REPLANTEO DE VÍA EN PLACA EN LINEAS FERROVIARIAS DE ALTA VELOCIDAD.

• Dentro de la topografía convencional (no metrología o montaje industrial) hay una serie de trabajos que podemos definir como de gran precisión. Probablemente el posicionamiento/replanteo de una vía en placa de Alta Velocidad sea uno de ellos (al menos localmente), sobre todo por las restrictivas tolerancias geométricas exigidas y el instrumental/metodologías específicas que se requiere para conseguirlas.

• El principal escollo de estos trabajos (aunque no lo parezca) es establecer una conveniente red topográfica principal de control. Esto es debido a que normalmente se adjudica un tramo de Superestructura (carril, traviesa, vía, catenaria, señalización) que engloba/comprende  un importante numero de segmentos/tramos de Infraestructura previamente construidos (trabajos de obra civil: tierras, plataforma, estructuras, drenaje). Estos últimos suelen demorarse en el tiempo y normalmente; aunque están "enlazados topográficamente en inicio/final entre sí", no presentan redes muy homogéneas (diferentes tipos de observación, vértices geodésicos de origen, cálculo y compensación) -> este es realmente el desafío y  suele estar lleno de "artificios necesarios".
• En esta ocasión nos centraremos en la topografía "local" de los trabajos. A partir de los vértices singulares de la red principal se realizan diferentes poligonales de precisión (red secundaria) por tramos con longitudes entre 175-250 metros de lado, centrados forzados (sobre pilar en exteriores/consolas en interiores de túneles) y observaciones con series angulares (al menos 6 ciclos Bessel en cada estacionamiento). 
• Una vez compensadas las bases de dichas poligonales de apoyo/densificación (se dice pronto); se  materializan y radian bulones de centrado Wild en ambos lados del eje de la vía (normalmente sobre torres de catenaria cada 50m en exteriores y en hastiales cada 25m en interior de estructuras). Las determinaciones de estos bulones se realiza solapando las observaciones de bases contiguas hacia PK+ y PK-. Paralelamente se llevan nivelaciones geométricas de precisión todo a lo largo de la traza, materializando cotas  ortométricas cada 50 m (bases de catenaria o aceras/hastiales de túneles).

Monumentación de bases centrado forzado, bulones WILD y clavos altimétricos.

• En este momento ha de distinguirse el tipo de vía a replantear: si se trata de vía en balasto donde actúan en la nivelación, peraltado y alineación las bateadoras no es necesario que el piqueteado (normalmente cada 10 m o más); sea tan denso como cuando se instala una vía en placa que es "más artesanal" (cada 5m). De echo el piquete (puede ser un bulón en catenaria, un perfil clavado en el subbalasto o un cartelito con muesca de referencia) sirve para situar la vía absolutamente; lo mas cerca posible de su situación proyectada, antes de que empiecen a interactuar la maquinaria específica para la construcción de la vía en balasto o los operarios especializados en caso de la vía en placa.
• En un caso real de túnel de Alta Velocidad: se dispusieron los piquetes (indicadores del PK de la vía replanteada, distancia del carril cercano en cara activa, diferencia de cota al hilo bajo y peralte a partir de la red topográfica secundaria/poligonales interiores/bulones radiados) en la cara externa de las aceras cada 5 m. Para manipular la vía en planta y alzado se instalan una serie de soportes anclados a la pared (xy) y otros alternos izq-der en contacto con el suelo (z); cada 3-4 traviesas aproximadamente, que permiten mediante el accionamiento de husillos ajustar la posición del carril en distancia al eje de vía y cota/peralte.

Mecanismos de Ajuste en planta y alzado de via en placa + piquete indicador del replanteo.

• Una vez que los operarios disponen la vía objeto de estudio en una posición muy aproximada a la definitiva (se ayudan de flexómetros, regla de ancho peralte,  niveles de burbuja/de linea midiendo a piquetes) empezaría la labor de chequeo topográfico.
• La instrumentación a emplear suele ser un carro de vías homologado y una estación total robotizada de alta precisión en la medida de ángulos y distancias (1" y 1 mm+-1ppm x d). Se procede al posicionamiento de la Estación -> mediante intersecciones inversas mixtas a bulones Wild  para cálculos de coordenadas planimetricas (radiados con solape desde vértices de poligonal contiguos) y a clavos de nivelación de precisión en determinaciones de cota . Normalmente se realizan series de observaciones (3-4 ciclos con Bessel) a 6 u 8 bulones a ambos lados de las vías; además de tomar referencia de cota promediada a 2-3 clavos de nivelación. Es necesario que las distancias máximas de registro estén en torno a 80-90 m (máximo). Las elipses de error obtenidas han de ser < 2mm en xyz y < 5" en angulos.
• Como se trabaja en coordenadas proyectivas (hasta hace poco UTM/ED50) obtenidas/derivadas de un macrocálculo que engloba (o lo intenta) todas las redes topográficas de infraestructura; no hay mas remedio en ocasiones que "jugar" con los factores de escala de la red (a parte del K utm) para que el ajuste final sea lo mas preciso posible (intersecciones inversas con factor de escala libre- autoajuste). En definitiva a veces mediremos/replantearemos distancias reales de 80 m como 79.996 m o 80.003 (o similares); el que haya trabajado en ello, supongo que lo entenderá.

