Problemas geotécnicos en obras subterráneas para Alta Velocidad

Túneles
Problemas
geotécnicos en obras
subterráneas para
Alta Velocidad
Carlos Oteo Mazo, Prof. Dr. Ing. de C.C. y P.; Catedrático de Ing. del Terreno
La construcción de Líneas de Alta Velocidad (L.A.V.) se ha
incrementado notablemente en España desde la inauguración
del famoso AVE Madrid-Sevilla, en Abril de 1992.
En estos casi 20 años transcurridos ya están en servicio líneas
como la de Madrid-Barcelona, Córdoba-Málaga, parte de
Sevilla-Cádiz, Madrid-Valladolid y Madrid-Valencia y en
construcción están los tramos Valladolid-La Coruña, MálagaGranada, acceso a Asturias, etc.
como los de Abdalajis, en margas y calizas, con
importante aportación de agua – se han tenido
que construir viaductos con pilas de 100 m de
altura, apoyadas en laderas margosas al borde
de la inestabilidad (zona de Álora, Málaga).
1. Introducción
Este amplio desarrollo ha tenido que
asentarse sobre unas condiciones geológicas
variadas con materiales de propiedades
geotécnicas diferentes y con orografías – que
imponen sus condiciones a un ferrocarril de
radios amplios y pendientes pequeñas – muy
diversas:
– En Asturias se ha tenido que ejecutar dos
túneles paralelos (Pajares) de gran longitud y
con problemática diversas, entre la que cabe
destacar el problema de gases inflamables, etc.
– En los trazados Valladolid-La Coruña los
diferentes sistemas orográficos imponen la
construcción de importantes desmontes y de
gran número de túneles y viaductos, en
materiales pizarrosos y graníticos, con
diferentes grados de alteración e importantes
colusiones.
– En la Línea Madrid-Valladolid se han
excavado dos túneles paralelos de 27 Km de
longitud, con 4 tuneladoras, atravesando
importantes fallas, etc.
Cierto es que gran parte de estos problemas
son comunes a cualquier línea moderna de
comunicación aunque fuese de carretera o de
velocidad media-alta, pero el carácter de L.A.V.
impone:
– En la L.A.V. Madrid-Valencia existen tramos
importantes en que ha habido que atravesar
grandes “mogotes” calizos y areniscosos, con
túneles y desmontes de apreciable longitud.
– Condiciones de amplios radios, lo que
obliga, en planta, a pocos cambios posibles de
trazado.
– En el tramo Córdoba-Málaga, a parte de
atravesar las béticas con importantes túneles –
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Túneles
– Pendientes muy restrictivas, lo que obliga,
una vez tomada una decisión en una zona, a
tener que mantener o variar poco las posiciones
en alzado.
estructura ferroviaria. A su vez pueden
distinguirse: A1) Problemas del cimiento o
terreno natural. A2) Problemas del terraplén
intermedio en relación con el terreno de apoyo.
– Gálibos dinámicos más amplios de los de
ferrocarriles normales o carreteras, lo que
obliga a una infraestructura más amplia. Este
aspecto tiene especial importancia en los
túneles, por el cambio de presión que introduce
en ellos la entrada y salida del tren, lo que lleva,
por ejemplo, a construir túneles de una sola vía,
con diámetros de perforación de 9,40 m
(Guadarrama) cuando en el Metro de Madrid
(velocidad mucho más reducida) se ha utilizado
ese diámetro para doble vía. Incluso en zona
urbana (túnel Atocha-Chamartín, actualmente
en construcción) el túnel para dos sentidos
tiene unos 11,5 m, frente a los 9,40 m del Metro,
dada la mayor envergadura de los trenes y la
posibilidad de desarrollar una velocidad algo
mayor que en el Metro.
B) Problemas en los taludes de excavación,
tanto a media ladera como en trinchera.
C) Problemas de materiales para terraplenes
y de su puesta en obra (extensión,
compactación, etc.) y su control de ejecución.
D) Problemas en túneles, a los que
prestaremos especial atención.
2.2. Problemas del cimiento de
apoyo de nueva obra.
En este grupo debemos incluir tanto el caso
de una nueva L.A.V. apoyada sobre un terreno
natural en una llanura, con pequeño terraplén
intermedio, y el del apoyo en fondo de
desmonte.
– Desgastes más intensos en el material de
vía, como por ejemplo, en el balasto, que hay que
conservar y remover con más frecuencia.
