Caso historia de los túneles de conexión entre cuatro lumbreras,

XXVI Reunión Nacional de Mecánica de Suelos
e Ingeniería Geotécnica
Sociedad Mexicana de
Ingeniería Geotécnica, A.C.
Noviembre 14 a 16, 2012 – Cancún, Quintana Roo
Caso historia de los túneles de conexión entre cuatro lumbreras,
construidos en suelos arcillosos al Norte del Valle de México
Case history of four shafts connected with tunnels in Mexico city clay deposits
Clemente PANIAGUA-CALDERÓN1, Arturo ZAVALA-QUEZADA2, Juan Jacobo SCHMITTER-MARTÍN DEL
CAMPO1, José Luis RANGEL-NÚÑEZ3 y Enrique IBARRA-RAZO4
1Ingenieros
Civiles y Asociados
Nacional del Agua
3UAM-Azcapotzalco
4Ingeum Ingeniería
2Comisión
RESUMEN: Se presenta el análisis, diseño y comportamiento de los túneles de interconexión de una Estación de
Bombeo localizada al Norte del Valle de México. Los túneles de conexión entre las lumbreras son de sección en
herradura, de 6.12m de diámetro equivalente, y longitud variable entre 14 y 67m. Estos túneles cortan suelos arcillosos y
limo-arenosos del Valle de México, bajo condiciones de carga piezométrica media pero con fracturamiento intenso
preexistente. Dada las condiciones del subsuelo, los túneles fueron planeados para construirse con tratamiento del suelo
previo a la excavación mediante sustitución por jetgrouting o pilas; sin embargo, dichos mejoramientos, si bien fueron
realizados exitosamente, solamente pudieron aplicarse de manera parcial, por lo que se requirió de un procedimiento
convencional alterno. En este artículo se presenta el procedimiento convencional alterno, su análisis, diseño e
implementación constructiva, así como el comportamiento de dichos túneles durante las diferentes etapas de
construcción.
ABSTRACT: The analysis, design and behaviour of tunnels interconnecting shafts of a Pump Station located at North of
the Mexico City Valley is presented. The tunnels are horseshoe-section of 6.12m equivalent diameter and length variable
between 14 and 67m. These tunnels cut typical clay deposits of the Mexico City Valley, under mean piezometric load and
with intense fracturing preexisting. Given the ground conditions, these tunnels were planned to be constructed with soil
treatment prior to excavation. However, such improvement, although it was made successfully, could be applied only
partially, so that it took a conventional tunnelling procedure. This paper presents the analysis, design and implementation
of the tunneling process, and the behavior of these tunnels during different stages of construction.
1 INTRODUCCIÓN
La planta de bombeo “El Caracol” se localiza en el
Municipio de Ecatepec, en el Estado de México (Fig
1.1), y tiene como función distribuir el desalojo de
aguas residuales y pluviales de la Cuenca del Valle
de México, elevando las aguas provenientes del Río
de la Compañía del Dren General del Valle y del Río
de los Remedios, hacia el Gran Canal de Desagüe.
En general, la Planta de Bombeo está integrada
por una Lumbrera de Rejillas (LR), dos Lumbreras
de Cárcamos (LC1 y LC2), un Túnel de Conexión
entre la lumbrera L-5 del TEO y la LR y dos Túneles
de Conexión entre las lumbreras LR y LC1 y LC2,
como se muestra en la Fig 1.2.
Las lumbreras de los cárcamos tienen un
diámetro de 20m, mientras que las de rejillas y la L-5
de 16m. El túnel de conexión es circular de 5m de
diámetro en su terminado final, pero de forma de
herradura en su sección de excavación, con una
altura y ancho de excavación de 6.13 y 6.12,
respectivamente y su eje a 45.3m de profundidad,
(Fig 1.3).
La longitud máxima del túnel entre los cárcamos y
la rejilla es de 14.28m, mientras que entre la rejilla y
la lumbrera L-5 existe una distancia de 67.3m.
Es importante resaltar que en principio se
contemplaba mejorar el terreno para construir los
túneles de conexión, sin embargo esto fue
parcialmente posible en los primeros 17m a partir de
la lumbrera de rejillas (mejoramiento con pilas y jetgrouting), pero en el tramo restante no existía
acceso al lugar para llevar a cabo dicho
mejoramiento.
