Nuevos métodos de la topografía cinemática en el levantamiento y la documentación de túneles

Eficiencia de la topografía cinemática aplicada a la ingeniería en los ejemplos de los túneles del San Gotardo (Gotthard- Basistunnel/Suiza) y del Arlberg (Arlbergtunnel/Austria).

La técnica de medición cinemática, la topografía desde vehículos en movimiento, ha llegado ya a un nivel técnico que permite el levantamiento topográfico de túneles existentes para aplicaciones de la ingeniería con alta precisión.

Artículo de Dr.-Ing. Gunnar Gräfe, 3D Mapping Solutions GmbH, Holzkirchen (Alemania) y Dipl.-Ing. Marc Bos, Geoconcept SL, Burjassot, Valencia (España).

Esto es aplicable para túneles ferroviarios y de carreteras. La tecnología subyacente es altamente innovadora y nueva en este ámbito de aplicación. Esta técnica abre nuevas aplicaciones en la documentación y el ensayo del estado de túneles en un espacio de tiempo mucho más corto y permite la realización de controles de aceptación con la ayuda de sistemas de medición de alto rendimiento. Los sistemas de medición de este grado de calidad están equipados con sensores para la determinación de alta precisión de la trayectoria así como con sistemas de cámaras múltiples y escáneres láser de alto rendimiento. Con la ayuda de estas técnicas de medición se puede digitalizar túneles en muy poco tiempo y con alta definición y evaluar los datos para una gran variedad de aplicaciones. Estos avances se van a presentar en dos ejemplos significativos que hasta ahora no han sido presentados de esta manera: los levantamientos del túnel del Arlberg y del nuevo túnel ferroviario del San Gotardo.

1. El sistema de medición

El levantamiento de ambos objetos ha sido realizado con el sistema de medición cinemático MoSES (Mobiles-Strassen- Erfassungs-System). Este sistema de medición montado sobre un vehículo está actualmente compuesto por los sensores para la determinación de la trayectoria, del sistema de cámaras múltiples y los escáneres láser.

1.1. Determinación de la trayectoria

En cada momento del levantamiento se registran de manera continua la posición (3D) y los ángulos de navegación (cabeceo, alabeo y acimut) del vehículo con la ayuda de un sistema autocalibrante para la determinación de la trayectoria. Para ello se procesan los datos del sistema inercial 3D, compuesto por 3 acelerómetros y 3 giróscopos y apoyado por un odómetro en un filtro Kalman altamente sofisticado. A raíz de la inexistencia de la señal GPS en los túneles a la trayectoria le falta el apoyo en la posición absoluta. Por lo tanto la georreferenciación ha de ser realizada mediante puntos de apoyo. Con la ayuda de puntos de apoyo con suficiente densidad se puede generar resultados cuya desviación estándar ronda en el entorno de la calidad de los puntos de apoyo.

Metodos topografía

Desde los datos láser se determinan coordenadas para los puntos de apoyo. Con la desviación con respecto a la coordenada del punto de apoyo se vuelve a retroalimentar el cálculo de la trayectoria mediante algoritmos específicos. En cualquier caso el resultado final puede llegar a la precisión de los puntos de apoyo. Si existen por ejemplo puntos de apoyo cada 50m con una precisión de 5mm, la desviación estándar final para los datos del levantamiento se mueve para la posición absoluta por debajo de los 5mm. La desviación estándar resultante del levantamiento generalmente es suficiente para aplicaciones de la ingeniería incluyendo el análisis constructivo.

La precisión relativa depende del sistema inercial y se mueve en el entorno de vehículo claramente por debajo del 0,1% de la distancia observada y por ello en torno a pocos milímetros al alrededor del vehículo. Con la presencia de una red de puntos de apoyo precisos la precisión relativa se convierte también en precisión absoluta. En el túnel de San Gotardo se ha alcanzado por ejemplo una desviación estándar de 4 mm (1 sigma) para todo el levantamiento cumpliendo así las precisiones requeridas para un punto singular del levantamiento.

