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La Clave | Túneles y obras subterráneas
El caso del túnel carretero de Urdinbide
Diseño de inyecciones a base de cemento y microcemento en la construcción de túneles que atraviesan medios muy porosos
José Manuel Baraibar Díez
Dr. ICCP. Departamento Técnico. Viuda de Sainz, S.A.
Miguel Gil Oceja
ICCP. Interbiak, S. A.
Íñigo Escobal Marcos
Ingeniero de minas. Departamento Técnico, Viuda de Sainz, S. A.
El túnel carretero de Urdinbide, inaugurado en 2018, atraviesa el acuífero multicapa de Autzagane, un acuífero de gran importancia medioambiental, ya que forma parte del sistema hidrológico de la reserva de la biosfera de Urdaibai, una de las áreas naturales más importantes de la cornisa cantábrica. Su construcción ha supuesto todo un reto técnico y ambiental para preservar el acuífero existente, durante las obras y en situación definitiva. Para ello se han ejecutado inyecciones sistemáticas, repetitivas y selectivas (tipo I.R.S.), cuyo objeto fue conseguir una corona de terreno mejorado de un espesor mínimo de 3 metros alrededor del perímetro de excavación y garantizar la impermeabilización del terreno que evite la infiltración de las aguas hacia el interior del túnel.
Palabras clave: Túnel, sostenibilidad medioambiental, acuífero multicapa, cemento, inyecciones, microcemento, flysch.
The road tunnel of Urdinbide, inaugurated in 2018, goes through the multilayer aquifer of Autzagane, of great environmental importance, as it belongs to the hydrogeological system of the Urdaibai biosphere Reserve, one of the most important natural areas in the Spanish northern coast. Its construction has entailed a major environmental and technical challenge to preserve the existing aquifer, both in the final situation and during the works. To this end, a set of systematic, repetitive and selective injections have been carried out, generating a minimum 3-m-thick crown of improved terrain around the perimeter of the excavation and the waterproofing of the surrounding area, preventing the entrance of water towards the tunnel.
Keywords: Tunnel, Sustainability, multilayer aquifer, cement, injections, microcement, flysch.
El túnel de Urdinbide es el elemento más singular del proyecto de mejora de la carretera BI-635, entre la localidad de Amorebieta y la bajada del alto de Autzagane, en Bizkaia [1].
La aprobación medioambiental del proyecto se condicionó a que la ejecución de este túnel no afectase de forma apreciable al acuífero que iba a atravesar, así como al mantenimiento del sistema de captaciones y aprovechamientos existentes sobre el mismo. Esta premisa ha sido un criterio básico de diseño a lo largo de todo el proyecto (véase figura 1).
El túnel presenta dos zonas claramente diferenciadas: por una parte, un tramo cuya ejecución generaba afecciones al acuífero existente que debían minimizarse, y por otra, el resto del túnel, que no presentaba influencia sobre el acuífero y que se ha ejecutado por los procedimientos habituales de excavación del NATM.
La zona de afección específica al acuífero se situaba entre los P.K. 2+859 y 3+019 en el Eje 1, y entre los P.K. 2+840 y 3+004 m en el Eje 2 (véase figura 2).
La construcción del proyecto se dividió en dos proyectos: un proyecto inicial y un proyecto de terminación, que fue ejecutado por la UTE Viuda de Sainz, S. A. y Lurpelan Tunelling, S. A. En el proyecto de terminación se ejecutaron en avance 62 m y 63 m en los Ejes 1 y Eje 2, respectivamente, así como 160 m y 164 m de excavación en destroza. Toda la excavación pendiente se encontraba en la zona de influencia del acuífero.
En esta zona de influencia se contemplaba una sección tipo a ejecutar denominada ST-V, que incluía la ejecución de unas inyecciones sistemáticas, repetitivas y selectivas (tipo I.R.S.) con un enfoque de alta presión [2] en secciones separadas entre sí por 6 m; con ellas se pretendía un doble objetivo: conseguir una corona de terreno mejorado de un espesor mínimo de 3 m alrededor del perímetro de la excavación, y una impermeabilización que evitara la infiltración de las aguas hacia el interior del túnel.
El túnel de Urdinbide: descripción general
El túnel de Urdinbide atraviesa el alto de Autzagane, que comunica los municipios de Amorebieta y Muxika (Bizkaia), con un trazado prácticamente recto que comienza en el P.K. 2+688 y finaliza en el P.K. 3+383.
El túnel, que presenta una longitud de 700 m con recubrimientos máximos de 90 m, se diseñó con una sección circular de radio interior de 6,53 m en la zona fuera del acuífero y de 6,48 m en la zona de acuífero con sección ST-V, con una altura del centro de 1,286 m sobre el eje con el firme a lo largo de todo el túnel, consiguiéndose un gálibo mínimo de 5 m sobre los bordes de plataforma. La sección tipo del túnel presenta dos carriles por calzada.
