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Túneles y obras subterráneas
Excavación de túneles en mina en condiciones de escasa montera
Galería con presoporte de tubos pesados en el metro de Singapur
En situaciones de escaso recubrimiento sobre clave, donde las condiciones del entorno impiden la excavación a cielo abierto o en falso túnel, la solución de túneles en mina debe ser adaptada y minuciosamente estudiada para limitar el impacto de las obras. El presente artículo pretende proporcionar una visión general de los procedimientos constructivos de túneles en mina con poca montera y, en particular, describir en mayor profundidad el diseño de una galería peatonal en suelos blandos mediante presoporte de tubos pesados en la línea 6 del metro de Singapur.
Palabras clave: Recubrimiento, presoporte, hinca, microtuneladora, subsidencias.
In the case of shallow mined tunnels with low ground cover and located in a sensitive environment not compatible with open cut or cut-and-cover construction, the tunnelling process shall be carefully studied and designed to minimize the impact of the project. This paper intends to provide a general view of the construction methods for shallow mined tunnels and is particularly focused on the design of an underground walkaway in the line 6 of Singapore metro, to be tunnelled in soft soils with heavy pipe pre-support.
Keywords: Cover, pre-support, pipe-jacking, microTBM, sudsidence.
Pedro Ramírez Rodríguez
Ingeniero de caminos, canales y puertos.
Director técnico del Departamento de Geotecnia de TYPSA.
Alberto Gómez- Elvira López
Ingeniero de caminos, canales y puertos.
Jefe de Sección de Túneles y Obras Subterráneas del Departamento de Geotecnia de TYPSA.
Abel Guerra Herrero
Ingeniero de caminos, canales y puertos.
Ingeniero geotécnico sénior del Departamento de Geotecnia de TYPSA.
Cuando un túnel debe construirse próximo a la superficie del terreno, resulta usual realizar la excavación a cielo abierto. Sin embargo, en numerosas ocasiones este procedimiento puede ser inviable por los condicionantes del entorno. Es entonces cuando los métodos de construcción de túneles en mina deben ser adecuados para limitar los impactos potenciales.
Los túneles suponen uno de los tipos de estructura más complejo dentro del campo de la ingeniería civil, en gran medida por la determinante interacción de los elementos de soporte y contención con el propio terreno. Este interactúa y colabora con los sostenimientos para formar una cavidad estable a corto y largo plazo solamente si se combinan y consideran adecuadamente el método constructivo y los factores geométricos con las propiedades tensodeformacionales del medio y de los elementos estructurales.
En los túneles en mina, para que se pueda producir esta colaboración y una adecuada redistribución tensional con deformaciones controlables, resulta esencial disponer de un mínimo recubrimiento por encima de la cavidad. En estos túneles, la propia configuración geométrica hace que no sea posible el desarrollo del efecto arco-descarga y el terreno gravita completamente sobre la estructura. Por otro lado, al situarse cerca de la superficie, las condiciones geotécnicas son, en general, adversas, al afectar a suelos o rocas residuales. De este modo, el anillo plástico alrededor de la cavidad puede alcanzar rápidamente la superficie a medida que progresa la excavación. El terreno circundante se encuentra próximo a la rotura desde el comienzo del proceso y la estabilidad del frente tiende a ser precaria, con el riesgo de que produzca una rotura de tipo “chimenea”.
Condicionantes de diseño
Los túneles que deben construirse en mina próximos a la superficie suelen estar sujetos a estrictos criterios de diseño por parte del cliente o de terceras partes implicadas: imposibilidad de corte de un servicio estratégico o preservación del entorno y movimientos máximos inducidos. De no ser así, generalmente el procedimiento constructivo aplicado sería el falso túnel, cuyo diseño y construcción afronta problemáticas diferentes.
Este tipo de obras se integra en un entorno físico sensible y con condiciones geotécnicas complejas. Los principales condicionantes son los siguientes:
- Profundidad: por condiciones de trazado o funcionales, son obras someras o bien próximas a elementos subterráneos existentes, como túneles o galerías. En ocasiones, la mina es la solución viable de cruce bajo una infraestructura estratégica.
