Dispositivo para la medida continua de la convergencia en túneles.

Dispositivo para la medida continua de la convergencia en túneles mediante la medida de ángulos y desplazamientos de un cable perimetral (2) anclado en un extremo y que pasa por una serie de puntos de control Pi.

En cada punto de control se dispone un módulo de medida (1) formado por un encoder digital incremental A (5) y dos encoders digitales incrementales B (7) y C (8). Los ángulos medidos por ellos son registrados por un circuito eléctrico de medida (13) y se graban digitalmente en un circuito eléctrico de almacenamiento (14). A partir de estas medidas se determina en cada instante de tiempo la posición de los puntos de control en un sistema de coordenadas.

La invención resulta de aplicación en aquellos sectores en los que se diseñen, excaven o utilicen túneles, como por ejemplo el de la minería subterránea, obra civil, transporte, seguridad y control de viales subterráneos.

DISPOSITIVO PARA LA MEDIDA CONTINUA DE LA CONVERGENCIA

EN TÚNELES

La presente invención se refiere a un sistema electromecánico de medida que detecta los movimientos de las paredes de un túnel mediante la medida de ángulos y desplazamientos de un cable perimetral que pasa por una serie de puntos de control anclados en dichas paredes. Estas medidas se realizan mediante encoders digitales incrementales que se accionan por el movimiento de un cable perimetral que pasa por los puntos de control. Las medidas tomadas permiten calcular las coordenadas de forma continua de cada punto de control en relación a un sistema de coordenadas de referencia. El sistema permite determinar la convergencia del túnel a partir de la variación de coordenadas de cada punto de control en función del tiempo.

La invención resulta de aplicación en aquellos sectores en los que se diseñen, excaven o utilicen túneles, como por ejemplo los de minería subterránea, obra civil, transporte, seguridad y control de viales subterráneos.

ESTADO DE LA TÉCNICA

La medida de convergencias en túneles es imprescindible para controlar posibles comportamientos inesperados del terreno o del sostenimiento, proporcionando al técnico una herramienta para prevenir posibles accidentes. Lo ideal es disponer de sistemas de control que permitan un registro continuo en el tiempo, capaz de detectar fenómenos como asentamientos del terreno, efectos de las voladuras o fallos estructurales de elementos de sostenimiento. Asimismo, la medida continuada de dicha convergencia es la mejor forma de comprobar que el sostenimiento del túnel trabaja correctamente.

La medida de la convergencia se lleva a cabo en diferentes secciones del túnel, convenientemente espaciadas, midiendo la posición de puntos significativos dispuestos sobre el perímetro del túnel, denominados puntos de control. Para realizar estas medidas pueden usarse sistemas mecánicos u ópticos que registren cambios de magnitudes diametrales o perimetrales en el túnel.

Entre los métodos mecánicos más utilizados para controlar la variación del perímetro del túnel están las cintas distanciométricas (distometer) . Son equipos muy precisos, con incertidumbres comprendidas entre 0, 003 mm y 0, 1 mm. Ejemplos de estos sistemas se pueden encontrar en: Kovari K, Arnstad C, Grob H. "Measurement of Displacements and Deformation in Civil Engineering Works by the DistometerISETH Gage". Schweiz Bauztg. 1974; 92 (36) : 819-825; Martin CD, Chandler NA, Read RS. "The role of convergence measurements in characterizing a rock mass". Canadian Geotechnical Joumal, 1996; 33: (2) 363-370; Martinet A. "Study of and checks on the stability ofthe underground hydroelectric power station at Le Verney", ISRM Intemational Symposium, Aachen, Germany; 1982, 3p.; o en Simeoni L, Zanei 1. "A methodfor estimating the accuracy oftunnel convergence measurements using tape distometers". Intemational Joumal ofRock Mechanics & Mining Sciences, 2008; 46:796-802. Todos ellos utilizan cables de invar como elemento de transmisión de las deformaciones. El principal inconveniente de todos estos sistemas es que sólo permiten medir desplazamientos entre dos puntos, habitualmente situados transversalmente, lo que impide el registro continuo de las medidas. Otro de los inconvenientes de estos sistemas de medida es que ocupan parcialmente la sección del túnel, interfiriendo en el trabajo de la maquinaria y en el trasiego de los operarios.

