¿Conoces cuáles son las etapas de diseño geométrico de un túnel a partir de la metodología BIM?

14/10/2022

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BIM & Construction Management

En este artículo redactado por Leydy Ana Reyes Gaspar, alumni del Máster BIM Management en Ingeniería Civil y GIS, se detallan las diferente etapas en el diseño geométrico de un túnel. Además, nos cuenta cómo la implementación de la metodología BIM y las herramientas GIS aparecen como puntos clave en este proceso.

Cuando se hace alusión a la metodología BIM es muy usual referirse a su aplicación en proyectos de construcción como un edificio, una carretera o un aeropuerto. Muy pocas veces se hace referencia a la implementación de BIM para la elaboración del diseño geométrico de un proyecto de túnel. Sin embargo, se sabe que BIM puede utilizarse en cualquier tipo de obra e independientemente de la etapa en que se encuentra la misma. En un proyecto tan particular como la construcción de un túnel, la comunicación entre las personas de gabinete y las personas que están haciendo el trabajo de campo tiene que ser en tiempo real. De esto último depende que se realicen las entregas según calendario y no sea necesario realizar cambios a la hora de diseñar. Y es que el tiempo que pasa desde las primeras etapas como la topografía, los sondeos y los trabajos de laboratorio hasta la recepción y manejo de la información es muy poco. Ejemplo de ello son las incertidumbres entre la geología y la geotecnia que pueden prevalecer a pesar de la exploración realizada. De hecho, estos escenarios pueden derivar en problemas durante la construcción que obligan a hacer cambios del proyecto del túnel en la obra. Y es justamente en casos como estos que los tiempos de ejecución se alargan. Ante incidentes como estos, la metodología BIM aparece como un elemento central que facilita el manejo de datos en la nube. Esto facilita que dichos contratiempos se resuelvan casi al instante y los resultados se vean reflejados en obra al mismo tiempo, así no hay retrasos en la excavación y los sobrecostos de la obra se pueden reducir. En este artículo analizaremos las diferentes etapas que debemos tener en cuenta al momento de realizar el proyecto geométrico de un túnel implementando la metodología BIM.

Recepción y manejo de la información en el diseño del túnel

El diseño geométrico del túnel sería imposible sin los trabajos de campo tales como la topografía, altimetría, estudios de tránsito, mecánica de suelos e hidrología, etc. Todos ellos son básicos para realizar nuestro proyecto, pero muchas veces el lugar de estudio no es tan accesible y estos tardan en llegar. Por suerte, el avance tecnológico ha conseguido que el tiempo en el proceso y envío de la información se reduzca en gran medida. El uso de herramientas como las estaciones totales ahorran el tiempo de “vaciado” de los datos topográficos recopilados y, por lo tanto, se agiliza el procesamiento de la información al software utilizado para compartir datos. El manejo de estos datos en programas como Civil 3d es esencial para la rapidez en la obtención de la topografía del lugar, la cual es la base del proyecto. A continuación, se muestran ejemplos de la interacción entre los datos de campo y el procesamiento en gabinete. Manejo y recepción de la información topográfica Imagen 1.- Manejo y procesamiento de información topográfica en el programa Civil 3d. Imagen 2.- Registro de campo, sondeos de penetración estándar. Una vez obtenidos y procesados todos los datos, es posible contar con una visión integral del área de estudio donde ejecutaremos el proyecto. Además, también es posible contar con una representación gráfica (archivo de CAD) o en informes, la comunicación se distribuye en diferentes áreas de diseño para el desarrollo del mismo. La siguiente imagen es una planta de detalle en la que intervienen los datos topográficos, hidrológicos, altimétricos y algunos de mecánica de suelos. Una vez procesada la topografía, las diferentes áreas o disciplinas pueden trabajar en conjunto o individualmente para la elaboración del proyecto del túnel. Toda la información recogida puede ser integrada en un documento compartido que, según la necesidad, puede editarse. Imagen 3.- Planta general. La siguiente etapa del diseño del túnel es la elaboración del proyecto geométrico del trazo o ruta. Esto se elige de acuerdo a diferentes parámetros: las características topográficas y geológicas, la distancia más corta, afectación al ecosistema, concordancia con municipios, etc., y finalmente realizar el cálculo del alineamiento horizontal y vertical. Para esta etapa, y como apoyo, se pueden ocupar los programas de manejo de datos GIS (ARCGIS, Q GIS, Global Mapper, etc). Y es que desde sus bases de datos se puede obtener fácilmente información satelital de mucha relevancia para el proyecto. Por ejemplo, nos podrían permitir identificar municipios, áreas protegidas y todo aquello que pueda ser algún obstáculo para elegir la ruta. Las características que definen el proyecto geométrico de una vialidad, y de un túnel en particular, son las siguientes:

