SOCIEDAD ESPAÑOLA DE MECÁNICA DE ROCAS JORNADA TÉCNICA SOBRE TÚNELES EN CONDICIONES DIFÍCILES ABRIL DE 2008

Eduardo Pradera Gámez Diego Fernández de Castro Pérez

SOCIEDAD ESPAÑOLA DE MECÁNICA DE ROCAS JORNADA TÉCNICA SOBRE TÚNELES EN CONDICIONES DIFÍCILES ABRIL DE 2008 EMBOQUILLADO EN CONDICIONES SINGULARES Eduardo Pradera Gámez. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos (ICYFSA) Diego Fernández de Castro Pérez. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos (ICYFSA)

ÍNDICE

1.

INTRODUCCIÓN .................................................................................. 3

2.

CRITERIOS DE DISEÑO HABITUALES .............................................. 5

3.

REFLEXIONES SOBRE LOS CRITERIOS EMPLEADOS

HABITUALMENTE ............................................................................................ 6 4.

DISEÑOS RECIENTES ...................................................................... 11 4.1.

Emboquilles con disimetría acusada ......................................................... 11

4.1.1.

Planteamiento general del problema .................................................... 11

4.1.2.

Análisis de soluciones alternativas ....................................................... 14

4.1.3.

Descripción de la solución empleada ............................................... 15

4.2.

Emboquille de características geotécnicas desfavorables ..................... 29

4.2.1.

Planteamiento general del problema .................................................... 29

4.2.2.

Descripción de la solución diseñada ..................................................... 30

SOCIEDAD ESPAÑOLA DE MECÁNICA DE ROCAS JORNADA TÉCNICA SOBRE TÚNELES EN CONDICIONES DIFÍCILES ABRIL DE 2008 EMBOQUILLADO EN CONDICIONES SINGULARES

1. INTRODUCCIÓN Se entiende por emboquille de un túnel el punto a partir del cual comienza su excavación. Dentro de esta descripción pueden distinguirse dos zonas muy claras: la que se ejecuta a cielo abierto, mediante los correspondientes taludes frontal y laterales junto con sus tratamientos de estabilización; y los primeros metros ejecutados en mina. La zona de boquilla de un túnel es un elemento particular durante su construcción y su explotación. Durante la construcción supone una zona cuyo comportamiento suele calificarse de “singular”, y cuyo modelo geomecánico real únicamente puede llevarse a cabo de forma aproximada, aún con el empleo de modelos de cálculo complejos. En fase de explotación es deseable que los elementos que garantizan la estabilidad del emboquille no requieran tareas de mantenimiento gravosas, por lo que el diseño del mismo debería realizarse teniendo en cuenta esta premisa.

Túneles en Caraz (Perú), condiciones geométricas “desfavorables”

En general, en la literatura técnica existen pocas referencias a las zonas de boquillas; y estas suelen referirse o a casos concretos, o a la adaptación de sistemas de caracterización geomecánica para la asignación de sostenimientos en taludes o túneles, Obviamente, las condiciones geomecánicas de los materiales en que se ejecutan los taludes y los primeros metros de túnel, son fundamentales para concebir el detalle del diseño de la boquilla. Sin embargo, el diseño de un emboquille comienza en el momento de situar las posibles zonas de ubicación del mismo, mucho antes del momento en que se realiza su construcción, o en el que se diseña su sostenimiento. Por lo general, la elección del trazado más favorable al ataque del túnel y la determinación del punto en que empieza a excavarse el túnel son las decisiones que condicionarán el resto del diseño del emboquille.

Túnel ferroviario en la región de Liguria (Italia).

El presente escrito recoge en su primera parte, y de forma muy breve, los criterios básicos que se emplean habitualmente para fijar el punto de emboquillado, así como una serie de reflexiones sobre las consecuencias que provoca su aplicación.

En la segunda parte se han recogido dos casos particulares en los que se han desarrollado soluciones fuera de lo habitual, especialmente cuando la morfología del terreno respecto al trazado de túnel se presenta muy desfavorable.