- El entorno físico, marcado por dos factores:
- Condiciones geotécnicas desfavorables: suelos cuaternarios, residuales o rellenos antrópicos de baja resistencia al corte y alta deformabilidad, y que pueden estar afectados por un nivel freático superficial.
- Proximidad a servicios sensibles, edificios, infraestructuras, estructuras, túneles existentes, restos arqueológicos o zonas de especial protección medioambiental.
- La geometría puede ser compleja, como por ejemplo en el caso de túneles viales o peatonales en los que la relación del ancho libre al gálibo vertical puede ser mucho mayor de la unidad.
- El emplazamiento en una zona sensible —generalmente urbana, periurbana o medioambientalmente protegida— hace que los elementos auxiliares, como pueden ser los pozos de ataque o rampas de acceso, resulten clave. También el espacio disponible y las interferencias en extracción de escombro, suministro de material, vibraciones y ruido inducido por el sistema de excavación seleccionado deben ser tenidos en cuenta.
- El plazo y el presupuesto para la ejecución pueden tener una influencia significativa en el proyecto total.
Métodos constructivos
En la selección del método constructivo existen actualmente dos tendencias diferenciadas: el uso de sistemas de excavación y contención mecanizados, frente a los sistemas que se basan en el empleo de mano de obra altamente especializada o procedimientos de mina convencionales combinados con técnicas de tratamiento y presoporte.
Los sistemas convencionales de excavación en mina en suelos en entornos sensibles son los métodos tradicionales, como el Método Tradicional de Madrid o Método Belga, el Método Alemán y los derivados del Nuevo Método Austríaco, como el Método Secuencial. Por otro lado, entre los sistemas más centrados en el uso de tecnología están las hincas, las tuneladoras, incluyendo aquellas especialmente adaptadas a la forma de la galería (por ejemplo, tuneladoras de sección rectangular) y el empleo del arco de tubos hincados o perforados con microtuneladoras o perforaciones dirigidas como presoporte.
Los procedimientos de frente abierto convencionales siguen plenamente vigentes en la industria actual, si bien van quedado en cierto modo relegados a un segundo plano por los procedimientos mecanizados de frente cerrado, especialmente en entornos sensibles o en el caso de terrenos poco competentes.
Cuando el recubrimiento sobre el túnel es reducido, puede ser imprescindible disponer de un presoporte en forma de paraguas previo a la excavación, de manera que se atenúen las consecuencias de un fallo de estabilidad en el frente y la consiguiente formación de chimeneas. Cuando el túnel es somero, se tiende a recurrir a tipologías pesadas, entre las que la más habituales son paraguas de micropilotes muy rígidos con pases cortos o arco de tubos y tratamientos de la clave del túnel (prebóveda de jet grouting)
Los métodos de construcción de túneles en mina deben ser adecuados para limitar los impactos potenciales
- Sistema de arco de tubos hincado (pipe roof tunnel)
Este método constructivo, cuyo precedente más singular se remonta al arco celular de la estación Venezia del metro de Milán, ha sido empleado en los últimos años en zonas como Singapur o China para la ejecución de galerías o túneles someros en condiciones geotécnicas y de interacción con el entorno complejas. Se trata de un caso particular del procedimiento del paraguas pesado de tubos, pero llevado al extremo, cuando por limitación de recubrimiento se requiere generar un dintel plano con rigidez estructural capaz de soportar el peso del terreno con mínima deformación, durante las fases de excavación y construcción de la estructura interior.
La bóveda, dintel o marco se forma generalmente mediante la hinca o perforación de tubos de acero de gran diámetro que quedan unidos por un sistema de machihembrado y que permiten incluso una solución estanca en el caso de formar un marco cerrado. Bajo este presostenimiento se realiza la excavación del terreno interior y se coloca una estructura temporal de marcos metálicos en el avance de excavación, para el apoyo del arco o dintel de tubos. Finalmente se procede a la ejecución por fases de la estructura definitiva interior, de hormigón armado, al ir retirando progresivamente los marcos temporales.
