La práctica austríaca de construcción de túneles por el método convencional

 

El desarrollo de métodos de excavación y prácticas constructivas dentro de un país específico, es influenciado por múltiples factores geográficos, políticos, sociales y culturales. Estos factores incluyen:

  • Situación geográfica, topografía, infraestructura y edificaciones existentes, recursos naturales, condiciones geológicas e hidrogeológicas.
  • Demanda de obras subterráneas.
  • Situación política, social y económica.
  • Estándares técnicos.
  • Estatus legal y capacidad del dueño/cliente.
  • Disponibilidad de mano de obra calificada.
  • Tradición minera.
  • Prácticas contractuales.

Situado en Europa central, Austria es y siempre fue un importante corredor para el transporte de bienes y personas. El país es de naturaleza montañosa donde extensas llanuras o amplios valles son poco comunes.
En cuanto a la ingeniería de túneles, las condiciones geológicas en Austria son generalmente difíciles y con una alta variabilidad. La excavación de túneles en los Alpes está enmarcada por altas coberturas y, en algunos casos, en materiales poco competentes. Sin embargo, la construcción de grandes obras subterráneas es común incluso en ambientes urbanos donde la protección de la población y el medio ambiente es primordial.
Durante los años ´50, la construcción de túneles en los Alpes estaba ligada a proyectos hidroeléctricos. Desde 1970 un importante número de túneles para infraestructura fueron construidos. Durante este período, entidades o clientes expertos en el diseño y construcción de obras subterráneas y contratistas especializados desarrollaron un procedimiento para la toma de decisiones en el sitio que se convirtió en una práctica común para la construcción de túneles en Austria.
El país contaba con un grupo importante de ingenieros, quienes con gran dedicación promovieron el desarrollo de la ingeniería de túneles mediante ideas innovadoras. Su contribución más importante fue el desarrollo del NATM (New Austrian Tunnelling Method), el cual incluye el método observacional.
Desde 1950 nuevos materiales, principalmente el concreto neumático y los pernos de roca, reemplazaron la antigua práctica de sostenimiento basada en madera, y el uso de la mampostería como revestimiento final fue sustituido por revestimientos en concreto hidráulico. Igualmente, el uso estandarizado de membranas sintéticas mejoraron de manera significativa la calidad de la obra subterránea en cuanto a su impermeabilización. El desarrollo de nuevas tecnologías y prácticas mejoradas de ingeniería permitieron el desarrollo de un procedimiento para el diseño de túneles económicamente apropiado.
La metodología Austríaca para la construcción de túneles está basada en un procedimiento donde las partes directamente involucradas durante la construcción toman decisiones conjuntas en cuanto a las condiciones del terreno. La flexibilidad para la toma de decisiones es incorporada dentro del esquema contractual, de esta manera se garantiza una respuesta inmediata a cambios en las condiciones del terreno. La implementación exitosa del NATM es posible mediante la colaboración de clientes/dueños experimentados, diseñadores, contratistas, ingenieros de obra con el suficiente conocimiento y mano de obra calificada dentro de un modelo contractual apropiado.
La comunidad de ingenieros de túneles en Austria enfatiza en la cooperación entre todas las partes involucradas en el proyecto. Cuestionamientos técnicos con respecto a seguridad, eficiencia y mejoras en la excavación, tienen prioridad sobre consideraciones contractuales; este principio beneficia a todas las partes involucradas. El método está basado en un profundo conocimiento técnico y en la disposición para colaborar. Como regla general los proyectos de túneles en Austria se hacen por medio de contratos por precios unitarios.

