Innovación y precisión en el túnel de la Línea 3 del Metro de Guadalajara (México)

La construcción de la Línea 3 del Metro de Guadalajara, México, ha sido un proyecto emblemático que no solo ha mejorado la movilidad urbana, sino que también ha enfrentado desafíos significativos en la preservación del patrimonio histórico cercano a la línea. Este artículo explora cómo tecnologías avanzadas acompañadas con el tratamiento y análisis de datos mediante machine learning e inteligencia artificial, han sido cruciales para desmitificar al túnel de la Línea 3 como el principal causante de las deformaciones en el histórico Templo de San Francisco. Utilizando tecnología InSAR integrada en la plataforma Acrot, se ha podido evaluar el comportamiento del templo de San Francisco antes, durante y después de la excavación del túnel de la Línea 3. Los resultados demuestran que los movimientos observados en el templo no tuvieron su origen en la excavación del túnel, sino que ya existían previamente debido probablemente a factores geológicos y ambientales. Este estudio destaca la importancia de utilizar tecnologías avanzadas para la evaluación y monitoreo de estructuras cercanas a excavaciones, proporcionando herramientas muy útiles para evaluar las deformaciones dentro de un contexto a corto, medio y largo plazo.

La excavación de túneles en entornos urbanos presenta desafíos significativos, y el proyecto de la Línea 3 del tren eléctrico urbano de Guadalajara, México, no fue una excepción. El túnel de esta línea (véase Figura 1), excavado con una tuneladora tipo EPB (Earth Pressure Balance) entre 2016 y 2018, se supervisó utilizando el servicio Acrot, desarrollado por Sener. Este servicio permitió controlar los riesgos de la operación durante todo el progreso de excavación.

Figura 1. Imagen del túnel en fase de excavación. Fuente: Sener.

La Línea 3 (véase Figura 2) actualmente conecta los centros históricos de Zapopan, Guadalajara y Tlaquepaque, con una longitud total de 21,45 km, de los cuales 5 km son subterráneos. La línea cuenta con 18 estaciones, cinco de ellas subterráneas, y fue diseñada para atender a más de 300.000 pasajeros diarios. El impacto social y económico de la Línea 3 del metro de Guadalajara es significativo. Esta línea no sólo mejora la movilidad urbana, sino que también contribuye al desarrollo económico de la región al facilitar el acceso a diferentes áreas de la ciudad y reducir los tiempos de desplazamiento.

Figura 2. Esquema de trazado de la Línea 3 del tren eléctrico urbano de Guadalajara (México). Fuente: Sener.

Al concluir las obras de la Linea 3, surgieron controversias en la prensa que atribuyeron a la excavación del túnel los movimientos y daños observados en el Templo de San Francisco (Figura 3). Este templo, de gran valor histórico y cultural, es catalogado como monumento histórico por el Instituto Nacional de Antropología e Historia (INAH) para su preservación. A lo largo de los años, el templo ha sufrido daños significativos debido a terremotos y otros eventos, incluyendo un incendio en 1936 que destruyó gran parte de su patrimonio.

Figura 3. Imagen del Templo de San Francisco, Guadalajara (México). Fuente: Google Earth 2019.

En 2024, se realizó un retro-análisis de datos con tecnología InSAR proporcionados por Detektia y datos de excavación proporcionados por Sener e integrados en la plataforma AcrotDigital, con la finalidad de investigar el histórico de movimientos en el Templo de San Francisco. Detektia proporcionó herramientas que combinan tecnologías de radar satelital con algoritmos de Machine Learning. Estas herramientas permitieron analizar el comportamiento del templo antes, durante y después de la excavación a través de la plataforma AcrotDigital.

El sistema Acrot, desarrollado por Sener, es una herramienta de control de riesgos para la operación de tuneladoras, que mejora la seguridad de las excavaciones y reduce los costos de la construcción de túneles. Basado en la digitalización y el análisis de datos de operación, Acrot mitiga los riesgos en la construcción y mejora la seguridad en entornos urbanos complejos. Este análisis permitió evaluar los movimientos del templo antes y después del paso de la tuneladora (Figura 4), demostrando que los movimientos observados no fueron consecuencia de la excavación, sino que el templo ya presentaba movimientos previos.

Figura 4. Imagen del Templo de San Francisco y su posición aproximada con respecto al eje del trazado. Fuente de imagen: Google Earth, 2019. Fuente de trazado: Sener.

