CONTROL GEOMÉTRICO EN LA EJECUCIÓN DE …geoasbuilt.es/tutoriales/articulos/contenido.pdf · Pág -3- COTROL GEOMÉTRICO E LA EJECUCIÓ DE TÚELES PARAGUAS DE MICROPILOTES Permiten

CO�TROL GEOMÉTRICO E� LA EJECUCIÓ� DE TÚ�ELES

CONTROL GEOMÉTRICO EN

LA EJECUCIÓN DE TÚNELES.

ILUSTRE COLEGIO OFICIAL DE I�GE�IEROS TÉC�ICOS E� TOPOGRAFÍA

Madrid, abril de 2.008


1. MÉTODOS CO�STRUCTIVOS

1.1. Nuevo método Austriaco (NATM) 1.2. Métodos Integrales 1.3. Métodos constructivos menos frecuentes

2. MAQUI�ARIA E I�STALACIO�ES 3. EQUIPOS DE MEDICIÓ�

3.1. Estaciones robotizadas 3.2. Láser-escáner 3D

4. CO�TROL GEOMÉTRICO DE OBRA

4.1. EN EJECUCIÓN

4.1.1. Metodología 4.1.2. Trabajos de campo 4.1.3. Trabajos de gabinete 4.1.4. Convergencias 4.1.5. Errores direccionales

4.2. EXCAVACIÓN TERMINADA

4.2.1. Unidades pendientes de ejecución 4.2.2. Encofrados y revestimiento 4.2.3. Ajustes de trazado 4.2.4. Equipos láser 3D 4.2.5. Metodología

5. APLICACIO�ES (PERFILÓMETROS)

5.1. Estado de alineaciones 5.2. Secciones tipo 5.3. Proceso de datos 5.4. Editor de perfiles 5.5. Resultados 5.6. Análisis de desviaciones

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MÉTODOS CO�STRUCTIVOS Como en alguna ocasión expertos en túneles han reconocido, cualquier planteamiento o sugerencia referente a túneles puede recibir críticas razonables pero es de esperar que, pese a las limitaciones inevitables, todo conocimiento pueda ser de utilidad a los profesionales que intervienen en el complicado mundo de la obra subterránea. Cualquier actividad de orden técnico, incluida las tareas de ámbito topográfico, encaran un serio reto sobre cual es el mejor momento de aplicación, de hecho, la ejecución de una obra subterránea se desarrolla en un camino crítico permanente haciendo imposible iniciar una nueva unidad de obra sin finalizar la precedente. Esta causa provoca ciertos inconvenientes a la hora de planificar la intervención de los equipos topográficos en el interior de un túnel, sobre todo si se tiene en cuenta la importancia de un correcto control geométrico y cuantitativo de una obra de estas características, por cierto, poco reconocido con habitual frecuencia. �ATM (�uevo método Austriaco) El nuevo método austriaco es probablemente el sistema más empleado en la excavación de túneles en mina. El concepto fue introducido en 1.964 por Ladislao Von Rabcewicz para la construcción de túneles en Austria, de donde obtiene su nombre. El método constructivo empleado provoca que el propio terreno forme un anillo de descarga en el contorno de la excavación, reduciendo las presiones que actúan sobre el sostenimiento. Numerosos autores lo califican como un sistema apropiado para rocas competentes pero la realidad es que, si se observa cuidadosamente su clasificación, espesores y comportamiento del sostenimiento, se puede emplear satisfactoriamente en terrenos con cierto grado de alteración. De hecho, en nuestro país se pueden atravesar cientos de kilómetros de túnel para cuya ejecución se ha empleado el NATM y no siempre se encuentra un macizo rocoso ideal. Básicamente, NATM utiliza hormigón proyectado y bulones como soporte primario; el propio terreno participa en la función portante de la excavación realizada y para aumentar esta función debe establecerse un confinamiento radial. Este confinamiento debe ser flexible para permitir la deformación del terreno y su confinamiento, logrando la estabilización de las tensiones con la participación prioritaria del macizo rocoso. El nuevo método Austriaco permite una gran variedad de formas geométricas de excavación, sostenimiento aplicado y subdividir las fases de excavación según las necesidades de cada situación concreta.

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Entre las grandes ventajas del método se encuentra la posibilidad de adoptar medidas anticipadas de sostenimiento previas a la excavación y posteriores al sostenimiento primario. Entra las primeras contamos con la posibilidad de realizar paraguas de micropilotes o tratamientos Jet-Grouting y los procesos de inyecciones de consolidación de terreno y refuerzos, permiten adaptar las características del sostenimiento según el comportamiento de la excavación.

Con la experiencia adquirida en macizos rocosos competentes este método se comienza a aplicar en condiciones poco favorables, con rocas alteradas y suelos, presencia de agua y materiales sin cohesión mediante la adecuada justificación de uso de los sistemas de sostenimiento anticipados. Tienen indudables ventajas en el método constructivo pero hacen necesario un incremento de recursos en los sistemas de control y seguimiento geométrico y cuantitativo.

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PARAGUAS DE MICROPILOTES Permiten ejecutar un sostenimiento anticipado en rocas y suelos de calidad mala o muy mala, reducen las deformaciones y aumentan la seguridad en rocas muy alteradas y suelos. Su colocación requiere replanteo por parte de los equipos topográficos. Producen importantes excesos de la excavación y desviaciones en la medición de hormigón de revestimiento por la exigencia de crear la superficie minima necesaria en el frente para su colocación. Esta situación exige obtener datos fiables de la excavación realizada para efectuar las mediciones oportunas de los excesos producidos y su justificación.

JET-GROUTING De forma similar a los paraguas de micropilotes, el sistema de consolidación Jet-Grouting se suele aplicar para la consolidación de suelos granulares transformándolos en suelos cementados. A los inconvenientes de los paraguas de micropilotes se debe añadir la complejidad y costes de ejecución por la necesidad de empleo de aparatosos equipos de inyección que dificultan cualquier otra actividad en obra durante su realización.

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INYECCIONES Consolidan el terreno aumentando su capacidad portante. Su ejecución se suele producir tras el frente de excavación por lo que afecta mínimamente al desempeño de labores topográficas. Debe establecerse un sistema de control y seguimiento que asegure la calidad, presión y volumen de material inyectado.

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CONTROLES GEOMÉTRICOS EN NATM La ejecución de un túnel mediante NATM se realiza en fases de ejecución cíclicas que suelen ser, salvo incidencias puntuales, idénticas para todo el proceso de excavación y sostenimiento.

La mayor parte de la fases de ejecución implican un elevado nivel de ruido, atmosfera sucia y tráfico denso de maquinaria y elementos de transporte; por esta razón los equipos topográficos deben desarrollar su trabajo aprovechando los escasos momentos en que las condiciones ambientales son óptimas, sobre todo para realizar trabajos de precisión y teniendo en cuenta que, salvo en casos puntuales plenamente justificados, la producción de la obra no puede ni debe detenerse. Uno de los momentos idóneos para efectuar trabajos que requieren una gran precisión en las mediciones lo encontramos en la fase de perforación y carga del explosivo, momento en el que la atmósfera en el interior del túnel se encuentra libre de partículas

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en suspensión. Es necesario ajustar bien los tiempos de trabajo para evitar que en pleno proceso de medición, nos veamos obligados a abandonar el túnel por el disparo de la carga explosiva, lo que nos obliga a desmontar todos los equipos de medición estacionados así como los elementos de anclaje y puntería. En aquellos casos en los que la excavación se realiza mediante el empleo de elementos mecánicos como martillos (pica-pica) o rozadoras, el tiempo disponible para realizar trabajos de precisión aumenta considerablemente y al no existir explosivo, se elimina la necesidad de abandonar precipitadamente la labor iniciada. También se puede operar ventajosamente en las fases de gunitado (hormigón proyectado), siempre y cuando esta actividad se desarrolle a cierta distancia, no enturbie la atmósfera y como consecuencia no se ponga en entredicho la fiabilidad y precisión de los datos obtenidos. FASES DE EJECUCIÓ� (CICLOS)

EMPLEO DE EXPLOSIVOS EXCAVACIÓ� CO� MEDIOS MECÁ�ICOS

PERFORACION Excelente momento para realizar trabajos que requieran precisión

EXCAVACION Excelente momento para realizar trabajos que requieran precisión CARGA

VOLADURA No operativo DESESCOMBRO

Tráfico denso de vehículos de transporte VENTILACIÓN

DESESCOMBRO Tráfico denso de vehículos de transporte

SANEO/SELLADO Aceptable a cierta distancia del frente

SANEO/SELLADO Aceptable a cierta distancia del frente

SOSTENIMIENTO Y REFUERZO

BULONADO Condiciones aceptables si no se realizan otras actividades; muy corto espacio de tiempo

GUNITA (HP) Atmosfera cargada de partículas en suspensión; Posibilidad de realizar mediciones de precisión media si se está alejado del punto de hormigonado.

