LLa existencia de discontinuidades oaccidentes puntuales del terreno,en el entorno de las zonas de apo-yo de diversas estructuras de las

obras públicas, representa un grave proble-ma de indudable importancia respecto a lafutura estabilidad de tales estructuras. Algu-nos de estos accidentes, por sus limitadasdimensiones, son muy difíciles de detectary caracterizar mediante sondeos debido alcarácter puntual de los datos obtenidos de laperforación, aún en el caso de que estossondeos se distribuyan en una malla muycerrada.

Existen métodos geofísicos, englobadosbajo la denominación genérica de Tomogra-fía cross-hole,capaces de estudiar y carac-terizar el medio rocoso situado entre dossondeos, mediante medidas de algún pará-metro físico característico del terreno reali-zadas a lo largo de ellos; identificando acci-dentes tales como huecos, zonas karstificadas,fallas y contactos entre unidades litológicascon diferentes características geotécnicas.

En este artículo se describen brevementelos fundamentos y el procedimiento de apli-cación del método de la Tomografía sísmicacross-hole,incluyendo algunos ejemplos deestudios realizados por los autores durantelos últimos meses. Consideramos que los re-feridos ejemplos son suficientemente explí-

citos como para que los lectores puedan va-lorar objetivamente el interés del método dela Tomografía sísmica cross-hole. Dejamosconstancia al respecto de que una gran partede estos resultados han sido contrastados deforma satisfactoria mediante sondeos.

Se pretende dar a este artículo un marcadocarácter práctico, esperando que pueda serde alguna utilidad a los técnicos involucradosde algún modo en los proyectos constructi-vos y en la propia ejecución de las obras deinfraestructura, que se desarrollan actual-mente en nuestro país. Es de interés que co-nozcan las posibilidades y conveniencia deempleo de esta herramienta geofísica, y na-da mejor para ello que poder dar un vistazoa los resultados de estudios reales, algunosde los cuales pudieran presentar semejanzascon los problemas a los que ellos se enfrentan.

Desde esta idea se reducirán al mínimolas explicaciones de los aspectos teóricos delmétodo, señalando con mayor detalle los as-pectos operativos y aumentado el númerode ejemplos.

El método de la tomografíasísmica Cross-Hole

En su sentido más amplio, un estudio to-mográfico cross-holeconsiste en determinar

de forma detallada la distribución de un de-terminado parámetro del terreno en el espa-cio comprendido entre dos sondeos situa-dos relativamente próximos entre sí. Entrelos diversos parámetros físicos del terrenouno de los más significativos en el ámbitode las aplicaciones geotécnicas es la veloci-dad de transmisión de las ondas de compre-sión(Vp) a través del mismo. Su importan-cia en relación con los estudios geotécnicosradica en que los valores de este parámetrodependen del grado de compacidad e inte-gridad de los materiales y, por lo tanto, es-tán directamente relacionados con la calidaddel macizo rocoso.

La representatividad y significado de lavelocidad de transmisión de las ondas decizalla (Vs) es semejante y, de hecho, tam-bién pueden hacerse estudios tomográficosbasados en ellas. Por razones de sencilleztodos los comentarios en este artículo de re-ferirán exclusivamente a las ondas de com-presión.

Las posibles heterogeneidades puntualesdel terreno, tales como zona de falla, relle-nos, cavidades y contactos entre unidadeslitológicas, representan contrastes notablesen la distribución de los valores de Vp delmedio rocoso y, por lo tanto, son suscepti-bles de detección y caracterización a partirde las medidas de Vp convenientemente re-

GEOFÍSICA

Ángel GRANDA SANZy José Carlos CAMBERO CALZADA. Ingenieros de Minas. IGT, S.L. Palabras clave: HUECO, INVERSIÓN, KARSTIFICA-CIÓN, SPARKER, TOMOGRAFÍA, TOMOGRAMA,ZONAS DE APOYO DE ESTRUCTURAS.

El presente artículo reivindica el protagonismo del método geofísico de la Tomografía sísmicacross-hole para el estudio detallado del subsuelo con el objetivo de detectar accidentes talescomo huecos o fallas en puntos concretos especialmente relevantes para las obras públicas,como son las zonas de apoyo de estructuras. Junto con una breve descripción de losaspectos operativos de este método geofísico se presentan varios ejemplos de aplicacionesdonde los resultados obtenidos han cubierto los objetivos de forma precisa.

El método de la Tomografía sísmica cross-hole para el estudio detallado del subsuelo

En zonas de apoyo de estructuras de las obras públicas

alizadas entre sondeos, o entre éstos y lasuperficie del terreno (técnica down-hole).

