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Túneles y obras subterráneas
Metro de Santiago de Chile, línea 3, tramos B-C
Tomás Castaño Vázquez
Gerencia de Proyecto de OSSA
Ángel González de Lena
Gerencia de Proyecto de OSSA
La red de metro de Santiago es la más extensa de Sudamérica, con 140 km de líneas y 136 estaciones. La idea de desarrollar una red de metro se inició en los años cuarenta, y ya existen planos de la Dirección General de Obras Públicas en 1944 sobre lo que sería la red metropolitana.
No fue hasta el año 1968 cuando se aprobó un proyecto en el que se proponía la creación de cinco líneas con una extensión aproximada de 60 km.
En el año 1969 comienzan las obras de la primera línea, que fue inaugurada el 15 de septiembre de 1975. La línea 1, en su tramo inaugural, iba principalmente de forma subterránea desde San Pablo hasta La Moneda. En 1977 dicha línea fue extendida hacia el sector de Providencia, llegando en 1980 al oriente de la ciudad, hasta la estación de Escuela Militar. Eran tiempos en que, si bien la explotación del metro se hacía a través de túnel subterráneo, su construcción se realizaba a través de excavaciones a cielo abierto. En el año 2010 se inauguran tres nuevas estaciones que completan la línea 1 actualmente en servicio, con 20,4 km y 27 estaciones.
En marzo de 1978 se inauguró una parte de la línea 2, que posteriormente fue extendiéndose hacia otros sectores, terminando su último tramo en 2006. Consta de 22 estaciones y 20,7 km de vías. Actualmente está en marcha una extensión que implementará otras cuatro estaciones más.
En los años noventa se reactivaron las obras de construcción de nuevas líneas que completaban la extensión de la red. En esos años se aprobaron y comenzaron las obras de la futura línea 5. Las primeras estaciones se inauguraron en el año 1997, finalizándose las últimas actuaciones en el año 2011, hasta completar los 29,7 km y las 30 estaciones que tiene en la actualidad.
En el año 2001 se anunció la construcción de la nueva línea 4, cuyas obras se iniciaron al año siguiente. Esta línea consta de 24,7 km de longitud y 23 estaciones. Sus primeras estaciones se inauguraron en el año 2005, completándose todo el trazado en 2009. Actualmente está planificada una nueva extensión para añadir tres estaciones más.
La línea 4A se concibió originalmente como un ramal de la línea 4 para posteriormente considerarse como otra línea de la red. Fue inaugurada en el año 2006, tiene 7,7 km de longitud y seis estaciones.
Las últimas líneas en programarse y ejecutarse a principios del año 2010 fueron las líneas 3 y 6. La línea 6 comenzó a construirse en el año 2013, siendo inaugurada en el 2017. Consta de 15,3 km y 10 estaciones.
La línea 3 también comenzó su construcción en el año 2013, inaugurándose en el año 2019. Actualmente tiene 22 km y 18 estaciones, y está en marcha una ampliación que la prolongará 3,6 km y tres estaciones más. Hoy en día está en marcha la licitación de la nueva línea 7, de 26 km de longitud y 19 estaciones.
Participación de Obras Subterráneas S.A. (OSSA) en el Metro de Santiago
Participación de OSSA en el metro de Santiago
Obras Subterráneas S.A. (OSSA) participa en las obras del metro de Santiago desde el año 2013. En ese año fue adjudicataria, en consorcio con la empresa chilena Echeverría Izquierdo, de dos tramos de la línea 6, los tramos 3 y 4. Las obras consistían en la construcción de 6507 m de túnel interestación, cinco estaciones subterráneas (con un total de 600 m de túnel estación, 427 m de galerías de acceso) y conexión desde pozos de ataque. Estos pozos tenían una altura de entre 24 y 34,5 m.
Durante el desarrollo de estos contratos se consiguieron nuevas adjudicaciones de obras, correspondientes a la estación de Ñuble, así como el túnel de enlace entre las líneas 3 y 6 de vía única con 1536 m de longitud.
