SEMINARIO DE TÚNELES Y VIADUCTOS 1 de Diciembre de 2005

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1 SEMINARIO DE TÚNELES Y VIADUCTOS 1 de Diciembre de 2005 HIDROGEOLOGÍA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES JAVIER MORENO SÁNCHEZ javier-ms@gea-medioambiente.com

2 HIDROGEOLOGÍA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES Página 2 de 18 INDICE DE CONTENIDOS 1. INTRODUCCIÓN INFLUENCIA DE LAS CONDICIONES HIDROGEOLÓGICAS CARACTERIZACIÓN HIDROGEOLÓGICA METODOLOGÍA DE LOS ESTUDIOS Cartografía hidrogeológica Inventario de puntos de agua Ejecucion de sondeos piezométricos Testificación geofísica de los sondeos Piezometría de los niveles acuíferos Ensayos de bombeo Composición química y calidad de las aguas Isótopos ambientales Ensayos de flujo Modelo de comportamiento hidrogeológico Elaboración de informe Bibliografía... 18

3 HIDROGEOLOGÍA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES Página 3 de INTRODUCCIÓN La presencia de aguas subterráneas en el terreno condiciona la ejecución de cualquier obra civil. En el caso de la construcción de túneles, el problema se manifiesta por existencia de un flujo de agua hacia el interior de la excavación. La naturaleza y mangitud del caudal de agua dependerá de las condiciones geológicas del sustrato, de la presencia de fracturas, de la permeabilidad del macizo y de la presión hidrostática. Foto 1: Túnel en calizas con fuerte afluencia de agua. El flujo de agua se trasmite a través de la formación acuífera, o bien a través de zonas carstificadas o a favor de fracturas. El túnel se comporta como un dren que canaliza el agua de los acuíferos interceptados. La excavación del túnel genera una pérdida de resistencia del macizo rocoso circundante, como consecuencia de la decompresión; se produce la apertura de discontinuidades, fisuras, que son aprovechadas por el flujo subterráneo para abrirse camino, dando lugar a una vía de agua que puede alcanzar gran magnitud. En otros casos, la excavación del túnel requiere la ejecución de rebajamientos del nivel freático para mantener estables los taludes y llevar a cabo las obras en condiciones drenadas, que faciliten la ejecución de las actuaciones.

4 HIDROGEOLOGÍA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES Página 4 de 18 En la práctica no es fácil evaluar los caudales de drenaje y las presiones hidrostáticas a lo largo del trazado, particularmente en formaciones rocosas fisuradas o carstificadas. Donde la elevada heterogeneidad de la roca no permite asignar valores representativos a la permeabilidad y prever su comportamiento hidrodinámico frente al drenaje. Foto 2: Drenaje mediante Well-Point en varios escalones para rebajar el nivel freático. El agua plantea problemas, tanto en la fase de ejecución como en el periodo de servicio, siendo necesario en el diseño del túnel establecer el método de rebajamiento, los caudeles de agotamiento, y la forma de recogerlos y evacuarlos hacia el exterior. En este sentido, es preciso valorar las condiciones de subpresión y los posibles fenómeros de subsidencia, asentaminetos y modificiaciones del régimen hidrogeológico en el entorno del trazado. En esta ponencia se desarrolla una metodología básica para la realización de estudios hidrogeológicos que ayuden a resolver la problemática planteada.

5 HIDROGEOLOGÍA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES Página 5 de INFLUENCIA DE LAS CONDICIONES HIDROGEOLÓGICAS La excavación de un túnel puede originar una serie de acciones inducidas sobre el terreno que pueden llegar a modificar las condiciones naturales, en las que el agua juega un papel muy destacado. Estas modificaciones pueden afectar a la estabilidad del macizo y a las medidas de sostenimiento a aplicar para la construcción del túnel. Dentro de las consecuencias más destacables, se pueden apuntar las siguientes: Pérdida de la resistencia del macizo que rodea la excavación. Aumento de las presiones intersticiales sobre el sostenimiento y el resvestimiento. Incremento de la subpresión sobre el material de fondo o en el frente de excavación, que puede dar lugar a fenómenos de sifonamiento en materiales arenosos, tubificaciones, etc. Hinchamientos y reblandecimientos de materiales arcillosos. Formación de cavidades, y colapsos, en materiales salinos. Problemas de asentamiento de cimentaciones próximas o subsidencia en superficie.

6 HIDROGEOLOGÍA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES Página 6 de 18 Foto 3: Agotamiento del nivel freático en el interior de pantallas de hormigón armado, para sostener las tierras, contener aporte de agua y evitar daños en construcciones vecinas (Soterramiento del Ferrocarril en Viña de Mar, Chile). 3. CARACTERIZACIÓN HIDROGEOLÓGICA Las características hidrogeológicas del terreno vienen marcadas por la estructura geológica y litológica, la estratificación del macizo rocoso o sedimentario, la presencia de discontinuidades, fallas o diaclasas, o bien el desarrollo de carstificaciones, en función de su naturaleza geológica. En terrenos detríticos, de arenas, gravas, limos y arcillas, las condiciones hidrogeológicas dependen, fundamentalmente, de la permeabilidad debida a la porosidad intergranular, del espesor transmisivo de la formación acuífera, y del coeficiente de almacenamiento. La textura del terreno, y su distribución granulométrica, influirán en la magnitud de los parámeros hidrogeológicos. Cuando la permeabilidad se debe a la presencia de grietas y fisuras, tanto de origen mecánico como por disolución de la matriz, se habla de acuíferos fisurados o cársticos.

7 HIDROGEOLOGÍA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES Página 7 de 18 Normalmente, se originan en macizos rocosos de calizas, dolomías, o bien de areniscas, esquistos, granitos, basaltos, fundamentalmente. Cuando la permeabilidad se debe a ambos factores, normalmente, se habla de permeabilidad primaria debida a la porosidad intergranular, y a permeabilidad secundaria debida a la fisuración o disolución de la matriz del terreno. Estas condiciones se dan, típicamente, en las calcarenitas. Cuando las condiciones son favorables, tanto los acuíferos detríticos como los cársticosporosos presentan una gran capacidad de almacenamiento de agua por volumen de acuífero. Por tanto, son acuíferos que reaccionan lentamente al drenaje, presentan una gran inercia a los cambios; se requiere la movilización de grandes caudales para conseguir su rebajamiento. En los acuíferos detríticos, los radios de influencia suelen ser más reducidos que en los acuíferos cársticos; éstos tienen menor capacidad para almacenar agua. Por ello, suelen responder rápidamente a las acciones del drenaje, sin embargo los radios de influencia suelen ser más largos que para el resto de los acuíferos. Por otra parte, de acuerdo al comportamiento hidrodinámico y al régimen de respuesta, se diferencia tres tipos de acuíferos: Acuíferos libres: son aquellos que el nivel de agua se encuentra por debajo del techo de la formación acuífera, reciben la recarga directamente desde la superficie del terreno. La cesión del agua se produce por desaturación de la que tienen almacenada; son acuíferos que presentan bastante inercia al drenaje. Acuíferos cautivos: son aquellos acuíferos que se encuentran confinados por materiales de baja o muy baja permeabilidad. El nivel piezométrico se encuentra por encima del techo de la formación acuífera. La liberación del agua se produce por descompresión de los niveles superiores. Son acuíferos que reaccionan

8 HIDROGEOLOGÍA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES Página 8 de 18 rápidamente a la acción del drenaje, dada la poca capacidad de almacenamiento por volumen de acuífero. Acuíferos semiconfinados; son la mayor parte de los acuíferos existentes en la naturaleza, se encuentran limitados por materiales de media o baja permeabilidad. Se encuentran limitados por materiales que permiten el paso del agua de otros acuíferos, generalmente, situados en niveles superiores. Al actuar sobre el acuífero inferior, se produce un efecto recarga de los acuíferos superiores. No obstante, también se puede producir el tránsito desde acuiferos vecinos y subyacentes, en función de la diferencia del potencial hidráulico que se pueda originar. Gráfico 1: Diferenciación de acuíferos: libres, cautivos o confinados y semiconfinados. En la práctica, la transmisividad de los acuíferos detríticos está directamente relacionada con la granulometría de la matriz acuífera y la presencia de paleocanales, o estructuras sedimentarias de mayor permeabilidad, por donde el agua fluye con mayor rapidez.

