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Especial Túneles y Obras Subterráneas
Innovaciones y retos en la construcción de los túneles de servicio en la estación de Euston
Benjamin Lafarga
Innovaciones y retos en la construcción de los túneles de servicio en la estación de Euston.
Christoph Eberle
Innovaciones y retos en la construcción de los túneles de servicio en la estación de Euston
Dimitrios Litsas
Innovaciones y retos en la construcción de los túneles de servicio en la estación de Euston
Este artículo describe los retos e innovaciones en el diseño de una serie de túneles en mina que permitirán avanzar en la construcción de la ampliación de la estación de Euston motivada por la nueva línea de alta velocidad High Speed 2 (HS2). El proyecto consiste en el diseño y la construcción de un pozo temporal, dos túneles de hormigón proyectado (SCL) y sus conexiones a la infraestructura existente y en explotación del metro de Londres. La secuencia de construcción de la ampliación de la estación y su desarrollo urbanístico resulta en la necesitad de diseñar parte de los túneles para unas condiciones de carga y descarga muy relevantes. Las conexiones a la infraestructura existente, de 100 años de antigüedad y compuesta por elementos de hierro fundido, añadió complejidad al diseño. Finalmente, este artículo describe las ventajas que ofrece la aplicación del diseño paramétrico desde la fase conceptual al diseño de detalle.
Palabras clave: HS2; SCL; metro de Londres; diseño paramétrico.
This paper describes the innovations and challenges faced in the detailed design of a set of mined tunnels which are part of the enabling works for the High Speed 2 (HS2) Euston Station in central London. The project encompassed the design of a temporary shaft, two sprayed concrete lining (SCL) tunnels as well as the connections to old existing London Underground (LU) assets. The construction sequence of the project, involving the excavation, construction of the Euston Station box and associated oversite development, led to challenging unloading and reloading load combinations. The new connection to the more than 100 years old cast iron LU existing assets added further complexity to the design requirements. This article describes the main design decisions and offers insights into application of parametric modelling within the context of a detailed design project.
Keywords: HS2; SCL; London Underground; parametric modelling.
Este proyecto consiste en la construcción de una nueva subestación eléctrica de tracción y ventilación, así como otros servicios para el metro de Londres en la estación existente de Euston. Mott MacDonald ha liderado el diseño de detalle y apoyo a la construcción llevada a cabo por la U.T.E. formada por Mace y Dragados.
La estación de Euston será ampliada para operar como estación terminal de la nueva línea de alta velocidad HS2 (High Speed 2) en el corazón de Londres, conectando la capital con el norte del país. Para ello es necesario reconfigurar y liberar la zona adyacente a la actual estación (véase imagen de abajo).
En esta zona se encuentra actualmente un edificio que proporciona diversos servicios a las líneas Victoria y Northern del metro de Londres. Esos servicios conectan el edificio con los túneles del metro mediante una serie de pozos y galerías, la mayoría de los cuales tiene aproximadamente cien años de antigüedad.
Para poder liberar la zona y comenzar la excavación y construcción de la ampliación de la estación de Euston, es necesario demoler todas las edificaciones existentes. Para no afectar el servicio de las líneas existentes el nuevo edificio se situará fuera de la zona de ampliación. La conexión entre el nuevo edificio y las galerías subterráneas existentes se realizará mediante excavaciones en mina. Esta fue la opción escogida a fin de poder desacoplar la construcción de estas conexiones con la ampliación de la estación, frente a una opción en cut-and-cover que hubiera requerido una coordinación de actividades más compleja.
Los nuevos túneles están situados entre capas de la formación Arcilla de Londres (London clay) y elementos cohesivos del grupo Lambeth (Lambeth group) a aproximadamente 20 metros de profundidad. Aunque ambos estratos muestran una excelente estabilidad a corto plazo facilitando la excavación, existía el riesgo de encontrar capas arenosas con una alta presión intersticial en el grupo Lambeth. La gestión y mitigación de este riesgo requie- re una planificación adecuada tanto durante el diseño como durante la excavación.
Los elementos que constituyen la nueva infraestructura para conectar el nuevo edificio con las galerías existentes se resumen en el siguiente plano de planta (véase imagen abajo) y se describen a continuación:
- Dos túneles de 6 m de diámetro interior de media con sostenimiento de hormigón proyectado con fibras y un revestimiento de hormigón in situ y membrana de impermeabilización entre ellos. Los túneles, de 25 y 80 metros de longitud respectivamente, albergan un muro intermedio para separar la zona de ventilación de la zona de sistemas y otros servicios.
- Un pozo temporal por el que comenzará la excavación de ambos túneles. El pozo se compone de anillos de 8 m de diámetro de dovelas de hormigón con fibras en los primeros 10 metros de excavación (construido mediante el método caisson y así salvar los estratos permeables superficiales) para después incrementar el diámetro a 10.5 m hasta una profundidad de 21 m. Este segundo tramo se ejecutó con hormigón proyectado con fibras y excavación mecánica aprovechando la impermeabilidad del estrato en el que se excava (formación Arcilla de Londres).
