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Especial Túneles y Obras Subterráneas
Diseño preliminar de las estructuras en mina del segmento sur de la Ontario Line
El segmento sur de la nueva línea de metro de Toronto–Ontario Line cruzará el centro de la ciudad mediante la excavación de dos túneles gemelos de 6 km de longitud y 6 estaciones en caverna que se ejecutarán en margas expansivas con altas tensiones horizontales y comportamiento anisotrópico. Este artículo describe el diseño preliminar de las estructuras en mina y la estrategia de modelización numérica para la estimación de desplazamientos y esfuerzos inducidos en estructuras existentes.
Palabras clave: SEM, cavernas, Metro, asientos, anisotropía, Toronto.
The south segment of the new Toronto–Ontario Line runs through the center of the city and comprises 6 km of twin running tunnels and 6 large span station caverns excavated in the Georgian Bay Formation, a massive shale with interbedded dolomitic siltstone, exhibiting challenging anisotropic behaviour and with high horizontal in-situ stresses and sub-horizontal bedding planes. This paper describes the numerical modelling for advanced preliminary design required to confirm proof-of-concept and potential impacts to existing adjacent structures.
Keywords: SEM, caverns, Metro, settlement, anisotropy, Toronto.
Enrique Alcanda Renquel
ICCP, CEng, Tunnel Engineer. Mott MacDonald Spain.
Carlos Herranz Calvo
ICCP, PE (California), PMP, Technical Principal. Mott MacDonald Spain.
David Taylor
Principal Project Manager. Mott MacDonald Canada.
El proyecto de construcción de la Ontario Line en Toronto, Canadá, comprende la ejecución de una nueva línea de metro de 16 km de longitud que conectará Exhibition Place con el vecindario de Flemingdon Park, mejorando la movilidad en el centro de la ciudad. Supondrá una reducción de los niveles de ocupación de las líneas existentes gracias a su conexión con las líneas 1 y 2 de la TTC, tres líneas de GO Transit y con la línea Engliton Crosstown.
El proyecto contempla la ejecución de 15 nuevas estaciones con estructuras en mina y cut-and-cover, así como la excavación de los túneles de línea, como se muestra en la imagen inferior.
Mott Macdonald forma parte del equipo de asesoría técnica para la administración (Metrolinx–Infraestructure Ontario IO) ofreciendo servicios de planificación, ingeniería medioambiental, diseño, desarrollo de especificaciones técnicas, supervisión de métodos constructivos así como servicios de puesta en marcha del proyecto.
La ejecución de los trabajos del segmento sur de la nueva línea, el cual incluye obra civil, estaciones y construcción del túnel, fue adjudicado en 2022 como concesión a la UTE formada por Ferrovial Construction Canadá Inc y VINCI Construction Grands Projects.
El presente artículo se centra en la descripción de los servicios prestados por la oficina de España de Mott Macdonald (MM), entre los que se incluye el diseño conceptual de las estaciones en caverna mediante el desarrollo de análisis de elementos finitos con el fin de estudiar la afección de los trabajos a estructuras subterráneas y superficiales existentes.
Planta general del proyecto
Geología y parámetros geotécnicos
La geología regional del proyecto en su segmento sur se caracteriza por la disposición de depósitos glaciares e interglaciares sobre una formación de rocas sedimentarias del Paleoceno, las margas de la bahía georgiana (Georgian Bay shales), donde tendrá lugar la excavación de todas las estructuras subterráneas.
Las margas de la bahía georgiana están compuestas por margas intercaladas con limos dolomíticos y, en menor medida, por roca caliza. En su franja superior, en torno a uno y tres metros de espesor, la roca se encuentra entre parcial y totalmente fragmentada.
En cuanto a su discontinuidad, la formación presenta familias de juntas horizontales (0º) y subverticales (70º-90º) que, junto con sus elevados ratios de tensiones horizontales in situ (σ hor/σ vert), demuestran un claro comportamiento anisótropo. La existencia de elevadas tensiones horizontales tiene su origen en periodos glaciares y en el comportamiento anisótropo de la tectónica regional.