9 HIDROGEOLOGÍA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES Página 9 de 18 En los macizos rocosos, el drenaje se efectúa a través de zonas de falla o fracturas. En las zonas de falla suele haber brechas o rellenos de rocas milonitizadas, fuertemente alteradas, que además de presentar una elevada capacidad de almacenamiento, pueden transmitir un flujo importante con cierta facilidad. Los contactos litológicos entre materiales, con una marcada diferencia de permeabilidad, junto con los conductos cársticos o zonas de disolución generalizada, suponen un gran riesgo de filtraciones e inestabilidad, además de ser zonas difíciles de localizar. 4. METODOLOGÍA DE LOS ESTUDIOS Los estudios hidrogeológicos para la construcción de túneles, se orientarán a la definición de las unidades litoestratigráficas y estructuras de interés, en el flujo de las aguas subterráneas. Básicamente, se tratará de identificar la presencia de niveles acuíferos, niveles permeables, relaciones hidráulicas entre ellos, la velocidad de flujo a través de los niveles más transmisivos, el origen y calidad de las aguas, y demás aspectos que puedan intervenir en las condiciones hidrodinámicas y estabilidad del túnel desde el punto de vista de la existencia de filtraciones. Se deberá definir el comportamiento hidrogeológico de los materiales; se deberán establecer los parámetros hidráulicos, y se tratará de reconocer y localizar las posibles zonas donde puedan tener lugar el flujo del agua subterránea, valorando la incidencia que puedan tener sobre el entorno más próximo.

10 HIDROGEOLOGÍA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES Página 10 de Cartografía hidrogeológica Se deberá efectuar un estudio fotogeológico, a partir de pares estereoscópicos aéreos desde un enfoque hidrogeológico, con objeto de establecer la geometría de las estructuras permeables, la presencia de zonas de falla, discontinuidades, y cuantos aspectos resulten de interés. Se deberá completar la cartografía geológica y geotécncia con los aspectos y parámetros hidrogeológicos. 4.2 Inventario de puntos de agua Para el conocimiento del comportamiento hidrogeológico de los materiales se deberá llevar a cabo un inventario de los puntos de agua: piezómetros, pozos, etc, situados en el entorno del trazado del túnel. Se señalarán las características de las obras, localización de los filtros y profundidad de la obra, la situación del nivel freático y las variaciones registradas. Se prestará especial atención a la existencia de manantiales que puedan estar relacionados con el afloramiento de capas permeables; se tomará registro de la cota del manantial, material aflorante, caudal naciente. En todos los casos se registrará la conductividad, ph y temperatura de las aguas. 4.3 Ejecucion de sondeos piezométricos Se completará la campaña de investigación geotécnica con la ejecución de sondeos para la instalación de piezómetros. Los puntos de perforación se localizarán en las zonas más destacadas, donde la incertidumbre del contexto hidrogeológico sea mayor. Los sondeos se realizarán, preferiblemente, a rotación con extracción continua del testigo, para la caracterización litológica y testificación del sustrato geológico.

11 HIDROGEOLOGÍA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES Página 11 de 18 Foto 4: Construcción de pozos y ejecución de piezómetros para la realización de ensayos de bombeo y recuperación. Durante la ejecución de los sondeos se llevarán a cabo ensayos hidrodinámicos de infiltración tipo Lefranc, en materiales granulares, y Lugeon en rocas. Una vez instalado el piezómetro, se realizarán ensayos tipo Gilg-Gavard a lo largo de toda la columna. En función de la permeabilidad del macizo, los ensayos se realizán tanto en régimen permanente como en régimen transitorio. Se prestará especial atención a los resultados de los niveles más singulares y representativos, que pueden condicionar el régimen hidrodinámico del sustrato geológico: paleocanales, zonas de falla, fracturas, contactos litológicos, etc.

12 HIDROGEOLOGÍA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES Página 12 de Testificación geofísica de los sondeos Las tareas de testificación litológica se verán complementadas con la realización de registros geofísicos: medida de la radiación Gamma Natural, Resistividad Normal con doble espacio, Resistencia monoeléctrica, Autopotencial y Calibre del taladro. Estos ensayos permiten determinar las características hidrogeológicas y geotécnicas de cada uno de los macizos rocosos atravesados, identificar las zonas con presencia de discontinuidades, zonas fracturadas, zonas carstificadas, etc. Gráfico 2: Testificación geofísica de sondeos: Temperatura, conductividad, resistividad y gamma natural. En las zonas donde se detecten la mayor circulación de aguas, se propondrá la realización de sondeos de mayor diámetro, separados entre 10 y 15 m, para llevar a cabo ensayos de Tomografía Sísmica Cross-Hole. Esta técnica consiste en la medición, entre dos sondeos situados próximos entre sí, de la velocidad de transmisión de las ondas de compresión (Vp) a través del macizo rocoso. Su importancia radica en que los valores de