Gráfica de observaciones - posicionamiento via en Placa.

• El carro de vías se va posicionando secuencialmente (operador lo mueve) en cada PK singular (normalmente donde están los aditamentos de ajuste del ripado horizontal - cada 2.4 m) y la estación total toma datos de la situación del mismo (mediante estado de seguimiento y reconocimiento del prisma). Así se obtienen unas coordenadas muy precisas que llegan al ordenador del carro (por RF) donde el software evalúa a que distancia se está del punto teórico del eje en planta (xy eje),  diferencia de cota con respecto a la rasante en ese PK (z ras), desviación al peralte teórico (a partir de PK y medición peralte del propio carro) y flecha de cuerda de 10 m en ese punto (evaluar curvatura respecto a puntos anterior/posterior). Remarcar que el ancho de vía, también evaluado debería de estar correcto a priori . Los datos registrados se muestran en la siguiente captura del carro de vías:

Datos de estado y corrección de la vía.

• En base a los datos mostrados; los operarios que acompañan al equipo de topografía, podrán ajustar en cada punto la situación de la vía accionando sobre los elementos de corrección/husillos; ya sea levante o ripado, disponibles previo al hormigonado definitivo. La tarea se lleva a cabo en todo el paño dispuesto para su comprobación y realizando solape con los tramos anterior/posterior.

Operario corrigiendo levante/peralte de vía.

• Una vez que el segmento de trabajo es ajustado (dispuesto por los topógrafos de constructora y comprobados por ATDO) se realiza una levantamiento final que ha de verificar que se han obtenido las tolerancias descritas en el pliego del proyecto; cuyas magnitudes orientativas se describen en la siguiente tabla:

Listado tolerancias montaje Vía en Placa.

• Normalmente en la vía en balasto suelen realizarse comprobaciones hectométricas (100 m por km) por parte del Cliente; así como calificaciones de la vía adaptadas a esa longitud (dictadas por NRV e IGP en España). En el caso de la vía en placa (menos común); cuya instalación es mas cara, tediosa y sin  apenas margen correctivo suele comprobarse la totalidad del trazado. Se generan listados de comprobación para validación de la vía auscultada del tipo siguiente (suelen estar automatizados a partir de las tolerancias y datos recogidos por el carro de vías):

Informe de datos finales almacenados.

• El hormigonado final es convencional (vertido,vibrado y fratasado); aunque en ocasiones suelen emplearse fibras metálicas en su dosificación para ahorrarse la disposición de algunas armaduras (aumentando costo y ganando tiempo de instalación).

Vía en placa hormigonada.

• Si bien la geometría, trazado y replanteo de cualquier obra de ingeniería es capital; lo es mucho más en las superestructuras ferroviarias, es un lástima que nunca se dé el mérito que le corresponde a una labor tan fina y compleja.
• By RAH.

REDES TOPOGRÁFICAS EXTERIORES PARA LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES EN OBRAS LINEALES.

• Los profesionales del ámbito de la topografía que se hayan dedicado a establecer/utilizar las Redes Principales del Control Geodésico/Topográfico de túneles ferroviarios/carreteros saben de su vital importancia. El trazado, replanteo y su definición en el marco de referencia local son la base del proyecto/ejecución de cualquier obra lineal, más aún teniendo en cuenta las restricciones geométricas que exigen este tipo de trabajos.