- Dos conexiones cortas (diámetro circular 4.5 m) que conectan los nuevos túneles con las galerías existentes.
Al tratarse de una nueva infraestructura de geometría compleja en pleno centro de Londres, la planificación, diseño y construcción supusieron un gran reto de coordinación con todas las partes implicadas: propietarios de infraestructura existente y de HS2, servicios, tráfico, logística, diseñadores y constructora. Reunir todos los condicionantes desde una fase temprana es esencial para una adecuada selección de la solución de diseño y medios de ejecución, teniendo en cuenta la sostenibilidad y los factores constructivos y administrativos, entre otros. De la misma manera, la coordinación con el diseño de la estación de Euston HS2 fue esencial debido a su cimentación con losa de fondo y pilotes situados a una distancia mínima de 1.5 m del túnel.
Retos en el diseño
Los túneles en su fase de servicio y una vez ejecutada la ampliación de la estación de Euston se encontrarán inmediatamente debajo del sótano de la nueva estación tal y como se puede observar en la (véase la infografía de arriba). Eso significa que más de la mitad del trazado de los túneles de conexión se verán sujetos a diversos escenarios de carga, ya que deberán
estar ejecutados y en servicio antes del comienzo de la excavación del sótano de la estación, construcción de la estación y posterior construcción de un desarrollo urbanístico.
Esto generará unas significativas fluctuaciones en las tensiones del terreno, desde un ciclo de descarga (excavación de 13 metros de profundidad desde superficie dejando un mínimo de 1 metro de cobertera con la coro- na del túnel) a un ciclo de carga donde se es- pera un edificio de entre 15 a 20 plantas (por confirmar). En cambio, otra sección del túnel no se encuentra afectada al estar situada fuera de la planta de la estación.
Para analizar las diferentes secuencias de carga y descarga del túnel durante su vida útil, se desarrollaron modelos de elementos finitos con Plaxis donde se emplearon modelos constitutivos tipo Cam-Clay para los estratos arcillosos.
El sostenimiento del túnel se modeló con un material eslastoplástico Mohr-Coulomb. Este sostenimiento de 200 mm de hormigón proyectado reforzado con fibras se diseñó exclusivamente para resistir las cargas a corto plazo y sin drenaje.
El revestimiento de hormigón armado in situ es el encargado de resistir las cargas del terreno a largo plazo y también las variaciones en las tensiones del terreno en los procesos de carga y descarga. Debido a esto, el revestimiento permanente alcanza un es- pesor de 475 mm y requirió un importante y singular armado con barras de hasta 32 mm de diámetro.
A pesar de que se exploró la posibilidad de considerar sostenimiento y revestimiento funcionando de manera híbrida o compuesta con la colaboración del primero a largo plazo, no fue posible cuantificar de manera fiable este efecto debido a la existencia de la membrana de impermeabilización y la secuencia de carga y descarga. Ambos elementos fueron analizados de forma independiente con unas condiciones de interfase y adherencia limitadas en los modelos numéricos.
Debido a la diferencia sustancial en la deformación del túnel a lo largo de su trazado se tuvo que dotar de juntas para desligar los movimientos verticales entre las zonas sometidas a los procesos de carga-descarga y las que no lo están y en la transición túnel-pozo (véase imagen de la izquierda). Para esto se contó con la colaboración de la compañía Sika, que colaboró en el diseño e instalación de juntas circunferenciales especiales cada 10 metros que permitían movimientos relativos de entre 20 y 30 mm. Estas juntas permitían mantener los requerimientos de estanqueidad del túnel a su vez que evitaban importantes esfuerzos asociados a movimientos diferenciales.
Dos galerías de conexión conectan el nuevo túnel con las galerías existentes. La conexión para sistemas se ejecuta desde el nuevo túnel mediante el sistema parent-child (véase la parte izquierda de la imagen 1), es decir comenzando la excavación desde el túnel, demoliendo el sostenimiento y excavando a 90 grados hasta llegar a un pozo existente en el que hay que abrir su revestimiento, en este caso de hierro fundido (cast iron), un solución muy típica en Londres para estructuras de esa época.
La conexión para la ventilación, por otra parte, se consigue mediante una galería en mina de trazado curvo, comenzando desde el muro de cierre del nuevo túnel (al fondo en la imagen 1) y conectando con una galería también de hierro fundido que acaba en un muro de cierre existente de hormigón.
La conexión en ambos casos implica la demolición o modificación de elementos estructurales existentes.