Otros sistema mecánico de medición de convergencias en túneles, aunque mucho menos empleado que los distometers, son las galgas extensométricas. En realidad estos sistemas se suelen emplear en puntos aislados de los túneles como complemento de las medidas realizadas mediante distometers u otros métodos de medida de convergencia. Las galgas extensométricas tienen el inconveniente de que su instalación ofrece bastantes dificultades en ambientes húmedos, con presencia de polvo o con contaminación atmosférica. Por otra parte, se producen paradas en la medición como consecuencia de la sustitución de las galgas con el tiempo, especialmente cuando se producen grandes deformaciones en el terreno.

Entre los métodos mecánicos también son conocidos los que disponen de un cable perimetral anclado mediante bulones al perímetro del túnel, como por ejemplo el de la patente ES 2380256 (B2) , donde un extremo del cable se fija y el otro se une a un contrapeso que se desplaza y que indica el desplazamiento axial del cable. Sin embargo, en este tipo de sistemas solamente se pueden recoger datos del desplazamiento axial de toda la longitud del cable, pero no se puede extraer información sobre desplazamientos localizados ni la relación entre los movimientos relativos en los distintos puntos de fijación del cable al contorno del túnel.

Entre los sistemas ópticos están los equipos topográficos, fundamentalmente las estaciones totales robotizadas (Klopcic J, Ambrozic T, MaIjetic A, Bogatin S, Pulko B, Lagar J. "Use of Automatic Target Recognition System for the Displacement Measurements in a Small Diameter Tunnel Ahead ofthe Face ofthe Motorway Tunnel During Excavation". Sensors, 2008; 8: 8139-8155) . Estos equipos se instalan en un lateral del túnel para no interferir en la actividad en el mismo y miden de manera automática ángulos y distancias. Su principal ventaja es que pueden tomar medidas de manera automática a larga distancia, en función de la geometría del túnel. Por el contrario, tienen el inconveniente de que no realizan medidas continuas y son menos exactos que los distometers. Además, es necesario someterlos a operaciones de mantenimiento, dadas las condiciones ambientales en los túneles.

Otros sistemas ópticos, aunque menos utilizados, son los perfilómetros (Barragan A, Cembrero P, Caceres N, Schubert F. "Automated and Cost Effective Maintenance for Railway. D2.1 Report on railway inspection and monitoring techniques -Analysis of different approaches". Seventh framework programme theme sst.2010.5.2.1. Contract: 265954.) , los sistemas de restitución fotogramétrica (S.Miura, S.Hattori, K. Akimoto and y'Ohnishi, "Tunnel convergen ce measurement using vision metrology", Modern Tunneling Science and Technology, Adachi et al., Vol 1, 265-268, Balkema, Kyoto, 2001) o, más recientemente, los escáneres láser (Schroedel J. "Engineering and Design Structural Deformation Surveying". US Arrny Corps of Engineers. EM 11102-1009; 2002, 292 p.) . Estos equipos son generalmente más caros y menos exactos que los distometers. Además, en algunos casos es necesaria la intervención de uno o más operarios, y no realizan mediciones de manera continua. Por el contrario, con un mismo equipo se pueden medir tantas secciones como se desee, si bien es necesario ir cambiándolo de posición en función de las variaciones en la dirección en el túnel.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un dispositivo electromecánico para la medida de la convergencia en túneles Se basa en el registro continuo del movimiento de un cable perimetral que se ancla a los hastia!es y corona del túnel. Al producirse un movimiento del terreno y el consiguiente desplazamiento de los puntos de control donde está anclado el cable perimetral, un conjunto de sensores digitales incrementales de medida angular (eneoders digitales incrementa!es) yel sistema mecánico ideado, permiten determinar los ángulos que forma cada porción de cable perimetra! con el tramo anterior y posterior, así como el desplazamiento axial del cable perimetra!. A partir de los ángulos medidos es posible determinar la posición de cada punto de control en el espacio, y medir la convergencia del túnel de manera continua, sin que sea necesario interrumpir las labores o el tráfico de vehículos por el túnel.

El sistema se basa por lo tanto en la medición de una poligonal abierta materializada mediante un cable perimetra! que está sujeto al perímetro del túnel en una serie de puntos de control.

Es objeto de esta invención un dispositivo para la medida continua de la convergencia en túneles que comprende:

Un cable perimetra! con un extremo fijado a una rótula que mantiene su posición respecto a un punto de la pared del túnel y el otro extremo unido a un peso muerto que lo somete a tensión, que pasa por dos o más puntos de control Pi fijados a la pared del túnel.

