Método de transformación de la medición de deformación con Φ-OTDR en fibra óptica y de la deformación del revestimiento de túneles y su aplicación en la monitorización de la seguridad de túneles

Vigilar la respiración de los túneles

Los túneles modernos de carreteras y ferrocarril discurren bajo montañas, ríos y ciudades densamente pobladas, donde una grieta oculta o una deformación lenta puede convertirse rápidamente en un desastre. Este estudio presenta una forma de permitir que los túneles "cuenten" a los ingenieros cómo se encuentran en tiempo real, transformando largas hebras de fibra óptica en nervios continuos que perciben cómo el revestimiento del túnel se estira y se comprime. El trabajo no solo explica cómo reaccionan estas fibras a la deformación dentro del hormigón, sino que también muestra cómo sus señales pueden convertirse en avisos automáticos de seguridad para los equipos de obra subterránea.

De sensores puntuales a nervios continuos

La monitorización tradicional de túneles depende de instrumentos separados atornillados en puntos clave del revestimiento. Estos dispositivos pueden ser precisos, pero solo miden unos pocos puntos y a menudo requieren personal en obra para leerlos y mantenerlos. El sensado distribuido por fibra óptica ofrece un enfoque distinto: un solo cable, pegado o embebido en el hormigón, puede medir la deformación a lo largo de toda su longitud. La tecnología utilizada aquí, denominada reflectometría en el dominio temporal sensible a la fase (Φ-OTDR), envía pulsos láser cortos por un cable de telecomunicaciones de aspecto corriente y escucha los pequeños ecos dispersados por imperfecciones en el vidrio. Cuando el revestimiento del túnel se deforma, esos ecos cambian de forma que revelan cuánto se ha estirado o comprimido la fibra en miles de ubicaciones.

Por qué la fibra y el hormigón no se mueven igual

En proyectos reales de túneles, la fibra óptica no puede dejarse al descubierto. Debe envolverse en capas protectoras de plásticos y acero para que sobreviva a las curvaturas, al vertido de hormigón y a los impactos durante la construcción. Sin embargo, estas capas implican que el núcleo de vidrio no se deforma exactamente igual que el hormigón que lo rodea. La fibra también es sensible a cambios lentos de temperatura y a la fluencia a largo plazo, que provocan una deriva gradual en sus lecturas de deformación incluso cuando la estructura está en reposo. Si los ingenieros usaran las señales crudas de la fibra directamente, interpretarían mal el esfuerzo real que soporta el revestimiento del túnel. El núcleo de este artículo es un método para traducir lo que la fibra protegida “siente” en la deformación real del hormigón que la rodea.

Construcción y flexión de túneles modelo

Para descubrir esta traducción, el equipo moldeó tres grandes vigas de hormigón con el mismo tamaño y patrón de armado de acero que el revestimiento de un túnel real. En el interior de las vigas instalaron tanto el cable óptico blindado como galgas extensométricas eléctricas convencionales en ubicaciones coincidentes. Luego realizaron dos tipos de ensayos. En las pruebas dinámicas, las vigas se cargaron como un pequeño puente, aumentando la fuerza a una velocidad controlada mientras se registraba la respuesta tanto de la fibra como de las galgas. En las pruebas estáticas, las vigas quedaron sin carga durante más de media hora para observar cómo la deformación medida por la fibra evolucionaba por fluencia y efectos ambientales. Los datos mostraron que tanto la deformación estructural como la deformación de la fibra aumentaban de forma casi lineal con la carga y con el tiempo, pero a ritmos distintos.

Transformar lecturas de fibra en deformación estructural

Mediante un ajuste cuidadoso de ecuaciones lineales a los resultados de los ensayos, los autores separaron la respuesta de la fibra en dos componentes: una debida a la flexión real del hormigón y otra debida a la acumulación lenta por efectos ambientales. A continuación derivaron una fórmula simple que convierte las lecturas de la fibra en la deformación que mediría un sensor estructural ordinario, mientras resta la deriva dependiente del tiempo. En promedio, la deformación del hormigón equivale a aproximadamente 1,26 veces la deformación de la fibra, menos un pequeño término que crece con el tiempo de monitorización. Cuando esta conversión se aplicó en un túnel de carretera real en Sichuan, China, los resultados traducidos de la fibra coincidieron estrechamente con los de galgas de alambre vibrante de alta precisión instaladas en los mismos puntos, manteneniéndose dentro de aproximadamente un 5% entre sí.

De datos crudos a avisos automáticos

Con la confianza de que las lecturas de la fibra representan realmente el comportamiento del túnel, los investigadores fueron un paso más allá y construyeron una plataforma digital de seguridad alrededor de ellas. En un túnel de demostración, los cables se tendieron en un patrón en forma de U a lo largo de la bóveda, las paredes y las zonas laterales inferiores, y se conectaron a una unidad central que recogía datos cada minuto. El software de la plataforma convirtió la deformación en esfuerzo, calculó cuánto esfuerzo axial y momento flector soportaba el revestimiento y evaluó un factor de seguridad basado en los códigos chinos de diseño de túneles y hormigón. Estos valores se compararon con umbrales preestablecidos. Si alguna sección se aproximaba a niveles inseguros, el sistema estaba diseñado para activar alarmas en la sala de control y enviar mensajes de advertencia directamente a los teléfonos de los trabajadores, convirtiendo la fibra en la columna vertebral de una red de alerta temprana en tiempo real.

Hacer más segura la obra subterránea

Para el público no especializado, el resultado clave es que un único cable óptico resistente puede ahora actuar como monitor continuo de la salud de un túnel, siempre que sus lecturas se traduzcan correctamente. Este estudio muestra cómo establecer esa traducción mediante ensayos de laboratorio controlados y la confirma en un proyecto de construcción real. Al combinar las mediciones calibradas de la fibra con análisis automatizados y umbrales de seguridad claros, los operadores de túneles obtienen una forma de observar toda la envolvente del revestimiento “respirar” conforme varían las cargas, y de detectar problemas antes de que aparezcan grietas o colapsos. El enfoque apunta a un futuro en el que la construcción y operación subterránea estén protegidas por sistemas nerviosos de luz, vigilando silenciosamente la seguridad de estructuras que la mayoría de nosotros nunca veremos.

Cita: Cao, K., Xie, Z., Zhou, F. et al. Transformation method of Φ-OTDR optical fiber strain and tunnel liner strain and its application in tunnel safety monitoring. Sci Rep 16, 13842 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43749-5

Palabras clave: seguridad de túneles, sensado por fibra óptica, monitorización de salud estructural, medición de deformación, sistemas de alerta temprana