MALLA Condiciones aceptables hasta el comienzo del hormigón

CERCHAS


BERNOLD Condiciones aceptables hasta el comienzo del hormigón


Al margen de cualquier solicitud de comprobación por parte de la Dirección de Obra que deba ser atendida, los equipos de topografía deben poner especial empeño en la toma de datos en tiempo y forma para garantizar el riguroso control de los siguientes aspectos:

• Dirección de la excavación.

• Control de sección e invasiones.

• Medición de unidades de obra.

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DIRECCIÓN DE LA EXCAVACIÓN Toda obra ha de ajustarse a un plan concreto que establece los tiempos de ejecución que se deben cumplir con la minima desviación y retraso posibles. En el caso particular que nos interesa, la observación del plan de ejecución adquiere un carácter relevante pues cualquier retraso producido en una unidad de obra, afecta inevitablemente a todas las que le preceden con el evidente retraso en los cumplimientos en plazos establecidos. Atendiendo a esta premisa los túneles suelen ejecutarse por dos o mas frentes diferentes y como consecuencia directa, los equipos responsables de topografía de obra, deben extremar las medidas adecuadas para garantizar la correcta dirección de la excavación. Toda precaución es poca, y a pesar de que el sistema topográfico de unión de bocas se encuentre perfectamente comprobado, los trabajos de poligonación en el interior transcurren y se realizan en un medio ciertamente hostil, siendo frecuente la destrucción accidental de referencias topográficas (vértices de poligonal) y desplazamientos de referencias por la propia convergencia del terreno que no pueden pasarse por alto. En túneles de cierta longitud es necesario plantearse la necesidad de utilizar sistemas de direccionamiento giroscópico para verificar la orientación absoluta y evitar errores que en grandes distancias pueden adquirir una magnitud importante, invalidando la excavación realizada y haciendo extremadamente compleja cualquier solución para poner remedio a la incidencia. Túneles importantes construidos en nuestro país han recurrido a sistemas giroscópicos para verificar la alineación de la obra, y a pesar del elevado coste de estos sistemas y la complejidad de su utilización, están plenamente justificados por el mínimo impacto que sobre el presupuesto total de la obra representan. El Ingeniero Topógrafo a cuyo cargo y responsabilidad se encuentra la correcta alineación del túnel, no debe tener la más mínima duda en exigir a quien corresponda, la dotación de los equipos necesarios que permitan garantizar el buen fin de la misma. CONTROL DE SECCION E INVASIONES En toda excavación realizada mediante perforación y explosivo o medios mecánicos es difícil, por no decir imposible, que la sección obtenida se asemeje a la de proyecto. A pesar de que se actúe del lado de la prudencia en la perforación del recorte y la disposición de carga del explosivo o la excavación con medios mecánicos, será inevitable obtener una sección que en la mayoría de los casos presente un exceso de excavación y en el caso de producirse desprendimientos localizados, este exceso representará un mayor volumen difícil de prever con anterioridad.

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El exceso de excavación se solapa además con regiones que pueden invadir el anillo de revestimiento –caso de que éste exista- o el gálibo mínimo exigido en proyecto, agravándose esta situación en aquellos casos en los que es necesario realizar un refuerzo del sostenimiento mediante anillos metálicos (cerchas) o proyección de hormigón. Ambas situaciones requieren tratamiento con medidas correctoras que corrigen la incidencia. Las invasiones de sección es necesario tratarlas mediante un repicado sistemático de aquellas zonas que rebasan el gálibo exigido, con el evidente incremento de costes que normalmente corren a cargo del contratista. La situación se agrava en aquellos casos en los que la invasión se produce en zonas de sostenimiento reforzado con anillos metálicos. Los excesos en la excavación no requieren atención especial durante la ejecución de la excavación, pero será imprescindible disponer de datos numéricos que permitan valorar los costes añadidos que sobrevienen por un mayor volumen de hormigón de revestimiento (Si existe).

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El departamento de topografía de obra o de la asistencia técnica encargada de verificar la ejecución de la obra, han de poner los medios y métodos adecuados para realizar un control de calidad que permita tomar medidas correctoras adecuadas para corregir el origen de las desviaciones en la medida de lo posible. Las actividades de control geométrico de la sección han de llevarse a cabo de manera que la información esté disponible lo antes posible, de lo contrario, cualquier medida correctora no podrá ser aplicada a su debido tiempo. Al margen de las indicaciones y recomendaciones recogidas en los planes de control de la obra, para garantizar una correcta ejecución y detectar a tiempo las posibles desviaciones, se debe poner especial interés en atender los siguientes puntos de control.

• Replanteo de la perforación.

• Replanteo y verificación posicional de elementos de refuerzo (Cerchas, encofrados perdidos etcétera).

• Verificación de la sección excavada en fase de sellado.

• Verificación de la sección en sostenimiento.

• Verificación de secciones en caso de desprendimientos, refuerzos puntuales o

en terrenos que manifiestan convergencias altas. Se sobrentiende que los controles enumerados se apoyan en una red de vértices de poligonal rigurosamente observada, calculada y compensada. MEDICIÓN DE UNIDADES DE OBRA Por norma general, mensualmente se realiza una medición de la obra ejecutada que aporta la información necesaria para realizar certificaciones y analizar las desviaciones respecto los valores de proyecto. Las unidades de obra empleada en túneles, difieren sustancialmente de cualquier unidad de obra exterior en cuanto a costes de suministro y puesta en obra, como en la forma de medición. De todas las unidades empleadas en NATM, la excavación, el hormigón proyectado (gunita) y el de revestimiento, arrojan una importante desviación entre lo valorado en proyecto y lo realmente ejecutado, por no entrar en la polémica habitual que se establece por la discrepancia entre dirección de obra y contratistas a la hora de valorarlas.

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La única forma conocida de realizar una rigurosa medición de estas unidades –que es comúnmente aceptada por todas las partes implicadas- se apoya en la toma sistemática de perfiles transversales. Una separación entre dos perfiles consecutivos situada entre 1 y 2 m., junto a una densidad apropiada del terreno para definir con precisión la forma de excavación, es inicialmente suficiente para conocer con cierta precisión el volumen de excavación y hormigón de revestimiento. En este caso, al encontrarnos en un método puramente estadístico, es importante el ‘saber hacer’ del equipo encargado de los trabajos de campo, pues un muestreo incorrecto puede provocar una mala distribución de la realidad y obtener una medición por exceso o defecto, que nada tiene que ver con la realidad. El hormigón proyectado es la unidad más compleja de medir y valorar en cuanto a volumen puesto en obra. Por una parte el rechazo que se produce durante su colocación, genera una diferencia importante entre el volumen suministrado en planta y el resultado de la puesta en obra proyectado por vía húmeda, diferencia que se puede situar entre un 15 % y 20%. La vía seca, actualmente en desuso, puede provocar desviaciones entre 30% y 40% al ser su rechazo muy superior. Por otro lado, la rugosidad del terreno excavado produce un consumo de hormigón superior al que realmente puede medirse. Esto es debido en gran medida a la imbricación y relleno de huecos (diente de sierra) que se produce en la excavación, irregularidades que quedan suavizadas por la superficie resultante pero que consumen un elevado porcentaje del material que puede medirse. En este sentido y dado que resulta imposible tomar datos del terreno excavado, sin hormigón de sellado, solamente podremos realizar una aproximación estadística mediante la testificación de los espesores medios de gunita existente. En algunos casos concretos se ha decidido realizar campañas sistemáticas de perfiles en la capa de sellado y la de sostenimiento, datos que permiten medir con precisión el volumen de hormigón empleado en el sostenimiento. Para concluir baste decir que el empleo de NATM para la ejecución de túneles y obras subterráneas, resulta ventajoso desde su aspecto técnico-económico frente a otros sistemas de excavación, sobre todo cuando la propia longitud de la obra no permite amortizar grandes inversiones en maquinaria de perforación integrales (Tuneladoras).

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MÉTODOS I�TEGRALES Siempre que se habla de métodos integrales de excavación, es inevitable pensar en la imagen de impresionantes cabezas de corte de un equipo TBM (Tunnel Boring Machine) o tuneladora como se conoce más familiarmente. La excavación con el empleo de este tipo de maquinaria ofrece incuestionables ventajas desde el punto de vista productivo, pero requiere unas condiciones de volumen de obra a ejecutar que permitan amortizar sus elevados costes iniciales. Se puede asegurar que nos encontramos ante auténticas fábricas de túneles y su capacidad para realizar el corte a sección completa y la colocación del sostenimiento en ciclo continuo, aumenta notablemente los ritmos de producción respecto de otros sistemas constructivos. La perforación se realiza mediante una cabeza de corte giratoria que es accionada por una planta motriz y consigue la fuerza de empuje necesaria para realizar el avance apoyándose en el propio sostenimiento colocado. Existen dos grandes grupos de equipos integrales de excavación.

