Durante la construcción de un túnel urbano mediante una máquina tuneladora, es necesario monitorear los principales parámetros que influyen en la generación de asentamientos en superficie; para ello debe darse seguimiento en tiempo real a la presión de tierras en la cámara de excavación, al peso de material excavado, el volumen de bentonita y de mortero, y la presión de inyección de mortero durante la salida del anillo del escudo; son estas las etapas más críticas del proceso constructivo.
Diana Gutiérrez Uclés Dragados.
Carlos David Martínez Taylor Brothers Inc.
María del Rocío Salcedo Lumbreras y Túneles, S.A. de C.V.
INTRODUCCIÓN
Descripción general del proyecto
El proyecto de la Línea 3 del Tren Ligero de Guadalajara forma parte del Transporte Ferroviario Multimodal de 21.45 km que se compone de tres frentes, dos viaductos y un tramo subterráneo. Este último tiene una longitud de 5.35 km y está constituido por dos trincheras, una de entrada y una de salida, cinco estaciones subterráneas, tres salidas de emergencia y un Centro de Transferencia Modal (Cetram). Para la construcción del tramo subterráneo se empleó una máquina tuneladora con un diámetro de excavación de 11.55 m, una longitud de escudo de 12 m y una longitud de back up de 120 m. El revestimiento está constituido por seis dovelas más una pieza clave con un espesor de 0.38 m, 1.80 m de ancho y una resistencia a la compresión f’c de 400 kg/cm2.
Geología regional de la ciudad de Guadalajara
El municipio de Guadalajara se localiza dentro de la cuenca del Valle de Atemajac y en la caldera volcánica de la Sierra de la Primavera. Debido a sus características topográficas y climatológicas, en la zona centro de Guadalajara predomina una estratigrafía típica, que se puede resumir en estratos de suelos pumíticos, caracterizados con un rango de gravas (jales), arenas (jalecillo) y limos, con predominio de las arenas limosas de espesor variable con compacidades desde muy suelta hasta muy densa; su compacidad aumenta proporcionalmente con la profundidad (Lazcano, 2004). Subyace a estos estratos de suelo un basamento rocoso de profundidad variable, compuesto de ignimbrita, basalto (vesicular y liso), conglomerado, toba y riolita. La resistencia de este macizo es muy blanda y su grado de meteorización es variable (Zamudio et al., 2004).
PROCESO CONSTRUCTIVO
El proceso de excavación del túnel se llevó a cabo mediante una tuneladora TBM (tunnel boring machine) del tipo EPB (earth pressure balance). El principio fundamental de la EPB es logar el equilibrio entre la presión existente en el terreno excavado y la presión que ejerce la máquina, para minimizar las posibles alteraciones al terreno circundante (Gutiérrez, 2019).
El proceso de excavación se inicia en el frente cuando las herramientas de corte son accionadas; la cabeza de corte gira y penetra en el suelo. Conforme avanza la excavación, la estructura cilíndrica del escudo funciona como un revestimiento provisional y esto evita que la excavación se cierre. El suelo presurizado fluye de la cámara de excavación y se extrae mediante un tornillo descomprimiendo el material con cada giro del sinfín hasta alcanzar la presión atmosférica; para el manejo de la rezaga se implementa una banda transportadora. El avance de la excavación del túnel se realiza por medio de cilindros de empuje, los cuales se apoyan en el anillo de dovelas previamente colocado.
Debido a que el escudo de la TBM es de un diámetro mayor que el anillo de dovelas, se crea un espacio anular entre el suelo y el revestimiento. Para evitar asentamientos en superficie, el espacio anular es rellenado con mortero durante el avance; para limitar la entrada del mortero al interior del túnel y asegurar su estanqueidad, el equipo dispone de cepillos y placas en la parte final del escudo, donde se inyecta la grasa de cola.
