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La Clave | Experiencias
Obras de tierra ferroviarias
Puesta al día de los documentos de referencia de la Unión Internacional de Ferrocarriles (UIC)
El presente artículo analiza la actualización y publicación de los principios de diseño y construcción en obras de plataforma para la comunidad ferroviaria mundial. En mayo de 2016, la UIC (Unión Internacional de Ferrocarriles) decidió, después de algo más de 30 años, tomar estos criterios de la antigua ficha UIC 719 (titulada “Obras de tierra y capas de asiento ferroviarias”), para ponerlos al día y transferirlos a un nuevo documento: la UIC IRS (International Railway Solution) 70719, titulado “Diseño y construcción de obras de tierras y capas de asiento para líneas ferroviarias – Principios de diseño y construcción”.
David Villalmanzo Resusta
Adif (anteriormente asesor técnico de Infraestructura en UIC). PhD candidate, Madrid (España).
Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos.
Jose Estaire Gepp
Laboratorio de Geotecnia- CEDEX, Madrid (España).
Dr. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos.
María Santana Ruiz de Arbulo
Laboratorio de Geotecnia- CEDEX, Madrid (España).
Geóloga.
En mayo de 2016, la UIC (Unión Internacional de Ferrocarriles) decidió actualizar la ficha 719 “Obras de tierra y capas de asiento en líneas ferroviarias” y transformarla en un documento IRS (International Railway Solution), con la denominación final UIC IRS 70719 “Obras de tierra y capas de asiento para líneas ferroviarias – Principios de diseño y construcción”. (1)
Las necesidades eran varias; entre ellas, actualizar y armonizar el glosario dedicado a este ámbito específico o tener en cuenta nuevos métodos desarrollados en los últimos años para la caracterización, investigación y construcción de explanaciones con materiales procedentes de rocas y suelos. La puesta al día requería la objetivación y armonización de criterios de diseño y procedimientos de construcción. Asimismo, que estos fueran económicamente asequibles para el mundo de hoy era una condición ineludible.
Con estos objetivos, se formó un comité de expertos con representantes de las principales administraciones ferroviarias del mundo en Europa y Asia, encabezada por la UIC y liderada por el CEDEX (2). Este comité ha mantenido un total de 6 reuniones presenciales con la asistencia habitual de expertos procedentes de España (ADIF), Bélgica (Infrabel), Italia (RFI), República Checa (SZDC), Francia (SNCF Réseau), Gran Bretaña (Network Rail), Finlandia (FTIA), y Alemania (Deutsche Bahn), y eventualmente de otros representantes europeos de Suecia (Trafikverket), Hungría (MAV) y Portugal (IP) e incluso asiáticos venidos de China (CARS [China Academy of Railway Science]) y Japón (East Japan Railways).
Uno de los principales objetivos de la elaboración del nuevo documento IRS era incorporar e integrar como un todo la normativa europea relacionada con los propósitos del texto, recogiendo los conceptos novedosos o actualizados de principios de diseño y construcción para estos elementos.
Esta integración ha dependido fundamentalmente de la interrelación de los capítulos 3, 4 y 7 del documento, y de cómo se han incorporado con una línea de coherencia a esta nueva IRS las normativas europeas (EN) en vigor relacionadas con el objeto de la nueva publicación.
Aparte, para la elaboración del glosario de términos, se identificaron 53 vocablos a ser definidos de forma armonizada en múltiples lenguas. La IRS 70719 recoge y define 46 de los mismos, y todos han sido incorporados posteriormente en los diferentes idiomas a la herramienta propia de terminología y diccionario de UIC, RailLexic.
Por último, hay que destacar que la UIC ha otorgado en su primera edición uno de los premios Excellence in Standardisation a este documento IRS 70719, entre los más de 50 documentos elaborados entre los años 2019 y 2020. Con estos galardones, la UIC pretende respaldar y promover la excelencia en aquellos documentos que genera.
Contenidos del documento UIC IRS 70719
Sección transversal de una vía ferroviaria
Tras una primera aproximación a los conceptos, términos y definiciones con el glosario usado, un prefacio/resumen ejecutivo, y un primer capítulo de introducción y alcance, el documento IRS 70719 incluye, en su capítulo 2, el esquema de una sección transversal tipo de una vía ferroviaria sobre balasto (Ver figura inferior), así como las definiciones de cada capa o conjunto de capas/elementos.