La mayor parte de los problemas en losque resulta inmediata la utilidad del méto-do aquí comentado, se presentan asociadosa los procesos de karstificación de los ma-cizos rocosos.

En términos generales, una zona karstifi-cada representa un ámbito puntual o de di-mensiones finitas que se caracteriza, entreotras cosas, por una velocidad de propaga-ción de las ondas sísmicas con valores muyinferiores a los de la roca sana, tanto si lakarstificación implica la existencia de huecosvacíos o llenos de agua, como si se limita auna red de conductos, incluso colmatadosde arcilla.

Ejecución de las medidasPara la ejecución de un estudio mediante

tomografía sísmica cross-holese requiereun mínimo de dos sondeos, si bien, para elreconocimiento detallado de un determina-do espacio rocoso es conveniente efectuarlas medidas entre diversas parejas de son-deos que definan secciones en las direccio-nes de mayor interés para cada caso.

En esencia, la ejecución de estas medidasrequiere emplazar en uno de los sondeos unaserie de sensores (hidrófonos) regularmen-te espaciados y cubriendo en exceso todo elrango de profundidad que se pretende reco-nocer. Mediante estos sensores, se registrala señal sísmica producida en un determi-nado punto del segundo sondeo empleandosistemas capaces de generar específica-mente ondas de compresión, o de cizalla siel estudio se hiciera determinando la distri-bución de Vs.

Una vez registrada la señal sísmica parauna determinada posición del punto de se-ñal localizado en uno de los sondeos y delos sensores que se mantienen fijos en elsegundo sondeo durante todo el proceso, sedesplaza aquél a lo largo del primer sondeohasta una nueva posición y se repite el pro-ceso de registro con todos los sensores quepermanecen en la misma posición, hasta queel punto de señal recorre completamente elsondeo donde se sitúa.

Dependiendo del grado de resolución re-querido en cada caso se establece el espa-ciado entre sensores y entre puntos de señalque suele ser el mismo en ambos sondeos.Es habitual operar con espaciados del ordende un metro o a veces inferior cuando se re-quiere obtener resultados con el mayor gra-do de detalle posible. De la simple observa-ción de los esquemas relativos a esta formade realizar las medidas, tal como se presen-tan en la Fig. 1, se deducen dos aspectos bá-sicos de este método geofísico.

a) La multiplicidad de las posibles trayec-torias definidas por las diversas com-binaciones punto de tiro-sensor queatraviesan cada elemento puntual delespacio comprendido entre los dos son-deos hace que el muestreo de tal espa-cio sea exhaustivo.

b) La reducción de la cobertura de datoshacia los extremos superior e inferiorde la sección definida por los dos son-deos aconseja que éstos se perforenhasta una profundidad que sobrepaseconvenientemente la zona de estudiopropiamente dicha.

La bondad y representatividad de los re-sultados de estos estudios depende de laprecisa determinación de la distancia puntode tiro-sensor para todas sus múltiples com-binaciones, y también de la exactitud conque se calculen los tiempos de tránsito delas ondas de compresión entre ellos. El pri-mer condicionante implica conocer con de-talle la distancia entre sondeos y la posibleinclinación de cada uno de ellos.

Por su parte, la determinación precisa delos tiempos de las primeras llegadas paracualquier combinación entre puntos de tiroy sensores requiere como mínimo dos co-sas: el empleo de un sismógrafo con alta ca-pacidad de muestreo y un control rigurosodel tiempo cero mediante el empleo de unsistema electrónico como fuente de señal.

En este sentido, la fuente de señal másrecomendable en nuestra opinión es la queopera mediante una intensa descarga eléc-trica (5.000 V, 1.200 A) entre dos electro-dos situados en la parte inferior de una sondaespecial (sparker)conectada a un sistemagenerador de impulsos eléctricos de altaenergía. Esta fuerte descarga produce una

vaporización instantánea del agua entre losdos electrodos citados generando una bur-buja de vapor que se expande a alta presión,dando lugar así a una onda de compresiónque se transmite por el macizo rocoso.

Este procedimiento exige que los sondeosestén llenos de agua durante las medidas, locual requiere entubarlos y cementarlos co-rrectamente con PVC cuando la sección aestudiar se localiza por encima del nivel es-tático. La cementación de la tubería de PVCes un factor determinante de la calidad delos registros que se ven muy afectados porla existencia de posibles huecos entre la tu-bería y la pared del sondeo cuando la ce-mentación de la tubería de PVC es defec-tuosa.

Procesado de los datos.