• Topos

• Escudos Los topos se suelen emplear en macizos de roca sana, competente y que no suele necesitar sostenimiento y su gran diferencia respecto a escudos y dobles escudos, es la ausencia de elementos de entibado provisional de la excavación. Los escudos o dobles escudos se componen de una carcasa metálica encargada de sostener provisionalmente el terreno situado entre el frente de excavación hasta el lugar que se encuentra ejecutado el sostenimiento definitivo formado por dovelas o bloque de hormigón prefabricado.

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Tras el sistema principal de perforación se encuentra el sistema hidráulico responsable de proporcionar el empuje necesario para realizar la perforación y el basculante encargado de la colocación del sostenimiento. El sistema perimetral de empuje se apoya en el último anillo del sostenimiento y es la causa principal de formación de ‘cejas’ e incluso de roturas parciales de las dovelas que conforman el sostenimiento. El sistema de guiado se realiza mediante los automatismos y lógica embarcados en la propia maquinaria, obteniendo los datos necesarios de equipos topográficos instalados de forma permanente mediante anclajes en el sostenimiento y a una cierta distancia del frente de excavación. Dicho de este modo puede parecer que el guiado de un túnel ejecutado con este tipo de maquinaria, es algo sencillo y libre de cualquier desviación en su trayectoria. Sin lugar a dudas estamos ante el sistema de perforación más sofisticado que se conoce, en el que la tecnología esta presente durante toda la ejecución. No obstante no es un sistema infalible y presenta ciertos inconvenientes. En primer lugar debe destacarse los desplazamientos incontrolados que se producen en la trayectoria del eje y que, por norma general, se producen en zonas de falla, alteración del terreno y que también suelen ser habituales en las zonas próximas a los emboquilles, al abandonar la maquinaria la cuna de guiado inicial. Por otra parte, lejos de ser un sistema idóneo, las piezas prefabricadas que integran el sostenimiento sufren deformaciones de cierta importancia, provocadas por su propio peso (deformación inicial por entrada en tensión de los anclajes) y las posteriores provocadas por empujes del terreno, no consiguiendo en ningún caso un radio de curvatura uniforme por los achatamientos como consecuencia de lass acciones mencionadas. Al tratarse de un método constructivo con importante implantación tecnológica, automatización y –si cabe- más limpio que los sistemas de perforación en mina, aporta una serie de ventajas que benefician a los equipos topográficos responsables de realizar el control de calidad geométrico. Contrariamente existen factores a tener en cuenta que generan ciertos inconvenientes a los topógrafos.

• Desarrollo de obra • Complejidad de transporte • Instalaciones auxiliares • Controles en frente de excavación

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DESARROLLO DE OBRA El empleo de sistemas integrales para la excavación lleva implícito unas dimensiones de obra superiores a las que podemos encontrar en túneles excavados mediante otros sistemas constructivos. Este aumento de la longitud de excavación implica a su vez una necesidad de recursos para garantizar la correcta dirección de la perforación, no en vano, se han utilizado en las dos obras de túnel más importantes de Europa en los últimos años (Guadarrama y Pajares) equipos giroscópicos para asegurar la correcta dirección azimutal de la excavación. Por otra parte es necesario tener presente que la mayor parte de túneles ejecutados con TBM, tienen como finalidad la puesta en servicio de ferrocarriles de alta velocidad o velocidad alta, cuyas especificaciones técnicas en materia de trazado son muy exigentes. COMPLEJIDAD DE TRANSPORTE El transporte de medios humanos, maquinaria y materiales se realiza mediante un sistema ferroviario de obra, siendo impracticable la libre circulación en el interior del túnel con otros medios que no sean éstos. Esta situación particular, genera un mínimo grado de libertad a los equipos topográficos que deben ser especialmente rigurosos en

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cuanto a programación de accesos a la obra, mantenimiento de equipos y material necesario para el desempeño de sus funciones, en otras palabras, se consumen más periodos temporales en los desplazamientos, que en el propio tiempo necesario para realizar los trabajos de toma de datos y control geométrico de obra. INSTALACIONES AUXILIARES La excavación mediante el empleo de TBM implica la necesidad de instalar equipos y maquinaria auxiliar que permitan realizar todas las actividades propias de la excavación. Además de los sistemas de ventilación, suministro de agua y aire comprimido que se utilizan en sistemas de excavación en mina, deben añadirse las cintas transportadoras de material excavado al exterior, la implantación de vía de servicio, maquinaria de tracción y vagones para el transporte de personas y materiales. Uniendo todos los componentes mencionados es fácil comprender las dificultades con la que pueden encontrarse los equipos de topografía para desarrollar sus funciones con normalidad. Trataremos con cierto detalle este tema en el siguiente capítulo del curso.

CONTROLES EN FRENTE DE EXCAVACIÓN Debido a la propia arquitectura de las TBM el frente de excavación, salvo tareas de mantenimiento e inspecciones puntuales, queda oculto a la vista, a su vez, el equipo de rezaga (backup) y la actividad que en su interior se produce, impide o dificulta realizar ciertos trabajos, entre ellos los pertenecientes a equipos de topografía.

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METODOS CO�STRUCTIVOS ME�OS FRECUE�TES Además de los métodos constructivos presentados hasta el momento existen otros que como mínimo deben comentarse si bien no es objeto de este curso tratarlos en profundidad por su limitada implantación en obra. La mayor parte son utilizados en la construcción de líneas de ferrocarril metropolitano, alguno de ellos no han tenido demasiado éxito como el precorte mecánico (Premil) y otros sin embargo se aplican con cierta regularidad. En el caso particular de Metro Madrid se utiiliza el Método Belga, con tal grado de implantación que se ha rebautizado como Método clásico de Madrid. Este método resulta de aplicación indispensable en aquellos casos en los que el túnel transcurre por suelos, bajo cascos urbanos y zonas edificadas y la longitud total de la obra no justifica ni permite el uso de tuneladora.

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MAQUI�ARIA E I�STALACIO�ES Ya se ha insinuado anteriormente que un túnel es probablemente una de las obras más complejas y comprometidas en todo lo referente a la ejecución de trabajos topográficos, sobre todo aquellos que requieren una gran precisión en la obtención de datos y sus resultados. La construcción de un túnel, independientemente del método utilizado, requiere disponer de unas instalaciones auxiliares y el empleo de maquinaria que dificultan la ejecución de trabajos de precisión y a menudo impiden realizar controles geométricos rutinarios en zonas que quedan ocultas a la vista.

Además el funcionamiento de instalaciones y maquinaria provoca en la mayor parte de los casos, una contaminación atmosférica producida por gases de combustión y polvo generado por procesos constructivos lo que dificulta en gran medida –junto con la insuficiente iluminación- todos aquellos trabajos topográficos en los que es imprescindible lanzar visuales a una cierta distancia. En túneles realizados mediante NATM encontramos un tráfico prácticamente continuo de camiones pesados, palas cargadoras, retroexcavadoras, robots de hormigonado, equipos de perforación y otros vehículos de menor tara.

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En túneles excavados con métodos integrales el tráfico se reduce a las unidades tractoras y vagones de servicio en obra, cuyo tráfico se produce con menor frecuencia y como consecuencia dispondremos de una atmósfera más limpia. Su inconveniente es que al transcurrir su circulación por carriles, no pueden modificar en ningún momento su trayectoria.

Entre las instalaciones cabe destacar las mangueras de ventilación y las cintas transportadoras de material, que debido a su gran tamaño ocultan un amplio sector de túnel sobre el que es inviable realizar controles geométrico rutinarios como es la toma sistemática de perfiles transversales. El elevado tráfico de maquinaria y vehículos pesados provoca con bastante frecuencia la destrucción accidental de vértices y referencias topográficas que malgasta muchas horas de observaciones de precisión y obliga a su reposición. En este sentido es recomendable valorar la instalación de ménsulas desmontables que evitan costosos contratiempos, lógicamente, siempre que el volumen de la obra permita realizar la inversión oportuna. Otro aspecto que no debemos olvidar en el interior de un túnel es la seguridad en el trabajo. La mayor parte de los accidentes graves que se producen en este tipo de obra son ocasionados por aplastamiento de maquinaria o de los materiales que transportan, siendo este tipo de accidentes en algunos casos mortales. Observar y cumplir las normas de seguridad establecidas es una parte más de nuestras obligaciones laborales que puede salvar nuestras vidas.

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EQUIPOS DE MEDICIÓ� El desarrollo tecnológico en materia de equipos de medición experimentado durante la última década del pasado siglo, ha permitido implantar unos sistemas de control geométrico en obra subterránea que anteriormente eran poco menos que inimaginables. El control de la sección de excavación de un túnel requiere un elevado volumen de información sin el cual no es posible obtener resultados que se aproximen a la realidad. En este sentido las estaciones topográficas robotizadas y los equipos láser escáner 3D, si bien estos últimos no tienen un uso habitual, quizás por desconocimiento de sus propiedades. ESTACIONES ROBOTIZADAS Las estaciones robóticas permiten a los equipos de topografía la obtención sistemática de perfiles transversales de la excavación existente con gran agilidad y un reducido coste de tiempos y recursos. Disponer de esta valiosa información nos permite conocer con cierta rigurosidad el estado de mediciones de volúmenes de excavación, hormigones de sostenimiento, revestimiento, superficies de impermeabilización y una aproximación aceptable en cuanto al grado de excavación por exceso y defecto existentes.