Dicha anisotropía se refleja también en un comportamiento tenso-deformacional con elevados módulos de elasticidad horizontal en comparación con el vertical (Eh=3Ev)
Las margas de la bahía georgiana muestran además un comportamiento expansivo anisótropo dependiente del tiempo.
Modelización del comportamiento anisotrópico de las margas de la bahía georgiana
Los equipos de túneles y geotecnia colaboraron estrechamente en el desarrollo de modelos simplificados para validar los parámetros geotécnicos de diseño asegurando su compatibilidad con las tensiones existentes.
Las imágenes de la izquierda muestran las tensiones horizontales de la roca en proyecto, definiendo unos valores bajos, medios y altos recomendados por el equipo geotécnico.
El comportamiento anisótropo de la roca supuso un desafío para la obtención de resultados fiables de los modelos de elementos finitos. Los software comerciales disponibles incluyen varios modelos constitutivos para representar el comportamiento de los macizos rocosos y la interacción suelo-estructura, todos con sus ventajas y sus limitaciones.
Se estudió la representación de la roca mediante modelos continuos y discretos, considerando a su vez diferentes modelos constitutivos.
En los modelos continuos, descritos a continuación, las discontinuidades de la roca no están explícitamente representadas y el macizo rocoso se representa como un volumen continuo.
- Modelo continuo lineal de Mohr Coulomb (MC). La resistencia al corte del macizo rocoso es representada mediante el criterio de rotura de MC; cohesión “c” y ángulo de rozamiento φ.
- Modelo continuo no lineal de Hoek- Brown generalizado (GHB). Tanto la resistencia al corte como la resistencia a la tracción del macizo rocoso son representados en un modelo no-lineal.
- Modelo continuo Jointed Rock (JR). Modelo continuo que tiene en cuenta la anisotropía del material geológico mediante la definición de parámetros resistentes y rigideces en diferentes direcciones. Especialmente recomendado para la simulación del comportamiento de las rocas estratificadas.
Con los modelos discretos se pueden representar explícitamente las juntas de las rocas (orientación, espaciado, persistencia, desviación), así como definir los parámetros resistentes de cada familia de juntas con modelos lineales (MC) o no lineales (Barton- Bandis). Las rigideces al corte y normal de las juntas se pueden especificar en los modelos discretos y resultan imprescindibles para analizar las deformaciones. No todos los software comerciales cuentan con la posibilidad de usar modelos discretos para la representación de las juntas.
Las imágenes de las izquierda muestran una comparativa gráfica ente los modelos continuos GHB, JR y el modelo discreto (Discrete Fracture Network, DFN).
Diseño conceptual de las estructuras en mina
El segmento sur de la Ontario Line comprende múltiples estructuras en mina excavadas mediante SEM (Sequential Excavation Method), un término empleado en Norteamérica para designar el nuevo Método Austríaco o método de excavación secuencial. Incluye cinco estaciones en caverna y sus conexiones con los pozos de acceso en cut-and-cover, así como conexiones con los pozos de ventilación y salidas de emergencia. Además, las excavaciones de las estaciones de Corktown y Queen están proyectadas como una combinación de cut-and-cover y excavación en mina. El segmento sur también cuenta con tramos de túnel de línea que podrían ser ejecutados en mina y una caverna de cruce de vías.
La primera imagen que aparece en la página siguiente muestra la configuración de una típica estación en mina con conexiones a superficie a través de pozos verticales.
Geometría
La geometría de las estructuras en mina se determinó tanto por condicionantes de operación definidos por las distintas disciplinas como por hipótesis de construcción que deberán ser confirmadas por el contratista durante el diseño final. El diseño conceptual de cavernas de estación contempla una plataforma central de 10.3 m y cobertera reducida en roca sana. Las dimensiones de excavación son 21.7 m de ancho y 16.6 m de alto.
