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Especial Túneles y Obras Subterráneas
Metodología de excavación con preinyección en túneles
Aplicación de la técnica en el túnel Guillermo Gaviria Echeverri (Colombia) y en los túneles de Sotra (Noruega)
Dídac Plana Aguilar
Ingeniero geológico, FCC Construcción S. A.
José Antonio Leira Velasco
Ingeniero de caminos, FCC Construcción S. A.
En este artículo se presentan las experiencias de excavación con preinyección sistemática en el túnel Guillermo Gaviria Echeverri en Colombia, y en los túneles de Sotra en Noruega. Esta metodología consiste en ejecutar una corona de inyecciones de cemento, microcemento o resinas por delante del frente a medida que avanza la excavación. El objetivo del sistema es reducir la permeabilidad del macizo rocoso en el entorno del perfil excavado para limitar el caudal drenado por el túnel hasta unos niveles preestablecidos. En consecuencia se reduce el impacto en los acuíferos del entorno. Adicionalmente, el tratamiento mejora la resistencia del terreno y favorece la estabilidad de la excavación.
La utilización de inyecciones en el terreno es algo habitual en las obras subterráneas, aunque normalmente se aplica en zonas puntuales y muchas veces con posterioridad al avance del túnel. En cambio, sistematizar la metodología hasta que forme parte del ciclo constructivo es menos común. En los países nórdicos esta práctica está muy extendida ya desde los años 60-70, seguramente debido a las características geológicas e hidrogeológicas de estas regiones y a la mayor conciencia medioambiental. Esto ha generado unos requisitos normativos y criterios muy exigentes en los proyectos, obligando al desarrollo e implementación de esta metodología de excavación con preinyección en la mayoría de los túneles que allí se ejecutan. En los últimos años, muchos proyectos internacionales incluyen esta sistematización dentro de las bases de diseño, siendo necesario tener un buen conocimiento del método para valorarlo adecuadamente y ejecutarlo de forma correcta para evitar los sobrecostes de inyecciones a posteriori a fin de corregir las posibles deficiencias.
El caso del túnel Guillermo Gaviria Echeverri en Colombia
Se trata de un túnel carretero de 9730 m de longitud y 110 m2 de sección de excavación para doble carril en calzada única. Forma parte del proyecto de construcción de la nueva autopista de Santa Fe a Cañasgordas en Colombia. Su construcción está a cargo del Consorcio CAM, formado por Colombiana de Infraestructuras SAS (filial de FCC), C. A. Solarte, Estyma S.A., y CASS Constructores & Cia SCA.
Perfil geológico del túnel Guillermo Gaviria Echeverri
Es el túnel más largo y profundo del país, y su cale se realizó en octubre de 2023. Dispone de un túnel paralelo de 35 m2 de sección para la galería de escape. El túnel alcanza coberturas de 900 m en una geología compleja formada en la mitad SE por rocas volcánicas tipo basaltos y andesitas de la formación Barroso (Jurásico superior al Cretácico inferior), y en la mitad NW por rocas metasedimentarias estratificadas de la formación Penderisco (Cretáceo) con limolitas, grauvacas, lutitas y liditas intercaladas con algunas rocas volcánicas como basaltos y diabasas.
El macizo está fuertemente tectonizado y presenta importantes fallas que son cruzadas por el túnel. Aunque mayoritariamente los materiales tienen baja permeabilidad, los niveles piezométricos locales pueden ser muy elevados y se cruzan algunos manantiales en el sector de la formación Penderisco asociados a las grandes fallas, que actuarían como barrera frente al flujo hidrológico favoreciendo el almacenamiento del agua en ciertas zonas.
El estudio hidrogeológico del túnel estableció el requerimiento de un valor máximo de caudal drenado permitido para fase constructiva y en explotación. Este criterio está basado en motivos medioambientales para asegurar que no se afectarán los acuíferos superficiales que existen en los valles y laderas de la cordillera por donde discurre. El valor que fija el proyecto de caudal máximo es 30 l/min/100 m.l de túnel, que corresponde para toda la longitud a 50 l/s.
Por otro lado, en las bases del proyecto hay otro requerimiento relacionado con el agua que hace referencia al nivel de estanqueidad del túnel, que debe ser Clase 3. Esto implica un túnel prácticamente seco en su interior donde solo se permite la presencia de manchas aisladas de humedad en las paredes.
En el proyecto se analizan y discuten varias alternativas en el diseño del túnel para cumplir estos requerimientos y se deciden los siguientes criterios básicos:
- El túnel debe ser «drenado» para optimizar la estructura del revestimiento y evitar que tenga que resistir las altas presiones de agua que se desarrollarían en un túnel «no-drenado» además de las elevadas cargas geostáticas a largo plazo.
