PROPUESTA METODOLÓGICA DE DISEÑO, OBSERVACIÓN Y CÁLCULO DE

REDES TOPOGRÁFICAS PARA LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES DE GRAN

LONGITUD PARA FERROCARRILES DE ALTA VELOCIDAD

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS AGRÓNOMOS

DPTO. DE INGENIERÍA CARTOGRÁFICA, GEODESIA Y FOTOGRAMETRÍA. EXPRESIÓN GRÁFICA

D. JESÚS VELASCO GÓMEZ

LICENCIADO EN MATEMÁTICAS E INGENIERO TÉCNICO EN TOPOGRAFÍA

ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN

OBJETIVO GENERAL

INTRODUCCIÓN I.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS II.

METODOLOGÍA III.

RESULTADOS IV.

CONCLUSIONES V.

GUÍA DE LA PRESENTACIÓN

CONTROL DE LA RED

NIVELACIÓN DE LA RED

REDES EN EL INTERIOR

DE LOS TÚNELES

NIVELACIÓN DE LA RED

INTERIOR

AMPLIACIÓN DE LA RED

ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN

Se define túnel como “Paso subterráneo abierto artificialmente para

establecer una comunicación a través del monte, por debajo de un río

u otro obstáculo” (RAE)

Necesidades de túneles: transporte, comunicación, orografía, impacto

medioambiental y economía

En el nivel nacional: PEIT (Plan Estratégico de Infraestructura y

Transporte) (2005/2020)

En el nivel internacional: Seikan, Eurotunel, San Gotardo,…

Proyectos Futuros: enlace Europa-África, Transpirenaico,…

Figura 1.1.Perfil Longitudinal túnel España-Marruecos( según http://www.geoconsult.es)

1. INTRODUCCIÓN

Realizar una

para la construcción de túneles de

gran longitud para ferrocarriles de alta velocidad

OBJETIVO GENERAL

Dada la importancia actual y según las previsiones para los

próximos años de este tipo de obras: se pretende optimizar el

proceso geodésico y topográfico a partir de la experiencia

adquirida y de los trabajos realizados en esta tesis doctoral

1. INTRODUCCIÓN

CONTROL DE LA RED

1. Red existente

2.OBJETIVOS ESPECÍFICOS Otros objetivos específicos son

AMPLIACIÓN DE LA RED

NIVELACIÓN DE LA RED

REDES EN EL INTERIOR

DE LOS TÚNELES

2. Geometría de la red

3. Monumentación

Necesidad de redes en cada boca de entrada

a los túneles entre ellas

4. Precisión

Dotar de altimetría de a los vértices

de la red

1. de las TBM

2. Trabajos topográficos en el túnel

NIVELACIÓN DE LA RED

INTERIOR

Dotar de altimetría de a los clavos

de referencia altimétrica

METODOLOGÍA EMPLEADA

CONTROL DE LA RED EXISTENTE

1. Estudio inicial

2. Trabajo de campo

3. Trabajo de gabinete

Análisis de la memoria topográfica

Comprobación de vértices y reobservación

Cálculo de coordenadas y precisiones

AMPLIACIÓN DE LA RED EXISTENTE

1. Diseño de la red

2. Monumentación

4. Enlace al Sistema Geodésico de Referencia

3. Diseño de la observación

5. Cálculos y compensaciones

6. Transformaciones y residuos

3. METODOLOGÍA EMPLEADA

DISEÑO DE LA RED (RED EXTERIOR)

1. Características geométrica de una red clásica

V1

V2

V3

V4

V5

V6

3. METODOLOGÍA EMPLEADA

DISEÑO DE LA RED (RED EXTERIOR)

Distancia entre vértices: 1000 m- 2500 m Zonas geológicamente estables

Error angular 3cc

Distancia (m) Error en Equipo óptimo

coordenadas (mm)

250 1.2 EETT

500 2.4 EETT

636 3.0 EETT

750 3.5 EETT

1000 5.0 GNSS Estático Rápido

1500 7.1 GNSS Estático Rápido

2000 9.4 GNSS Estático Rápido

2500 11.8 RTK

3. METODOLOGÍA EMPLEADA

MONUMENTACIÓN (RED EXTERIOR)

1. Tipología : vértice IGN 2. Centrado forzado

3. METODOLOGÍA EMPLEADA

Líneas bases dependientes e independientes

VERTICES ΔX ΔY Δh σ(X,Y) σ(h)

