Fase 1, etapas I y II.
*Por los Ings. J. G. Laiun y P. M. Fernández de SRK Consulting Argentina. Email: jaiun@srk.com.ar; pfernandez@srk.com.ar
El metro de Buenos Aires consiste en seis líneas subterráneas -A, B, C, D, E y H- que se extiende unos 63 km y tiene unas 90 estaciones operacionales. Las autoridades del metro – SBASE – encaran un conjunto de obras para incrementar la capacidad de interconectividad entre las líneas B, C y D. Este artículo se enfoca en las etapas I y II de la fase 1 de ese programa de mejoras, la que involucra la construcción de un túnel superficial que conecta las estaciones de las líneas C y D y la construcción de un edificio de acceso aledaño a la estación de la línea C cuya función es interconectar las líneas B, C y D con superficie. Se presentan los detalles generales del Proyecto licitatorio, la interacción de las nuevas construcciones con las existentes y el Proyecto finamente construido.
1. INTRODUCCIÓN
La interconexión de las Líneas B, C y D cerca del Obelisco, monumento icónico de la ciudad de Buenos Aires, es uno de los puntos más conflictivos dentro de la red de subterráneo de la ciudad. Al menos 300.000 pasajeros recorren cada día entre las estaciones Carlos Pellegrini (Línea B), Diagonal Norte (Línea C) y 9 de Julio (Línea D), siendo el nodo principal de transbordo de la red. Excepto por pequeños trabajos de expansión previos, el traspaso de pasajeros en el nodo es realizado a través de corredores angostos construidos en 1930, cuya capacidad ha sido superada.
Con el objetivo de aumentar la capacidad de interconexión entre las Líneas B, C y D, las autoridades del Metro de Buenos Aires (SBASE) se encuentran ejecutando el denominado Plan de Accesibilidad, Circulación y Evacuación (PACE) Sarmiento (Fig. 1). En este artículo se describen las etapas I y II de la fase 1 del PACE. La etapa I consiste en la construcción de un túnel superficial que conecta las estaciones Diagonal Norte (Línea C) y 9 de Julio (Línea D) y la etapa II, en la construcción de un edificio de acceso que permite interconectar la superficie, la estación Diagonal Norte (Línea C) y el túnel asociado a la etapa I. Finalmente, sobre esta estructura de acceso se prevé la construcción futura de un edificio de 11 plantas. Todas las estructuras anteriormente fueron ejecutadas sin la interrupción del servicio.
2. GEOTECNIA DEL SITIO
La obra se encuentra implantada en la denominada formación Pampeano (Fidalgo F. at al 1975, Bolognesi A. 1975, Núñez E. 1986). Se trata de arcillas y limos de origen eólico, fisurados y fuertemente preconsolidados con cementación errática. Por debajo (>35m) se encuentra la formación Puelche, un acuífero confinado compuesta por arenas densas pobremente graduadas. Los suelos superficiales (0-4m) se encuentran muy alterados por la actividad humana (rellenos antrópicos). El modelo constitutivo utilizado para los análisis fue Hardening Soil Model with small strain stiffness (Schanz T. et al 1999) y fue calibrado a partir de la campaña geotécnica efectuada (3 sondeos SPT) y de los datos estadísticos históricos presentes en la bibliografía (Sfriso A. et al 2008, Codevilla M. et al 2011).
3. FASE 1, ETAPA I
TUNEL DE INTERCONEXIÓN
4. Proyecto de licitación
Se trata de un túnel de sección transversal de 6.20m x 4.60m y 75 m de longitud con cuatro secciones especiales y una tapada de 2.5/3.0m conformada por rellenos antrópicos (Fig.2). Al este, se ubica la escalera y el ascensor que dirigen hacia la estación de la Línea C, en el centro, la conexión con la estructura de acceso correspondiente a la etapa II y al oeste, la conexión con el túnel pea-tonal existente de la estación de la línea B. Este túnel peatonal cuenta con una escalera pedestres que conecta con la superficie y que debe ser demolida y cerrada temporalmente teniendo en cuenta las previsiones para la construcción de un futuro túnel.