En el terreno natural pueden presentarse
diferentes problemas:
– De falta de capacidad portante y gran
deformabilidad (generalmente, demorada en el
tiempo), como suele ocurrir en los llamados
“suelos blandos”, o lo que es lo mismo: a)
Aluviales de arroyos y ríos importantes, sea en
valles estrechos o en vegas muy amplias y con
sedimentos blandos muy profundos (30-40 m,
como en la zona entre Jerez y El Puerto de
Santa María, con los consiguientes posibles
problemas de inestabilidad y deformación
diferida (Fig. 1). B) Vertederos de productos de
deshecho de la construcción y de excavaciones;
de elementos diversos, con o sin materia
orgánica (lo que introduce problemas de
– Condiciones de seguridad adicionales,
como el posible efecto de asientos de la
plataforma ferroviaria (asientos de terraplenes)
o de problemas en taludes de desmonte
próximos que pueden condicionar la
explotación de una L.A.V. Una línea férrea puede
admitir cambios de peralte y del alabeo mayores
que en este caso, dada la menor velocidad de
explotación y las exigencias de confort (casi
nulas en trenes de mercancías, que no circulan
por la L.A.V.).
En estas páginas se pretende pasar revista a
esos problemas geotécnicos presentes en el
diseño y explotación de una L.A.V., aunque, por
el espacio disponible no puede ser una revisión
ni completa ni exhaustiva.
2. Tipos de problemas
geotécnicos
2.1. Generalidades.
Queda establecer una primera clasificación
de estos problemas, de acuerdo con lo
siguiente:
Fig. 1.- Problemas de terraplenes sobre suelos blandos saturados.
A) Problemas en el terreno de apoyo de la
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Túneles
decomposición
y
de
“consolidación
secundaria”), etc. En este caso, además de la
problemática de “suelo” blando, heterogéneo y
colapsable, ha de tenerse en cuenta la reciente
Ley sobre Gestión de Residuos. En muchas
ocasiones se trata de zonas excavadas para
aprovechar material primas (graveras, minas de
bentonita, yeserías, etc.), rellenas de materiales
antrópicos incontrolados, inertes o no.
estudiarse intensamente (14 Km de tomografía
eléctrica, 6 Km de geo-radar, más de quinientos
penetrómetros dinámicos, más de sesenta
sondeos, etc.)
– De colapso en relleno incontrolados de
materiales como la “arena de miga” del centro
de la Península Ibérica, en que un cierto
contenido de agua permite la creación de
meniscos en el contacto de partículas y, por lo
tanto, la aparición de un incremento de
tensiones efectivas en dichos contactos, dado
una compacidad aparente al material
(sobretodo superficial), que puede desaparecer,
bruscamente, por saturación del material, con el
consiguiente colapso (que puede llegar al 3-4%
del volumen original).
– De disolución y arrastre, por presencia de
condiciones de deposición que han dado lugar a
estructuras metaestables, que tienen riesgos de
evolución bajo la acción del agua o de cargas
concentradas. En estos casos podemos incluir
los limos yesíferos del Valle del Ebro, con una
estructura muy floja (densidades secas del
orden de 1,20-1,30 T/m3) que tienen elevado
riesgo de colapso por inundación, ya que esas
estructuras (de deposición muchas veces
eólica) están cementadas por puentes de
sulfatos, que son disueltas por el agua, con el
consiguiente cambio brusco de volumen
(colapso), para pasar a una estructura y fábrica
más estable, produciéndose – durante el
fenómeno – un importante asiento que puede
dar al traste con la infraestructura que se
construya encima. En laboratorio se han
registrado colapsos por inundación de hasta el
30%. En la entrada de la L.A.V. a Zaragoza, hay
unos 7 Km de zona endorreica (cerca de la
famosa villa de Casetas, famosa por sus
fenómenos de colapso) que tuvieron que
– Derivados de la presencia de “huecos” bajo
la plataforma, que pueden deberse a la
formación de simas por disolución de yesos,
como en el Sudeste de Madrid, Valle del Ebro,
etc. carst calizo (como en la zona de Torija, bajo
desmontes para la L.A.V. Madrid-Barcelona), etc.
A veces, las simas pueden ser enormes (Fig. 2
y 3).
De expansividad, tanto en materiales arcillo-
sos con minerales esmectíticos (montmorillonita, por ejemplo), como en materiales
yesíferos con anhidrita (sulfato hemihidratado, con el consiguiente aumento de volumen
de su estructura) o con glauberita (que contiene la “sal de Glauber” o sal común o sea
con sulfato sódico; los iones sódicos pueden,
al circular agua en arcilla yesífera, introducir-
Fig. 2.- Diversos tipos de huecos y/o socavones debidos a causas
naturales (OTEO, 2009).
Fig. 3.- Gran Dolina de hundimientos en el termino de
Las Simas, Aragón (OTEO, 2009).
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Fig. 4.- Mapa previsor de riesgos por expansividad de
arcillas (Ayala y otros, 1987)
Fig. 5.- Construcciones de drenes de plástico.
se en el núcleo arcillosos y aumentar su
potencial expansivo, como ha sucedido al
Sudeste de Madrid). Estos Fenómenos de
expansividad tan extendidos en Expaña (Fig.
