Este documento resume 3 casos de estudio de proyectos de túneles donde se utilizó el sistema BEAM para exploración geofísica no intrusiva por delante del frente de excavación. El primer caso fue la excavación con tuneladora del túnel de Ginori en Italia, donde el sistema BEAM instalado en la tuneladora permitió prever las condiciones geológicas y hidrogeológicas complejas. Los otros 2 casos fueron la excavación con perforación y voladura del túnel de base de Lötschberg y la exploración del perí

1. Informe
1
Introducció n
2
Método
3
Capacidad de Exploració n
4
Estudios de Casos
4.1
Excavació n con Tuneladora del Tú de Ginori
nel
4.2
Excavació n con Perforació n y Voladura del Tú
nel
de Base de Lö tschberg
4.3
Exploració n del Perímetro del Tú de Irlahüll
nel
5
Características y Ventajas del Sistema BEAM
6
Referencias de Proyectos del Sistema BEAM

2. 1 Introducció n
Para construir eficazmente y con seguridad los proyectos de tú neles y de minerí un requerimiento
a,
previo es el poder tener un conocimiento con antelació y de manera detallada de las condiciones
n
geoló
gicas, hidrogeoló
gicas y geoté cnicas por delante del frente de excavació es. En particular, la
n
excavació de galerí en geologí complejas y en á reas urbanas requiere previsiones permanentes
n
as
as
por delante del frente de excavació sin que se produzcan perturbaciones en las obras de
n
excavació
n.
El Bore-Tunnelling Electrical Ahead Monitoring (BEAM) es un nuevo mé todo geofí
sico no
intrusivo especializado en la excavació de galerí siendo el má s adecuado para cumplir los
n
as,
objetivos previamente citados respecto a las exigencias especiales de la construcció subterrá nea
n
(patente pendiente, de Geohydraulik Data).
La aplicació de este mé todo de predicció y las acciones consecuentes en el avance en curso
n
n
dará como resultado una reducció importante de los costes de construcció y del plazo de ejecució
n
n
n
por las siguientes razones:
- se evita el derrumbe del tú nel y otros daños,
- se evitan accidentes inherentes a la excavació con tuneladora,
n
- se obtiene un alto rendimiento de avance,
- se hacen innecesarios o se minimizan los sondeos de investigació y prospecció los tú neles
n
n,
pilotos o cualquier otro mé todo de previsió geofí
n
sica que ocasionen interrupciones de la obra o
interfieran con los trabajos de excavació
n,
- se puede utilizar eventualmente los resultados para planificar medidas ó
ptimas de
revestimiento y de seguridad,
- se pueden hacer valoraciones del terreno para utilizarlas en minerí o construcció es decir como
a
n,
material de construcció de carreteras o á rido de hormigó y para conocer el contenido y la
n
n,
naturaleza de depó
sitos de minerales.
El mé todo se puede utilizar en roca dura asícomo en terrenos inestables para identificar y
localizar prematuramente las á reas crí
ticas tales como fallas y fracturas, zonas de rocas poco
consistentes, zonas cá rsticas, zonas con presencia de agua, zonas erosionadas y
desagregadas, depó
sitos de minerales, lentejones de arcilla, capas de arena y gravas, venas
de carbó acuí
n,
feros y aguas colgadas, agua subterrá nea mineralizada, depó
sitos de vertidos,
depó
sitos minerales, bloques errá ticos, restos estructurales, pilares, cavidades, metales
enterrados, etc.
Las aplicaciones incluyen casi todos los tipos de excavaciones tanto mecanizadas como convencionales
tales como tuneladoras (TBM) a plena secció escudos, escudos de ataque puntual, microtuneladoras,
n,
excavació con perforació y voladura y con martillos demoledores hidrá ulicos.
n
n