1.2. Módulo de cámaras múltiples

La documentación del túnel mediante imágenes se realiza también si se requiere en paralelo junto con el levantamiento con los escáneres láser con hasta 10 cámaras monocromas altamente sensibles a la luz infrarroja. Las cámaras se pueden orientar individualmente para cubrir toda la sección transversal del túnel. La calibración integral del sistema permite la medición fotogramétrica en las imágenes. Con métodos fotogramétricos se puede obtener coordenadas tridimensionales a partir de las imágenes del módulo de cámaras múltiples, así como la atributación de los objetos siempre y cuando el objeto a medir esté visible en al menos 2 imágenes. Solo se puede determinar fotogramétricamente los objetos visibles en las imágenes. En la práctica por las limitaciones en la visibilidad pueden darse “huecos” en el registro de objetos que no son aptos para la extracción de datos. Estas zonas se ven minimizadas por el uso de un módulo de cámaras múltiples. La calidad de los puntos determinados fotogramétricamente depende de la precisión con la cual se pueden definir los objetos en las imágenes. En caso de limitaciones, por ejemplo en la iluminación, la precisión puede verse afectada. En general se logran precisiones entre 0,01 y 0,05 m.

1.3. Módulo escáner láser

En el vehículo MoSES se pueden emplear cinemáticamente hasta 4 escáneres láser de alto rendimiento. En proyectos en túneles normalmente 2 escáneres de alto rendimiento son suficientes. El alcance de medición llega hasta 100m con una frecuencia de medición de hasta 1 millón de puntos por segundo por cada escáner. Los escáneres láser de alta definición cubren un campo de visión de 360° y garantizan una precisión en la medición de distancia para un punto de medición inferior a 1mm. Para obtener distintas perspectivas se puede levantar el túnel en paralelo con dos escáneres láser. Esto permite la minimización de “sombras” en el caso de obstáculos y el aumento de la densidad de perfiles y también de la redundancia.

2. Los objetos del trabajo

Los objetos de los levantamientos han sido los objetos de infraestructura Arlbergtunnel (Austria) y Gotthard-Basistunnel (Suiza).

2.1. Arlbergtunnel

El Arlbergtunnel con sus casi 14km de longitud es el túnel de carretera más largo de Austria. Conecta Langen con St. Anton y ha sido puesto en servicio en 1978. Después de 35 años en servicio el túnel requiere un saneamiento urgente. Este saneamiento está previsto que se realice entre los años 2014 hasta 2017.

Para el inventariado detallado se ha realizado un levantamiento del túnel con el sistema de medición MoSES. En estos trabajos el túnel ha sido documentado en alta definición con imágenes y escáneres láser. El objetivo ha sido la determinación de la geometría y la infraestructura, así como la documentación de los daños estructurales visibles del revestimiento de hormigón. Para este fin el MoSES ha sido equipado con dos escáneres de alto rendimiento (cada uno de 200Hz y 1 millón de puntos por segundo) y 7 cámaras infrarrojas. Los escáneres láser servían para la determinación con alta definición de la sección transversal así como del registro de los objetos de infraestructura existentes. Con la ayuda de las cámaras de medición se realizó una documentación visual completa del interior del túnel de la cual con los métodos fotogramétricos se ha podido derivar el inventariado de la infraestructura (señales, etc.). Gracias a los puntos de apoyo cada 50m se ha podido alcanzar la precisión requerida inferior a 10mm en posición y cota. A partir de los datos del escaneo y también de la documentación visual se han calculado ortofotos para la completa sección transversal completa. Las ortofotos procedentes de los datos láser han servido para la documentación del inventariado por su uniformidad en la relación iluminación y contraste, mientras las ortofotos basadas en las imágenes de las cámaras de medición servían de base para cartografiar y documentar las grietas y fisuras.

Metodos topografía

2.2. Gotthard-Basistunnel

El Gotthard-Basistunnnel es un túnel ferroviario que todavía se encuentra en construcción y una vez acabado será el túnel ferroviario más largo del mundo con aproximadamente 57 km de longitud. Se prevé que la obra termine en diciembre de 2016. El Gotthard-Basistunnel está compuesto por dos tubos paralelos que en su mayoría han sido excavados con máquinas tuneladoras.

