AUSCULTACION DE TUNELESJOSE M RODRIGUEZ ORTIZ Dr. Ingeniero de Caminos Catedrtico de Mecnica del Suelo Y Cimentaciones de la UPM.

1. Introduccion La instrumentacin y la auscultacin se estn convirtiendo en operaciones rutinarias en la Ingeniera Civil, debiendo ser tanto ms precisas cuanto mayor sea el riesgo asociado a una rotura, hundimiento o afeccin al entorno. No es por tanto, de extraar que el campo de los tneles haya propiciado un intenso desarrollo de estas tcnicas. Haremos una revisin sucinta de la instrumentacin ms utilizada, los objetivos de la auscultacin y los aspectos ms problemticos de la misma.

2. Instrumentacion

2.1 Equipos En este momento se dispone de una gran variedad de aparatos de medida, por lo que pueden controlarse la mayora de las variables implicadas en el proceso constructivo. En el Cuadro n 1 se hace un resumen de los aparatos ms corrientemente utilizados y su campo de aplicacin. En la fig. 1 se muestran algunos de dichos aparatos. Existen adems otros muchos equipos de medida de uso poco frecuente como Medidores de resistividad o conductividad Acelermetros Lneas de asientos, tasmetros, etc. Detectores de gases, etc.

Recientemente se est investigando en aplicaciones de la fibra ptica para detectar, de forma continua, variaciones en los estados tensionales de sostenimientos u otros elementos de los tneles. Por supuesto cada aparato tiene su campo de aplicacin, su rango de medida, su precisin y su fiabilidad. En este sentido es muy importante la calidad de la instalacin. Una instalacin deficiente puede hacer que las medidas sean inaprovechables o, lo que es peor, lleven a conclusiones errneas. Siempre se ha dicho que es preferible no tener medidas a tener una medida errnea.

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CUADRO N 1.- Equipos principalmente utilizados en instrumentacin y resultados que proporcionan Funcin Aparato o equipo Hitos de nivelacin Regletas o clavos Dianas, prismas, etc. Cinta de convergencia Medida de desplazamientos Electroniveles Inclinmetros Extensmetros Fisurmetros o crack meters, micrmetros, comparadores, transductores de lectura manual o de registro automtico, etc. TriVec Clinmetros Medida de deformaciones Medida de fuerzas o tensiones Medida de presin intersticial Extensmetros o straingauges Fibra ptica Clulas de presin total Clulas de carga en anclajes Clulas de presin intersticial Clulas tipo Osterberg Piezmetros de tubo abierto o de Casagrande Piezmetros de cuerda vibrante Manmetros Utilizacin Asientos terreno Asientos en estructuras Control topogrfico Desplazamientos entre puntos a distancia mtrica Registro continuo de asientos Desplazamientos o flechas Desplazamientos o asientos relativos entre puntos Medida de apertura de grietas, movimientos entre partes de una estructura, etc. Extensmetro mltiple Inclinacin de edificios Medida de deformaciones en elementos estructurales Id. Errores por ngulo visual y distancia Errores de 1 mm / 10 m o superiores. Tramos cortos Problemas de instalacin Observaciones Defectos de apoyo en terreno compresible

Problemas de instalacin

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Diana taquimtrica y de nivelacin

Cinta de convergencia

Inclinmetro

Piezmetro abierto

Piezmetros de cuerda vibrante

Clulas de presin total

Clulas de carga en anclajes

Extensmetro

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Electronivel

Fisurmetro

Teodolito registrador

Base de referencia

Fig. 1.- Instrumentacin habitual en tneles

Para poder corregir errores es importante una cierta redundancia o duplicacin de las medidas. Tambin es fundamental, sobre todo en el caso de nivelaciones o medidas topogrficas disponer de bases de referencia suficientemente fiables. Con frecuencia se dan por inamovibles bases flotantes que hacen inservible la auscultacin. Hay que tener mucho cuidado con el vandalismo, ya que pueden moverse accidentalmente los puntos de medida, confundiendo los desplazamientos reales con los provocados. La inspeccin directa de los aparatos de medida debe permitir detectar estas incidencias. Actualmente el desarrollo tecnolgico ha puesto en el mercado una gran oferta de aparatos registradores o sensores que proporcionan una gran cantidad de medidas en tiempo real. Las seales de los sensores se envan por radio o WiFi a una Estacin Central donde se transforman, mediante un software apropiado, en medidas interpretables por un cierto nmero de usuarios autorizados. El propio sistema compara las medidas con umbrales preestablecidos, generando en su caso, las oportunas alarmas.