3. Ademá s, la exploració del perí
n
metro del tú nel se puede realizar durante la excavació
n
o despué s de instalar el revestimiento del trasdó Aplicaciones y desarrollos
s.
adicionales incluyen sistemas basados en el terreno y en el agua, que realizan las predicciones
mientras se está excavando y las diagrafí durante la ejecució del jet grouting (la inyecció a
as
n
n
alta presió
n).
El mé todo se puede utilizar tanto en roca dura como en terrenos inestables para identificar y
localizar con antelació las á reas crí
n
ticas tales como fallas y fracturas, zonas de rocas no
competentes, zonas cá rsticas, zonas con presencia de agua, zonas erosionadas y desagregadas,
depó
sitos de minerales, lentejones de arcilla, capas de arenas y gravas, capas de carbó
n,
acuí
feros y aguas colgadas, agua subterrá nea mineralizada, depó
sitos de residuos, depó
sitos
minerales, bloques errá ticos, restos estructurales, pilares, cavidades, metales enterrados etc.

4. 2 Método
El BEAM es un mé todo elé ctrico de frecuencias inducidas por polarizació para
n
explorar el terreno por delante del frente y su perí
metro mientras la tuneladora está excavando o
mientras se está n ejecutando fases de excavació con perforació y voladura (Fig. 1, Fig. 6 y
n
n
Fig. 7). Permite detectar, localizar y caracterizar con antelació los cambios de geologí gracias
n
a
a las mediciones automá ticas continuas de los pará metros elé ctricos.
Ordenadores (PC) de control
(cabina de pilotaje, etc.),
acceso a distancia
Anillo trasdó s y electrodo
blindado A1 (+)
(escudo, rueda de corte)
s
o ne
t a ci
s en s
te
re
R e p d e l a e l f re n
FE
es d
P
cio n
sec
Electrodo de
retorno B (-)
Unidad operativa
interna del BEAM
Electrodos interiores A0(+)
(ú
tiles de corte aislados)
Fig. 1
La funció principal del Sistema BEAM se basa en enviar una corriente de protecció a
n
n
travé s del anillo de revestimiento del trasdó del tú nel o incluyendo un electrodo blindado A1 y una
s
corriente de control de la misma tensió de señal a travé s de pequeños electrodos internos A0
n
seleccionados sucesivamente. Con tal configuració se produce un efecto de enfoque de modo
n,
que se fuerza al haz de corriente de control para que penetre en el suelo por delante del frente de
excavació hasta una distancia igual a varias veces el diá metro del tú nel. Como electrodos se
n
utilizan determinados componentes de la excavació tales como las herramientas de corte o
n,
cortadores, las varillas de perforació el blindaje del escudo, los bulones de anclaje y el
n,
revestimiento con elementos metá licos. Habida cuenta de las actividades de excavació estos
n,
electrodos se acoplan elé ctricamente al terreno a travé s del frente y de los hastiales del tú nel.
La adquisició de datos y su valoració se realiza utilizando corrientes alternas de
n
n
diferentes frecuencias I0(f) en cada punto de investigació A0 para calcular las resistencias
n

5. dependientes de la frecuencia R(f) y el efecto de porcentaje de frecuencia (PFE) del terreno de la
manera siguiente:
R(f1) = U(f1) / I0(f1) [Ohm]
R(f2) = U(f2) / I0(f2) [Ohm]
con U(f) – tensió n constante y
PFE = 100 x (R(f1) – R(f2)) / R(f1) [%]
con f1 < f2
El efecto de porcentaje frecuencia es una medida de la polarizació inducida con respecto a la
n
capacidad de almacenamiento de energí elé ctrica dentro del macizo rocoso. Teniendo en cuenta
a
que el aire y el agua tienen valores de PFE-cero, los valores bajos de PFE indican que hay partes
del macizo rocoso altamente fracturadas y con porosidades cá rsticas asícomo arena, gravas y
material en bloques. Los valores altos de PFE son caracterí
sticos de las rocas que contienen
arcillas, grafitos y minerales. Ademá s, un indicador de cambio de terreno denominado GCI por sus
siglas en inglé s (Ground Change Indicator) se diseñóespecialmente para detectar con antelació
n
zonas crí
ticas con agua (Fig. 2). É ste es una cantidad compleja basada en los valores de PFE y R.
Fig. 2: Programa informá tico de visualizació n: tratamiento de los datos en tiempo real
que permite clasificar la roca adelante de la tuneladora y beneficiar de un sistema
de alerta de cambios del terreno/obstá culos