Diseño preliminar del sostenimiento
Si bien durante la fase preliminar de diseño se establecieron algunas directrices con el fin de determinar la viabilidad de las geometrías propuestas, tanto la secuencia de excavación de las cavernas como el diseño del sostenimiento serán responsabilidad del contratista, que deberá realizar un diseño de detalle de acuerdo con sus preferencias de excavación y sostenimiento.
El sostenimiento propuesto se compone de bulones, hormigón proyectado de fibras y cerchas reticulares para perfilado de la sección. Se prevé el empleo de paraguas de micropilotes para el inicio de las excavaciones en mina.
Se emplearon modelos continuos y discretos con el software Rocsience RS2 considerando diferentes estratigrafías e incluyendo análisis de sensibilidad con el objetivo de definir los limites superiores e inferiores.
Diseño preliminar del revestimiento
Para definir el espesor del revestimiento de hormigón y cuantías de armadura se desarrollaron modelos estructurales con muelles mediante el software Robot Structural, considerando el peso propio y los empujes horizontales y verticales, tanto del terreno como del agua. A su vez, se llevó a cabo un estudio seccional mediante el software Response 2000 cumpliendo los requerimientos del código canadiense Canadian Standard Association (CSA).
El contratista deberá considerar también en el diseño de detalle la expansividad de la roca y las cargas sísmicas y de fuego, así como cualquier carga derivada de los futuros desarrollos en superficie (Transit-Oriented Communities TOC).
Análisis del paso bajo el túnel de Enwave
Entre las estaciones de Osgoode y Queen, los túneles de línea pasarán bajo los túneles de Enwave a una distancia mínima de 2.2 m. Se trata de una infraestructura crítica para Toronto, ya que los túneles de la Enwave Energy Corporation transportan agua fría extraída del lago Ontario para la climatización de hospitales, centros de datos, centros educativos, así como edificios gubernamentales, comerciales y residenciales.
Mott MacDonald llevó a cabo un análisis preliminar del impacto de la construcción de los túneles de la Ontario Line en los túneles de Enwave, incluyendo un estudio de estabilidad global y una comprobación estructural de las tuberías metálicas de suministro de agua.
Para ello, se utilizó un modelo tridimensional de Plaxis con Jointed rock model.
Túnel existente de Enwave.
En la modelización de los túneles existentes de Enwave se incluyen las tuberías de acero, el canal central de drenaje y el relleno de hormigón de la mitad inferior de cada túnel, representado mediante un modelo constitutivo de hormigón de Plaxis que tiene en cuenta el comportamiento no lineal del hormigón.
Las verificaciones que se realizaron fueron las siguientes:
- deformaciones inducidas por la excavaciones de los túneles de Ontario line;
- análisis de tensiones en el recubrimiento de hormigón de las tuberías metálicas de Enwave; y
- pandeo en las tuberías metálicas de Enwave.
Los resultados en deformaciones inducidas en las tuberías resultaron ser menores que los límites impuestos por Enwave: 6 mm como límite de desplazamiento admisible y 0.34 de ángulo de rotación.
Las tensiones en el hormigón de recubrimiento de las tuberías en la zona superior y cerca del canal de drenaje central excedían sus capacidades a compresión y tracción. Se estudió por tanto la posible reducción del confinamiento de las tuberías en su parte superior que, en última instancia, podría conducir a un fallo por pandeo en las tuberías.
Los resultados de las presiones radiales del modelo de elementos finitos de Plaxis se usaron para estudiar el pandeo en las tuberías metálicas mediante soluciones analíticas en base al manual ASCE Steel Penstocks y con modelos estructurales de elementos finitos, todos ellos con resultados de factores de seguridad frente al pandeo aceptables.
Como comprobación adicional, se desarrolló un modelo de Plaxis 2D imponiendo una pérdida de resistencia del hormigón en la zona cercana al canal de drenaje (véase la imagen de la derecha) con su correspondiente redistribución de presiones radiales.