PARÁMETROS
Para el seguimiento, control y monitoreo de la excavación se utilizó un software especializado que permite visualizar en tiempo real los parámetros de excavación y detectar errores de operación que afecten la estabilidad del túnel. Para fines de este trabajo solo se tomaron en cuenta los parámetros que están relacionados con la generación de movimientos en superficie durante el proceso de excavación: presión de tierra, peso de material extraído, volumen y presión de mortero inyectado en el espacio anular y volumen de bentonita. Los umbrales de control para la operación de la TBM fueron establecidos previamente en la hoja de seguimiento de excavación y dependen del tipo de suelo, nivel de aguas freáticas, profundidad a excavar y condiciones específicas del lugar.
Durante la excavación se pueden presentar asentamientos por causa de la inestabilidad del terreno en tres puntos, que se pueden relacionar con los parámetros de operación de la tuneladora: en el frente de excavación, control de material extraído y presión de tierras; alrededor del escudo, control de inyección de bentonita; detrás del escudo, control de volumen y presión de mortero.
Control de material excavado
Es importante tomar en cuenta la cantidad de material excavado, a fin de poder prevenir una sobreexcavación o subexcavación. El peso de material excavado se mide con dos básculas localizadas en la banda transportadora: la primera bajo la salida del material por el tornillo sinfín y la segunda unos metros adelante. Este peso se compara con el valor teórico que resulta de multiplicar la sección transversal excavada por la longitud excavada y la densidad relativa del suelo natural.
Presión en el frente de excavación
El control de la presión en la cámara de excavación es primordial para minimizar las subsidencias en superficie. La presión de frente es obtenida a través de la geología, la presión hidrostática, la presencia de edificios próximos al paso de la tuneladora y la sobrecarga que esto implica.
La tuneladora empleada está diseñada teóricamente para trabajar en suelos cohesivos, que tengan cierto contenido de finos y puedan ser extraídos por el tornillo sinfín sin perder la presión de confinamiento que soporta el frente de excavación; sin embargo, los materiales pocas veces cumplen estos requisitos, y se recurre a la aplicación de agentes condicionantes que puedan ayudar al suelo a alcanzarlos. El sistema de equilibrio de presión de tierras está relacionado con el volumen de material extraído mediante el tornillo sinfín, es decir, se debe establecer un equilibrio entre el material que entra a la cámara de excavación y el que es extraído, sin generar pérdida de presión.
Para el control de las presiones de tierra en la cámara de excavación, se utiliza la interacción de varios parámetros: velocidad de avance del escudo, velocidad de extracción del material a través del tornillo sinfín y densidad del material.
La forma más fácil de regular la presión de tierras durante el avance es cambiando la velocidad de extracción a través del tornillo sinfín. Entre más rápida sea la extracción de material de la cámara mediante el tornillo, menor será la presión; por el contrario, si la velocidad del tornillo sinfín es menor, la presión aumentará en la cámara de excavación.
En cuanto a la velocidad de avance, a mayor velocidad, mayor fuerza de empuje de cilindros y mayor presión en la cámara.
La máquina dispone de detectores de presión en la cámara de excavación y el tornillo sinfín, cuyas lecturas permiten el monitoreo de la presión de soporte ejercida por el escudo en tiempo real.
Volumen de bentonita
Los asentamientos que tienen lugar en el escudo de la TBM están relacionados con la sobreexcavación efectuada por la sección cónica del escudo, diseñada para facilitar el avance y evitar un atascamiento debido a la relajación de esfuerzos. Para minimizar los movimientos que se generan por causa de las presiones radiales, durante la excavación se realiza la inyección de bentonita en el escudo, la cual proporciona un sostenimiento preliminar entre la cabeza de corte y el escudo, disminuye la fricción entre el escudo y el material circundante y facilita el avance efectivo de la TBM.
Volumen y presión de inyección de mortero en el espacio anular
El espacio libre entre el extradós del revestimiento y el perfil excavado es el causante de los mayores asentamientos durante la construcción de un túnel con TBM; sin embargo, esto puede cambiar si el manejo de las presiones en el frente de excavación no es el adecuado.
