Movimientos del suelo monitoreados en el sitio HS2 con geomalla instrumentada de fibra óptica

Jul 13, 2023

En un corte de alta velocidad 2 se utiliza un sistema para detectar movimientos del suelo subterráneo, que combina geosintéticos y cables sensores de fibra óptica.

La detección temprana de movimientos del suelo para ayudar a prevenir los daños causados ​​por peligros geológicos se ha vuelto cada vez más importante a medida que el cambio climático provoca fenómenos meteorológicos más extremos.

Sin embargo, la tecnología de detección convencional capaz de monitorear áreas grandes con una resolución espacial y temporal suficientemente grande para proporcionar una alerta temprana del movimiento del suelo bajo la superficie es limitada.

Una nueva geomalla instrumentada con fibra óptica, conocida como Sensorgrid, podría ofrecer monitoreo en tiempo real de los movimientos dentro de los activos geotécnicos.

La solución fue desarrollada por el Centro de Infraestructura y Construcción Inteligente de Cambridge (CSIC), Epsimon, especialista en sensores de fibra óptica y spin-off del CSIC, y el fabricante de geomallas Huesker.

Sensorgrid ya ha sido probado e instalado en una parte del esquema High Speed ​​2 (HS2).

Se ha implementado en el corte de Tilehouse Lane, una excavación en tiza de 710 m de largo y hasta 13 m de profundidad a lo largo de la ruta HS2. Conecta el viaducto del valle de Colne con el portal sur de los túneles de Chiltern, cerca de la autopista M25.

El contratista principal de este tramo es Align JV, formado por Bouygues Travaux Publics, Sir Robert McAlpine y Volker Fitzpatrick.

Durante la investigación del terreno y los trabajos de excavación, se revelaron características de disolución en el sitio de corte.

Como parte de la solución de diseño, se está instalando un colchón reforzado con geomalla en la base del corte para mitigar posibles huecos debajo de la losa de la vía.

También quedó claro que poder detectar el movimiento debajo del colchón sería crucial durante la construcción, cuando el sitio funcionaría como camino de transporte, y durante la operación de la propia línea ferroviaria.

La detección distribuida de fibra óptica (DFOS) no es nada nuevo para la industria y anteriormente se ha utilizado para medir la tensión a lo largo de cables de fibra óptica que cubren muchos kilómetros en diversos tipos de infraestructura. Sin embargo, las mediciones del movimiento del suelo dependen del acoplamiento mecánico entre estos cables y el suelo, que no siempre se puede garantizar.

Cedric Kechavarzi, director de operaciones del CSIC, afirma: “Nuestro campo de trabajo gira en torno a la detección de fibra óptica y para ello utilizamos pequeños cables de unos pocos milímetros de diámetro. Por supuesto, si los coloca en concreto, se adherirán a él y, si el concreto se expande o contrae, el cable se tensará en consecuencia. Pero en el suelo es mucho más probable que el cable se escape.

"Esto dependerá del tipo de suelo, el contenido de agua y la carga de sobrecarga, pero cuando el cable se desliza, sólo se transferirá al cable el movimiento parcial del suelo y la tensión".

Para superar este desafío, el CSIC, Epsimon y Huesker desarrollaron una solución en la que los cables de fibra óptica sensores de deformación se integran en una geomalla durante la producción.

“Las geomallas están diseñadas para tener una muy buena interacción con el suelo y mantenerlo en su lugar. En colaboración con Huesker, un fabricante alemán de geomallas, se llevaron a cabo pruebas para incorporar varios cables de fibra óptica en las geomallas durante la fabricación", explica Kechavarzi.

“Las geomallas están hechas de hilos cosidos entre sí para formar una malla y, por lo tanto, pudimos simplemente reemplazar los hilos dados con cables de fibra óptica de rigidez similar.

"Al hacerlo, desarrollamos geomallas sensores de tensión de varias resistencias para las cuales la densidad de medición se puede ajustar durante la fabricación cambiando la cantidad de hilos reemplazados por cables sensores".

El investigador asociado del CSIC, Xiaomin Xu, añade: “En el pasado, intentábamos pegar manualmente el cable en geomallas extruidas, pero eso no es escalable. También se han realizado pruebas que implican colocar cables en geotextiles no tejidos, que no proporcionarían el mismo nivel de unión que la costura.

"La incorporación de cables durante el proceso de tejido seguido del recubrimiento polimérico de Sensorgrid garantiza una transferencia de tensión y un rendimiento de detección excepcionales".

Sensorgrid pasó por pruebas iniciales a pequeña escala en 2021

Desde las conversaciones iniciales con Huesker en 2017, se han fabricado y probado exhaustivamente varios prototipos.

"Se tuvo que probar la fuerza de la unión entre los distintos cables y tipos de geomalla para validar el concepto y optimizar la configuración", señala Xu.

Kechavarzi dice: “Hicimos pruebas exhaustivas en el laboratorio, pruebas de tracción en particular, pero también pruebas de carga vertical, para investigar las características de transferencia de deformación y la sensibilidad de estos prototipos.

“El CSIC, Epsimon y Huesker se asociaron con Jacobs y Align JV para llevar a cabo una prueba de campo a pequeña escala financiada por HS2 Ltd, antes de la instalación completa en el corte de Tilehouse Lane”.

Como parte de esta prueba, cerca del portal sur de Chiltern, se colocaron secciones de Sensorgrid entre tierra arriba y bolsas pesadas llenas de agua debajo.

“Teníamos dos pozos de 3 x 3 m con bolsas de agua que se desinflaron para simular un sumidero, lo que creó un vacío debajo del suelo que provocó el hundimiento y el estiramiento de la geomalla. Este desplazamiento se midió con el cable de fibra óptica y otros instrumentos”, dice Xu.

Esta prueba a pequeña escala, que tuvo lugar en 2021, demostró la sensibilidad del sistema Sensorgrid a pequeños asentamientos verticales, así como su robustez.

Posteriormente, CSIC, Epsimon, Huesker, Jacobs, Align JV y HS2 Ltd trabajaron juntos para diseñar, instalar y operar el sistema de monitorización en el corte de Tilehouse Lane.

El sistema se implementó en mayo de 2022. Sensorgrid, con cables sensores espaciados cada 500 mm, se instaló en un área de 100 m por 10 m en el corte de tiza, proporcionando 10 000 puntos de detección y permitiendo la localización del movimiento con una resolución espacial de 250 mm.

“El Sensorgird venía en un rollo de 5 m que se desenrollaba en dos líneas paralelas. Los 20 extremos del cable sensor se fusionaron para formar dos circuitos de fibra óptica, que luego se enrutaron con un cable de extensión de fibra óptica a un kilómetro de distancia hasta un complejo donde pudimos tener el equipo de monitoreo en un lugar seguro dentro del entorno adecuado”, Kechavarzi añade.

Las mediciones se toman cada 20 minutos y los datos resultantes se muestran en tiempo real en un panel en línea diseñado por Epsimon, lo que permite a los socios del proyecto monitorear cualquier movimiento que ocurra debajo de la base del corte.

Este despliegue ha demostrado el potencial del monitoreo del movimiento del suelo subterráneo distribuido espacialmente en un área grande en tiempo real.

Las lecciones de este proyecto han llevado a que Huesker desarrolle Sensorgrid hasta convertirlo en una oferta comercial, y Epsimon lo suministra para proyectos en el Reino Unido.

¿Quieres leer más? Suscríbase a los boletines electrónicos de GE y síganos en Twitter y LinkedIn