Para la determinación detallada de la geometría del revestimiento de hormigón los tramos terminados han sido levantados con el sistema de medición MoSES. Para ello el MoSES ha sido equipado con 4 escáneres de alto rendimiento con el fin de cumplir el requerimiento de una distancia de 5mm entre puntos en longitudinal y transversal. La desviación estándar máxima permitida debía ser inferior a 4mm. La base para la georreferenciación ha sido la red topográfica de la fase constructiva del túnel con una distancia entre puntos de aproximadamente 50m. La señalización de los puntos de apoyo se realizó con dianas especiales para el escaneo láser que se montaron en los pernos de los puntos topográficos. Para poder garantizar las desviaciones estándar requeridas por el cliente se ha levantado cada tramo 3 veces. Los primeros dos levantamientos han sido procesados y el segundo levantamiento ha servido como control independiente. El tercer levantamiento se ha guardado como “reserva”.

3. Resultados

Como resultado de los levantamientos de las obras de infraestructura se han obtenido nubes de puntos láser muy densas y homogéneas que han sido utilizadas en una variedad de análisis posteriores.

En el caso del Arlbergtunnel el objetivo ha sido la documentación del estado actual. Para proporcionar a los ingenieros una herramienta simple pero de gran valor informativo las nubes de puntos láser han sido proyectadas a través del perfil teórico al plano horizontal, creando así ortofotos a escala sobre cuales a posteriori han sido cartografiados los datos del inventariado así como los daños visibles del revestimiento del túnel con respecto al eje levantado del túnel. Gracias a la gran densidad de los puntos ha sido posible la detección de los daños y del inventariado con gran detalle.

En el levantamiento del Gotthard-Basistunnel lo importante ha sido la geometría del revestimiento de hormigón del túnel. Los requerimientos en la precisión en comparación con el Arlbergtunnel han sido el doble de precisos. Para cumplir estas exigencias se ha producido una nube de puntos con el doble de la densidad para cada pasada con respecto al Arlbergtunnel. En la comparación de los dos levantamientos utilizados a lo largo de perfiles longitudinales predefinidos se han detectado desviaciones entre la ida y la vuelta de menos de 5mm.

A partir de estas nubes de puntos georreferenciados se han extraído perfiles transversales que se han comparado con perfiles obtenidos con métodos de topografía clásica. La desviación lateral media entre los perfiles medidos y teóricos (ortogonal al revestimiento de hormigón) ha sido inferior a 2mm. De forma análoga al Arlbergtunnel las nubes de puntos del revestimiento han sido utilizadas para la generación de ortofotos de alta resolución.

4. Perspectiva

Por medio de estos dos proyectos en el Arlbergtunnel y en el Gotthard-Basistunnel se ha demostrado la utilidad de los sistemas de medición cinemáticos en el levantamiento topográfico/geodésico de infraestructuras subterráneas. La tecnología de medición cinemática actual en combinación con sensores de alta precisión como escáneres láser y cámaras de medición permite la documentación tridimensional precisa de objetos para los cuales hasta hace poco tiempo no habían más alternativas que los métodos de topografía estáticos. La tecnología de medición cinemática reduce a un mínimo el tiempo necesario in situ.

Los cortes de tráfico de túneles sólo hacen falta para periodos de tiempo muy cortos y afectan mínimamente al tráfico como en el Arlbergtunnel o a los trabajos en la obra del Gotthard- Basistunnel. Aun así no se ha llegado al límite de aprovechamiento de las posibilidades de estos nuevos métodos. Partiendo del aspecto que los sistemas de medición cinemáticos son modulares, no hay impedimento para añadir al sistema sensores adicionales aptos para las técnicas cinemáticas (Georradar, imagen térmica, etc.) dependiendo de las necesidades del proyecto.

0 comentarios

Dejar un comentario

¿Quieres unirte a la conversación?
Siéntete libre de contribuir!

Deja una respuesta

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *