4 marzo, 2024 4:13 pm

Desplazamientos horizontales en excavaciones hechas en la Ciudad de México

En este artículo se presenta una recopilación de información de desplazamientos horizontales medidos en ademes de excavaciones profundas hechas en la Ciudad de México. Los resultados permiten establecer valores típicos de desplazamientos horizontales en función de diversos factores como la profundidad de excavación, las condiciones geotécnicas, el tipo de elemento de soporte y el método constructivo empleado. Adicionalmente, se presentan tendencias de métodos constructivos empleados en cada zona geotécnica de la Ciudad de México a partir del análisis de más de 100 casos reales, entre los cuales se incluyen las excavaciones de algunos edificios emblemáticos de la ciudad.

Felipe de Jesús Jiménez Doctorante del Programa de Maestría y Doctorado en Ingeniería, UNAM.

Walter Paniagua Director general de Pilotec, SA de CV.

Introducción

En la Ciudad de México, debido a la demanda de espacios y a las dimensiones de las nuevas edificaciones, ha sido necesario realizar excavaciones a grandes profundidades, incluso mayores que 50 m. En la figura 1 se muestran las máximas profundidades que se han alcanzado en cada zona geotécnica de la Ciudad de México.

Es sabido que, independientemente de las dimensiones de la excavación, se provocarán deformaciones inevitables, las cuales deberán mantenerse dentro de límites tolerables y apegarse a la normativa vigente para garantizar la estabilidad de la obra y de las estructuras colindantes.

Diversos autores se han encargado de recopilar la información disponible sobre mediciones en excavaciones hechas en distintas partes del mundo (Peck, 1969; Clough y O’Rourke, 1990; Ou et al., 1993). A partir de estos análisis, se han podido establecer valores de desplazamientos esperados en función del tipo de suelo y de la profundidad máxima de excavación.

El objetivo principal de este trabajo fue realizar una investigación documental sobre las mediciones efectuadas en excavaciones profundas en la Ciudad de México, para verificar si los desplazamientos medidos en los proyectos analizados coinciden con las observaciones hechas en escala mundial.

Para la elaboración de este trabajo se han recopilado datos de más de 100 proyectos de excavaciones profundas hechas en la Ciudad de México, entre las que se incluyen las excavaciones para algunos de los edificios emblemáticos de la ciudad, con el objetivo de recabar información sobre los desplazamientos horizontales medidos en los ademes o muros. A partir de los resultados de las mediciones recopiladas, fue posible encontrar valores típicos de desplazamientos horizontales en función de la profundidad máxima de excavación, que además obedecen al tipo de sistema de contención empleado y a la zona geotécnica a la que pertenecen.

Con el análisis de la información disponible fue posible, además, visualizar las tendencias constructivas en la Ciudad de México, en función de la zona geotécnica en la que se encuentran.

Investigación documental

Al diseñar una excavación profunda, es altamente recomendable realizar una investigación documental sobre proyectos similares construidos en la zona de interés y las soluciones adoptadas. Cualquier experiencia local brindará información valiosa que no debe ser despreciada.

Condiciones geotécnicas en la Ciudad de México

De acuerdo con la reglamentación vigente en la Ciudad de México (GCDMX, 2017), la zona urbana se divide en tres zonas geotécnicas: Lomas (Zona I), formada por rocas y suelos generalmente firmes pero heterogéneos; Transición (Zona II), en la que los depósitos profundos se encuentran a 20 m de profundidad o menos, y que está constituida predominantemente por estratos arenosos y limoarenosos intercalados con capas de arcilla lacustre; y Lago (Zona III), integrada por potentes depósitos de arcilla altamente compresibles.

Monitoreo de excavaciones profundas

El monitoreo de las excavaciones profundas es de gran importancia durante la construcción, debido a que es posible detectar comportamientos anómalos de las estructuras. Además, las mediciones efectuadas pueden ser útiles para predecir el comportamiento de excavaciones futuras con condiciones geotécnicas similares. También pueden ayudar para saber si los desplazamientos obtenidos con modelaciones numéricas en la etapa de proyecto se encuentran dentro de los rangos típicos.