4), suelen acentuarse profundamente en desmontes y trincheras viales, ay que la decompresión abre las fisuras propias de estos
materiales (generalmente, miocenos y preconsolidados) y permite el acceso del agua a
zonas a las que hubiera tardado siglos en llegar. Problemas de este tipo se han producido
en la zona de Mont Blanc (Tarragona), en la
L.A.V. Madrid-Barcelona, tanto en dos túneles
como en una cimentación, en una central de
energía en Tarragona, etc.
Contra estos problemas hay soluciones
diversas que deben ajustarse a cada tipo de
problema. Por ejemplo, contra los problemas de
baja capacidad portante y deformabilidad
pueden utilizarse los siguientes sistemas:
Fig. 6.- Tratamiento del terreno con columnas de grava, en función de
la altura del terraplén, en la variante de Medinaceli. (OTEO, 2009)
30-40 Kn/ml). Esto sucede aunque a veces
sea una medida adicional del caso de la precarga con refuerzo, aunque, en algún caso, se
ha armado el terraplén con geotextiles muy
resistentes (cientos de KN/m.l.) para intentar
mantener su integridad sobre el suelo blando. En este último caso, es preferible repartir
los costos del refuerzo entre el terraplén y el
propio terreno blando. Refuerzos de este
tipo pueden utilizarse, también contra el riesgo de presencia de cuevas de disolución,
simas, carst calcáreo, etc. (Fig. 7).
Sustitución del material débil por otro de
mejor calidad, debidamente compactado,
siempre que se esté por encima del nivel freático, como puede ser el caso de algunos vertederos.
Precarga, con o sin aceleración de consolida-
ción (para lo que se usan drenes-banda y
columnas de grava, Fig. 5) y con o sin refuerzo del terreno blando (con columnas de grava, columnas de mortero con desplazamiento, pilotes de madera, etc., Fig. 6).
Compactación dinámica, muy aplicable en el
Refuerzo de la base del terraplén con geo-
caso de vertederos con rellenos antrópicos
con predominio térreo y(o con restos de
textiles resistentes a tracción (de al menos
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Fig. 8.- Sima hundida en zona endorreica en limos
yesíferos, cerca de Casetas, Zaragoza.
Fig. 7.- Solución utilizada en la plataforma de la Radial R-3 (Madrid)
sobre zona con cavidades cársticas en yesos (Pérez Arenas y otros,
2003).
demolición. Hay que tener cuidado para que
no queden zonas “flojas y colapsables” por
debajo de la zona compactada si le puede llegar, posteriormente agua, que puede dar
lugar a asientos. Esta solución es poco conveniente para una L.A.V., por dicho motivo.
Refuerzo del terreno blando con inyecciones
o inclusiones, como el jet-grouting. Esta solución la hemos empleado en el caso de vertederos inertes o sin precarga.
Fig. 9.- Solución adoptada en una zona de simas de
disolución en limos yesíferos, cerca de Zaragoza (zona
endorreica, OTEO, 2009).
Estructuras enterradas, a base de cabeceros
pilotados, en el que se apoyan vigas que quedan, prácticamente, ocultas, al cruzar sobre
zonas mineras rellenas con materiales inertes. Esta solución se ha empleado en alguna
autovía (R-3) y podría emplearse, perfectamente en una L.A.V.
Remoción del material problemático (como
el limo yesíferos que, a veces, produce simas
como la de la Fig. 8) y sustitución por el
mismo material debidamente compactado.
Así se hizo en la L.A.V. Madrid-Zaragoza. Ese
limo yesíferos pasa, entonces, de una densidad seca floja (1,2-1,3 T/m3) a una densidad
seca elevada (1,75-1,80 T/m3), con aumento
de su capacidad portante y con un riesgo
nulo de colapsabilidad. En este caso, hay que
cuidar las condiciones de drenaje de la zona,
para impedir la llegada de agua al nuevo
material (Fig. 9).
Fig. 10.- Simas en yesos cercana a Zaragoza (L.A.V.
Madrid-Barcelona), después de ser limpiadas y antes de
rellenarlas con mortero.
dos en simas) entre material duro, como en
la L.A.V. Madrid-Barcelona a la entrada de
Zaragoza (Fig. 10). En el caso de carstificación en el fondo de desmonte (Fig. 11) puede utilizarse la construcción de losas de hormigón con alguna armadura que resistan la
Limpieza de rellenos blandos (arcilla y yesos
con elevado contenido de humedad (instala-
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debe extenderse en toda la base del desmonte
hasta conectar con zanjas drenantes laterales,
establecidas al pie de los desmontes. En el caso
de cimentaciones en terrenos expansivos el uso
de cimentaciones profundas – suficientemente
largas – puede ser solución aunque hay que
cuidar su proceso constructivo para no cambiar
las condiciones del terreno (no introducción de
agua, ni desecación, no hacer importantes
excavaciones para construir importantes
encepados, etc.)
Fig. 11.- Hundimiento de una plataforma ferroviaria en
la zona de Torija después de ejecutar el desmonte.