La colocación de los tubos puede llevarse a cabo mediante hinca o bien mediante perforación con microtuneladora si el diámetro del tubo lo permite. La hinca mediante TBM tiene la ventaja de que puede permitir la presurización del frente, generalmente mediante el sistema slurry o hidroescudo, de modo que se reduzca la pérdida de sección y se lleve un control adecuado de las subsidencias inducidas en la hinca. La hinca tradicional no permite la aplicación de presión en el frente, que limitaría la generación de subsidencias en superficie. Este efecto es crítico en suelos blandos o flojos en presencia de nivel freático.
Una vez que se ha formado el arco o el marco de tubos, se puede proceder a la apertura del frente de excavación y al vaciado sucesivo del terreno interior. Este proceso requiere un minucioso estudio de las fases de transmisión de carga del terreno sobre los tubos a una estructura de soporte interior que permita reducir la deflexión del dintel a valores compatibles con las tolerancias de subsidencias en superficie.
Normalmente, al afectar a suelos blandos o flojos, es necesario inyectar y mejorar el terreno interior antes de proceder a su excavación y vaciado. De esta manera, es posible avanzar en las fases de excavación y disposición de la estructura temporal interna sin que el frente colapse, se deforme en exceso o no asegure el apoyo de los tubos en avance. La primera fase del tratamiento de inyección se realiza desde el pozo y las siguientes se ejecutan desde el interior.
Galería de entrada a la estación Prince Edward. Línea circular CCL6 del metro de Singapur
Uno de los accesos peatonales a la estación Prince Edward, denominado Acceso B, de la línea circular CCL6 del metro de Singapur, cruza bajo la transitada avenida de Shenton Way hasta el lado opuesto de la calle. Posee sección rectangular, con ancho libre de 7,6 m y altura libre de 4,7 m, además de presentar esviaje de 45° respecto a la calle, lo que resulta en un desarrollo variable entre 55 y 70 m de longitud.
Dada la imposibilidad de provocar cortes parciales en la avenida Shenton Way por requerimientos del cliente, el sistema elegido es la disposición de un presostenimiento de tubos metálicos perforados con recubrimiento sobre clave de apenas 3 m.
Las condiciones de servicio exigidas para Shenton Way y los servicios adyacentes son muy estrictas, siendo el criterio de asiento máximo en superficie definido por fases:
- 16 mm para la instalación de presoporte de tubos.
- 8 mm adicionales en fase de excavación.
- 8 mm de asiento máximo bajo apoyos.
Las condiciones geotécnicas son complejas, puesto que la estación se sitúa sobre terrenos ganados al mar, con presencia de rellenos y suelos de la de la Formación Kallang: arcilla marina de alta plasticidad (M) y arcillas estuarinas (E), que resultan ser suelos blandos altamente compresibles. El sustrato inferior consiste en roca localmente meteorizada S(V) de la Formación Jurong. El nivel freático se sitúa cercano a superficie (1 a 2 m bajo terreno) por la proximidad al mar.
Además, existe riesgo de encontrar elementos enterrados, como pilotes abandonados de madera o restos de anclajes, al tratarse de una zona ganada al mar.
Diseño de la galería de tubos hincados
La galería se ejecuta mediante un techo de tubos o presoporte pesado cerrado, debido a la forma del túnel. Se conforma en un marco cerrado y estanco, en lugar de un arco superior como es habitual, con tubos de acero de diámetro 1200 mm y 20 mm de espesor. Su diámetro es el mínimo compatible con el sistema de hinca según los requisitos impuestos por el cliente. La hinca y perforación debe llevarse a cabo mediante microtuneladora (mTBM), capaz de presurizar el frente para reducir la afección al entorno. Es condición indispensable del contrato que sea posible la extracción del sistema de perforación (cabeza de corte) por el interior del propio tubo una vez colocado, puesto que el pozo de salida es inaccesible para estas tareas. Por otro lado, se pretende que el frente sea parcialmente accesible para retirar manualmente obstrucciones desde el interior del tubo en caso de extrema necesidad, con un tratamiento de inyección previo, lo que requiere un diámetro lo mayor posible.