Desde hace algunas décadas se ha monitoreado el comportamiento de algunas de las excavaciones profundas realizadas en la Ciudad de México, con la finalidad de mejorar el entendimiento de este tipo de obras. Los resultados obtenidos han permitido establecer criterios para análisis y diseño.

Desafortunadamente, en la práctica mexicana son poco comunes las mediciones de asentamientos en la superficie que permitan determinar las zonas de influencia de las excavaciones en superficie, por lo que este trabajo queda limitado al análisis de los desplazamientos horizontales en ademes, cuyas mediciones se han realizado generalmente con la ayuda de inclinómetros de sonda y con equipo topográfico.

Tendencias constructivas en la Ciudad de México

A partir de la información disponible de los casos estudiados, se puede realizar un análisis de las tendencias constructivas de excavaciones hechas en la Ciudad de México. En algunos de estos casos la información se puede consultar en la bibliografía técnica, mientras que en otros se trata de información interna de los autores.

Tipos de ademe

La figura 2 muestra los ademes empleados en los proyectos estudiados. Se observa que predomina el uso de muros Milán y de concreto lanzado. El muro Milán se utiliza principalmente en las zonas de Lago y de Transición, mientras que el concreto lanzado se emplea con mayor frecuencia en la Zona de Lomas. La elección del ademe depende de factores como drenaje, rigidez, grado de dificultad de instalación y costo (Paniagua, 2020).

Elementos de soporte utilizados

La figura 3 muestra los elementos de soporte comúnmente utilizados para reforzar los ademes. Los sistemas de anclaje son los más utilizados en las zonas de Lomas y Transición, mientras que en la Zona de Lago predomina el uso de puntales metálicos; también destaca el uso creciente de las losas de entrepiso con el sistema top-down.

Método constructivo utilizado

El análisis efectuado nos permite obtener la gráfica de la figura 4, donde se observa que, en la Zona de Lago, predominan dos métodos constructivos: el muro Milán apuntalado y el sistema top-down con muro Milán. En la Zona de Transición es más frecuente el uso de muros Milán con anclas activas. Finalmente, en la Zona de Lomas predomina el uso de concreto lanzado y anclas activas.

Desplazamientos horizontales medidos en excavaciones profundas

Proyectos con mediciones disponibles

De los proyectos estudiados para este trabajo, solo algunos cuentan con mediciones de desplazamientos horizontales en ademes. La tabla 1 contiene las características principales de los proyectos en cuestión.

Desplazamientos máximos

La figura 5 muestra los desplazamientos laterales máximos medidos en excavaciones profundas, en función de la profundidad máxima de la excavación, H. Como se aprecia, los desplazamientos dependen de diversos factores como el tipo de muro, la zona geotécnica y el tipo de soporte, entre otros.

Los valores observados resultan mayores que los obtenidos por Ou et al. (1993), que se encuentran dentro del rango 0.002 H a 0.005 H, y coinciden con los obtenidos por Peck en 1969 (0.01 H).

A partir del análisis de la figura 5 podemos establecer los rangos de desplazamiento lateral máximo, en función de profundidad máxima de excavación, que se presentan en la tabla 2.

Los mayores desplazamientos horizontales en ademes se han registrado en la zona lacustre, siendo las tablestacas metálicas apuntaladas los elementos que presentan mayores desplazamientos, seguidas por los muros Milán apuntalados. Debido a que el sistema top-down es generalmente utilizado tanto en la Zona de Lago como en la Zona de Transición, los desplazamientos tienen gran dispersión, pero de forma general se aprecia que en aquellas zonas donde las excavaciones alcanzan los depósitos profundos o donde las arcillas están afectadas por los abatimientos de la presión de poro, los desplazamientos tienden a ser menores que en la Zona de Lago con mayores espesores de arcillas blandas.