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Su aplicación influye incluso en la medida de convergencias por métodos topográficos, sobre todo de aquellas partes de la sección en las que el acceso para instalar cintas de convergencia está limitado por la necesidad de utilizar maquinaria que no siempre está disponible. Es cierto que la precisión en la medida que se puede alcanzar con los medios apropiados para auscultar el terreno (Cintas, extensómetros, células), poco o nada tienen que ver con las de un equipo topográfico, pero en este sentido se debe valorar cuidadosamente si es más apropiado tener un dato con un intervalo de confianza menor, o no tenerlo. LÁSER ESCÁNER 3D La aparición en el mercado de equipos de medición Láser 3D es sin lugar a dudas un valor añadido que se está empleando satisfactoriamente en el control geométrico de túneles y previsiblemente en un futuro no muy lejano su presencia en las obras subterráneas será habitual e imprescindible.

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La evolución en los equipos de campo implica la creación de nuevos desarrollos de la lógica necesaria para tratar los volúmenes de información que es necesario calcular y tratar para obtener resultados concretos. En este sentido existen en el mercado un cierto número de aplicaciones informáticas que facilitan enormemente las tareas del Ingeniero Topógrafo para procesar la información adquirida en obra. Es imprescindible establecer metodologías que garanticen la homogeneidad de los datos, cálculos y resultados obtenidos; para ello y como parte fundamental del contenido del curso trataremos los pasos que deben seguirse en las diferentes fases de la obra, los equipos de medición y utilizaremos el software PFT 6.99 desarrollado por GEOasbuilt para el control geométrico y cuantitativo de túneles y obras subterráneas. Igualmente vamos a ser testigos de los resultados que se obtienen utilizando equipos láser 3D realizando una simulación en el aula de los trabajos de campo y gabinete, estableciendo los métodos adecuados para recabar la información y productos deseados.

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4. CO�TROL GEOMÉTRICO DE OBRA Entraremos de lleno en este capítulo para enumerar los controles geométricos que principalmente deben realizarse en una obra de túnel. El capítulo se encuentra dividido en dos partes principales, que recogen los datos y resultados que siempre deben estar disponibles durante la ejecución de la obra y aquellos que serán necesarios una vez este finalizada la excavación a nivel de destroza o contrabóveda (en el caso de que ésta exista). En todo momento vamos a dar por entendido que la red de vértices y poligonales en el interior del túnel, así como sus cálculos y compensaciones existen y son correctas. 4.1 EN EJECUCIÓN 4.1.1 Metodología En primer lugar es necesario detectar las necesidades de control que deben implantarse en la obra y el grado de información necesaria para realizar las labores de vigilancia de la ejecución. El tamaño de la obra es una variable a tener en cuenta para dimensionar los recursos humanos y materiales que ineludiblemente proporcionarán la estructura y composición inicial de los equipos topográficos de control. El ritmo de producción en el interior de un túnel deja poco margen de libertad para realizar trabajos topográficos, sobre todo aquellos que requieren una especial atención en la precisión de los datos obtenidos. En este sentido es necesario que el departamento de topografía de la obra disponga de la información puntual sobre los ciclos establecidos, manteniendo siempre la predisposición necesaria para obtener esta información. Para su coordinación es necesario una fluida comunicación entre los departamentos responsables la ejecución material de la obra: Producción, Oficina Técnica y por descontado conocer los datos que precisa la jefatura de obra y en que momento le son imprescindibles para analizar desviaciones, valorar costes, aplicar medidas correctoras y que consecuentemente permiten tomar decisiones que benefician la calidad de la obra. Otro dato a tener en cuenta para una organización eficiente de los recursos es el calendario. Los equipos de perforación, independientemente del método empleado, trabajan en ciclos continuos de 24 horas y ciertas necesidades de replanteo se producirán en buena medida fuera del horario habitual del personal técnico. Nuevamente debemos mantener una buena comunicación con el jefe de túnel o los encargados de obra, acordando los momentos en los que requieren la presencia de equipos topográficos de replanteo.

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Recordemos que en el capítulo dedicado a los diferentes métodos constructivos enumeramos tres puntos principales de control: dirección de la excavación, control de la sección y mediciones. La correcta dirección de la excavación solamente se puede conseguir mediante un oportuno replanteo del frente (métodos no integrales) y una precisa aportación de datos a los sistemas direccionales de las tuneladoras (métodos integrales). Los métodos no integrales, por su sistema de ejecución, requieren una mayor presencia de equipos de topografía para replantear los frentes de voladura que garanticen la correcta dirección de la excavación, posicionamiento de anillos de refuerzo y apoyos de encofrado de revestimiento. Hemos de ser conscientes lo poco probable que resulta contar con los recursos humanos suficientes para disponer un equipo topográfico ‘presencial’ a pie de obra, y satisfacer las necesidades de replanteo que requieren disponibilidad 24 x 7. Para resolver este contratiempo será indispensable contar con una estrecha colaboración de los encargados de obra, tratando de facilitarles los medios necesarios para que puedan realizar todas aquellas labores de replanteo que no requieran necesariamente la presencia de equipos topográficos. En este sentido es recomendable disponer en cada frente de ejecución de un equipo de alineación láser, equipos cuya adquisición se puede justificar en la mayor parte de obras subterráneas en ejecución se puede justificar la adquisición de un equipo estático láser que facilite nuestro trabajo. Aunque inicialmente puede suponer una carga de trabajo añadida, es recomendable instalar referencias regulares en los hastiales del túnel, materializadas de forma tal que garanticen una permanencia a lo largo de la obra. Su instalación no debe ser demasiado costosa, pudiendo emplear clavos o redondos empotrados en el hormigón de sostenimiento, pero deben tener unas características comunes que permitan ser identificadas unívocamente por toda aquella persona que necesite utilizarlas.

Si se posicionan en puntos kilométricos enteros (cada 5, 10 o 20 m.) y a una distancia constante respecto de la rasante de proyecto, pueden ser de utilidad para que un encargado de túnel pueda replantear (visualmente) el frente de la voladura en alzado. Referencias homónimas ancladas en clave y en el eje en planta o a una distancia constante de éste, permitirán replantear el frente en planta.

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En aquellos casos en los que dispongamos de sistemas láser de alineación, estas referencias ancladas en el sostenimiento resultan ser de gran utilidad para orientar la alineación del eje del túnel, incluso verificar con extraordinaria sencillez que la orientación del puntero láser es la correcta. Evidentemente en los tramos que la excavación transcurre en curva, es necesario confeccionar un gráfico que indique las flechas que se deben aplicar para replantear la voladura respecto de la tangente del punto donde se encuentra situado el emisor. Actuaremos de forma análoga para los casos en los que el túnel transcurra en un tramo de acuerdo vertical. Evidentemente este sistema obliga a marcar el punto kilométrico de su posición y encontrarse lo suficientemente cercano al frente de forma que permita definir la progresiva del frente a replantear con una simple cinta.

Debo insistir en la implementación de este eficaz sistema de replanteo que nos puede ahorrar muchos desplazamientos y mantener una presencia constante en obra, haciendo posible que los encargados de turno puedan replantear con gran precisión y libertad de movimiento la perforación del frente, los posibles elementos de refuerzo y casi cualquier otra unidad de obra.

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La excavación y el sostenimiento ejecutado en cualquier túnel, incluidos los construidos mediante el empleo de tuneladoras, difiere en mayor o menor porcentaje con las secciones recogidas en proyecto. Es imprescindible disponer de datos que permitan analizar el grado de desviación obtenido. En túneles sostenidos con dovelas prefabricadas (integrales) se deben realizar controles de la sección, pues es necesario conocer los tramos en los que la maquinaria se ha desviado accidentalmente de su correcta trayectoria, y la deformación sufrida por la estructura de sostenimiento que, como ya ha sido mencionado anteriormente, manifiesta un achatamiento provocado por su propio peso y por los empujes del terreno al tratar de recuperar su equilibrio tensional.

En sistemas de excavación en mina (NATM, Belga etc), la rugosidad del terreno provocada por las voladuras, desprendimiento de bloques y formación de cuñas y chimeneas, provoca sistemáticamente y en toda la longitud de la obra, una excavación por exceso y otra por defecto. La excavación en exceso provoca un incremento de los volúmenes previstos para la ejecución del revestimiento y las invasiones, sobre toso aquellas de cierta importancia, requieren un tratamiento de repicado que las elimine, evitando inconvenientes en la puesta de encofrados de revestimiento y garantiza cumplir los espesores de hormigón recogidos en proyecto. Esta situación se complica en aquellos tramos en los que, por la mala o muy mala calidad del terreno, presencia de agua u otras causas, sea necesario reemplazar la sección tipo de sostenimiento prevista, por otra mas apropiada al tipo de terreno existente. En estos casos es muy probable que la instalación de anillos metáicos de refuerzo (cerchas) sea inevitable, con la consiguiente reducción de gálibo que puede provocar. Nuevamente he de recordar la importancia de los replanteos en la metodología que debemos aplicar en túnel y tener muy presente que una cercha mal replanteada, cuyos apoyos se encuentren a una distancia inferior lo previsto, mal ensamblada o que su alineación no sea normal al eje de replanteo, provocará sin lugar

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a dudas una importante invasión de gálibo, invasión que será muy difícil subsanar una vez se encuentre totalmente instalada y hormigonada. En la Fig-xx se pueden observar las cerchas colocadas y hormigonadas como parte de un refuerzo del sostenimiento existente y es apreciable a simple vista el grado de invasión provocado.

