Cúa un método constructivo para túneles en terrenos difíciles basado

UMBRELLA ARCH : EN EL FERROCARRIL CARACAS-CUA UN MÉTODO
CONSTRUCTIVO PARA TÚNELES EN TERRENOS DIFÍCILES BASADO
EN LA VERSIÓN MODERNA DE LA TÉCNICA DEL
¨ MARCHAVANTI ¨
Gianfranco Perri
Ingeniero Consultor, Profesor de “Diseño Geotécnico de Túneles” en la Universidad Central de Venezuela
Resumen
Después de una breve introducción histórica y cronológica sobre la técnica del Umbrela Arch y su precursor, el
Marchavanti minero, se describe en términos generales esta moderna técnica de presoporte y preconsolidación
de los terrenos, utilizada para la excavación mecanizada de túneles en condiciones geotécnicas difíciles y
peligrosas. Luego, se reportan los datos globales y generales relativos a los 20 túneles en construcción para los
40 Km de línea férrea Caracas-Cúa y se presentan los esquemas básicos de las intervenciones consolidantes que,
mediante el uso del arco troncocónico de micropilotes y de los elementos en vidrioresina de armadura de los
terrenos, han sido hasta ahora exitosamente utilizadas en la excavación de los túneles de doble vía del ferrocarril
Caracas-Cúa.
Introducción
El "Arte", dentro de la Ingeniería de Túneles, ha ocupado siempre un lugar predominante: desde los orígenes
cuando todo era "Arte", hasta los tiempos más modernos en los que la computación y el automatismo más
sofisticado aún no han permitido prescindir de una amplia dosis de "Arte" en la adopción de nuevas tecnologías
y metodologías para la construcción de las grandes obras subterráneas.
Es así que, dentro del marco descrito, en la construcción de túneles se proponen constantemente soluciones más
o menos novedosas, basadas sobre el empirismo y la experiencia en unos casos o sobre la simple evolución de
antiguas técnicas en otros, para que sea siempre la práctica a verificar sus cualidades y defectos y, solamente
entonces por lo general, es cuando intervienen la "Ciencia" y las "Teorías" a analizar o corroborar y, (esto es
cierto), generalmente optimizar el fruto del "Arte", elevándolo a las categorías de "Técnica" y "Ciencia".
Ha sido dentro de este continuo proceso de innovación tecnológica que, desde hace algunos años (algo más que
una veintena) se ha venido experimentando (esencialmente en Italia) en la construcción de túneles de grandes
diámetros en terrenos especialmente difíciles en condiciones críticas en relación con la estabilidad de la
excavación, una técnica de preconsolidación o de conformación de un presostenimiento del terreno adyacente a
la excavación, que bien se puede definir como la técnica de un moderno "marchavanti" (del término italiano
"marciare avanti": marchar adelante), toda vez que resulta natural y casi inevitable la asociación de ideas con
aquella técnica minera que fue clásica y tradicional en el arte tunelero de todo el mundo, que consiste en hacer
preceder el frente la excavación en terrenos especialmente inestables, por la hinca en el perímetro del techo, de
una serie de elementos generalmente metálicos planos, puntiagudos, pseudo paralelos y adyacentes entre sí, hasta
formar un arco dentro del terreno del núcleo próximo a excavar (figura 1, Desimón 1939).
Claro está que todo aquello ocurría en la excavación de túneles de pequeñas secciones y en ciclos de avance
limitados a pocas cantidades de metros, en una operación extremadamente lenta y dificultosa, prácticamente
manual, que, sin embargo, permitió en innumerables ocasiones superar situaciones críticas en extremo.
En contraste, la técnica actual que en inglés se ha dado por llamar "Umbrella Arch", (arco protector), se
caracteriza por su aplicación en túneles de gran diámetro y por permitir la excavación semimecanizada casi a
sección completa y sobre tramos de avance que pueden alcanzar hasta la docena de metros.
