Túnel II Centenario, terrenos encontrados y su análisis de comportamiento en el corto y largo plazo

*Por el Ing. Hernando Dávila, EDL Ltda., Colombia.

El Proyecto \»Túnel II Centenario\» forma parte integrante del Corredor vial Bogotá – Buenaventura (Colombia) en la Ruta 40 – Tramo 03 de la Red Vial Nacional y comprende el diseño, y la construcción de:

Actualmente:
Segunda Calzada Calarcá – Intersección Américas.
Intersección Américas.
Obras Anexas (Intersección Américas – Portal Quindío)
Túnel Unidireccional en sentido (Portal Quindío – Portal Bermellón), Long : 8,6 km
Túnel Piloto (Galería de Escape).
Portal Bermellón – Cajamarca.
A futuro:
Segundo Túnel Unidireccional sentido Cajamarca  – Calarcá.

CARACTERÍSTICAS DEL TÚNEL

El túnel carretero ubicado en el macizo colombiano en su cordillera central entre las ciudades de Calarcá y Cajamarca cuenta con una longitud de 8.562 mts y en su mayoría con coberturas hasta de 850 mts.
El portal Quindío se encuentra ubicado a una altura de 2.420,70m. y el portal Tolima a 2.508,30m.
La pendiente promedio es del 1% en el sentido ascendente Calarcá – Cajamarca y la cobertura máxima es de 850 m y se ubica en el kilómetro 4 entre las falla La Soledad y El Campanario.
El túnel de la línea atraviesa varias fallas, materiales poco competentes y presencia de agua, creando un ambiente particular el cual generó situaciones durante la construcción del túnel  asociadas a la geología del terreno.
El macizo del Alto de la línea está afectado por el sistema de Fallas de Romeral, dentro de las cuales se encontraron durante la construcción del túnel las fallas de: La Gata, Alaska,  El Viento, La Vaca, El Campanario, Alto de la Línea, La Soledad, Los Chorros, la estructura de Boudinage y La Cristalina.

SECCIÓN TÍPICA DEL TÚNEL:

• Ancho total 10,50 m
• Dos calzadas de 3,65 m
• Bermas de 0,35 m
• Zona de seguridad 2,50 m
• Gálibo máximo 4,50 m
• Área útil 80,28 m
• Pendiente transversal 2%
• Andenes 1 m

REQUISITOS ESTABLECIDOS EN LA LICITACIÓN PARA EFECTOS DE LA CLASIFICACIÓN INICIAL DEL TERRENO

El túnel está localizado en la Cordillera Central Andina, y cruza de occidente a oriente, rocas de fondo oceánico (diabasas, meta diabasas, esquistos, meta sedimentos) y rocas continentales (gabros, esquistos) y al extremo oriental una intrusión andesítica. Todo el terreno está gobernado por un sistema de fallas denominado Romeral, que en la excavación se manifestó en fallas satélites, algunas de las cuales superan los 500 mts de longitud.

Procedimiento de clasificación

Hoy en día, las clasificaciones geomecánicas son un método de uso generalizado en el proyecto y construcción de túneles, y que gracias a ellas es posible un mejor conocimiento e interpretación de los datos geológicos y geotécnicos en el diseño y excavación de las obras subterráneas. Son un método de ingeniería geológica que permite evaluar el comportamiento geomecánico de los macizos rocosos, y de aquí estimar los parámetros geotécnicos de diseño y el tipo de sostenimiento de los túneles.

Teniendo en cuenta que a la fecha de inicio del contrato, ya se había excavado la mayoría del túnel piloto, el Instituto Nacional de Vías (INVIAS) de Colombia, estableció para efectos de la clasificación del terreno, una línea base establecida bajo las siguientes premisas:

• Estudios FASE II Túnel de la línea, elaborado por la firma INGETEC en el año de 1985.
• Estudios Cruce de la Cordillera Central (Paralela Ibagué – La Línea) elaborado por el consorcio de La Línea en el año 2000.
• Resultados arrojados durante la ejecución del Túnel Piloto – Fase I del Túnel de la línea.