2. CRITERIOS DE DISEÑO HABITUALES De forma muy breve y general, los criterios más extendidos en la práctica habitual para fijar un determinado punto de emboquille en un túnel son los siguientes: a) Criterios relacionados con la estabilidad de la excavación Frecuentemente el criterio más extendido consiste en exigir una montera mínima sobre la clave del túnel del orden de 1-1,5 diámetros, siguiendo la hipótesis de que con ella se consigue la formación de un determinado arco de descarga. Posiblemente la explicación más sencilla de esta práctica se remontaría a las épocas en que el empleo de los sistemas de construcción actuales (sostenimientos pesados y paraguas de protección en los primeros metros de túnel) no eran habituales, al no existir o no encontrarse difundidos. Esta falta de elementos de protección del pase y refuerzo del frente, implicaba la necesidad de realizar el emboquille en materiales muy sanos, que además tuvieran un espesor suficiente en clave, lo que por lo general se consideraba garantizado con un diámetro o diámetro y medio. b) Criterios medioambientales y paisajísticos Afecta por lo general a la obra acabada y suelen influir poco en la definición del punto de emboquillado, ya que suele recurrirse a la excavación previa de los desmontes de acceso y a la construcción posterior de un túnel artificial más o menos largo. c) Criterios económicos El criterio parte de la hipótesis de que un túnel en mina tiene un coste sensiblemente superior al de la excavación en desmonte. Este criterio comienza a no resultar tan evidente a partir del momento en que se incorpora un túnel artificial para restituir la morfología original del terreno.

3. REFLEXIONES SOBRE LOS CRITERIOS EMPLEADOS HABITUALMENTE Por lo general, la aplicación de los criterios de estabilidad y económicos implican adoptar alturas de desmonte, tanto frontales como laterales, de al menos 25 o 30 metros en el eje.

Talud de 25 m al 1(H):2(V) en comparación con una persona

Al margen de otras posibles consideraciones, la adopción de un criterio de altura mínima para el portal de emboquille de un túnel puede dar lugar a soluciones excesivamente complejas desde el punto de vista técnico y por supuesto muy costosas. Por ello resulta interesante considerar el abandono de algunos de los criterios anteriores para el encaje de las soluciones de emboquille, y más concretamente a la prescripción de conseguir un determinado espesor de roca sana sobre la clave del túnel. Para conseguir dichos espesores de roca, las distintas soluciones posibles para el tramo de la trinchera de acceso dan lugar a grandes obras de excavación y contención (muros, anclajes, etc.), de tipo estructural (túnel artificial), e incluso soluciones mixtas (Carinthia, cut-cover, etc.). En muchas ocasiones este tipo de soluciones pueden resultar terriblemente agresivas para la estabilidad global de las laderas naturales en

zonas más o menos escarpadas donde resulta difícil establecer hipótesis geológicogeotécnicas suficientemente ajustadas desde el punto de vista técnico y económico. Ese tipo de soluciones, en el caso más usual y simple, solamente supondría prolongar el túnel ejecutado en mina de manera convencional, aunque evidentemente adaptando los diseños y procedimientos a la dificultad de afectar a un peor terreno y con una menor profundidad. En otros casos, sin embargo, la solución puede complicarse por la influencia de otros condicionantes de tipo morfológico y geotécnico. En estas condiciones, cabe realizar algunas reflexiones, que, sin tratarse de criterios absolutos (cada boca es un caso singular), pueden ayudar a establecer un punto razonable de emboquillado en la mayoría de casos, adaptado a las técnicas actuales empleadas en obras subterráneas: Prever trazados que emboquillen lo más perpendiculares posibles a las líneas de nivel de las laderas, buscar las condiciones geológico-geotécnicas más favorables, etc, son criterios que se emplean habitualmente, y que deben mantenerse siempre, incluso aumentando si es posible su peso en fases previas (estudios de trazado). Empleo de alturas de emboquille moderadas tanto en terreno de buenas características geomecánicas, como en casos desfavorables. En condiciones geotécnicas favorables, tras la salida del sostenimiento de boquilla (previsiblemente de corta longitud) es muy probable que pueda pasarse a sostenimientos más ligeros, que resultarán competitivos ante la alternativa del túnel artificial armado con espesores de relleno de más de 10 metros y posibilidad de cargas disimétricas. En el segundo caso (terreno desfavorable) unos taludes frontal y laterales moderados disminuyen la probabilidad de un fallo y con ello las medidas de refuerzo necesarias (contempladas o no en el diseño inicial). Las medidas no previstas, además de difíciles de valorar económicamente, resultan difíciles de ejecutar en taludes de gran altura.