El procesado de los datos se ilustra deforma esquemática mediante la Fig. 2. Laprimera parte del proceso consiste en laidentificación en los registros sísmicos delas primeras llegadas de las ondas de com-presión a cada sensor y para cada punto deseñal, determinando el tiempo invertido encada caso. Para el cálculo de la velocidadde transmisión de la señal sísmica a partirde estos tiempos, hay que determinar tam-bién de forma precisa las distancias entrecada punto de señal y cada sensor. La pre-cisión de estas distancias es un factor im-portante del proceso que requiere, cuandolos sondeos son de cierta longitud, la reali-zación previa de medidas de verticalidad/desviación en cada uno de ellos.

Téngase en cuenta que habitualmente lasdistancias entre sondeos son relativamentepequeñas, y cualquier error en la determi-nación de las distancias punto de señal-sen-

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Fig.1.- Esquema explicativo de las medidas de Tomografía sísmica cross-hole.

sor puede llevar a errores en los valores me-dios de Vp calculados a partir de estos da-tos, aunque ello no llegaría a producir enningún caso anomalías puntuales que pu-dieran confundirse con las originadas porposibles accidentes kársticos.

Una vez cubierta la etapa de identifica-ción de las primeras llegadas de las ondasP, determinando los tiempos y las distan-cias entre cada punto de tiro y cada sensor,la fase fundamental del proceso es la inver-sión de estos datos para determinar el valorde Vp en cada celdilla de la sección del te-rreno comprendida entre los dos sondeos.Se trata de una proceso complejo en térmi-nos matemáticos que se considera innece-sario describir aquí.

El resultado final del estudio es una sección

definida entre los dos sondeos empleadospara las medidas, con la distribución deta-llada de los valores de Vp. En esta sección,resulta inmediata la identificación de acci-dentes puntuales del terreno que, en el casode zonas de falla o zonas karstificadas, secaracterizarán por valores de Vp notable-mente más bajos que los correspondientesa las zonas sanas del macizo rocoso.

Es importante dejar constancia en estepunto de que los tomogramas así obtenidos,constituyen un documento muy representa-tivo de las características geotécnicas delmacizo rocoso estudiado, porque son el re-sultado de un proceso en el que intervieneun elevado número de datos interrelaciona-dos entre sí, de modo tal que la solución delproceso de inversión es la mejor de las po-

sibles para todos los condicionantes queimplican los datos correspondientes a lasmúltiples combinaciones señal/sensor con-sideradas.

Algunos ejemplos representativos

Generalmente los estudios mediante To-mografía sísmica cross-holese plantean parael reconocimiento de zonas concretas, talescomo, por ejemplo, el terreno localizado enel entorno bajo la zapata de una pila de unviaducto. Esta es una de las aplicaciones máshabituales de este método geofísico, perosin olvidar sus posibilidades de empleo encualquier reconocimiento detallado de zonasconcretas de los macizos rocosos, especial-mente interesantes respecto a las obras queen ellos pueden realizarse.

En estas circunstancias, la distancia entrelos sondeos de cada pareja empleados paralas medidas suele oscilar entre 10 y 20 me-tros. El límite superior no viene impuestopor la instrumentación, ya que la señal ge-nerada por el sparkerpuede registrarse fia-blemente a distancias de varias decenas demetros, sino por el hecho de que la capaci-dad resolutiva del método se reduce al au-mentar la separación entre sondeos.

En otros casos, más que para detectaraccidentes puntuales del subsuelo, estos es-tudios se realizan pora obtener una infor-mación general respecto a las condicionesgeotécnicas del macizo rocoso y, en conse-cuencia, la distancia entre sondeos se am-plía considerablemente y puede llegar aser del orden de 100 m o incluso mayor.

Ejemplo nº 1. Identificación de una zonade falla y una probable cavidad kársticaen la zona de apoyo de la zapata de unviaducto

La decisión de llevar a cabo este recono-cimiento vino motivada por el hecho deque uno de los sondeos perforados para elreconocimiento del terreno en la zona de lazapata en cuestión intersectó un hueco dedimensiones métricas a unos 10-12 metrosde profundidad, mientras que en otros son-deos próximos solamente atravesaron cali-zas sanas. Obviamente, con este estudio setrataba de determinar la entidad del huecoy su probable continuidad lateral.

El reconocimiento detallado de esta zonase llevó a cabo perforando cuatro sondeos,distribuidos en la proximidad de cada es-quina de la zapata, y midiendo entre los dossituados en los extremos de cada diagonal.Como ejemplo de los resultados obtenidos,se presenta el tomograma de la Fig. 3, en el

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Fig. 2.- Explicación del procesado de los datos de un estudio mediante Tomografíasísmica cross-hole.

que claramente puede observarse,no solamente una zona de frac-tura que recorre diagonalmentela sección definida por los dossondeos, sino también una pro-bable oquedad localizada entre10-12 m de profundidad, asociadaa la fractura antes mencionada.

