Auscultación de vías ferroviarias.

Este post sobre instrumentación y auscultación de vías ferroviarias está a cargo de Joan Marín Fidalgo y Víctor Sánchez Vila. Gracias a su colaboración, basado en una aplicación en un caso real, tendremos la posibilidad de aprender soluciones de auscultación aplicada a la infraestructura ferroviaria. ¡Muchas gracias!

El presente documento constituye el estudio de caso de un proyecto de instrumentación y auscultación de vías ferroviarias realizado en un terraplén en el municipio de Avoise, en el País del Loira, al oeste de Francia.

La infraestructura ferroviaria que se encuentra en el terraplén son dos vías (cuatro raíles) de ferrocarril de alta velocidad y las catenarias.

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Motivación y objetivos.

La motivación del control del terraplén se produjo debido a una excavación no planificada en su base por parte de un particular. El cliente lanzó una petición urgente para llevar a cabo el control y seguimiento de la infraestructura, tanto de la geometría de vías como de la estabilidad del terraplén, ya que se trata de una infraestructura donde circulan trenes a alta velocidad y con un alta de frecuencia de trenes y pasajeros. Debido al desorden causado en la geometría de las vías, la velocidad de circulación se tuvo que reducir a 40 Km por hora para asegurar la seguridad de los trenes, ya que se registraron movimientos superiores a los 5 mm diarios.

A causa de esta incidencia, se realizaron trabajos de refuerzo y de estabilización del talud sur del terraplén, como la agregación de material.

Los objetivos de la instrumentación y su auscultación.
  • Determinar la eficacia de las actuaciones de estabilización.
  • Controlar la geometría de la vía por la seguridad de los trenes que circulan por ese sector.
  • Asegurar la estabilidad geotécnica del terraplén.

Solución adoptada.

La solución propuesta, contempló la instalación de:

  • Perfiles de mini prismas topográficos anclados en las traviesas de las vías, con un prisma en cada raíl, leídos por cuatro estaciones totales robotizadas y automatizadas.
  • Cuatro estaciones totales de precisión.
  • Caja de comunicaciones para el envío automático de los datos recogidos por las estaciones totales robotizadas.
  • Clinómetros inalámbricos automatizados en la parte central de cada una de las dos vías, instalados en la parte media de las traviesas, en línea con los mismos perfiles que los prismas.
  • Dos cadenas de inclinómetros fijos (IPI), en la ladera sur del terraplén, cruzando el material agregado para la estabilización del mismo hasta el terreno natural.
  • Gateway de radiofrecuencia para la adquisición y envío automático de datos de los clinómetros.
  • Visores para la visualización remota y en directo de todos los datos de instrumentación.
  • Sistema de alarma para el aviso y alerta de movimientos en tiempo real.

Control de los raíles de las vías por mini prismas topográficos

Un prisma topográfico es un aparato, empleado para medición en topografía, de forma circular, que se encuentra constituido por un conjunto de cristales. En concreto, los mini prismas son de un tamaño más reducido y se utilizan en trabajos donde las mediciones presentan dificultades adicionales, como pueden ser esquinas, túneles, vías y, especialmente, en aquellos lugares donde se requiera monitorear algún tipo de deformación estructural.

Los mini prismas topográficos fueron leídos por las estaciones totales robotizadas con una alta frecuencia de lecturas (una lectura cada 20 minutos). Gracias a la repetibilidad y al tratamiento estadístico de los datos, es posible obtener precisiones cercanas o inferiores al milímetro.

Las estaciones totales, apoyadas por referencias externas al área de afección, recalculan su posición antes de cada lectura realizando un estacionamiento libre. Seguidamente, se procede a la lectura de los prismas de control y a partir de los ángulos y distancias medidos se pueden conocer las coordenadas UTM de cada uno de los prismas con una gran precisión. La obtención de dichas coordenadas, ofrecen una información muy valiosa para ambos objetivos. Por una parte, el asiento o la variación en la coordenada Z, permite determinar la presencia, magnitud y aceleración de los asientos producidos, y por otra, nos permite determinar la geometría de las vías y su evolución.

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Respecto a la coordenada Z, su evolución nos informa del asiento que se produce en el terraplén, lo cual nos indica el grado de estabilización del mismo y la eficacia de las medidas correctivas adoptadas.