La toma sistemática de perfiles transversales permite verificar con cierto grado de confianza el estado de la sección excavada a la vez que proporciona los datos necesarios para confeccionar un estado de mediciones y desviaciones respecto de los datos de proyecto. No debemos olvidar que estamos ante un proceso de cálculo estadístico, en el que hemos de tratar que la muestra sea lo suficientemente representativa para obtener datos fiables, de distribución normal y con una curva de confianza lo más pequeña posible. A la vista de la irregularidad existente en una excavación realizada con explosivos o medios mecánicos, la lógica nos incita a pensar que contra mayor sea el universo, mejor distribuida estará la muestra y la confianza en cualquier operación realizada será mayor. Esto es cierto pero lamentablemente no podremos realizar durante la ejecución de la obra, con los medios que por lo general dispondremos, una campaña de perfiles de tal densidad que nos asegure resultados muy cercanos a la realidad. Se nos presenta en este punto un dilema que debemos resolver en obra de acuerdo a las necesidades particulares de la misma. Si decidimos describir los perfiles en los que la excavación resulta mas escasa a la vista o con mayor probabilidad de serlo,

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estaremos garantizando un correcto control de invasiones, pero cometemos un importante error en la valoración de los posibles excesos de hueco y -lógicamente- volumen de hormigón de revestimiento a emplear. Si los equipos topográficos están bien dimensionados y pueden desarrollar sus cometidos sin demasiado agobio, es aconsejable establecer una toma sistemática de secciones con un intervalo constante de entre 1-2 m., reduciendo esta distancia de separación en aquellos tramos cerchados en los que es aconsejable representar las invasiones y medir con cierta precisión la desviación que vamos a obtener en rellenos de la sobrexcavación, incluso los incrementos que se producirán en la medición de ciertos tratamientos especiales como puede ser la impermeabilización. 4.1.2 Trabajos de campo Contamos en este caso con los últimos avances experimentados en equipos topográficos de medición que permiten automatizar tareas repetitivas, sobre todo en aquellos casos en los que el volumen de datos a tomar es importante como es el caso de campañas sistemáticas de perfiles transversales. Si disponemos de una red de vértices de poligonal a lo largo de la excavación realizada, y además hemos implantado referencias de replanteo sistemáticas, de las cuales podemos obtener valores para calcular la posición del equipo en cualquier punto, estaremos en condiciones de realizar campañas de control de sección de forma ágil y sencilla. Para hacerlo realidad será imprescindible contar con una estación total robotizada que incluya entre sus utilidades la toma desasistida de secciones. En aquellos casos en los que no se disponga de equipos automáticos, la toma manual de los perfiles provocará una merma importante en nuestra capacidad de control de la sección excavada, siendo este un punto importante que nos permite justificar económicamente la adquisición de equipos robotizados. Los trabajos de campo los realizaremos de forma que podamos disponer de una colección completa de perfiles actualizados en la totalidad del sostenimiento definitivo ejecutado. En algunas casos concretos y obras de cierta importancia se han realizado campañas de perfiles en fase de sellado y de sostenimiento de forma independiente, implantación de un método del que se desprende una medición de hormigón de sostenimiento de gran precisión. Lógicamente esto implica una mayor presencia de equipos topográficos en el frente de excavación, pues el intervalo de tiempo que transcurre entre sellado y sostenimiento es, por norma general, muy limitado. En este caso la colección de perfiles referentes al sellado se encuentra muy cercana al frente de excavación, limitando sustancialmente el grado de libertad de decisión del momento de toma.

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4.1.3 Trabajos de gabinete Cuando formamos parte del equipo técnico que participa en una obra subterránea o en aquellas obras que cuentan con uno o más túneles en ejecución, nos damos cuenta de que los plazos de entrega de datos y de conclusiones se reduce drásticamente. Es por tanto un factor relevante, disponer de los sistemas informáticos necesarios para obtener una rápida respuesta al proceso de datos de campo. Esto es aplicable a cualquier proceso de cálculo topográfico, pero es realmente necesario cuando el volumen de información es elevado y requiere además de una representación gráfica para describir con la mayor claridad posible una situación concreta. Las aplicaciones informáticas encargadas de procesar perfiles transversales como la que tendremos oportunidad de utilizar en el curso, requieren una preparación inicial en la que es necesario definir los tipos de secciones de sostenimiento que se utilizarán en el proceso constructivo, el estado de alineaciones en planta y alzado, los peraltes a aplicar en cada tramo (túneles carreteros) y dependiendo del fabricante, algún dato relativo a opciones, parámetros funcionales y configuración del software.

Una vez implementados los datos necesarios, es deseable que las características de la aplicación permitan obtener resultados de forma inmediata tras la incorporación de los datos que provienen de los trabajos de campo de la jornada.

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Entre otros datos imprescindibles, es necesario obtener por el medio a nuestro alcance, planos de los perfiles tomados que permiten analizar gráficamente y numéricamente las desviaciones que se producen en la excavación, y un estado de mediciones del que se desprenden los costes de ejecución, desviaciones porcentuales respecto de proyecto y las certificaciones periódicas de obra realizada en cuanto a las unidades representadas. 4.1.4 Convergencias La excavación de un macizo rocoso provoca inevitablemente un desequilibrio de su estado tensional, provocando una tendencia del propio terreno para recuperar su estabilidad inicial y generando en ese proceso unos desplazamientos convergentes que se deben controlar sistemáticamente. No es objetivo de este curso entrar en detalle de la medición de convergencias por métodos ópticos y topográficos pero si es necesario incidir en todo aquello que puede afectar al control geométrico de la excavación. En rocas competentes y poco alteradas, los valores que se obtienen de convergencias suelen ser muy pequeños, no generando por lo general desplazamientos que superen valores milimétricos una vez colocado el sostenimiento definitivo. Teniendo además en cuenta que los mayores desplazamientos se producen en el preciso momento de la excavación, sobre todo con empleo de explosivos, nuestra campaña de perfiles transversales para control de la excavación no se ven afectados por las convergencias. Esto no sucede así cuando nos encontramos en zonas de falla o en túneles que se ejecutan en rocas muy alteradas o terrenos muy blandos, sobre todo si se emplean métodos no integrales. En estos casos los desplazamientos del terreno suelen ser bastante importantes, alcanzando con cierta frecuencia valores que pueden superar la decena de centímetros. Estas cifras pueden parecer alarmantes, pero si el sostenimiento está debidamente controlado no encaran necesariamente un riesgo a la seguridad en el túnel, pero ponen en entredicho los datos tomados al inicio de los procesos convergentes. Esta circunstancia implica que los responsables de topografía de un túnel tomen ciertas medidas de precaución, procurando estar bien informados sobre el comportamiento del terreno y con especial atención en los tramos falla o de material alterados. Es evidente, cualquier tomado tomada del terreno (perfiles) y todas las referencias topográficas ancladas solidariamente sobre él, se están desplazando y haciéndolas inutilizables y lo que es más grave, pueden provocar importantes errores accidentales de resultados impredecibles. En estos casos y como única solución posible, solo cabe pensar en retomar todos los datos que pueden encontrarse afectados hasta la estabilización de la convergencia.

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4.1.5 Errores direccionales El proceso de cale de un túnel que se ha ejecutado simultáneamente por dos o más frentes de ataque, es con toda seguridad el momento más emotivo que experimentan los equipos de topografía responsables de la obra. Por gran fortuna para todos los errores de dirección con los que se encuentran dos frentes de excavación, suelen ser de unos pocos centímetros una vez ejecutadas las lecturas y cálculos de cierre, no afectando de manera especial a la propia ejecución. En todo caso es necesario realizar ajustes en ciertos datos y sobre todo en los perfiles transversales tomados, donde lo que antes teníamos por invasión de gálibo o un exceso de excavación, puede corregirse, empeorar o transformarse en efecto opuesto. Llegados a este punto intermedio de la ejecución cabe plantearse la posibilidad de emplear sistemas láser 3D para una verificación de gálibo eficaz y un estado de mediciones definitivo y muy próximo a la realidad.