Asimismo, en la periferia de la lumbrera L-5 existe
una zona de sustitución del terreno de 2m de ancho
mediante pilas.
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA, A.C.
Caso historia de los túneles de conexión entre cuatro lumbreras construidos en suelos arcillosos al Norte del
Valle de México
2
Lumbrera L-5
encontrada en los sondeos de exploración
geotécnica complementarios realizados durante
construcción en las cercanías de las lumbreras de
rejillas y de la L-5 del TEO, en cuanto a la ubicación
de las unidades estratigráficas al nivel del túnel; sin
embargo, existen diferencias en las propiedades
mecánicas principalmente en las unidades que cruza
el túnel.
Planta de
Bombeo
6.12
0.1
NOMENCLATURA
3.05
3.05
Figura 1.1 Localización de la Planta de Bombeo El
Caracol, Google 2011
2.5
6.13
Pozo de bombeo
CARCAMO 2
Estación piezométrica
Mejoramiento con pilas
Línea A
Línea B
4.82
REJILLAS
CARCAMO 1
3.08
Sondeo SPT
Figura 1.3 Geometría transversal del túnel de conexión
En general y hasta la profundidad explorada se
encontraron suelos lacustres y aluviales, formando
cinco unidades estratigráficas principales, a saber:
Mejoramiento con jetgrout
L-5
45.3m
52.9m
LUMBRERA
LUMBRERA
LUMBRERA
58.4m
REJILLAS
L-5
CARCAMO 1
D
D=16m
67.3m
D=16m
D=5m
14.3m
20m
Figura 1.2. Planta y corte general de la Planta de Bombeo
El Caracol
En este artículo se presenta la estrategia de
análisis y diseño de dichos túneles, su proceso
constructivo
y
su
comportamiento
durante
construcción. Una característica sobresaliente de
este proyecto, es la complejidad geométrica de la
conexión entre las estructuras y el tuneleo en suelos
arcillosos preconsolidados y fisurados.
2 CONDICIONES GEOTÉCNICAS
A partir de la campaña de exploración realizada así
como de la información geotécnica disponible, se
elabora el modelo geotécnico de los túneles de
conexión.
Resalta la similitud estratigráfica
Arcilla y limo de alta plasticidad (1A a 1C). De 0
a 26.5m se observa la serie arcillosa superior
(CH), presentando muchos lentes duros (L1 a
L3). El nivel de aguas freáticas que se encuentra en esta unidad es colgado y se ubica a 13m
de profundidad, con abatimientos parciales de
las presiones de poro.
Limo arenoso de color gris verdoso (2A y 2B).
De 26.5m a 38m se presenta un limo MH, con
lentes de arena fina negra y de ceniza volcánica, con un número de golpes a la penetración
estándar mayor de 50. Entre los 26.5m y 31.5,
el suelo tiene una consistencia dura, por lo que
se dificulta su excavación con equipo convencional. Esta unidad presenta abatimientos importantes de la presión de poro.
Arcilla limosa de color gris verdoso (3A y 3B).
De 38m a 43m, existen depósitos de arcillas limosas fisuradas, donde el número de golpes a
la penetración estándar promedio es de 45; sin
embargo, entre 38 y 40m se presenta una arcilla muy blanda, con un número de golpes promedio de 6. Este estrato es muy importante
desde el punto de vista de tuneleo ya que se localiza muy cerca de la clave del túnel, teniendo
cohesiones bajas y está fisurado.
Arcilla limosa dura (4). Entre 43 y 49m de profundidad, que es prácticamente donde se excavará
el túnel, se presenta una arcilla dura con valores promedio de la penetración estándar de 40.
Si bien esta unidad es buena para el tuneleo,
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3
PANIAGUA C. et al.
este puede dificultarse dado que se presentan
lentes de arena permeables en la parte inferior
del túnel que pueden aportar agua y causar
inestabilidad local en caso de no controlar el
bombeo de la zona adecuadamente. Asimismo,
al igual que la unidad 3, esta arcilla presenta un
fisuramiento semivertical por lo que tiende a
romperse en bloques de hasta 1m de altura. Este fisuramiento puede provocar infiltraciones de
agua hacia el túnel de manera local.