- Colocar un sistema de drenaje así como impermeabilización entre el sostenimiento primario y el revestimiento final. El drenaje consiste en un geotextil sintético no tejido de polipropileno de 250 gr/m2dispuesto en todo el perímetro de la sección, junto con unos tubos dren de 150 mm de diámetro perforados dispuestos longitudinalmente en la base de ambos hastiales. Estos están conectados cada 50 m transversalmente con un tubo colector central de hasta 400 mm de diámetro que transporta el agua drenada a ambas bocas del túnel desde el punto alto del trazado. El sistema de impermeabilización consiste en una membrana de PVC de 2 mm de espesor dispuesta en todo el perímetro de la bóveda la sección. Este diseño asegura el concepto de túnel «drenado», es decir que el revestimiento estará libre de cargas debidas a la presión del agua, y mantiene el interior del túnel «seco» con el nivel de Clase 3 exigido.
- En los tramos de terreno con presencia de agua se implantará un sistema constructivo sistemático con preinyecciones en el frente dentro del ciclo de excavación y sostenimiento con el objeto de disminuir la permeabilidad del terreno del entorno del túnel y asegurar los criterios drenaje máximo de los acuíferos.
La metodología seguida para el sistema de avance con preinyección ha sido la siguiente:
- Investigación continua desde el frente con un mínimo de 2 sondeos destructivos de 20 de longitud, que se repite cada 15 m de avance.
- Aforo del caudal de agua en los sondeos de investigación. Si el caudal en un sondeo es Q>0.4 l/s, se deberá ejecutar como mínimo un abanico de preinyecciones.
- Tras la inyección de cada abanico, se verifica con nuevos aforos si ya cumple el criterio de caudal y, en caso contrario, se implementan nuevos abanicos de preinyecciones hasta lograrlo.
- Por detrás del frente del túnel y aproximadamente cada 100 metros, se encauza el agua de las zanjas provisionales de drenaje y se establecen unos puntos fijos de aforo en arqueta provisional. Si el caudal supera los Q>30 l/min/100 m el tramo será objeto de posinyecciones hasta alcanzar los valores requeridos.
El esquema general de las preinyecciones para el túnel principal se presenta en las imágenes de la parte superior y consiste en lo siguiente:
- Cada abanico de inyección está compuesto por unas 24 perforaciones dispuestas en el perímetro formando un cono con unos 15º de apertura, con taladros separados 1.7 m y longitud de 23 m.
- La perforación e inyección de cada abanico normalmente se divide en 2 fases, lo que permite evaluar la efectividad en la primera fase y optimizar la segunda cuando es posible. En algunas ocasiones, es necesaria una tercera fase de refuerzo.
- El solape entre abanicos consecutivos es de 5 m.
- Las inyecciones se realizan con cemento usando varias fórmulas de dosificación según el caso. La relación a/c varía de 0.7 a 1.2, y las admisiones medias son de unos 30 kg de cemento por cada m.l de perforación, aunque se alcanzan valores pico de hasta 200 kg/m.l.
En algunos tramos ha sido necesario hacer posinyecciones. Normalmente cuando la fase de preinyección se demora demasiado impidiendo el avance del túnel es cuando se toma la decisión de completar el tratamiento a posteriori. Esta elección se aplicó de forma excepcional en ciertos tramos muy complejos, sabiendo que el beneficio de seguir avanzando en el túnel tiene la contrapartida de un sobrecoste en inyecciones, que puede ser de hasta 3 a 5 veces superior por m.l de túnel frente a completar las preinyecciones. Además, dejar el tratamiento a posteriori tiene el riesgo de que se superen temporalmente los requerimientos de drenaje máximo permitido.
El diseño base para las posinyecciones se muestra en el esquema de la infografía de arriba y consiste en lo siguiente:
- Cortinas de inyección con 8 a 12 perforaciones dispuestas radialmente y de longitud 8m. La separación entre cortinas es de 4 m, aunque localmente puede densificarse.
- Las perforaciones e inyecciones se dividen normalmente en 2 fases con el objeto de optimizar si los resultados de la primera fase lo permiten.
- El esquema de inyecciones se adapta a la distribución real de las filtraciones.
- El producto inyectado puede ser cemento, pero normalmente se utilizan resinas bicomponente.
- Las admisiones son muy variables, con valores medios superiores a los 100 kg de cemento por m.l de perforación.
En el túnel Guillermo Gaviria Echeverri se ha logrado mantener los caudales totales drenados por debajo de los requerimientos exigidos. A pesar de que en algún tramo especialmente conflictivo se han alcanzado valores punta locales próximos a los 30 l/min/100 m de túnel, en el conjunto de ambas bocas del túnel el caudal drenado es de 40 l/s, inferior a los 50 l/s fijados como criterio del proyecto.
