Este artículo trata sobre el diseño y construcción de un túnel con tubería de concreto reforzado de 1.52 m de diámetro interno de 1.035 km de longitud en la Zona de Lago de la Ciudad de México con el método de tubería hincada empleando la tecnología de microtuneleo con escudo de frente presurizado tipo EPB. El sistema alternativo propuesto permitió una mayor longitud de hincado entre tramos, con la implementación de trazados curvos, ahorro en la construcción en el número de zanjas y disminución de tiempo de construcción. En este trabajo se destacan los procesos de diseño y construcción, además se comparten las experiencias adquiridas.
Blanca Esther Meza Vega Ingeniera civil con maestría en Mecánica de Suelos. Ingeniera de proyecto senior en CIMESA (Soletanche-Bachy México). Vocal en la Mesa Directiva de la SMIG.
José Guillermo Clavellina Miller Ingeniero civil con maestría en Mecánica de Suelos. Director de Ingeniería en CIMESA (Soletanche-Bachy México). Profesor de la asignatura de Mecánica de Suelos Aplicada en la Facultad de Ingeniería de la UNAM.
Raymundo González Ingeniero civil con posgrado en Administración de la Construcción. Director comercial en Latinoamérica de Bessac. Vicepresidente de Microtuneleo en la AMITOS.
Introducción
Debido a la constante inundación de una de las avenidas más importantes de la Ciudad de México que comunican al Aeropuerto Internacional Benito Juárez, el gobierno de la ciudad realizó la inversión en un colector que forma parte de las obras hidráulicas del Túnel Emisor Oriente, en beneficio de más de 10 mil personas en las zonas que se veían afectadas cada año por las constantes inundaciones.
Descripción general del proyecto
El proyecto está ubicado en el oriente de la ciudad, en las alcaldías Venustiano Carranza y Gustavo A. Madero, en las avenidas 503 y lateral del Circuito Interior, en dirección a Aeropuerto Internacional-La Raza. Se trata de la construcción de un colector en su segunda etapa, que consiste en un túnel de 1.035 m de longitud y 1.52 m de diámetro con una tubería de concreto reforzado y una cobertura promedio de suelo sobre la clave del túnel de 5.0 m.
Proyecto base y proyecto alternativo
El proyecto base abarcaba la construcción del túnel con cuatro lumbreras y dos cajas de concreto tipo alcantarilla, para un tramo recto de túnel de 1.035 m de longitud. El trazo de este colector es paralelo al túnel existente, que presenta problemas de azolve y contrapendientes debido al hundimiento regional de la zona. El trazo original ocasionaba que el túnel pasara por debajo de algunas viviendas, además de contar con más pozos verticales para su construcción (véase figura 1).
El proyecto original contemplaba nueve meses de duración de los trabajos; con el proyecto alternativo, el programa se pudo reducir a siete meses.
Durante la etapa de estudio del colector se revisó la factibilidad de modificar el trazo, de tal manera que se realizara en menor tiempo y con la menor cantidad de lumbreras para reducir el programa de obra.
Se desarrolló un proyecto alternativo que consiste en la construcción de sólo tres pozos: la lumbrera de lanzado, una lumbrera de interconexión y una lumbrera de extracción de equipo. El nuevo trazo permitió plantear tramos ligeramente curvos para evitar que el colector invadiera las viviendas aledañas al túnel; esta propuesta de trazo permitió eliminar pozos para agilizar los tiempos de avance en la construcción del microtúnel. En la figura 2 se muestra el nuevo trazo con la posición de los tres pozos.
Estratigrafía del sitio
Condiciones geotécnicas
La zona donde se ubica el microtúnel se caracteriza por tener problemas de asentamientos regionales que han afectado la funcionalidad de banquetas, pavimentos y la propia estructura de drenaje del colector existente. En el estudio de mecánica de suelos se incluyen dos sondeos tipo mixto. Para fines de revisión del túnel y de las lumbreras se tomó como referencia el sondeo mixto núm. 2:
Estrato 1: superficialmente se observó una arena limosa color café claro de consistencia dura con materia orgánica (N=50/10).