Simulación del flujo subterráneo en el acuífero de Autzagane
Detalle de afección específica del acuífero al túnel y localización de túnel pendiente de ejecutar
Geología
El trazado del túnel afecta a 2 unidades estratigráficas que pertenecen a la Unidad Oiz, en el Sector Gernika, formado por materiales del Eoceno Inferior: una unidad de lutitas, margas y calizas entre el P.K. 3+000 y la boquilla norte del túnel, y una unidad de areniscas, lutitas y microconglomerados, entre la boquilla sur del túnel y el P.K. 3+000, consistente en una sucesión de bancos de magnitud decimétrica a métrica de areniscas, separados entre sí por intercalaciones más finas formadas por limolitas y lutitas calcáreas (véase figura 3).
De entre estos entornos, el potencialmente más peligroso, por los caudales que almacena, es el de las capas de areniscas completamente arenizadas. Tienen un característico color pardo amarillento, con una abundante presencia de agua y finos limo-arcillosos.
Hidrología
La principal utilización de los recursos hídricos subterráneos de la zona más próxima a la boca sur de los túneles de Urdinbide se produce en la cabecera del arroyo Ategorri. En este sector se localizan 4 captaciones de aguas subterráneas y 3 de aguas superficiales, pertenecientes a la red de suministro de agua del Ayuntamiento de Amorebieta-Etxano.
Estas captaciones se alimentan del acuífero de Autzagane. La recarga de este acuífero buzante con funcionamiento confinado se produce por la infiltración de precipitaciones.
Diseño de inyecciones
Objetivos
La excavación del túnel en el tramo de afección al acuífero requirió la realización de unas inyecciones previas sobre el terreno, cuyos objetivos fueron:
- Conseguir una corona de terreno mejorado de un espesor mínimo de 3 m en todo el perímetro de excavación. Este objetivo venía determinado por la estabilidad del túnel durante la ejecución. Se precisaba disponer de un grado de mejora con un aumento del valor del GSI [3] en 20 puntos.
- Reducir la permeabilidad del terreno hasta unos valores con los que la infiltración de agua al túnel no superase el caudal máximo que se podía detraer sin afectar de forma sensible al acuífero.
Descripción geométrica
Las inyecciones se realizaron desde el interior del túnel. Consistieron en recintos troncocónicos exteriores al perímetro de excavación. La geometría objetivo buscaba que la base de la superficie troncocónica (el plano definido por los puntos finales de las perforaciones) fuera un plano virtual paralelo a la estratificación. La longitud máxima de perforación era de 32 m. Con estas premisas, y asegurando un espesor de corona mínimo de 3 m, se dedujo que la longitud máxima de excavación entre dos secciones de tratamiento era de 6 m en avance (véase figura 4) y 8 m en destroza (véase figura 5).
Las coronas de tratamiento se realizaron en varias etapas (véase figura 6). Cada etapa constaba de 30 taladros en fase de avance y 19 taladros en fase de destroza.
Adicionalmente a las coronas anteriormente descritas, se realizó un tratamiento del frente para cerrar frontalmente el recinto. Este tratamiento constaba de 17 taladros de 12 m de longitud repartidos uniformemente por la
Procedimiento de inyección
Antes de proceder a la excavación de cada tramo de avance o de destroza de los tubos, debía haberse ejecutado el tratamiento de inyecciones correspondiente, de modo que el terreno tratado tuviera el grado de consolidación e impermeabilidad requeridos. El tratamiento de inyecciones de cada recinto comprendía las siguientes fases sucesivas:
Perfil longitudinal esquemático del tratamiento de inyecciones. Situación de cada etapa de tratamiento
- establecimiento de la geometría objetivo;
- instalación de boquillas tipo Preventer;
- perforación de taladros;
- inyección;
- perforación de taladros de control.
1. Establecimiento de la geometría objetivo
En primer lugar, se establecía la geometría relativa a los planes de tiro en cada fase de avance o destroza para cada una de las 4 etapas de inyección planteadas inicialmente, y también para la 5.ª etapa en caso de resultar necesario. La geometría incluía la acotación dentro de la sección de cada una de las perforaciones de inyección y de tratamiento del frente, así como su longitud y orientación (azimut e inclinación) (véase figura 7).
2. Instalación de boquillas tipo Preventer
Antes de iniciar cada perforación se instalaba una boquilla tipo Preventer (véase figura 8), que permite, mediante un sistema de válvulas, inyectar con seguridad a la vez que se controla el volumen de materiales que salen durante la perforación y la inyección de los taladros.
3. Perforación de taladros
Con la finalidad de verificar la posición y características de los niveles más permeables que iban a ser interceptados por el tratamiento, así como para evaluar el caudal surgente, antes de iniciar la primera etapa del tratamiento se perforaban 8 taladros piloto, a través de los Preventer previamente instalados, homogéneamente distribuidos a lo largo de todo el perímetro del frente de excavación.
