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La Clave | Túneles y obras subterráneas
Construcción de túneles someros en zonas de falla
El caso de la autopista Mar 2 en Colombia
Antonio José Rodríguez Jaramillo
Ingeniero civil, máster en Túneles y Obras Subterráneas, presidente de la Asociación Colombiana de Túneles y Obras Subterráneas (ACTOS), gerente técnico en Geotúneles S. A. S.
Carlos Eduardo Mendoza Oliveros
Ingeniero civil, magister en Geotecnia, coordinador de proyectos senior en Geotúneles S. A. S.
Andrés Castrillón Peña
Geólogo, magíster en Geociencias, doctor en Geología, geólogo senior en Geotúneles S. A. S.
La autopista Mar 2 contempló la construcción de túneles de media ladera sobre el alineamiento de la falla Cañasgordas, una estructura de carácter compresivo localizada en el noroccidente de Colombia. Los efectos de deformación dinámica que ha ejercido la falla Cañasgordas se evidencian en rocas de gouge de falla y brechas de falla que se encontraron durante la excavación del Túnel 2. Los túneles presentaron inestabilidades geotécnicas caracterizadas por fenómenos de squeezing severo, deformaciones entre 95 cm y 2.0 m, asentamientos hasta de 1 m, extrusión y agrietamientos. Para controlar los procesos deformacionales, se cambió la filosofía constructiva a un método rígido.
Palabras clave: Túneles, ladera, rocas, excavación, método rígido.
The highway Mar 2 Road contemplated the construction of half-slope tunnels on the alignment of the Cañasgordas Fault, a compressive structure located in northwestern Colombia. The effects of dynamic deformation exerted by the Cañasgordas Fault are evident in gouge and fault breccias, which were found during the excavation of Tunnel 2. All these tunnels presented geotechnical instability characterized by severe squeezing phenomena, deformations between 95 cm and 2.0 m, settlements up to 1 m, extrusion and cracks. To keep under control deformational processes, the constructive philosophy was changed to a rigid method.
Keywords: Tunnels, slope, rocks, excavation, rigid method.
Actualmente se construye en Colombia el proyecto Concesión Vial Autopista al Mar 2, en el departamento de Antioquia, localizado en la vía de 254 km, que conectará el occidente del país y la ciudad de Medellín con un nuevo puerto en construcción en el mar Atlántico. Dentro de las obras contempladas en el subtramo denominado UF1, se construyen los túneles carreteros denominados: Túnel 2 (longitud 270 m y cobertura 32 m), Túnel 3 (longitud 305 m y cobertura 72 m), y Túnel 4 (longitud 174 m y cobertura 56 m), los cuales fueron diseñados sobre el alineamiento de la falla Cañasgordas, una estructura geológica que marca el ambiente tectónico compresivo que se encuentra en la región noroccidental de Colombia. Este artículo trata los problemas geotécnicos que se presentaron durante construcción de los túneles cuyas soluciones y la experiencia ganada en el proceso son reportadas de manera que aporten al planeamiento y ejecución de este tipo de obras civiles en el país.
Geología
Los Túneles 2, 3 y 4 se excavaron en rocas cretácicas de la formación Penderisco (K2p) las cuales fueron divididas en la unidad de litoarenitas, limolitas y lodolitas de Urrao (K2alu), que junto a la unidad de chert y calizas de Nutibara (K2cn) y las rocas volcánicas de edad jurásica, denominadas diabasas y basaltos de san José de Urama (JK1du), conforman el marco tectónico del noroccidente antioqueño. Estas rocas afloran como un conjunto de bloques tectónicos constituidos por segmentos de secuencias sin techo ni base, definidos y limitados por fallas, que recibe el nombre de Complejo Cañasgordas (González y Londoño, 2003), el cual, a su vez, hace parte del terreno Cañasgordas, considerado un terreno oceánico del Cretácico Medio al Eoceno Medio adosado al continente durante el Mioceno como parte de la orogenia andina. De acuerdo con Pindell y Kennan (2009), el terreno Cañasgordas se formó en el borde occidental de la placa del Caribe como un sistema de arco insular desarrollado sobre una zona de subducción con inmersión hacia el este, entre las placas Farallón y el Caribe.