Desde el punto de vista económico, en caso presentarse algún imprevisto (lo que es más habitual de lo que deseable) el coste del tratamiento de una sección de túnel está limitado a dicha sección y a su entorno más o menos próximo. En el caso del tratamiento para la estabilización de un talud, el coste suele resultar bastante superior, siendo además muy difícil de acotar su límite. Por otra parte, en caso de la ruina del talud de emboquille la solución inmediata que es el desplazamiento de la boca hacia el interior del macizo con el correspondiente aumento de su altura. Esto agravaría el problema de estabilidad del propio talud, mientras que en un talud de altura moderada quedaría margen para adoptar esta solución. A partir de lo comentado, una altura para los taludes del emboquille del orden de 15 metros sería razonable en condiciones favorables de geometría, e incluso inferior si la morfología de la ladera es desfavorable. El empleo de sostenimientos rígidos en la zona de entrada al túnel junto con la utilización de tratamientos para defender tanto la estabilidad del frente, como la del pase son técnicas que se emplean actualmente en la mayoría de los túneles. Con estos elementos es posible emboquillar en casi cualquier terreno lo que permite dar garantías a la ejecución de los primeros metros de túnel. En laderas potencialmente inestables, y si la geometría de la misma lo permite, considerar soluciones alternativas a los sistemas de contención habituales (muros de “escamas” anclados, pantallas de pilotes o micropilotes ancladas, etc.), llevando a cabo excavación en mina. Un aspecto a considerar para soluciones definitivas (de difícil valoración) es el coste de mantenimiento, así como evitar generar servidumbres. En el caso concreto del ferrocarril, este es un condicionante fundamental dadas las limitaciones de acceso y de los intervalos de trabajo reducidos que existen durante la explotación para realizar cualquier actuación.

Como contraste con los criterios actuales, en las siguientes fotografías se muestran ds ejemplos en túneles ferroviarios de líneas convencionales con más de 50 años de antigüedad (en el primer caso se sobrepasan incluso los 100 años).

Taludes sub-verticales laterales y frontal en un túnel con más de 120 años de antigüedad

En este caso fue necesario proteger los niveles más alterables mediante numerosos muros de recubrimiento de mampostería así como incluir a posteriori tratamiento antidesprendimientos. En la actualidad este talud sería sustituido probablemente por una solución de excavación provisional a cielo abierto y túnel artificial, o mediante un túnel en mina.

Túnel ferroviario con una marcada disimetría en su boca de entrada

En este caso, la disimetría acusada, combinada con taludes de gran altura, impidieron reponer la morfología del terreno natural generando excavaciones laterales que impedían la utilización de túneles artificiales. En este caso se ha realizado numerosas actuaciones, entre ellas, la prolongación de la boquilla original.

4. DISEÑOS RECIENTES 4.1. Emboquilles con disimetría acusada Se trata de situaciones en las que el trazado planteado no consigue atacar la ladera con una alineación perpendicular a las líneas de nivel del terreno. En estos casos, alcanzar un recubrimiento mínimo sobre clave implica generar alturas en los taludes laterales muy importantes. Como caso concreto, se presenta un diseño realizado recientemente para una autovía situada en el norte de España. En este caso, el trazado se encontraba condicionado tanto por criterios ambientales, como de infraestructuras próximas que hicieron inevitable el ataque a media ladera del túnel en su boca de entrada.

4.1.1. Planteamiento general del problema El diseño inicial del que se partía implicaba la ejecución de un emboquille totalmente disimétrico, en el cual se habían desfasado las bocas de ataque para paliar el efecto desfavorable de dicha disimetría. La geometría de partida era la siguiente:

LADO MAR

LADO MONTAÑA Proyecto de emboquillado en una ladera extremadamente disimétrica. Planta de trazado con el encaje inicial

Talud lateral de emboquille tubo lado mar. Altura aproximada 48 metros

Talud lateral de emboquille tubo lado montaña Altura aproximada 40 metros

Desde el punto de vista geológico-geotécnico, los materiales reconocidos en las numerosas investigaciones no eran favorables en las zonas de boquilla. Se identificaron tres tipos de materiales principales a lo largo del túnel: areniscas y cuarcitas (formación PD), calizas karstificadas (formación PC) y materiales coluvionares (denominados QC); de ellos los dos últimos son los que afectan al emboquille de entrada directamente.