305 -0.006 0.001 -0.005 0.009 0.015

303 0.000 0.003 0.002 0.006 0.010

302 -0.010 0.006 -0.012 0.010 0.016

301 -0.002 0.001 0.000 0.007 0.011

204 -0.002 -0.003 -0.002 0.008 0.013

203 0.007 -0.002 0.005 0.005 0.008

202 0.002 0.000 -0.001 0.008 0.012

201 -0.001 0.000 0.002 0.006 0.009

104 0.000 -0.003 0.001 0.007 0.011

103 0.002 -0.002 -0.002 0.008 0.013

102 0.000 0.000 0.000 0.006 0.010

101 0.004 -0.001 0.004 0.008 0.013

REDES EXTERIORES

4. RESULTADOS

Cálculo desde estaciones permanentes

VERTICE ΔX ΔY Δh σ(X,Y) σ(h)

305 -0.007 0.007 -0.027 0.005 0.008

303 -0.006 0.008 -0.025 0.005 0.008

302 -0.007 0.008 -0.026 0.005 0.008

301 -0.006 0.007 -0.025 0.005 0.008

204 -0.005 0.007 -0.025 0.005 0.008

203 -0.004 0.007 -0.023 0.005 0.007

202 -0.005 0.007 -0.024 0.005 0.008

201 -0.005 0.007 -0.023 0.005 0.007

104 -0.003 0.002 -0.034 0.005 0.008

103 -0.005 0.003 -0.037 0.006 0.009

102 -0.001 0.004 -0.029 0.006 0.009

101 0.001 0.002 -0.029 0.006 0.010

REDES EXTERIORES

4. RESULTADOS

Aplicación del Método de Colocación Mínimo Cuadrática

TRANSFORMACIONES

Hito Norte0 -0.031 0.011

Hito Norte1 -0.029 0.012

Hito Norte2 -0.042 0.007

Hito Norte3 -0.029 0.009

Hito Sur 1 0.045 0.007

Hito Sur 2 0.045 0.008

Hito Sur 3 0.044 0.009

Hito Sur 4 0.040 0.011

4. RESULTADOS

DIF. ACIMUT SEGUNDOS

HN0-HN1 1.46

HN0-HN2 5.68

HN0-HN3 -1.04

HS1-HS2 -2.95

HS1-HS3 2.35

HS1-HS4 2.73

Diferencia de acimutes antes y después de la transformación

TRANSFORMACIONES

Cuantificación residual en la red

4. RESULTADOS

Escala elipse de error

60 mm

20mm

REDES INTERIORES

Elipses de error con giroteodolito Elipses de error sin giroteodolito

4. RESULTADOS

Escala de elipse de error

40 mm

20 mm

REDES INTERIORES

Elipses de error con giroteodolito Elipses de error sin giroteodolito

4. RESULTADOS

Escala elipse de error

40 mm

20mm

REDES INTERIORES 4. RESULTADOS

→Desviación en planimetría al 95% de 81 mm con una

serie de giroteodolito.

→Desviación en planimetría al 95% sin utilizar el

giroteodolito 319 mm.

→Si eliminamos dos series angulares los resultados

obtenidos han sido los siguientes:

→Desviación en planimetría al 95% 82 mm.

→Desviación planimétrica al 95% sin utilizar observaciones

del giroteodolito 406 mm.

→Ahorro de tiempo en la observación de un 40%

REDES INTERIORES

4. RESULTADOS

PK Diferencias alturas en metros PK Diferencias alturas en metros

32050 -0.001 16850 0.045

31042 0.008 15410 0.065

30033 0.020 13665 0.038

29024 0.014 11668 0.075

28014 0.013 10683 0.081

27004 0.019 9684 0.078

25994 0.031 8686 0.065

24985 0.049 7686 0.045

23975 0.071 6687 0.024

23062 0.087 5690 0.011

22053 0.104 4564 0.002

21043 0.111 3686 -0.002

20034 0.101 6687 0.024

19023 0.073 5690 0.011

18110 0.055 4564 0.002

3686 -0.002

Diferencia de altitud geométrica y corrección gravimétrica

NIVELACIÓN INTERIOR

-0.01

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

-0.01

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.1

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000

4. RESULTADOS

-0.020

0.000

0.020

0.040

0.060

0.080

0.100

0.120

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000

Diferencia de altitud geométrica y corrección gravimétrica

NIVELACIÓN INTERIOR

-0.030

-0.020

-0.010

0.000

0.010

0.020

0.030

0.040

0.050

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000

DIF

EN

TR

E N

IV G

EO

M Y

OR

CO

N

CO

RR

E T

OP

OG

DISTANCIA EN KM

CON CORRECCION TOPOGRAFICA

CON C TOP

4. RESULTADOS

5. CONCLUSIONES

La primera actuación que se debe llevar a cabo cuando se ejecuta un túnel de gran