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4.2 EXCAVACIÓN TERMINADA 4.2.1 Unidades pendientes de ejecución Las unidades que restan por ejecutar difieren sustancialmente del método empleado para ejecutar la excavación, tanto es así que un túnel realizado con sistema integral (tuneladora), alcanzado el último anillo de excavación, se encuentra prácticamente preparado para entrar en la fase industrial de instalaciones y colocación de vía siendo las únicas obras auxiliares pendientes de ejecución la perforación de galerías de evacuación (Caso de no estar previamente ejecutadas) y todas las referentes a tratamientos puntuales de consolidación de terreno o de impermeabilización; en casos muy poco frecuentes se puede presentar algún proceso aislado de refuerzo del anillo de sostenimiento. En túneles excavados por medios no integrales que contempla como unidad de obra a ejecutar el revestido mediante anillo de hormigón en masa o armado, esta será la unidad de obra pendiente ejecutar, al margen de las posibles galerías de evacuación, instalaciones y colocación de vía. En ambos casos es importante disponer de los datos necesarios para garantizar el cumplimiento de un gálibo mínimo capaz de recibir la parte pendiente de obra a ejecutar. 4.2.2 Encofrados y revestimiento El gálibo existente puede afectar notablemente a la puesta de encofrados y maquinaria para la ejecución de anillos de revestimiento, aceras, extendido de placa y colocación de vía. El método empleado para una exhaustiva verificación de gálibo y empleado comúnmente en túneles en mina, se basa en la construcción de una armadura metálica de las mismas dimensiones que los paneles de encofrado y que se hace pasar por todo el trazado del túnel. Este denominado ‘carro de gálibo’ puede ser autopropulsado en los modelos más sofisticados o confiar su desplazamiento al arrastre por medio de maquinaria de obra o incluso cabestrantes manuales. Para este proceso es necesaria la previa ejecución de aceras y en muchos casos de un murete de arranque del anillo, elemento sobre el que se instalarán los paneles de encofrado y sobre el que transcurre el carro de control. A pesar de ser muy efectivo, sus dimensiones y peso estructural convierten este sistema en una maniobra de difícil ejecución, dificultad que se ve acentuada en aquellos casos en los que se detecta una colisión con el sostenimiento que debe ser reparada de forma inmediata. Afortunadamente la evolución tecnológica pone a nuestra disposición herramientas indispensables para realizar esta actividad de control de forma más ágil y de idéntica o superior precisión, pero sobre todo en unos tiempos establecidos que permiten

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adelantar los plazos de entrega, siendo posible anticiparse a la propia ejecución de los elementos de apoyo del encofrado. Además permiten ejecutar las acciones correctoras en un solo paso. Me refiero en este caso a los equipos láser-escáner que permiten realizar levantamientos 3D de gran precisión y con una densidad de datos capaz de detectar cualquier incidencia de forma numérica. El empleo de sistemas de barrido escáner nos ofrecen además la posibilidad de realizar una precisa valoración de la obra ejecutada y las unidades pendientes de ejecución 4.2.3 Ajustes de trazado Si disponemos de la información necesaria en lo referente a desviaciones de las alineaciones del túnel respecto de los ejes de trazado de proyecto es posible iniciar tanteos de variantes de trazado que reduzcan el impacto de éstas sobre la obra definitiva. En aquellos casos en los que no sea aconsejable la demolición de un sostenimiento por razones que afecten a su estabilidad o por la complejidad de ejecución (desplazar cerchas, demoler anillos de dovelas etcétera), existe la alternativa de proponer variaciones en el estado de alineaciones, siempre y cuando estas modificaciones no afecten a los parámetros en tal magnitud que impidan cumplir los condicionantes mínimos para el objetivo al que está destinada la obra en cuestión. He de aclarar que presentar modificaciones de última hora en cualquier partida que afecte a lo recogido en el proyecto aprobado, no suele ser bien aceptada, pero en determinados casos muy justificados se puede ser el planteamiento más eficaz y no se debe desistir de presentarlo si se considera necesario y es razonable. 4.2.4 Equipos Láser 3D Los equipos de medición Láser-Escáner aportan, como ya se ha comentado, una tecnología sorprendente de múltiples aplicaciones pero que en el caso que ocupa este curso, como es el control geométrico de túneles, podremos a asegurar que sus diseñadores nos lo han fabricado a medida. Desde su aparición en el mercado aproximadamente 1998-2000, se han ido implantando en las obras subterráneas, experimentando un notable crecimiento en los dos últimos años en cuanto a su aplicación. Lamentablemente su precio y características provocan un uso restringido que se limita a ponerlo en obra cuando la excavación a sección completa esta finalizada o muy próxima a su completa ejecución. Esto no quiere decir que no preste un excelente servicio, pues es en este momento de la obra en el que se requiere una comprobación final de la excavación que garantice

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entre otros las correctas dimensiones de gálibo, capaces de absorber sin problemas las unidades de obra pendientes de ejecución. Su uso puede evitar la construcción y transporte de un carro de verificación de gálibo y el coste de contratación está justificado en función de las dimensiones de la obra. 4.2.5 Metodología El método a seguir para un levantamiento 3D de una excavación difiere notablemente de los empleados para la toma sistemática de perfiles durante la ejecución de la obra. En primer lugar porque todo es diferente: realmente no se tomas perfiles, no son equipos topográficos y ni actúan ni tienen las funcionalidad de éstos y sobre todo adquieren un volumen de información, en un espacio de tiempo tan reducido, que su comparación resulta imposible. Es importante aclarar que deben establecerse unas formas y métodos de trabajo rigurosos a la vez que ensayados y con resultados técnicamente comprobados. Me ha parecido oportuno delegar este punto del curso a un artículo publicado en las revistas especializadas Ingeo-Press, Obra Subterránea y la edición técnica Ingeo-Túneles. Trata con cierto profundidad todos los aspectos que se deben tener presentes para realizar un trabajo de calidad con equipos Láser-Escáner.

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5. APLICACIO�ES (Perfilómetro) 5.1 Estado de alineaciones 5.2 Secciones Tipo 5.3 Proceso de datos 5.4 Editor de perfiles 5.5 Resultados 5.6 Análisis de desviaciones

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APLICACIÓN DE EQUIPOS LÁSER 3D PARA EL CONTROL CUALITATIVO Y CUANTITATIVO DE TÚNELES EN EJECUCIÓN Y REHABILITACIÓN. 1.- I�TRODUCCIÓ� La aplicación de modelos 3D en túneles permite obtener un elevado volumen de información, de la que se desprende el conocimiento en detalle de todos los aspectos geométricos de la obra realmente ejecutada o estado previo de rehabilitación. A diferencia de otros sistemas de medición los modelos 3D obtenidos con equipos Láser-Escáner 3D proporcionan un modelo numérico sin interrupciones, con una densidad de información próxima a la realidad absoluta. En túneles ejecutados con métodos no integrales, el sistema representa una alternativa real para el control de invasiones del terreno susceptibles de minorar los espesores de revestimiento siendo evidentes las ventajas sobre los métodos tradicionales. Por una parte, al tratarse de un método numérico, se evitan las deformaciones que se pueden producir en métodos mecánicos de control (carro de gálibo) que resultan difíciles de controlar. El conocimiento de incidencias en formato continuo y la velocidad de ejecución del proceso así como la fiabilidad de los datos obtenidos, justifican su aplicación en todo tipo de túneles. Los métodos de excavación integral por su parte necesitan el conocimiento de la disposición y forma final del anillo de dovelas sobre el teórico. La principal aplicación del sistema en estos casos, es el conocimiento de la posición absoluta de la estructura de sostenimiento respecto de ejes de vía o carriles de circulación. Con la información disponible se pueden plantear alternativas de trazado que sin variar notablemente los valores y parámetros de proyecto, permiten subsanar las desviaciones detectadas entre lo teórico y lo realmente ejecutado. En proyectos y obra de rehabilitación de túneles, se pone de manifiesto las ventajas de la utilización de sistemas 3D para valorar adecuadamente diferentes aspectos del método constructivo y de las mediciones previas al comienzo de obra, para adaptar el túnel existente a las nuevas situaciones y exigencia de gálibo. 2.- TEORÍA GE�ERAL BÁSICA El propósito de un equipo de medición 3D escáner es crear una nube de referencias numéricas de cualquier superficie objeto, y dependiendo del modelo utilizado los datos obtenidos corresponden a los valores de un sistema de coordenadas local, pixelado (imagen) de la superficie y valor de intensidad de señal. Por norma general, un modelo completo del objeto no se consigue mediante una única posición de los equipos 3D, fundamentalmente debido al alcance en distancia y condicionado por el ángulo de incidencia de la señal sobre el objeto a representar. Estos factores hacen necesario establecer una metodología adecuada a cada situación,

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normas que si no se observan con rigor pueden ocasionar la pérdida de detalles (sombras), densidad deficiente e incluso la obtención de mediciones erróneas (ruido). En la actualidad podemos agrupar los equipos 3D en dos tecnologías diferenciadas y aunque en ambos casos se utiliza algún tipo de radiación, entre las que se incluyen luz modulada o ultrasonidos, lo más común es la utilización de equipos basados en láser de baja-media frecuencia que no revisten peligro para la salud de las personas. Tiempo de Vuelo Los equipos basados en tecnología time-of-flight están formados por un emisor de pulsos láser y un conversor digital. El pulso de salida transmitido hacia el receptor de salida y reflejado sobre un objeto distante, es capturado por el receptor de entrada. Ambas señales debidamente codificadas son procesadas por el conversor digital y la diferencia de tiempo transcurrida (medida en picosegundos) entre ambos eventos, hace posible calcular la distancia entre el emisor y el objeto con precisiones de rango milimétrico (Fig – 1)

