En este trabajo se describe el patrón de deformaciones diametrales que se presentaron durante la construcción de un túnel de drenaje semiprofundo en suelos muy blandos, en su revestimiento primario de 5 m de diámetro interior y que está conformado por dovelas segmentadas de 1.5 m de longitud, el cual se ubica en la zona poniente del Valle de México a profundidades variables entre 20 y 28 m, a lo largo de 13 km de longitud. A partir de los datos obtenidos durante el monitoreo de 6,000 anillos (9 km de túnel) durante más de un año, se realizó el procesamiento y análisis de datos para establecer cuál es la magnitud de las deformaciones y desplazamientos típicos, expresados como porcentaje del diámetro interior del túnel, así como los máximos que se pueden presentar. La información obtenida servirá para establecer rangos de deformación aceptables y críticos que sirvan para mejorar la toma de decisiones por parte de los ingenieros en obra.
Joel M. de la Rosa Rodríguez Ingenieros Geotecnistas Mexicanos, SC.
El Valle de México era una cuenca cerrada hasta 1789, cuando se abrió el tajo de Nochistongo. Hacia el norte está limitado por las sierras de Tepotzotlán, Tezontlalpan y Pachuca; al este por los llanos de Apan y la Sierra Nevada; al sur por las sierras de Cuauhtzin y Ajusco, y al oeste por las sierras de Las Cruces, Monte Alto y Monte Bajo. Su superficie es de 7,160 km2 y cuenta con altitudes superiores a 2,240 m sobre el nivel del mar (Marsal y Mazari, 1959).
Debido a la naturaleza de los suelos que conforman el Valle de México, así como al fenómeno de hundimiento regional provocado por el abatimiento sistemático de sus mantos acuíferos profundos, la existencia de un sistema de drenaje profundo es tan necesario como inevitable. La primera etapa del Sistema de Drenaje Profundo de la ciudad, desarrollada entre 1967 y 1975, abarcó la construcción de 67.9 km de túneles comprendidos entre el Emisor Central de 49.7 km, el Interceptor Central de 7.9 km y el Interceptor Oriente de 10.3 km (Moreno, 1989).
Criterios generales
Revestimiento primario
Los anillos prefabricados segmentados son el principal método de revestimiento primario en túneles excavados mediante máquinas tuneladoras (TBM) en sus distintas modalidades. Los segmentos se construyen de manera tal que formen un anillo y su número depende del diámetro del túnel y de las capacidades del contratista. La práctica más extendida en el plano mundial es la de reforzar medianamente los segmentos del revestimiento primario si el túnel contará con revestimiento secundario colado en sitio; sin embargo, es práctica local habitual de diseño considerar que el revestimiento primario sea capaz de soportar todas las cargas de corto y largo plazo, independientemente del aporte del revestimiento secundario.
El anillo de dovelas se erige dentro del escudo (faldón) de la tuneladora, la cual se autoimpulsa empujando contra las dovelas ya colocadas para avanzar hacia la excavación del túnel. Durante la erección y colocación de cada anillo, el espacio anular que deja la rueda de corte entre el faldón y la excavación es protegido por medio de cepillos con celdas metálicas engrasadas que impiden la entrada de productos de la excavación y agua. Una vez que la tuneladora sigue su avance y los anillos de dovelas salen de la protección del faldón, inicia el proceso de transferencia de cargas desde el suelo hacia el revestimiento primario, y para cuando el frente de excavación se encuentra a aproximadamente 2 diámetros de distancia, la mayor parte de la carga del suelo ha sido transferida al revestimiento. El espacio anular entre anillo y excavación suele ser inyectado con mezclas fraguantes tipo bicomponente, a través de conductos prefabricados para permitir su paso y rellenar dicho espacio, con lo que se aminoran las deformaciones y sus efectos en superficie. Las deformaciones alrededor del túnel son provocadas por varios mecanismos, además de la transferencia de carga del suelo al soporte. En la figura 1 se muestran las notaciones geométricas principales para una tunnel boring machine (TBM) típica.
Deformaciones en revestimientos de túneles
La deformación que ocurre en un suelo blando durante el proceso de tuneleo y justo antes de que entre en contacto con el revestimiento suele ser grande en comparación con la deformación del revestimiento después de que se establece el contacto (Paul et al., 1983).
La deformación del revestimiento primario de un túnel excavado en suelos muy blandos y saturados suele ser un parámetro principal de monitoreo para tomar decisiones preventivas y correctivas por parte de la residencia de obra, en conjunto con los datos de salida de la tuneladora.
Regularmente, los proyectos de túnel de drenaje incluyen un capítulo de instrumentación geotécnica donde se detallan tanto la posición como las características de los dispositivos, sus frecuencias y rangos de medición, como valores máximos admisibles para los principales parámetros monitoreados.
