Una moderna infraestructura a lo largo del corazón de la red ferroviaria de Europa

* Por el Ing. Gerhard Harer

El túnel Koralm, con una extensión total cercana a los 33 kilómetros y una profundidad máxima que alcanza los 1.200 metros, es la pieza central de una nueva línea de ferrocarriles de alta velocidad que recorre desde Graz hasta Klagenfurt, en el sur de Austria. Integrada en el Eje Báltico-Adriático, será uno de los túneles viales más largos del mundo.

Sistema de alimentación de rieles, aplicado en la sección “Lower Inn Valley”, Austria.

En la actualidad, muchas empresas europeas de ferrocarriles están trabajando duro para crear una red férrea transeuropea eficiente. Austria definió, en conformidad con las prerrogativas europeas, la mejora de cinco ejes principales de ferrocarriles, uno de ellos, denominado Eje Báltico-Adriático, que conecta los países Bálticos, Polonia, República Checa y Eslovaquia, a través de Austria, Italia y el Mar Mediterráneo. En octubre del 2011, fue reconocida la importancia de la red de ferrocarriles Koralm para Europa y el proyecto fue sumado al corazón de la red de la Unión Europea.
Una de las claves del proyecto es la red férrea Koralm, con una longitud total de aproximadamente 126 km, incluyendo los 32.9 km de largo del túnel Koralm (ver figura 1). Esta nueva línea reducirá el tiempo de viaje de tres horas a menos de una entre las capitales provinciales de Graz a Klagenfurt, y será la base para una significativa mejoría para el pasajero y el transporte.

La línea de ferrocarriles Koralm, parte del Eje Báltico-Adriático.

El túnel Koralm cruza a través de la cordillera cristalina del Koralpe, ubicada en los Alpes Orientales, y con una profundidad máxima de 1.200 m.
El proyecto se caracteriza por un sistema de túneles dobles con conexiones transversales cada 500 m. El diseño permite una velocidad máxima de 250 km/h y las pendientes longitudinales se encuentran en un rango de entre 3% y 5.6%. En el medio del tramo será instalada una estación de emergencia.
El sistema del túnel es mantenido de manera muy simple, de forma tal de conseguir costos de construcción bajos y de obtener una operación lo más simple y segura posible. Además, todos los componentes del sistema del equipo técnico son sencillos y muy seguros contra fallas, con lo cual una falla total de los mismos es muy improbable.

ESTATUS DEL PROYECTO

Primeras secciones de la Red Koralm en operación.

Ferrocarriles Federales Austríacos fue autorizada, en 1995, por el Gobierno austríaco para hacerse cargo del planeamiento y diseño de la red Koralm, incluido el túnel Koralm. Mientras se realizaba la selección de la ruta, las decisiones respecto del sistema de túneles y los procesos legales, especialmente las asesorías sobre el impacto ambiental, pudieron ser concluidos satisfactoriamente. En la localidad de Graz y Klagenfurt, los trabajos de construcción para inaugurar secciones comenzaron en 1997. Actualmente, las primeras secciones de línea están operando.

En una siguiente etapa, se ejecutaron medidas de investigación adicional para el diseño del túnel. Con ese propósito, entre 2003 y 2010, se llevó a cabo la construcción de un sistema de pozos y túneles de investigación con una longitud de 10 km.

Vista esquemática que muestra la investigación de los túneles y los ejes, así como también la subdivisión de los principales lotes de construcción.

Tomando en consideración las condiciones geológicas, topográficas y logísticas, el proyecto fue dividido en tres contratos de obra  (KAT 1, KAT 2 y KAT 3). La figura 3 muestra la posición y subdivisión del proyecto completo. Cabe indicar que el equipamiento ferroviario, incluyendo la losa para motaje de las vías y el sistema de alimentación de energía, no son parte de los contratos de obra civil.
Alrededor de dos tercios de la longitud de los  túneles serán excavados con diferentes tipos de máquinas, dos TBM, con doble escudo, para el contrato KAT 2 y una con escudo simple del tipo EPB (presión de lodos en el frente) para el contrato KAT 3 (ver figura 3).

TBM de doble blindado, durante su instalación en la construcción del lote KAT2.

La construcción de los dos primeros contratos ya se encuentra en progreso. En el KAT 1, actualmente está siendo instalado el revestimiento interior de hormigón, mientras que en la cabecera del KAT 2 la TBM comenzó a trabajar a principios del 2013. Anticipadamente al inicio del contrato KAT 3 (en licitación), se está construyendo la estructura de ventilación Paierdorf.