Sección tipo de la galería del Acceso B a Prince Edward Station
Con esta configuración y la geometría de la galería, resultan 32 tubos unidos entre sí mediante conexión machihembrada de perfiles en L, soldados longitudinalmente a ambos lados del tubo. El interior de la sección cortada del tubo se refuerza mediante una placa longitudinal soldada. El hueco que queda en la junta machihembrada entre perfiles en L o en la zona de la ranura hasta la placa en la solución en T se rellena mediante mortero, una vez colocados los tubos, para mejorar la estanqueidad de la solución y conferir mayor rigidez al sistema. De la misma manera se rellena el interior de cada uno de los tubos una vez que el marco ha sido construido.
La excavación de vaciado del recinto de la galería se acomete desde el pozo de hinca. El sistema estructural formado por el contorno de tubos necesita ser complementado según avanza la excavación con unos marcos metálicos interiores, separados 2,5 m, y un pilar intermedio para aportar rigidez al sostenimiento y reducir las deflexiones de los tubos, de manera que se controlen los desplazamientos inducidos al entorno.
Junta machihembrada en T o en L
Otro problema a resolver es la propia estabilidad de la excavación interior y el control del agua. Al tratarse de suelos blandos saturados, el frente no resulta estable y se precisan medidas de mejora del terreno y de contención del frente. Se plantea un tratamiento de inyección completo del bloque de terreno en el interior del recinto de tubos. Como alternativa se estudia el empleo de bulones de fibra y una secuenciación de la excavación del frente, o una combinación de ambos sistemas.
Una vez acabado el proceso de sostenimiento, se procede a retirar la mitad de los marcos de sostenimiento interiores, antes de ejecutar el marco interior de hormigón in situ definitivo por tramos de unos 5 m, con disposición de lámina de impermeabilización y juntas de estanqueidad.
Perfil longitudinal del Acceso B. Prince Edward Station
Hinca de los tubos mediante microtuneladora
La microtuneladora seleccionada es un hidroescudo con capacidad de excavar tramos de roca alterada y con un sistema de perforación retráctil para el desmontaje por el propio tubo, lo que supone una innovación ya probada en ciertos casos (estación de Brandenburger Tor en Berlín, Herrenknecht). Con este sistema se pretende reducir la pérdida de sección al mínimo para cumplir con el requisito de 16 mm de asiento máximo durante el proceso de hinca completo. Dos bloques de suelo tratado a modo de “corralitos” junto a las pantallas del pozo de hinca (entrada de las mTBM) y la estación son necesarios para controlar el posible flujo de agua hacia la excavación y permitir la puesta en presión de la mTBM y activación del sistema de plegado de la cabeza de corte.
Las hincas no precisan estaciones intermedias al ser la longitud máxima a alcanzar de 70 m. El sistema permite el acceso de un operador al frente para actuar sobre posibles obstrucciones.
Estimación de asientos y comportamiento estructural
Los asientos sobre la galería provienen de tres fuentes:
- Instalación de los tubos mediante mTBM con contención del frente y limitación de la pérdida de sección al 1%.
- Deflexión del techo de tubos por entrada en carga en el proceso de excavación y refuerzo con marcos metálicos interiores.
- Cambios en la tensión efectiva transmitida al terreno por debajo de la estructura.
No se consideran los asientos derivados del cambio en la presión de poros fuera de la galería, puesto que el sistema se diseña para minimizar las infiltraciones entre tubos y, por tanto, los posibles cambios de presión de poros son mínimos.
Para la comprobación de los asientos por la superposición de las sucesivas cubetas de asientos provocadas por la hinca de los tubos se emplean métodos semiempíricos basados en la pérdida de sección de cada tubo. Se considera el efecto de cada excavación sobre las posteriores con un factor de interacción. El análisis se completa con modelos numéricos de interacción suelo-estructura que simulan el proceso de excavación y sostenimiento.
Se analiza el asiento del propio cajón por el cambio tensional derivado del proceso constructivo, teniendo en cuenta el efecto de la descarga por la excavación del terreno interior, y este resulta de unos 2 mm.
