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METODOLOGÍA DE EXCAVACIÓN EN ALGUNOS TÚNELES DE ARGENTINA Ings. Eduardo O. Capdevila ; Roberto M. Flores y Ricardo H. Barletta1
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[email protected] 1 IATASA - Tacuarí Nº 32, 7° Piso, (1071) Ciudad Autónoma de Buenos Aires
Resumen ⎯ Se describen las metodologías de excavación aplicadas en la construcción en algunos túneles de la Argentina. Se muestra de alguna manera la evolución de los aspectos tecnológicos de cada una de las obras tomadas como ejemplo y sus características principales. Todas fueron desarrolladas con importante participación de la Ingeniería Argentina y se muestran en este Congreso cuando, recientemente, se ha creado la Asociación Argentina de Túneles (Capítulo Argentina de la ITA). Las obras que se describen son: Casa de Piedra, Prolongación Línea D, Desagües arroyos Cildañez, Holmberg y Martelli, Desagües arroyo Maldonado y Prolongación Línea E. El crecimiento poblacional y, por lo tanto, de las ciudades implica un aumento de la urbanización y como consecuencia los servicios deben abastecer sus nuevas necesidades. Los servicios existentes provocan interferencias, las cuales limitan y condicionan a las futuras instalaciones, debiéndose recurrir a la construcción de túneles más profundos que pasen por debajo de los existentes, siendo esto facilitado por el desarrollo de las tuneladoras. Palabras claves ⎯ excavación, metodología, tecnologías, túneles.
Abstract ⎯ It is described the excavation methodologies applied in the construction in some tunnels in Argentina. It is somehow shown the evolution of the technological aspects of each of the works taken as an example and its main characteristics. All were developed with significant participation of Argentina Engineering and are displayed in this Congress when, recently, it has been established the Asociación Argentina de Túneles (ITA Argentina Chapter). The works described are: Casa de Piedra Dam, D Subway Line Extension, Drains Cildañez, Holmberg and Martelli streams, Drain Maldonado stream and E Subway Line Extension. Population growth and, therefore, cities growth implicate increasing of urbanization and services must supply their new needs. The existing services cause interferences, which limit and condition future facilities, being necessary to resort to the construction of deep tunnels that pass under the existing, being this facilitated by the tunnellers development. Keywords ⎯ excavation, methodology, Technologies, tunnels.
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INTRODUCCIÓN Se describen a continuación proyectos, supervisiones e inspecciones de las obras en que participaron los autores del trabajo: Presa Casa de Piedra, Prolongación Línea D, Desagües arroyos Cildañez, Holmberg y Martelli, Desagües arroyo Maldonado y Prolongación Línea E. CASA DE PIEDRA La Presa de Embalse Casa de Piedra, construida sobre el Río Colorado, Argentina, incluyó la ejecución de tres túneles, para alojar las tuberías de presión y la de riego, los cuales se construyeron desde cuatro frentes de ataque (tres desde los portales de aguas arriba y uno desde aguas abajo). Los materiales en los cuales se desarrollan son: coquina, marga gris y de transición entre ambos. Los túneles son circulares, de iguales características y fueron diseñados con tres secciones típicas: • • •
Sectores adyacentes a los portales: ∼ 45 m2 ( ∅ 7,60 m ) Sector sin revestimiento metálico: ∼ 40 m2 ( ∅ 7,10 m ) Sector con revestimiento metálico: ∼ 43 m2 ( ∅ 7,40 m )
