Monitoreo de los túneles sumergidos de Shanghái mediante partículas cósmicas
Los túneles sumergidos son estructuras especiales que permiten a las personas viajar de forma segura por debajo de ríos y otros cuerpos de agua. Los segmentos del túnel se bajan bajo el agua y se conectan entre sí; el primero de este tipo se construyó ya en 1893. En la actualidad, existen más de 200 de estos túneles en todo el mundo. Aunque son altamente eficaces, estos túneles se enfrentan constantemente a desafíos geotécnicos, acumulación de sedimentos, fluctuaciones del agua subterránea e influencias de las mareas, que pueden amenazar su estabilidad.
En Shanghái, la seguridad de los túneles sumergidos es especialmente importante. El río Huangpu, un afluente del Yangtsé, es vital para el desarrollo de la ciudad, y su dinámica influye directamente en la estabilidad de los túneles. Los ciclos de marea y los aportes de la cuenca del Taihu provocan cambios constantes en los sedimentos, lo que puede causar asentamientos y afectar la estructura del túnel. Por ello, el monitoreo y mantenimiento de la estabilidad de estos túneles requieren tecnologías modernas e inteligentes que operen de forma silenciosa y segura, sin interrumpir el tráfico ni poner en riesgo la infraestructura.
Supervisar estas estructuras no es fácil. Los métodos tradicionales, como la perforación de sondeos o el uso de sondas de sonar, pueden ser lentos, invasivos o incluso riesgosos, y a menudo requieren costosos cierres del túnel. Ahora, los científicos están recurriendo a enfoques innovadores y no invasivos que mantienen seguros estos túneles sin perturbar el flujo de la vida urbana. Todo esto fue explicado por científicos chinos, con Kim Siang Khaw como autor de correspondencia, en un nuevo estudio titulado “Towards Non-Invasive Sediment Monitoring Using Muography: A Pilot Run at the Shanghai Outer Ring Tunnel”. Kim Siang Khaw es profesor asistente en el Instituto Tsung-Dao Lee y en la Escuela de Física y Astronomía de la Universidad Jiao Tong de Shanghái.
Sin embargo, esto fue solo el comienzo, ya que el estudio pasó a explorar los muones.
El papel de las partículas cósmicas llamadas muones
La muografía, un método que utiliza partículas cósmicas llamadas muones, puede monitorear los sedimentos y los efectos de las mareas en túneles submarinos. Los muones se crean en la atmósfera cuando los rayos cósmicos procedentes del espacio chocan con moléculas del aire, produciendo partículas secundarias que llegan a la Tierra a gran velocidad. Debido a sus propiedades físicas, los muones pueden atravesar materiales densos como sedimentos, agua y hormigón.
Para poner esto en práctica, los científicos colocaron un detector portátil de muones en el Túnel del Anillo Exterior de Shanghái, bajo el río Huangpu. Esto les permitió rastrear cambios en el flujo de muones y compararlos con los niveles del agua, lo que hizo posible analizar los efectos de las mareas y el espesor de las capas de sedimento y hormigón situadas sobre el túnel. Las simulaciones por computadora confirmaron que la muografía detecta con precisión los cambios en los sedimentos y el agua, lo que demuestra que es un método fiable para el monitoreo en tiempo real y a largo plazo de túneles submarinos, sin necesidad de mediciones invasivas ni de dañar la infraestructura.
El estudio presenta un primer intento de utilizar la muografía como un método robusto para monitorear el espesor de los sedimentos y analizar las influencias de las mareas en el Túnel del Anillo Exterior de Shanghái. Al combinar el escaneo espacial con mediciones del flujo de muones en puntos fijos, se demuestra que el método es fiable para detectar variaciones en la sobrecarga en condiciones subterráneas complejas.
El estudio marca un hito significativo
¿Cómo surgió esta idea? Teniendo en cuenta los numerosos desastres relacionados con el clima, como las inundaciones, ¿cómo podría ayudar esta investigación en el futuro? ¿Qué le gustaría ver más en este ámbito?
Kim Siang Khaw: Este proyecto comenzó a partir de una discusión colaborativa entre nuestro instituto (Instituto Tsung-Dao Lee) y la Oficina de Planificación Urbana y Recursos Naturales de Shanghái. Durante estas conversaciones, la Oficina destacó los desafíos prácticos de monitorear la acumulación de sedimentos alrededor de infraestructuras críticas, como el Túnel del Anillo Exterior de Shanghái, sin provocar cierres disruptivos y costosos. Este problema del mundo real motivó directamente nuestra investigación.
Formamos un equipo dedicado e interdisciplinario para explorar soluciones, y este artículo publicado marca un hito importante derivado de esos estudios iniciales, al mostrar el potencial de un concepto desarrollado en la intersección entre la ciencia básica y las necesidades de la gestión urbana. En principio, este enfoque puede utilizarse para proporcionar alertas tempranas ante desastres como tsunamis, deslizamientos de tierra, entre otros. Un cambio repentino en el volumen de agua o suelo puede detectarse rápidamente en el monitor de flujo de muones. Estamos colaborando con geólogos en Shanghái para explorar aplicaciones adicionales de la muografía.
¿Qué tan importantes son factores como la humedad, la ubicación o la temperatura? ¿Influyen en la detección?
Kim Siang Khaw: El flujo de muones puede verse influido por las condiciones de la atmósfera superior, como la presión del aire y la temperatura. Podemos tener en cuenta esta variación del flujo de muones instalando otro detector a nivel del mar como medición de referencia. En cuanto al funcionamiento del detector, nuestros dispositivos no se ven significativamente afectados por la humedad siempre que los componentes electrónicos estén encerrados en una carcasa protectora. La temperatura del dispositivo también puede estabilizarse si es necesario; sin embargo, en la mayoría de los túneles submarinos las temperaturas se mantienen relativamente estables. En cuanto a la ubicación, el detector puede colocarse en cualquier lugar, incluso a 1000 metros bajo tierra (con un flujo menor, por supuesto).
Es fundamental desarrollar sistemas avanzados y no invasivos para monitorear la integridad de estas estructuras subterráneas y garantizar la seguridad
¿Por qué eligieron Shanghái y qué ofrece específicamente la ciudad para este tipo de investigación? ¿Hay otros lugares donde les gustaría llevar a cabo este trabajo?
Kim Siang Khaw: Las técnicas de muografía se han utilizado ampliamente en arqueología y en estudios volcánicos, pero su uso en entornos urbanos sigue siendo limitado. En Shanghái, una ciudad con una población densa, los espacios subterráneos están creciendo rápidamente y se utilizan cada vez más. Por lo tanto, es esencial desarrollar sistemas avanzados y no invasivos para monitorear la integridad de estas estructuras subterráneas y garantizar la seguridad. Planeamos aplicar técnicas de muografía en Shanghái también para otros fines, como la detección de formaciones kársticas profundas y el apoyo a proyectos de ingeniería civil. Una vez completadas las pruebas de viabilidad, estos métodos podrán adaptarse para su uso en otras ciudades de China o a nivel global.
Los muones fueron descubiertos por Carl D. Anderson y Seth Neddermeyer en Caltech en 1936. Hoy en día, estas partículas cósmicas se utilizan en la muografía para monitorear la acumulación de sedimentos y los cambios estructurales en los túneles sumergidos de Shanghái. Si bien este estudio representa una aplicación preliminar, demuestra el potencial del monitoreo no invasivo y en tiempo real para mejorar la seguridad de los túneles al ofrecer alertas tempranas y orientar las labores de mantenimiento.