Sección transversal de una vía sobre balasto y plataforma
Clasificación de los materiales empleados para la construcción
La norma europea EN 16907-2 (3), aprobada en octubre de 2018, está dedicada a la clasificación de los materiales que se emplean en la construcción de obras de tierra, tanto suelos como rocas. Su agrupación se basa en las propiedades intrínsecas y de estado de los materiales. La clasificación de los materiales a emplear en las obras de tierra y capas de forma de las secciones ferroviarias, recogida en el documento IRS, incorpora tanto los principios de clasificación de la EN 16907-2 como la agrupación en clases de calidad QSi, de uso generalizado en estas infraestructuras.
El documento IRS 70719 incluye una clasificación del material en su capítulo 3, basada en buena parte en la EN referenciada, para las siguientes aplicaciones o localizaciones específicas:
Terraplenes y capas de forma.
Desmontes.
Capas de protección frente a la helada.
Capa/s de sub-balasto.
Capa de balasto.
Los requisitos exigidos a los materiales que se colocan en las capas de protección frente a la helada y en las capas de sub-balasto y balasto están basados en ensayos de laboratorio, pero no incluyen una clasificación QSi. Este trabajo muestra la clasificación de suelos y rocas para las dos primeras aplicaciones.
La clasificación de los suelos (y otros materiales) para su empleo en terraplenes, capas de forma y desmontes se realiza en dos fases:
Agrupación de los suelos conforme a la EN 16907 “Obras de tierra – Clasificación de materiales”.
Agrupación en clases de calidad QSi, en cuatro categorías:
– QS0: material inadecuado.
– QS1: material malo.
– QS2: material medio.
– QS3: material bueno.
La agrupación empleada en la norma EN 16907-2 está basada en los siguientes ensayos:
Granulometría.
Límites de Atterberg.
Esta norma incluye dos tablas, una para los suelos gruesos y otra para los suelos finos, cuya distinción se realiza en base al contenido en finos (tamiz #0,063), siendo inferior o superior al 15%, respectivamente. La tercera tabla recoge otros parámetros para suelos gruesos, como contenido de finos, fracción de arena, fracción de grava o coeficiente de uniformidad.
Clasificación de suelos/materiales en clases de calidad QSi (tomado de la UIC IRS 70719)
Por otra parte, la agrupación en clases de calidad QSi se realiza en función de los resultados obtenidos con muestras representativas para diversos ensayos (Ver tabla inferior).
El documento IRS 70719 recopila toda esta información de forma novedosa y presenta una tabla de clasificación de los suelos en las clases de calidad QSi, ofreciendo ahora criterios de carácter totalmente cuantitativo, en lugar de los anteriores, de características más cualitativas.
La clasificación de las rocas se emplea cuando estas se usan para ejecutar pedraplenes. Una vez extraída la roca, el material obtenido se considera un árido y su comportamiento será como el de un suelo grueso o muy grueso. Para poder clasificarse como roca el material debe cumplir:
Granulometría: tamiz #20 < 30% y tamiz #0,063 < 10%.
Tamaño máximo: 10–50 cm.
Para poder clasificar el material rocoso dentro de una de las clases de calidad QSi, se evalúan, siguiendo los parámetros de la tabla que se muestra en la página anterior, donde se muestra la clasificación de las rocas en clases de calidad QSi.
También se destacan los siguientes aspectos:
Las partículas gruesas y los finos pueden ser resistentes y abrasivos, débiles y degradables o resistentes y degradables.
Normalmente los materiales rocosos se pueden emplear en las obras de tierra, salvo cuando las rocas son evolutivas o degradables. En caso de usar este tipo de rocas, su diseño debe incluir precauciones especiales.
Para los materiales que se van a utilizar en la capa de balasto y las características que deben cumplir, existe un apartado específico. Está basado en los requisitos exigidos para el árido que se emplea como balasto y recogido en la norma europea EN 134504.
Los ensayos de laboratorio incluidos, que sirven para verificar el uso de los áridos para las capas de balasto en las secciones ferroviarias, son los mismos que los listados en la norma EN. Los valores exigidos los establecen los diferentes gestores de las infraestructuras ferroviarias.
