Análisis de viabilidad y caracterización de la señal GPR para la evaluación de obras de infraestructuras del transporte

Abstract

Las infraestructuras del transporte presentan unas necesidades de conservación y mantenimiento cada día más exigentes, especialmente en escenarios económicos adversos como el actual, en el que es prioritario mantener el patrimonio viario existente frente a la construcción de nuevas infraestructuras. Para ello, es necesario contar con herramientas objetivas de análisis y monitorización que permitan evaluar su estado y priorizar las intervenciones necesarias para su correcta conservación y mantenimiento. El presente trabajo de investigación propone estudiar la viabilidad de uso del radar de subsuelo (Ground Penetrating Radar, GPR) como técnica de inspección no destructiva en la evaluación del estado de las infraestructuras del transporte y obras de ingeniería civil relacionadas. Su desarrollo ha experimentado importantes avances en los últimos veinte años, pero su uso en este campo no se ha generalizado tanto como sería deseable, teniendo en cuenta su gran potencial de aplicación. En el ámbito de las infraestructuras lineales del transporte, las unidades de obra de firmes y pavimentos constituyen una parte fundamental de la infraestructura. El control de sus espesores y de su estado resulta crucial para garantizar su operatividad y la seguridad de los usuarios. Así pues, en el presente trabajo doctoral se ha estudiado y validado el potencial del GPR en la localización y evaluación de daños asociados a los firmes y pavimentos, analizando su utilidad en la detección e interpretación integral de patologías asociadas, de manera conjunta con otras técnicas de inspección no destructivas (el Láser Escáner Terrestre y la Termografía Infrarroja). La ubicación exacta de servicios urbanos enterrados, localizados en las inmediaciones de una obra, es otro aspecto importante que ha de tenerse en cuenta antes de acometer la construcción de las infraestructuras del transporte: de ello dependen, entre otros factores, la seguridad de su ejecución y la interrupción de los suministros a los usuarios. En este trabajo se ha analizado y validado el empleo del GPR como herramienta de prospección útil en la localización de los servicios enterrados: se probó su utilidad práctica en un tramo de pruebas real, construido “ex profeso”, constituido por tuberías de sección circular de diversas tipologías y diámetros, enterradas a diferentes profundidades. Como resultado de esta experiencia se aportan nuevos protocolos de actuación y se sugieren normas de buena práctica que mejoran la exactitud de las prospecciones y la interpretación de los resultados obtenidos. Otra de las infraestructuras del transporte que mayor complejidad técnica e inversiones económicas requieren son los túneles: se ha probado y demostrado “in situ” la utilidad del GPR para el control de calidad y monitorización de aspectos constructivos de interés en un túnel del AVE, en fases tempranas de construcción. Se ha probado que con esta herramienta se pueden monitorizar las estructuras y detectar precozmente fallos y patologías ocultas, de manera que se subsanen de la manera más rápida y económica. Por último, se presenta en esta tesis una nueva aplicación (app) diseñada específicamente en Android para el procesado básico de la señal GPR en dispositivos móviles y tablets, como una alternativa simplificada al empleo de los programas comerciales convencionales. Esta app pretende contribuir a la extensión de la técnica entre usuarios no expertos interesados en ella. Las diferentes aplicaciones del GPR analizadas en este trabajo de investigación pretenden, además, difundir las grandes posibilidades que aporta esta técnica como instrumento de control efectivo en las obras de ingeniería civil e infraestructuras del transporte, tanto en fases de construcción como en servicio. En resumen, esta tesis doctoral ha analizado y demostrado la validez e idoneidad del GPR como herramienta de aplicación práctica en un campo de estudio tan amplio como es el de la construcción y conservación de las obras de ingeniería civil e infraestructuras del transporte, abriendo el camino a futuras líneas de investigación que contribuyan a la automatización de estas técnicas de inspección no destructiva.