velocidad de proyecto
distancias de visibilidad
grado máximo de curvatura
pendientes máximas
longitudes críticas
anchos de corona y de calzada
ampliaciones y sobreelevaciones máximas.

Estos parámetros de diseño dependen de la clasificación de la carretera, según su importancia y volumen de tránsito esperado. Al finalizar el proyecto geométrico, la altura de los cortes o terraplenes que obtengamos nos indicará si es necesario incluir túneles o puentes en el camino. El manejo de esta información en programas como Civil 3d facilita la elección de la mejor ruta. De hecho, estos softwares permiten insertar los parámetros de diseño adecuados así como configurar diferentes opciones tantas veces como sea necesario. Una vez hecho, los cambios se ven reflejados de inmediato en instancias como perfiles longitudinales y secciones transversales. Trazo de la ruta del túnel Imagen 4.- Trazo de la ruta.

Proyecto geométrico del túnel

Teniendo concluido el proyecto geométrico de la carretera y la ubicación aproximada del túnel, se realizan estudios a detalle de la zona. En función de los resultados obtenidos, se procede a diseñar el proyecto geométrico del túnel. Los parámetros básicos involucrados en el proyecto geométrico del túnel son:

La sección geométrica del túnel (sección transversal tipo), esta va a depender del número de carriles, tipo de carretera, velocidad, altura del gálibo, grado de curvatura, etc.
La longitud del túnel que, a su vez, depende de las condiciones topográficas y geotécnicas.
La geometría de los portales de acceso al túnel y la inclinación de los taludes. Estos últimos se definen a partir de factores como la topografía, la calidad de la roca o suelo, el derecho de vía y las afectaciones o impacto ambiental.
La longitud de los túneles falsos, la cual va relacionada a la geometría de los portales.

Y ya en una etapa posterior el diseño del túnel incluye:

Sostenimiento y tratamiento de bóveda, hastiales y piso del túnel.
Cálculo de marcos metálicos y otros elementos de soporte.
Diseño del revestimiento definitivo del túnel y los túneles falsos.
Diseño del pavimento en el interior del túnel.
Obras complementarias (drenaje exterior e interior, señalamiento, proyectos de iluminación, ventilación, etc.).

En este ejemplo, la sección geométrica del túnel es para cuatro carriles con arcenes y barrera central. El modelado se hizo utilizando el software de civil 3d y se incorporaron los parámetros para una apropiada exportación a formato IFC. Imagen 5.- Sección geométrica. Una vez teniendo la sección geométrica es importante incluir el modelo del corredor, y realizar los cambios pertinentes en cuanto a la longitud del túnel en mina, túneles falsos y definir la ubicación de los portales de entrada y salida. Si hay cambios en la inclinación de taludes también es importante realizarlos. El modelado en esta etapa ya debe de tener toda la información necesaria para la interoperabilidad de BIM. Imagen 6.- Modelado del túnel en Civil 3d. Imagen 7.- Modelado del túnel en Civil 3d. Una vez definido el proyecto geométrico se puede realizar una presentación preliminar del túnel ya sea en una maqueta virtual o en un video. Portal de Entrada al túnel Imagen 8.- Portal de Entrada. Portal de Salida del túnel Imagen 9.- Portal de Salida. El modelo terminado puede servir de referencia para exportarse a los programas de diseño y, una vez terminado, es compatible para usarlo en programas como Navisworks para su correcta supervisión.