3. PROBLEMAS EN TÚNELES.
Los problemas geotécnicos en túneles para
Alta Velocidad son, en parte, comunes a los de
túneles en velocidad media o baja, en cuanto a
los temas generales de emboquilles, excavación,
etc., pero la diferencia está en:
El diseño, con dimensiones adecuadas al efec-
to pistón, con gálibo amplio.
La seguridad de todos los elementos: Taludes
de emboquille, sostenimiento, deformación
de la plataforma ferroviaria, filtraciones, etc.
Es decir está en la mentalidad a la hora de
diseñar (no sólo en dimensiones, sino en
pendientes, radio de curvas, etc.) y en la
seguridad frente a la explotación y conservación.
Por ejemplo, en un túnel de pequeña velocidad
se podría pensar en que la plataforma puede
estar sobre un material deformable que
produzca asientos (o levantamientos). Pero en la
Alta Velocidad es necesario que eso no se
produzca y se necesita una solera o
contrabóveda que evite esos problemas.
Fig. 12.- Cavernas cársticas detectadas en
formaciones calcáreas (OTEO, 2009).
posible presencia de huecos cársticos (Fig.
12), etc.
Es decir, en túneles de Alta Velocidad
necesitamos:
En el caso de expansividad de arcillas, a parte
de cuidar el control del agua (adecuado
drenaje), debe cuidarse la realización de la
plataforma del fondo de desmontes. Una
solución puede ser la de sellar la entrada de
agua estableciendo un “sello” de esa plataforma
con un refuerzo de la propia arcilla tratada con
cal (1,8-2,4% en peso), construyendo dos-tres
tongadas (de 25 cm de espesor, cada uno) de
material arcilloso reforzado con cal y adición de
agua (8-10 l/m2), compactado y mezclado con
rodillo “pata de cabra” de unas 30-35 T. Este
“cierre” es más impermeable y menos alterable
por la acción ambiental que la propia arcilla y
Una geometría de diseño con amplio gálibo
(el dinámico es mayor que en otras velocidades).
Un conocimiento geotécnico de mayor
orden que en otros túneles, a fin de que el
revestimiento sea diseñado adecuadamente y
cumpla su misión resistente y de baja permeabilidad a corto y largo plazo. Esto obliga a
reconocimientos no convencionales en los
que cabe utilizar técnicas muy variadas (Fig.
13). En este sentido cabe señalar los recono-
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cimientos geotécnicos especiales en la zona
de la Falla de la Umbría (Túneles de
Guadarrama) o en el centro de los túneles
de Pajares. En ambos casos hemos realizado
perforaciones de hasta 900 m, con diámetro
del orden de 225 mm, para introducir en
ellas torpedos especiales (de 12 m de longitud) que permitieran realizar testificaciones
geofísicas múltiples, a fin de determinar
módulos de deformación dinámicos diferencias de densidad aparente, fotografías de las
paredes de la perforación, etc. (Figs. 14 a
18). También permiten introducir sondas
especiales para medir y controlar la variación
del diámetro de perforación a lo largo del
tiempo, a fin de conocer la influencia de posibles tensiones horizontales importantes. Por
supuesto, estos sondeos han de hacerse con
lodos, cuya calidad ha de vigilarse y mantenerse durante toda la operación (Fig. 15).
Estas técnicas, a pesar de todo, puntuales,
pueden combinarse con tomografía sísmica
entre sondeos (Figs. 19 y 20), caso de
Guadarrama, en la zona de la Falla de
Valparaíso, lo que permitió localizar una zona
de falla milonitizada a la altura de la traza del
túnel). Y por supuesto con tomografía sísmica (Fig. 21) y también microgravimetría para
profundidades de hasta 100-150 m.
Fig. 13.- Algunos procedimientos de prospección para túneles
Un reconocimiento geotécnico en emboqui-
lles que sea más exhaustivo de lo normal, ya
que deben estudiarse bien las fases de entrada en el talud, bien de una vez (tuneladoras),
bien en dos (avance y destroza con el
N.A.T.M.). Debe de tenerse en cuenta que a
veces se introduce una máquina en un talud
(que ha de cortarse quasivertical en su parte
baja) que, a veces, no tiene gran altura. Esa
circunstancia es muy desfavorable para el
talud y su estado debe de estudiarse con
detalle, haciendo sondeos con testificación
Fig. 14.- Sondeos especiales con lodos
(Túneles de Guadarrama, 2005).
Fig. 15.- Implantación de máquina para sondeos con lodos
(Túneles de Guadarrama, 2005).
Fig. 16.- Testigos en zona de falla (Túneles de
Guadarrama, 2005)
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Fig. 18.- Resultados de testificación geofísica (Túneles de
Guadarrama, 2005).