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Estas Redes de control Automtico son lgicamente bastante costosas si bien se argumenta que su mayor coste viene compensado por la reduccin de mano de obra en personal de medida y control. Desgraciadamente no todas las magnitudes se pueden registrar automticamente en todos los puntos de inters por lo que el personal in situ sigue siendo necesario. Por otra parte es frecuente tener que ampliar los puntos de medida conforme se va comportando la obra. Tambin hay que tener en cuenta que un exceso de datos puede ser inmanejable e innecesario. Es absurdo tomar datos cada minuto de un proceso cuya evolucin se manifiesta en das o semanas. En los hospitales no se toma la temperatura a los enfermos cada dcima de segundo, aunque podra hacerse. No es lo mismo hacer el seguimiento de las tensiones en un tnel de dovelas, en donde los movimientos significativos son indetectables en periodos de semanas que el de las subsidencias de edificios en zona urbana, donde hay que detectar el peligro con suficiente antelacin. Tambin est injustificado disponer aparatos registradores, necesariamente fijos, para controlar procesos que van a pasar fugazmente por su tramo de observacin. Un aparato registrador no tiene por qu ser necesariamente ms preciso que un aparato de control manual. Aparte de derivas electrnicas, hay otros muchos factores de error. Por ejemplo, los teodolitos registradores se instalan en puntos altos, terrazas de edificios etc. con lo que las medidas adolecen de las dilataciones del propio edificio, muchas veces superiores al rango de movimientos esperables. Creemos que el registro continuo puede estar indicado en estructuras importantes o monumentales en cuyo entorno se van a hacer operaciones complejas de bastante duracin pero no tiene sentido cuando va a pasar una tuneladora a 30 m/da. De todos modos es importante, para algunas Administraciones, poder decir en los peridicos que preocupados por la seguridad de los vecinos se ha instalado el sistema de auscultacin ms caro y sofisticado existente en el mercado. Se registra hasta el aleteo de las mariposas (por aquello del caos). La apoteosis se alcanza cuando se dispone de un sistema de seguimiento centralizado, con varios ordenadores y un programa que permite saber lo que pasa en cada punto de la obra, los detalles de la misma, el tipo de terreno, los datos de los edificios, la historia de medidas de cada aparato, etc.

2.2 Tneles en mina 2.2.1 Tneles convencionales Nos referimos a los realizados por el Nuevo Mtodo Austriaco, Sistema Bernold, Mtodo Belga, etc. Normalmente la auscultacin se limita a la medida de convergencias, aunque pueden incorporarse algunos controles complementarios como Nivelacin de clave Extensmetros para definir la zona plastificada en torno al tnel Densmetros o extensmetros en cerchas

Aunque algunas veces se colocan clulas de carga en el hormign proyectado las dificultades de colocacin hacen que se prefiera instalarlas en el revestimiento definitivo, si bien su utilidad es mucho menor.

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En zonas urbanas donde es importante el control de la subsidencia en superficie se suelen colocar hitos de nivelacin sobre el terreno. Hay que tener cuidado con la instalacin de estos hitos ya que si existe trfico o estn colocados sobre rellenos pueden presentar medidas que no tengan nada que ver con las obras subterrneas. Si la cobertera no es muy grande tambin se prefiere instalar los extensmetros desde superficie. Ocasionalmente tambin se colocan inclinmetros a los lados del tnel o entre ste y los edificios. Tambin es habitual disponer piezmetros a ambos lados del tnel para controlar la afeccin a los niveles freticos. Lgicamente la instrumentacin se completa colocando detectores de movimientos (hitos, regletas, clinmetros, etc.) en los edificios o servicios que quedan dentro de la zona de influencia del tnel

Fig. 2.- Instrumentacin habitual en tneles convencionales-Zona urbana.