6. 3 Capacidad de Exploració n
Una alta densidad de puntos de exploració una adquisició permanente de datos y un
n,
n
procedimiento numé rico de los datos durante la exploració por el BEAM hacia delante permite
n
obtener los siguientes resultados en tiempo real o casi real, visualizados en las
representaciones de contornos PFE en color, en los grá ficos GCI y en los registros PFE de
clasificació de la masa rocosa (Fig. 2 y Fig. 5):
n
1) Reconocimiento de si el terreno es uniforme, homogé neo y con capas regulares merced a
cá lculos PFE casi sin cambios, que representan valores promedios integrados de un volumen
cilí
ndrico por delante del frente (no hay situació de cambio del terreno);
n
2) Las correlaciones y caracterizaciones del macizo rocoso podrí deducirse de los niveles
an
PFE (mismos colores) asícomo la composició la porosidad y las condiciones
n,
geohidrá ulicas;
3) Previsió de un cambio geoló
n
gico de mayor importancia pertinente para la excavació
n
merced a una curva GCI que desciende por debajo de un cierto nivel y valores PFE que
disminuyen gradualmente a medida que se excava el tú nel;
4) Detecció de heterogeneidades laterales indicadas por anomalí PFE en los contornos
n
as
de las representaciones (colores diferentes y varias isolí
neas transversales);
5) Estimació de la distancia entre el frente y la interfaz de cambio del terreno u obstá culo.
n
La valoració geoté cnica de los cambios de terreno y de los obstá culos detectados se
n
efectú a basá ndose en los resultados geoelé ctricos previamente citados y en su interpretació
n
geoló
gica e hidrogeoló
gica. De esta manera, se puede deducir una clasificació de eventos
n
importantes y menos importantes, en la que los eventos importantes indican condiciones
geoló
gicas peligrosas y potencialmente inestables.

7. 4 Estudios de Casos
4.1 Excavació n con Tuneladora del Tú de Ginori
nel
En el transcurso de la construcció del tú nel de Ginori (Italia), se procedióa realizar mediciones
n
BEAM para prever los pará metros geofí
sicos y geoló
gicos y preparar documentació de
n
acompañamiento para el consorcio CAVET (Consorzio Alta Velocità Emilia Toscana) y para WIRTH
GmbH en la excavació del tú nel con tuneladora. El tú nel de Ginori, de 6,3 m de diá metro y 9,3 km
n
de largo, se utilizará cuando esté terminado como tú nel de servicio y de acceso al tramo Vaglia que
hace parte de la lí
nea alta velocidad entre Florencia y Bolonia. Durante la construcció de los
n
principales tú neles, servirá de tú nel de investigació y desagüe. La excavació se hizo mediante
n
n
una tuneladora telescó
pica WIRTH en condiciones geoló
gicas e hidrogeoló
gicas complejas como,
por ejemplo, varias formaciones calcá reas. El BEAM instalado en la tuneladora del tú nel de Ginori
constaba de los siguientes componentes mecá nicos e informá ticos y sus respectivas funciones
(Fig. 1):
- rueda de corte, cortadores no aislados y escudo utilizados como electrodo A1 que
proyectan una corriente de protecció I1 desde una superficie del blindaje y del frente de
n
excavació
n,
- seis cortadores aislados utilizados como electrodos A0 que introducen de manera independiente
una corriente de control I0 desde varios puntos situados en diferentes posiciones en el frente;
- electrodo B de corriente de retorno para establecer el contacto con el terreno mediante una pica
clavada en la superficie del terreno;
- unidad de operació (unidad OP): dispositivo electró
n
nico de control, situado sobre la pared trasera
fija del cabezal de corte y conectada con los electrodos y la totalidad del sistema, para realizar la
regulació automá tica y la medició de las tensiones e intensidades de las corrientes (Fig. 3);
n
n
- rotor elé ctrico con contactos deslizantes para transferir señales desde los ú tiles de corte (cortadores)
A0 a la unidad de operació
n;
- cable de datos y repetidor entre la unidad de operació el PC (ordenador personal) de control y los
n,
monitores de ordenadores esclavos;
- sensores de recorrido de avance y de rotació del cabezal para establecer el posicionamiento
n
exacto de los puntos de exploració I0,
n
- PC (ordenador personal) de control con programas de guiado y de procedimiento (Fig. 4) y funciones
de comunicació de los datos situado en el barracó
n
n-oficina de obra en Ginori,
- dos monitores de ordenadores esclavos, con programa de visualizació continua de los datos
n
recogidos (Fig. 2), instalados en la cabina del operador de la tuneladora y en el barracó
n-oficina de
obra.