Tolerancias de instalación
Las tolerancias de instalación se pueden describir como desviaciones admisibles o tolerables de la posición nominal de los segmentos, las cuales dependen del uso futuro del túnel y del diseño del segmento y son especificadas por el diseñador en acuerdo con el cliente (Daub, 2013). Articulación, desalineación o desplazamiento, ovalización y separación son las principales tolerancias de instalación, pero en la bibliografía también se mencionan diferentes tipos de excentricidades durante el almacenamiento o al soportar el empuje de la tuneladora (Bergeson et al., 2020).
Convergencias y conceptos relacionados
La medición de convergencias es básicamente la medición de cambios en la distancia entre dos puntos del revestimiento, y representa un método muy extendido, simple y barato para el monitoreo del comportamiento del revestimiento entre etapas constructivas y a largo plazo. La convergencia del túnel (cierre) entre puntos de referencia (ganchos) fijados en los segmentos se mide generalmente mediante extensómetros de cinta o medidores láser de mano. Estos métodos tienen precisión de 0.20 mm por cada 10 m medidos (Liu y Wang, 2009).
El método confinamiento-convergencia emplea estos datos para establecer la distorsión relativa de la sección transversal analizada, a partir de una malla de distancias medidas respecto a un sistema de referencia arbitrario. Por lo general se requiere un mínimo de tres vectores de desplazamiento, y es habitual incluir mediciones diametrales de control. En la figura 2 se muestran arreglos típicamente empleados para distintos tipos de suelos y dependiendo de la etapa constructiva o la distancia respecto al frente de excavación.
Durante un correcto monitoreo de las deformaciones de los segmentos que conforman un anillo de revestimiento, se evalúa la posición relativa de los puntos medidos inicial y posteriormente, mediante el uso de vectores, y se obtiene el cambio real en la forma del revestimiento, mientras que mediante los sistemas tradicionales de medición de convergencias y cambios diametrales suele evaluarse la posición relativa entre secciones de referencia previamente establecidas y puntos diametralmente opuestos, respectivamente. Ambas modalidades proveen información útil y suficiente para conocer las deformaciones reales que se presentan en la sección de revestimiento circular que se analice. En la figura 3 se observa la representación esquemática de las deformaciones medidas y los desplazamientos relativos reales.
La deformación radial (∂R) es la relación entre el cambio medido (∆R) y el radio original (Rm) del revestimiento. La deformación diametral es la relación entre la variación medida (∆D) y el diámetro original (Dm) del revestimiento. Para suelos blandos, la deformación radial recomendada es de entre 0.25 y 0.75% para anillos de dovela (Carpio et al., 2020).
La distorsión relativa (deformación) es la relación entre el desplazamiento diametral del revestimiento (ovalización) y su desplazamiento radial (convergencia). En la figura 4 se muestran esquemáticamente estos fenómenos.
La relación de esbeltez (slenderness ratio) es una métrica comúnmente usada para el dimensionamiento preliminar del revestimiento segmentado y se refiere a su “relación de aspecto”, es decir, la relación entre el espesor de los segmentos y el diámetro total del anillo de revestimiento. Adicionalmente, el comportamiento de túneles revestidos con segmentos es altamente dependiente de las relaciones entre la presión que ejerce el suelo y la relación de esbeltez del revestimiento (Carpio et al., 2020).
Antecedentes
Estudios similares
El proceso de construcción de túneles ha evolucionado hasta el punto de ser un procedimiento automatizado con maquinaria especializada. Las máquinas tuneladoras TBM son empleadas comúnmente para túneles largos, ya que son eficientes y adaptables a distintos medios (Carpio et al., 2020). Las tuneladoras tipo EPB (earth pressure balance) o slurry son especialmente habituales en la construcción de túneles de drenaje sostenidos mediante dovelas y que atraviesan suelos blandos y saturados.
Es común que, en el proyecto ejecutivo y últimamente incluso como requisito contractual, se establezcan valores límite a las deformaciones admisibles en términos de la relación entre la variación de dimensiones en radio (∆R) y diámetro (∆D) y el diámetro interior del revestimiento. Esta relación ha sido definida por varios autores en términos de lo indicado en la ecuación 1, tomada de Peck (1969), donde se recomiendan deformaciones diametrales (∂D) admisibles máximas de 0.5%.
δD = (1)
Por otro lado, la British Tunnelling Society (BTS) y la Institution of Civil Engineers (ICE) recomiendan valores antes indicados por Schmidt (1984) de las deformaciones radiales admisibles máximas recomendables para túneles construidos en suelos blandos. Los valores recomendados oscilan entre 0.25 y 0.75% para arcillas y limos blandos normalmente consolidados (Carpio et al., 2020).