Deformada del ademe

En la Ciudad de México, debido a la gran variación que existe en las condiciones geotécnicas, la deformada de los ademes en excavaciones no presenta una configuración definida, como lo señalan algunos autores, que han observado que el desplazamiento máximo coincide con la profundidad máxima de excavación, sino que depende en gran medida de la flexibilidad del ademe y de las condiciones geotécnicas; se encuentra que, en algunos casos, el desplazamiento máximo ocurre en la parte superior del ademe.

La figura 6 muestra algunos ejemplos de excavaciones con diferentes configuraciones de deformaciones horizontales. En primer lugar, se tiene una excavación contenida con tablestaca y puntales metálicos cuya profundidad de excavación no sobrepasa los depósitos arcillosos; en este caso, el desplazamiento horizontal máximo ocurre cerca del fondo de la excavación (figura 6a). Se aprecia también el caso de una excavación hecha en la zona centro de la Ciudad de México, contenida con muro Milán y losas de entrepiso (sistema top-down) que alcanzó los 28.5 m de profundidad; en este caso, debido a que los suelos contenidos no tienen gran rigidez, la deformación máxima se presentó cerca del fondo de la excavación, a pesar de que el ademe se instaló prácticamente en el contacto con los depósitos profundos (figura 6b). En seguida se presenta el caso de una excavación realizada en la Zona de Lago, muy cerca de la frontera con la Zona de Transición, donde las arcillas cercanas a la Capa Dura presentan gran rigidez y la presión en el agua se encuentra fuertemente abatida; la contención de la excavación se realizó con muro Milán y puntales metálicos precargados; se observa que la deformación máxima se presentó en la parte superior del muro (figura 6c). Finalmente, se presenta el caso de una excavación realizada en la zona poniente de la Ciudad de México, donde se tiene la presencia de rellenos sueltos heterogéneos de espesor variable subyacidos por materiales arenolimosos más competentes; la contención se resolvió con muro Milán y anclas postensadas; se aprecia que los desplazamientos en el ademe son irregulares y que disminuyen cerca de la parte inferior del muro (figura 6d).

Factores que intervienen en la magnitud de los desplazamientos horizontales

Son diversos los factores que tienen influencia en la magnitud de las deformaciones horizontales en ademes, como el tipo de suelo contenido, la profundidad de excavación, la rigidez del sistema de contención, la secuencia constructiva, la precarga aplicada, el peso y la rigidez de las estructuras aledañas, el factor de seguridad ante falla de fondo por esfuerzos cortantes, la profundidad y el tipo de suelo en el que se desplanta el ademe.

Geometría de la excavación

Como se aprecia en la figura 5, existe una relación directa entre el desplazamiento máximo y la profundidad de excavación.

Otro factor es la forma que la excavación tiene en planta, ya que entre más distancia exista entre las esquinas de la excavación, mayores serán los desplazamientos en la parte central del ademe.

Rigidez del sistema de contención

La rigidez del sistema tiene gran influencia en los desplazamientos generados; a mayor rigidez, se tienen menores desplazamientos. Los factores que intervienen en la rigidez del sistema de contención son: la rigidez del ademe, la separación de los elementos de soporte (puntales, anclajes, losas, etc.) en ambos sentidos y la rigidez axial de los elementos de contención.

Secuencia constructiva

La secuencia constructiva influye de manera significativa en los desplazamientos generados por una excavación. Por ejemplo, cuando se emplea el sistema top-down, es posible que no se construyan las losas de entrepiso de los sótanos de forma continua; en su lugar, se construyen de forma alternada, dejando un nivel de losa sin construir, lo que se traduce en desplazamientos mayores que si se construyeran las losas de forma continua. Otro ejemplo donde la secuencia constructiva influye en los desplazamientos generados es cuando se emplean bermas de suelo antes de colocar los elementos de soporte, ya que, si no se colocan con suficiente rapidez, la deformación del ademe puede ser excesiva. La secuencia constructiva general también tiene gran influencia en el comportamiento del ademe; por ejemplo, cuando la cimentación profunda del proyecto se construye antes de excavar o cuando la excavación se realiza por etapas, se presentan menores expansiones en el fondo de la excavación, lo que se traduce en desplazamientos menores del ademe.