5. Proyecto de ingeniería de detalle
En esta etapa se propusieron algunas modificaciones con el objetivo de optimizar la secuencia constructiva y mejorar la funcionalidad de la intersección entre el túnel existente de la Línea B y el nuevo túnel correspondiente a la etapa I. El comportamiento estructural de esta intersección se rediseñó de forma tal de eliminar la columna intermedia prevista en la etapa licitatoria y mejorar el uso del espacio en esa conexión. Para eso, se ha diseñado la bóveda del túnel de etapa I para que oficie de apoyo a la bóveda del túnel existente y a su vez apoye sobre un marco rígido de 7.67m que permanecerá cerrado temporalmente hasta que se construya el túnel correspondiente a la fase III de este proyecto (Fig. 3).
En cuando al procedimiento constructivo de excavación, se estudiaron dos aspectos críticos para el comportamiento: la estabilidad del frente de excavación y la afectación de la bóveda de la Línea C. El primero se controló desfasando 2.5 m la excavación entre la mitad superior e inferior de la sección transversal y verificando, con un modelo FEM tridimensional, el asentamiento en superficie y la seguridad del frente (Ver Fig. 4). El segundo, con una solera de 0.15m de espesor que permita cerrar el anillo y evitar cargas concentradas debidas a las patas de elefante (Ver Fig. 5).
6. Procedimiento constructivo
Las siguientes figuras muestran imágenes de todo el procedimiento constructivo del túnel. La Figura 6 muestra los trabajos principales de excavación, de ejecución del sostenimiento temporario (hormigón proyectado) y del revestimiento definitivo de hormigón armado. La Figura 7 muestra la excavación de la escalera que conecta con la estación de la línea C, la cual debió ser apuntalada de forma horizontal de forma tal de contener los empujes laterales del suelo.
La Figura 8 muestra la ejecución del revestimiento definitivo del túnel en el sector de conexión con la obra de acceso. La bóveda del túnel se apuntaló temporariamente mientras que, por etapas, se excavaba y ejecutaba la estructura de conexión.
La Figura 9 muestra la obra de conexión con la línea B. La excavación y hormigonado del revestimiento se efectuó sin demoler el túnel peatonal existente. Se colocaron puntales verticales de forma tal de contener la bóveda temporalmente y se realizó una pequeña apertura en la parte delantera de forma tal de construir los cimientos del marco rígido de hormigón. Posteriormente, se construyeron las dos columnas y la viga superior. El revestimiento definitivo del túnel se ejecutó en la parte típica en paños de 6.0m de longitud y la demolición y ejecución de la conexión en la parte oblicua, se efectuó en paños de 2.0 m manteniendo en todo momento la bóveda del túnel peatonal existente apuntalada.
7. FASE 1, ETAPA II
EDIFICIO DE ACCESO Y CONEXIÓN
8. Proyecto de licitación
Tal como se observa en la Figura 10, el edificio de acceso cuenta con una estructura principal (en gris) conformada por seis tabiques perpendiculares al eje de la estación subterránea (en rojo) y al túnel ya construido correspondiente a la etapa I (en verde), que se construirán secuencialmente de forma de proporcionar un sistema de contención lateral al arco de la caverna existente y un apoyo rígido al edificio de 11 pisos previsto en la parte superior (en azul).
De los documentos de licitación surgieron dos aspectos importantes del diseño. Uno de ellos es la especificación de una precompresión activa, con gatos hidráulicos, en el contacto de los tabiques con el lateral de la caverna. La obra de la estación de la Línea C se completó en el año 1934 y el revestimiento de la bóveda cuenta con un diseño muy optimizado de armado con barras de acero lisas (ver figura 11). La pérdida de contención horizontal en uno de los laterales de la caverna durante la excavación y construcción de la obra de acceso podría provocar un aumento de solicitaciones por flexión y a una disminución de los esfuerzos axiles de compresión que pueden provocar la pérdida de serviciabilidad de la estación e incluso, fallas estructurales en la bóveda.