Posteriormente, dado el buen desempeño y rápido desarrollo de los trabajos en las líneas 6 y 3, Metro de Santiago encargó a OSSA la ejecución de dos tramos de la línea 3 que estaban pendientes, la finalización de 1900 m de túnel interestación y cuatro estaciones subterráneas.
Hasta el momento, OSSA ha finalizado la construcción de más de 13 km de túneles interestación y 1320 m de túnel estación correspondientes a 11 estaciones.
Desde la llegada a Metro de Santiago, OSSA ha impulsado un cambio en las formas de ejecución de las excavaciones subterráneas que ha servido como ejemplo para proyectos posteriores, aportando innovaciones técnicas y maquinaria puntera.
Tramos B y C, línea 3
Desde el inicio de las obras del metro en el año 1969 estaba prevista la construcción de la línea 3. Sin embrago, retrasos en su arranque por diferentes crisis económicas y posteriores cambios demográficos en la ciudad pospusieron su inicio hasta el año 2012, siendo inaugurada el 22 de enero de 2019.
Junto con la línea 6, son los recorridos más modernos del metropolitano capitalino. Como particularidad más importante hay que destacar que son las primeras líneas operadas con trenes sin conductor.
Antes de la terminación de las obras, se decidió la ampliación del trazado para dar servicio a la comuna de Quilicura en el sector nordeste de la ciudad de Santiago, con tres nuevos tramos de obras que incluían tres estaciones y casi 3,8 km de túnel interestación.
Gracias a los buenos resultados obtenidos en las obras anteriores, Metro de Santiago ha renovado recientemente su confianza en OSSA con la adjudicación, en consorcio con la empresa chilena Echeverría Izquierdo, de los tramos B y C de la extensión de la línea 3.
Descripción general del proyecto
El contrato adjudicado comprende la construcción de 2300 m de túnel interestación y dos estaciones subterráneas denominadas Lo Cruzat y Quilicura.
En el trazado de las nuevas líneas, Metro de Santiago intenta conjugar el menor coste económico con la menor afección al entorno. Para ello siempre diseña túneles interestación de sección única para alojar las dos vías, con trazados lo más coincidentes posible con las alineaciones de las calles, para minimizar el riesgo en las construcciones circundantes y, al mismo tiempo, reducir el coste de las expropiaciones.
La siguiente limitación técnica que influye en el diseño de los trazados es la calidad del subsuelo. El área del proyecto está emplazada sobre la unidad geomorfológica Depresión Central, cuyo relleno en el sector presenta una superficie relativamente plana que está formada por depósitos fluviales y aluviales, compuestos por plastos del tamaño de bloques a gravas, además de limos y arcillas.
En la figura de abajo se puede ver la disposición de los diferentes materiales del subsuelo en la zona por donde se ha proyectado la línea.
El proyecto sitúa el trazado a través de la zona de limos y arcillas, evitando todo lo posible las lentes de finos por los problemas que podría presentar su excavación subterránea, dada su baja cohesión.
El trazado ha sido condicionado por la cota a la que se encuentra el nivel freático de la zona. Si bien en la primera parte del trazado dicha cota estaba a un nivel suficiente para no interferir con las capas por donde era más conveniente efectuar las excavaciones, a partir de la estación de Lo Cruzat se producía una elevación de la misma que podría condicionar la realización de las excavaciones debido a los terrenos arcillosos.
Para evitar problemas, tanto de ejecución como estructurales, se decidió que la zona del trazado cercana a la última estación se fuera elevando, acercándose más a la superficie, hasta monteras inferiores a los 7 metros. De esta forma, se mantenía siempre por encima del nivel freático, pero a un nivel que permitía la ejecución del túnel interestación en subterráneo. En el caso de la estación, por su gran volumetría y la poca montera, se optó por una excavación a cielo abierto.
Trazado de la obra
Túneles interestación
Los túneles discurren por debajo de la avenida Manuel Antonio Matta, de la comuna Quilicura, siguiendo prácticamente la misma alineación de la calle con monteras de entre 7 y 13 m. La sección media de excavación del túnel interestación es de entre 64 y 78 m2.