Diferencia de Fase Consiste en la salida de una onda portadora desde el emisor que es devuelta tras ser reflejada por el objeto. La diferencia entre la portadora (λ) y su diferencia de fase (∆Φ) permite calcular con precisión milimétrica (1-3 mm) la distancia entre el emisor y el objeto. Por no estar condicionada a la medición de tiempos transcurridos, los equipos basados en esta tecnología son capaces de procesar valores superiores a 250.000 referencias por segundo. (Fig – 2)

Fig – 1 Esquema funcional Tiempo-de-Vuelo

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Los sistemas de medición, independientemente de la técnica empleada, solamente son capaces de calcular la distancia a un único objeto; por esta razón los equipos láser-escáner 3D incorporan un sistema auxiliar de espejos y servo-motores que hacen posible el desplazamiento angular de las señales a lo largo del modelo objeto, en modo planar(raster) o esférico. En todo caso la capacidad de adquirir información es sorprendente, variando entre un rango de 5.000-100.000 referencias por segundo para los equipos basados en tiempo-de-vuelo, y superiores a 250.000 en diferencia de fase. El paso angular de giro o desplazamiento del sistema de espejos se puede configurar mediante el software de sistema proporcionado por cada fabricante, haciendo posible ajustar la densidad de referencias deseada. Lamentablemente la medida angular se mantiene constante en todo el proceso de medición, característica que provoca que la malla obtenida no resulte uniforme, distanciándose los nodos entre si mismos a medida que el objeto se aleja del foco emisor. Por otra parte los equipos 3D no pueden considerarse un equipo topográfico y por lo tanto no disponen de mecanismo alguno que les permita obtener una posición absoluta, tomando siempre como origen de coordenadas el foco emisor del equipo. Todo ello obliga a establecer un método que garantice el éxito de cualquier estudio en el que se utilice esta tecnología.

Fig – 2 Esquema funcional Diferencia-de-Fase

Escáner FARO LS HE880 de diferencia de fase y detalle del reflector rotatorio

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3.- METODOLOGÍA El uso de sistemas 3D en túneles y obras subterráneas implica necesariamente la implantación de un método adecuado de trabajo. Por norma general cualquier proceso en el que se emplee técnicas láser-escáner 3D se divide en tres fases diferenciadas.

• Captura de datos (trabajo de campo) • Registro y orientación de modelos • Explotación numérica y gráfica de los datos

En cada una de las etapas enumeradas, los equipos utilizados y el personal técnico que interviene en los procesos es importante; no obstante los trabajos de campo adquieren una mayor relevancia en cuanto a la observación de las recomendaciones y rigurosidad de método. Captura de Datos El inicio de los trabajos de campo suele coincidir –aunque no necesariamente- con la fase final de excavación del túnel, momento en el que la obra reúne las condiciones óptimas para ello: mínimo tráfico de maquinaria y vehículos pesados, ausencia de instalaciones auxiliares y atmósfera con baja densidad de partículas en suspensión. Seleccionada la instrumentación se deben planificar sus posicionamientos para alcanzar la densidad de datos exigida. Este es un aspecto que debe tratarse con sumo rigor para evitar diferencias notables en la malla y sobre todo para proteger el modelo de oclusiones y zonas de sombra producidas por la propia irregularidad del terreno (Excavaciones no integrales). Todos los equipos de medición tridimensional, independientemente de sus características específicas, realizan el barrido ajustándose a un intervalo angular fijo establecido que condiciona irremediablemente la dispersión de la malla a medida que el objeto se aleja, lo que supone que la nube de puntos no se consiga de acuerdo a una cuadrícula regular y homogénea. (Fig-3)

Fig – 3 Dispersión de malla

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Por ésta y otras razones, la separación máxima entre estaciones ha de establecerse de acuerdo a los parámetros que la condicionan: Densidad exigida, radio de túnel y rugosidad. El radio de la sección ejecutada influye notablemente en la velocidad en la que disminuye la densidad de malla a medida que aumenta la distancia al objeto. La figura 2 muestra la relación existente entre (radio-densidad de malla)->separación de estaciones instrumentales.

Fig – 4 Distancias recomendadas según el radio de excavación

Fig – 5 Recomendaciones específicas en zonas de refuerzo (cerchas)

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De la gráfica (Fig – 4) podemos obtener la distancia recomendada entre estaciones contiguas para conseguir una densidad de modelo de las proporciones deseadas. Por norma general, para la inmensa mayoría de túneles (6-7 m.), la distancia apropiada para alcanzar una malla de 0.05 x 0.05 (escenario ideal), oscila entre 23-24 m. Y no debe superar esta medida salvo razones plenamente justificadas. La rugosidad de la excavación es un factor importante a tener en cuenta para ajustar este parámetro. Si la superficie del terreno presenta irregularidades importantes será necesario disminuir la distancia recomendada. La propia irregularidad del terreno hace difícil establecer normas que se cumplan en todo momento, y la experiencia y buenas prácticas del equipo técnico responsable de la toma de datos, será la encargada de aplicar la correcciones necesarias en cada situación concreta. En todo caso, ante terrenos muy irregulares, conviene establecer reducciones de 10%-20% . Los tramos de obra en los que la sección de sostenimiento incluye cerchas, son claros candidatos a la generación de sombras en las simas que se producen entre dos anillos contiguos. El gráfico de la figura 3 representa los valores máximos de separación entre estaciones en función de radios y profundidades de sima (Fig – 5). Apoyo Topográfico Anteriormente se ha hecho referencia a la imposibilidad de los equipos láser-escáner 3D para obtener una posición absoluta de coordenadas, y como consecuencia es necesario e imprescindible establecer un sistema de apoyo topográfico que proporcione un sistema de coordenadas de obra, referencias que serán utilizadas para registrar y orientar los diferentes modelos 3D.

En este sentido nos encontramos con diferentes sistemas de realizar el apoyo topográfico, dependiendo en gran medida del equipo escáner utilizado para realizar los levantamientos del túnel y del software de configuración y registro proporcionado por el fabricante. Existen dispositivos que permiten la instalación de un prisma reflector en el eje de giro del emisor láser y que observado topográficamente, establece la situación

Fig – 6 Instalación fija de anclajes y posicionamiento del target

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absoluta del equipo 3D. En este caso es necesario establecer al menos dos referencias externas de valores topográficos conocidos para orientar el modelo. El sistema más habitual consiste en la colocación de al menos cuatro referencias (targets) en las proximidades de la estación. Estas dispositivos suelen ser suministradas por el fabricante del equipo y están constituidas por piezas circulares, planares o esféricas de dimensiones y tramas normalizadas, agentes que el proceso de escaneo es capaz de identificar, posicionar y por lo tanto correlacionar con los valores topográficos de cada una de ellas. (Figs 6 y 7)

En todo caso es necesario disponer de un equipo de topografía que, apoyado en los vértices y bases de la red utilizada para la ejecución de la obra, realice las observaciones a todas las referencias móviles o fijas necesarias para registrar y orientar las diferentes modelos 3D. 4.- ORIE�TACIÓ� DE MODELOS El registro y orientación de modelos es el paso intermedio entre los trabajos de campo (toma de datos) y la obtención de los resultados deseados. Este es un proceso manual y delicado en el que los técnicos operadores han de trabajar con rigor para conseguir una nube de referencias de terreno totalmente fiable, homogénea y con el mínimo error residual en el registro correlación de modelos. Para registrar y transformar los modelos de las diferentes tomas, se utilizan normalmente las herramientas suministradas por el fabricante o aplicaciones informáticas de ingeniería inversa (RapidForm, Geomagic, Polyworks) capaces de manejar con agilidad hasta 100 Mio de referencias de terreno e identificar referncias topográficas comunes que permitan una correlación libre de errores.

Fig – 7 Target posicionado listo para ser observado topográficamente.

Fig – 8 Malla 3D sin tratar y vista planar del modelo.

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Sobre el modelo 3D así procesado es aconsejable realizar una limpieza de objetos no deseados y que no representan el terreno (Tuberías, mangueras, maquinaria) salvo que se prefiera omitir en esta fase y delegarla al proceso de explotación si se disponen de las aplicaciones especificas de control geométrico de túneles. El resultado final es un modelo numérico con varios millones de referencias x,y,z del terreno. Para hacerse una idea aproximada, un kilómetro de túnel puede contener una media de 20 Mio de referencias. En la Fig-8 podemos observar una nube de puntos sin procesar. Sobre ella se aprecia la dispersión de malla como consecuencia de la separación del objeto respecto del foco emisor y el valor de paso angular. Nótese en la imagen planar la representación de taludes de emboquille y la sombra producida por la propia sección del túnel. En la Fig-p vemos el mismo modelo ya depurado , registrado y unido a múltiples tomas, formando un único objeto continuo y apoyado en los datos topográficos de obra

Fig – 9 Múltiples modelos registrados y orientados.