El segundo aspecto importante se relaciona con el sistema de fundación de la primera fila de columnas del edificio. Con el objetivo de no recargar el arco de la caverna existente, estas columnas apoyan sobre los tabiques transversales de contención que, en ese sector, funcionan en voladizo. Este voladizo provoca un aumento de las presiones de contacto con el terreno en la parte delantera de la platea y que, para controlarlas, esta ha sido extendida bajo los tabiques de la caverna existente.
8.1 Proyecto de ingeniería de detalle
En la etapa de ingeniería de detalle, se realizó una verificación de la seguridad de la caverna de la estación en cada una de las etapas constructivas previstas de forma tal de evitar la precompresión especificada en la etapa licitatoria y simplificar, de esta manera, el procedimiento constructivo de excavación.
Cada una de las etapas constructivas, incluyendo la ejecución de la caverna de la Línea C (1934), se modelaron mediante modelos de elementos finitos FE 2D&3D (Plaxis). Se pudo demostrar que el procedimiento constructivo previsto (ver figura 12) era suficiente para mantener la seguridad y garantizar el confinamiento de la caverna en todas las etapas constructivas. La deformación en la bóveda estimada fue inferior a 2,5 mm tanto en horizontal como en vertical (ver figura 13) y las mediciones realizadas con una estación total mostraron desplazamientos de 1mm +/- 1mm. Esto último pudo deberse a que el módulo de elasticidad de descarga y recarga (Eur) in situ del terreno es mayor que el supuesto en el análisis numérico efectuado.
Con el objetivo de no sobrestimar los esfuerzos de flexión en la bóveda de la caverna se utilizó el modelo constitutivo concrete de Plaxis, el cual considera la contracción y fluencia lenta en la bóveda de 80 años de antigüedad. Esto permitió reducir entre un 10 y un 15% los momentos flectores iniciales.
La excavación del terreno sobre la bóveda se realizó una vez ejecutada la contención lateral de tabiques transversales. Considerando la distribución de armadura en la bóveda de la caverna (ver figura 11), el objetivo en todo momento fue mantener los esfuerzos flexores lo más simétricos posible.
Aunque la construcción de la platea de fundación bajo la caverna sería técnicamente posible, seguían existiendo dudas sobre posibles interferencias no documentadas, plazo de obra muy ajustado, riesgo de afectar al funcionamiento normal de la estación y cuestiones de seguridad para los trabajadores. La solución propuesta fue sustituir el sector de la platea bajo la caverna por dos filas de pilotes de hormigón in situ que se construirían desde la superficie, al principio de las obras (ver figura 14).
Se realizaron modelos estructurales tridimensionales para analizar el comportamiento de la estructura (ver figura 15). Esta posee sectores irregulares que no cumplen con los requisitos de los métodos analíticos establecidos en los reglamentos de cálculo. En función de esto, los esfuerzos de segundo orden fueron estimados a partir del método P-δ considerando un desplome en la verticalidad de 1/500 en cada dirección y la rigidez reducida de los miembros estructurales debido a la fisuración. La relación obtenida entre los momentos de segundo orden y de primer orden fue ~20%.
La rigidez vertical de los pilotes y de la platea fue un caso particular: la rigidez vertical relativa entre ellos tiene un gran impacto en la distribución de las presiones de contacto con el terreno. En función de esto, se realizó un modelo geotécnico axilsimétrico (Plaxis2D) para calibrar la curva de carga vs desplazamiento de un pilote aislado (ver figura 16). Posteriormente, esta se ajustó considerando el efecto de grupo tanto en la capacidad de carga y como en la rigidez (Poulos, 1981). La relación entre el asentamiento del pilote individual dentro del grupo y el del pilote aislado es 2,0 / 3,50 y depende de la posición relativa del pilote dentro del grupo (extremo al pilote central). El contratista no realizó mediciones de la elasticidad del suelo sobre el terreno, por lo que fue necesario realizar un análisis de sensibilidad variando la rigidez vertical +/-30%.
9. Procedimiento constructivo
Inicialmente se ejecutaron 16 pilotes perforados de hormigón de ø1,20m desde la superficie entre 15m y 30,7m de profundidad. El resto de la perforación tuvo que completarse con un relleno de densidad controlada para evitar el colapso de las excavaciones posteriores.