El sostenimiento de los túneles está compuesto por cerchas reticulares, diferentes capas de malla y hormigón proyectado. La sección está cerrada por la parte inferior por una contrabóveda con el mismo sostenimiento. El revestimiento definitivo está compuesto por una capa de hormigón proyectado armado con malla electrosoldada.
Para evitar problemas de asentamiento superficial y minimizar las posibilidades de desprendimiento, el proyecto dividió la sección de excavación en dos fases. De esta forma se minimizaban los riesgos al abrir huecos más pequeños que se van sosteniendo de forma continua. La sección tipo utilizada es la que se muestra en la imagen de arriba a la izquierda.
Las fases de excavación del túnel, así como su metodología son las siguientes:
- Excavación y sostenimiento de bóveda en pases de 1 m.
- Se repite el paso anterior hasta completar 6 m de avance.
- Se comienza la excavación de la contrabóveda en pases de 2 m.
- Se ejecutan pase en avance y contrabóveda al mismo tiempo, siempre dejando un máximo de 6 m entre ambas.
- 30 m por detrás del frente se coloca el revestimiento del túnel.
En la imagen de arriba, a la derecha, se puede ver el sistema de excavación empleado.
Para intentar optimizar el sistema, se procedió junto con el cliente y su ingeniería a analizar los datos del monitoreo instalado en la calle y en el túnel para compararlos con los datos de estudio del proyecto. Así se pudo comprobar que, en la mayoría de los casos, los datos obtenidos eran mejores que las hipótesis de cálculo, lo que permitió implementar mejoras que optimizaron los ciclos de trabajo y aumentaron los rendimientos.
Con la finalidad de reducir los plazos de obra, Metro de Santiago diseñó tres puntos de ataque que permitían acortar los tiempos de excavación del túnel interestación. Estos frentes de ataque son pozos circulares que tienen una doble funcionalidad: servir para las excavaciones y como piques de ventilación de la explotación. Están situados a un lado de la alineación del túnel interestación y están unidos a él a través de una galería de acceso de diferentes longitudes. Los piques tienen una profundidad media de 15 m y el sostenimiento de su contorno es a base de hormigón proyectado y capas de malla con refuerzos de acero corrugado.
Estaciones
En este proyecto se han diseñado dos tipos de estaciones diferentes: una totalmente subterránea, tanto durante la construcción como posteriormente durante la explotación, y otra excavada a cielo abierto, que más tarde pasará a ser enterrada debajo de una losa y pantalla de pilotes.
Lo Cruzat
La primera de ellas, denominada estación Lo Cruzat, está compuesta por los siguientes elementos:
- Pozo rectangular de 31 × 27 m, con una altura de 17, 5 m. En este pozo están alojados los accesos a la estación desde el exterior, así como los diferentes servicios de la misma. Para su excavación y sostenimiento se utilizó un muro pantalla de hormigón proyectado, pilotes de 1200 mm de 20 m de longitud y anclajes de cable.
- Galerías de acceso a la estación. Son una serie de galerías de excavación subterránea que parten de las pantallas, dando acceso a los diferentes niveles del túnel estación. En todos los casos el sostenimiento es a base de hormigón proyectado, malla electrosoldada y marcos reticulares, y revestimiento con hormigón proyectado más malla.
- Túnel estación. Es un túnel de 120 metros de longitud y una sección máxima de 168 m2 donde irán alojadas las vías, los andenes y el puente mesanina de acceso a los mismos. El sostenimiento y revestimiento es similar al del resto de las excavaciones subterráneas.
Para realizar la excavación de esta estación y de todas sus galerías, se utilizó un pozo de ataque situado en uno de los extremos de la misma, que a su vez servía para excavar el túnel interestación hacia el otro sentido.
Como las secciones del túnel estación son de grandes dimensiones, en el proyecto original se proponía un sistema de ejecución diferente al descrito para el interestación, consistente en repartir la sección en dos mitades, denominadas side drift, que a su vez se dividían en bóveda y banco.