Fig. 17.- Sonda Schlumberger para
testificación múltiple (Túneles de
Guadarrama y Pajares).
geofísica y, a ser posible, con registro de parámetros de perforación, determinación de
RQD, grado de fracturación y meteorización,
recuperación de testigo, etc. La ayuda de alpinistas puede ser adecuada para realizar geofísica en las laderas de emboquille.
Asegurar los emboquilles y no sólo en el
talud frontal sino en los laterales, para evitar
desprendimientos sobre la vía o movimientos
laterales relativos de la vía entre la parte que
está dentro del túnel (un macizo rocoso, por
ejemplo) y la que está en la ladera por la que
se accede al túnel. En el famoso túnel nº 40
de Orense (llamado “del oro”), ese movimiento se puede ir controlando y reduciendo, pero eso es inviable e impensable en una
L.A.V. Tanto en emboquilles frontales como
laterales pueden utilizarse diversas técnicas
para aumentar la estabilidad. En la Fig. 22
aparece unas recomendaciones sobre ello.
Fig. 19.- Tomografía eléctrica correspondiente a la intersección del
lote 3 con la falla de Valparaíso (Túneles de Guadarrama, 2005)
No cabe pensar en un sostenimiento flexible
y ligero como definitivo. Si el túnel se hace
con el N.A.T.M., en cualquier caso al sostenimiento con gunitas y/o cerchas y/o bulones
debe añadirse un adecuado sostenimiento
definitivo (con un mínimo de 30-35 cm de
espesor de hormigón) para evitar envejeci-
Fig. 20.- Perfil longitudinal del túnel 4 en la falla de Valparaíso
(Túneles de Guadarrama, 2005).
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mientos del hormigón proyectado, desprendimientos, etc. En algunas zonas más débiles
(fallas, etc.), aunque hayan pasado durante la
construcción, puede ser necesario un tratamiento posterior para asegurar el comportamiento del revestimiento a largo plazo. Esta
medida es fundamental cuando existen problemas de filtraciones (como en los túneles
de Abdalajis, en la Línea Córdoba-Málaga).
También hay que tener en cuenta que las
correlaciones de Bieniawski a partir del RMR
eran inicialmente, para túneles minero. En la
Fig. 23 se incluyen nuestras propias recomendaciones para clasificar la roca a partir
del RMR.
Fig. 21.- Planta de la zona de la falla de la umbría: sondeos
y tomografía eléctrica entre sondeos. (Túnel de
Guadarrama, 2005)
Asegurar un apoyo de calidad a la vía férrea,
con una solera plana (en rocas de calidad) o
con una contrabóveda en zonas de peor calidad y, sobretodo, con agua que puede dar
lugar a alguna subpresión. En el acaso de
materiales expansivos (arcillas montmorilloníticas, con y sin anhidrita, etc.) la contrabóveda no sólo es imprescindible sino que puede necesitar un gran espesor. En los túneles
realizados con N.A.T.M. se tarda mucho en
ejecutar la contrabóveda, con lo que la
decompresión puede dar lugar al levantamiento de la zona de debajo de la futura contrabóveda. Estos efectos se pueden reducir
en el caso de realizar el túnel con tuneladora, tanto por la rapidez de cierre de la sección, como por la forma de sección (circular,
la mejor frente a estos problemas). También,
en el caso de N.A.T.M., la ventilación puede
ayudar en los fenómenos físico-químicos que
pueden originarse, como en el caso de los
túneles de Montblanc, en que el hinchamiento del terreno rompió la solera y en los que
tuvo que realizarse una contrabóveda de
mucho espesor y fuertemente armada (Figs.
24 a 26). Fenómenos de hinchamientos
importantes los hemos tenido en túneles
como los de Trasvasur (en Gran Canaria, de
tipo hidráulico, de ∅ 3,50 m), en el que el
fondo de la excavación llegó a levantarse del
orden del 70% de la altura del túnel (Fig.
27). En algún caso, cerca de Madrid, se ha
detectado presencia de glauberita (variedad
de yeso que contiene sulfato sódico). El agua
al pasar por este material, que suele estar
alternado con arcillas montmorilloníticas,
transfiere iones de sodio a estas arcillas y las
hace más expansivas. La decompresión de la
excavación abre las fisuras del conjunto y
permite la migración de agua más fácilmente
Fig. 22.- Sistemas de estabilización en función de la masa
del deslizamiento
Fig. 23.- Posible nuevo criterio de clasificación geomecánica
de macizos rocosos, desde el punto de vista geotécnico
(OTEO, 2003).
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Túneles
Fig. 24.- Levantamiento de solera en Túneles de Montblanc
(Berdugo, 2007)
Fig. 25.- Instrumentación en sección experimental de los
Túneles de Montblanc (Berdugo, 2007)
Fig. 26.- Solución adoptada en los Túneles de
Montblanc (Berdugo, 2007)
y, con ello, el aumento de la capacidad expansiva de la arcilla.
mediante perforaciones sistemáticas (red de
1,5 a 2,0 m de lado) que se rellenarán de
mortero, controlando el volumen de este
material vertido, sistema que hemos utilizado
en algún túnel en carst.