COLUVIÓN

CALIZAS KARSTIFICADAS

Los coluviones identificados a partir de las interpretaciones geológicas de detalle tenían potencias muy elevadas (entre 8 y 15 metros), las cuales se confirmaron mediante sondeos convencionales y técnicas geofísicas como la sísmica de refracción y los ensayos down-hole en sondeos, para intentar determinar tanto el módulo dinámico del terreno, como la posición y el estado del contacto. El mayor problema que se previó en los materiales coluvionares estaba relacionado con el contacto entre ellos y el sustrato, siendo por lo general dicho punto el de mayor riesgo para desencadenar una posible movilización. Para evitarla, se consideró la posibilidad de desplazar la boca de entrada del túnel hasta una zona donde no fuera necesario efectuar el descalce, y donde éste se atravesara en túnel. Del análisis de la sección transversal en varios puntos se comprobó que la alternativa anterior (en túnel) no resultaba viable, como se puede observar en la siguiente figura, al tratarse de una sección muy ancha, sin posibilidad de estrechamiento por condicionantes de trazado, y carecer de montera en el hombro izquierdo.

Perfil transversal en el que se aprecia el problema de disimetría que impide la solución en túnel.

Por otro lado, en caso de plantear un túnel artificial, el descalce del contacto del coluvión resultaba inevitable, generando un talud de gran altura, además del problema para ejecutar el relleno definitivo con la disimetría comentada.

4.1.2. Análisis de soluciones alternativas En esta situación, y considerando que era necesario evitar el descalce del coluvión, se plantearon varias posibilidades: realizar una solución mediante un muro anclado asumiendo el descalce y conteniéndolo, o buscar otra solución menos convencional que permitiera atacar el túnel en mina. En este caso dicha solución fue la creación de una montera artificial que proporcionara el terreno suficiente para construir el túnel. De ambas soluciones, se eligió la segunda, que implicaba atravesar en túnel la zona, mediante la creación de terreno de manera artificial. Las razones principales de esta elección fueron las siguientes: Como se ha comentado, el comportamiento de la masa coluvionar y su contacto, aún habiéndose realizado una campaña de investigación muy intensa, resultaba casi imposible de predecir, pudiendo movilizarse un volumen de material muy elevado. Estas circunstancias hacían que la solución que menos afectara a la ladera fuera la más favorable. En el caso de plantearse una solución mediante muro anclado, éste suponía un coste de construcción similar o ligeramente inferior al túnel. Sin embargo, el coste de mantenimiento de este tipo de obra, inevitable dada la repercusión y el coste que supondría un fallo en el mismo, implicaba una servidumbre

durante todo el periodo de explotación de la obra que incrementaba su coste global. En lo referente al proceso de construcción, la ejecución del muro anclado (puesto que es preciso descender con la excavación sostenida nivel a nivel) se estimó mucho más lenta que la solución mediante la ejecución de un relleno de un material más o menos tratado y su posterior excavación en mina. 4.1.3. Descripción de la solución empleada a) Definición geométrica del tratamiento. Para atravesar la zona comentada mediante la generación de una montera artificial fue necesario prever dos soluciones distintas para ambos tubos: mientras que en el tubo lado mar no existen restricciones próximas que limiten el tratamiento, en el tubo lado montaña éste se encuentra limitado por la calzada colindante lado mar. Tratamiento calzado lado mar