8. Fig. 3: Unidad operativa BEAM instalada sobre la pared trasera fija del cabezal de corte de
la tuneladora
En la Fig. 2 se muestra un ejemplo de visualizació en el monitor esclavo durante la excavació del
n
n
tú nel de Gironi. En el grá fico GCI (indicador de cambio de terreno), el eje horizontal es una escala
mé trica relativa con su posició cero aproximadamente en el frente de excavació los datos del
n
n,
terreno recogidos hacia delante (los valores má s recientes) está n a la derecha y los datos histó
ricos a
la izquierda. Dado que la distancia de detecció del sistema BEAM hacia delante en el tú nel de Ginori
n
era aproximadamente de 20 metros, un cambio de estructura geoló
gica/obstá culo importante empieza
a modificar el valor GCI a unos veinte metros por delante del frente. El punto de comienzo de la
disminució cruza la marca 0 m (+/- 3-5 m) cuando el cambio estructura geoló
n
gica/obstá culo
esté pró
ximo al frente. Con objeto de facilitar la manipulació y la valorizació una franja de color
n
n,
naranja indica una disminució importante de los valores recogidos. Si la lí
n
nea azul del grá fico
desciende y permanece dentro de esta banda mencionada a lo largo de una distancia de al menos
varios metros, se puede esperar una zona de roca crí
tica tal como una falla con presencia de agua o
una zona fracturada. Los datos PFE proporcionados visibles en la representació del contorno del
n
tú nel se pueden considerar como una proyecció en 2D de un volumen rocoso cilí
n
ndrico en 3D
por delante del frente de excavació
n.
La secció representa valores PFE promedios integrados. Los macizos rocosos u obstá culos
n
má s pró
ximos al frente de excavació tienen en este promedio un peso especí
n
fico mayor que los
objetos situados má s distantes. La detecció de un cambio de terreno hace que se produzca un
n
cambio de color a medida que se excava el tú nel. Las heterogeneidades y anomalí laterales pueden
as
tambié n ser identificadas por un cambio de color y de los contornos de isolí
neas.