Otros tomogramas obtenidosmediante medidas realizadas enotros sondeos perforados en elentorno de la zapata, han permi-tido determinar la continuidad dela zona karstificada. Nos limita-remos a presentar el ejemplo dela Fig. 3, porque es uno de lostomogramas más representativosdel estudio, excusándonos de de-jar aquí constancia detallada delconjunto de los resultados.

Ejemplo nº 2. Estudio de lakarstificación en un substratocarbonatado situado bajo un potente recubrimiento aluvial

En este caso, el problema surgió cuandose intersectó una zona con oquedades kárs-ticas al construir los pilotes donde apoya-rán las zapatas de un viaducto de doble ta-blero. Estos pilotes se apoyan, a su vez, enuna formación de calizas karstificadas lo-calizada a una profundidad variable entre10 y 30 metros en el ámbito de la obra. Lasreferidas calizas se sitúan bajo un tramomargoso con una potencia media de 10 me-tros recubierto a su vez por una formaciónaluvial que llega a sobrepasar los 20 metrosde espesor en algunos puntos.

En la Fig. 4 se presentan algunos resul-tados parciales de este reconocimiento enforma de un bloque tridimensional, confor-mado al agrupar convenientemente los to-mogramas de varias parejas de sondeos.Esta forma de presentación de los resulta-dos permite una fácil visualización de laszonas karstificadas dentro del sustrato cali-zo situado en la proximidad de las zonas deapoyo de dos de las pilas. Frente a la rocasana, caracterizada por valores de Vp supe-riores a 4.000 m/s, las zonas karstificadaspresentan valores de Vp inferiores a 2.500m/s, o incluso a 2.000 m/s.

Al margen de este aspecto principal delos resultados del estudio, llamamos la aten-ción respecto a la forma en que se diferen-cian en los tomogramas tanto el aluvial co-mo la formación margosa situada al techode las calizas karstificadas, debido al dife-rente grado de consolidación de ambas uni-dades geológicas respecto a las calizas sa-nas. El aluvial queda caracterizado por va-

lores de Vp menores de 2.000 m/s, mientrasque la formación margosa presenta valoresvariables entre 2.000 y 3.000 m/s.

Ejemplo nº 3. Reconocimientode la traza de un túnel entredos sondeos situados a una dis-tancia de 100 metros.

El macizo rocoso correspon-diente a este ejemplo está consti-tuído por cuarcitas y esquistos concaracterísticas geotécnicas muydiferentes, ya que las cuarcitaspresentan bajo grado de fractura-ción y los esquisto están notable-mente alterados.

En la zona comprendida entrelos dos sondeos A y B, resultabamuy problemático completar elreconocimiento geotécnico de latraza mediante sondeos por tra-tarse de una zona urbana. Con elobjetivo de determinar, con la ma-yor precisión posible, el tipo demateriales en que se habría de ex-cavar el túnel se decidió efectuar

un estudio mediante Tomografía sísmicacross-hole entre los dos sondeos menciona-dos, obteniéndose los resultados que se pre-sentan en la Fig. 5.

En este tomograma puede apreciarse co-mo los primeros 50 m del trazado son pro-

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Fig. 3.- Ejemplo nº 1. Detección ycaracterización de una zona de falla y

una oquedad kárstica en calizas.

Fig. 4.- Ejemplo nº 2. Estudio de unaformación de calizas karstificadassituadas bajo la zona de apoyode dos pilas de un viaducto.

blemáticos porque la clave del túnel se sitúamuy próxima a un nivel de esquistos que, porsus bajos valores de Vp, pueden considerar-se de características geotécnicas mediocres.

Es evidente el interés de la informaciónobtenida de este estudio geofísico, porquepermite una correcta planificación de lostrabajos de excavación del túnel, mejor entodo caso que si únicamente se hubiera con-tado con los datos de los dos sondeos entrelos que se han hecho las medidas sísmicas.

Conclusión Por el escaso tiempo disponible para la

preparación de este artículo, y por la nece-saria limitación que a su extensión imponeel hecho de que este número de INGEO-PRESestaba prácticamente en proceso deimpresión cuando se decidió su elabora-ción, es natural que algunos aspectos no sehayan tratado con el detalle que el tema re-quiere. Sin que esta disculpa excuse todas

las carencias de este trabajo, esperamos noobstante que hayamos cubierto nuestro ob-jetivo principal, que es suscitar en algunoslectores interés por el método geofísico dela Tomografía sísmica cross-hole, que in-dudablemente lo tiene, contribuyendo entodo caso a su divulgación.

Bibliografía

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Fig.5.- Ejemplo nº 3.- Estudio de la traza de un túnel.

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