DESCRIPCIÓN Y RESUMEN DE TERRENOS ENCONTRADOS DURANTE EL PROCESO CONSTRUCTIVO DEL TÚNEL

Durante el proceso de excavación del túnel se utilizó el sistema de clasificación de rocas de RMR (Bieniawski – año 1976). Con base en la anterior información, se elaboró en el día a día, un registro de seguimiento geológico – geotécnico de la excavación, cuyas características sirvieron para la elaboración del perfil geológico del túnel.

RESUMEN DE ZONAS DE FALLA ENCONTRADAS DURANTE LA EXCAVACIÓN DEL TÚNEL

El macizo del Alto de la Línea esta afectado por el sistema de Fallas de Romeral, dentro de las cuales se encuentran :

TÚNEL SEGUNDO CENTENARIO

En ese momento nos planteamos el siguiente interrogante: ¿cómo actuar ante la anterior situación encontrada durante el proceso de excavación del túnel?

REALIZACIÓN DEL ESTUDIO

Ante la anterior situación y con el fin de determinar en base a sus características geológicas y geotécnicas del túnel para determinar su comportamiento en el largo plazo (vida útil), se realizó una sectorización del mismo con base en información geológica-geotécnica que se recopiló durante las investigaciones existentes y realizadas durante la construcción del túnel y el túnel piloto. Estableciendo que el terreno donde se construye se divide en seis sectores, dentro de los cuales se encontraron rocas volcánicas diabasas, meta diabasas, esquistos verdes duros, esquistos grises y negros, gabros y meta gabros y andesitas.
Para la elaboración del estudio, los parámetros de entrada se obtuvieron mediante ensayos a núcleos de bloques representativos de material excavado. Como complemento de lo anterior se realizó un análisis de mediciones de diaclasas obtenidas en campo, en dónde se determinó la continuidad, rellenos, separación y rugosidad, características que permitían determinar la resistencia al corte de éstas, con lo cual se hizo un análisis basado en imágenes tridimensionales con el programa ShapeMetrix 3D que permitió obtener las familias de diaclasas más representativas así como su orientación espacial, ángulos, dirección y separación de discontinuidades.
La instrumentación del túnel, fue realizada por medición de convergencias, hasta que se estabilice la roca. En algunos sectores las mediciones a la fecha del estudio el terreno no se habían estabilizado con esta información y la obtenida previamente se calibraron los modelos a modo de análisis retrospectivo.

Procedimiento de elaboración del estudio

Para llevarlo a cabo, se efectuaron diversos análisis:

• Evaluación de la acción de las diaclasas.
• Evaluación del estado actual de la excavación.
• Evaluación del soporte instalado a largo plazo.
• Comportamiento general de la excavación a largo plazo.

EVALUACIÓN DE LA ACCIÓN DE LAS DIACLASAS

Los parámetros utilizados para las modelaciones se basan en las mediciones de campo, diaclasamiento-rumbo y buzamiento, parámetros de Bieniawski de resistencia de la roca, RQD y los eventos ocurridos en el túnel.
El mapeo y pos –proceso (análisis estadístico) de las discontinuidades se llevó a cabo mediante dos herramientas computacionales, el software dips de rocscience el cual permite de manera sencilla la elaboración de estereogramas y el software shapemetrix3d de 3gsm. Este modelo permite un mapeo completo y un análisis estadístico de las discontinuidades.

• Comportamiento controlado diaclasa: en la calibración se tuvieron en cuenta los registros fotográficos del frente de excavación, las bitácoras de obra y del personal de campo, donde se pudo evidenciar que el desprendimiento fue gobernado por el patrón de discontinuidades.
• Comportamiento dúctil: por la falta de la construcción de una solera adecuada las deformaciones del terreno fueron excesivas, las cuales se manifestaron en agrietamientos del concreto y deformaciones de los arcos metálicos. Nuevamente utilizando los datos de campo y lo ocurrido dentro del túnel se hizo la calibración de los parámetros geotécnicos.