Lo anterior se logra mediante el uso de elementos, generalmente tubulares metálicos, que se ponen en obra en
fase de avance, más allá del estrados de la excavación, introduciéndolos dentro de perforaciones especialmente
ejecutadas con gran longitud y precisa orientación, integrándose, además, tal operación con inyecciones de
mezclas cementantes que rellenan los vacíos de las perforaciones y que, siguiendo distintas variantes
tecnológicas, penetran el terreno consolidándolo a lo largo y ancho del "arco protector" así conformado (fig. 2).
Esta técnica, en los últimos años, ha dado lugar a un gran número de aplicaciones con constantes mejoras en su
ejecución a consecuencia bien sea de los progresos tecnológicos alcanzados sobre las máquinas perforadoras y
sobre las metodología de inyecciones, bien sea de la experiencia acumulada hasta alcanzar la actual sistemática
aplicación en condiciones geológicas y geotécnicas muy diferentes entre sí: desde las excavaciones en terrenos
granulares de naturaleza aluvial, en depósitos de origen glacial y en detritos de falda con grandes bloques
(coluviones), hasta las excavaciones en macizos rocosos especialmente fracturados.
Cronología de las primeras referencias
El método del arco protector, ha sido utilizado desde la segunda mitad de los años 70 como técnica de
excavación para túneles en condiciones difíciles, muy a menudo en áreas urbanas.
La más antigua referencia bibliográfica encontrada que relata una técnica constructiva bastante próxima a la del
arco protector, es de Fasoli y Pastore (1976) quienes describen la ejecución, realizada en 1975, de un refuerzo en
fase de excavación para atravesar un corto sector crítico del túnel del "Bricco" sobre la autopista Torino-Savona.
El refuerzo del arco de bóveda fue logrado ejecutando desde ambos lados del tramo problemático, perforaciones
subhorizontales, algo inclinadas hacia el estrados de la bóveda, dentro de las cuales se introdujeron tubos que
luego fueron cementados con carato.
Del mismo año es la segunda referencia, Piepoli (1976), en que se describe la construcción del túnel ferroviario
"San Bernardino", sobre la ruta Génova-Ventimiglia, siempre en Italia.
En el Simposio Internacional de Túneles que se llevó a cabo en Tokio, Jorge G.R. y Mouxaux (1978), haciendo
referencia a las técnicas de prevención de accidentes por inestabilidad del techo de las excavaciones en túneles
que se encontraban en fases constructivas durante 1978, describieron el método en los siguientes términos,
generales pero muy ejemplificativos:
“Tubes chosen to withstand the vertical loads imposed by the weight of the earth and buildings are driven
horizontally in one or more rows. They are driven 20 to 30 meters into the soil (beyond these values, allowable
deflections might be exceeded). The tubes are driven in short lengths by rotation and lubricated by betonitecement slurry that, one set, anchors them in the ground. In certain cases, valves are placed at regular intervals
along the tubes for later grouting of the surrounding ground”.
Barisone y otros (1982), aseguran que en Italia hasta 1982 había habido quince túneles en la construcción de los
cuales se había usado más o menos extendidamente la técnica del arco protector, y en su trabajo describen con
detalle siete de estos quince casos, tres de los cuales relativos a obras en ejecución en 1982 y los otros relativos a
obras ejecutadas en años anteriores.
En 1986 se realizó en Florencia el Congreso Anual de la Asociación Internacional de Obras Subterráneas y en
aquella ocasión se presentaron cinco trabajos que hacían referencia a la técnica del arco protector y en la mayoría
de los casos ilustrados, la técnica del arco protector había sido empleada mediante la utilización de la tecnología
"jet grouting" con la cual los tubos metálicos del "marchavanti" quedan embebidos dentro de una columna
previamente inyectada de carato, aumentando notablemente la eficiencia mecánica del arco; inclusive en unos
casos, solamente las columnas "jet grouting" por sí, constituían el elemento estructural, sin ser reforzadas con el
tubo o siendo a veces armadas simplemente con una barra metálica para garantizar su continuidad estructural y
para prevenir desprendimientos accidentales de pedazos de columnas de concreto durante la excavación. Los
cinco trabajos citados fueron: Balossi y otros - Barisone y Pelizza - Ceppi y otros - Faroro y otros y Lunardi y
otros.