Clasificación de rocas en clases de calidad QSi (tomada de la UIC IRS 70719)
Principios de proyecto de nuevas vías sobre balasto y zonas de transición
En el capítulo 4, se recoge una guía para las diferentes fases del proceso de diseño de las vías en balasto, en la que se incluyen:
Reconocimiento del terreno.
Diseño de los elementos que constituyen la sección transversal.
Informes técnicos que se deben elaborar para dejar constancia de las actividades realizadas en la fase de proyecto
Para los materiales que se van a utilizar en la capa de balasto y las características que deben cumplir, existe un apartado específico. Está basado en los requisitos exigidos para el árido que se emplea como balasto y recogido en la norma europea EN 134504.
Los ensayos de laboratorio incluidos, que sirven para verificar el uso de los áridos para las capas de balasto en las secciones ferroviarias, son los mismos que los listados en la norma EN. Los valores exigidos los establecen los diferentes gestores de las infraestructuras ferroviarias.
Existen otras novedades más relevantes incluidas en la IRS. El nuevo documento incluye una sección transversal de un terraplén y la definición de las zonas que integran dichas obras de tierra, aspecto que no estaba tratado explícitamente ni recogido de forma implícita en la Ficha. Para ello, se han empleado los mismos nombres y conceptos que aparecen en la norma EN 16907-1 (5).
La sección transversal de un terraplén de una línea ferroviaria puede quedar dividida en las zonas que se observan en la figura de la página 90. Esta propuesta no resulta óbice para que, durante las diversas fases de diseño, los proyectos específicos puedan identificar a mayor detalle requisitos particulares que supongan la presencia de zonas adicionales dentro del terraplén.
El documento IRS 70719 amplía la información referente a la capa de sub-balasto existente en la Ficha previa. Esta capa, englobada dentro de la subbase, puede estar constituida por materiales granulares, bituminosos o de materiales tratados con cemento o cal.
El material que se emplea en las capas de sub-balasto granular debe cumplir una serie de requisitos para desempeñar sus funciones de distribución de cargas y drenaje, entre los que se encuentran valores máximos de permeabilidad, criterio de condiciones de filtro y contenido de finos suficiente para evitar la intrusión de material de las capas inferiores.
Por su parte, el documento desarrolla de forma novedosa y exhaustiva la utilización de la capa de sub-balasto bituminoso, indicando las razones, tanto estructurales como prácticas, en las que se recomienda su empleo en lugar de la capa con material granular. Asimismo, se incluyen las especificaciones de dicha capa proporcionadas varias administraciones ferroviarias.
También hay en esta parte referencias a la norma europea EN 1997-1: Eurocódigo 7 – Proyecto geotécnico–(6 y 7) (EC7). Es un código destinado a ser aplicado a los aspectos geotécnicos del diseño de edificación y obras de ingeniería y se dedica a los requisitos de resistencia, estabilidad, capacidad funcional y durabilidad de las estructuras geotécnicas.
El borrador definitivo del nuevo documento está ya casi elaborado y revisado por el subcomité TC250-SC7 y los órganos nacionales de normalización. Dado el horizonte temporal de aprobación del EC7 y lo consolidado que están muchas partes de los borradores, se decidió que el documento IRS 70719 incluyera ya referencias a una serie de conceptos recogidos en el futuro EC7, entre los que destacan:
El denominado “Informe de reconocimiento geotécnico”.
El llamado “Informe del proyecto geotécnico”.
La realización de cálculos de estabilidad al deslizamiento y su normativa de apoyo.
En cuanto a las zonas de transición, dada la gran variedad de tipologías de zonas de transición utilizadas en el mundo, se decidió que el capítulo 5 se constituyera como un catálogo de los diagramas utilizados para las mismas por los principales gestores de infraestructura ferroviaria. Sirva como ejemplo el reflejado en la figura de la gráfica siguiente.
Esquema de una sección de zona de transición de alta velocidad en Adif (España) en la UIC IRS 70719
Principios de proyecto de obras de tierra para vía en placa
Otra novedad la constituye el capítulo 6, dedicado a la vía en placa. La serie de normas europeas EN 16432 (8 y 9) describe los requisitos generales para estos sistemas (también denominados de vía sin balasto).
Dado que existe esta normativa, se ha considerado que el documento IRS debería ser acorde a los requisitos generales que allí se establecen. A este respecto, y como primera aproximación, el documento UIC IRS 70719 define la sección transversal de un sistema de vía sin balasto, tomado directamente de la norma EN 16432-2.