La finalización de los trabajos de construcción, así como la apertura al tránsito del nuevo tramo ferroviario entre Graz y Klagenfurt, están planeadas para el 2023.

 

ESQUEMA  Y MODELO GEOLÓGICO

La cordillera que será atravezada por el túnel Koralm está conformada por una base cristalina polimetamórfica. La litología predominante consiste en gneisses miloníticos y esquistos micáceos, ocasionales mármoles, amfibolitas y ecogitas. El basamento cristalino está limitado por fallas maestras que han generado cuencas terciarias a ambos lados de la cordillera. Los sedimentos de estas cuencas terciarias, encontrados durante la etapa de proyecto son, mayormente, de grano fina, depósitos clásticos de origen marino y fluvial.
Las características morfológicas actuales del macizo del Koralm se formaron por plegamientos frágiles del Terciario al Cuaternario, por el clima y por la erosión. El basamento rocoso está cubierto por suelos residuales, generados por meteorización profunda  y desechos periglaciales.

Visión general geológica.

Con el fin de alcanzar una comprensión tridimensional de las condiciones del subsuelo, el modelo geológico fue desarrollado a través de un proceso de multi etapa para cada fase del proyecto. Esta secuencia está basada en estrictos procedimientos para investigar con mayor detalle y para adaptar los requerimientos del proyecto a los procedimientos legales, otorgando una adquisición eficiente de conocimiento extensivo sobre las condiciones del suelo. En el curso de las investigaciones geológicas, se mapearon alrededor de 130 km²  y se ejecutaron un total de 133 sondeos geotécnicos, con una longitud total de 21.000 m y una profundidad máxima de 1.200 m. Complementariamente, se desarrollaron investigaciones geofísicas intensivas en la superficie y dentro de las perforaciones.
Como parte integral de este proyecto de investigación, en 2003 se realizó la excavación de un sistema de túneles piloto y de pozos. Éstos fueron particularmente útiles en la adquisición de información geológica e hidrogeológica necesaria para el diseño y la construcción de los túneles principales.
La investigación del sistema de fallas de Lavanttal se constituyó en el foco principal de los trabajos exploratorios. Con ese propósito, se construyeron los túneles de investigación de Mitterpichling y Paierdorf, con una longitud de, al menos, 8 km, así como también el pozo de acceso de 120 m de Paierdorf. Los resultados de las investigaciones permitieron una posterior calibración de las predicciones geológicas y constituyen una importante base para la definición de los conceptos de excavación y las especificaciones para la máquina tunelera para la licitación de los contratos de los túneles principales.
Todas las obras anticipadas requeridas para la investigación se han diseñado para que estén integradas dentro de las posteriores fases de construcción de la obra definitiva. Como túneles de investigación  se excavaron dos tramos de la bóveda del túnel principal sur. Los dos pozos exploratorios localizados en Leibenfeld y Paierdorf se convierten luego con las principales instalaciones para el sistema definitivo de ventilación para la operación del túnel.

SELECCIÓN DEL TRAZADO

Debido al conocimiento adecuado de las condiciones geológicas y geomecánicas al nivel del túnel, la alineación del mismo puede ser definida por su factor de mayor influencia -condiciones expresadas en costos y tiempo- y no únicamente a través de criterios de ingeniería civil.
Como parámetros de influencia fueron seleccionados: la deformación radial, la influencia de falla, la tasa neta de perforación, el agua del lecho y otros criterios cualitativos (ejemplo: una presa de lago en un nivel superior).
Esto conduce a una alineación del túnel favorable económicamente y con bajos riesgos. La reducción de los costos basados en este último criterio han sido calculados en alrededor de 20 millones de euros, en comparación a una línea derecha entre los portales.
Tal como en la primera fase de planeamiento del túnel Koralm, era claro que iba a ser necesario un manejo óptimo, ecológico y económico del material de excavación durante el tiempo de construcción. El foco principal de todas las investigaciones posteriores en este campo se asentó en una capacidad de reciclaje más efectiva del material de excavación. Desde 1998 se han intensificado los estudios con mayor profundidad de procesamiento.

