 cm para evitar que éste se enganche con la bentonita. - Instalación manual del tubo extensométrico con tapón de fondo, uniéndolo cada 3 m hasta la profundidad prevista. Esta unión se realiza en vertical, procediendo a unir los tubos del mismo modo que en el premontaje. Colocación del tapón de superficie. - El espacio del tubo extensométrico hasta la pared del sondeo se acaba de llenar con una mezcla de cemento, bentonita y agua, inyectada con la ayuda de la bomba. La proporción de bentonita en la mezcla es de un 4 % en suelos y de un 9 % en roca. INCLINÓMETRO (IN/IP) El primer paso consiste en el montaje previo del tubo inclinométrico, en tramos de 3 m, sobre unos caballetes, del siguiente modo: - Se hacen cuatro agujeros en el extremo del tubo y se une el mango de unión con los remaches. Posteriormente, se sella la unión con silicona y cinta adhesiva. - Cuando se tienen montados todos los metros de tubo inclinométrico, se pone el tapón de fondo en el extremo inferior. Una vez se ha perforado hasta la profundidad adecuada, se procede del siguiente modo: - Verificar con una plomada que la profundidad del sondeo es correcta, como mínimo a unos 50 cm por debajo del nivel de instalación. - Lavar cuidadosamente el sondeo hasta que el agua de lavado salga clara. - Comprobar la profundidad del sondeo otra vez. - Levantar el revestimiento 70 cm. Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -82- - Instalación manual del tubo inclinométrico con tapón de fondo, uniéndolo cada 3 m hasta la profundidad prevista. Esta unión se realiza en vertical procediendo a unir los tubos según la numeración asignada durante el premontaje. Colocación del tapón de superficie. - Se llena el espacio anular entre el tubo y el terreno con una mezcla de cemento, bentonita y agua, inyectada con la ayuda de la bomba. La proporción de bentonita en la mezcla es de un 4 %. En caso de instalar un inclinómetro en una pantalla: - Montaje del tubo de PVC como negativo: - Montaje del tubo uniendo las juntas con cola, roblones y sellándolas con silicona y cinta adhesiva. - Cortar el tubo de PVC en función de la profundidad de la pantalla y tapar el fondo y la cabeza con los tapones correspondientes. - Unir el tubo de PVC a la armadura de la pantalla con las bridas. - Llenar el tubo de PVC con agua antes de levantar la armadura. - Durante el proceso de hormigonado de la pantalla, es importante controlar que ésta se introduzca con el máximo de cuidado, para que no se doble y/o rompa el tubo. - Montaje del inclinómetro dentro de la pantalla: - Instalación manual del tubo inclinométrico con tapón de fondo uniéndolo cada 3 m hasta la profundidad prevista. Esta unión se realiza en vertical, procediendo a unir los tubos de la misma manera que al premontaje. - El espacio del tubo inclinométrico hasta la pared del negativo se acaba de llenar con una mezcla de cemento y agua con una relación a/c de 0,5, inyectada con la ayuda de la bomba. Estudio sobre la instrumentación empleada en obras de metro. Caso de la Línea 9 del Metro de Barcelona -83- BIBLIOGRAFÍA Alonso E., Gens, A. Eds. (1989) Instrumentación de obras, Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona. Cornejo, L., (1988) Excavación mecánica de túneles. Editorial Rueda, Madrid. Dunnicliff J., Green G. E., (1988) Geotechnical instrumentation for monitoring field performance. A Wiley-Interscience Publication, John Wiley & Sons, Inc. Sagaseta, C., Echave, J. M., Eds. (2008) Muros en pantalla en ámbito urbano, Jornadas Técnicas SEMSIG-AETESS, Universidad Politécnica de Cataluña, Barcelona. Análisis de los movimientos del terreno producidos por la excavación mecánica del túnel de la L9 en la zona de Santa Coloma de Gramenet. http://upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1/3270/5/52146-5.pdf Geotechnical Instrumentation. GEOKON, Inc. http://geokon.com SISGEO: Geotechnical Instrumentation Manufacturing Company. http://sisgeo.com