Este artículo tiene como objetivo presentar el estudio realizado, destacando cómo la combinación de tecnología InSAR y la plataforma AcrotDigital permitió obtener conclusiones claras y precisas. Además, se mostrará cómo esta tecnología puede ser aplicada en otros proyectos similares, ofreciendo una herramienta poderosa para la evaluación y monitoreo de movimientos en estructuras cercanas a excavaciones.

Para llevar a cabo el análisis de los movimientos en el Templo de San Francisco, se utilizó una combinación de tecnología InSAR y la plataforma AcrotDigital. A continuación, se detallan las tecnologías, herramientas y metodología empleada:

2.1. Tecnología InSAR y Plataforma digital Eye RADAR

La generación de series temporales de movimientos del terreno se realizó utilizando tecnología InSAR (Interferometric Synthetic Aperture Radar) y en concreto técnicas PSDS (Persistent Scatterer and Distributed Scatterer Interferometry).

PSDS representa una clase avanzada de las técnicas InSAR, utiliza múltiples imágenes SAR adquiridas en el mismo lugar en diferentes fechas. Como todas las técnicas avanzadas InSAR, PSDS incluye un flujo de procesamiento que permite separar la señal de deformación de interés de otros componentes, como el error topográfico residual, el error atmosférico o el ruido de fase. Además, esta técnica explota diferentes tipos de reflectores SAR, tanto reflectores persistentes como distribuidos, lo que le permite maximizar la densidad de puntos obtenida. Las técnicas InSAR son especialmente útiles para monitorear movimientos milimétricos en estructuras y terrenos, sin necesidad de instrumentación en tierra.

Se propone utilizar imágenes satelitales procedentes de la misión Sentinel 1 del Programa Copernicus de la Unión Europea. Los satélites Sentinel-1 poseen una órbita polar, heliosíncrona, a una altitud de 693 km. Un solo satélite Sentinel-1 cartografía el planeta completo en el modo de adquisición Interferometric Wide swath (IW) en banda C cada 12 días desde 2015. La constelación de dos satélites ofrece un ciclo de repetición de 6 días en el ecuador. Dado que el espaciamiento de la trayectoria orbital varía con la latitud, la tasa de repetición es significativamente mayor en latitudes más altas que en el ecuador.

Sentinel-1A fue lanzado el 3 de abril de 2014 y su gemelo Sentinel-1B fue lanzado el 25 de abril de 2016. En diciembre de 2021 Sentinel-1B dejó de suministrar datos debido a un fallo electrónico de la fuente de alimentación. El análisis se realizó con imágenes provenientes de Sentinel 1A. La alta resolución tanto espacial como temporal de las imágenes y la capacidad de detectar movimientos milimétricos hacen del InSAR una herramienta poderosa para este tipo de análisis.

Antes de la integración de datos en AcrotDigital, se realizó un análisis previo utilizando la plataforma EyeRADAR de Detektia. EyeRADAR (Figura 5) es una herramienta avanzada de gestión de infraestructuras que incorpora tecnología radar satelital para proporcionar métricas y alertas de deformaciones milimétricas. Esta plataforma permite controlar y vigilar infraestructuras, proporcionando información dinámica y visual del estado de las obras.

Figura 5. Análisis de datos en EyeRadar previo a la integración de datos en AcrotDigital. Fuente: Detektia-eyeRADAR.

El análisis inicial en EyeRADAR permitió identificar los datos más relevantes para integrar en la plataforma AcrotDigital. EyeRADAR permite detectar de forma automática cambios de tendencia en la velocidad de deformación, movimientos no esperados y aceleraciones del movimiento. Este proceso inicial permitió ver qué datos eran de mayor relevancia para el análisis posterior en AcrotDigital.

2.2. Acrot y Plataforma digital AcrotDigital

Acrot es un sistema desarrollado por Sener para controlar los riesgos en la operación de tuneladoras. Utiliza digitalización y análisis avanzado de datos para mitigar riesgos y mejorar la seguridad en construcciones urbanas y complejas. AcrotDigital (Figura 6) es una plataforma interactiva que gestiona y reduce riesgos, visualiza en tiempo real los parámetros de excavación, y analiza grandes volúmenes de datos, siendo esencial para supervisar proyectos de túneles en entornos urbanos y complejos.

Figura 6. Integración datos InSAR procesados y proporcionados por Detektia, en plataforma AcrotDigital. Fuente: Sener.

