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.