*Por el Ing. Hartmut Claussen, vicepresidente ejecutivo del Comité Técnico de Túneles y Espacios Subterráneos, Chile (CTES).
INTRODUCCIÓN
La tunelería moderna depende de técnicas eficaces de avance, de la durabilidad de largo plazo de los productos usados y de la disposición de un ambiente de trabajo seguro. El hormigón proyectado satisface estos requisitos como revestimiento permanente, aportando a un incremento de demanda para futuras infraestructuras.
El desarrollo tecnológico permite mejoras en las características físicas del hormigón proyectado. Las mismas ofrecen al diseñador una variedad de posibilidades para modificar las características con requisitos particulares para cualquier proyecto dado. Esto incluye resistencias tempranas y finales, resultando en mayores rigideces e impermeabilidad, y con la introducción de refuerzo de fibra, aumentando la ductilidad.
El diseño de mezcla del hormigón proyectado puede ser adaptado en base de requisitos específicos del proyecto. El desafío para el diseñador es identificar los criterios relevantes de calidad y aplicables para el hormigón. El sostenimiento primario se aplica para satisfacer las especificaciones técnicas según lo dispuesto para un revestimiento permanente. Para el contratista, una mejor trabajabilidad del hormigón permitirá un mayor rendimiento y un avance más eficiente. La proyección de capas gruesas es posible usando acelerantes libres de álcali, lo que es particularmente útil en condiciones de terrenos de mala calidad. Así, el dueño del proyecto conseguirá un producto final que satisfaga sus expectativas.
La tendencia mundial, es fortificar los túneles ejecutados convencionalmente, mediante el método definido como “single shell sprayed concrete lining“ (revestimiento de hormigón proyectado mediante sistema mono-capa). El mismo consiste en el uso del hormigón proyectado tanto para el sostenimiento primario, como el secundario. Como alternativa a las estructuras masivas de hormigón colado o a los segmentos prefabricados colocados dentro del sostenimiento temporal, mediante hormigón proyectado de alta calidad, se puede aprovechar las bondades del mismo, haciendo trabajar esta capa considerada “de sacrificio” junto con otra capa de hormigón proyectado. Estos revestimientos consisten en un hormigón proyectado con un espesor variable, combinado con pernos de anclaje debidamente grouteados y protegidos contra la corrosión.
Revestimientos Permanentes de Hormigón Proyectado
El revestimiento de túneles mediante hormigón proyectado, combinado con otros elementos de fortificación, constituyen un método difundido de tunelería. Es importante para la calidad del trabajo y para el éxito de la aplicación que uno esté debidamente familiarizado con este método constructivo, el cual implica algunas medidas que se detallan a continuación:
- Control del agua subterránea
Se realiza mediante sondajes de perforación en el frente de avance y mediante una pre-inyección del macizo rocoso, buscando establecer una zona impermeable alrededor del avance del túnel. Esta parte reducirá el gradiente del agua para evitar filtraciones a alta presión que alcance el contorno del túnel. La pre-inyección mejora la situación de estabilidad en la zona rellenada dentro del macizo rocoso. Se pueden evitar percances medio-ambientales y prevenir descenso de nivel freático. Otro factor importante, es mejorar la constructibilidad de la obra subterránea, permitiendo la factibilidad para que el hormigón proyectado y el empernado del terreno sean el método permanente de fortificación. Además, se pretende que el método de impermeabilización sea económico, reduciendo el riesgo de accidentes laborales, los costos y tiempos de construcción. La pre-inyección se realiza con cementos de alta finura.
- Resistencia a la compresión a edades tempranas
En la tunelería moderna, donde a menudo se requiere de un sostenimiento inmediato del terreno, es decisivo contar con una resistencia del hormigón proyectado a edades tempranas siendo más importante que la resistencia a la rotura. El rendimiento de un túnel (velocidad de avance) está fuertemente influenciado por el desarrollo de resistencias a edades tempranas, ya que determina cuándo se puede continuar con la excavación en terrenos blandos y roca fracturada.
Los requerimientos para el desarrollo de la resistencias a edades tempranas del hormigón proyectado pueden variar, dependiendo del factor tiempo de uso, desde resistencia muy temprana (desde unos pocos minutos a aproximadamente una hora) a resistencia temprana (de una hora a un día). Después de un día, el desarrollo de la resistencia requerida para hormigón proyectado es comparable con la de un hormigón colado in situ.
Algunos factores que influyen en el desarrollo de la resistencia a edades tempranas son:
- Contenido de agua del hormigón premezclado.
- Tipo y contenido de cemento.
- Tipo y dosificación de acelerantes de fraguado (a añadirse en la mezcla de hormigón).
- Espesor de capa.
- Temperatura de hormigón y medio ambiente.
El mejoramiento del desarrollo de resistencias a edades tempranas se consigue mediante la incorporación de acelerantes de fraguado. Sin embargo, pueden reducir la resistencia y durabilidad del hormigón proyectado a largo plazo, en comparación con un hormigón proyectado no acelerado de su misma composición. Altas dosis/sobredosis de acelerantes de fraguado tendrán un efecto negativo en las resistencias finales, permeabilidad y durabilidad del hormigón proyectado (falso fraguado o endurecimiento). La dosificación del acelerante en la mezcla influencian proporcionalmente estos efectos. Además, la composición química de los acelerantes de fraguado pueden afectar estas importantes propiedades del hormigón proyectado.