Debido a las razones expuestas en este apartado, es muy importante que en el análisis de las excavaciones se tome en cuenta el comportamiento del sistema de contención en cada etapa constructiva, para que el diseño sea eficiente en cada una de ellas.

Características de las estructuras aledañas

Otro factor que tiene influencia significativa en la magnitud de las deformaciones es el tipo de cimentación de las estructuras aledañas, ya que se han reportado diferencias significativas entre los desplazamientos medidos cuando la cimentación es superficial y aquellos observados cuando la cimentación es profunda (Abdel-Rahman y Sayed, 2002).

Precarga aplicada

La precarga aplicada en los puntales también tiene una influencia notable en los desplazamientos horizontales del ademe. En la figura 7 se presenta el ejemplo hipotético de una excavación de 10 m de profundidad contenida con muro Milán y puntales metálicos en donde se aplicaron dos condiciones de precarga; en primer lugar, se aplicaron precargas como porcentajes de la carga máxima en cada puntal, de acuerdo con el método trapecial de Terzaghi y Peck (1967); en segundo lugar, se aplicaron precargas crecientes con la profundidad, como porcentajes de la presión en reposo. Las curvas muestran un mejor comportamiento del ademe, sobre todo en la parte superior, cuando se aplican presiones crecientes, resultado que coincide con las recomendaciones de Rodríguez (1998).

Longitud de empotramiento

La figura 8 muestra el efecto que tiene la longitud empotrada del muro sobre los desplazamientos horizontales en suelos blandos principalmente. Este efecto también depende de la rigidez del suelo y de la posición del último puntal. Por tal razón, conviene empotrar el muro cierta longitud para reducir los desplazamientos; sin embargo, si la longitud de empotramiento rebasa el 50% de la profundidad máxima de excavación, su efecto se hace despreciable a nivel del fondo de la excavación.

Relación entre los desplazamientos en el ademe y los asentamientos en superficie

La magnitud de los asentamientos en superficie está directamente relacionada con los desplazamientos horizontales en el ademe. Por ejemplo, la figura 9 muestra que, para arenas y arcillas rígidas, el asentamiento máximo en superficie, δvm, es del orden de 0.5 a 0.75 δhm; en el caso de suelos blandos se han medido asentamientos incluso superiores que δhm, (Ou et al. 1993).

A partir del asentamiento máximo estimado, es posible obtener perfiles de asentamiento para diferentes tipos de suelo. La figura 10a muestra los perfiles de asentamiento propuestos por diferentes autores para excavaciones en arenas o arcillas rígidas, y en excavaciones donde el muro se deforma principalmente en voladizo. En el caso de arcillas blandas, el perfil de asentamientos puede obtenerse con los métodos mostrados en la figura 10b, de los cuales, el propuesto por Ou y Hsieh (2011) coincide con un gran número de mediciones y con estimaciones hechas con el método de los elementos finitos empleando modelos constitutivos avanzados que consideran la gran rigidez del suelo a bajas deformaciones (Ou, 2006; Jiménez, 2018).

A partir de los perfiles de asentamiento en superficie, es posible evaluar el daño en las edificaciones aledañas, empleando los conceptos de deformación horizontal y distorsión angular que se desarrollan en la figura 11. Algunos autores, como Bosgardin y Cording (1989), han utilizado estos conceptos para establecer criterios como el mostrado en la figura 12, que son útiles para evaluar el daño en función de los parámetros mencionados, donde el daño puede ir de despreciable a muy severo.

Recomendaciones para desplazamientos máximos admisibles

A partir del análisis de datos similares a los mostrados en este trabajo, se ha elaborado una propuesta para establecer los desplazamientos máximos admisibles en excavaciones hechas en la Ciudad de México. La tabla 3 muestra los desplazamientos máximos permisibles (horizontales y verticales) para cada zona geotécnica, los cuales deberán cumplirse de manera conjunta.