Localización de los túneles 2, 3 y 4 sobre el alineamiento de la falla Cañasgordas
Esto se evidencia en grandes intrusiones, como los batolitos de Sabanalarga y Mandé (Egm), fechados respectivamente en 97 ± 10 Ma (Maya, 1992) y de 54,7 ± 1,3 Ma a 42,0 ± 0,9 Ma (González et al., 1978). A las rocas cretácicas en el área de los túneles deben sumarse depósitos coluviales y aluviales generados al final de la etapa de tectonismo Paleoceno-Eoceno, que surgen principalmente por los procesos erosivos de rocas recientemente tectonizadas. Finalmente, depósitos recientes repartidos a lo largo del área de estudio coronan la secuencia estratigráfica que se excavó.
La falla Cañasgordas (Gonzalez y Londoño, 2003) es una estructura geológica con la cual están alineados los Túneles 2, 3 y 4 que presenta un marcado contraste geomorfológico y topográfico tanto en campo como en fotografías aéreas e imágenes de satélite; aunque el contraste puede haber sido originado principalmente por erosión de rocas poco competentes, cerca del casco urbano del municipio de Cañasgordas desplaza antiguos flujos de escombros. Por ello Page (1986) la considera una falla activa con un grado de actividad probablemente bajo.
El complejo ambiente tectónico del área de los túneles, representado en parte por el lineamiento de la falla Cañasgordas, se traduce en deformaciones frágiles y dúctiles de los diferentes tipos de rocas, principalmente de las rocas sedimentarias. La deformación frágil reportada en los levantamientos geológicos de los Túneles 3 y 4 es derivada entonces de las fases finales de acreción continental y viene definida por lineamientos y sistemas de fallas sinextrales de orientación NW y componentes inversos, y por fallas inversas de orientación NS. Entre las primeras se incluyen las fallas Abriaquí y Cañasgordas y fallas menores, como las de Portachuelo y Morrogacho en la zona occidental y las fallas de Arma y La Mansa en el extremo oriental. Las estructuras de orientación NS, por su parte, vienen representadas por los sistemas de fallas de Cauca-Romeral, Herradura-San Ruperto, Portachuelo, Dabeiba-Pueblo Rico, Murrí-Mutatá y Murindó, que generalmente exhiben un comportamiento predominantemente inverso con componente lateral izquierdo (Noriega-Londoño y Caballero-Acosta, 2015). Estas fallas son consideradas posibles fuentes de eventos sísmicos en el área y, de acuerdo con la red sismológica nacional-RSNC, alcanzan magnitudes Ml que varían en el rango de 1.5 a 5.1. Wells y Coppersmith (1994) indican que eventos de magnitud 6 en la escala de Richter solo podrían asociarse a una falla de una longitud de más de 10 kilómetros, como la de la falla Cañasgordas y Abriaquí.
El complejo ambiente tectónico del área de los túneles se traduce en deformaciones frágiles y dúctiles de los diferentes tipos de rocas
Las características tectónicas del noroccidente colombiano están definidas por fenómenos posmiocénicos de indentación tectónica que controlaron la dinámica de la falla Abriaquí mediante trayectorias de deformación en régimen de cizalla pura (Tapponnier y Molnar, 1976; Davy y Cobbold, 1988) que también se presentan en la falla Cañasgordas. Las rocas de malange y arcilla de falla, descritas en el Túnel 2, son clara evidencia de este régimen de cizalla pura. Adicionalmente, estas fallas muestran grados de actividad en el Cuaternario (Noriega-Londoño y Caballero-Acosta, 2015).
Condiciones de excavación
Las evidencias de la afectación dinámica que ha ejercido la falla Cañasgordas en la geología de los túneles es la presencia de rocas de falla, como arcillas, gouge y brechas de falla. En el Túnel 2 estos tipos de roca de falla requirieron una reclasificación geotécnica y geomecánica del macizo rocoso debido a las deformaciones y procesos de asentamiento que presentó el macizo rocoso (véase figura 2).
En el Túnel 3 las evidencias tectónicas de la falla Cañasgordas se observan en zonas de deformación dúctil que están en contacto con zonas de deformación frágil, así como en zonas intensamente diaclasadas que generaron comportamientos geotécnicos totalmente diferentes en los hastiales de un mismo frente de excavación (véase figura 3).