En el caso de perforar el túnel a través de
terrenos cársticos debe prestarse atención
especial a la posibilidad de huecos y cavernas
próximos al revestimiento. Si es en bóveda
puede llegar a producirse roturas y caídas del
terreno, con el impacto de una cierta masa
rocosa sobre la estructura resistente. Si es
bajo solera, ésta podría acabar rompiéndose
por flexión por efecto de mal apoyo o por
anchura excesiva del hueco. Por eso debe
comprobarse la posible existencia de huecos
Durante la construcción los procedimientos
pueden ser diferentes y, en principio, depende
de:
El tipo de terreno a atravesar.
La cobertura sobre la clave (magnitud, en diá-
metros y naturaleza de esa zona).
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Túneles
Si existen instalaciones o estructuras próxi-
mas al túnel, etc.
En la Fig. 28 se ha representado un cierto
criterio para seleccionar el procedimiento
constructivo en suelos, en función del
contenido de finos y la consistencia o
compacidad del material, y en la Fig. 29 se ha
representado un criterio para rocas, en función
del índice RMR y del grado de meterorización
del material.
Pero en esas figuras no se contempla la
profundidad de la clave del túnel. Se supone que,
al menos hay uno o uno y medio diámetros de
material resistente sobre la clave.
Fig. 28.- Criterio para seleccionar el sistema constructivo en suelos
(OTEO, 2003).
Si en superficie hay terrenos blandos, su
presencia puede crear problemas de
consistencia del terreno próximo al túnel. En la
Fig. 30 aparece un criterio para decidir la
influencia de la presencia del suelo blando
superficial. El que este predomine no quiere
decir que no se pueda hacer el túnel sino que
no podrán usarse procedimientos de frente
abierto y sí tuneladoras de frente cerrado (tipo
E.PB. y/o Hidroescudo).
En el caso de instalaciones o estructuras
próximas al túnel (lo que suele presentarse en
la llegada de una L.A.V. a un ciudad o en túneles
que la atraviesen) el túnel puede, si eso es
posible geométricamente transformarse en un
túnel a cielo abierto al abrigo de pantallas, lo
que permite controlar los movimientos
superficiales gracias a la rigidez de las pantallas
y sus apuntalamientos (losa superior, puntales
intermedios, contrabóveda o solera, etc.).
Fig. 29.- Posible criterio de procedimiento constructivo en roca
Pero en el caso de usar tuneladora en el
acceso o cruce de una ciudad, el problema se
convierte en el típico de túnel urbano, como es
el caso de la conexión Atocha-Chamartín,
actualmente en construcción en Madrid.
Entonces se ha de tener en cuenta la
subsidencia
(asientos
y
movimientos
horizontales) que origina la excavación
subterránea, la forma de la cubeta de asiento, la
extensión transversal de la misma, la forma de
estimar estos movimientos (por ejemplo con el
Modelo Madrid), etc. En este caso, si hay posible
afección a edificios (Fig. 31) pueden utilizarse
las soluciones de barreras (inyecciones,
micropilotes, etc.) entre túnel y edificios, las de
inyecciones de compensación (Fig. 32), las de
Fig. 30.- Criterio para definir la influencia de la presencia del suelo
blando superficial (OTEO, 2010).
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Túneles
Fig. 31.- Zona de influencia de una excavación subterránea
sobre un edificio próximo(OTEO, 2011).
reparación del edificio (cuando se esperan
ligeros daños), etc. Para todas estas operaciones
el estudio del estado de los edificios
(contrastados con documentación notarial) y la
auscultación de los mismos y del terreno es
imprescindible.
Fig. 32.- Inyecciones de compensación desde pozo y barreras
entre el túnel y los edificios (OTEO, 2011).
Km. (en España hay experiencias hasta de 13,5
Km. con una sola tuneladora). Como estos
túneles urbanos para L.A.V. de unos 6 Km. de
longitud, como el de Atocha-Chamartín) vienen
a construirse atravesando materiales que
pueden calificarse como “rocas”, aunque sean
relativamente blandas – como las margas,
generalmente alternadas con calizas más
competentes – y/o relativamente duras
(granitos, gneises, etc.).
En túneles con longitud de varios kilómetros
(al menos, más de 3,0-3,5) puede ser “rentable”
el uso de tuneladoras a sección completa tanto
desde el punto de vista económico como por
seguridad. En ocasiones, por problemas de
plazo, puede ser aconsejable la utilización de
estas máquinas con algo menos de longitud.
Pero donde se vuelven absolutamente
convenientes es para longitudes de más de 5
Entonces el dilema que se puede presentar
es el de la elección del tipo de tuneladora. Puede
pensarse, en principio, en seleccionar una
tuneladora de frente cerrado, tipo rozadora, con
la reacción a base de “grippers” o zapatas que se
Fig. 34.- Falla de Valparaíso. Tratamiento en sección transversal al
túnel (OTEO, 2005).