Es importante tener un control minucioso del volumen de mortero inyectado, ya que este debe ser correlacionado con el volumen teórico, y su medición sistemática es fundamental para controlar los asentamientos en superficie. Un volumen de inyección significativamente más alto que el calculado puede representar una sobreexcavación o una dispersión del material en una cavidad preexistente en el terreno natural.
Durante todo el proceso de excavación se bombea grasa en el espacio libre entre la cubierta del faldón y la superficie de revestimiento y entre los cepillos adyacentes; esto permite mejorar la resistencia a la infiltración de agua, de otro material o incluso del mortero inyectado (véase figura 2).
ANÁLISIS DE ASENTAMIENTOS
Los cambios derivados de la construcción de un túnel producen alteraciones en el estado de esfuerzos del suelo, las cuales pueden originar problemas de estabilidad y traducirse en deformaciones; para predecirlas y limitarlas es necesario identificar los mecanismos asociados a la formación de asentamientos derivados de la excavación de un túnel.
Las deformaciones durante el proceso de excavación tienen lugar en cinco diferentes etapas:
- Deformación previa a la llegada del escudo: movimiento superficial que ocurre dentro de la zona de influencia por delante del escudo y es causada por la perturbación generada en el terreno.
- Deformación del suelo en el frente de excavación: ocurre a la llegada del escudo y es debida a la relajación de esfuerzos en el medio.
- Deformación radial del suelo en el escudo de la TBM: se debe principalmente al seccionamiento cónico que presenta el escudo y la sobreexcavación.
- Deformación radial del suelo en el revestimiento: debido a la diferencia que existe entre la sección excavada y el revestimiento, y depende de una correcta inyección de mortero.
- Asentamiento a largo plazo: depende del tipo de suelo y se presenta principalmente en suelos cohesivos-arcillosos o compresibles, debido a la consolidación de suelo a largo plazo y creep.
Instrumentación
Para el análisis de asentamientos, se tomaron en cuenta los datos obtenidos durante la excavación del segundo intertramo (Alcalde-Catedral 10+455-11+260) del Proyecto de la Línea 3 del Tren Ligero de Guadalajara, compuesto por 18 secciones de control y la información recapitulada de 587 anillos.
El arreglo típico de una sección de control incluye siete hitos de nivelación (uno al eje y tres a cada lado), tres extensómetros de varilla (a diferentes profundidades), clavos de nivelación para el monitoreo de edificios aledaños y en algunos casos la instalación de dos inclinómetros (uno por lado) para medición de deformación del terreno en profundidad o dos piezómetros (en suelo y roca) para el monitoreo del nivel freático.
Análisis de la presión en el frente de excavación
El inicio del análisis de asentamiento comienza en la cabeza de corte con la presión en el frente. En la figura 4 se muestra la gráfica con las presiones de tierra en la clave; la línea verde indica la presión de referencia establecida en las hojas de seguimiento, mientras que los puntos representan las lecturas registradas durante el avance. Se puede observar que al inicio y al final existe una mayor dispersión debida a la presencia de las estaciones (zonas que posteriormente serían excavadas); sin embargo, la zona de interés, entre los anillos 600 y 1050, presenta lecturas próximas al umbral verde.
Análisis del material extraído por anillo
El peso del material extraído permaneció dentro de los umbrales verdes, como se muestra en la figura 5, por lo cual no fue un factor importante para definir los asentamientos presentados en el tramo de estudio.
Análisis del volumen de bentonita inyectado
Para minimizar los asentamientos debidos a las presiones radiales del escudo, durante la excavación se realizó la inyección de bentonita; el volumen promedio por anillo osciló entre 0.50 y 3.00 m3, cuando el volumen de referencia es de 2.00 m3 (véase figura 6). Aunque la variación es amplia, no se presentaron asentamientos significativos debidos a este parámetro.
Análisis de presión y volumen de inyección de mortero
Para el análisis del comportamiento de los parámetros de la cola del escudo se deben analizar dos variables: el volumen adecuado de mortero inyectado y la correcta presión de inyección de mortero; ambos influyen significativamente en los asentamientos. El volumen de inyección de mortero no debe ser menor al volumen teórico estimado; de lo contrario, las oquedades dan lugar a la generación de asentamientos. Por otro lado, la presión con la que es inyectado el mortero debe estar por encima de la presión de la cámara de excavación, para lograr vencer la presión que ejerce el suelo y permitir la entrada de material en el espacio anular.