Tras un trabajo de ingeniería para simplificar la secuencia y mejorar la producción, el método de excavación utilizado ha sido el siguiente:
- Excavación y sostenimiento de la fase 1 en bóveda, en pases de 1 m. Excavación y sostenimiento de la fase 2 con una separación de 20 m, dejando un muro temporal que se demuele posteriormente, manteniendo siempre 10 m de desfase con la fase 2.
- Con un decalaje de seis metros de la fase anterior, se comienza la excavación de la fase 2, también en pases de 1 m, cerrando la sección por abajo con la contrabóveda, que requiere el mismo sostenimiento. Tras llegar al tímpano, se inicia la excavación de la contrabóveda a sección completa, en pases de 2 m.
Una vez completado el túnel estación, se ejecutarán los túneles de acceso con diferentes fases de excavación en base a su superficie.
Plaza Quilicura
Para la segunda estación, denominada Plaza Quilicura, Metro de Santiago optó por la ejecución de un cut & cover. La estación se aloja dentro de un recinto de muros pantalla de pilotes y anclajes, a los que se coloca una losa de cierre apoyada en vigas prefabricadas. Se ha optado por este sistema para minimizar el tiempo de ejecución y reducir el impacto en el tránsito de la zona.
Para no tener que cortar en ningún momento la calle Matta, se ha optado por un sistema que minimice las interferencias. Se realizaron dos fases con diferentes desvíos que permitían en cada una de ellas realizar una parte de los pilotes más la losa de cierre. Cada vez que se cambiaba de fase, se ocupaba con la calle la zona ya terminada y se actuaba sobre la franja donde anteriormente estaba pasando el tráfico.
Una vez terminadas todas las fases anteriores y completada la losa superior, se comienza a excavar la estación de forma subterránea, trabajando debajo de la misma. Para mantener la estabilidad de los muros-pantalla, se ejecutan filas de anclajes en los pilotes.
Actualmente se está a punto de finalizar la excavación de la estación y el cale de la misma con los dos túneles interestación ya finalizados en ambos extremos.
Tipología Estación Plaza Quilicura
Aspectos constructivos particulares
Condición urbana
Las obras en entornos urbanos siempre tienen unos condicionantes que dificultan su ejecución. Desde que OSSA inició su participación en las obras de Metro de Santiago, siempre ha ideado sistemas que permitiesen alcanzar los mejores rendimientos sin verse limitados ni por la falta de espacio ni por las restricciones medioambientales lógicas de zonas urbanas.
A raíz de las aportaciones técnicas de OSSA en anteriores contratos, Metro de Santiago ha introducido en los pliegos técnicos de sus obras medidas de mitigación de obligado cumplimiento.
En todas las instalaciones de faena se colocaron los siguientes elementos para reducir el impacto sonoro en la zona:
- Colocación de cercos de cierre de mayor altura, construidos con material aislante para amortiguar los ruidos que se producen en el interior del recinto.
- Utilización de túneles acústicos totalmente herméticos en el exterior de cada uno de los pozos de ataque, para realizar la descarga de los camiones de hormigón sin impacto acústico.
- Encapsulado acústico de los motores de accionamiento de la grúa situados en la pluma.
El mayor problema fue la falta de espacio para la gestión de escombros. Hay que tener en cuenta que la región metropolitana, al estar tan saturada de tráfico, restringe los horarios de transporte pesado en las calles a menos de 10 horas al día. Este hecho obliga a desalojar grandes volúmenes, de más de 600 m3 por día, con carga directa a camión, al disponer de un espacio reducido para acopiar en el exterior de las instalaciones de faena.
Para conseguirlo, se han montado grúas torre de alta capacidad y velocidad que permiten la extracción en menos de 10 horas de todo el escombro que se genera en las 24 horas de trabajo de interior. Con este sistema se ha conseguido no penalizar los rendimientos por falta de espacio para depositar los escombros y cumplir holgadamente con las limitaciones medioambientales.