La tabla 4 muestra las distorsiones angulares, β, propuestas para diferentes estructuras.

CONCLUSIONES

La investigación documental presentada brinda información valiosa sobre las soluciones adoptadas en la Ciudad de México para contención de excavaciones profundas. Se aprecia el uso predominante de anclas activas y concreto lanzado en la Zona de Lomas; muro Milán con anclas activas en la Zona de Transición, y el uso de muro Milán apoyado con puntales o losas de concreto en la Zona de Lago.

Las investigaciones documentales permiten proponer soluciones futuras a partir de los casos estudiados; sin embargo, es importante contemplar todas las variables involucradas en la elección del método constructivo.

Los desplazamientos laterales máximos en ademes dependen de diversos factores, además de la profundidad de la excavación. Los factores que tienen mayor influencia son: las condiciones geotécnicas, la rigidez del sistema de contención y el procedimiento constructivo empleado.

El desplazamiento máximo no se presenta cerca del fondo de la excavación en todos los casos; su posición difiere en función de diversos factores –el tipo de suelo contenido es uno de los principales.

En la mayoría de los casos estudiados, los desplazamientos laterales máximos no son mayores que 0.01 H, siendo H la profundidad de excavación máxima.

Lamentablemente, en la práctica mexicana no se llevan a cabo de manera cotidiana mediciones de los perfiles de asentamiento en la superficie, por lo que resulta difícil establecer valores típicos de asentamientos y de zonas de influencia. Debido a ello resulta conveniente que en la práctica se tome conciencia de la importancia de realizar dichas mediciones.

Es importante analizar el efecto de las excavaciones en las estructuras colindantes, ya que los desplazamientos laterales están directamente relacionados con los asentamientos en la superficie, y estos a su vez con las distorsiones angulares que se pueden presentar en las estructuras. Mantener estos efectos dentro de límites tolerables es uno de los principales objetivos en el diseño de excavaciones profundas

Este trabajo fue distinguido con el Premio «Miguel A. Urquijo» al Mejor Artículo Técnico 2022, otorgado por el XXXIX Consejo Directivo del Colegio de Ingenieros Civiles de México.

Referencias

Abdel-Rahman, A., y A. Sayed. (2002). Building subsidence associated with cut-and-cover excavations in alluvial soils. Ain Shams University, Faculty of Engineering. Scientific Bulletin 37: 55-63.

Clough, G. y T. O’Rourke (1990). Construction-induced movements of in situ walls. Design and performance of earth retaining structures. Publicación especial ASCE 25.

Cuevas, A. (2012). Diseño de sistemas de contención para excavaciones. Tesis para obtener el grado de maestría. Programa de Maestría y Doctorado en Ingeniería, Facultad de Ingeniería. México: UNAM.

Cuevas, A. (2019). Comunicación personal.

Cuevas, A. y L. Vega (2017). Sistema de estabilización mixto para una excavación profunda en depósitos fluviolacustres. 4° Simposio Internacional de Cimentaciones Profundas. Ciudad de México: Sociedad Mexicana de Ingeniería Geotécnica.

Cuevas-Ochoa, J. (2012). Procedimiento constructivo para la estabilización de una excavación con muro Milán y anclas en Zona de Transición de la Ciudad de México. Memorias XXVI Reunión Nacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica. Cancún: 837-843

Gobierno de la Ciudad de México, GCDMX (2017). Normas Técnicas Complementarias para Diseño y Construcción de Cimentaciones. Gaceta oficial de la Ciudad de México.

González, J., y V. Mussio (2018). Instrumentación y monitoreo de una excavación mediante muro Milán y sistema convencional talud-berma. Memorias XXIX Reunión Nacional de Ingeniería Geotécnica. León: 963-967

Holguín, E., y E. Tamez (1992). Excavación para la cimentación del hotel Nikko México. Memorias XVI Reunión Nacional de Mecánica de Suelos. Zacatecas: 19-28.