 

APLICACIÓN DEL “NATM”

El NATM se basa en el concepto de que el terreno no actúa exclusivamente como carga sino que a su vez actúa como un elemento de soporte. Generalmente, la excavación y aplicación del soporte son evaluadas continuamente para ajustarse a las condiciones de terreno, teniendo en cuenta siempre los requerimientos técnicos y del diseño. La reacción del terreno, en cuanto a desplazamientos del soporte, es medida para evaluar y optimizar la estabilidad de la excavación y el soporte a implementar.
Dependiendo de las condiciones particulares del proyecto y de los resultados del monitoreo geotécnico, los requerimientos de un soporte específico son determinados. Los acuerdos contractuales deben ser flexibles para asegurar economía en el tipo y cantidad de soporte a implementar.
Los elementos típicos en el NATM son concreto neumático y pernos de roca. Los arcos o cerchas proporcionan soporte inmediato previo al endurecimiento del concreto neumático y aseguran una geometría correcta de la sección de excavación. Si las condiciones del terreno requieren soporte en  o adelante del frente de excavación, elementos tales como pernos, concreto neumático, atices o enfilajes, son instalados según requiera.
La sección de excavación es subdividida en sección superior, banca y solera, dependiendo de las condiciones del terreno y de los requerimientos logísticos. Galerías laterales son implementadas para limitar las áreas de excavación y disminuir asentamientos para túneles con baja cobertura.

Métodos constructivos

El aumento de la demanda para la construcción de túneles férreos y viales con grandes secciones transversales estimuló el desarrollo y estandarización de métodos constructivos. Particularmente, fueron desarrollados métodos estándar para excavaciones de túneles en condiciones de roca dura, terrenos sometidos a altos esfuerzos y terrenos blandos.

Condiciones de roca dura

La base para el diseño de túneles en roca está enmarcada en las características del terreno y el propósito o finalidad del túnel (hidráulico, vial, férreo, etc.). Túneles excavados en roca sana, usualmente, tienen una geometría de herradura en contraste con túneles excavados en materiales de baja calidad donde, generalmente, se requiere de solera para garantizar la estabilidad.
Los avances en el túnel generalmente se logran a través del método convencional siguiendo un método de excavación secuencial. Sin embargo, si se prevén condiciones favorables del terreno, la excavación puede realizarse en sección completa.
La banca es excavada simultáneamente con la sección superior hasta unos cientos de metros atrás del frente de excavación para poder acceder a él por medio de una rampa. La solera es excavada a una distancia determinada de la banca. Si las condiciones del terreno son desfavorables, una solera curva es excavada para cerrar el revestimiento formando un anillo completo.
Después de la excavación se procede a la instalación de vigas base en concreto y tuberías de drenaje. El perfil del túnel es chequeado escaneando la superficie y es corregido o reperfilado de ser necesario. El revestimiento primario y las platinas de pernos son cubiertos con una capa uniformiza y prepara la superficie para la instalación del sistema de impermeabilización.
El revestimiento final generalmente no lleva refuerzo y es instalado con formaletas metálicas de 8.0 m a 12.0 m de longitud. La formatela metálica proporciona un acabado de alta calidad. La mezcla de concreto hidráulico es diseñada para permitir un ciclo cada 24 horas.

Rocas sometidas a altos esfuerzos

El fracturamiento y las grandes deformaciones son características en túneles excavados en roca de baja calidad y con altas coberturas, ya que las condiciones de esfuerzos alrededor de la excavación superan la capacidad del terreno. Para un control efectivo de las grandes deformaciones se deben establecer cuáles parámetros son relevantes para el diseño. Esto incluye definir tanto la ampliación del área a excavar, que permita deformaciones y proporcione una adecuada sección final, como las medidas de sostenimiento apropiadas. Un sistema de soporte que permita un adecuado control de deformaciones es elegido para limitar el soporte requerido y garantizar la estabilidad de la excavación.
Los pernos de roca son los elementos de soporte fundamentales para el aumento de la resistencia al corte de macizo rocoso. El revestimiento primario en concreto neumático es generalmente de 0.2 m – 0.3 m de espesor. En caso de grandes deformaciones se instalan en el revestimiento primario elementos dúctiles en ranuras longitudinales. De esta manera se permiten deformaciones en causar daño al revestimiento primario. Una vez que se redujo la presión inducida por la roca, y el monitoreo de deformaciones confirme que la excavación se estabilizó, las ranuras son selladas con concreto neumático.
Elementos dúctiles son incorporados al revestimiento primario. Estos elementos controlan los esfuerzos inducidos en el concreto neumático para prevenir sobreesfuerzos y preservar la capacidad de soporte.
Una vez concluida la excavación, la instalación del sistema de impermeabilización y revestimiento final es idéntico a lo realizado en túneles en roca competente.