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5.- EXPLOTACIÓ� DEL MODELO. Por último es necesario obtener información tratable para la valoración pormenorizada de la obra existente desde todos los enfoques posibles, información que permite tomar decisiones apoyadas en la realidad para la resolución de incidencias detectadas y ajuste de las unidades pendientes de ejecutar, así como valorar las producidas hasta el momento de los trabajos de campo. Para procesar los datos registrados y orientados como se indica en el apartado anterior y confeccionar informes de los resultados obtenidos, es necesario disponer de los elementos y herramientas de proceso numérico adecuadas que se encarguen de convertir los datos existentes en información manejable. El software a emplear debe disponer como mínimo de utilidades para definir datos básicos del proyecto como son estado de alineaciones, geometría de sección tipo y sus peraltes y naturalmente ha de ser capaz de procesar en formato continuo y con agilidad la totalidad de los datos obtenidos en obra, datos que suelen alcanzar en la mayoría de los casos cientos de millones de ítems. Los estudios e informes realizados hasta el momento ponen de manifiesto las necesidades para realizar un adecuado seguimiento de incidencias y control de la obra realmente ejecutada. Los resultados obtenidos se resumen en los siguientes apartados: Gálibo virtual En toda excavación realizada con métodos no integrales se producen irremediablemente desviaciones respecto de la sección teórica de proyecto, rebasando o invadiendo la línea de excavación teórica. En aquellos casos en los que se contempla el revestimiento del túnel como unidad de obra a ejecutar, la excavación por defecto puede suponer una disminución de los espesores de revestimiento respecto de los reflejados en proyecto, y en algunos casos puede dificultar el posicionamiento de los elementos de encofrado.

Realizar una campaña de verificación topográfica de invasiones resulta lenta y compleja en su ejecución, además no puede garantizar con certeza absoluta el registro de la totalidad de las desviaciones existentes. Alternativamente se suele emplear una

Fig – 10 Esquema de invasiones en cupón de 0.50 m..

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estructura metálica consistente en un anillo de dimensiones idénticas del trasdós de encofrado, al que se le añaden a lo largo de su desarrollo unas varillas palpadoras que cubren el espesor de revestimiento y son las encargadas de detectar colisiones con el sostenimiento existente. Al disponer de un modelo 3D del terreno debidamente tratado y con la garantía de que la malla de terreno obtenida tiene la densidad suficiente, el proceso de cálculo de comprobación de gálibo simula numéricamente el paso de las secciones teóricas aplicables en cada caso concreto, analizando todos los vértices y planos del modelo 3D y recogiendo en un informe los datos de aquellas regiones que invaden la sección mínima definida en cada sección tipo. Los resultados obtenidos aventajan notablemente a los sistemas habituales de comprobación de la excavación por medios mecánicos o topográficos, proporcionando un conocimiento de todas las incidencias existentes en un único proceso y en la totalidad de la obra (Fig – 9).

Lógicamente los resultados se deben representar de forma esquemática, recogiendo aquellos puntos de máxima invasión que se producen en tramos de túnel relativamente pequeños, de lo contrario la información obtenida sería difícil de manejar e interpretar por el usuario, por no decir intratable. En las figuras 10 y 11 podemos ver el grado de invasión (tramado) en un tramo de túnel, su equivalente en representación esquemática y los datos numéricos de replanteo de máxima invasión. La ventaja más evidente de aplicar este sistema es la rapidez con la que se obtienen resultados de forma global, lo que permite iniciar de forma inmediata las labores necesarias para corregir las invasiones existentes, incluso en diferentes tramos de la obra simultáneamente. Por otra parte evita la necesidad de diseñar y construir un carro para verificar el gálibo de la obra ejecutada y su transporte a lo largo del túnel. Desprendimientos En la mayoría de los casos en túneles excavados con métodos no integrales se producen, como consecuencia de desprendimientos espontáneos tras la voladura,

Fig – 11 Cupón de túnel procesado y listado de datos de replanteo de invasiones.

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sobrexcavaciones inevitables y difíciles de preveer a pesar de seguir una buena praxis constructiva. El volumen de los excesos localizados y producidos por esta causa se pueden valorar mediante el análisis sistemático de la malla numérica, agrupando en regiones independientes las zonas que por su volumen localizado y ajustándose a lo recogido en el Pliego de Prescripciones de Proyecto, sean susceptibles de ser consideradas desprendimientos localizados del terreno.

Fig – 12 Esquema posicional y valoración de desprendimientos localizados.

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Mediciones Como no puede ser de otra forma el volumen de datos obtenidos en un proceso láser-escáner, permite obtener un cálculo de mediciones más preciso y de mayor contenido que con cualquier otro sistema conocido. Normalmente este proceso se realiza apoyándonos en perfiles transversales del terreno existente, y en el caso que nos ocupa es posible obtener secciones del terreno muy próximas entre si y con un grado de representación del terreno muy elevado, alcanzando una precisión de mediciones muy próxima a la realidad. Para que resulte posible obtener las mediciones deseadas, el software empleado debe tener las herramientas y utilidades necesarias para aislar diferentes zonas del perfil y formular los cálculos necesarios que actúan sobre éstas. Dicho de otra forma, el proceso de cálculo requiere de una versatilidad capaz de obtener mediciones de unidades de ejecución concretas, por ejemplo volúmenes de hormigón diferenciados entre zona de aceras y bóveda, superficies localizadas entre acotaciones, perímetros de las zonas excavadas por exceso y defecto etcétera. Desviaciones de trayectoria Ocasionalmente se producen desviaciones en la ejecución de la excavación respecto al estado de alineaciones de proyecto, siendo éstas causadas por desviaciones de trayectoria en los equipos de perforación, siendo más acusadas si cabe cuando se utilizan métodos integrales en la ejecución del túnel.

Fig – 13 Análisis de desviaciones de trazado .

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Con los datos procedentes del túnel y la densidad de éstos es posible realizar una comparación exhaustiva entre la sección de proyecto y lo realmente ejecutado (Fig – 13), consiguiendo una tabla de desviaciones mediante las cuales es posible acometer estudios de diferentes variantes de trazado basados en la situación existente, que pueden mejorar sustancialmente la posición absoluta de la obra existente sobre la sección de proyecto. Incluso es posible simular el paso de figuras geométricas que representan unidades y maquinaria de obra que permiten verificar aspectos tales como tolerancia de catenaria, contacto entre elementos del sostenimiento existente y equipos de construcción En la Fig-14 se observa la posición absoluta del terreno respecto de la sección teórica aplicando datos de proyecto, y el resultado comparativo de aplicar una determinada variante de trazado.

Fig – 14 Simulación alternativa de estado de alineaciones.

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Perfiles transversales Seccionamiento sistemático del modelo en el intervalo deseado para la obtención de perfiles transversales del terreno que permiten verificar y justifican cualquier informe emitido.

5.- APLICACIO�ES � Estudios e informes AS-BUILT de obra realmente existente en la que se

incluye la comprobación de gálibo, desprendimientos, mediciones y perfiles transversales.

� Verificación puntual de sección en tramos de refuerzo o convergencias de

magnitud notable. � Medición de grandes cavidades y colapsos.

� Comprobación de emboquilles previos (Tuneladoras)

� Análisis de desviaciones del trazado y ajuste de variantes

� Inventario numérico.

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7. – CONCLUSIONES Los sistemas y métodos descritos se apoyan en la experiencia de los trabajos realizados en las obras de túnel más relevantes a nivel nacional, tanto a nivel de AS-BUILT en obras de nueva factura, controles puntuales durante la ejecución y rehabilitación de túneles en servicio. Del contenido del presente artículo se desprende que el establecimiento de control geométrico y cuantitativo mediante sistemas Láser-Escáner 3D, supone una ventaja respecto a otros métodos empleados, sobre todo si atendemos a la velocidad de captura de la información y obtención de resultados inmediatos. Es interesante observar el grado de implantación de sistemas 3D en otros países de la Comunidad Europea para el control de obras subterráneas; así se pudo comprobar en las ponencias a cargo de los catedráticos de la Universidad de Graz (Austria) D. Wulf Schubert y D. Klaus Rabensteiner en las Jornadas Técnicas que tuvieron lugar el pasado mes de marzo de 2.007 en la Fundación Gómez Pardo, a las que tuvimos la ocasión de asistir y tomar buena nota de su aplicación en otras áreas tales como explotación de minas y canteras, arquitectura, documentación de patrimonio, industria naval etcétera.

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CONTROL GEOMÉTRICO EN LA EJECUCIÓN DE …geoasbuilt.es/tutoriales/articulos/contenido.pdf · Pág -3- COTROL GEOMÉTRICO E LA EJECUCIÓ DE TÚELES PARAGUAS DE MICROPILOTES Permiten