9. Fig. 4: Programa de control del sistema BEAM: medició n automá tica de la resistencia de
la roca durante la excavació n, arriba a la derecha: cortadores aislados; en verde =
cortador que actú como electrodo activo; en azul a la izquierda = recorrido efectuado
a
En la Fig. 5 se representa un ejemplo de predicció del terreno a encontrar por delante del frente de
n
excavació y de la documentació producida correspondiente al recorrido efectuado entre los p.k.
n
n
1.560 y 1.640, que permite las siguientes interpretaciones geoló
gicas:
1) Macizo rocoso A: no se detectócambio de terreno hasta los 1.570–1.575 m,
reconocimiento de valores PFE relativamente altos comprendidos entre 20-30 % que indican la
presencia de calizas poco fracturadas con de poca porosidad;
2) Predicció se detectóun cambio de terreno dentro del macizo rocoso A debido a
n:
que los valores PFE tendí a disminuir hacia los 1.570–1.575 m se esperaba encontrar en los
an
siguientes 20 metros un macizo rocoso con presencia de agua, fracturado y cá rstico;
3) Documentació aproximadamente a los 1.594 m (1.589–1.596 m), los valores PFE muy bajos
n:
indican una anomalí (final del descenso de la curva PFE) que se puede interpretar como una zona
a
de falla con presencia de agua con fracturació relativamente elevada y caracterizada por
n
porosidad cá rstica y permeabilidad;
4) Macizo rocoso B: no se detectócambio de terreno desde los 1.597 m hasta el final,
se reconocieron valores PFE bajos alredededor de 10–14 % que indicaron un acuí
fero
principalmente fracturado con presencia de agua.

10. Basá ndose en los resultados geoelé ctricos anteriores, la detecció de una zona de falla con presencia
n
de agua a los 1.594 m desde el origen, se clasificódesde el punto de vista de la excavació como un
n
tramo hidrogeoló
gicamente importante (Figuras 5 y 6). . Esta evaluació se confirmóal encontrarse
n
posteriormente grandes cantidades de agua y dificultades en la excavació es decir velocidades
n,
de avance reducidas, en la zona correspondiente de la traza.
Fig. 5: Presentació n de resultados obtenidos por el sistema BEAM en su previsió n de
diferentes condiciones de terreno a lo largo de un tramo del tú de Ginori excavado
nel
con tuneladora.

11. 4.2 Excavació n con Perforació n y Voladura del Tú de Base de Lö tschberg
nel
En un tramo corto excavado con perforació y voladura llevado a cabo en el tú nel de base de
n
Lötschberg (Suiza) se llevaron a cabo mediciones de prueba con un equipo BEAM mó
vil.
El sistema BEAM aplicado al sistema de excavació con perforació y voladura estaba compuesto por
n
n
los siguientes componentes (Fig. 6):
- bulones de anclaje (pró
ximos al frente) unidos entre sípor un cable y utilizados como
electrodo A1 para introducir la corriente protegida I1, el diá metro de A1 es aproximadamente 16 m
(diá metro del tú nel de unos 10 m má s la longitud de los bulones de 2 x 3 m de largo alrededor de la
secció del tú nel);
n
- como electrodo A0 se utilizóuna varilla de perforació del jumbo robotizado para introducir
n
en el frente una corriente de control I0 a travé s de puntos independientes de diferentes barrenos
(puntos de investigació A0). El jumbo estaba aislado del suelo por planchas de madera colocadas
n
bajo los apoyos metá licos;
- electrodo B para recoger la corriente de retorno que se pone en contacto con el terreno a unos
cientos metros por detrá s en el interior del tú nel ya excavado;
- un conjunto portá til de unidad operativa portá til con baterí situado en el jumbo durante la
as
fase de perforació de barrenos y la fase de medició
n
n
Revestimiento de hormigó proyectado con elementos metá licos
n
o bulones de anclaje = electrodo A1 (+)
Electrodo
de retorno
B (-)
Unidad
operativa BEAM
Jumbo
robotizado
Electrodo A0 (+)
Fig. 6: Esquema del BEAM en el caso de excavació n con voladura en el tú de base de
nel
Lö tschberg y representaciones de la secció n del frente mostrando el reparto de los
porcentajes PFE en el macizo rocoso por delante del frente