Condiciones de terrenos blandos

Los túneles urbanos con baja cobertura requieren de un soporte rígido y una secuencia de excavación predeterminada. La excavación convencional de túneles en terrenos blandos se enfoca en una capa de concreto neumático rígida, avances de excavación cortos y construcción rápida de la solera curva. Si se requiere, la sección es dividida incluyendo galerías laterales. Medidas complementarias tales como pozos de drenaje, aire comprimido, inyecciones de lechada y/o de contacto, o incluso congelamiento del terreno, son implementadas donde sea necesario.
Complementario a las condiciones geológicas, hidrogeológicas y geotécnicas, el diseño de túneles en terrenos blandos debe necesariamente considerar la finalidad del túnel, factores ambientales y minimización de asentamientos.
La instalación del sistema de impermeabilización, revestimiento final y equipos después de la excavación, es idéntico a lo realizado en túneles en roca competente.

Los siguientes ejemplos ilustran la aplicabilidad de varios métodos de excavación y tipos de soporte para diferentes coberturas y tipos de túneles.

Ejemplo 1: Túnel vial, cobertura 50 m

El ejemplo pone en consideración un túnel con sistema de drenaje, excavado en una grava limo-arenosa con capas intercaladas de limo. La sección transversal es similar a la de un túnel en roca competente, sin embargo, se incluye en toda la longitud del túnel una solera curva en concreto neumático o concreto hidráulico, con o sin refuerzo. Contrario a un túnel en roca competente, el elemento principal de soporte consiste en concreto neumático con un espesor sustancial (0.3 m – 0.4 m). El espesor del revestimiento final debe ser definido mediante un cálculo estructural.
La secuencia de excavación consiste en Sección superior – Banca – Solera. Soporte en el frente de excavación (núcleo en sección superior), al igual que sobre-ancho (pata de elefante). Solera temporal para la sección superior y enfilajes pueden ser implementados.
La longitud de avance para este ejemplo es de 1.0 m en sección superior, 2.0 m en banca y 4.0 m en solera para cada ciclo de excavación. El cierre de la solera temporal se realiza a una distancia de 5.0 m a 7.0 m del frente de excavación. El cierre de la solera se realiza a una distancia de 2.0 m a 6.0 m de la posición de la banca. La tasa de avance está condicionada por la resistencia del concreto neumático recién aplicado. En este ejemplo la tasa de avance está restringida a 5.0 m en 24 horas en sección superior y 8. 0 m en 24 horas en banca y solera, de esta manera se limitan los esfuerzos asumidos en el revestimiento primario.

Ejemplo 2: Túnel para sistema de metro de doble vía, baja cobertura, ambiente urbano