Estrato 2: entre 0.60 y 5.50 m de profundidad se encontró una arcilla color café claro de consistencia blanda (2<N<5).
Estrato 3: de 5.50 a 6.30 m de profundidad se encontró un limo arenoso color gris claro de consistencia media (4<N<5); el contenido natural de agua promedio es de 60% y el contenido de material fino es de 87%.
Estrato 4: de 6.30 a 10.40 m de profundidad se encontró una arcilla color café oscuro de consistencia muy blanda con poca arena fina; el contenido natural de agua promedio es de 240%.
En lo referente a las condiciones hidráulicas del sitio, el nivel de aguas freáticas se encontró a 1.20 m de profundidad. El módulo de reacción (Ks) para cada unidad geotécnica se obtuvo a partir de los ábacos de Caquot.
Método de perforación del microtúnel
El túnel se realizó con una microtuneladora tipo EPB1600; con este tipo de equipos y diámetros de túnel es posible realizar tramos de excavación continua de alrededor de 500 m. La tuneladora está equipada con una rueda de corte para materiales blandos. Este equipo permite realizar cambios del equipo de corte desde el interior de la máquina (véase figura 3).
Sistema principal de empuje
El equipo para la instalación de la tubería por el método de microtuneleo a utilizar es una microtuneladora marca Herrenknecht, modelo MTBM EPB 1500 con kit 1520 con soporte de presión de tierra en la cara de excavación y equipo para tubería de DN1520 mm aprovisionado con cabeza de corte para las condiciones estratigráficas de los trabajos a realizar (véase figura 4).
El sistema principal de empuje está situado en el eje de trazo de hincado, el cual puede aplicar una fuerza máxima de empuje de hasta 1,400 t. El sistema de empuje es controlado por el piloto desde la cabina de control. Este tipo de equipos permiten un mejor confinamiento del frente de excavación con el modo EPB, mediante el uso de la rueda de corte adecuada para las condiciones geotécnicas del sitio. El hincado de tubería se logra empleando un sistema de lubricación durante el proceso de excavación alrededor de la máquina y del túnel. Este equipo permite sustituir las herramientas de corte desde el interior de la máquina con avances continuos de hasta 500 m.
El empleo de este equipo permite tener un sistema de guiado en tiempo real con registro de datos, mayor seguridad para el personal en los frentes de excavación y una capacidad para trabajar bajo nivel freático.
Sistema de inyección de bentonita y tubería de concreto como sistema de soporte del microtúnel
En todo el trazo del colector se considera tubería especial para microtuneleo, concreto reforzado grado 3 de diámetro nominal de 1.52 m. Para la ejecución de la hinca se emplea un sistema automático de lubricación. Este sistema está formado por una central que alimenta tubos de inyección de bentonita. El operador, desde la cabina de operación, puede programar la inyección de bentonita estableciendo ciclos de inyección y definiendo el volumen y presión de inyección. El lubricante se realiza a base de agua y bentonita. La mezcla de lubricación se envía a través de las tuberías de inyección de alta presión para colocar la mezcla alrededor de las tuberías mediante tres puntos. A cada tres tubos de concreto se ubican los tres puntos de lubricación.