En el Túnel 4, pliegues asociados a los procesos de deformación evidencian los esfuerzos generados durante los procesos de acreción de las secuencias sedimentarias al continente suramericano. Estas estructuras difícilmente se visualizan en superficie, pero durante la excavación afloran de tal manera que se puede comprender la complejidad estructural de las rocas que conforman el terreno Cañasgordas (véase figura 4).
Túnel 2, frentes Km 3+370 y Km 3+382
Se muestran las estructuras geológicas que representan el metamorfismo dinámico generado en las rocas cretácicas(miembro Urrao) y asociado a la falla Cañasgordas.
Túnel 3, frentes Km 7+190 y Km 7+086
Se muestran las estructuras geológicas asociadas a la falla Cañasgordas.
Aunque se trate de rocas de edad cretácica con procesos diagenéticos importantes que generan rocas duras, bien cementadas y de buenas condiciones geotécnicas, estas rocas sufrieron procesos de metamorfismo dinámico muy fuertes durante el periodo de acreción tectónica del Mioceno y del Posmioceno, tal como lo indican Tapponnier y Molnar (1976) y Davy y Cobbold (1988). Estos procesos tectónicos se consideran recientes y son representados en fallas NS de carácter regional (p. ej., falla Herradura) que luego fueron cortadas por fallas en dirección NW (p. ej., falla Cañasgordas) que cambiaron las condiciones originales de las rocas cretácicas, reduciendo su competencia y formando a lo largo del trazo de las fallas rocas con metamorfismo dinámico, es decir, brechas de falla, gouge de falla o milonitas, que presentaron comportamientos geotécnicos inesperados para túneles de baja cobertura.
Problemas presentados y consideraciones del diseño y el proceso constructivo
Durante la construcción de los túneles se presentaron condiciones de inestabilidad geotécnica, en la mayoría de los casos, caracterizadas por fenómenos de squeezing severo, con deformaciones entre 95 cm y hasta 2,0 m, hundimiento de los túneles hasta 1 m por debajo de la rasante de vía proyectada, extrusión en el frente de excavación, flujos y pérdidas de los frentes de excavación en varias oportunidades, así como problemas de asentamientos en superficie y agrietamientos en las bocas de los túneles; unos fenómenos por fortuna superados, pero que han generado dificultades, sobrecostos y sobreplazos importantes durante el proceso constructivo.
A pesar de que los túneles suman una corta longitud (749 m) y su cobertera vertical es baja (la máxima se sitúa en 72 m, lo cual supone unos esfuerzos de tipo tectónico liberados al avanzar las excavaciones subterráneas que se reflejan en empujes excesivos con tasas de deformación uniforme de hasta 0,5 cm/día, así como la rotura de elementos de estabilización, algunos a pocos días de haberse instalado. También se han presentado dislocaciones de los soportes instalados. Los procesos de recuperación de frentes y de avance controlado en materiales difíciles de estabilizar han generado que, a la fecha, la excavación subterránea se haya demorado más de dos años, lo que supone un rendimiento aproximado de 1 metro/día, sumando todos los frentes de excavación, sin que aun se haya terminado la excavación del Túnel 2 a la fecha de edición de este artículo. Asimismo en estos túneles se han tenido que venir reemplazando los sostenimientos fallados entre dos y hasta tres veces.
Túnel 4, frentes Km 8+851, Km 8+843, Km 8+840, Km 8+809
Se muestran las estructuras geológicas asociadas a la falla Cañasgordas.