Las secciones se excavaron en dos etapas: bóveda y banqueo. La construcción de los túneles fue iniciada en julio de 1984. Los aspectos de mayor interés de los trabajos que se realizaron son los siguientes: •
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Excavación de los túneles: La excavación de la bóveda se ejecutó por método mecánico por medio de una fresadora (“Road Header”) accionada por un motor eléctrico de 55 kW montada sobre una excavadora hidráulica sobre orugas de una potencia de 150 HP. El rendimiento de la fresadora, equipada con una herramienta de corte con 50 dientes de metal duro, era del orden de 7 m3/h. Para la excavación del banqueo se empleó una topadora con escarificador y la fresadora. La selección de los equipos de excavación se efectuó atendiendo a las características de los materiales. Sistema de soporte y revestimiento primario: Compuesto básicamente de anclajes pasivos de 3 m de longitud que se colocan en forma sistemática en filas separadas a 1,50 m entre sí, sólo fueron proyectados para la bóveda del túnel y se colocaron, alternadamente, 7 y 8 anclajes en cada fila; de: una malla de acero de 100x100x4,2 mm que era colocada como refuerzo de cada capa de hormigón proyectado y sólo se colocó en bóveda y de: hormigón proyectado que se aplicó en dos capas de 7,5 cm de espesor cada una. Éste era aplicado, también, en el gálibo inferior de los túneles. Controles geológicos y geotécnicos: Tras la ejecución de cada avance se realizaba el mapeo geológico-estructural, que permitió verificar las condiciones del macizo rocoso y que, conjuntamente con el análisis de las mediciones de convergencia y extensometría, permitían graduar los avances dentro de los límites permisibles de deformación asegurando que no se presentaran colapsos de la estructura (fueran estos condicionados por los rasgos estructurales del macizo rocoso o por sus parámetros). FOTO DE ROZADORA, TOMADA DURANTE LA EXCAVACIÓN DE UN TÚNEL.
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EXTENSIÓN SUBTERRÁNEO LÍNEA "D" La construcción estuvo a cargo de Benito Roggio e Hijos y Aragón y la inspección fue realizada por INGESUB. Se desarrollaron las tareas de revisión de ingeniería de proyecto del Contratista, inspección en fábrica y supervisión de las obras civiles, de arquitectura, vías y subusinas incluyendo aspectos programáticos y contractuales. El Comitente fue Subterráneos de Buenos Aires Sociedad del Estado -Municipalidad de la Ciudad de Buenos Aires- y la fecha de ejecución fue entre abril de 1991 y mayo del 2000, en colaboración con otras firmas. Las tareas comprendieron: •
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Construcción de las obras civiles (Túneles y Estaciones Ministro Carranza, Olleros, José Hernández, Juramento y Congreso de Tucumán) de la prolongación de la línea entre las progresivas km 6,99750 y km 10,66657. Proyecto, provisión e instalación de la línea de contacto, renovación de vías y aparatos de vías en tramos parciales, sistema de señalización, instalación de las escaleras mecánicas, de ascensores, remodelación y equipamiento de subestaciones: 9 de Julio 7,5 MW y Pueyrredón 5 MW y construcción de las obras civiles y equipamiento eléctrico de subestación Colegiales 5 MW y Paso vial bajo nivel de vinculación de las avenidas Cabildo y Santa Fe sobre el túnel del subterráneo. FOTOS DE SISTEMA DE ENCOFRADO EN EL TÚNEL.