Este último trabajo, que describe la utilización bajo distintos principios de la técnica del "jet grouting" en las
obras subterráneas, refiere del túnel ferrocarrilero "Campiolo" de doble vía entre Tarvisio y Udine, como primer
ejemplo de una importante aplicación de la técnica del arco protector ejecutado mediante "jet grouting" en 1983.
En Suramérica, se conoce de experiencias en el uso del arco protector con "jet grouting" en Brasil, como se
relata en el trabajo de Dugnani y otros (1989), presentado en el XII Congreso Internacional de Mecánica de
Suelo e Ingeniería de Fundaciones realizado en Río de Janeiro.
En el Congreso Internacional sobre Progresos e Innovaciones en la Ingeniería de Túneles, que se desarrolló en
Toronto en 1989, se presentaron tres trabajos sobre la técnica del "Umbrella Arch", respectivamente por: Barla Ceppi y otros y Pelizza y otros. En Caracas, en octubre de 1990, al Tercer Congreso Suramericano de Mecánica
de Rocas, Grasso y otros presentaron un trabajo relativo al uso de la técnica del arco protector mediante "jet
grouting", para la solución de problemas de estabilidad en correspondencia de portales de túneles.
Sucesivamente, en el año de 1991, en Milán se llevó a cabo un encuentro técnico científico internacional, del 18
al 20 de marzo, sobre la Consolidación de Suelos y Rocas en la Realización de Obras Subterráneas,
presentándose un total de siete trabajos relativos a obras subterráneas ejecutadas con el método del arco protector
en "jet grouting" armado: Bertoli y otros - Biagi y otros - Bonasso y otros - Colombo y otros - Focacci y otros Paviani y otros y Carrieri y otros.
Este último trabajo hace un breve recuento sobre diez años de experiencias en el uso del método del arco
protector al estilo "marchavanti" e incluye una tabla (figura 3) resumen de diez ejemplos de túneles excavados
con el método del "Umbrella Arch". Se indican para cada túnel, el tipo de roca, la longitud total de la
intervención, el año de ejecución, datos relativos a las perforaciones (diámetro longitud y solape), a los tubos
(diámetro y espesor) y al número de aquellos usados en cada arco, finalmente el tiempo promedio de ejecución
de cada arco y la referencia bibliográfica correspondiente a cada caso.
Los túneles del ferrocarril Caracas – Cúa
La vía férrea en construcción entre Caracas y Cúa tiene una longitud de aproximadamente 40 Km y su desarrollo
(figura 4) prevé la excavación de un total de 20 túneles de doble vía en forma de herradura con radio interno neto
de aproximadamente 5 m y arco de solera con radio de aproximadamente 8 m.
Los 20 túneles poseen longitudes y coberturas distintas, desde los valores máximos correspondientes al túnel
Tazón (el primero desde Caracas) con casi 7 Km de largo y casi 600 m de máxima cobertura, hasta el túnel “0”
(el segundo desde Caracas) con 55 m de longitud y menos de 5 m de cobertura máxima.
Todos los túneles, con excepción de los últimos dos (llegando a Cúa) que son el Pitahaya y el Mume, están
ubicados en un ambiente geológico cuyo subsuelo lo conforman rocas metamórficas que incluyen principalmente
esquistos y filitas y en menor proporción cuarcitas y mármoles.
Los esquistos son cuarzo-micáceos y grafitosos calcáreos y no, las filitas son cuarzo-grafitosas y a veces cuarzosericíticas, las cuarcitas son micáceas y los mármoles son laminados.