Otros autores refieren sus recomendaciones a las deformaciones diametrales, entre ellos Peck (1969), que recomienda 0.5%; Daub (2013) indica 0.5%; el Código de Construcción Chino para Túneles para Trenes (SPC, 2016) indica 0.3%; Bakhshi y Nasri (2018) recomiendan 0.25-0.50%; Aguilar et al. (2013) establecen 0.5% o menos como admisible para deformación diametral, y establecen otros rangos de valores como fronteras para distintos tipos de acciones, fijando 1.5% como no óptimo y valores mayores a esta magnitud como hitos para llevar a cabo labores correctivas como reinyecciones y refuerzos estructurales.
También existen manuales que indican 0.5% como límite en suelos duros o rocas y 1% como límite en suelos blandos (Bergeson et al., 2020). Por otro lado, Peck (1969) indica 0.25% como un valor típico a considerar durante el diseño, y refiere que en un proyecto ubicado en Oakland, donde fueron monitoreados 4,647 anillos, 48% de ellos presentaron distorsiones de alrededor de 0.25%, mientras que otro 25% llegó a 0.5%. Solo 5% de los anillos monitoreados excedieron el 1% de deformación del revestimiento. En otros casos (Schmitter y Moreno, 1983, y Peña et al., 2015) se reportaron deformaciones diametrales entre dos y tres veces mayores a las recomendadas en proyecto, antes de presentar algún tipo de daño.
Las lumbreras de construcción y de acceso también están sujetas a este tipo de restricciones, y para el túnel objeto de este trabajo se han realizado análisis del monitoreo geotécnico que indican valores típicos de 0.20% y máximos de 0.35% (De la Rosa et al., 2016).
Descripción del proyecto
El túnel objeto de este trabajo es un túnel semiprofundo (cobertura mayor a 2.5 diámetros) que formará parte del sistema de drenaje del Valle de México. Inicia en la zona centro-oriental del Valle de México, en las cercanías del cerro Chimalhuache y a lo largo de 13 km va captando las aguas residuales y algunos sistemas pluviales de las demarcaciones poblacionales cercanas hasta conectarse al Túnel Emisor Oriente, para terminar en una planta de tratamiento ubicada a 60 km de distancia.
Los suelos que conforman la estratigrafía de la zona de proyecto son arcillas altamente plásticas de consistencia blanda a muy blanda, así como contenido de agua máximo de 400 y 235% en promedio. Superficialmente existen canales, lagunas artificiales así como infraestructura preexistente y proyectada para construcción durante la ejecución del túnel (líneas eléctricas, vías de tren, pasos vehiculares elevados, etc.).
La zona que presenta mayor deformabilidad y resistencias más críticas, así como condiciones saturadas, se encuentra en la periferia de una de sus lumbreras centrales, y en dicha zona se pueden encontrar resistencias no drenadas de entre 10 y 60 kPa, con promedio de 30 kPa, contenidos de agua de entre 250 y 350%, límite líquido de 254 y plástico de 160, en promedio.
El método constructivo fue definido contractualmente en la etapa de ingeniería de detalle y proyecto ejecutivo; se dio al constructor la posibilidad de rediseñar algunos componentes principales, seleccionar la máquina tuneladora que se emplearía y establecer las características definitivas de los revestimientos a construir. El revestimiento primario del túnel está conformado por siete dovelas de concreto reforzado de 1.5 m de ancho; los anillos que conforman el revestimiento primario son de 5.6 m de diámetro interior y 35 cm de espesor. El revestimiento primario (dovelas) fue diseñado para resistir el 100% de las acciones a que se verá sujeto a corto plazo, y de los análisis geotécnicos se establecieron 4 cm como deformación superficial máxima esperada y 1.5 cm en promedio.
Metodología
Se recopilaron, procesaron y analizaron los datos obtenidos durante el monitoreo de desplazamientos a lo largo del trazo del túnel de proyecto, los cuales se obtuvieron a lo largo de más de un año de monitoreo después del paso de la tuneladora y la colocación del revestimiento primario. Los datos obtenidos se analizaron por tramo, y en aquellos casos donde los desplazamientos excedieron o se acercaron a los máximos admisibles indicados en el proyecto ejecutivo (3.3 cm), se incrementó la frecuencia de monitoreo y se incluyó la participación de un especialista en túneles mediante visitas técnicas, según lo estipulado en el alcance contractual, con la intención de que realizara un análisis de la información y dispusiera las medidas a llevar a cabo, tanto para fines de remediación como para fines de prevención.