La ejecución de la línea D de subterráneos marcó el reinicio de los trabajos de construcción de este tipo de obras que tuvo continuidad que llega hasta nuestros días. El proceso constructivo en ese caso fue muy lento (ver foto) y, si se quiere, precario en cuanto a la utilización de elementos de sostenimiento. Se siguió el método alemán, construyendo primero los hastiales para continuar con las bóvedas con avances de 3 m y finalmente el banco y el perfilado de la solera. La incorporación del uso de gunita en la materialización del sostenimiento primario en las obras que siguieron significó un avance tecnológico importante, atendiendo a la seguridad y rapidez en la ejecución. FOTO DE PROCESO CONSTRUCTIVO
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DESAGÜES ALIVIADORES DE LOS ARROYOS CILDAÑEZ, HOLMBERG Y VILLA MARTELLI En la construcción de las obras de los aliviadores de los arroyos Cildañez, Holmberg y Villa Martelli, trabajos cuya primera etapa se inicia entre los años 1998 y 2000, se registra el segundo antecedente de utilización de equipos TBM (Tunnel Boring Machines) en la Ciudad de Buenos Aires. Las trazas de las obras se desarrollan en los límites, o las proximidades de los mismos, de la Ciudad Autónoma de Buenos Aires. Las obras fueron ejecutadas en U.T.E. por las firmas Gualtieri S.A. - Energoprojekt – Niskograndja S.A.. siendo el Comitente la Secretaría de Recursos Hídricos de la Nación. El aliviador Cildañez tiene una longitud de 6.000 m de túneles de diámetro interior 4.60 m, y 2.000 m de túneles de diámetro 3.00 m. Los aliviadores Holmberg y Villa Martelli tienen 1.800 m de túneles de diámetro interior 4.60 m, y 3.800 m de túneles de diámetro 3.00 m. Se utilizaron 2 tuneladoras marca Lovat con diámetro de corte D = 5,182 y 3,396 m con una potencia en la cabeza de corte de 752 y 372 KW respectivamente. Los radios de curvatura mínimos en la traza fueron de 400 m. Las tuneladoras fueron de frente abierto y si bien se trabajó en algunos casos con el nivel de agua libre 4 m por debajo del nivel freático, fue suficiente realizar un bombeo en las proximidades del frente, cuando el sentido de avance debió ser en sentido descendente por razones operativas. En el proyecto no se previó materializar estanqueidad entre las dovelas por lo que, en muchos casos, la inyección entre el revestimiento y el suelo excavado se “lavó” y perdió entre las juntas lo que requirió un mayor esfuerzo en la ejecución de inyecciones de sellado de segunda etapa. La obra fue finalizada por la Empresa José Cartellone Construcciones Civiles S. A.
FOTOS DE ACCESO DE TUNELADORA, TÚNEL Y PREFABRICADO DE DOVELAS
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DESAGÜES ARROYO MALDONADO El Plan Director de Ordenamiento Hídrico de la ciudad de Buenos Aires, elaborado por la UTE HALCROW-HARZA-IATASA-LATINOCONSULT, contempló la realización del proyecto ejecutivo de los desagües pluviales de la cuenca del arroyo Maldonado (2001 – 2003). Con ese fin, sobre la base de la recopilación y análisis de los antecedentes geológico-geotécnicos existentes, se preparó y se ejecutó un plan de estudios geotécnicos complementarios. Se elaboraron plantas y perfiles geotécnicos correspondientes a las obras principales: túnel 1 (de aproximadamente 5.000m de longitud) y túnel 2 (de aproximadamente 10.000m de longitud). Ver figuras 1 y 2. Se adoptaron rangos de valores de parámetros geotécnicos para cada tipo de suelo para ser utilizados en los cálculos y finalmente se efectuó la recomendación de la metodología constructiva para el proyecto de los túneles de 6,7 m de diámetro interior. FIGURA 1 – CROQUIS DE UBICACIÓN DE LOS TÚNELES
FIGURA 2. PERFIL GEOTÉCNICO TÚNEL LARGO - PARTE I