Inestabilidad geotécnica
En cuanto a los soportes diseñados, se contempló la instalación de elementos de sostenimiento primario, tales como gunita de espesor de hasta 20 cm, marcos livianos tipo HEB-100, y otros elementos, como enfilajes dimensionados para excavar macizos rocosos en condiciones normales y siguiendo la filosofía de excavación del NATM (New Austrian Tunneling Method). Como se ha evidenciado, todo ello obtuvo malos resultados ante las condiciones geológicas descritas. En vista de esta situación y una vez se detectó la excavación de los túneles en zonas del trazo de la falla Cañasgordas, se recurrió a cambiar la filosofía de diseño y excavación a un método rígido para evitar la generación de deformaciones excesivas; se procedió a la instalación de un soporte rígido compuesto por gunita en espesor de 40 cm; el cambio a marcos HEB-160 en separaciones de 75 cm; la instalación en doble fila de micropilotes autoperforantes de diámetro 3,5 “; la inclusión de bulones y patas de elefante; y el empleo de micropilotes laterales en las zonas de los bancos laterales y contrabóveda. Todo ello demostró una disminución significativa de las deformaciones llevando a tasas menores de 0,5 mm/día, así como la disminución de los asentamientos del túnel y un buen comportamiento de los elementos de construcción. En la figura 5 se observa el estado actual de las excavaciones, llevando la destroza y contrabóveda cercanos al avance, con la construcción de contrabóveda temporal en el avance y la ejecución de núcleo central, acompañado de gunita en el frente de excavación de mayor espesor y pernos de fibra de vidrio si son requeridos. Por otro lado, en los sectores de los túneles que han tenido flujos importantes, en especial en el Túnel 3, se ha recurrido a campañas de inyecciones de impermeabilización.
Durante la construcción de los túneles se presentaron condiciones de inestabilidad geotécnica
Conclusiones
Los fenómenos de squeezing que se presentaron en los túneles de la Unidad Funcional 1 del Proyecto Vial Mar 2 son atribuibles a las deformaciones que presentan las rocas a lo largo del trazo de la falla Cañasgordas, la cual es considerada una falla compresiva de rumbo y de componente sinextral, de carácter activo, en una zona clasificada como de amenaza sísmica alta.
Todos los procesos sobreimpuestos que registran las rocas cretácicas que conforman el terreno Cañasgordas se consideran muy recientes desde el punto de vista geológico, es decir, Posmioceno, lo que indica que son terrenos jóvenes en donde la calidad geotécnica del macizo rocoso es de características de pobres a muy pobres, lo que se ha evidenciado en todas las obras que se adelantan en el corredor vial.
Este caso es único en Colombia al tratarse de túneles de ladera con baja cobertura lateral y vertical. Esto indica que la influencia de las fallas en los túneles no solo se da a profundidades importantes (p. ej., en el túnel de La Línea) sino que también puede darse en túneles someros.
Referencias
1
Davy, P., Cobbold, P. R. (1988). Indentation tectonics in nature and experiment. 1. Experiments scaled for gravity. Bulletin of the Geological Institution of the University of Upsala (14), 129-141.
2
González, H, Restrepo, J., Toussaint, J., Linares, E. (1978). Edad radiométrica K/Ar del batolito de Sabanalarga. Boletín de Ciencias de la Tierra, (5-6), 23-27. https://revistas.unal.edu.co/index.php/rbct/article/view/94375
3
González, H., Londoño, A. (2003). Geología de las planchas 129 Cañasgordas y 145 Urrao. Bogotá: Ingeominas. 119.
4
Maya, M. (1992). Catálogo de dataciones isotópicas en Colombia. Boletín Geológico 32(1-3). 127- 187.
5
Noriega-Londoño, S., Caballero-Acosta, J. H. (2015). Morfotectónica de la falla Abriaquí y sismicidad histórica asociada con el sismo de 1903 en Frontino, Antioquia. Revista de la Academia Colombiana de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales, Vol. 39(150). 100-110.
6
Page, W. (1986). Geología sísmica y sismicidad en el noroccidente colombiano. ISA, Integral. Woodward & Clyde consultants. Medellín.
7
Pindell, J. L., Kennan, L. (2009). Tectonic evolution of the Gulf of Mexico, Caribbean and northern South America in the mantle reference frame: an update. Londres, Geological Society, Special Publications, Vol. 328(1), 1-55.
8
Tapponnier, P., & Molnar, P. (1976). Slip-line field theory and large-scale continental tectonics. Nature, Vol. 264(5584), 319-324
9
Wells, D. L., & Coppersmith, K. J. (1994). New empirical relationships among magnitude, rupture length, rupture width, rupture area, and surface displacement. Bulletin of the seismological Society of America, Vol. 84(4), 974-1002.