Tratamiento lado montaña

Para definir geométricamente el tratamiento en ambos tubos, se adoptó una altura de partida para el relleno sobre clave de 5 metros, lo que suponía un recubrimiento en hombros de al menos 8 metros. En el tubo lado mar, no hubo problema en definir un talud suficientemente tendido (3(H):2(V)) como talud definitivo. En el caso del talud para el lado montaña fue necesario aumentar su inclinación, lo que hizo necesario complementar el diseño mediante un muro de recubrimiento de gaviones como medida de seguridad y de protección a largo plazo. En ambos tubos, las zonas no protegidas mediante gaviones se previeron con un tratamiento de geo-celdas que permitiera su re-vegetación y con ello la protección de la superficie del talud. Para la construcción del relleno propiamente dicho, se planteó como problema fundamental qué material emplear para generar terreno de forma artificial: Un relleno de tierras convencional no proporciona las características de resistencia y deformabilidad necesarias para ser atravesado en túnel, siendo previsible además dificultades en el pase de excavación o en el frente debido a su cohesión bastante limitada. En el caso de realizar el relleno mediante hormigón en masa (aún si se tratara de hormigón de características bastante pobres) el coste resultaría muy elevado, además de suponer un inconveniente para su excavación posterior. En estas condiciones, se optó por una solución intermedia que resultara lo suficientemente resistente y poco deformable como para permitir la excavación del túnel y que fuera suficientemente sencilla de excavar con medios mecánicos. El empleo de un suelo tratado con cemento cumple estas características, como se verá a continuación.

Por último, a la vista de los resultados obtenidos en los modelos numéricos, se previó en el tubo lado montaña un refuerzo para el cimiento del muro de gaviones. Esta mejora del terreno se proyectó mediante la ejecución de columnas de jet-grouting.

Solución final para el tubo lado montaña.

b) Características geomecánicas del material empleado en el terreno artificial La técnica planteada consistió en la creación una masa de terreno tratado extendido por tongadas del orden de 30 a 40 cm. Se puede considerar, por tanto, que el resultado final del tratamiento era una “roca blanda” con estratificación sub-horizontal sistemática y espesores de capa iguales a la tongada considerada para la puesta en obra. El macizo de terreno mejorado obtenido se caracterizó por los siguientes parámetros geomecánicos: Módulo de deformación. Resistencia a la compresión simple. Parámetro mi de Hoek (ley no lineal). Fracturación (RMR). Gran mayoría de estos parámetros se definieron mediante la experiencia existente en suelos para explanadas, considerando siempre valores conservadores dado que se

trata de un a solución de la que no existen experiencias conocidas, y siempre previendo la comprobación sistemática durante la construcción. Para la asignación de parámetros se tomó como referencia el “Manual de firmes con capas tratadas con cemento” publicado por el CEDEX en 2003, y más concretamente el apartado dedicado a propiedades de las mezclas tratadas con cemento. Resistencia a la compresión, parámetro mi y módulo de deformación Se trata de tres características fundamentales para el análisis tenso-deformacional a realizar. Como datos de partida, las resistencia a la compresión a largo plazo de un suelo cemento está en un rango de 4 a 8 MPa, ambos serían bastante favorables para una roca en la que se pretendiera ejecutar un túnel.

MATERIAL

RESISTENCIA COMPRESIÓN (MPa)

Suelocemento

4–8

Gravacemento

8 – 14

Gravacemento de alta resistencia

14 – 22

Hormigón magro compactado

22 – 35

Hormigón compactado

35 - 45

Resistencias a largo plazo de materiales tratados con cemento (Manual de firmes con capas tratadas con cemento, CEDEX)

Para obtener esta resistencia, el contenido de cemento resulta fundamental, y repercute directamente sobre el coste del tratamiento. Al aumentar este contenido, se consigue un mayor número de enlaces entre partículas, lo que representa un aumento de la cohesión del material. En el manual del CEDEX se analiza la resistencia a 7 días de varios tipos de materiales tratados con distintas dosificaciones de cemento, observándose un aumento muy fuerte en materiales granulares como zahorras o arenas gruesas, mientras que en un suelo seleccionado (en este caso los materiales estarían incluso por debajo de este tipo) el aumento de resistencia entre dosificaciones del 3% al 6% de cemento es del orden del 30-40%.

Evolución de resistencias a 7 días con dosificaciones de cemento distintas (Manual de firmes con capas tratadas con cemento, CEDEX)

Respecto a su evolución con el tiempo, la resistencia adopta, según el manual, una evolución lineal con el logaritmo del tiempo, siendo mayor la pendiente de esta recta cuanto mayor es la dosificación de cemento. Este aspecto, sin embargo, no es relevante en este caso, salvo porque supone un comportamiento, a túnel ejecutado, mejor que en el caso de la fase de excavación.