2.2.2 Tneles con tuneladora La auscultacin del propio revestimiento del tnel supone algunas diferencias respecto a los tneles convencionales. Normalmente la instrumentacin se coloca en el taller de fabricacin de dovelas introduciendo en las mismas: Tensmetros en armaduras Clulas de presin total radiales y perimetrales

Las clulas radiales son de difcil instalacin e interpretacin en dovelas de pequeo espesor. Las clulas en el trasds de las dovelas tienen dos inconvenientes: 6

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La inyeccin de mortero, de mejor o peor calidad, modifica la transmisin de las tensiones del terreno a la clula. La diferencia de rigidez entre la clula y la dovela favorece un cierto puenteo, midindose tensiones muy diferentes de las reales

Se han ensayado mtodos para atravesar las dovelas y colocar las clulas contra el terreno, evitando los efectos anteriores. Se trata sin embargo de una operacin bastante complicada.

Fig. 3.- Instrumentacin tpica de un anillo de dovelas

Fig. 4.- Medida de convergencias en un anillo de dovelas.

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Fig. 5.- Zona de influencia e instrumentacin tpica en torno a un tnel de dovelas Tambin se intenta medir convergencias en los anillos de dovelas, pero esto tropieza con bastantes dificultades por la presencia de la mquina y el back-up, por lo que las medidas suelen iniciarse con bastante retraso respecto al momento de colocacin del anillo. En algunos casos se colocan extensmetros radiales desde el propio tnel, aunque la instalacin ofrece bastantes dificultades en presencia del nivel fretico.. En tneles urbanos la instrumentacin exterior al tnel, normalmente ejecutada desde superficie, es similar a la indicada para los tneles en mina.

2.3. Tneles a cielo abierto Nos referimos principalmente al sistema cut-and-cover, con el empleo de pantallas. El objetivo de la auscultacin es controlar las flechas de las pantallas y los eventuales asientos o movimientos producidos en el entorno de las mismas. Tambin conviene detectar las modificaciones del nivel fretico (efecto barrera). En la fig. 6 se muestra una disposicin tpica. Hasta hace poco se intentaba un control de los empujes sobre las pantallas mediante la instalacin de numerosas clulas de presin total, acopladas a la jaula de armaduras. Los resultados han sido poco satisfactorios y de difcil interpretacin, por lo que se ha ido abandonando esta instrumentacin a favor de la medida de desplazamientos, que es mucho ms importante por los efectos sobre el entorno. No obstante se siguen manteniendo las clulas para medir las subpresiones o las presiones de contacto en la base de las soleras o contrabvedas.

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Fig. 6.- Instrumentacin tpica de un tnel entre pantallas Los tensmetros pegados a las armaduras se siguen colocando aunque casi nunca se consigue una determinacin clara de los esfuerzos a que est sometida la pantalla. Se est prestando, sin embargo, bastante atencin a las flechas de los forjados y a sus acortamientos por fluencia o retraccin. Tambin es interesante el control de cargas en estampidores. Por supuesto la mayor atencin se centra en los edificios y servicios prximos, para lo cual son tiles los hitos de superficie, regletas, etc. Los extensmetros son de difcil interpretacin (hacen falta modelos al menos 2-D) as como los inclinmetros situados en el terreno comprendido entre la pantalla y el edificio, por lo que son preferibles los inclinmetros colocados en la propia pantalla, siempre que se prolonguen de 3 a 5 m bajo el pie de la misma. En lneas generales puede asimilarse la flecha mxima de la pantalla al asiento esperable en el edificio. max smax De todos modos es importante poder determinar la cubeta de asentamientos del edificio con objeto de calcular las distorsiones angulares.

3. Interpretacin Habitualmente la interpretacin de las medidas no corresponde al auscultador sino a tcnicos asociados a la Direccin de Obra, Asistencia Tcnica, Asesores, etc. Ni que decir tiene que todas las empresas de auscultacin se consideran capacitadas para interpretar las medidas y consideran un desdoro que no se les encargue este trabajo.

