Cavity Geometry Evaluation beneath Shield Tunnel Linings using Ground Penetrating Radar and Acoustic Sensing

Mucho más allá de las bulliciosas calles de las ciudades modernas, un mundo oculto de infraestructura mantiene en movimiento a la sociedad. Los metros, los túneles de servicios públicos y los pasajes subterráneos son excavados por máquinas masivas, dejando tras de sí anillos de hormigón que contienen la tierra. Para asegurar que estos anillos se mantengan estables, los trabajadores rellenan el pequeño espacio entre el nuevo hormigón y el suelo circundante con una pasta espesa, similar al cemento, llamada lechada. Este relleno es crucial; sostiene el túnel y evita que el terreno se desplace. Sin embargo, si esta lechada no se vierte perfectamente o si se filtra con el tiempo, pueden formarse bolsas de aire vacías detrás de las paredes del túnel. Estas cavidades ocultas son peligrosas porque debilitan la estructura, lo que podría provocar colapsos repentinos, pero son invisibles desde el interior del túnel, donde el hormigón parece perfectamente liso.

Durante décadas, los ingenieros han intentado encontrar estos espacios vacíos sin romper el túnel. Han utilizado herramientas como el radar de penetración terrestre, que envía ondas de radio hacia el suelo para buscar cambios en el material, y cámaras térmicas que buscan diferencias de temperatura. Pero estos métodos tienen un punto ciego cuando se trata de hormigón armado, el tipo utilizado en la mayoría de los túneles modernos. Dentro de estas paredes, una cuadrícula de barras de acero, conocidas como varillas (rebars), crea una señal caótica que a menudo oculta los mismos defectos que los ingenieros intentan encontrar. Cuando las ondas del radar golpean el acero, rebotan en un desorden confuso, haciendo que sea casi imposible distinguir si una reflexión proviene de una barra de acero o de un agujero peligroso detrás de la pared. Esta incertidumbre deja a los operadores de túneles adivinando sobre la seguridad de su infraestructura.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Corea y la Universidad de Konkuk decidió probar un enfoque diferente combinando el radar tradicional con una herramienta simple, pero a menudo pasada por alto: un micrófono. Su objetivo era detectar estas cavidades ocultas y estimar sus dimensiones. Para ello, construyeron un modelo a gran escala de un revestimiento de túnel en un laboratorio. Construyeron una placa de hormigón armado gruesa para imitar la pared del túnel, con una cuadrícula realista de barras de acero espaciadas aproximadamente a 38 centímetros. Debajo de esta, colocaron una segunda placa de hormigón para representar el suelo. Sobre esta placa inferior, tallaron cuatro espacios vacíos distintos para simular las cavidades: dos eran cuadradas y dos circulares, con anchuras y diámetros que oscilaban entre los 30 y 60 centímetros. Rellenaron el resto del espacio con mortero para actuar como relleno, dejando únicamente las cavidades específicas vacías.

Los investigadores realizaron entonces dos pruebas diferentes a través de la superficie de la placa reforzada. Primero, utilizaron una unidad de radar de penetración terrestre, arrastrándola a lo largo de líneas específicas para escanear el área. Las imágenes del radar mostraron los resultados esperados: las barras de acero crearon reflexiones fuertes y curvas que dominaban la imagen. Aunque el radar podía detectar que algo era diferente en las áreas con cavidades, las señales de los espacios vacíos estaban enredadas con las señales de las barras de acero. Los investigadores descubrieron que podían utilizar una técnica matemática llamada transformada de óndula (wavelet transform) para intentar separar estas señales superpuestas, y pudieron observar que la intensidad de la señal aumentaba a medida que las cavidades se hacían más grandes. Sin embargo, las barras de acero dificultaban mucho definir claramente los bordes de los agujeros o determinar si una cavidad era cuadrada o redonda; el estudio concluyó que identificar la forma de la cavidad sigue siendo un desafío y que la precisión en la estimación de las dimensiones mediante radar podría disminuir.

A continuación, el equipo recurrió al micrófono. En lugar de enviar ondas de radio, utilizaron un martillo especializado para golpear la superficie de hormigón, creando un sonido agudo y una vibración que viajó a través de la placa. Un micrófono sensible, sostenido a solo dos centímetros de la superficie, escuchaba las partículas de aire vibrando en respuesta al golpe. La lógica aquí reside en cómo se comporta una placa cuando tiene un hueco debajo. Cuando el hormigón es sólido y está totalmente apoyado por el suelo, es rígido y resiste la flexión. Pero cuando hay una cavidad vacía debajo, esa sección de la placa se vuelve flexible, como un trampolín. Al ser golpeada, la sección flexible vibra de manera diferente, produciendo un sonido con un carácter distinto al de las secciones sólidas.

Los resultados del micrófono fueron sorprendentemente claros. Los investigadores midieron la "flexibilidad" de la placa en cada punto a lo largo de sus líneas de estudio. Donde el hormigón era sólido, la flexibilidad se mantenía baja y constante. Pero tan pronto como el micrófono pasaba sobre una cavidad, la flexibilidad aumentaba significativamente. Los datos mostraron un aumento brusco de la flexibilidad exactamente donde se encontraban los agujeros, lo que permitió al equipo localizar los bordes de las cavidades con alta precisión. A diferencia del radar, al micrófono apenas le importaban las barras de acero dentro del hormigón; el sonido de la placa doblándose sobre el agujero era lo suficientemente distinto como para ignorar el ruido del acero. El equipo descubrió que no solo podían detectar la presencia de un agujero, sino también estimar comparativamente su tamaño. Las cavidades más grandes provocaban un mayor aumento de la flexibilidad, y el micrófono podía distinguir claramente entre los agujeros de 30 y 60 centímetros.

Quizás el hallazgo más revelador fue cómo la forma de la cavidad afectaba al sonido. Cuando los investigadores compararon los agujeros cuadrados con los circulares, notaron que el área de mayor flexibilidad era más ancha sobre los agujeros cuadrados que sobre los circulares del mismo ancho. Esto sucedía porque la forma cuadrada mantiene su ancho total a lo largo de toda la línea de estudio, mientras que la forma circular se estrecha en los bordes, creando una zona de flexibilidad más angosta. Sin embargo, el estudio señaló que, aunque el método de detección acústica mostraba una clara ventaja para delimitar los bordes de las cavidades, las diferencias de flexibilidad asociadas con las formas detalladas de las cavidades eran insignificantes. Esta sutil diferencia significaba que, si bien los investigadores podían inferir el tamaño de la cavidad, no podían distinguir de manera fiable entre una forma cuadrada o circular basándose únicamente en la flexibilidad. Mientras que el radar luchaba por separar la señal del agujero de la señal del acero, el micrófono proporcionaba un mapa limpio y directo de dónde faltaba el suelo.

El estudio concluye que, si bien el radar de penetración terrestre es una herramienta útil, su capacidad para mapear la geometría exacta de las cavidades detrás del hormigón armado está limitada por la interferencia de las barras de acero. En contraste, la detección acústica mediante un micrófono ofrece una forma más fiable de detectar estos vacíos ocultos y estimar sus dimensiones. Al escuchar cómo vibra la pared del túnel, los ingenieros pueden identificar los límites de una cavidad con mucha mayor precisión que observando solo las imágenes de radar. Esto sugiere que, en el futuro, combinar estos dos métodos podría dar a los inspectores de túneles una imagen mucho más clara de los peligros ocultos que acechan detrás de las paredes, asegurando que las arterias subterráneas de nuestras ciudades permanezcan seguras y estables.