Proyecto I+D+i Knowtunnel

La herramienta Knowtunnel permite de un modo objetivo aprovechar e interpretar los conocimientos ya adquiridos en zonas específicas y en diseño de túneles en general. Subterra Ingeniería, S.L. ha desarrollado el proyecto contando con la financiación de CDTI en el ámbito de sus líneas de apoyo a Proyectos de Investigación y Desarrollo. Además de otros resultados, con su realización se ha logrado un registro global de información geotécnica que es independiente de los técnicos asignados a proyectos realizados de forma histórica.

De forma más específica, los objetivos conseguidos con la ejecución del proyecto han sido los siguientes:

• Conseguir definir técnicamente los parámetros geológico-geotécnicos estructurados y homogéneos para cualquier tipo de túnel, en cualquier entorno.
• Estructurar sistemáticamente y de forma analítica todos los datos e información geológicos-geotécnicos (BB.DD.).
• Convertir la herramienta de organización de información (BBDD) en un análisis geomecánico avanzado comparando los parámetros y conclusiones del diseño con los resultados encontrados y registrados en obra mediante mapeos de frente y registros as built.
• Conseguir representaciones visuales y directas de las conclusiones del análisis.
• Incrementar la capacitación técnica de Subterra con una mejora incremental y acelerada del conocimiento científico-técnico en la organización.
• Conseguir una herramienta informática evolutiva que vaya aprendiendo con la adquisición de nueva información, mediante un diseño modular que permita ampliaciones en su alcance.

En la construcción de una obra de ingeniería civil participa un conjunto heterogéneo de entidades y personas, tales como el promotor, el contratista, diversas subcontratas, profesionales libres especialistas y autónomos cualificados, coordinadores, dirección facultativa proyectistas, etc, como se aprecia en la Figura 1.

Aunque en la actualidad, las grandes infraestructuras, tales como las obras subterráneas, se realizan para un ciclo de hasta 100 años, no es menos cierto que las entidades participantes muy frecuentemente tienen una vida temporalmente mucho menor.

En este contexto, el objetivo de cada uno de los intervinientes en relación a su participación en una obra especializada de ingeniería es muy divergente, y la responsabilidad, debido al elevado número de intervinientes, se diluye.

Un aspecto crítico en la fiabilidad y perdurabilidad de una infraestructura es el conocimiento, análisis, control de la estabilidad geológica-geotécnica.

Actualmente los diseños de las afecciones geológico-geotécnicas en obras comprometidas de ingeniería tales como túneles y taludes se realizan mediante diseño ingenieril, apoyado en herramientas informáticas que sirven para facilitar los cálculos en caso de un profundo conocimiento científico-técnico de mecánica de rocas, geología y geotecnia. Es decir, los sucesivos diseños se basan en los conocimientos científico-técnicos, experiencia y pericia de, habitualmente, un ingeniero geólogo, ingeniero de caminos, ingeniero de minas o un geólogo, en cualquier caso con fuerte especialización y con un relevante número de casos de estudio realizados y, aun así, la temática es tan pluridisciplinar, compleja y afectada, en mayor o menor medida, por tal número de factores (hidrogeología, sismicidad y tectónica de placas, mecánica de fluidos y pluviosidad, mecánica de rocas, etc.) que existe un elevado grado de incertidumbre.

Adicionalmente, y en la práctica, los estudios geológico-geotécnicos y los sistemas empleados de sostenimiento suelen quedar encerrados en archivos (en papel o digitales) en la propia ingeniería geológica y en el promotor (frecuentemente Administración), sin tener mayor uso, salvo algún acontecimiento (usualmente asociado a una catástrofe) que exija su revisión en muchas ocasiones sin pervivir los entes que diseñaron y construyeron las citadas infraestructuras.

Es decir, existe un conocimiento personal, fragmentado y puntual de un proyecto u obra que, salvo desventura, no se da utilidad, ni se usa, ni sirve para incrementar el conocimiento; en el mejor de los casos la transmisión es oral. En la Figura 2 se muestra la diferencia que se consigue con la herramienta desarrollada.

Figura 2. Esquema comparativo: izquierda, tratamiento actual de la información en Ingeniería; derecha, solución propuesta con Knowtunnel para la integración de información geológico-geotécnica.

De este modo surge la necesidad de desarrollar una herramienta para la gestión de información geológico-geotécnica de proyectos subterráneos y para la predicción de comportamiento del conjunto macizo-túnel.

Para llegar a obtener el primer prototipo de herramienta con la cual poder realizar los ensayos de validación ha sido necesario seguir una metodología evolutiva por fases, en las que se han ido consiguiendo los objetivos prefijados.

Fase 1: Concepción y definición de la metodología

En esta fase se han establecido aquellos requisitos y especificaciones de diseño que dan funcionalidad a la herramienta:

• Georreferenciación de los proyectos, contrastando detalles de los macizos con la información bibliográfica y mapas existentes.
• Generar un acceso web de dicha información, como base a un futuro servicio mejorado a ofrecer.
• Mejor posicionamiento en la búsqueda web.

Fase 2: Diseño de la herramienta

Subterra ha iniciado en esta tarea el propio diseño de la herramienta, desde la determinación de parámetros y características determinantes a la homogeneización de dichos datos. Para ello previamente a la toma de datos se han recopilado y realizado aquellos modelos numéricos que han permitido visualizar los parámetros críticos que definirán los índices de macizo rocoso y estructural como mejora a los existentes RMR, Q propios del macizo rocoso. En la Figura 3 se muestra la primera base de datos que se ha diseñado para homogeneizar la información geotécnica y de diseño de los proyectos.