longitud ha de ser la realización de un control métrico de la red básica de

proyecto, la cual sirve como marco de referencia para la ejecución de dicha obra.

El Sistema de Referencia Geodésico en el que se ha de basar la obra será aquel

en el que se ha desarrollado el Proyecto.

La red exterior debe estar constituida por, al menos, tres vértices en cada boca de

entrada a los túneles diseñándose de tal manera que dichos vértices formen un

triángulo idealmente equilátero, siendo visibles entre ellos y con distancias

comprendidas entre 1000 metros y 2500 metros. El vértice denominado polo de

entrada debe estar situado preferentemente en la prolongación del eje del túnel

(túneles).

Para evitar posibles pérdidas de visuales que frecuentemente ocurren a lo largo de

la ejecución de la obra considero que, a la vista de las distintas experiencias

llevadas a cabo en este campo, es más apropiado diseñar la red con cuatro vértices

en cada boca de entrada a los túneles, de los cuales tres formando un triángulo

equilátero y el cuarto (polo de entrada) situado en el baricentro de dicho triángulo.

Red Exterior

Se deben realizar las observaciones a partir de las redes activas cada vez más

extendidas en todo el mundo, lo que conlleva una disminución en el número de

receptores a utilizar, así como el número de personas y material auxiliar que

intervienen en las observaciones.

El tiempo de observación debe ser de una hora, pues aumentar dicho tiempo

tampoco mejora la precisión de las coordenadas obtenidas, como queda

demostrado por las distintas experiencias presentadas.

Comparar los distintos acimutes entre los vértices de las redes a partir de las

coordenadas antes y después de transformarlas. Esta forma de analizar tiene la

gran ventaja de no necesitar utilizar la teoría de colocación mínimo cuadrática y,

aunque no se conocen las precisiones finales de las coordenadas de los vértices,

sí se sabe cómo afectan a la obra en sí.

La solución para transmitir el acimut al interior del túnel es hacer termografías de

exterior e interior y programar las observaciones en los momentos en los que

coincidan las condiciones atmosféricas.

5. CONCLUSIONES

Red Exterior

Para minimizar el efecto de la refracción lateral se han de diseñar las poligonales

en zig-zag con longitudes de eje de 250 metros, pues las poligonales por el eje no

son operativas en producción.

Las poligonales de control se han de realizar aprovechando las paradas

técnicas que se producen y han de diseñarse por el eje con longitudes

de lado de 375 metros.

La utilización del giroteodolito en la observación de las redes interiores

realizando cada kilómetro medidas en aspa es fundamental para la

ejecución de túneles de gran longitud.

Cuando por motivos de ejecución del proyecto se perforen galerías con

reducido radio de curvatura se deberá introducir nuevas observaciones

de giroteodolito que densifiquen la red. En estos casos no se puede

mantener el inicial diseño de longitudes de los ejes de las poligonales-

El cálculo y ajuste de todas las observaciones se ha de realizar por mínimos

cuadrados y paralelamente al cálculo de coordenadas, se han de obtener sus

desviaciones estándar y las elipses de error planimétricas o zonas de

incertidumbre con un grado de confianza del 95%.

5. CONCLUSIONES

Red Interior

FUTURAS LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN

Conocimiento y modelado de la refracción lateral. De esta forma se podrían

plantear otras alternativas de diseños geométricos en las redes interiores.

Desarrollo de dispersómetros cuyo fin es el de poder minimizar el efecto

de la refracción lateral.

Modelos de correcciones topográficas que permitan a partir de observaciones

gravimétricas obtener cotas geopotenciales

Investigación en la aplicación de nuevas tecnologías, como láser escáner

aplicadas en el interior de los túneles.

Investigar instrumental geodésico y topográfico más preciso

Diseños de equipos que incorporan la estación total junto con un láser

escáner y un sistema inercial.

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