Arcilla limosa de color gris claro (5). De 49 a
59m se presentan intercalaciones de arcilla y
limos de color gris claro y café claro. En los
primeros 5m del estrato se encuentran arcillas
de consistencia dura, con un número de golpes
promedio de 40, pero en algunos estratos delgados localizados debajo de los 54m el número
de golpes puede bajar a 10. Es importante señalar que entre 49 y 50m de profundidad se localiza un estrato arenoso saturado el cual puede causar problemas de inestabilidad del fondo
de la excavación.
Los túneles de conexión se ubican entre las
profundidades de 42 y 49m, por lo que cortarán las
unidades 3B y 4, que son arcillas limosas duras y
muy duras fisuradas, aunque cerca de la clave se
tiene una arcilla blanda (3A), que puede generar
problemas de inestabilidad local en la clave del
túnel; asimismo, cerca del piso del túnel se tiene un
estrato de arena saturado, que como se comentó
previamente, puede provocar inestabilidad del fondo
de la excavación si no se drena adecuadamente.
Analizando la variación del número de golpes a la
penetración estándar y los valores de las
propiedades mecánicas obtenidas del muestreo
inalterado, se observa un descenso ligero de los
valores de dichas propiedades en dirección hacia la
lumbrera L-5 del TEO, principalmente en los estratos
3A y 3B. Este aspecto tiene influencia en el diseño
geotécnico
principalmente
en
el
proceso
constructivo. En la tabla 2.1 se indican los valores de
las propiedades mecánicas asignadas a cada unidad
estratigráfica, que se emplean en los análisis
geotécnicos.
Para el caso de los túneles de conexión entre las
lumbreras de rejillas y los cárcamos, los valores de
la cohesión no drenada de los estratos 3A y 3B
cambian a 110 y 150kN/m 2, respectivamente.
Otro aspecto que se debe considerar en el
comportamiento de los estratos arcillo limosos
ubicados a la profundidad del túnel, es el
agrietamiento que presentan. En efecto, este tipo de
suelo tiende a romperse en bloques limitados por
caras planas, con dimensiones hasta de 1m.
3 ANÁLISIS GEOTÉCNICOS
Para el análisis del procedimiento constructivo y
soporte primario de los túneles de conexión entre la
lumbreras L-5 y de rejillas, y de rejillas con los
cárcamos se emplean dos métodos: en principio el
Método de Simplificado de Estabilidad de Túneles
(MSET, Tamez, et al, 1997) a fin de tener una visión
general del proceso constructivo, y posteriormente
se emplea el Método de Elementos Finitos 2D (MEF)
a fin de detallar el diseño tanto del proceso
constructivo como de las condiciones de trabajo del
revestimiento primario y secundario de los túneles.
Tabla 2.1
Propiedades mecánicas de las unidades
estratigráficas del túnel de conexión lumbreras de rejillas y
L-5 del TEO
Profundidad
Estrato
Relleno
de - a (m)

(kN/
m³)
Eu
(kN/
m2)
10,000

cu
(kN/
m2)

(grad
)
Ko
0.35
20
30
0.6
(-)
(-)
0.0
2.0
16.0
1A
2.0
12.0
12.5
8,000
0.45
50.4
0
0.82
L1
12.0
13.5
13.0
22,000
0.35
220
0
0.54
1B
13.5
16.5
12.6
3,330
0.45
33.3
0
0.82
L2
16.5
19.5
13.2
18,000
0.35
18.4
0
0.54
1C
19.5
20.5
12.1
4,166
0.45
83.1
0
0.82
L3
20.5
22.5
12.9
15,000
0.35
100
0
0.54
1D
22.5
26.5
14.5
13,000
0.45
14.3
20
0.82
2A
26.5
31.5
12.7
21,052
0.4
181.5
0
0.67
2B
31.5
38.0
15.0
30,000
0.4
200
0
0.67
3A
38.0
40.0
13.2
15,000
0.45
100
0
0.82
3B
40.0
43.0
13.2
22,500
0.45
130
0
0.82
4
43.0
49.0
16.0
30,000
0.4
200
0
0.67
L4
49.0
50.0
14.9
30,000
0.35
20
30
0.54
5A
50.0
51.0
13.2
22,500
0.45
150
0
0.82
L5
51.0
55.0
15.9
17,575
0.4
210
0
0.67
5A
55.0
56.1
12.3
22,500
0.45
150
0
0.67
5B
56.1
60
15.9
17,575
0.4
210
0
0.67
Siendo:  el peso volumétrico; cu la cohesión no drenada
determinada con pruebas triaxiales; Eu el módulo de elasticidad no drenado y  la relación de de Poisson.