Fig. 33.- Falla de Valparaíso tratamiento en planta (OTEO,
2005).
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Túneles
apoya en la roca, circunferencialmente, que se
va excavando. Pero este sistema exige que, de
forma continua, exista roca de calidad
suficiente. Si aparecen fallas con milanito y zonas
alteradas puede tener un doble problema: a) No
hay reacción circunferencial suficiente para
avanzar. b) La tuneladora puede cabecear y
llegar a salirse de gálibo, como ocurrió en la falla
de Valparaíso, en el primer túnel de los dos de
Guadarrama. En la Fig. 20 puede verse la
situación relativa tuneladora-falla, la zona del
fallo y en esa figura y en las Figs. 33 y 34 el
tratamiento del terreno que hubo que hacer
para rigidizar el terreno y poder avanzar
(sacando, previamente, por el frente de la
máquina, ocho robles jóvenes). Pero ese avance
fue posible por que la tuneladora era del tipo
“doble escudo”, de forma que la reacción para
que avanzarse se conseguía bien con gatos
hidráulicos contra el revestimiento de dovelas
(de hormigón armado) que se iba colocando
sistemáticamente. De todas formas, en este
caso, unos 200 m quedaron fuera de gálibo y fue
necesario, después de acabar el túnel, proceder
a su demolición parcial y realización de nueva
bóveda. Estos “dobles escudos” son más caros,
pero pueden solucionar problemas en caso de
aparecer zonas claramente más débiles. En el
túnel de San Pedro (Madrid-Guadarrama) el
emplear tuneladoras de tipo “roca” dio tan
serios problemas que hubo que cambiar el
sistema constructivo y avanzar con el N.A.T.M.
Ello implica que, en estos casos de roca, el
reconocimiento geotécnico debe de ser muy
detallado, con determinación cuidadosa del
grado de meteorización del material. No basta
indicar que “hay granito” ¿Cómo está de
alteración, cuáles son los espesores de cada
Fig. 35.- Socavón en boca sur del túnel de
Guadarrama.
horizonte, etc.? En Oporto (aunque era para el
Metro) también se presentaron serios
problemas para las tuneladoras E.P.B. al insistir
en emplear la denominación geológica de “roca
ígnea”, a pesar de que se había distinguido
diversos grados de meteroización (desde el I de
roca sana al de VI o de suelo residual). En algún
caso se formaba una “pelota” de material en la
cámara que se calentaba y era muy difícil su
extracción. Sin embargo, en la Variante de
Camarillas recientemente construida, se
perforó – con total éxito – un túnel de doble
vía con una E.P.B., en calizas. Las
discontinuidades eran de poco espesor y el
avance se conseguía con gatos contra las
dovelas, sin que se presentaran problemas
especiales.
En estos casos de tuneladoras hay que cuidar
los emboquilles de entrada y salida. Conviene
que las pareces a excavar (en ambos casos) sean
lo más verticales posible, lo que obliga a
reforzar los taludes con micropilotes, bulones,
gunita, etc. En el caso de tener sólo “grippers”
puede llegarse a realizar una excavación inicial,
de mayor diámetro, que permita introducir toda
la cabeza de la tuneladora, empujando desde
fuera, hasta que puede apoyar los “grippers”
algo alejados de la superficie del propio talud. El
uso de “grippers” en zonas muy alteradas y
cerca de la superficie, si el terreno está algo
alterado, puede paralizar la máquina
(fragmentos de roca impiden retirar grippers) o
provocan socavones, Figs. 35 y 36). Para la
salida puede hacerse (sean “grippers” o gatos
hidráulicos) un sistema parecido (siempre
hemos sido partidarios de “entrar” en el
terreno en vez de salir directamente).
Fig. 36.- Tratamiento del socavón de la boca sur del
Túnel de Guadarrama (OTEO, 2005).
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Fig. 37.- Espesor mínimo de recubrimiento de
terreno sobre clave de túnel, H, en función
de la resistencia a penetración dinámica.
Fig. 38.- Presión en la parte superior de la
cámara frontal de una tuneladora E.P.B., en
arenas.
Fig. 39.- Posible presión en parte superior de
Tuneladora EPB en arcilla.
En los casos de túneles urbanos es necesario
contar siempre con un mínimo de espesor de
terreno competente por encima de la clave
del túnel. En la Fig. 37 se ha indicado el espesor mínimo de recubrimiento de suelo sobre
Túneles
la clave del túnel, en función de la resistencia a la penetración dinámica (S.P.T.). Como
se ve con terreno muy duro puede llegarse
a excavar, sin problemas especiales, con sólo
medio diámetro de terreno (hasta superficie o hasta un terreno blando) por encima
de la clave del túnel. Sin embargo, en suelos
poco competentes, es necesario contar, al
menos, con dos veces el diámetro.
de túneles, por expansividad y extensión de
arcillas (por decompresión), hinchamientos
debido a procesos químicos en anhidritas y
otros minerales, etc.