Sistema de medición con giroscopio
La microtuneladora cuenta un sistema de control remoto desde la superficie, un sistema de presión de tierra balanceada y un sistema de navegación por giroscopio, el cual contempla una línea de diseño con un sistema de coordenadas cartesianas obtenidas de un alineamiento o altitud; son datos que se incorporan al programa desde el inicio del hincado. Durante el levantamiento de las mediciones, se activan en distancias libremente seleccionadas, a través de la computadora, los cuales se muestran gráfica y numéricamente en el monitor en tiempo real. Debido a esta representación gráfica simultánea de varias posiciones, el operador de la máquina puede ver la posición de la microtuneladora en el espacio, y por tanto la tendencia de dirección del movimiento. Todas las mediciones se almacenan en la PC. El control de mediciones puede llevarse a cabo a distancias de aproximadamente 10 a 50 m, y determinar cada vez un nuevo ángulo de deriva de la máquina para ingresarlo nuevamente al giroscopio; el ángulo de deriva de la máquina se origina cuando la dirección del movimiento de la máquina y la elevación no coinciden con el eje de diseño. Un topógrafo debe medir y calcular cuatro valores en la parte exterior de la máquina: tendencia horizontal, rotación y tendencia vertical y punto métrico.
Tendencia horizontal: es la diferencia entre la dirección de la máquina y el eje teórico DTA (mm/m).
Rotación: es el giro de la máquina (grados decimales) que se puede determinar utilizando una plomada en la parte lateral del giroscopio.
Tendencia vertical: es la diferencia entre la inclinación de la máquina menos la inclinación del eje teórico DTA (mm/m).
Punto métrico: es la distancia recorrida por la máquina desde un punto de referencia (m).
Se debe realizar la corrección de la dirección real de la máquina (DRIFT), debido a que la tuneladora se desplaza en una dirección o eje diferente del eje longitudinal de diseño.
En tramos rectos es fácil de realizar, porque se determina en función de los resultados de las comprobaciones de los controles y se ingresa al sistema UNS como una corrección; difícil es aproximarla en un trazo curvo.
Es importante instalar el giroscopio desde la lumbrera de trabajo al inicio del túnel con trazo curvo, para calcular los valores iniciales que se toman en la parte externa de la microtuneladora y para realizar la corrección de la dirección real de la máquina.
Construcción del microtúnel
Secuencia constructiva general
Construcción de lumbrera de empuje, incluyendo losa de fondo para soporte de la base de deslizamiento o de los rieles guía del equipo. Construcción de un muro de concreto reforzado que se usará para el apoyo de los gatos hidráulicos de empuje. Este muro se denomina comúnmente “muro de reacción o de empuje”.
Inicio del proceso de excavación del túnel por medio del escudo excavador, cortando directamente el muro a base de tablestacas metálicas.
La primera pieza de tubo de concreto se colocará en la parte inferior de la lumbrera, la cual será empujada hacia delante por medio de los gatos hidráulicos. Se calibrará adecuadamente el empuje de los gatos hidráulicos garantizando que las fuerzas de empuje sean distribuidas uniformemente por medio del uso de un anillo o empaque de empuje.
Una vez empujado el primer tubo, los gatos hidráulicos se retraerán y se añadirá un espaciador. Se continuará con el proceso de excavación colocando las piezas adicionales de tubo para ser hincadas sucesivamente en un proceso iterativo. La instalación de la tubería hincada concluye al complementar la longitud total deseada.
Trabajos preliminares
El levantamiento topográfico se realizó de manera oportuna para detectar instalaciones u obras inducidas que pudieran afectar el trazo del microtúnel; fue importante determinar la trayectoria y el nivel de arreste del colector existente para considerarlos en la conexión con el nuevo colector. Para identificar las obras inducidas, se realizó un estudio de georradar para descartar la existencia de instalaciones subterráneas no identificadas. Los trabajos de desvío en uno de los carriles del Circuito Interior y la señalización son fundamentales para la ejecución de los trabajos.
Lumbrera de lanzamiento y llegada
Las lumbreras se ubican al centro del trazo del túnel; el confinamiento de las lumbreras se realizó a base de tablestaca tipo AZ19-700, con sistema de troquelamiento a base de perfiles W 14” × 90 lb/ft y troqueles tubulares tipo OC 12” × 0.375” y OC 8” × 0.25” (véase figura 8).