Resultados obtenidos
El desplazamiento diametral máximo que se midió fue 13.8 cm, que implica una ∂D = 2.46%. En los tramos críticos del trazo (los cuales necesitaron refuerzos adicionales), los desplazamientos promedio fueron de 7.6 cm para un ∂D = 1.4%, mientras que el promedio de las mediciones tomadas durante el primer mes después de colocado el anillo fue de 0.82 cm y el promedio durante el primer año fue de 2.8 cm, implicando ∂D de 0.15 y 0.50%, respectivamente.
Un 84% de los anillos monitoreados presentó deformaciones menores al admisible estipulado en el proyecto ejecutivo, mientras que las mediciones por encima del admisible fueron un 16% del total. La distribución de variaciones diametrales (∆D) al primer mes y al primer año se muestran en la figura 5.
Discusión
En la construcción de túneles en el Valle de México existen prácticas habituales que suelen dificultar el aprovechamiento de los sistemas de auscultación indicados en el proyecto ejecutivo, principalmente en lo que se refiere a cantidad de instrumentos y frecuencia de monitoreo, a menudo promovidas por una combinación de desconocimiento sobre la relación costo/beneficio de la instrumentación y disposiciones provenientes de la residencia de obra o el cliente, que tienden a la optimización constante y algunas veces ello resulta contraproducente. En este orden de ideas, resulta relevante que los ingenieros especialistas en túneles, residentes de lumbrera, jefes de frente y jefes de obra tengan acceso a datos fácilmente medibles y directrices claras acerca de los rangos aceptables en el comportamiento observado previo o durante eventos críticos que requieran acciones para prevenir o mitigar riesgos de seguridad.
De los resultados obtenidos durante el primer mes de monitoreo de revestimiento primario una vez colocado, se puede observar que, para el caso de túneles de dos revestimientos, es de gran importancia que la construcción del revestimiento secundario se realice de manera expedita; las labores de coordinación y gerencia de obra resultan esenciales para la estabilidad y seguridad del túnel durante su construcción.
El 92% de los anillos monitoreados tuvieron deformaciones diametrales por debajo de 0.3% a lo largo del primer mes después de colocado el revestimiento primario, y el 8% de anillos se deformaron entre 0.3 y 0.6% para el mismo periodo; para los máximos registrados a lo largo del primer año, el 70% de los anillos tuvo deformaciones diametrales menores de 0.4%, otro 12% de los anillos se deformó entre 0.4 y 0.6%, y el restante 18% se deformó entre 0.6 y 3.0%. En la figura 6 se muestran los resultados descritos.
Conclusiones
Del análisis y procesamiento de los datos medidos en campo, se concluye que para túneles construidos en suelos arcillosos saturados y muy blandos del Valle de México o similares a ellos es recomendable acelerar los procesos relativos a la construcción del revestimiento definitivo o implementar los esquemas completos de inyección anular, en el caso de revestimiento único.
Durante el proceso de construcción, y en especial cuando existan retrasos en la ejecución, se puede considerar como admisible una deformación diametral menor al 0.5% del diámetro interior del revestimiento. Rebasar este límite implica un incremento en la frecuencia de medición en los puntos donde se detecten cambios y un análisis de velocidades de deformación como información de apoyo para el especialista que determinará las acciones de prevención y mitigación, como reinyecciones o refuerzos estructurales.
Se propone, como futuras líneas de análisis, considerar la influencia del tiempo mediante la velocidad de deformación, así como la profundidad de la sección analizada; realizar análisis de anillos instrumentados (deformaciones del suelo, presiones de suelo y agua) y análisis considerando parámetros geotécnicos de clasificación, resistencia y deformabilidad
Referencias
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Bakhshi, M., y V. Nasri (2018a). Standard practice and latest developments in tunnel segment tolerances, measurement, and dimensional control. Proceedings of World Tunnel Congress. Dubai.
Beghoul, M., y R. Demagh (2019). Slurry shield tunneling in soft ground. Comparison between field data and 3D numerical simulation.
Bergeson, W., et al. (2020). Precast concrete segmental liners for large diameter road tunnels. Literature survey and synthesis. US Department of Transportation, Federal Highway Administration.
Carpio, F., et al. (2020). Evaluation of traditional deformation limits for segmental tunnels in soft soils. Proceedings of the Institution of Civil Engineers – Structures and Buildings. ICE Publishing.
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Marsal, R., y M. Mazari (1959). El subsuelo de la Ciudad de México. UNAM, Facultad de Ingeniería.
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Pinto, F., et al. (2014). Ground movements due to shallow tunnels in soft ground 2: Analytical interpretation and prediction. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering (4)140.
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