EFICIENCIA

El primer objetivo del proyecto era maximizar la capacidad de reciclaje del material de excavación para asegurar que todo el material pueda ser re utilizado eficientemente para el autoabastecimiento del sitio de construcción. La necesidad de relleno, de terraplenes y de capas anticongelamiento deben ser satisfechas. El material de excavación que se acumula durante el uso de las máquinas excavadoras en las secciones cristalinas del túnel, debe estar disponible para la producción de concreto y el revestimiento.
El segundo objetivo era alcanzar la mayor eficiencia económica posible. A través del estudio de las condiciones del mercado local se comprobó que el reciclaje del material de excavación sería una ventaja económica en comparación con los costos asociados al transporte y depósito final del material.
El tercer objetivo del proyecto era minimizar el impacto ambiental reduciendo el transporte y protegiendo los recursos naturales. Esto fue conseguido a través de una amplia gama de procesos de reciclaje cerca de los sitios de deposición y por la posibilidad de transportar, en tren, el material excrecente hacia éstos.
Con el objetivo de maximizar el autoabastecimiento del material de construcción, debido a las investigaciones realizadas y los resultados de las pruebas, es definitivamente realizable y fundamental para el sostenimiento del proyecto.

AVANCES EN INGENIERÍA Y CONSTRUCCIÓN

Muchos aspectos innovadores fueron considerados durante el desarrollo y optimización  de una sección del cruce. Centrarse en el criterio económico implica, por un lado el desarrollo de una sección transversal lo más pequeña posible, pero también en la satisfacción de todos los criterios referidos a la seguridad de los pasajeros, el mantenimiento y la reparación, el consumo de energía y las propiedades aerodinámicas.
El equipamiento necesario para las vías férreas tuvo un efecto importante en la sección de cruce del túnel. Elementos estandarizados y convencionales, como por ejemplo el sistema de catenaria determinó la necesidad de un área libre de alrededor de 50 m2 , por sobre el nivel del riel del túnel. La aplicación de un sistema de alimentación por rieles, como un elemento específicamente desarrollado para el futuro sistema de ferrocarriles de alta velocidad de Austria, reduce significativamente la necesidad de espacios libres.

Estado presente de trabajos de infraestructura.

En relación con los aspectos aerodinámicos en el túnel, las investigaciones fueron ejecutadas para determinar las limitaciones económicas de la reducción de la sección de cruce. La velocidad de viaje superior a los 250 km/h y el consumo de energía han sido considerados en dicha evaluación.
Además, los requerimientos  referidos a la diferencia de 10kPa en la presión máxima durante el recorrido de un tren fueron verificados durante su planificación. También se analizaron los valores guía para la variación de presión dentro del tren.
Como resultado de la optimización de la sección de cruce, con un radio interior de 3.95 m (círculo de tolerancia), se propuso una sección libre de aproximadamente 44 m² (ver figura 7).
Además de los criterios de aplicación de un sistema de alimentación de rieles y de los requerimientos de una sección de cruce aerodinámica, otros aspectos adicionales finalmente condujeron a una optimización de la sección transversal del túnel, siendo éstas: la demanda de ancho para la losa de montaje de los rieles y equipamiento técnico, tamaño y ubicación de los sistemas de drenaje, y tolerancias de construcción.
La optimización realizada tendrá como efecto una reducción en los costos cercana a los 30 millones de euros.

Cruce de sección típica (cabecera convencional), optimizada (túnel sur).

Para un túnel largo, el concepto de sistema de drenaje se convierte en un componente relevante del costo, particularmente en lo referido a su mantenimiento, reparación y posible reemplazo. Más allá de los costos directos de mantenimiento, existen costos considerables debidos a la limitación en la disponibilidad, como por ejemplo si es necesario el cierre del túnel. Si el trabajo es realizado simultáneamente con la operación, aún si ésta es limitada, implica una reducción rápida de los costos.
Por lo tanto, el diseño y medidas constructivas especiales se centraron especialmente en la reducción de la longitud de la tubería y la aparición del efecto de obstrucción por deposición de minerales o calcificación.

Ejemplo de un tubo de drenaje obstruido debido a la sinterización.