Las dimensiones de las lumbreras son las mínimas para que los equipos de microtuneleo puedan operar y salir, considerando también las dimensiones de las estructuras definitivas de concreto.
Después del hincado de tablestaca y la colocación del sistema de troquelamiento, y antes de la excavación en el interior de los pozos, se deben realizar un par de pozos en el interior de la zona a excavar para aliviar la presión hidráulica debajo de un estrato de arcilla que puede ser susceptible de generar una falla en el fondo de la excavación.
Previamente a los trabajos de construcción del microtúnel, se realizaron una serie de análisis para asegurar la estabilidad de la excavación del frente, análisis de estabilidad del túnel y una revisión estructural de los tubos de concreto.
Análisis de estabilidad del frente de excavación
Antes de la excavación de cada tramo de túnel, la tablestaca metálica de las lumbreras será cortada para el paso de la tuneladora; esto genera un alivio de esfuerzos en la masa del suelo por la eliminación del soporte, aun con la presión de empuje de la tuneladora. Por esa razón es necesario revisar la estabilidad del frente de excavación, para garantizar que sea estable durante la fase de cortado del muro de tablestaca en cada lumbrera.
De acuerdo con el criterio de Tamez, el factor de seguridad ante falla del frente de excavación sin soporte está dado por:
FS =
donde:
Sm2 = resistencia a la corte medida del suelo en las paredes del prisma rectangular sobre la cuña del frente
Sm2 = Kfc + ½ Kf ϕ [γ (H – Zd) + q] tan ϕ = 1.383 t/m2
Zd = altura de la zona de descarga = 1.7D; 3.264 m
D = ancho de la abertura: 1.92 m
Kp = coeficiente de empuje pasivo
Kp = tan2 (45+ ϕ/2°) = 1.07
A = altura de la abertura: 1.92 m
c = cohesión del suelo: 1.30 t/m2
ϕ = ángulo de fricción interna del suelo: 2°
pf = presión en el frente de la excavación: 0 t/m2
H = profundidad a la clave del túnel: 5.50 m
γ = peso volumétrico del suelo: 1.20 t/m3
qs = sobrecarga a nivel de superficie: 2 t/m2
Además:
Kf = (1 – sen ^2φ)/ (1 + sen ^2 φ)
Kp = [tan]^2 (45 + φ/2)
En el caso en que no hay presión en el frente de excavación (pf = 0), se tiene:
(FS = (cN1 + γ(H − zd − A/2) N2 ))/(γ(A/3 + H) + qs )
donde:
Para el caso del túnel de 1.92 m de diámetro, sin considerar la presión en el frente de excavación, se tiene un factor de seguridad de 1.63, el cual es aceptable (FSmín=1.5).
Estabilidad del frente mediante el método de relación de estabilidad:
De acuerdo con el criterio de Broms, el factor de seguridad (FS) de estabilidad está definido como:
FS = [6su]/(γH_o − σ_T )
donde:
γ = peso volumétrico del suelo: 1.20 t/m3
su = resistencia al corte no drenada del suelo al nivel del eje del túnel: 1.50 t/m2
qs = sobrecarga a nivel de superficie: 2 t/m2
σT = presión de soporte del túnel
Ho = profundidad del eje del túnel: 4.11 m
Para el caso del túnel de 1.92 m de diámetro, considerando una presión de soporte nula, se tiene un valor de FS = 1.82, el cual está por arriba del valor FS admisible de 1.5, por lo que se considera aceptable.
Análisis de estabilidad del microtúnel
La estabilidad general de los túneles se analizó mediante un modelo de elementos finitos en 2D, con ayuda del programa RS2. Las hipótesis generales consideradas en el modelo fueron:
Comportamiento elastoplástico del suelo, siguiendo el criterio de falla Mohr-Coulomb, de acuerdo con los parámetros del suelo reportados en la tabla 1.