Jiménez, C. (2019). Modelación del proceso constructivo de una excavación con interacción suelo-elemento de contención. Tesis para obtener el grado de maestría. Programa de Maestría y Doctorado en Ingeniería, UNAM. Ciudad de México.

Jiménez, F. (2018). Sistemas de contención para excavaciones profundas en suelos blandos del Valle de México. Tesis para obtener el grado de maestría. Programa de Maestría y Doctorado en Ingeniería, UNAM. Ciudad de México.

Jiménez, F. (2022). Comportamiento de excavaciones profundas en suelos blandos del valle de México. Tesis para obtener el grado de doctor. Programa de Maestría y Doctorado en Ingeniería, UNAM, Ciudad de México (en elaboración).

Lira, G., et al. (2012). Excavación en suelos re-depositados (rellenos heterogéneos de mala calidad) en un predio ubicado al poniente de la Ciudad de México. Análisis y diseño del sistema de estabilización. Memorias XXVI Reunión Nacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica. Cancún: 837-843

Noyola, R., et al. (2012). Anclas postensadas y muro de concreto lanzado para estabilizar la excavación de 54.5 m, ubicada en la calle de Pedregal No 24 en la Col. Molino del Rey, en la Ciudad de México. Memorias XXVI Reunión Nacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica. Cancún: 821-828.

Ou, C. (2006). Deep excavation, theory and practice. Taipei: Taylor & Francis.

Ou, C., P. Hsieh y D. Chiou (1993). Characteristics of ground surface settlement during excavation. Canadian Geotechnical Journal 30: 758-767.

Ou, C., y P. Hsieh (2011). A simplified method for predicting ground settlement profiles induced by excavation in soft clay. Computers and Geotechnics 38: 987-997.

Paniagua, W. (2020). Afectaciones a edificaciones vecinas durante excavaciones. Geotecnia 256: 15-20.

Paulín, J. (2016). Comunicación personal.

Peck, R. (1969). Deep excavation and tunneling soft ground. Proceedings VII International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering. México.

Pérez-Centeno et al. (2018). El comportamiento deformacional de una losa de cimentación de grandes dimensiones, ubicada al nororiente del Valle de México. Memorias XXIX Reunión Nacional de Ingeniería Geotécnica. León: 61-69.

Rodríguez, J., y C. Flamand (1969). Strut loads recorded in a deep excavation in clay. Proceedings 7th International Conference on Soil Mechanics and Foundations Engineering 2: 459-467.

Rodríguez, J., y R. López (1969). Deep excavations and tunnelling in soft ground. Proceedings VII International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering: 370-373.

Rodríguez, R. (1998). Evaluación numérica de las deformaciones inducidas por excavaciones profundas en arcillas blandas. División de Estudios de Posgrado, Facultad de Ingeniería, UNAM, México, D.F.

Romo, M., et al. (1992) Comportamiento de las excavaciones para el cruce de las líneas 8 y 9 del metro. Memoria XVI Reunión Nacional de Mecánica de Suelos, Casos Historia en Mecánica de Suelos I, 39-46. Zacatecas.

Sámano, A. (2002). Torre Mayor en la Ciudad de México, instrumentación y medición de la cimentación y comportamiento de la excavación. Ingeniería y Desarrollo 10. Fundación ICA.

Tamez, E., y A. Cuevas (2007). Anclas postensadas definitivas inyectadas a 15 kg/cm2. Memorias conmemorativas aniversario 50. México: SMMS, 35-40. Terzaghi, K., y R. Peck (1967). Soil mechanics in engineering practice. 2ª ed. Nueva York: John Wiley & Sons.

Compartir en:

DESTACADOS

ONU Agua 2023   

La Conferencia de las Naciones Unidas sobre el Agua 2023 proporcionó una nueva visión de esperanza y cooperación al reunir a gobiernos, empresas, jóvenes, mujeres,

Leer más »

El agua en la COP28

La edición 28 de la Conferencia de las Partes, que tendrá lugar en Abu Dhabi, Emiratos Árabes Unidos, es una reunión controversial y, para algunos,

Leer más »