Dificultades geológicas
Durante las excavaciones de los túneles interestación, los materiales que se han atravesado han sido principalmente limos y arenas en diferente proporción. La presencia de arenas ha supuesto un importante desafío, debido al riesgo de desprendimientos que pudieran comprometer la estabilidad de los túneles y afectar a la superficie, dada la escasa cobertura. Gracias a la experiencia acumulada por OSSA en la excavación de este tipo de terrenos, se han podido controlar estos riesgos, aunque se han producido sobreexcavaciones asociadas a los desprendimientos de capas de arena.
En el túnel estación y sus galerías de acceso era más probable que se produjeran problemas de estabilidad por su gran tamaño. Sin embargo, como la excavación se realizaba por fases, se pudo mantener controlada la sobreexcavación.
Como precaución se decidió realizar unos sondeos en la clave del túnel para detectar posibles oquedades que, al mismo tiempo, sirviesen para realizar una campaña de consolidación de los terrenos circundantes a la clave, que en muchos casos eran de matriz arenosa. Para ello se realizó una campaña de inyecciones en toda la clave con una lechada de cemento a baja presión, para asegurar la consolidación de las arenas y el relleno de las pequeñas oquedades que hubiesen quedado.
Debido a los problemas de desprendimientos surgidos en los últimos metros de excavación del tramo A, anterior a nuestro contrato, unido a un empeoramiento de las condiciones de los frentes que se estaban excavando, Metro de Santiago decidió realizar un estudio de detalle de los materiales de los últimos 100 m de túnel que quedaban por excavar.
Aprovechando un terreno expropiado por Metro de Santiago, se hizo una prospección del terreno realizando cinco sondeos con recuperación de testigo a lo largo de la traza del túnel. Esto permitió hacer un levantamiento estratigráfico preciso del terreno, incluyendo ensayos de penetración estándar (SPT), identificación y clasificación de suelos, así como datos cualitativos de las arenas a tratar.
Una vez reunida y analizada la información, se decidió realizar un jet grouting desde superficie. Se optó por la ejecución de 300 perforaciones para tratar las arenas más inmediatas a la clave del túnel. Se realizaron cinco perforaciones por fila con una separación entre filas de 1,7 m.
A través de estas perforaciones se inyectó una lechada de cemento a alta presión que, al integrarse con el terreno natural, forma unas columnas de mortero sobre la clave del túnel que evitan los riesgos de desprendimientos que tan malas consecuencias podrían tener en un ambiente urbano.
Posteriormente, durante la excavación, se demuele fácilmente, permitiendo hacer avances de hasta 1,2 m de forma mecánica sin problemas de estabilidad.
Seguridad
Fiel a su compromiso con la seguridad, OSSA aplica en las obras del metro de Santiago los estándares más exigentes, similares a los requeridos en las compañías mineras. En este sentido, OSSA cuenta con la ventaja de haber ejecutado obras en minas tan emblemáticas como Chuquicamata, División Andina y El Teniente de CODELCO. Gracias a estas experiencias, OSSA cuenta con personal altamente cualificado que desarrolla su actividad priorizando su seguridad y la de todo el personal que participa en la obra.
Uno de los hitos conseguidos en esta materia ha sido alcanzar el récord de un millón de horas trabajadas sin accidentes entre febrero de 2020 y junio de 2021, por lo que recibió un reconocimiento por parte de la Mutual de Seguridad.