12. La exploració del geofí
n
sica del terreno obtenida por delante del frente se pudo comparar
posteriormente con las representaciones de la secció del frente de excavació obtenidas
n
n
posteriormente y se pudieron destacar los siguientes resultados (Fig. 6):
- un aumento de la proporció de las zonas con altos valores PFE dentro de los tres frentes
n
medidos a lo largo de la excavació que indicaban un cambio del terreno por delante del frente,
n,
de calizas secas a margas arcillosas;
- se pudo determinar la interfaz entre dichas formaciones a unos 65 m por delante del ú ltimo
frente medido.
4.3 Perímetro de Exploració n del Tú de Irlahüll
nel
En el marco de una investigació previa para la localizació de cavidades cá rsticas en el entorno
n
n
de los tú neles existentes de la nueva lí
nea alta velocidad Nuremberg-Ingolstadt (Alemania),
se probaron varios mé todos geoló
gicos. Los ensayos se llevaron a cabo en diferentes zonas del tú nel
de Irlahüll en el que durante la excavació se cortaron varias cavidades abiertas, pero que no eran
n
conocidas por los contratistas geofí
sicos.
Revestimiento de hormigó proyectado con elementos
n
metá licos o bulones de anclaje = electrodo A1 (+)
Electrodo
de retorno
B (-)
Electrodo A0 (+)
varillas de perforació
n
Frente
Anomalí detectadas (cavidades abiertas)
as
Fig. 7: Esquema del sistema BEAM de exploració n de perímetros, adquisició n de datos y
representació n del contorno PFE de la solera izquierda y del hastial izquierdo de un
tramo del tú de Irlahüll
nel

13. El sistema de exploració de perí
n
metro BEAM consta de los siguientes componentes (Fig. 7):
- revestimiento exterior de gunita de la armadura metá lica utilizada como electrodos A1 para introducir
una corriente protegida I1;
- perforadoras manuales utilizadas como electrodos desplazables A0 para introducir la corriente de
control I0 a travé s de pequeños barrenos en la gunita; los barrenos se perforaron segú n un esquema
de puntos parcialmente establecido, utilizando una cesta de elevació (Fig. 7);
n
- electrodo B de corriente de retorno para establecer contacto con el terreno a varios cientos metros
dentro del tú nel o a la superficie del suelo;
- conjunto portá til de unidad operativa con baterí instalado en el vehí
as
culo de mediciones.
La detecció que se obtuvo de cavidades abiertas fue posible gracias a las anomalí PFE negativas
n
as
detectadas en todos los puntos de ensayo (Fig. 7), por lo que Geohydraulik Data GdbR fue quien obtuvo
el encargo realizar de las investigaciones del perí
metro de tres tú neles cuya longitud totalizó11.700 m.
5 Características y Ventajas del BEAM
· predicció automá tica y continua de alta resolució por delante del frente y exploració del
n
n
n
perí
metro de excavació en curso
n
· resultados fiables en tiempo real que permiten decisiones rá pidas in situ
· aplicable en todo tipo de tuneladoras para rocas duras y terrenos blandos y en excavació con
n
perforació y voladura
n
· primero y ú nico mé todo geofí
sico que se puede utilizar en tuneladoras para rocas duras y para
investigar el terreno sin perturbar ni interrumpir la excavació
n
· distancia de predicció igual a hasta 5 veces el diá metro del tú nel por delante del frente
n,
· detecció prematura (alarma), localizació y valoració de los cambios de terreno (por ejemplo
n
n
n
fallas, estructuras cá rsticas, zonas con presencia de agua)
· clasificació hidrogeoló
n
gica y geoté cnica, y documentació
n
· valoració del material excavado para utilizarlo posteriormente en obras de minerí o de
n
a
construcció
n
· utilizació tambié n en tuneladoras que trabajan en geologí complejas y en á reas urbanas
n
as
· rendimientos de avance muy elevados
· seguridad y revestimiento ó
ptimos incluyendo medidas preventivas
· prevenció de accidentes inherentes a la excavació con tuneladora y al derrumbamiento del
n
n
tú nel
· no hay interrupciones de la excavació originadas por perforaciones en el frente hacia delante
n
· opciones para aplicaciones futuras: sistemas basados en el terreno, sistemas basados en el
agua, predicció durante la excavació en curso, diagrafí durante el jet grouting (inyecció de
n
n
as
n
mortero a presió
n)

14. 6 Referencias de Proyectos del Sistema BEAM