• Las directrices principales a seguir en el proyecto de la red de apoyo exterior son:
• 1.- Elección del Sistema Geodésico de Referencia tanto  planimétrico como altimétrico para la realización de la obra. Actualmente; ya se toma el sistema ETRS89 (European Terrestrial Reference System 1989) como S.R.G. oficial en España para la referenciación geográfica y cartográfica en el ámbito de la Península Ibérica y las Islas Baleares. En el caso de las Islas Canarias, se adopta el sistema REGCAN95. Ambos sistemas tienen asociado el elipsoide GRS80 y están materializados por el marco que define la Red Geodésica Nacional por Técnicas Espaciales, REGENTE, y sus densificaciones. Como referencia de altitudes se tomarán los registros del nivel medio del mar en Alicante para la Península y las referencias mareográficas locales para cada una de las islas. Los orígenes de las referencias altimétricas serán definidos y publicados por la Dirección General del Instituto Geográfico Nacional. El sistema está materializado por las líneas de la Red de Nivelación de Alta Precisión.
• 2.- Adoptar la Proyección Cartográfica a utilizar. Para representar nuestro territorio trabajamos con la proyección Universal Transversal de Mercator (UTM) aplicada al S.G.R. ETRS89 (actualmente).
• 3.- Obtención de una cartografía de precisión de la zona de actuación. Normalmente proveniente de un vuelo fotogramétrico del proyecto de la infraestructura de que se trate a escala 1:1.000 (equidistancia de curvas de nivel de 1 m) y apoyándonos también en la cartografía del IGN existente (normalmente 1:25.000) para las zonas lejanas al ámbito de actuación.

• 4.- Implantación y observación de una red de precisión para la realización de la obra. La excavación de un túnel de gran longitud se efectúa como mínimo desde los dos extremos a la vez con el fin de acelerar el trabajo, pudiéndose realizar desde otras bocas, pero en cualquiera de los casos, los frentes han de encontrarse y coincidir en un determinado punto o perfil del túnel. Por tanto; es necesario que los puntos definitorios de las distintas bocas de excavación estén perfectamente enlazados, tanto planimétricamente ( técnicas GNSS) como altimétricamente (Nivelación Geométrica de Alta Precisión). Realizaremos una red de enlace entre las diferentes bocas de ataque que ha de permitir conocer con la mayor precisión posible las coordenadas de los puntos iniciales de la excavación; así como los acimutes de las alineaciones de entrada y salida.

Monumentación de Bases de la Red Principal.

Geometría ideal de la red de replanteo en ambas bocas.

• Una de las ventajas de la utilización para la observación  de la red exterior mediante técnicas GNSS es la no necesaria intervisibilidad entre los vértices que constituyen dicha red, por lo que se minimizan los errores que se transmiten mediante una triangulación realizada por técnicas clásicas de observación. Pero no hay que olvidar que dichas redes han de ser utilizadas para realizar observaciones con estaciones totales con el fin de  transferir coordenadas al interior de los túneles y guiar la excavación, por lo que el diseño de las redes de las bocas ha de tener los mismos condicionantes geométricos que una red observada mediante técnicas clásicas, es decir: 

1. • Intervisibilidad entre los vértices de cada red de bocas. Así se podrá verificar de forma redundante la orientación de entrada al túnel.
2. • Distancias homogéneas entre los vértices. Para que los pesos de las orientaciones sean similares y de una longitud adecuada para asimilar la magnitud del error de posicionamiento mediante técnicas GNSS (3 mm+1 ppm x d (km) por cada linea base). Esto quiere decir;que si utilizamos una ET para transferir la orientación interior al túnel de 3 seg centesimal, las coordenadas de las bases de las bocas (o al menos la linea principal de orientación) deben estar distanciadas sobre  750 m a 1 km (tag 0.0003gon* dist <=3mm+1ppm x dist).
3. • Bondad  de la geometría de las redes. Ángulos de intersección de visuales próximos a 90º son los ideales para minimizar incertidumbres en los puntos (esfera de error- triángulos equiláteros).

• Además, la red exterior, formada por todas las redes de las diferentes bocas debe ser homogénea y con aspecto de malla regular con vértices mas o menos equidistantes.
• En el ejemplo adjunto se describe la red geodésica observada para la construcción de los túneles ferroviarios de Pajares (dos tubos de 24.6 km de longitud) que se acometieron desde 3 bocas de ataque (las dos extremas y una intermedia). Podemos apreciar que también se incluyeron 5 vértices REGENTES y 2 vértices pertenecientes a la R.O.I. (PICO BOYA Y CORULLOS).

RED EXTERIOR BASES DE BOCAS + ENLACE CON GEODESIA TÚNELES FERROVIARIOS DE PAJARES.

•  Actualmente (por la adopción del SGR80_ETRS89) la observación de las Redes Exteriores se puede realizar enlazándola con la Red de Estaciones Permanentes del Instituto Geográfico Nacional ó con otras Redes de Estaciones Permanentes oficiales  de las distintas Comunidades ó de otros Organismos. Esto hace que podamos minimizar el número de receptores a utilizar y evita el tener que ir a vértices geodésicos por lo que se optimiza la observación (pero personalmente y por la consistencia demostrada de la red REGENTE es recomendable seguir utilizándolos como redundancia/comprobación).