Por otra parte, las obstrucciones de los tubos de drenaje, debidas a la calcificación, son un fenómeno bien conocido  en los túneles (ver figura 8). El comportamiento de la elución de los materiales a base de cemento puede ser modificado en relación con el material elegido. Esto conduce al diseño de fórmulas de hormigón específico, con comportamiento de elución reducido para el proyecto del túnel Koralm.
Con el fin de obtener formulas de hormigón específicas con una influencia positiva en relación con la elución se evaluaron las propiedades de elución del hormigón en extensivas pruebas de laboratorio.
Los resultados indicaron que las formulas de hormigón con bajo contenido de portlandita y de sulfatos minerales y la baja permeabilidad muestran una significante reducción de la calcificación, con aproximadamente 65% menos emisión de calcio (Ca2+). Los componentes de clinker en el cemento fueron parcialmente sustituidos por escoria granulada de alto horno de grano fino. Ademas se practicaron pruebas en el lugar, en particular durante la investigación de la excavación del túnel, para confirmar la practicidad de las mezclas de hormigón modificado. Se estudiaron adaptaciones similares para otros materiales de grout y mortar. Las fórmulas de hormigón con reducción significativa de la elución fueron implementadas satisfactoriamente en los contratos KAT1 y KAT2.

SEGMENTOS PREFABRICADOS

Otro aspecto importante para la reducción de la calcificación fue que la aplicación de dovelas prefabricadas fuera posible. El uso de revestimientos de dovelas prefabricados produce un efecto positivo dado que éstos permiten la instalación de hormigón con una microestructura muy densa, con propiedades físicas favorables en lo que respecta a la descomposición.
La menor permeabilidad y superficie interna disponible para la reacción entre las aguas subterráneas y el hormigón reduce la descomposición y subsecuente calcificación de manera significativa. En esta conexión, el relleno del espacio anular entre el revestimiento de dovelas y la roca será optimizado, utilizando mayormente una grava cuarcítica con cantos redondeados (canto rodado).

Sistema de drenaje modificado.

Finalmente, el concepto del sistema del drenaje fue diseñado sin drenajes laterales, los cuales son comunmente utilizados en proyectos similares. En cambio, se instalaron láminas drenantes superficiales (láminas tipo flexo-drain), las que están alineadas longitudinalmente a ambos lados de la contrabóveda, debajo de la losa del sistema de vías (ver figura 9). Las aguas subterráneas son recolectadas en estas láminas, conectadas regularmente a través de barbacanas de 100 mm de diámetro que conducen el agua al colector principal. Este tubo de drenaje longitudinal principal en el centro de la contrabóveda tiene 500 mm de diámetro. En definitiva, puede ahorrarse 2 x 33 km de tuberías de drenaje y reducirse significativamente los costos de mantenimiento, alcanzándose además , de manera indirecta, los efectos mencionados más arriba.
Teniendo en cuenta que por la alta cobertura de los túneles, se han diseñado como túneles drenados y no estancos, éstos serán provistos de un revestimiento interno definitivo de hormigón colado in situ. Opcionalmente, este revestimiento podrá ser obviado, siempre que en los tramos de excavación con máquina se identifiquen condiciones geológicas favorables. En vista a la necesidad de tomar esta decisión, durante la construcción de los túneles se cumplirá con los siguientes requerimientos: una continua investigación del subsuelo (por ejemplo, perforaciones) anticipadamente a la excavación; identificación de sectores de comportamiento geotécnico favorable, con una longitud mayor a 100 m; que no exista un ingreso relevante de agua desde las discontinuidades del macizo; verificación de la función estructural del revestimiento de dovelas; y un acercamiento observacional del comportamiento del sistema durante la excavación y la operación.

Vista esquemática del revestimiento general del túnel Koralm.

La aplicación de dovelas de función permanente incrementa ligeramente los costos, debido a los mayores requerimientos para el encofrado y del uso de juntas. Por otro lado, con el abandono del revestimiento interno de hormigón colado in situ a lo largo de sectores de longitud importante en los túneles, se puede alcanzar una considerable reducción de los costos generales.

 

 

LA MISMA META

El túnel Koralm es un túnel extraordinariamente largo. Debido a eso deben tomarse algunas decisiones específicas, ya que las directrices tradicionales ya no son útiles para un proyecto de este tipo. Mientras que algunas de las etapas de optimización parecen evidentes por sí mismas, otras parecen poco relevantes, pero es la suma de todas las consideraciones lo que conduce a una reducción de los costos y los riesgos. En particular, debe enfatizarse que cuestionar los procesos de larga data y cambiar el pensamiento al respecto son objetivos que sólo pueden ser realizados satisfactoriamente si todos los participantes trabajan continuamente hacia una meta en común.

*El Ing. Gerhard Harer es gerente del Proyecto del Ferrocarril Koralm 3, Área de Negocios Obras Nuevas y Ampliaciones de la Empresa de Ferrocarriles Federales de Austria.

Agradecemos la colaboración del Ing. Martín Böfer para la realización de este artículo.