Las investigaciones geotécnicas comprobaron la presencia de arenas limosas (en general, sin cohesión) intercaladas en los suelos toscosos de la Formación Pampeano. Por otra parte, se verificó que, en la formación de arenas muy densas del Puelchense, se presentan presiones de agua que alcanzan el nivel freático. La pendiente máxima longitudinal es menor al 1%. La tuneladora avanza apoyando los cilindros hidráulicos sobre el anillo colocado de revestimiento de 40cm de espesor. Debido a las características citadas y las interferencias encontradas (líneas de subtes y túneles) a lo largo de la traza, se previó que las excavaciones debían realizarse a frente cerrado con tuneladoras TBM (Tunnel Boring Machines) presentándose, como más apropiadas las de presión balanceada de tierra EPB (Earth Pressure Balance) o mixtas (Mixshields). World Congress & Exhibition ENGINEERING 2010-ARGENTINA
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COMENTARIOS GENERALES DE LA APLICACIÓN DE TUNELADORAS Para el trazado planialtimétrico las curvas se pueden efectuar horizontales y verticales, siendo su radio mínimo aproximadamente 250m. Para hacer cambios de pendientes en un trazado longitudinal del túnel se lo materializa mediante un radio de curvatura. La tuneladora debe contar con un pozo de acceso adecuado para proceder a su instalación, además posee una propulsión constituida por cilindros hidráulicos y un sistema de colocación de dovelas (ver figura 3). Celda
Frente
Escobilla
Cilindros de empuje
Sinfín
Equipo colocación
Revestimiento
Dovelas de Hº
Tren de carga
FIGURA 3
El frente de la tuneladora tiene un sistema de excavación (picas de corte, cuchillas de corte, etc.) de suelos y/o rocas, los cuales son llevados mediante un tornillo sinfín hacia el interior del túnel. Luego se deposita el suelo en cintas transportadoras las que llevan el material una parte hacia el tren de carga que transporta al suelo hacia el pozo de acceso y, la otra parte, se destina a la elaboración del material de inyección. Además, en general, se ejecutan pozos intermedios cuya separación debe estar entre 2.000 y 4.000m, siendo una distancia técnica económica razonable entre 3.000 y 4.000m. Las dimensiones de un pozo de ataque son del orden de 10 a 12 m de diámetro y está dado por el diámetro de la tuneladora y su revancha. Para poner en funcionamiento la tuneladora primero se deben excavar, aproximadamente, 60m y luego entraría en funcionamiento continuo. Durante el inicio de la excavación de la tuneladora se deberá tener suma precaución ante eventuales problemas de subpresión. Durante el avance de la tuneladora se debe utilizar en la inyección espumas y grasas especiales (para el sellado de las escobillas en el espacio que queda entre el diámetro perforado y la dovela).
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La pendiente máxima es del orden de 3% (limitación impuesta por las pendientes necesarias para las tareas ferroviarias que forman parte del funcionamiento de la tuneladora). El tiempo de avance de cada dovela de 1,2m de largo es del orden de 1m/hora. Para el abastecimiento de las dovelas se debe contar de una fábrica de dovelas premoldeadas. Hay que evaluar el tema de tránsito en la zona de los pozos de acceso (aproximadamente 100 camiones) para transportar las dovelas, arena y extracción de tierra. También se puede construir pozos de servicio, que permiten extraer suelo, suministrar lechada de cemento, con menores pérdidas en suministros de aire, electricidad, etc., compensando costos de transporte y de suministro de servicio. En caso de trabajar en zonas cercanas al río o próximas a la Formación Puelches, se debe trabajar con frente cerrado. Una vez colocadas las dovelas se inyecta el espacio libre que queda entre el corte y el borde exterior de la dovela. Primero, se comienza con el sector inferior y luego con los laterales, tratando de evitar que la lechada no aparezca en el frente. Finalmente una vez que avanzó el frente una longitud adecuada se inyecta la clave. El avance de la tuneladora no es exacto por lo que en cada avance uno puede corregir la posición de la tuneladora. La misma tiene un software que indica la posición donde debe dirigirse, mientras que un rayo láser indica la posición donde se encuentra en ese momento la tuneladora. Cuando existen cruces entre túneles debe preverse la auscultación del mismo mediante el control de los asentamientos, reducción de la velocidad de avance, posible inyección del frente o la parte superior del túnel desde el terreno natural, control de las obras existentes y análisis estructural y tensional del suelo. Debe asegurarse la alimentación eléctrica y tener en cuenta la transformación de energía. A continuación se presenta un gráfico donde se correlaciona los diámetros de tuneladoras (en metros) en función de la potencia instalada para garantizar su funcionamiento (kW):