En el análisis con el MEF se consideran las
siguientes etapas a fin de tomar en cuenta el
proceso constructivo del túnel:
i.
ii.
iii.
iv.
Generación de los esfuerzos geoestáticos
considerando el abatimiento de las presiones de poro.
Abatimiento del nivel de aguas freáticas a
2m por debajo del piso del túnel a fin de excavar y colocar el soporte en condiciones
secas.
Excavación de la sección superior del túnel
con avances de 1.0m y la colocación del soporte primario. Esta secuencia, excavación y
colocación de soporte se realiza hasta el final del túnel (longitudes totales de 14.23m y
67.3m). La longitud de excavación se representa en el análisis numérico a través de la
estrategia Mstage indicada en el programa
PLAXIS, donde la carga en el modelo se
aplica por pasos.
Banqueo. Se excava la sección inferior del
túnel con avances de 2.0m y se coloca el
respectivo soporte de la excavación. También se emplea la estrategia Mstage para
representar el proceso constructivo en el
modelado numérico
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4
Caso historia de los túneles de conexión entre cuatro lumbreras construidos en suelos arcillosos al Norte del
Valle de México
Es importante comentar que el revestimiento
primario empleado para el soporte del túnel está
formado por una capa de concreto lanzado y arcos
metálicos, por lo que su trabajo en conjunto se
modela mediante un espesor de revestimiento
equivalente, considerando la suma de sus rigideces
kT=kc+ks.
Resultados. El análisis con el MSET indica que los
factores de seguridad, tanto del frente como el
general, son bajos, en algunos casos menores que
la unidad, y al considerar el ataque a media sección
los valores de dichos factores son aceptables, entre
1.5 y 2; sin embargo, en el caso del túnel de
conexión Rejillas-Lumbrera L5, los factores de
seguridad siguen siendo bajos, razón por la cual se
recomienda considerar el mejoramiento del subsuelo
o alternativamente emplear un sistema de protección
del frente de la excavación mediante el refuerzo del
frente con anclas pasivas de fibra de vidrio o de
acero y la colocación de una bóveda paraguas en la
clave del túnel.
El análisis del refuerzo del frente de excavación
con anclaje pasivo considera que la capacidad de
dicho anclaje se diseña en función del valor del
empuje activo presente en el suelo más un factor de
seguridad. Dado que este anclaje se coloca en el
frente de excavación, a medida que el frente avanza
la longitud activa de dicho anclaje va disminuyendo y
por tanto también el empuje que puede aplicarse a
través del anclaje pasivo.
Por su parte, los resultados del MEF indican
también condiciones de riesgo durante la
construcción. En la Fig 3.1 se observa que la etapa
constructiva que produce el mayor desplazamiento
total es cuando se realiza el banqueo.
El desplazamiento total de esta etapa es de
10.6cm. El desplazamiento total inicial previo a la
colocación del revestimiento (etapa 1), genera un
desplazamiento ligeramente menor, de 7.1cm.
Debido a que el desplazamiento máximo
acumulado durante todo el proceso constructivo del
túnel es del orden de los 17cm, aproximadamente, la
excavación de la sección superior representa un
41% de la total, y el banqueo el 59%. Respecto a las
zonas plastificadas generadas alrededor del túnel,
se observa que son amplias y cerca de generar
zonas de falla franca.
Dado que se observan zonas de plastificación
importantes generadas alrededor del túnel, es
recomendable emplear un sistema de protección
contra la falla del frente y de las paredes durante el
proceso constructivo como el recomendado
anteriormente.
Figura 3.1 Desplazamientos totales en cada etapa de
excavación y colocación del soporte
4 PROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVO
Con base en los análisis geotécnicos el proceso
constructivo propuesto es:
i.
ii.
iii.
iv.
v.
vi.