Posteriormente, se comenzó con la excavación por sobre la bóveda de la caverna manteniendo un talud 1,6:1 (H:V) en los primeros 7,0m y 1:1,5(H:V), para los últimos 8,0m de forma tal de no provocar un desconfinamiento de la caverna existente. La contención lateral se efectuó mediante seis niveles de anclajes pasivos de ø0,20m dispuestos en una franja de 1,70m x 2,40m y hormigón proyectado de 0,15m de espesor para soportar una excavación de 15 m de profundidad.
Una vez terminada esta excavación, se construyó la parte posterior de la platea junto con el muro de contención lateral. Posteriormente, se excavó y ancló el terreno sobre la bóveda manteniendo el talud de suelo inferior. El factor de seguridad numérico (método de reducción phi-c) obtenido es 1,40 y 1,47 en ambos escenarios (ver figura 17).
La siguiente etapa constructiva consistió en excavar el sector central del talud inferior de forma tal de poder construir los dos primeros tabiques de contención junto con la platea de fundación, proporcionando el principal soporte lateral para la bóveda. Los otros cuatro tabiques se construyeron uno a uno de forma alternada.
Finalmente, se completó la estructura interior hasta el nivel sobre planta baja. La figura 18 muestra parte de la fase de construcción del acceso. La excavación comenzó en junio de 2018, la construcción del edificio terminó en diciembre de 2019 y la apertura fue en marzo de 2020.
10. COMENTARIOS FINALES
El Plan de Accesibilidad, Circulación y Evacuación: Fase 1, etapa I&II, que se ha desarrollado y llevado a cabo en el contexto del servicio público, fue finalizado y se encuentra operativo desde principios de 2020.
Todas las metodologías constructivas se diseñaron con el objetivo de minimizar las intervenciones en las estructuras existentes y evitar daños en la infraestructura del metro y los servicios públicos. Para ello, se utilizaron modelos de elementos finitos en el software Plaxis. El comportamiento del suelo se modeló mediante el modelo constitutivo HSS y se utilizó el Concrete Model para describir el estado tensional actual en la caverna de la Línea C.
Se han medido los desplazamientos en las estructuras existentes en todo momento. Los desplazamientos máximos observados en la caverna de la Línea C fueron de aproximadamente 1mm, menos de lo estimado.
Para evitar los trabajos bajo la estructura existente de la caverna, se adoptó un sistema de fundación combinado de pilotes y platea.
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen a la constructora principal Dycasa S.A y a las autoridades del metro SBASE por la colaboración, confianza y apoyo brindado. También desean agradecer al Dr. Alejo O. Sfriso por su continuo aporte de consejos y discusiones en temas de túneles y estructuras subterráneas, así como a J. Kippes por la elaboración del modelo CAD 3D.
El presente artículo está basado en una traducción del articulo técnico presentado en el World Tunnel Congress 2022 en Copenhague.
REFERENCIAS
Fidalgo F, De Francesco F and Pascual R, 1975. Geología superficial de la llanura Bonaerense”. VI Arg. Geol. Conf., 110 – 147.
Bolognesi A, 1975. Compresibilidad de los suelos de la Formación Pampeano. V PCSMFE, Argentina, V: 255-302.
Núñez E, 1986. Panel Report: Geotechnical conditions in Buenos Aires City. V Conf. IAEG, 2623-2630.
Sfriso A, Sagüés P, Quaglia G, Quintela M and Ledesma O, 2008. Smallstrain stiffness of the Pampeano Formation. IS-Atlanta 2008, IV Intl Symp Def Char Geomat I:237-244.
Codevilla M and Sfriso A, 2011. Actualización de la información geotécnica de los suelos de la Ciudad de Buenos Aires. XIV PCSMGE (Toronto, Canadá), paper 988, CD-ROM.
Schanz, T., P. A. Vermeer, and P. G. Bonnier. \»The hardening soil model: formulation and verification.\» Beyond 2000 in computational geotechnics (1999): 281-296.
Poulos, H. G., Davis, E. H., 1981. Pile Foundation Analysis and Design. The University of Sydney.
Los pasos a nivel en zonas urbanas y el Ferrocarril Sarmiento