Premisas del diseño a largo plazo:

1. Macizo rocoso: las propiedades del macizo rocoso se afectan debido a los procesos constructivos. Los cuales provocan apertura y relajación de las discontinuidades (plastificación) que a largo plazo disminuyen las propiedades mecánicas del material aumentando el riesgo de presentar desprendimientos en zonas no tratadas adecuadamente.
2. Concreto neumático: el concreto lanzado una vez alcanzada su resistencia máxima, lo que conlleva a plastificación/falla de los materiales y un comportamiento gobernado por valores residuales de resistencia.

• El deterioro del concreto se puede ver adicionalmente perjudicado por el efecto de tres factores: humedad, temperatura y presión. El factor principal es la humedad en el concreto y no en la atmósfera circundante, aunque ésta última contribuye con los fenómenos de deterioro en la medida que se presentan ciclos de humedecimiento y secado en el concreto.
• Carbonatación: procesos químicos generados por la presencia de gases como CO2 y el PH el agua también tienen una incidencia en la resistencia del concreto neumático.

Para la evaluación del comportamiento y estabilidad a largo plazo se tienen en cuenta las premisas anteriores y los resultados obtenidos del estado actual de las secciones con sobre-excavaciones.
En el análisis a largo plazo se muestra una tendencia en la que los bloques se siguen desprendiendo, dado que el soporte instalado no está ejerciendo un efecto estabilizador (básicamente por la falta de contacto entre el soporte y la roca).
La modelación numérica del comportamiento y estabilidad de una obra subterránea a largo plazo permite la evaluación de un riesgo potencial de desprendimientos y desplazamientos durante la vida útil del túnel.
Se recomienda la construcción de un revestimiento final con concreto hidráulico continuo a lo largo de todo el túnel y cuñas en los sectores que se presentan grandes deformaciones, el revestimiento debe ir acompañado por la construcción de solera y elementos que garantice la correcta y segura operación del mismo.
Análisis de los resultados

Se realizaron análisis en condición actual y a largo plazo:

Condición actual:

• Análisis de sobre excavaciones controladas por discontinuidades, el análisis permitió determinar que la sobre excavación, se da por la presencia de varias familias de discontinuidades y que existe un alto riesgo de desprendimiento de bloques que afecten la estructura de soporte del túnel.
• Análisis de la solera en relación con soporte inicial, determinó que debe realizarse el  soporte inicial con solera curva ya que la condición actual del terreno presenta un factor de resistencia menor a 1 lo que indica que la excavación es potencialmente inestable.
• Ante lo anterior y teniendo en cuenta que inicialmente no se había construido la solera se direccionó el análisis ante esta situación, en el que se concluye que el pre soporte diseñado para la bóveda y la banca resultó ser insuficiente pues se generan grandes deformaciones lo cual se manifiesta con la deformación que se presentó en los arcos de la Falla de La Soledad, en donde la solera plana que instaló el constructor, durante el proceso de excavación de la sección superior falló.

Condición a largo plazo:

• Análisis del comportamiento y estabilidad de tramos con sobre excavaciones controladas por diaclasas, en este análisis se tomaron como base los resultados del análisis en condición actual, se observó que el soporte puede verse sometido a impactos por desprendimiento por lo que la estructura debe diseñarse teniendo en cuenta cargas dinámicas.
• Análisis de la solución propuesta por el constructor, relleno de cellucrete para recuperar la condición de arco de la roca, se determinó que la caída de bloques continua en menor proporción sin embargo se compromete la resistencia del soporte primario, pues no es capaz de soportar el peso ejercido por el cellucrete y la energía de impacto de la caída de bloques.
• Análisis del comportamiento y estabilidad a largo plazo dada las condiciones particulares del túnel segundo centenario, donde se determinó que a largo plazo el soporte primario continua con el proceso de plastificación por lo tanto se obliga el uso del revestimiento final con concreto hidráulico a lo largo de toda la estructura y la solera, adicionalmente se determinó que en las zonas de sobre excavación se debe realizar diseño a impacto por la caída de bloques.

En conclusión este es el resumen de las características geológicas y geotécnicas de los terrenos, encontrados y se remitió a la entidad para su posterior utilización.