Abatimiento de las presiones de poro
Instalación de la bóveda paraguas de 3m de
longitud ubicada en la zona de clave del túnel
abarcando un perímetro con una proyección de
90º.
Ataque de la media sección superior con avances de excavación sin soporte de 0.8m. Para la
colocación de la rastra se realizan excavaciones locales con una longitud no mayor de 1m
(coyoteras). El ataque de la media sección se
realiza dejando un prisma frontal de suelo.
Colocación del revestimiento primario de la
sección superior formado por marcos de acero
(IPR 8”x5 ¼”-31.3kg/m) @1m, con una capa de
20cm de espesor de concreto lanzado (f’c=400
kg/cm2) reforzado con fibras metálicas (DRAMIX ZP-305, 40kg/m3) y una malla electrosoldada 6x6-6/6.
Repetir las etapas iii y iv hasta concluir la excavación superior. Se cuidará que el traslape entre los sistemas de bóvedas paraguas consecutivas sea de 1m.
Banqueo. Iniciará el banqueo del túnel una vez
que se haya concluido con la colocación del revestimiento primario en toda la sección superior, conectado con la lumbrera de cárcamos,
construido el sistema de drenes semiverticales
en el piso de la sección superior del túnel, y en
caso dado drenes horizontales en la sección inferior, y haber alcanzado la estabilización franca
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de los desplazamientos del soporte ya instalado. El banqueo se realizará con avances de 2m.
Colocación del revestimiento primario del túnel
en la sección inferior formado por marcos de
acero (IPR 8”x5 ¼”-31.3kg/m) @1m, con una
capa de 20cm de espesor de concreto lanzado
(f’c=400 kg/cm2) reforzado con fibras metálicas
(DRAMIX ZP-305, 40kg/m3).
Repetir las etapas vi y vii, hasta terminar el túnel.
Colocación de revestimiento secundario
Construcción de la trabe de borde
vii.
viii.
ix.
x.
Asimismo, es importante comentar que se
presentaron casos aislados donde se observaron
caídos locales en el techo y desplazamientos súbitos
del suelo en el túnel de conexión rejillas – lumbrera
L-5. Estos desprendimientos que fueron generados
principalmente por fisuramiento existente en la arcilla
que fue activado por el proceso constructivo.
Finalmente, es conveniente comentar que
durante la última etapa de construcción de los
túneles se presentó un sismo importante, el cual no
generó daño alguno ni en los soporte de los túneles
o lumbreras, ni en el terreno propiamente.
.
Para el caso del túnel de conexión entre las
lumbreras de rejillas y la L-5, donde se tienen
factores de seguridad bajos, es necesario proteger el
frente de excavación con un sistema de anclas de
fricción pasivas, adicional a la bóveda paraguas.
5 COMPORTAMIENTO OBSERVADO DURANTE
CONSTRUCCIÓN
El
comportamiento
observado
durante
la
construcción de los túneles de conexión puede
calificarse como exitoso ya que las convergencias
que se midieron, con valor máximo de 6mm, son
menores a las determinadas en el diseño, del orden
de los 3cm. En la Fig 5.1, se presenta una sección
instrumentada del túnel de conexión entre la
lumbrera de rejillas y la lumbrera L-5 del TEO. Se
observa que inicialmente se logra una estabilidad
temporal del soporte, con valores del orden de 2mm,
y posteriormente se activa la deformación del
soporte al llevar a cabo el banqueo del túnel.
7.0
INICIO DE
EXCAVACION SECCION
INFERIOR
DISTANCIA 1-2
DISTANCIA 2-3
6.0
DISTANCIA 1-3
5.0
DIFERENCIAS DE 4-5
4.0
Milímetros
3.0
2.0
1.0
0.0
-1.0
-2.0
31-may-12
11-may-12
21-abr-12
01-abr-12
12-mar-12
21-feb-12
-3.0
01-feb-12
5
Figura 5.1. Ejemplo de las mediciones de convergencia
realizadas con prismas ópticos en el túnel de rejillas hacia
la lumbrera L-5.
Un punto interesante a observar es el efecto
benéfico que las lumbreras preconstruidas tuvieron
en la estabilidad de los túneles de conexión. En
efecto, los tramos de los túneles cercanos a las
lumbreras mostraron mayor estabilidad que el resto
del túnel.
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