Para el presente estudio, se empleó AcrotDigital para integrar y analizar los datos de movimientos superficiales obtenidos mediante InSAR junto con los parámetros operacionales de la tuneladora y los tiempos de excavación. Esta integración permitió evaluar con precisión el comportamiento del terreno y las estructuras cercanas tanto durante como después de la excavación.

2.3. Proceso de Análisis

• Definición del periodo de estudio: Para que el estudio fuera lo más efectivo posible, el periodo de análisis se amplió para incluir datos de imágenes SAR desde 2015 hasta 2024. Esta ampliación permitió identificar tendencias a largo plazo en los movimientos del terreno y evaluar el comportamiento del templo de San Francisco durante un periodo más extenso. Los datos históricos proporcionaron un contexto más completo y permitieron una mejor interpretación de los resultados.
• Recolección de datos: Se recopilaron imágenes SAR de la misión Sentinel-1 antes, durante y después de la excavación del túnel. Además, se obtuvieron los datos de operación de la tuneladora, incluyendo parámetros como la presión de la cámara de excavación, los pesos extraídos, el volumen de inyección de mortero y por supuesto, los tiempos de operación.
• Generación de series temporales de deformación en el eje vertical y planimetría Este-Oeste: Se realizó el procesado InSAR con técnicas PSDS de las imágenes Sentinel-1 en geometrías ascendente y descendente de 2015 a 2024. A partir de los procesados en geometría satelital se generaron series temporales de deformación en vertical y planimetría Este-Oeste. Se calcularon series temporales de índices y métricas de salud estructural en los edificios presentes en el área de afección de la obra. Estas series temporales permiten analizar los cambios a lo largo del tiempo y detectar tanto tendencias como cambios de tendencia en los movimientos a lo largo del tiempo.
• Análisis previo en EyeRADAR: Se realizó un análisis inicial en la plataforma EyeRADAR de Detektia para identificar los datos más relevantes. Este análisis permitió detectar cambios de tendencia en la velocidad de deformación y movimientos no esperados, permitiendo la recolección de datos relevantes para su procesamiento posterior.
• Análisis de sensibilidad: Se realizó un análisis de sensibilidad para evaluar si existieron diferentes parámetros de operación de la tuneladora que pudieron afectar a los movimientos en superficie. Este análisis permitió identificar si existieron factores influyentes en los desplazamientos y si éstos fueron ajustados correctamente. Se consideraron variables como la presión de la cámara de excavación, los pesos netos corregidos, la velocidad de avance y la densidad del terreno en la cámara de excavación, el volumen de inyección de mortero, los registros de incidencias y las fechas de excavación.
• Integración de datos: Los datos de movimientos en superficie obtenidos mediante InSAR se integraron con los parámetros de operación de la tuneladora utilizando la plataforma AcrotDigital. Esta integración permitió correlacionar los movimientos observados con las actividades y los parámetros de excavación.
• Análisis de resultados: Tras la integración, se evaluaron los movimientos en el templo de San Francisco antes, durante y después de la excavación del túnel. Este análisis permitió determinar el comportamiento del Templo de San Francisco desde 2015 hasta 2024. Los movimientos durante la excavación fueron examinados junto a los parámetros de operación para verificar el comportamiento del templo al paso de la tuneladora.

La metodología empleada en este estudio combina la tecnología avanzada de InSAR con la plataforma AcrotDigital para proporcionar un análisis preciso y detallado de los movimientos en el Templo de San Francisco. Esta combinación de tecnologías permite no solo identificar movimientos en el terreno, sino también correlacionarlos con las actividades de excavación, proporcionando una herramienta poderosa para la evaluación y monitoreo de estructuras cercanas a excavaciones.

Para contrastar los datos obtenidos en el Templo de San Francisco, se ha seleccionado como zona de estudio un área desde la estación Catedral hasta más allá del Templo de San Francisco, abarcando aproximadamente 612.000 m² con un total de 4.674 puntos de medida.

Para el Templo de San Francisco se dispone de un dataset de 2.410 medidas correspondientes a 10 puntos. Se han recolectado un total de 241 fechas desde el 12 de marzo de 2015 hasta el 25 de agosto de 2024, momento en el que se finalizó la recolección de datos de estudio para este artículo.

El análisis realizado proporcionó resultados detallados y concluyentes sobre los movimientos en el templo de San Francisco que quedan resumidos en la Tabla 1.