As infraestruturas do transporte presentan unhas necesidades de conservación e mantemento cada día máis esixentes, especialmente en escenarios económicos adversos como o actual, no que é prioritario manter o patrimonio viario existente fronte á construción de novas infraestruturas. Para iso, é necesario contar con ferramentas obxectivas de análise e control que permitan avaliar o seu estado e priorizar as intervencións necesarias para a súa correcta conservación e mantemento. O presente traballo de investigación propón estudar a viabilidade de uso do radar de subsolo (Ground Penetrating Radar, GPR) como técnica de inspección non destrutiva na avaliación do estado das infraestruturas do transporte e obras de enxeñería civil relacionadas. O seu desenvolvemento experimentou importantes avances nos últimos vinte anos, pero o seu uso neste campo non se xeneralizou tanto como sería desexable, tendo en conta o seu gran potencial de aplicación. No ámbito das infraestruturas lineais do transporte, as unidades de obra de firmes e pavimentos constitúen unha parte fundamental da infraestrutura. O control dos seus espesores e do seu estado resulta crucial para garantir a súa operatividade e a seguridade dos usuarios. Así pois, no presente traballo doutoral estudouse e validouse o potencial do GPR na localización e avaliación de danos asociados aos firmes e pavimentos, analizando a súa utilidade na detección e interpretación integral de patoloxías asociadas, de maneira conxunta con outras técnicas de inspección non destrutivas (Láser Escáner Terrestre e Termografía Infravermella). A localización exacta de servizos urbanos enterrados, situados nas inmediacións dunha obra, é outro aspecto importante que ha de terse en conta antes de acometer a construción das infraestruturas do transporte: diso dependen, entre outros factores, a seguridade da súa execución e a interrupción das subministracións aos usuarios. Neste traballo analizouse e validouse o emprego do GPR como ferramenta de prospección útil na localización dos servizos enterrados: probouse a súa utilidade práctica nun tramo de probas real, construído “ex profeso”, constituído por tubaxes de sección circular de diversas tipoloxías e diámetros, enterradas a diferentes profundidades. Como resultado desta experiencia achéganse novos protocolos de actuación e suxírense normas de boa práctica que melloran a exactitude das prospeccións e a interpretación dos resultados obtidos. Outra das infraestruturas do transporte que maior complexidade técnica e investimentos económicos requiren son os túneles: probouse e demostrouse “in situ” a utilidade do GPR para o control da calidade e de diferentes aspectos construtivos de interese nun túnel do AVE, en fases temperás de construción. Probouse que con esta ferramenta pódense controlar as estruturas e detectar precozmente fallos e patoloxías ocultas, de maneira que se emenden dun xeito máis rápido e económico. Por último, preséntase nesta tese unha nova aplicación (app) deseñada especificamente en Android para o procesado básico do sinal GPR en dispositivos móbiles e tablets, como unha alternativa simplificada ao emprego dos programas comerciais convencionais. Esta app pretende contribuír á extensión da técnica entre usuarios non expertos interesados nela. As diferentes aplicacións do GPR analizadas neste traballo de investigación pretenden, ademais, difundir as grandes posibilidades que achega esta técnica como instrumento de control efectivo nas obras de enxeñería civil e infraestruturas do transporte, tanto en fases de construción como en servizo. En resumo, nesta tese doutoral analizouse e demostrouse a validez e idoneidade do GPR como ferramenta de aplicación práctica nun campo de estudo tan amplo como é o da construción e conservación das obras de enxeñería civil e infraestruturas do transporte, abrindo o camiño a futuras liñas de investigación que contribúan á automatización destas técnicas de inspección non destrutiva.

Transport infrastructures present highly demanding conservation and maintenance needs, especially in adverse economic scenarios such as the current one, in which the priority is to maintain the existing road network instead of creating new infrastructures. For that, it is necessary to have accurate tools for analysis and monitoring that allow assessing their state and prioritising the required interventions for their adequate conservation and maintenance. This research work proposes to analyse the feasibility of the Ground Penetrating Radar (GPR) as a non-destructive testing technique on the evaluation of the transport infrastructures and related civil engineering works. Its development has experienced important advances in the last twenty years, although its use in this field has not been generalized as much as it would be desirable, taking into account its great application potential. In the field of linear transport infrastructures, pavements and paving construction units constitute an essential part of the infrastructure. Thicknesses and state controls are crucial to guarantee its operating capacity and safety of the users. Therefore, in this work, the potential of the GPR has been evaluated and validated in the identification and evaluation of damages associated to pavements and pavings, analysing its usefulness for the detection and integral interpretation of pathologies, in combination with other non-destructive testing techniques (Terrestrial Laser Scanner (TLS) and Infrared Thermography (IRT)). The exact positioning of urban buried services, in the surrounding area of an intervention activity, is another important aspect that must be taken into account before undertaking the construction of transport infrastructures: among others factors, the safety of its execution and the interruption of supplies to users, depends on this. In this work, the use of the GPR has been analysed and validated as an useful prospecting tool for the detection and positioning of urban buried services. Its practical usefulness was tested in a real trial stretch, built expressly, composed of diverse types and diameters pipes of circular section that have been buried at different depths. As a result of this experience, new performance protocols were provided and good practice standards were suggested in order to improve the accuracy of the prospection and the interpretation of the results obtained. Tunnels are another kind of transport infrastructures that require highly technical and economic investments. The potential of the GPR has been tested and demonstrated “in situ” for quality control and monitoring of constructive aspects in a high speed railway tunnel, in its early stages of construction. It has been proved that the GPR is an efficient tool to monitor the tunnelling structures, as well as for an early detection of failures and hidden pathologies, so that they can be remedied as cheap and as soon as possible. Finally, this doctoral thesis presents a new application (app), specifically designed in Android for a basic GPR signal processing in mobile devices and tablets, as a simplified alternative method in comparison with conventional commercial programs. This app aims to contribute to the extension of the technique among non-expert users interested in the technique. The different GPR applications analysed in this thesis intend, in addition, to spread the great possibilities that this technique contributes as an effective tool for quality control in civil engineering and transport infrastructures, both on early stages of construction and in service. In summary, this doctoral dissertation has analysed and demonstrated the feasibility and suitability of the GPR as a tool of practical application in a field of study as wide as it is the construction and conservation of the civil engineering works and transport infrastructure, opening the way to future research lines that contribute to the automation of these non-destructive inspection techniques.