La clasificación del hormigón joven puede ser definida sobre la base de los rangos de su desarrollo de resistencias a temprana edad. Para los propósitos de clasificación, se utiliza el nivel promedio de velocidad de endurecimiento, de acuerdo con el proceso de producción elegido y los requerimientos.
El desarrollo de la resistencia del hormigón proyectado joven puede especificarse de acuerdo con las clases de resistencia a edades tempranas J1, J2 o J3, como se muestra en la Figura 2.
Se necesitan al menos tres puntos de datos (resistencias a la compresión en función del tiempo) para definir la clase de resistencia temprana. Por ejemplo, los puntos que caen en el área entre las líneas inferior y del medio representan la clase de resistencia J1.
- Revestimientos de hormigón proyectado mediante mono-capa
Los “Single Shell Lining” (SSL) se construyeron desde que se introdujo el método de tunelería NATM, por ejemplo para la construcción de túneles en hidroeléctricas, cavernas y túneles de transporte. Los temas principales de diseño estaban relacionados con la interacción estructural entre el sostenimiento primario (exterior) y el revestimiento secundario (interior), que se construyen generalmente en diferentes momentos y por lo tanto, están sometidos a diferentes tensiones y deformaciones, así como a la estanqueidad del revestimiento de hormigón proyectado.
La percepción del mismo como un material de baja calidad (no duradero) se relaciona principalmente con la forma en que fue utilizado en forma convencional. Durante décadas, los revestimientos de túneles y otras estructuras subterráneas excavadas por métodos convencionales (perforación y voladura, rozadora etc.) fueron diseñados y construidos en base al enfoque de un revestimiento de doble capa (DSL).
Se construye inicialmente un sostenimiento temporal de hormigón proyectado para estabilizar el frente de avance de la excavación y después para contener las cargas a corto y medio plazo (revestimiento primario). Finalmente, se instala un revestimiento de hormigón permanente (lining) colocado in situ, para contener cargas a largo plazo y cumplir los requerimientos de servicio y durabilidad. La estanqueidad se consigue mediante la instalación de una membrana impermeable entre los revestimientos temporales y permanentes, y/o mediante la limitación de ancho de la fisura en el diseño del revestimiento secundario.
Durante las dos últimas décadas, se desarrolló significativamente la tecnología del hormigón proyectado con aditivos avanzados (hiperplastificantes, controladores de hidratación y acelerantes libres de álcalis), así como la aplicación mecanizada y la impermeabilización mediante membranas proyectables. Además, se optimizaron los cálculos numéricos de diseño. Todos estos factores permitieron a los diseñadores utilizar revestimientos de hormigón proyectado para una larga vida útil, sustituyendo el revestimiento tradicional de doble capa por un revestimiento de hormigón proyectado permanente (SCL), mediante un revestimiento de capa compuesta (CSL) o de mono capa (SSL). Los revestimientos CSL (Composite Shell Lining) ó SSL (Single Shell Lining), ambos reforzados con fibra estructural, proporcionan a la industria tunelera un revestimiento económico, estanco y duradero, pudiendo terminarse la superficie en un grado similar, si no mejor, a un hormigón colado.
- Membranas proyectadas de impermeabilización
La industria química desarrolló hace dos décadas una membrana proyectada de impermeabilización, con adherencia por ambas caras, la cual se utiliza en sistemas de un único revestimiento monolítico y puede resolver problemas técnicos que demostraron ser difíciles de solucionar con membranas convencionales de PVC, ya que previene las filtraciones o migración de agua a ambos lados de la membrana. Puede ser aplicada en la reparación de túneles ya existentes y es especialmente adecuada para obras en las que el espacio es limitado. Además, se consiguen importantes beneficios en nuevas estructuras de hormigón, en particular aquellas con geometrías complejas, como pueden ser las intersecciones de túneles y galerías de evacuación, ya que ofrecen un sistema de impermeabilización flexible y continuo, puenteando fisuras. No se requiere de juntas de impermeabilización de hormigonado y se evita el embolsamiento de aguas en el trasdós.
Estas membranas ya fueron utilizadas con éxito en Latinoamérica, por ejemplo en túneles carreteros (Lo Prado, La Pólvora y Zapata, Chile), Centrales Hidroeléctricas (El Platanal, Perú y Machadinho, Brasil), Estaciones Córdoba y Santa Fe, Línea H de Subte (Buenos Aires) y Metro (Río de Janeiro y Santiago de Chile).
El uso de membranas proyectadas facilitaron la construcción de un hormigón proyectado permanente, para cumplir con las altas exigencias de impermeabilización. La membrana se proyecta sobre el sostenimiento primario de hormigón proyectado y se cubre más adelante con el revestimiento secundario (hormigón proyectado o vaciado in-situ). Aquí, las propiedades adhesivas (por ambos lados) de la membrana de impermeabilización proporciona el efecto compuesto y permite que la carga pase desde el revestimiento primario al secundario (generando monolitismo), optimizando el diseño (ahorro de espesores).
Debido a que el sostenimiento primario de hormigón proyectado generalmente no se considera como parte integral del revestimiento permanente del túnel, la especificación de esta capa de gunita es de baja calidad. Sin embargo, se pueden construir revestimientos de hormigón proyectado que sean de una alta calidad uniforme, siempre y cuando la operación y el control de calidad sea el óptimo.