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En general hay tres mtodos de interpretacin: a) b) c) Por umbrales Por comparacin con modelos tericos Por experiencia previa en casos similares o feeling de experto

La interpretacin por umbrales es la ms sencilla y por tanto la ms utilizada. Basta con ver si la medida ha rebasado o no unos valores preestablecidos (de origen incierto), generalmente caracterizados por colores Verde Amarillo Rojo Todo va bien Nos estamos aproximando al peligro Situacin de riesgo elevado

Cuando se alcanza un cierto umbral el Informe de Auscultacin lo hace notar y ah acaba su cometido. Todo ello presupone que la medida sigue las pautas o esquemas previstos por el modelo. Cuando no es as (fig. 7) el sistema se bloquea.

Fig. 7.- Registro inclinomtrico muy diferente de la deformada prevista por el clculo Estas divergencias no son raras ya que hay muchos factores no contemplados en el clculo como son las deformaciones asociadas a la excavacin de las pantallas, los acortamientos trmicos de los estampidores o anclajes, etc., aparte de la incertidumbre respecto a los

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parmetros geotcnicos o los empujes de agua, sin contar los errores o limitaciones del propio mtodo de clculo. El mtodo de umbrales es especialmente discutible ya que Los mismos umbrales se extienden a toda una obra, independientemente del tipo de terreno, edificio, entorno fsico, etc. Algunas empresas discretizan algo ms pero de manera arbitraria. La existencia de umbrales puede crear alarma social ya que a nadie le gusta saber que su casa ha alcanzado el nivel rojo de peligro. Los umbrales no suelen corresponderse con la realidad. De hecho el umbral de fisuracin de un edificio solo se sabe cuando se fisura el edificio. Los criterios al uso (Burland, Boscardin y Cording, etc.) son escasamente precisos en casos concretos. Solo en casos muy especiales se hace la modelizacin del terreno con el edificio (en el supuesto de un buen conocimiento de su estructura y cimentacin). Los proyectos y los Planes de Auscultacin suelen indicar las personas a las que hay que comunicar las incidencias, como la superacin de umbrales crticos, pero no suele estar definido qu se hace en esos casos.

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En algunas ciudades donde se conocen bien las propiedades del terreno y se han hecho muchos tneles se han llegado a establecer unos umbrales prcticos de seguridad, como es el caso de Madrid (Cuadro 2). De hecho se disea para no rebasar tales valores. No obstante se trata de valores caractersticos que pueden no ser admisibles en algunos casos. CUADRO N 2.- Valores limites de movimientos propuestos en Madrid MAGNITUD Asiento mximo Distorsin angular Deformacin horizontal VALOR MAXIMO ADMISIBLE 15 mm 1/1000 0,001

En otras localidades se han rebajado estos umbrales. El problema es la aplicacin de estos criterios a un edificio concreto que puede tener un valor histrico especial o un estado de daos elevado. Esa funcin de susceptibilidad del edificio es muy difcil de establecer y por supuesto las previsiones estndar que se encuentran en muchos planes de auscultacin no son sino groseras aproximaciones. Los planos con edificios rojos, verdes y amarillos (en funcin de su riesgo o sensibilidad) tienen su inters pero nunca deben tomarse como algo riguroso, entre otras cosas, porque la informacin disponible sobre los edificios (estructura, cimentacin, daos, intervenciones, etc.) suele ser muy escasa, por muchas fotos que contengan los inventarios de edificaciones. La planificacin matemtica de decisiones (sistemas expertos) tiene sus riesgos ya que por mucho que se prevea, pesa mucho el factor personal. Lo ideal es que un experto riguroso pondere la situacin, independientemente del umbral establecido ms o menos arbitrariamente y adopte la decisin, a su juicio, ms correcta. Este procedimiento, hasta ahora con resultados ms o menos buenos, segn la calidad del experto, est en trance de desaparicin en Espaa. En otros pases desarrollados ya desapareci hace tiempo. El uso de los modelos tericos como referencia es aparentemente ms serio. Consiste en comparar las medidas con las predicciones de clculo como por ejemplo:

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Las deformadas de clculo vs. las deformadas inclinomtricas Las cubetas de subsidencia medidas y calculadas Las convergencias de tnel medidas y calculadas, etc.