La excavación de un túnel urbano con baja cobertura está enmarcada por la minimización de asentamientos. Esta limitación requiere de la aplicación inmediata de un soporte rígido después de la excavación. En este caso no es factible la reducción de esfuerzos en el revestimiento primario mediante la deformación del terreno. Por lo tanto, la manera más efectiva de construir este tipo de túneles es una secuencia de excavación con avances cortos y un pronto cierre del anillo con un espesor considerable de concreto neumático.
El ejemplo 2 ilustra la excavación de un túnel para metro de doble vía con una sección transversal de 60 m². Las condiciones requieren el abatimiento del nivel freático mediante un sistema de pozos drenantes. Se tiene un frente de excavación mixto, el suelo está inmerso dentro de la capa predominante de grava. Para garantizar un adecuado comportamiento durante la excavación, se requiere, ocasionalmente, soporte en el frente de excavación a través de pernos, concreto neumático y/o mejoramiento del terreno – inyecciones de consolidación – adelante del frente de excavación.
Para la sección superior, la banca y la solera, los espesores de concreto neumático, la distancia entre cerchas y la distancia entre el frente de excavación y el cierre del anillo son definidos en el diseño. La instrumentación es utilizada para la validación/optimización del diseño, monitoreo de asentamientos en la superficie y evaluación del comportamiento del revestimiento primario.
La longitud de avance para este ejemplo está limitada a un máximo de 1.0 m y la distancia entre el frente de excavación y le cierre del anillo de máx. 5.0 m. La tasa de avance está restringida a 4 m en 24 horas para limitar los esfuerzos en el revestimiento primario.
Se implementa un sistema de revestimiento completamente impermeable, ya que un drenaje permanente que alivie la presión hidrostática no es permitido. El sistema de drenaje utilizado durante la construcción es sellado mediante inyecciones de lechada. La impermeabilización total se consigue mediante un revestimiento final en concreto hidráulico reforzado, el cual considera la carga hidrostática y demás cargas permanentes en su diseño.

Ejemplo 3: Túnel Férreo, Baja Cobertura

Túneles con grandes secciones y baja cobertura requieren la disminución del área de excavación, limitando asentamientos superficiales. Esto se puede lograr implementando una secuencia de excavación que incluya galerías laterales y un núcleo central.
En este ejemplo las galerías laterales se seleccionan (sección superior, banca y solera) y sirven como túnel piloto y fundación para la excavación central. Las galerías se excavan individualmente mediante una secuencia que contempla excavación de la sección superior seguida por un rápido cierre del anillo a través de una solera temporal. El tamaño de las galerías laterales dependerá de la maquinaria disponible. De igual manera, la forma de las galerías no debe diferir de la forma oval deseada, se deben evitar ángulos agudos en la sección superior y solera. El diseño debe facilitar la conexión entre el revestimiento de los hastiales en las galerías y el soporte del núcleo central.
Concluida la excavación de la galería, o a una distancia sustancial entre el núcleo y el frente de excavación de la galería, el núcleo avanza como una actividad independiente con avances de 1 m de longitud, siguiendo una secuencia de sección superior – banca. La excavación del núcleo se continúa a a una distancia fijada por la maquinaria disponible del contratista. Antes del cierre del anillo de la sección principal se retiran las paredes interiores de las galerías laterales (generalmente en avances de 2. 0 me de longitud).

 

ETAPAS DEL DISEÑO

Aspectos generales

En general, los diseños de túneles pueden ser realizados por un equipo de ingenieros propios del cliente, por ingenieros independientes designados por el cliente o por el equipo de diseño del contratista. Generalmente en Austria el cliente designa, para todas las etapas de diseño, al mismo grupo de ingenieros. Sin embargo, en ocasiones especiales se designan múltiples consultores para cada etapa de diseño.
El diseño de un túnel está subdividido en cuatro etapas principales:

  • Diseño conceptual que incluye estudio de factibilidad
  • Diseño preliminar
  • Diseño para licitación
  • Diseño final

 

DISEÑO CONCEPTUAL

Para el diseño de túneles los siguientes aspectos deber ser considerados:

  • Tipo y propósito de la estructura subterráneas.
  • Diseño geométrico (trazado).
  • Condiciones topográficas.
  • Condiciones geológicas e hidrogeológicas.
  • Impacto ambiental, incluyendo ruido, vibración, contaminación del aire, etc.
  • Aspectos legales.
  • Estándares de seguridad.
  • Requerimientos de monitoreo y evaluación.
  • Evaluación y análisis de riesgo.

El objetivo del diseño conceptual es seleccionar y definir el trazado del túnel, así como proporcionar un costo estimado para el proyecto.
Los documentos y planos originados durante la etapa de diseño conceptual incluyen:

  • Definición de los principios básicos del diseño.
  • Comparación de trazados alternativos y selección del trazado final.
  • Información geológica e hidrogeológica disponible.
  • Propuesta para estudios posteriores.
  • Evaluación del impacto ambiental del túnel (impacto en el agua subterránea, asentamientos superficiales, ruido, vibración, contaminación, etc).
  • Estimación del costo del proyecto.
  • Cronograma de construcción.