Calidad
En relación con los materiales empleados, hay que hacer especial mención a la puesta en obra del hormigón que se suministra desde la superficie. Al inicio del proyecto, por la condición particular de la falta de espacio para equipos robotizados, se bombeaba con bombas de hormigón tipo Putzmeister TK-40 a través de manguerones y proyectado manualmente en las frentes. Después, a medida que nos alejábamos del pozo de acceso, se bombeaba hasta la tolva de los robots de gunitado anteriormente mencionados. Finalmente, desde el momento en que hubo espacio suficiente para que las máquinas trabajasen convenientemente, el hormigón se traspasaba desde un camión hormigonera en superficie a otro en el interior del pozo con capacidad de hasta 7 m3, que lo traslada hasta el robot en el frente. El uso de los robots ha mejorado cualitativamente los acabados de los túneles, ya que estos no llevan revestimiento y queda el hormigón a la vista. Para asegurar la calidad del hormigón, se dispuso de un equipo para la realización del Plan de Inspección y Ensayos. Dada la complejidad de los trabajos con gunita en el interior del túnel y su rapidez de fraguado, se contó con un laboratorio de ensayos dentro de las instalaciones, para disponer de resultados inmediatos de la resistencia del hormigón. Junto al Departamento de Control de Calidad, el equipo de topografía ha garantizado un seguimiento constante de la instalación de la gunita, velando por el cumpliendo de espesores y gálibos en los túneles, dentro de las tolerancias especificadas en el proyecto.
Para conseguir el mejor acabado en la proyección de gunita con equipos automatizados, OSSA ha contado con personal certificado de acuerdo con las normas internacionales EFNARC, lo cual ha permitido también formar a nuevos trabajadores durante el proyecto.
Aspectos sociales
Actualmente en el proyecto destaca la inclusión de mujeres en las obras de construcción, teniendo un porcentaje de 6,6% de personal femenino en la plantilla (24 mujeres de un total de 360 trabajadores), en puestos destacados en topografía en terreno, prevención de riesgos, oficina técnica, medioambiente y destacando la incorporación de una operadora de maquinaria. Esta trabajadora tiene experiencia en el sector de la minería y actualmente opera robots de gunitado tipo SPM500 y manipuladores telescópicos. El sector de la minería realizó hace unos años un proyecto de inclusión de la mujer, realizando capacitaciones y cursos relacionados con manejo de maquinaria. Esta operadora cuenta con certificado EFNARC y experiencia de más de 5 años realizando trabajos en túneles. En el caso de las profesionales del área de topografía, están totalmente integradas en los equipos y turnos de trabajo, haciendo rotaciones.
En octubre de 2019, debido a las protestas generales en Chile asociadas al malestar social, se produjeron marchas y manifestaciones que afectaron directa e indirectamente los trabajos del proyecto. Indirectamente, debido a los cortes en carreteras que afectaron al suministro de materiales, entre ellos el hormigón, y al traslado de los trabajadores desde y hasta las áreas de trabajo. Una de las estaciones y un pique de construcción se vieron directamente afectadas por ataques que produjeron daños en oficinas y en maquinaria. Estos disturbios afectaron a la producción, pero debido a una rápida y buena gestión en obra, se recuperó la funcionalidad logística y, lo más importante, sin daños personales. Debido a estos acontecimientos, Metro de Santiago consideró al Consorcio OSSA-Echeverría Izquierdo para la reparación de las estaciones dañadas durante las protestas —Plaza de Maipú, Las Parcelas y Estación del Sol—, trabajos que se realizaron en un tiempo récord, pudiendo habilitar dichas estaciones para uso público de acuerdo con el programa establecido.
En cuanto a la pandemia, que afectó directamente a la obra desde marzo de 2020, hubo un gran trabajo en el área de prevención, destacando que, si bien existieron contagios, no hubo grandes focos de infectados y ningún deceso en el proyecto. Las labores se detuvieron durante la primera ola y, tras la vuelta al trabajo, se organizó un sistema para la detección precoz de trabajadores asintomáticos, con pruebas semanales de PCR a cargo de un laboratorio certificado, horarios diferidos en la salida de los trabajadores, adecuación de áreas y horarios de comedor, uso de mascarilla obligatorio, transporte privado para evitar contagios en el transporte público, además de facilidad de teletrabajo. La obra se ha adaptado a la situación actual, consiguiendo aportaciones positivas, como por ejemplo las videoconferencias, que permiten ahorros de tiempo considerables.
OSSA mantiene su compromiso con el desarrollo de la red de metro de Santiago, aportando su experiencia y conocimiento a la ampliación de este medio de transporte tan importante para los habitantes de la capital de Chile.