Los modelos son necesarios para interpretar las medidas de algunos instrumentos como los que miden deformaciones (Trivec, extensmetro incremental, etc.) o desplazamientos en la masa del terreno (extensmetros, inclinmetros). Normalmente se utilizan programas tipo FLAC3D, PLAXIS, etc. donde la principal incertidumbre se deriva de la asignacin de parmetros geotcnicos de deformabilidad y resistencia. Quiz lo ms sencillo de ajustar sean las medidas de convergencias y subsidencia ya que se pueden elaborar modelos simplificados regulables por un solo parmetro. Mucho ms difcil es explicar las diferencias entre medidas y clculos en el caso de pantallas. Tambin ofrece considerable dificultad el ajuste de las medidas piezomtricas a los modelos hidrogeolgicos ya que habra que disponer de datos en un rea mucho ms extensa que la traza del tnel. Rara vez las modelizaciones del Proyecto coinciden con las secciones instrumentadas, siendo poco frecuente modelizar en obra para interpretar la auscultacin, por lo que se suele hacer una evaluacin a ojo. Ocasionalmente, no obstante, se hacen modelos especficos para algn tramo conflictivo. A veces, incluso, demasiados modelos como es el caso de la Sagrada Familia en Barcelona. La mejor alternativa sera tener en obra el modelo de clculo e irlo tarando con los resultados de las medidas. Esto es lo que propugna el denominado DEA (Diseo Estructural Activo), aunque no se puede hablar de aplicacin sistemtica de estos procedimientos. Sabemos que el ADIF est intentando integrar proyecto y auscultacin en algunos tneles importantes. La experiencia es algo muy denostado (por los que no la tienen) ya que (segn opinan) nada es comparable a un buen clculo por PLAXIS o FLAC. Adems hay que respetar los valores fijados en el Plan de Auscultacin (!). Desgraciadamente ni los modelos son perfectos ni las medidas son siempre fiables y alguien tiene que subsanar las inevitables carencias, con experiencia y sentido comn. Por muy bueno que sea un modelo es difcil disponer de datos espaciales de un proceso complejo como es la ejecucin de un tnel por lo que el experto debe ponderar conjuntamente las estimaciones del modelo, la calidad de las medidas, la evolucin previsible, las posibilidades de medidas correctoras, etc. y emitir un diagnstico o tomar una decisin. No conocemos ningn programa o modelo experto capaz de realizar esta labor. La pequea tragedia del da a da es que se tienen unas medidas de un proceso desconocido o al menos no experimentado previamente. Un caso especial es el de los tneles ejecutados con tuneladora. La auscultacin es la constatacin de una realidad inamovible. Las mquinas van tan deprisa que no cabe adoptar ninguna medida correctora sobre la marcha. Desde luego descartamos parar la mquina hasta que se nos ocurra algo y podamos realizarlo. Como mucho se puede comprobar que las cosas van mal y adoptar alguna medida a cierta distancia por delante, lo cual es muchas veces poco viable. Por otra parte los cambios de terreno y de entorno hacen que la experiencia de un tramo no sea directamente traspasable a otro de la misma obra. nicamente cuando se va acumulando suficiente experiencia en una determinada ciudad o tipo de terreno se pueden introducir acciones correctoras desde un principio, preferiblemente desde la fase de proyecto.

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El gran problema son los casos dudosos, donde las previsiones rozan los umbrales de peligro. La decisin de efectuar un tratamiento preventivo conlleva costes bastante elevados y siempre faltan datos para una evaluacin precisa del riesgo., por lo que, al final, solo queda el miedo o la experiencia de los obligados protagonistas. Actualmente se est trabajando en mtodos interactivos que podran tener algn futuro. Si se dispone de informacin continua computerizada de lo que est pasando en superficie es posible enviar mensajes al piloto de la tuneladora para que modifique las variables que estn en su mano como la presin en la cmara, la velocidad de rotacin, el empuje, etc. Tambin se podra controlar la presin del mortero o la inyeccin a travs del escudo. Es un camino bastante prometedor pero que nunca nos ahorrar la fase de aprendizaje y calibrado. Es evidente la dificultad de contemplar otras variables como la vulnerabilidad de los edificios o servicios adyacentes, cambios en la naturaleza del terreno, etc. Al no disponerse de modelos de estimacin de subsidencias suficientemente precisos el calibrado del sistema solo puede hacerse experimentalmente, por un proceso de prueba y error.