Los mayores retos para el diseño de estas conexiones fueron:
- Fiabilidad de la información existente. La existencia de planos de principios del siglo XX proporcionados y de un escáner 3D de las galerías existentes fueron muy útiles para la planificación y diseño en sus primeras fases; sin embargo, cierta información no visible requirió ser confirmada mediante extracción de probetas (como, por ejemplo, la confirmación del espesor de muros y el número de anillos de acero embebidos en el hormigón) mientras que con frecuencia los planos no reflejaban el estado final tras ser construidos.
Estabilidad y durabilidad de la infraestructura existente.
Demostrar el cumplimiento con la vida útil y los requerimientos del proyecto (como la estanqueidad) para conexiones que incorporan elementos nuevos y existentes. Debido a ello, se propuso una serie de investigaciones con métodos no destructivos y destructivos a fin de obtener toda la información necesaria para elaborar el diseño de detalle.
Estas investigaciones pusieron de manifiesto un alto nivel de corrosión en algunas partes expuestas del revestimiento (como se puede observar en la imagen 3). Por ello, y porque esa estructura no estaba preparada para albergar una abertura como la que se requería, hubo que diseñar un nuevo revestimiento de hormigón.
La conexión para la sección de ventilación con la galería existente (véase la imagen 2) se diseñó como un collar de hormigón abrazando el revestimiento de hierro fundido existente. Este diseño supuso un reto geométrico, ya que, a pesar de la información de planos e investigaciones adicionales, la conexión se ejecutaría sobre elementos ocultos y de estado desconocido y requirió un complejo detalle de impermeabilización para asegurar la estanqueidad de la conexión. En las siguientes imágenes se observan los trabajos de demolición y de conexión entre la galería existente y la nueva infraestructura.
Diseño paramétrico
Para este proyecto se ha utilizado, por primera vez en el Departamento de Túneles de Mott MacDonald y en la fase de diseño de detalle, un sistema de diseño paramétrico.
La mayor innovación y ventaja de esta metodología consiste en diseñar a partir de parámetros fácilmente identificables que definen todo el diseño. Esta es la «única fuente» (single source of truth) que proporciona un proceso mucho más robusto y simplificado de seguridad donde la verificación y validación de los cambios se reduce así como el tiempo de chequeo del modelo y el riesgo remanente de errores.
Esta metodología ha sido aplicada durante todas las fases del proyecto, desde la determinación de la geometría del pozo, los túneles y las conexiones hasta las últimas modificaciones en fase constructiva y la exportación de la geometría a los modelos estructurales. Debido a los potenciales cambios requeridos por las numerosas incertidumbres con las que había que lidiar durante el diseño, con un programa muy ajustado y la coordinación con agentes externos, se decidió automatizar los procesos de diseño para poder adaptar rápidamente la geometría en caso de ser necesario. El diseño paramétrico jugó un papel esencial en este reto.
En este proyecto se utilizó el software AutoDesk Dynamo. Este software es un paquete que permite codificar de manera gráfica y lógica la geometría. Se desarrollaron tres guiones o secuencias de comando (scripts) diferentes, uno para cada zona del proyecto. Uno para el pozo; otro, para el túnel largo; y finalmente otro, para el túnel corto con sus conexiones. En total 120 parámetros gobernaban el diseño de los túneles y pozo y eran controlados desde la base de datos.
El pozo temporal destaca por su complejidad (véase infografía de la derecha) y por ello el uso del diseño paramétrico demostró ser muy ventajoso. Este pozo incluía una transición de anillos de dovelas prefabricadas a hormigón proyectado con diferentes diámetros y conectados de manera asimétrica pues sus centros no estaban alineados. Asimismo, también incluía dos entronques con los túneles corto y largo. Por último, el diseño también contemplaba la estructura permanente interior y los collares.
El diseño del túnel corto incluyendo sus conexiones era un ejemplo claro de «futuros cambios desconocidos», ya que los parámetros clave de la infraestructura existente no estaban disponibles en el momento de comenzar el diseño. Así, el diseño paramétrico permitió codificar el diseño a la espera de confirmar y actualizar estos parámetros.
Conclusiones
Las nuevas infraestructuras asociadas a la ampliación de la estación de Euston para dar cabida a la línea High Speed 2 (HS2) dotarán al sistema de metro de Londres de un nuevo edificio para servicios. Este se conectará a la infraestructura existente mediante una serie de túneles y galerías en mina en los que destacan la complejidad y singularidad de ejecutar nuevos túneles en el centro de Londres.
La posterior excavación y construcción del sótano de la estación ampliada y la conexión con una infraestructura de más de cien años de antigüedad supusieron unos retos a los que el diseño dio solución, facilitando la construcción, que finalizó en 2022.
La exitosa aplicación del diseño paramétrico en este proyecto ahorró un tiempo considerable contribuyendo a obtener más flexibilidad en el diseño y más tiempo para optimizar el producto final y reducir el riesgo de errores y retrasos en el programa.