Evolución de resistencias con el tiempo y dosificaciones de cemento distintas (Manual de firmes con capas tratadas con cemento, CEDEX)

Ya se ha comentado que otro parámetro fundamental en caso de emplearse una ley no lineal de tipo Hoek & Brown es el parámetro mi, siendo una de las definiciones aproximadas de este parámetro, la relación entre la compresión simple y la resistencia a tracción.

Esta relación es tratada igualmente en el manual comentado obteniéndose los siguientes resultados para una grava tratada con cemento:

Relación entre ensayos de tracción indirecta y compresión simple en una grava tratada con cemento (Manual de firmes con capas tratadas con cemento, CEDEX)

La relación que se observa en general es del orden de 10 (del orden del que se utiliza en hormigones), equivalente según los valores existentes en la bibliografía a rocas yesíferas o calizas. Por otro lado, si se atiende a su composición, este tipo de material podría asemejarse a un conglomerado, para el cual la bibliografía propone valores de 21. El empleo de un mi mayor para una compresión simple dada implica una resistencia a la tracción menor del material, pero una resistencia global del macizo mayor, por lo que se optó por emplear una valor de 10. Por último, es necesario tratar los aspectos relacionados con la deformabilidad, propiedad que el citado manual analiza tanto desde el punto de vista dinámico, como estático. Puesto que el manual comentado está enfocado a firmes, es lógico que el análisis se efectúe con mayor detalle para los módulos dinámicos. Sin embargo, en este caso, la situación corresponde a un análisis estático, por lo que resulta muy aclaratorio el siguiente gráfico, recogido igualmente en el manual, en el cual se muestra la relación entre los módulos de deformación estáticos y la compresión simple de suelos tratados con cemento:

Relación entre módulo de deformación estático y compresión simple en materiales tratados con cemento (Manual de firmes con capas tratadas con cemento, CEDEX)

El rango de valores que se va a requerir al material del tratamiento se encuentra al comienzo de la ley indicada, para resistencias a la compresión simple de 1 a 3 MPa, el módulo estaría en el entorno de 1-5 GPa, habiéndose considerado el menor valor como característico del macizo. Como conclusión, las características para el suelo mejorado empleadas en los cálculos y requeridas al tratamiento fueron las siguientes:

Resistencia a compresión

3 MPa

Módulo de deformación

1 GPa

mi

10

Fracturación (RMR) El análisis de la fracturación es bastante sencillo teniendo en cuenta que el espesor de tongada estará entre 30 y 40 cm. La evaluación del RMR básico fue la siguiente.

PROPIEDAD

VALOR

Resistencia a compresión simple

1

RQD

20

Separación entre juntas

10

Estado de las juntas

30

Agua

15

RMR básico

76

c) Proceso constructivo El proceso constructivo es bastante simple, consiste básicamente en ejecutar un relleno que permita completar la montera que le falta al terreno para ejecutar una solución en mina. Las fases pueden resumirse en las siguientes actividades básicas: Tratamiento previo del apoyo del relleno en la calzada lado montaña mediante jet-grouting para asegurar la zona de pie en el muro de gaviones.

Ejecución del cimiento de muro de gaviones necesario para no invadir la calzada lado mar y del cajeado de la ladera. Ejecución del relleno de suelo mejorado con cemento y muro de gaviones en lado montaña. CALZADA LADO MONTAÑA

CALZADA LADO MAR

Tratamiento del talud frontal y ejecución del avance. El sostenimiento del talud frontal se ha diseñado de manera similar al de cualquier emboquille mediante un soil-nailing. Para la excavación en mina en esta zona se ha previsto un sostenimiento pesado con el empleo de paraguas de micropilotes en clave y hombros de la sección de avance como medida de precaución, dado que es necesario excavar suelo tratado, coluvión y calizas, lo que implica unas dificultades en el pase que requieren de un sostenimiento. Nótese que en el caso de la excavación en avance se ha previsto la ejecución del tubo lado montaña antes de ejecutar el tubo lado mar. CALZADA LADO MONTAÑA

CALZADA LADO MAR

Ejecución de las fases de destroza, ejecutando en primer lugar el tubo lado montaña. CALZADA LADO MONTAÑA

CALZADA LADO MAR

El resultado final en planta, con la zona a rellenar, ha sido de forma esquemática el siguiente:

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

MURO DE GAVIONES

X

M UR O

X

-4

MURO DE GAVIONES

d)

d) Comprobación mediante modelos de elementos finitos De todos los modelos desarrollados para esta zona se eligieron los tres más representativos para el diseño, dos para el tubo lado montaña y uno para el tubo lado mar. En el modelo se representó el coluvión y la formación de calizas, situando además una capa representando el contacto con el sustrato que permitiera la posibilidad de reducir las características geotécnicas en ella.