Se han seleccionado los puntos más cercanos a la excavación (de Oeste a Este 1111, 1110, 1112) siendo el 1112 el punto más próximo al trazado (Ver Figura 7, mapa de posición de puntos). Se han seleccionado los puntos más cercanos para poder mostrar los movimientos más críticos asociados al túnel. En la tabla que se presenta en esta misma figura (Figura 7), se observan movimientos relevantes en la fachada norte y oeste del templo, sin embargo, el punto más próximo a la excavación del túnel (1112), no presenta apenas movimientos. Actualmente, los puntos 1111 y 1110 continúan activos, lo que sugiere una posible distorsión angular significativa con el punto 1112. Estos resultados (periodo 2015 a 2024) indican, por tanto, que el templo ya mostraba movimiento en esta fachada antes de la excavación.

Se ha realizado un análisis detallado del punto 1111 situado en la fachada opuesta a la excavación. Se han descartado para este análisis los datos dispersos no coherentes con el resto de las medidas y considerados como anomalías de lectura (Ver primer gráfico y puntos anómalos descartados, en la Figura 8). La gráfica de datos muestra que los movimientos durante el paso de la excavación fueron muy contenidos e incluso prácticamente imperceptibles en este punto, sin embargo, la gráfica muestra que este punto se encuentra activo desde el año 2015, origen de la toma de datos, hasta la actualidad.

Figura 8. Movimientos obtenidos con tecnología InSAR en el punto 1111 situado en la fachada opuesta a la excavación. Se han marcado los puntos anómalos eliminados del análisis en la gráfica de datos brutos. Fuente: Sener-AcrotDigital.

El punto 1112, el más cercano a la excavación, muestra movimientos atribuidos al paso de la tuneladora. Al igual que en el punto 1111, se revisaron y descartaron los datos no coherentes. Una vez depurados estos datos, se obtuvo una tendencia máxima de alrededor de 6 mm y que se ha mantenido estable en los años posteriores al paso de la tuneladora (Figura 9).

En concreto, para poder valorar los resultados, se han analizado los datos antes, durante y después de la excavación. Los resultados de estas tres fases se desarrollan a continuación:

• Movimientos detectados antes de la excavación

Para establecer una línea base y determinar si los movimientos observados son atribuibles o no a la excavación o si ya existían previamente, fue fundamental analizar los movimientos detectados antes de la excavación. Para ello, se analizaron las imágenes SAR de la misión Sentinel-1 correspondientes al periodo 2015 hasta el 24 de abril de 2017. Los interferogramas generados mostraron que el Templo de San Francisco ya presentaba movimientos significativos antes del inicio de las obras en la posición 1111 (véase Figura 10 con los datos InSAR obtenidos en el punto 1111 entre marzo del 2015 y abril de 2017, periodo en el que cruza la tuneladora el Templo de San Francisco) situada en la fachada opuesta a la excavación, lo que sugiere que el templo ya estaba experimentando desplazamientos al menos desde el año 2015, debido posiblemente a factores geológicos y ambientales.

Figura 10. Movimientos detectados con tecnología InSAR antes del paso de la excavación, en el punto 1111. Fuente de la gráfica: Sener.

Los datos obtenidos en el punto 1112, el punto más próximo a la excavación, muestra sin embargo una tendencia estable durante este periodo, con una oscilación próxima a cero (véase Figura 11 con los datos InSAR obtenidos en el punto 1112 entre marzo de 2015 y abril de 2017).

Figura 11. Movimientos detectados con tecnología InSAR antes del paso de la excavación, en el punto 1112. Fuente de la gráfica: Sener.

• Movimientos y análisis de sensibilidad durante la excavación

El análisis de los movimientos durante las actividades de excavación resultó fundamental para identificar cualquier impacto directo en el templo. Los datos InSAR correspondientes al periodo de excavación del túnel (24/04/2017 - 13/08/2017) fueron examinados de manera individualizada. Los resultados mostraron que los movimientos en el templo se mantuvieron dentro de los rangos previstos en el punto 1112, el punto más cercano a la excavación, sin observarse incrementos significativos en la deformación en el resto de puntos, atribuibles directamente a la excavación del túnel.

Por otro lado, el análisis de sensibilidad fue importante para identificar los parámetros de operación de la tuneladora que pueden tener mayor influencia en los movimientos en superficie. Ajustando estos parámetros, se pudo minimizar el impacto en la superficie. Los parámetros analizados durante el paso de la excavación por el Templo de San Francisco fueron correctos y óptimos para la operación (véase Figura 12). Los pesos se encontraron en todo momento por debajo de los valores previstos en diseño, manteniendo en general una correcta presión y densidad en cámara. En cuanto al volumen de inyección de mortero, éste estuvo en todo momento por encima al teórico de excavación asegurando el completo relleno del gap.