4. Presentacin de resultados Es el principal obstculo para una buena interpretacin. Desgraciadamente a cada experto le gustan las cosas de una manera, aunque las diferencias no son grandes. Cada empresa debera conocer los gustos ms frecuentes pero no se va creando un know-how al respecto. Cuando se consigue una presentacin adecuada hay que volverla a explicar e imponer en la obra siguiente ya que el tcnico auscultador de la obra anterior ya es jefe y no se ha molestado en ensear al novicio. Si alguna labor debe realizar AUSIGETI sera la de normalizar la presentacin de resultados. Habitualmente el auscultador mide y elabora un cuadro fechas-medidas y, si hay suerte, representa un grfico. El preferira un listado de EXCEL ya que da menos trabajo. En un tnel en mina, como mucho, se representa tambin la posicin del frente cada da y eso es todo. Rara vez se indica si estamos en avance o a seccin completa, a que distancia estaba la destroza, hasta donde se haba colocado el sostenimiento, etc. Si se trata de un tnel entre pantallas el problema es mayor ya que habra que saber, cada da las pantallas excavadas, hormigonadas, etc. en el entorno. Los grficos deberan sealar las actividades realizadas en cada fecha como la posicin del fondo de excavacin, el momento de ejecutar la losa de techo o los estampidores, etc. Las fechas, por s solas, estn bien para celebrar los cumpleaos pero no sirven de nada para interpretar una grfica de movimientos. Si se miden niveles piezomtricos es habitual no registrar la pluviometra. Unas veces se marcan profundidades de agua y otras cotas absolutas del nivel fretico. Si se trata de grietas o fisuras, rara vez se anotan las temperaturas. Cuando se miden convergencias siempre queda la duda de si se mueve la clave o los dos hastiales, o uno s y otro no. En las medidas inclinomtricas se confunden con frecuencia los ejes AA y BB o es imposible conocer su posicin respecto a la obra. No se ha conseguido aclarar el misterio de los inclinmetros que se mueven ms en el plano de las pantallas que perpendicularmente a las mismas. Ni el de la onda solitaria que aparece entre dos tramos inmviles. La interpretacin geotcnica de unas medidas es imposible de realizar sin conocer el corte del terreno y la posicin del nivel fretico. Es raro que dicho corte aparezca en los registros de medidas.

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Parece como si todo lo que no son medidas se saliera del contrato y posiblemente sea as, pero ya va siendo hora de exigir algo ms de elaboracin. Hay informes geotcnicos que describen los sondeos en forma literaria, otros presentan las columnas de sondeo con colores y resultados de ensayo y unos pocos llegan a dibujar cortes geotcnicos relacionando los sondeos entre s o dibujando plantas de isopacas, profundidades, etc. En este sentido es muy difcil interpretar las medidas piezomtricas sin un plano de isolneas o isopiezas, reflejando la obra y los puntos de medida. La interpretacin de un eventual efecto barrera exige elaborar perfiles piezomtricos aguas arriba y aguas debajo de la obra (lo cual no siempre est tan claro). No merece la pena seguir. Afortunadamente cuando se examina el informe peridico de auscultacin siempre hay mucha gente alrededor que va aclarando las circunstancias de la obra en cada momento. Cada informe va acompaado de sus exgetas. Rara vez se cumple la que podramos denominar regla de oro de la auscultacin: Que cada hoja de resultados contenga toda la informacin relevante (terreno, geometra, posicin, fechas, marcha de la obra en el entorno, etc.). Es decir, sea self-explaining. Si tenemos estos problemas con los mtodos tradicionales qu podemos esperar de los registradores continuos?. Suponemos que habr unas cmaras de video que tendremos que ir visionando al mismo tiempo que el registro, para interpretar ste. Lo malo es cuando suceden cosas no visibles, subterrneas, etc.

6. Conclusin Cada vez disponemos de mejores mtodos de anlisis y toma de datos, pero todava estamos lejos del diagnstico automtico y de la toma de decisiones por un ordenador.

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