• 5.- Metodología de observación e instrumentación a utilizar en la ejecución. El número de equipos GPS a utilizar puede ser variable (a partir de 2) y adaptado al número de vértices a observar. El método de observación empleado será estático y como tiempo idóneo por estacionamiento; se ha cotejado en varios proyectos de este tipo, sería de una hora (depende de la longitud de las lineas base ->30 - 40 km). La máscara de observación establecida en 10º y el intervalo de datos registrados cada 5-10 seg. En cuanto al diseño de la observación (sesiones y emplazamientos) depende del número de equipos y operadores disponibles, así como la lejanía entre los desplazamientos. Es recomendable que se observen todos los puntos el mismo número de veces. Los algoritmos que se presentan tratan de eludir la observación de una línea base más de una vez, es decir, dos vértices no deberían estar contenidos en más de una sesión común.
• Atendiendo al ejemplo de la figura anterior; las sesiones de observación establecidas fueron las siguientes (se utilizaron 6 receptores). Vértices en orden alfabético; el primero Bildeo, sería el 901:

• 6.- Cálculos y compensaciones realizadas. Se efectúan las determinaciones de las lineas base (una a una) a partir de programas técnicos de cálculos GPS para posicionamiento en Postproceso (tipo GEOLAB, Leica Geoffice, antiguamente Skipro..) atendiendo especialmente a eliminar las pérdidas de ciclo en cada observación. No afecta a la precisión de los cálculos el uso de Efemérides Precisas o Transmitidas. La red/malla observada se ajusta por MMCC de manera integral; en este punto se estudia la bondad de la observaciones obtenidas, cierres de triángulos, desviaciones standard y elipses de error del cálculo. Esto nos proporcionaría las coordenadas Geográficas (latitud,longitud) de los vértices en el Sistema de Referencia Global WGS84. En un paso posterior se realizó la transformación entre dichas coordenadas y su paso a la proyección pero sobre un elipsoide distinto (UTM-ED50). Este último punto siempre ha sido muy conflictivo en su cálculo; debido a la poca homogeneidad de la geodesia en este sistema, lo que producía residuos importantes/tensores en nuestra red que había que asumir/compensar.
• En la actualidad ya no es necesario efectuar esta última operación; ya que la cartografía actual ha adoptado como Proyección la UTM sobre elipsoide GRS80 (ETRS89), que es idéntico al que los sistemas GNSS emplean para sus determinaciones. Hablando en cristiano; las longitudes/latitudes obtenidas de nuestro cálculo en postproceso pueden transformarse directamente (de manera inmediata) a coordenadas proyectivas UTM-ETRS89 (las de nuestras bases de replanteo del túnel) con una simple fórmula o apoyándonos en las coordenadas de los vértices REGENTES observados (de gran fiabilidad).
• Está extendido el uso de las GNSS permanentes en todo territorio español (pertenecientes a organismos públicos o privados); ya sea para realizar trabajos en tiempo real (replanteos, levantamientos etc) o cálculos en postproceso (servidores registran datos de forma continua-> descarga de Rinex). En la siguiente tabla se muestra la diferencias en el cálculo de la red considerando todas las lineas base observadas en un intervalo de 3 horas (la configuración del caso de estudio; más precisa, se supone) en contraposición con los datos aportados por Estaciones Permanentes (sin considerar el resto de la RED o vertices geodésicos) :

Magnitudes en m.

• Recalcar que normalmente las redes exteriores para la construcción de este tipo de obras suelen estar sobredimensionadas en su concepción, calculo y diseño (yo digo; que mejor); aunque son las redes interiores del túnel; las de guiado, replanteo y auscultación, las que más indeterminaciones y errores pueden arrojar a nuestro desempeño.
• No me olvido de señalar que paralelamente ha de transferirse altimetría exacta a la infraestructura topográfica; pero a partir de las convenientes nivelaciones geométricas de alta precisión (una tarea mas mundana y menos compleja, aunque igual de importante).
• En fin; es este un tema interesante y que muchos profesionales no pueden acometer en toda una vida de trabajo, principalmente porque no tenemos acceso al equipamiento necesario. Sin embargo "unas nociones claras; de como va el tinglado, bien viene tenerlas".
• Gracias al profesor Jesús Velasco por compartir su experiencia y saber..
• By Rah.