Tras la perforación e inyección de los taladros piloto se desarrollaba la perforación e inyección de todas las etapas. El tratamiento con inyección comprendía un número de cuatro a cinco etapas en cada uno de los 30 taladros en fase de avance y de los 19 taladros en fase de destroza. Las etapas 1 y 2 más exteriores eran las primeras para obtener el recintado exterior. Las demás etapas sucesivas se implementaban para intensificar el grado de tratamiento. Los taladros de cada etapa se perforaban, a su vez, por fases de longitudes múltiplos de 6 m (6, 12, 18, 24…). Este sistema de ejecución permitía inyectar de forma selectiva por tramos y fue utilizado con resultados satisfactorios en los tramos de túnel ya ejecutados.
4. Inyección de taladros
La operación de inyección en cada taladro se dividía en 5 etapas:
- obturación;
- preparación de la lechada de inyección;
- inyección de taladros;
- criterios de finalización de inyección;
- fraguado de las inyecciones.
Las lechadas a utilizar, que dependían de la etapa de inyección y de los caudales aforados, se resumen en la figura 9.
Si en las etapas 3 y sucesivas se cerraba una inyección por volumen o por surgencia, se debía reinyectar con cemento.
Los criterios de cese de inyección por presión en cada taladro se indican en la figura 10.
Además, se definieron diversos escenarios adicionales para el cese extraordinario:
- alcance de un volumen de 120 litros de inyección de cemento por metro de taladro;
- alcance de un volumen de 80 litros de inyección de microcemento de 12 μm por metro de taladro;
- comunicación de dos o más taladros;
Tipos de lechada
Criterios de finalización de la inyección por presión
- migración de lechada hasta la superficie;
- síntomas de contaminación fuera del rango establecido en pozos, manantiales o piezómetros cercanos;
- deformaciones superiores a 10 mm en cualquier zona ya excavada.
El túnel convierte a la carretera BI-635 entre Amorebieta y Muxika en una vía más segura y con mayor accesibilidad, asegurando además la dinámica de funcionamiento natural del acuífero que atraviesa
5. Finalización del tratamiento
El proyecto contemplaba criterios de control objetivos que permitieron evaluar el grado de mejora e impermeabilización conseguido. Para el primer objetivo (mejora del terreno), el proyecto contemplaba un control basado en las presiones de inyección alcanzadas en la última etapa (véase figura 10). En cuanto a la reducción de permeabilidad, el proyecto contemplaba la realización de 8 taladros de control repartidos por el perímetro. Una vez realizados, se aforaban para medir los caudales, que debían cumplir los siguientes valores máximos en función de las características del tramo a considerar, con revestimiento estanco o drenado:
• Tramo con revestimiento estanco
– Caudal medio de los taladros de control <10 l/min
– Ningún taladro con caudal >30 l/min
• Tramo con revestimiento drenado
– Suma de los caudales de los taladros de control <1,5 l/min
Diseño de revestimiento
En la zona de afección al acuífero el túnel dispone de un revestimiento estanco en situación de servicio (véase figura 11). Para prevenir los flujos de agua desde la zona con revestimiento estanco hacia la parte del túnel adyacente, se diseña una pantalla de inyección perimetral en forma de corona, formada por 4 barreras de 42 taladros de 10 m de longitud total cada uno (Véase figura inferior).
Conclusiones
La construcción del túnel de Urdinbide ha supuesto un reto tanto desde el punto de vista técnico como ambiental por la necesidad de atravesar el acuífero multicapa de Autzagane sin generar interferencias significativas en su dinámica de funcionamiento natural.
Impermeabilización del túnel de Urdinbide
La puesta en servicio del túnel de Urdinbide, después de cinco años de obras y más de 70 millones de euros de inversión, representa la culminación de una actuación que convierte a la nueva carretera BI-635 entre Amorebieta y Muxika en una vía más segura y con mayor accesibilidad que permite que los conductores que se dirijan desde la AP-8 hacia Gernika o Busturialdea no tengan que circular por las peligrosas curvas del alto de Autzagane, uno de los puntos negros de la red viaria de Bizkaia por su elevada tasa de siniestralidad.
Referencias
1
Interbiak (2015). Proyecto de terminación de las obras del tramo Amorebieta-Muxika. Bilbao, España: Interbiak
2
Barton, N. (2004). The why’s and how’s of high pressure grouting (Editor’s choice). Tunnels and Tunnelling International.
3
Hoek, E., Brown, E.T. (2019). The Hoek- Brown failure criterion and GSI – 2018 edition. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 11, Issue 3, pp 445-463.
4
Oteo, C. (2016). El agua y los túneles. Revista de Obras Públicas 3579.