Las condiciones físicas de los macizos rocosos van de roca muy meteorizada o moderadamente meteorizada en
correspondencia de las coberturas menores (hasta 30 – 100 m) a roca poco meteorizada o fresca bajo las
coberturas superiores a los 100 m, dependiendo también del litotipo dominante. Los macizos se encuentran
siempre fracturados y muy plegados, con frecuente presencia de planos de fallas acompañados a veces con
brechas de algunos (2-3) metros de espesor.
Los túneles Pitahaya y Mume, de aproximadamente 500 m y 200 m de longitud respectivamente y coberturas
máximas del orden de los 50 m, se ubican entre Charallave y Cúa, en un ambiente geológico cuyo subsuelo lo
conforman los esquistos arcillo-arenosos de la Formación Tuy con horizontes limo-gravosos y niveles de arcilla
con moderado potencial expansivo.
La metodología de excavación empleada en todos los túneles es de tipo convencional, utilizándose los martillos
demoledores hasta tanto la resistencia a la compresión uniaxial de las rocas no supera limites del orden de los
300 Kg/cm² y luego haciendo recurso a las voladuras de las rocas. El soporte primario está constituido por
costillas metálicas IPN300, IPN200 e IPN140, colocadas aisladamente o en pares, separadas de un mínimo de
0.60 m a un máximo de 1.75 m y siempre integradas a una capa de concreto proyectado de espesor variable entre
10 y 30 cm, el todo dependiendo de la clase de comportamiento de la excavación.
Para las clases de comportamiento más criticas en relación con la estabilidad, la excavación procede a sección
parcial en calota, con ancho total (aprox. 11 m) y alto de aprox. 6.5 m, haciendo recurso al presoporte
constituido por el arco troncocónico de micropilotes, eventualmente integrado con elementos (micropilotes)
longitudinales de vidrioresina en el núcleo a excavar y micropilotes laterales al pie del arco de las costillas de
media sección.
Presoporte y preconsolidación de las excavaciones
En la figura 5 se representa en secciones transversal y longitudinal un esquema típico del presoporte y
preconsolidación con frecuencia empleado en la excavación de los túneles del ferrocarril Caracas – Cúa en
condiciones de clara criticidad y de potencial inestabilidad, con el objeto de proceder con la acelerada
construcción mecanizada y bajo condiciones de necesaria seguridad, también en las circunstancias difíciles
determinadas por las localmente adversas características geomecánicas de los terrenos a excavar.
La cuantía de los elementos de presoporte (micropilotes subhorizontales dispuestos en arco troncocónico) y de
los de preconsolidación (elementos longitudinales horizontales de vidrioresina en el frente) así como de los
complementarios (micropilotes laterales subhorizontales y subverticales), es variable dependiendo de las
condiciones geomecánicas específicas de cada situación:
-
Los micropilotes subhorizontales de 12 m de longitud dispuestos en arco troncocónico, se colocan con
separación entre sí que va de un mínimo de 30 cm hasta un máximo de 60 cm, a veces variable para una
misma sección entre centro de bóveda y periferia de la misma, determinando una cantidad de elementos de
entre 25 y 40 según el caso, para cada sección de intervención.
-
Los elementos longitudinales de vidrioresina de 12 m de longitud, se colocan con separación entre sí que va
de un mínimo (cuando necesario) de 1 m hasta un máximo de 2 m, en función de la presión de estabilización
requerida en el frente.
-
Los micropilotes laterales subhorizontales y subverticales de 6 m de longitud, se colocan en cantidad de
mínimo 1 en cada pie de par de costillas, hasta un máximo de 3.
Finalmente cada ciclo de avance, con sección de calota variable para garantizar en cada caso el contacto directo
entre el arco de costillas y el arco troncocónico de los micropilotes, se extiende por 8 m antes de iniciar con un
nuevo ciclo, manteniendo de tal forma en toda sección de frente, un presoporte y una preconsolidación que
afectan un mínimo de 4 metros (12m menos 8m) de longitud por excavar.
Se anexan una serie de fotografías las cuales ilustran gráficamente los equipos y las operaciones básicas de las
intervenciones de presoporte y preconsolidación empleadas en las obras.
Bibliografía
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