Un módulo de medida en cada punto de control Pi que comprende un eneoder digital incremental A asociado con una polea gula sobre la que pasa el cable perimetra! y que registra el desplazamiento axia! del cable perimetral en cada instante t. El eneoder digital incremental A registra el ángulo Oi que se corresponde a! ángulo que gira la polea guía asociada a él al desplazarse sobre la misma el cable perimetra!...

1. Dispositivo para la medida continua de la convergencia en túneles que comprende:

un cable perimetral (2) con un extremo fijado a una rótula (3) que mantiene su posición respecto a un punto de la pared del túnel y el otro unido a un peso muerto (4) que lo somete a tensión, que pasa por dos o más puntos de control Pi fijados a la pared del túnel;

un módulo de medida (1) en cada punto de control Pi que comprende un encoder digital incremental A (5) asociado con una polea guía (6) sobre la que pasa el cable perimetral (2) que registra el desplazamiento axial del cable perimetral (2) en cada instante t, un palpador (9) en contacto con la superficie del cable perimetral (2) asociado a un encoder digital incremental B (7) Y un palpador (10) en contacto con la superficie del cable perimetral (2) asociado a un encoder digital incremental e (8) que registran los ángulos ai Y Pi que forma el cable perimetral (2) en cada punto de control Pi en cada instante t;

unos medios de adquisición de datos del encoder digital incremental A (5) , del encoder digital incremental B (7) Y del encoder digital incremental e (8) .

2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado por que la rótula (3) es la polea guía (6) del módulo de medida (1) situado en el primer punto de control PI.

3. Dispositivo según la reivindicación 1 caracterizado por que el encoder digital incremental A (5) es de eje macizo, y el encoder digital incremental B (7) Y el encoder digital incremental e (8) son de eje hueco.

4. Dispositivo según la reivindicación 1 caracterizado por que el cable perimetral

(2) es de invar o de una aleación de acero al carbono.

5. Dispositivo según la reivindicación 1 ó 4 caracterizado por que el peso muerto

(4) es un cilindro de acero.

6. Dispositivo según la reivindicación 1 caracterizado por que el ángulo que

ai registra el eneoder digital incremental B (7) Y el eneoder digital incremental e (8) es el ángulo que forman los tramos de entrada y de salida del cable perimetral (2) en cada punto de control Pi.

7. Dispositivo según la reivindicación 1 caracterizado por que el ángulo Pi que registra el eneoder digital incremental e (8) es el ángulo que forman la vertical y el tramo de salida del cable perimetral (2) en cada punto de control Pi.

8. Dispositivo según la reivindicación l caracterizado por que los palpadores (9) y

(10) comprenden una varilla con un extremo asociado a una polea que está en contacto con la superficie del cable perimetral (2) y con el otro extremo unido respectivamente al eneoder digital incremental B (7) o al eneoder digital incremental e (8) .

9. Dispositivo según la reivindicación 1 caracterizado por que los medios de adquisición de datos del eneoder digital incremental A (5) , del eneoder digital incremental B (7) Y del eneoder digital incremental e (8) comprenden un circuito de medida (13) situado en el módulo de medida (1) de cada punto de control Pi y un circuito de almacenamiento (14) que se conecta con cada circuito de medida (13) .

10. Dispositivo según la reivindicación 9 caracterizado por que el circuito eléctrico de medida (13) comprende un microprocesador PIe (17) que registra de manera continua los movimientos detectados por el eneoder digital incremental A (5) , el eneoder digital incremental B (7) Y el eneoder digital incremental e (8) .

11. Dispositivo según la reivindicación 9 ó 10 caracterizado por que el circuito eléctrico de medida (13) comprende un sistema de alarma (18) con unos medios de alarma que indican el estado del eneoder digital incremental A, del eneoder digital incremental B y del eneoder digital incremental e, así como el

desplazamiento anómalo en las paredes del túnel cuando se supera un determinado umbral de convergencia.

12. Dispositivo según la reivindicación II caracterizado por que los medios de alarma son luminosos.

13. Dispositivo según la reivindicación 12 caracterizado por que los medios de alarma luminosos son LED.

14. Dispositivo según la reivindicación 9 caracterizado por que el circuito eléctrico de almacenamiento (14) comprende un microprocesador PIe (19) y una tarjeta de memoria (20) que permite registrar, en periodos regulares de tiempo, los valores medidos en los puntos de control Pi por cada módulo de medida (1) .