Tabla 1. Propiedades de los suelos
| Unidad | Prof. i-f (m) | Descripción | Y (t/m3) | C (t/m2) | ø (°) | Ks (t/m3) |
| U1 | 0.0 a –6.3 | Relleno | 1.60 | 10.0 | 20 | 3000 |
| U2 | –0.6 a –5.0 | S.A.S. 1 | 1.13 | 1.30 | 2 | 700 |
| U3 | –5.0 a –6.2 | S.A.S. 2 | 1.20 | 1.50 | 15 | 1300 |
| U4 | –6.2 a –8.0 | S.A.S. 3 | 1.20 | 1.30 | 5 | 750 |
| U5 | –8.0 a –14.0 | S.A.S. 4 | 1.20 | 2.00 | 3 | 800 |
| U6 | –14.0 a –21.0 | S.A.S. 5 | 1.20 | 3.00 | 3 | 850 |
El NAF se reportó a −1.60 m de profundidad.
El revestimiento primario del túnel se modela con elementos cascarón, considerando espesor de 0.16 m, f’c = 480 kg/cm2, peso volumétrico de 2.4 t/m3, relación de Poisson de 0.2 y módulo de Young de 306,724.63 kg/cm2.
Como condiciones de frontera, se restringió el desplazamiento en sentido horizontal en las fronteras laterales, mientras en la frontera inferior se restringió el desplazamiento en sentido vertical y horizontal.
La sobrecarga en la superficie se considera de 2 t/m2, de acuerdo con lo estipulado en las Normas Técnicas Complementarias sobre Criterios y Acciones para el Diseño de las Edificaciones del RCDF.
Condiciones hidrostáticas a partir de 1.60 m de profundidad de acuerdo con la ubicación del NAF.
Se estimó un factor de seguridad de 13.59, lo cual indica que la excavación es estable. Las deformaciones en las paredes del túnel son del orden de 0.7 cm, mientras que a nivel de superficie del terreno la deformación máxima es de aproximadamente 2.6 cm.
Revisión de los tubos de concreto
Con base en los análisis realizados con el programa RS2, se calcularon los elementos mecánicos en el revestimiento primario de concreto lanzado.
A continuación se presentan los resultados obtenidos.
Revisión por flexión
Considerando el uso de tubería de concreto reforzado grado 3 (480 kg/cm2), pared total, de acuerdo con la NMX-C-402-OOCCE, a continuación se presenta una sección transversal representativa, indicando el refuerzo correspondiente.
Con base en las Normas Técnicas Complementarias para Diseño de Estructuras de Concreto, para un concreto f’c de 480 kg/cm2 y un espesor de pared del tubo de 16.0 cm, la capacidad última a flexión, considerando el refuerzo principal a base de varillas de 6 mm de diámetro a cada 24.0 cm, se calcula a continuación:
El refuerzo mínimo a flexión de las secciones de concreto reforzado se calcula con la siguiente expresión:
El cálculo de momento resistente se incluye en la tabla 2.
Considerando el factor de carga de 1.5, se tiene un momento último máximo de 0.047 × 1.5 = 0.0705 t-m, menor que el momento resistente estimado de 0.67 t-m.
Revisión por cortante
El esfuerzo cortante resistente del anillo puede estimarse como:
Para el caso del espesor de 0.16 m, con f’c de 480 kg/cm2, se tiene:
Por tanto, la fuerza cortante resistente para el anillo con un espesor efectivo igual a 13.5 cm es de:
VCR = 8.21(100)(13.5) = 11,083.50 kg
Considerando el factor de carga de 1.5, se tiene un cortante último máximo de 0.17 × 1.5 = 0.255 t, menor que el cortante resistente estimado de 11.08 t.
Revisión por aplastamiento de la sección del tubo
La fuerza resistente por aplastamiento de las paredes de la tubería puede estimarse como:
PCR = FR0.8fc′bd
Para el caso de la tubería de 0.16 m de espesor, con f’c de 480 kg/cm2, se tiene:
PCR = (0.65)(0.8)(480)(100 * 16) = 399,360 kg = 399.36 t
Considerando el factor de carga de 1.5, se tiene una fuerza axial última de 6.89 × 1.5=10.33 t, menor que la fuerza resistente por aplastamiento estimada de 399.36 t.