En la ejecución de túneles urbanos para
L.A.V. se ha de optimizar el suso de tuneladoras E.P.B., previendo adecuadamente las
presiones de la cámara y disminuyendo los
efectos sobre estructuras próximas con
inyecciones de compensación, barreras de
jet-grouting, etc.
La presión en la parte superior de la cáma-
ra frontal de una tuneladora E.P.B. en suelos
depende de la naturaleza y consistencia del
mismo. En el caso de arenas, para conseguir
estabilidad en la zona frontal y disminuir el
riesgo de sobreexcavación (puede ser necesario aplicar presiones altas si el terreno no
tiene finos (presión que depende del recubrimiento sobre clave o presión total sobre
la misma), tal como se aprecia en la Fig. 38.
En arcillas para resistencias a compresión
simple bajas puede ser necesario aplicar
presiones de 10 a 20 T/m2 en la parte superior de la cámara (Fig. 39).
El seguimiento y auscultación de estas obras
es imprescindible (durante la construcción
y explotación) para alcanzar un grado de
seguridad aceptable.
5. BIBLIOGRAFÍA.
BERDUGO, I. R. (2007). “Tunnelling in sulphate
–bearing Rocks. Expansive phenomena” Tesis Doctoral.
Universidad Politécnica de Barcelona.
DIEZ, C. y PELÁEZ, M. (2007) “Túneles de Pajares”
Congreso Int. “Los túneles, factor de transformación”
AETOS, Madrid.
MENDAÑA, f. (2004). “Double shied TBM’s in the
Construction of the Guadarrama tunnels” Int. Congress
on Mechanized Tunnelling: Challenging Case Histories”.
Turin- Noviembre.
4. CONCLUSIONES.
A manera de resumen de todo lo
anteriormente expuesto puede decirse:
OTEO, C. (2003) “Consideraciones geológicogeotécnicas para el estudio de la infraestructura de
obras lineales”. Cáp. 5 del Libro INGEOTER 3, editado
por C. López Jimeno. Madrid.
En las L.A.V. el reconocimiento geotécnico
debe de ser muy exhaustivo, ya que a los
problemas geotécnicos habituales se añade
el riesgo de una mayor velocidad de operación ferroviaria, lo que hace aumentar el
riesgo de daños por movimientos anómalos
en la vía, desprendimientos de bloques, etc.
OTEO, C. (2005) “Geotecnia, auscultación y modelos
geomecánicos en los túneles ferroviarios de
Guadarrama” Túnel de Guadarrama. Ed. Entorno
Gráfico, S. L. Madrid.
OTEO, C. (2009).“Doce lecciones sobre Geotecnia de
infraestructuras lineales del Transporte”. Asociación
Técnica de Carreteras” Madrid.
OTEO, C. (2010). “La ejecución de túneles en suelos
blandos: Experiencias”. Jornadas de Ingeniería GeológicaGeotécnica de túneles. Madrid. Mayo ICOG-CEDEX.
En el caso de túneles hay que aumentar los
esfuerzos por alcanzar un conocimiento del
terreno lo mejor posible. Ello hace que tengan que realizarse prospecciones (en zonas
interurbanas) largos y con técnicas especiales: a) Empleo de lodos. b) Intensificación de
la testificación geofísica, con sondas especiales que estimen la deformabilidad del
macizo, los cambios de diámetro en taladros, las condiciones hidrogeológica. c)
Utilización de microgravimetría, cross-hole
de grandes dimensiones, tomografías sísmicas y eléctricas, etc.
OTEO, C. (2011). “Inyecciones de Compensación”.
AETESS-SEMSIG. Vol. Sobre Tratamientos en túneles y
galerías. Sesión 11ª. Madrid. En prensa.
OTEO, C.; DIEZ, F.; TRABADA, J.; DÍAZ, J. M. y
HERRERA, M. (2007). “Soil treatment during the
extension plan of the Metro of Madrid (2003-2007)”
Proc. of the 14th European Conf. on Soil Mech. and
Geotech. Eng. Madrid. Vol. 4, pp. 2137-2146.
PÉREZ ARENAS, R.; ORTIN, J. A.; OTEO, C.;
CASTANEDO, F. J. y MONTEJANO, J. C. (2003).
“Tratamiento de la plataforma de la Radial R-3 a su
paso por una zona con riesgo de existencia de cavidades
cársticas por la existencia de un sustrato yesífero”. III
Congreso Andaluz de Carreteras. Vol. I, pp 1001-12.
VARIOS AUTORES (2005). “Los túneles de
Guadarrama”. Ed. Entorno Gráfico, S. L. Madrid.
Es necesario tener en cuenta el riesgo de
levantamiento de la zona de contrabóveda
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