El grupo diseñador es a su vez responsable de las labores de relaciones públicas y gerencia del proyecto.

 

DISEÑO PRELIMINAR

En la etapa del diseño preliminar, el diseño conceptual del proyecto se optimiza con base en el trazado seleccionado y adicionalmente se realiza un estudio de impacto ambiental. Esta etapa se enfoca en temas ambientales, particularmente en aspectos legales sobre recursos hídricos, protección del medio ambiente y protección forestal.
Diferentes autoridades o clientes pueden requerir subetapas específicas de diseño para túneles férreos o viales. Sin embargo, el objetivo común del diseño preliminar es recibir la aprobación por parte de una autoridad para la ejecución del proyecto.
La etapa de diseño preliminar incluye las siguientes labores:

  • Contribución del grupo de diseño en la programación de la campaña de exploración en campo.
  • Exploración en campo.
  • Evaluación de la exploración de campo y resultados de laboratorio.
  • Pronóstico geotécnico e identificación de las características del terreno.
  • Definición de las propiedades del terreno (parámetros relevantes) para su análisis.
  • Determinación de secciones típicas con base en los requerimientos geotécnicos.
  • Selección de métodos de excavación y soporte.
  • Localización de portales y diseño de áreas de portales.
  • Concepto para el drenaje e impermeabilización del túnel.
  • Integración de sistemas de operación para dar cumplimiento a las normativas de seguridad (salidas de emergencia, ventilación, sistemas de incendio, iluminación, telecomunicaciones, etc).
  • Definición del concepto constructivo (suministro de agua y energía, vías de acceso, ubicación de depósitos para material excavado, etc.) y definición del impacto ambiental con respecto a aspectos hidrogeológicos, contaminación sonora, calidad del aire, vibraciones y otros impactos ambientales presentes durante la etapa de construcción y operación.
  • Depósitos permanentes de material excavado.
  • Documentación referente a la adquisición de predios.
  • Cronograma de construcción.
  • Estimación del costo del proyecto.
  • Evaluación y análisis de riesgo.

 

DISEÑO PARA LICITACIÓN

El objetivo del diseño para licitación es proporcionar suficiente nivel de detalle para permitir cuantificar el costo de cada actividad o ítem. En esta etapa ya se cuenta con los documentos y permisos contractuales.
La etapa de diseño para licitación incluye las siguientes labores:

  • Exploración de campo adicional a los requerimientos de las autoridades.
  • Actualización del pronóstico geotécnico, soporte, planos, distribución de clases de excavación y soporte, detalle de estructuras complementarias e información requerida por las normas y especificaciones nacionales.
  • Preparación de documentos contractuales, incluyendo:
    • Instrucciones para los proponentes.
    • Descripción del proyecto.
    • Información de condiciones geotécnicas, monitoreo y evaluación de resultados, etc.
    • Planos.
    • Especificaciones técnicas para materiales y calidad de obra.
    • Cronograma de construcción, plazo, duración y etapas del proyecto.
    • Condiciones contractuales.
    • Cantidades de obra, forma de medición y pago.
    • Esquema del diseño.
  • Criterios para evaluación de las ofertas.

 

DISEÑO FINAL

El diseño final debe detallar los trabajos realizados durante la etapa de licitación para propósitos constructivos.
La etapa de diseño final incluye los siguientes trabajos en oficina:

  • Elaboración de planos detallados (planos de encofrados, planos de refuerzo, tiempos de ejecución, etc).
  • Esquema del diseño.

La etapa de diseño definitivo incluye los siguientes trabajos de campo:

  • Ajuste/optimización de los diseños, dentro de los límites contractuales, con base en las condiciones geológicas/geotécnicas encontradas (un objetivo particular del método convencional para excavación de túneles).
  • Documentación de la construcción “As-Built”.