Durante la excavación, las presiones de inyección del mortero se mantuvieron por debajo de la línea de referencia; sin embargo, el volumen de inyección fue mayor al volumen teórico (véase figura 7), lo que indica que las presiones bajas no afectaron el ingreso de material en la zona del gap (véase figura 8). Cabe destacar que el volumen de mortero inyectado y los umbrales de control dependen del avance efectivo de cada anillo.
Análisis de asentamientos en superficie
Durante el proceso de excavación se realizó un seguimiento topográfico minucioso de los movimientos reflejados en superficie; la frecuencia de lectura daba inicio a los 50 m y aumentaba hasta tres lecturas por día cuando la máquina se encontraba posicionada en la sección de control, de acuerdo con el plan general de instrumentación.
En la figura 9 se muestra el perfil de asentamiento producido durante el paso de la TBM en una sección de control. Se aprecia que a la llegada de la TBM no se presentan perturbaciones significativas en los instrumentos, los movimientos comienzan a registrarse una vez que la TBM se encuentra en la sección de control; sin embargo, los mayores movimientos se registran durante la salida del anillo y la inyección de mortero en el espacio anular.
En la figura 10 se muestran los movimientos registrados en los hitos de una sección de control respecto al tiempo, con lo cual se esclarece el comportamiento y se identifican perfectamente las tres etapas del proceso constructivo: la pequeña perturbación debida a la llegada de la TBM, un ligero asentamiento durante el proceso de excavación y el mayor movimiento durante la salida del anillo. También se puede observar que el hito central (HN0) es el que sufre mayor movimiento, seguido de los hitos izquierdo HN-I1 y derecho HN-D1.
Con el fin de mostrar el comportamiento que presentan los instrumentos de las 18 secciones de control durante el paso de la TBM, en la figura 11 se muestran los asentamientos registrados en los instrumentos en función del tiempo. En algunas de las secciones se presentaron pequeños movimientos positivos; sin embargo, el comportamiento generalizado de las secciones obedece a las mismas condiciones.
COMENTARIOS FINALES
Como se pudo establecer, los asentamientos producidos durante la excavación de un túnel se desarrollan en tres diferentes etapas; sin embargo, un adecuado control de presión de tierras en el frente de excavación y una buena inyección durante la salida del anillo son cruciales para la mitigación de movimientos en superficie. Es importante señalar que, para dar seguimiento puntual, es esencial contar con las herramientas necesarias y personal capacitado para analizar en tiempo real los parámetros de excavación en cada anillo.
Además, es importante realizar una campaña de exploración exhaustiva para tener esclarecidas las condiciones geológicas y los parámetros geotécnicos del sitio, debido a que son parte fundamental para establecer los valores de los umbrales de control y las presiones de referencia
Referencias
Gutiérrez, D., y C. D. Martínez (2019). Monitoreo de los principales parámetros de una máquina tuneladora para el control de asentamientos durante la excavación en una zona urbana. Proceedings of the 16th Panamerican Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering. Cancún: ISSMGE.
Lazcano, S. (2004). Contexto histórico y geotécnico de Guadalajara. Memorias de la XXII Reunión Nacional de Mecánica de Suelos 1: 53-65. Guadalajara: SMMS.
Zamudio, P. E, P. A. Mayora y J. L. Bueno (2004). Comportamiento triaxial cíclico de arenas pumíticas superficiales típicas del subsuelo de la ZMG. Memorias de la XXII Reunión Nacional de Mecánica de Suelos 1: 77-84. Guadalajara: SMMS.
Sener Grupo de Ingeniería, S. A. (2015). Documento descriptivo del proceso constructivo y cálculo estructural de la obra subterránea del Proyecto TEU, Guadalajara, Jalisco.