La deflexión en los tubos se analiza con un modelo estructural del marco y de tubos con consideración de la evolución de la rigidez según los resultados de los modelos de interacción. El valor de la deflexión se estima en 8 mm, con una distancia entre marcos de 2,5 m durante la excavación y 5 m antes de la ejecución de la estructura definitiva.
El valor estimado final para los asientos en superficie es de unos 18 mm, cumpliendo con el requisito máximo impuesto por el cliente.
Estimación de asientos generados durante la hinca. Métodos semiempíricos y modelos numéricos
Excavación y tratamiento del terreno
El requisito de resistencia mínima para el terreno a excavar es de cu = 200 kN/m2. El terreno a tratar son los rellenos y las arcillas estuarinas y marinas, con posibilidad de que existan obstrucciones y roca residual S(V). El propósito del tratamiento es mejorar la resistencia y deformabilidad del macizo a excavar y reducir su permeabilidad. Se plantea como un tratamiento de inyección desarrollado desde perforaciones subhorizontales ejecutadas desde el pozo de hinca. Al tratarse de suelos blandos, se plantea llevar a cabo el tratamiento una vez construido el marco de tubos, para evitar la influencia sobre el terreno exterior y los asientos asociados al proceso. El procedimiento de inyección considerado es de rotura controlada para la mezcla/sustitución del suelo, ya que las arcillas no son inyectables. Se considera el uso de stuffing box o válvulas de tipo preventer para evitar el flujo de agua por las perforaciones, y el control de la presión para no afectar a los tubos metálicos y a las juntas entre tubos.
Para optimizar el proceso de tratamiento, excavación y soporte, se plantea la alternativa de tratar dos bloques de terreno dentro de la galería y combinar el resto de la excavación con soporte del frente mediante bulones de fibra de vidrio.
Sección longitudinal del sistema de excavación y avance junto al pozo de hinca
La selección de métodos constructivos resulta clave para el diseño y construcción de obras subterráneas
Riesgos detectados
Uno de los parámetros fundamentales con incidencia sobre los resultados del diseño es la posición del nivel de agua, afectando a:
- La estabilidad del frente en la hinca de cada tubo y en la excavación interior de la galería.
- Requisitos de tratamiento del terreno.
Se diseña para un nivel de agua situado a 2 m bajo el nivel del terreno, como estimación más conservadora compatible con la posición del nivel del mar y con las variaciones esperables en el plazo de ejecución de la obra.
Los problemas prácticos del proceso de hincado son:
- Perdida de sección en la hinca de cada tubo y control de la presión del frente.
- Disposición de espacio en el pozo de hinca.
- Dirección de la hinca en relación con el muro de ataque frontal por el esviaje de la calle (45°).
- Desviaciones y tolerancias.
- Sistema de contención del frente y control del agua.
Conclusiones
La selección de métodos constructivos resulta clave para el diseño y construcción de obras subterráneas, dependiendo en gran manera de los condicionantes geométricos y de las limitaciones de ocupación en superficie. Para la configuración de dinteles planos, el empleo de sistemas de tubos hincados puede ser de gran utilidad.
Establecer límites de asientos independientes por fases no es efectivo y deben tratarse los movimientos admisibles acumulados en cada fase.
Los cálculos analíticos semiempíricos permiten aproximaciones alternativas a los modelos numéricos, de forma rápida y fiable.
Referencias
1
Badurdeen, F. S and Senthilnath, G. T. (2017). Large diameter pipe roof box excavation for passenger linkway tunnel.
2
Daniel T.C. Yao & Chih-Hung Wu. Ground Movement Analysis of Pipe Roof Construction in Soft Clay.
3
Lunardi P. The cellular arch method: technical solution for the construction of the Milan railway’s Venezia station (1990).
4
W.L. Tan and P.G. Ranjith. Numerical Analysis of Pipe Roof Reinforcement in Soft ground Tunnelling.
5
Hong-Keun You, Jie and Kwang-Ho Park, Yeon-Jun. An application of the tubular roof construction method for Seoul subway tunnel construction.
6
Tunnels & Tunnelling International. Pipe Roof Development: the switch to slurry (2011).