Con respecto a la geometría de la vía, los principales parámetros calculados a partir de las coordenadas de los mini prismas, para la seguridad de la circulación ferroviaria son:

  • Peralte: es la diferencia de cota, en el plano normal al eje de la vía, entre los planos de rodadura de los dos carriles, combinando, por tanto, los efectos del trazado en planta y en alzado, esto es, la magnitud en que un carril de la vía se encuentra más elevado que el otro. Su cálculo a partir de los mini prismas, se realiza realizando la diferencia de cota entre ambos prismas de una misma vía en un mismo perfil.

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  • Alabeo: es la distancia del punto de la superficie de rodadura del carril de una vía, donde debía apoyar la cuarta rueda de un vehículo, al plano determinado por los tres puntos de apoyo de las otras ruedas en los carriles.

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  • Nivelación longitudinal: parámetro que define la cota de la superficie de rodadura de un hilo de la vía, referida a un plano de comparación.

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Clinómetros

Los clinómetros inalámbricos para auscultación ofrecen medidas de cambios de inclinación en los dos ejes del plano horizontal con una gran precisión mediante sensores acelerométricos y eléctricos.

Aunque puedan realizarse aproximaciones matemáticas para calcular asientos a partir de una cadena de clinómetros, su uso más adecuado es para controlar otro tipo de deformaciones estructurales, tales como desplomes o torsiones.

En este caso particular, aprovechando el carácter rígido y monolítico de cada una de las traviesas de las vías, los clinómetros permitieron conocer la evolución de los peraltes de las vías mediante un cálculo trigonométrico sencillo.

Adicionalmente, puesto que los clinómetros midieron, no solo la inclinación en la dirección transversal a la vía, sino también en la longitudinal, se pudo delimitar la cubeta de asiento del terraplén mediante los precisos cambios de inclinación longitudinal medidos, creando cadenas cliométricas longitudinales.

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Cadenas de inclinómetros fijos IPI

Los sistemas inclinométricos verticales fijos de bus digital están diseñados para medir el movimiento lateral de suelos y rocas o la desviación de estructuras hechas por el hombre tales como pilotes o muros de retención; ofrecen un monitoreo inalámbrico y continuo.

Estos inclinómetros consisten en uno o varios sensores inclinométricos instalados dentro de una carcasa de acero inoxidable y hermética. Cada sensor está separado del siguiente por un ensamblaje de tubos de acero inoxidable; sin embargo, el sistema entero está conectado por un sistema de bus digital que consiste en un solo cable corriendo a lo largo de la cadena entera de sensores conectados.

En este caso, se realizaron dos perforaciones, una en la parte alta del terraplén y otra en la parte media, hasta llegar a la base del mismo, dos metros por debajo de la superficie del terreno natural.

En el interior de cada perforación se instaló tubo inclinométrico de doble ranura, por el que se insertó la cadena inclinométrica, dejándola suspendida desde la cabeza, gracias a un cable y una tapa de acero. Se dispuso un inclinómetro fijo en cada metro de profundidad, sumando en total 15 metros en la perforación superior y 12 metros en la intermedia.

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Conclusiones sobre la auscultación de vías ferroviarias.

Los sistemas de monitorización estructurales y geotécnicos nos permiten llevar a cabo el control geométrico de las vías en tiempo real pudiendo sustituir las medidas manuales realizadas por los operadores de la vía; de hecho, en el caso que nos ocupa, se sustituyeron las medidas realizadas por el personal después del paso de cada tren por medidas automatizadas, aportando igual o mayor precisión de medida y una mayor densidad de datos ya que se realizaron medidas de alabeos y peraltes con secciones separadas 3 metros a lo largo de los 140 metros de longitud de vía a auscultar con una frecuencia de 20 minutos. 

Tanto los clinómetros como las estaciones totales muestran los mismos valores de alabeos y peralte, y las mismas evoluciones. Los sensores clinométricos instalados en las traviesas muestran una mayor repetibilidad, menos saltos y menos ruido de fondo; éstos solo se ven ligeramente afectados por las fluctuaciones de temperatura de la estructura a la que están anclados mecánicamente. Sin embargo, los prismas muestran menos repetibilidad, debido a agentes externos, tanto climáticos (lluvia, niebla, temperatura) como físicos, que puedan impedir la adquisición de datos (obstáculos móviles); también muestran menos resistencia a golpes o vibraciones. En definitiva, los sensores clinométricos se muestran muy robustos.

Finalmente, las cadenas inclinometricas IPI son una buena solución para el control de desprendimiento de taludes.

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