En ninguno de los modelos se empleó desconfinamiento alguno, lo que supone la hipótesis más conservadora posible para el sostenimiento; sin embargo no lo es en lo que se refiere a subsidencias, aspecto que resulta poco relevante considerando que no existían condicionantes en superficie para limitar dichos movimientos. Asimismo, para la generación de tensiones iniciales se supuso una morfología de partida de la ladera considerando que todo el valle actual se encontraba totalmente recubierto. Los resultados obtenidos en todos los modelos indican un comportamiento del sostenimiento satisfactorio con desplazamientos más acusados (nunca superiores a 20 mm) en la zona de hastial izquierdo. La plastificación del terreno se produce siguiendo la dirección de la ladera a lo largo del coluvión, en algunos puntos del contacto y en el relleno y muro de gaviones (en este último caso la plastificación no resulta relevante al no tratarse de un medio continuo en la realidad). Se aprecia igualmente que la plastificación se corta en la zona en la que se ha tratado el terreno mediante jet-grouting. El empleo de este tratamiento del pie del muro de gaviones se decidió a la vista de los comportamientos observados en la mayoría de los modelos que, si bien estables, mostraban una tendencia a que pudieran producirse desplazamientos que dieran lugar a un fallo.

PLASTIFICACIONES

MOVIMIENTOS HORIZONTALES

En el caso del revestimiento se ha previsto un espesor 20 cm más ancho en esta zona respecto al resto del túnel, para mejorar el comportamiento a largo plazo observado en los primeros modelos en el hombro derecho, y más concretamente en la zona de coluvión próxima al contacto. Puede concluirse, por tanto, que los modelos numéricos han sido de utilidad porque permitieron aportar modificaciones de utilidad al diseño inicial, en función de los resultados y tendencias observados en ellos.

e) Auscultación prevista para el tratamiento Puesto que cualquier modelo numérico de un problema geotécnico es una aproximación más o menos sencilla o fiable de la realidad, es necesario contar siempre con elementos de control de permitan verificar un comportamiento correcto de dicha solución. En este caso, puesto que la solución es poco convencional, se optó por emplear una auscultación en superficie, adicional a la que se realiza en el interior de cualquier túnel mediante la medida de convergencias, y al control de las características del material tratado con cemento. La instrumentación en el tubo lado montaña se previó mediante el control topográfico del paramento del muro de gaviones así como la colimación de su coronación, en el relleno propiamente dicho se incluyeron inclinómetros en el hastial situado ladera abajo y la nivelación de su superficie. 5.00

HITOS DE NIVELACIÓN CADA 5m

BASE DE COLIMACIÓN CADA 5m

HITOS TOPOGRÁFICOS CADA 5m

INCLINÓMETRO L=25m CADA 45m

Para el tubo lado mar se mantuvo el empleo de inclinómetros, el seguimiento topográfico del talud y la nivelación de la superficie. 5.00

HITOS TOPOGRÁFICOS CADA 5m

INCLINÓMETRO L=25m CADA 45m

HITOS DE NIVELACIÓN CADA 5m

4.2. Emboquille de características geotécnicas desfavorables 4.2.1. Planteamiento general del problema Se trata de la boca de salida del mismo túnel comentado en el apartado anterior, siendo un caso a priori más sencillo que el de la boca de entrada al no existir tanta disimetría. En este caso el problema se planteaba al intentar alcanzar con el emboquille una zona con un grado de alteración relativamente bajo.

COLUVIAL-ELUVIAL ZONA FRACTURADA SANA

Identificado un material coluvial y eluvial de 5 metros de espesor se propuso realizar el emboquille por debajo de este nivel con un resguardo de 2 metros en roca competente, lo que equivalía a una montera de unos 7 metros sobre clave. Sin embargo, con este criterio de emboquillado se obtenía un talud frontal considerable, del orden de 27 metros, planteándose el reducirlo empleando una solución de túnel con pre-bóveda, que permitiera disminuir la altura de los desmontes.