Como medida de mitigación dada la importancia de la operatividad de los túneles de Enwave, se propuso reforzar las capas de hormigón superior cerca del canal de drenaje con tres alternativas: placa metálica, capa de hormigón reforzado con fibras de polímeros sintéticos y una capa adicional de hormigón con mallazo. Se desarrollaron varios modelos de EF 2D con el fin de estudiar su efectividad para incrementar el confinamiento de las tuberías en su parte superior y, por tanto, aumentar su factor de seguridad frente al pandeo (véase tabla de la derecha).
Análisis de afección a las estaciones de la TTC en Osgoode y Queen
Las estaciones de Queen y Osgoode estarán conectadas con la línea 1, perteneciente a la comisión de tránsito de Toronto (Toronto Transit Commission TTC).
Mott MacDonald ha realizado un diseño conceptual de los pozos y las cavernas de estas estaciones con el fin de demostrar que los niveles de deformación y esfuerzos inducidos sobre las estaciones existentes están dentro de los requisitos impuestos por la TTC.
Los principales elementos estructurales incluidos en los modelos 3D de Plaxis son los siguientes:
- Línea 1 TTC existente (en Queen y Osgoode): está compuesta por módulos estructurales independientes conectados con juntas perimetrales de expansión, las cuales han sido modelizadas como elementos de conexión tipo custom, ofreciendo grados de libertad en todas las direcciones (rotación, traslación x, y, z).
- Pozos de excavación para las nuevas estaciones: la excavación se prevé que se realizará en el nivel de suelos con pantallas de pilotes secantes empotradas mínimo 2 m en la roca competente, puntales pretensados para controlar la deformación lateral y, una vez la excavación alcanza la roca, mediante bulones y hormigón proyectado.
- Caverna SEM: para las fases constructivas de la caverna (21.7 m x 16.5 m), se propone dividir la sección tipo en 9 subsecciones con un sostenimiento mediante bulones y hormigón proyectado.
La roca se representa con el modelo de Plaxis 3D Jointed Rock (véase tabla de abajo a la izquierda).
En la infografía de abajo se muestran las deformaciones y desplazamientos de los módulos de la línea 1 de la TTC frente a los requerimientos de niveles de revisión y alerta correspondientes. En dos de las juntas de expansión la previsión de los movimientos relativos entre módulos adyacentes exceden el nivel de revisión definidos por la TTC. Mott MacDonald recomendó analizar en profundidad medidas de mitigación en fases más avanzadas del proyecto, como el uso de placas metálicas para conectar módulos contiguos.
En esta fase se llevó a cabo también una comprobación estructural de los módulos de las estaciones existentes.
Para los módulos que mostraron potenciales deficiencias estructurales se considerarán medidas de refuerzo que deberán ser confirmadas e implementadas en las siguientes fases de diseño.
TTC Criterio de validación del nivel deformacional
Conclusiones
La nueva línea de metro de Toronto–Ontario Line mejorará significativamente la movilidad en el centro de la ciudad, reduciendo los niveles de ocupación de las líneas existentes, así como el tiempo de los trayectos gracias al mayor número de interconexiones.
El proyecto incluye estaciones en caverna de grandes dimensiones que serán excavadas en las margas de la bahía georgiana, caracterizadas por un claro comportamiento anisótropo con elevadas tensiones horizontales.
Dicho comportamiento anisótropo supone un desafío para la modelización numérica de la roca. Gracias a una estrecha colaboración entre los departamentos de Túneles y Geotécnica, se validaron los parámetros geotécnicos de diseño, comprobándose su compatibilidad con las altas tensiones existentes.
Algunos ejemplos de la compleja modelización del comportamiento de la roca y el análisis del impacto sobre estructuras existentes son el cruce con los túneles de la Enwave Energy Corporation, y la ejecución de las nuevas estaciones de Queen y Osgoode, por debajo de la línea 1 de la TTC, comprobando el cumplimiento de los límites impuestos por los propietarios de estas infraestructuras.