Potencia Instalada (KW)
Potencia Instalada (KW) vs. Diámetro Externo (m) 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0,000
2,000
4,000
6,000
8,000
10,000
Diámetro Externo (m) GRÁFICO POTENCIA VS DIÁMETRO TUNELADORA
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EXTENSIÓN DE LA LÍNEA E DE SUBTERRÁNEOS Los trabajos consisten en la Supervisión y Aprobación de la Ingeniería Básica y Conceptual e Inspección de la Obra “Ejecución de las Obras Civiles destinadas a la extensión de la Línea E de la red de subterráneos de la C.A.B.A.. Obra Básica más variante Túnel”. El Comitente es la Secretaría de Transporte de la Nación. La ejecución de las obras civiles de Prolongación de la Línea "E", tramo Bolívar- Retiro (progresivas 0+100 a 2+075), incluye los siguientes trabajos: 1. • •
Anteproyecto, Proyecto Ejecutivo e Ingeniería de Detalle de la Obras civiles Proyecto de eje de vías y túneles entre progresivas 0+100 y 2+075. Proyecto de estaciones Correo Central, Catalinas y Retiro, proyecto civil, de arquitectura e instalaciones.
2. Construcción de la Obras Civiles Incluye las construcciones de obras civiles, arquitectura, instalación de iluminación, servicios auxiliares, edificio para una subestación transformadora rectificadora y previsión de obras para el sistema de ventilación forzada según el siguiente detalle: • •
Construcción de túneles con método NATM entre progresivas 0+100 y 2+075. Construcción de estaciones Correo Central, Catalinas y Retiro mediante cut and cover, obra civil, de arquitectura e instalaciones.
El evitar el ingreso de agua, no sólo a las zonas de estaciones sino también al túnel, ha sido una preocupación continua en los criterios de diseño de estas construcciones en la Ciudad. La innovación importante que se incorpora en esta obra es la inclusión de un sistema de impermeabilización externo, compuesto por una membrana de PVC termosoldable .
FOTO DONDE SE APRECIA EL PROCESO DE SOLDADURA DE LOS PAÑOS DE MEMBRANA MEDIANTE TERMOFUSIÓN, LUEGO SE PROCEDE A VERIFICAR LAS SOLDADURAS MEDIANTE ENSAYOS DE ESTANQUEIDAD (INTRODUCIENDO AIRE A PRESIÓN EN EL CANAL QUE QUEDA ENTRE LAS SOLDADURAS)
FOTO EN GALERÍA DE HASTIAL DONDE SE COLOCA MEMBRANA IMPERMEABLE, PREVIAMENTE SE COLOCA EL GEOTEXTIL Y DISTRIBUCIONES DE LAS MANGUERAS DE INYECCIÓN, EN CASO DE ALGUNA FILTRACIÓN A TRAVÉS DE LA MEMBRANA.
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CONCLUSIONES Se muestra de alguna manera la evolución de los aspectos tecnológicos de cada una de las obras tomadas como ejemplo y sus características principales. Todas fueron desarrolladas con importante participación de la Ingeniería Argentina y se muestran en este Congreso cuando, recientemente, se ha creado la Asociación Argentina de Túneles (Capítulo Argentina de la ITA). El crecimiento poblacional y, por lo tanto, de las ciudades implica un aumento de la urbanización y como consecuencia los servicios deben abastecer sus nuevas necesidades. Los servicios existentes provocan interferencias, las cuales limitan y condicionan a las futuras instalaciones, debiéndose recurrir a la construcción de túneles más profundos que pasen por debajo de los existentes, siendo esto facilitado por el desarrollo de las tuneladoras. De todas las formas en cada obra deberá analizarse el método de excavación para luego seleccionar la solución técnica económica más óptima.
Agradecemos la colaboración de los ings. Ángel Ferrigno y Raúl Pérez Sucunza.
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