4.2.2. Descripción de la solución diseñada La técnica planteada fue la denominada “túnel tortuga”, variante del sistema Carinthia más adaptada a técnicas de ejecución de obras subterráneas (pre-bóveda). Con esta técnica y el empleo de taludes laterales lo suficientemente verticales puede realizarse el emboquillado de un túnel sin apenas montera, y sin la necesidad de abrir excavaciones de gran magnitud. Para que el sistema sea efectivo debe asumirse la necesidad de emboquillar con monteras reducidas, ya que en caso contrario el sistema pierde efectividad. El proceso constructivo planteado fue muy simple, distinguiéndose las siguientes fases: Excavación del desmonte hasta cota de trabajo para la ejecución de tratamientos previos. Se procede a realizar la excavación, dejando un machón central con la forma de la sección de intradós de sostenimiento, y hasta una cota suficiente para generar un pasillo que permita el trabajo de la maquinaria que ejecuta la siguiente fase (3-4 metros). Dejando este machón, el terreno actúa como encofrado de la bóveda de pre-sostenimiento que se comenta más adelante.

Ejecución de refuerzo de hastiales y de paraguas de emboquille. Dependiendo del tipo de terreno de apoyo para la bóveda de pre-sostenimiento puede plantearse la ejecución de una hilera de micropilotes inyectados con objeto de garantizar tanto el apoyo de la pre-bóveda y proteger las fases de destroza. En esta fase se ejecutaría también el paraguas de emboquille en el talud frontal.

Excavación hasta cota de avance para construcción y apoyo de la bóveda de pre-sostenimiento. Para efectuar el apoyo de la pre-bóveda, se procede a excavar hasta cota de avance, este sistema permite además llevar a cabo la ejecución por bataches, reduciendo así aún más la altura de desmontes laterales.

Construcción de la bóveda de pre-sostenimiento. Se procede en este momento a la ejecución del hormigonado de la pre-bóveda mediante hormigón en masa vertido directamente sobre el terreno refinado. Sobre dicho terreno puede preverse la colocación de un mallazo que actúe como armadura de piel y evite pequeños desprendimientos durante la excavación o cerchas. Esta operación puede llevarse a cabo, como se ha comentado, por bataches.

Relleno de tierras sobre pre-bóveda. En esta fase se procedería a la restitución del terreno natural. En caso de ser necesario, parte de este relleno puede ejecutarse mediante hormigón de limpieza que no requiere compactación, siendo útil para zonas en las que ésta no es posible, y suponiendo además un refuerzo adicional en este caso en el que existe una disimetría muy marcada.

Excavación en mina de la sección de avance. Concluido el relleno, se procede a la ejecución del avance, siendo este el momento en el que el arco de presostenimiento entra en carga.

Excavación y sostenimiento en destroza. Finalmente, se procede a la excavación y sostenimiento de la destroza por bataches de forma similar a la planteada en cualquier método convencional.

El diseño final, adaptado a la geometría concreta del proyecto, fue el siguiente:

PRE-BÓVEDA

REFUERZO MEDIANTE SOIL-NAILING EN TALUDES FRONTALES

HORMIGÓN POBRE EN ZONAS NO COMPACTABLES

La solución de “túnel tortuga” permitió obtener un talud de emboquille frontal máximo de 8 metros para el tubo lado mar y de 10 metros en el lado montaña, si se tiene en cuenta el machón que no se excava, esta altura se ve reducida en la parte central del talud a unos 5 metros. A continuación de la boquilla de entrada lado montaña, el trazado generaba un desmonte lateral de 40 metros de altura en areniscas y cuarcitas relativamente sanas, por lo que se optó por prolongar el túnel artificial existente tras el túnel tortuga hasta atravesar esta zona y de esa forma garantizar la estabilidad del talud a largo plazo, así como reponer prácticamente por completo la morfología original del terreno. La situación final en planta de toda la zona se recoge en la siguiente figura, pudiendo observarse que la morfología es repuesta de forma prácticamente total.

MURO