La sección de una vía sin balasto está formada por los siguientes subsistemas y componentes: componentes de la vía, estructura de soporte y subestructura.
Este capítulo incorpora, además, otros criterios de diseño para la plataforma en este modelo de vía. Son los relativos al drenaje o la estabilidad geométrica, introduciendo conceptos diferenciados de “asentamiento” y “distorsión angular”. Algunos de estos conceptos se desarrollarán con mayor amplitud en el futuro documento UIC IRS 70727 “Criterios de decisión para el modelo de superestructura de vía”.
Procedimientos de construcción y control de calidad
El nuevo documento IRS compila en su capítulo 7 los puntos más importantes sobre los requisitos relacionados con los procedimientos de construcción y control de calidad necesarios en la ejecución de las obras de tierra. La ficha original solo incluía información escasa y dispersa. Se destaca en su contenido que:
La ejecución de las obras de tierra se realiza conforme a las conclusiones obtenidas durante su diseño, donde se debe tener en cuenta las características específicas de los suelos y rocas a utilizar.
La construcción de una obra de tierra incluye los procesos de: excavación, transporte, relleno y compactación. La norma EN 16907-310 recoge los procedimientos de construcción para cada una de las fases, y debe tomarse como referencia.
La calidad del terraplén depende, en gran medida, del grado de compactación, parámetro utilizado para el control de calidad.
La construcción de una obra de tierra incluye los procesos de: excavación, transporte, relleno y compactación. La norma EN 16907-3 (10) recoge los procedimientos de construcción para cada una de las fases, y debe tomarse como referencia.
- La calidad del terraplén depende, en gran medida, del grado de compactación, parámetro utilizado para el control de calidad.
La norma EN 16907-5 (11) establece las recomendaciones a seguir para asegurar la calidad del terraplén, por lo que debe constituirse en referencia.
Finalmente, la IRS recoge, en forma de tabla, los ensayos que habitualmente se realizan para el control durante la construcción, así como los rangos de valores, para cada zona de la sección ferroviaria, que las diferentes administraciones ferroviarias exigen (Ver tabla inferior).
Ensayos y valores para controlar la calidad durante la ejecución del terraplén (tomado de la UIC IRS 70719)
Referencias
1
UIC, Documento UIC IRS (International Railway Solution) 70719: Railway Application – Track & Structure “Earthworks and track bed layers for railway lines” Design and construction principles, 1ª edición. París (Francia), junio 2020 https://www.shop-etf.com/ en/track-structure-earthworks-and-track-bed-layers-for-railway-lines-design-and-construction-principles.
2
VV.AA., CEDEX, Informe Técnico Final “Reference document of UIC IRS-70719 “Design and construction principles of Earthworks and Track Bed for railway lines”. Tomo Único. Madrid (España), julio 2019.
3
AENOR/CEN, Norma UNE-EN 16907-2: Obras de tierra. Parte 2: Clasificación de materiales, septiembre 2019.
4
AENOR/CEN, Norma UNE-EN 13450: Áridos para balasto, diciembre 2003.
5
AENOR/CEN, Norma UNE-EN 16907-1: Obras de tierra. Parte 1: Principios y reglas generales, julio 2019.
6
AENOR/CEN, Norma UNE-EN 1997-1: Eurocódigo 7: Proyecto geotécnico. Parte 1: Reglas generales, junio 2016.
7
AENOR/CEN, Norma UNE-ENV 1997-2: Eurocódigo 7: Proyecto geotécnico. Parte 2: Proyecto asistido por ensayos de laboratorio, marzo 2001.
8
AENOR/CEN, Norma UNE-EN 16432-1: Aplicaciones ferroviarias. Sistemas de vía sin balasto. Parte 1: Requisitos generales, mayo 2018.
9
AENOR/CEN, Norma UNE-EN 16432-2: Aplicaciones ferroviarias. Sistemas de vía sin balasto. Parte 2: Diseño del sistema, subsistemas y componentes, julio 2018.
10
AENOR/CEN, Norma UNE-EN 16907-3: Obras de tierra. Parte 3: Procedimientos constructivos, enero 2020.
11
AENOR/CEN, Norma UNE-EN 16907-5: Obras de tierra. Parte 5: Control de calidad, octubre 2019.