La metodología prevista en los túneles del proyecto de Sotra en Noruega
Este proyecto consiste en el diseño, construcción y mantenimiento de la duplicación de la carretera Rv‑555 que discurre por los municipios de Bergen, Fjell y Øygarden. Esta carretera tiene actualmente una calzada y un carril por sentido, y se dotará con dos carriles por sentido. El contrato fue adjudicado a finales del 2021 al consorcio de construcción formado por FCC, Webuild y SK. Incluye un total de 24 km de carreteras entre el eje principal y los accesos. Como elementos singulares destaca el nuevo puente atirantado para cruzar el fiordo de Sotra con 592 m de luz en el vano principal, y los más de 10 km de túneles repartidos en 4 túneles bitubos para el eje principal y varios túneles adicionales entre rampas de acceso y ejes secundarios.
Los túneles se excavan en un macizo rocoso de granitos y gneises granodioríticos generalmente de buena calidad. Ciertos tramos pueden afectar a acuíferos cercanos, lagos, etc. de manera que se debe implementar la metodología de preinyecciones sistemáticas en el frente allí donde sea necesario para cumplir los requerimientos exigidos. La normativa de referencia es la Norwegian Public Road Administration Handbook N500: Road Tunnels de 2021, a partir de la cual se establecen unos límites máximos de drenaje en los túneles para que se minimice el impacto de su excavación según los condicionantes particulares de tipo medioambiental, pero también de usos y otros motivos. Los distintos grados de caudal admisible que puede drenar el túnel son los siguientes:
- Q<2,5 l/min/100 m.l de túnel: requerimiento extremadamente restrictivo para zonas con riesgo directo sobre explotaciones del acuífero o por presencia de zonas urbanas donde se pueden producir asientos, etc.
- Q<5.0 l/min/100 m.l de túnel: requerimiento restrictivo, aplicable en zonas sensibles medioambientalmente, tales como la cercanía de lagos o embalses, etc.
Q<10 l/min/100 m.l de túnel: requerimiento intermedio, criterio habitual de aplicación para la mayoría de los casos.
Q<30 l/min/100 m.l de túnel: requerimiento poco restrictivo, para zonas de baja sensibilidad donde se puede ser menos exigente.
Los esquemas de inyección consisten en perforaciones dispuestas en abanicos cónicos que envuelven el entorno de la sección y que se van ejecutando de forma consecutiva con un cierto solape a medida que avanza la excavación. Se diseñan hasta cuatro tipologías de menor a mayor densidad de perforaciones según el tipo de terreno, asumiendo que para terrenos de peor calidad es esperable que el tratamiento necesario sea más masivo. En la tabla 1 se definen los cuatro esquemas de inyección definidos. Los terrenos de peor calidad incluyen una serie de inyecciones en el frente en perforaciones horizontales según se define en la tabla 2. La infografía 1 muestra un esquema tipo.
De acuerdo con la normativa vigente, se exige un mínimo de 2 o 3 perforaciones de investigación en avance para realizar aforos y determinar si es necesario inyectar o validar cuando las inyecciones han alcanzado el objetivo deseado. Se amplía a 5 perforaciones cuando el túnel se encuentra cerca de lagos o zonas con masas de agua importantes.
El aforo de las perforaciones de prueba se compara con unos criterios de máximo caudal admisible según las recomendaciones de buena práctica para túneles en Noruega, y sirve para decidir si es necesario realizar preinyecciones, o si se puede liberar la sección. Estos criterios varían en función del caudal máximo requerido en cada tramo de túnel, según se muestra en la tabla 3.
Los productos de inyección habituales en Noruega para las preinyecciones son mezclas de cemento con una relación a/c de 0.7–0.6, o microcementos con relación a/c de 1.1 a 0.7, y con superplastificantes añadidos. Para este proyecto se han establecido los materiales de inyección en función de la clase de macizo rocoso y de su permeabilidad según se muestra en la tabla 4.
El criterio de parada de la inyección en cada perforación se establece, siguiendo la práctica habitual, al alcanzar cierta presión o cierto volumen de lechada inyectada, siendo los valores de referencia 80 bares de presión o 1000 l de lechada por perforación, que equivale aproximadamente a 700 kg de cemento.
Conclusiones
Las obras de túneles tienen un amplio abanico de soluciones adaptadas a condicionantes varios, como la geotecnia, la geometría, la hidrogeología, etc. La excavación con la aplicación sistemática de preinyecciones en el frente para reducir la capacidad drenante del túnel es una metodología cada vez más extendida en las bases de diseño y en los requerimientos de los proyectos de túneles en todo el mundo debido a la mayor sensibilización medioambiental. En este artículo se presentan dos obras emblemáticas que están siendo construidas con la participación y el liderazgo de FCC en las que se ha aplicado esta metodología.
Agradecimientos
Agradecer de forma especial a todas las personas que forman parte de FCC Construcción y que hacen posible transformar en un éxito grandes proyectos que son un reto técnico en diseño y en ejecución.