Mediante el análisis del comportamiento de un diseño en un macizo rocoso específico somos capaces de tener un dato teórico (Figura 4) que será comparado con la respuesta real de esa obra, siempre que se posean datos de monitorización e inspección de la misma. Se ha dispuesto de varios modelos en paralelo analizando casuísticas diversas: túneles profundos en roca, someros, mineros, carreteros, hidráulicos.

Tras un análisis exhaustivo de los parámetros disponibles en los trabajos analizados, estos se han agrupado por afinidad general en dos índices numéricos:

• Índice del Macizo Rocoso (IMR)
• Índice del Diseño Estructural (IDE)

Estos dos índices se agrupan en tres subíndices compuestos por parámetros con una afinidad de nivel de detalle, asignado a cada sub-índice un valor entre 0 y 100.

Cada subíndice por separado permite discriminar soluciones afines según el rango de parámetros que abarque.

Así por tanto:

IMR=(IMR1+IMR2+IMR3)/3; IDE=(IDE1+IDE2+IDE3)/3

Fase 3: Desarrollo de la herramienta. Pruebas y validación

Una vez se han definido los Índices del Macizo Rocoso (IMR) e Índices de Idoneidad (IDE) y se ha completado la base de datos con los parámetros seleccionados para una serie de proyectos subterráneos de referencia, se ha procedido al desarrollo de la herramienta para dotarla de las funcionalidades necesarias. En este sentido se pueden destacar las siguientes características del software y programación:

• Software desarrollado en entorno web bajo aplicación y base de datos de servidor en la nube.
• Esta característica ofrece una alta disponibilidad para la gestión de la información y su posterior explotación por parte de usuarios.
• Lenguaje de programación ASP.NET para la parte del interface.
• Transcat-SQL para la parte de procesamiento de datos, en especial la parte de cálculo de índices.

La consulta y el análisis de la información se articula a través de los siguientes módulos:

• Módulo de gestión de la base la base de datos de alternativas. Compuesto por la propia base de datos y el interface de gestión de esta base de datos.
• Módulo de análisis de soluciones. Compuesto por un interface de entrada de datos a estudiar, el módulo de cálculo de índices y valoraciones en cada alternativa, y el interface de presentación de resultados.
• Módulo de acceso a información ampliada. Información de interés de las alternativas seleccionadas por el técnico con mayor afinidad: planos, memoria del proyecto, soluciones de cálculos, etc.

Para el cálculo de cada subíndice se ha seguido el modelo matemático de Índice Compuesto, adaptado al problema de afinidad de soluciones contrastadas.

De forma general, el modelo de Índice Compuesto se expresa de la siguiente forma:

"Suponemos que la valoración de cada alternativa se realiza mediante un índice compuesto, que consiste en una determinada ponderación de los porcentajes de voto n_ikl. Si se denota por w_k, la importancia relativa o ponderación asignada a la característica C_k y por v_kl la importancia de ser valorado en la categoría / respecto al criterio k, la valoración de la alternativa A_i es:"

La asignación de pesos y valoración del intervalo de error para considerar la incorporación de cada parámetro al cálculo del subíndice, se ha realizado en dos fases:

• Asignaciones manuales basadas en la experiencia de varios técnicos cualificados de Subterra.
• Elección de aquellas ponderaciones cuyos resultados, en cada sub-índice, tengan una mayor sensibilidad y por tanto mayor rango de valores para las soluciones analizadas.

Se han desarrollado tres algoritmos diferentes para ponderar: Parámetros numéricos, booleanos y de elemento de lista.

El cálculo final de cada subíndice se realiza bajo algoritmo desarrollado en la propia base de datos, mediante código como el ejemplificado en la Figura 5.

De esta forma, en el modulo de la herramienta destinado a Análisis, es posible introducir las características de un diseño nuevo propuesto y recibir una respuesta comparativa con el resto de proyectos introducidos en la base de datos, según afinidad con los subíndices deseados: ya sea por geología similar, diseño geométrico equivalente, etc, tal y como se aprecia en la Figura 6.

Figura 6. Resultados del análisis comparativo para evaluar alternativas en el diseño de túneles. Obsérvense los subíndices IMR e IDE en las columnas de la derecha.

En las siguientes figuras se muestran las capturas con la interfaz de la herramienta Knowtunnel, con el menú de acceso, la entrada de datos geológicos y estructurales de cada túnel.

Subterra ha desarrollado con el apoyo financiero del Centro para el Desarrollo Tecnológico Industrial (CDTI) la herramienta Knowtunnel, creada para ayudar en la toma de decisiones de diseño de obras subterráneas. Se basa en el conocimiento adquirido por la incorporación de un gran volumen de información geológica, geotécnica y de diseños previos de estructuras, para comparar nuevos diseños y trazados introducidos mediante algoritmos con aquellas soluciones ya validadas y construidas.

Mediante la concepción de dos nuevos índices: Índice de Macizo Rocoso (IMR) e Índice de Diseño Estructural (IDE) la herramienta es capaz de filtrar por aquellos atributos de similitud que el usuario desee, desde una litología concreta a una solución geométrica de excavación.

Con ello se pretende llegar a soluciones idóneas, señaladas con un valor de Índice de Idoneidad, para un Proyecto concreto, pudiendo optimizar los datos ya existentes y ahorrando costes en nuevas campañas de investigación o en pruebas con diseños que no son eficientes.

Adicionalmente, su funcionalidad como herramienta de consulta de información geotécnica tiene gran valor, ya que permite a una organización asentar y documentar el conocimiento independientemente de los profesionales que hayan intervenido en los proyectos y de aquellos nuevos usuarios que retomen información ya archivada.

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