Revisión por carga axial
La fuerza resistente ante carga axial, debido al empuje para hincado de los tramos de tubo, puede estimarse como:
ACR = FRAtf’c
Para el caso de la tubería de 0.16 m de espesor, con f’c de 480 kg/cm2, se tiene:
ACR = (0.7)(π × 192)(16)(480) = 3,242,726.80 kg = 3,242.72 t
Por tanto, la fuerza de empuje máxima no podrá ser mayor que 3,242.72/1.5 = 2,168.81 t, considerando el factor de carga de 1.5.
Reacción debida a la tuneladora FTun=700 t es menor a la fuerza resistente por carga axial:
FR= 2,168.81 t > FTun= 700 t
Conclusiones
El empleo de este método para la construcción del microtúnel permitió realizar sólo tres lumbreras para los 1,035 m de longitud. También hizo posible modificar el trazo con tramos ligeramente curvos para evitar la construcción de más pozos verticales, y sobre todo para evitar que el túnel quedara debajo de la zona de viviendas.
El uso de un escudo tipo EPB permite ejecutar avances de hasta 500 m sin la necesidad de realizar un paro para hacer intervenciones a la rueda de corte, ya que esto puede hacerse desde su interior.
El cambio de trazo y la reducción en la construcción del número de pozos permitieron reducir los tiempos de ejecución de nueve a siete meses, lo que generó un ahorro en tiempo y costo para el proyecto.
Mediante el control de procesos de la máquina para la excavación del microtúnel se puede llevar un control de la fuerza de empuje en el frente de excavación, un control de la presión de inyección de bentonita y también se puede realizar una corrección oportuna de las desviaciones horizontal (h) – vertical (z) de la máquina tuneladora. También es posible tener un control sobre el proceso de fabricación, las características, volumen y presión de inyección del lodo bentonítico que sirve para lubricar la tubería durante el proceso de hincado.
Como parte de los alcances del proyecto se realizaron verificaciones del frente de excavación para determinar si es estable durante los trabajos de corte de tablestaca para el paso de la microtuneladora; para ello se obtuvo un factor de seguridad de 1.63, mayor al 1.5 permisible.
También se realizaron análisis de estabilidad de los túneles, y se obtuvo un factor de seguridad de 13.59, lo cual indica que la excavación es estable. Las deformaciones en las paredes del túnel son del orden de 0.7 cm, mientras que a nivel de superficie del terreno la deformación máxima es de aproximadamente 2.6 cm.
También es fundamental realizar la revisión estructural de la tubería de concreto para validar el diseño, debido a que se sometió a presiones de 700 t. Se concluye que la fuerza máxima de empuje es menor a la carga axial resistente de la tubería de concreto de 2,169 t.
Con los análisis de estabilidad del túnel se obtuvieron los elementos mecánicos en servicio de la sección del tubo de concreto. Con el refuerzo del tubo se realizó una verificación del armado y de la resistencia de la sección de concreto del túnel, de lo cual se concluye que el momento último máximo de 0.047 × 1.5 = 0.0705 t-m es menor que el momento resistente estimado de 0.67 t-m, y que el cortante último máximo de 0.17 × 1.5 = 0.255 t es menor que el cortante resistente estimado de 11.08 t
Agradecimientos
Agradecemos a los constructores y dueños del proyecto por compartir sus experiencias durante la construcción del microtúnel.
Este trabajo, con el título “Construcción de un microtúnel de 1.52 m de diámetro mediante el método de tubería hincada en Zona de Lago de la Ciudad de México” fue presentado en el 6º Simposio Internacional de Túneles y Lumbreras en Suelos y Rocas.