Figura 12. Parámetros principales de operación al paso del túnel en el entorno del Templo de San Francisco. Fuente: Sener-AcrotDigital.

No se registró por tanto ninguna anomalía en la operación que pudiera repercutir negativamente en superficie y afectar por tanto al Templo de San Francisco. Por otro lado, se han comparado los resultados obtenidos mediante InSAR con otros métodos de monitoreo de movimientos (instrumentación robotizada presente durante la fase de excavación) con la finalidad de validar la precisión y fiabilidad del análisis realizado. Los resultados mostraron que efectivamente el templo presentaba actividad antes del paso de la tuneladora, llegando a registrarse movimientos en alguno de los puntos, por encima de los 20 mm entre julio de 2016 y abril del 2017 en la fachada norte.

• Movimientos después de la excavación

Evaluar los movimientos después de la excavación, ha resultado esencial para determinar cualquier impacto a largo plazo que pueda presentar otro origen diferente al propio de la excavación. Se han analizado por tanto los datos obtenidos después de la finalización de la excavación (agosto 2017-2024). Los datos de imágenes SAR de este periodo mostraron que los movimientos en el templo siguieron los patrones históricos de deformación, sin evidencia de incrementos significativos atribuibles a la excavación del túnel (Figura 13). Este resultado refuerza la conclusión de que los movimientos observados en el templo no fueron causados por la excavación, sino que parecen ser más bien parte de un proceso de deformación continuo y preexistente sobre todo en la esquina oeste de la fachada norte del edificio.

Figura 13. Movimientos detectados con tecnología InSAR después del paso de la excavación, en el punto 1111. Fuente de la gráfica: Sener.

La Línea 3 del Metro de Guadalajara ha influido notablemente en la movilidad urbana y el desarrollo económico de la región. Al facilitar el acceso a diversas áreas de la ciudad y reducir los tiempos de desplazamiento, la línea ha mejorado la calidad de vida de los habitantes y ha contribuido al crecimiento económico. Además, el control y las medidas implementadas para minimizar el impacto de la excavación en el Templo de San Francisco fueron esenciales para preservar el patrimonio cultural de Guadalajara.

El análisis realizado con la tecnología InSAR integrada en la plataforma AcrotDigital ha proporcionado resultados concluyentes sobre los movimientos en el templo de San Francisco. Los movimientos detectados antes, durante y después de la excavación siguen patrones históricos de deformación del terreno, indicando que el templo ya estaba experimentando desplazamientos mucho antes del inicio de la obra. Este hallazgo sugiere que la Línea 3 no es la principal causante de los daños actuales del templo.

La tecnología InSAR ha demostrado ser útil para analizar tendencias de movimientos en el terreno y las estructuras. Sin embargo, presenta datos anómalos que requieren un muestreo significativo de datos para observar claramente estas anomalías y detectar tendencias confiables. La efectividad de la tecnología InSAR mejora cuando se complementa con otros datos como tiempos y parámetros de excavación, proporcionando un contexto importante a los datos extraídos. Su capacidad para detectar desplazamientos desde el espacio la convierte en una opción valiosa para proyectos de gran escala y en entornos urbanos, así como para retroanálisis de datos.

La plataforma AcrotDigital ha permitido integrar y analizar los datos de movimientos en superficie con los parámetros de operación de la tuneladora, proporcionando una visión más completa del comportamiento del terreno durante la excavación. El uso de una plataforma que integra datos de distintas fuentes reduce significativamente los tiempos de análisis, favoreciendo la obtención de resultados de manera casi automática.

Los resultados obtenidos demuestran que la excavación del túnel no parece haber sido la causa origen de los movimientos detectados. Cabe señalar que los datos observados muestran una tendencia activa, e incluso acelerada, hacia el desplazamiento de la fachada norte desde al menos el año 2015, cuando se inició la toma de datos con tecnología INSAR. Por ello, no debe descartarse que estos movimientos tengan un origen anterior a ese año. La rigidez de la fachada sur podría favorecer la distorsión de la estructura, por lo que un seguimiento activo del estado de la misma a corto, medio y largo plazo podría ser determinante a la hora de actuar de la manera más eficiente posible en el edificio.

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