13 HIDROGEOLOGÍA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES Página 13 de 18 este parámetro dependen del grado de compacidad e integridad estructural de los materiales y, por tanto, están directamente relacionados con la calidad del macizo rocoso. Las posibles heterogeneidades puntuales del terreno, como son las zonas de falla, cavidades, carstificaciones y contactos entre unidades litoestratigráficas, representaran contrastes muy notables en la distribución de los valores de Vp del medio rocoso. 4.5 Piezometría de los niveles acuíferos Se determinarán los niveles piezométricos y se definirá el mapa de isopiezas para los distintos niveles acuíferos que se registren. Toda la información se plasmará en mapas a la escala adecuada (1:1.000 o inferior) y perfiles hidrogeológicos, que permitan comprender con facilidad la disposición estructural de los materiales, los niveles piezométricos y las direcciones de flujo. 4.6 Ensayos de bombeo Se llevarán a cabo ensayos de bombeo de larga duración, tomando registro de los caudales bombeados y de los descensos originados, en piezómetros instalados a diferentes distancias del pozo de bombeo. Los piezómetros se instalarán en cada uno de los niveles acuíferos diferenciados que se registren a lo largo del perfil hidrogeológico. El ensayo de bombeo se interpretará en régimen transitorio y si se hubiera llegado a la estabilización de los niveles, se efetuará la valoración en régimen permanente. Se prestará especial atención al ensayo de recuperación, ya que éste pondrá de manifiesto posibles fenómenos de descarga y recarga del acuífero, como consecuencia del bombeo efectuado.

14 HIDROGEOLOGÍA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES Página 14 de 18 Foto 5: Ensayo de bombeo de gran caudal y larga duración. 4.7 Composición química y calidad de las aguas El estudio de la composición química de las aguas subterráneas es una herramienta fundamental en la interpretación del comportamiento hidrogeológico del sistema. Esta tarea permite definir con mayor grado de exactitud el modelo conceptual de funcionamiento del sistema. Para el análisis e interpretación de la geoquímica de las aguas se utilizarán diagramas hidroquímicos. Se elaborarán gráficos de Piper-Hill-Langelier y gráficos de calidad química tipo Sholler-Berkaloff, en los que se representarán los distintos iones, y Diagramas de Staff modificados para la representación de los tipos de aguas en mapas hidroquímicos. Este tratamiento de la información permitirá visualizar y poner de manifiesto las posibles relaciones y conexiones entre los materiales, a lo largo del trazado del tunel, ofreciendo

15 HIDROGEOLOGÍA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES Página 15 de 18 una clara idea de las características químicas y de las relaciones y caminos seguidos por las masas de agua. 4.8 Isótopos ambientales Otra herramienta fundamental para el estudio del funcionamiento del sistema hidrogeológico es el análisis de los isótopos ambientales del agua: el Deuterio y el Oxígeno-18, y el Tritio de origen termonuclear. Estos análisis aportarán una valiosa información de la historia evolutiva seguida por las masas de agua en el medio subterráneo. Se puede determinar el origen del agua almacenada, la conexión entre distintas masas de agua, el tiempo de renovación, el camino evolutivo, el periodo de tránsito, etc. 4.9 Ensayos de flujo En los sondeos se llevarán a cabo ensayos de flujo consistentes en el marcado de la columna de agua con un trazador salino (cloruro sódico) y en el registro de la evolución de la conductividad (y la temperatura) a lo largo de un espacio de tiempo. Esta técnica permite la identificación y medida de los flujos subterráneos, tanto horizontales como verticales; localizando las zonas más permeables por porosidad intergranular, fracturación y/o carstificación, a través de las cuales se produce la circulación del agua. Estos ensayos se realizarán tanto en régimen estático como en régimen dinámico, mediante la instalación en el interior del sondeo de un equipo de bombeo de muy bajo caudal. Toda esta información es de suma importancia para una adecuada interpretación de los resultados isotópicos y químicos del agua subterránea. Estas técnicas permiten determinar, de forma inequívoca, la procedencia del agua muestreada, identificar acuíferos superpuestos, que puedan condicionar la existencia de filtraciones por la diferencia de potencial piezométrico, y aportar información sobre el esquema de flujos

16 HIDROGEOLOGÍA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES Página 16 de 18 para completar el modelo de funcionamiento hidrogeológico (red de flujo) del trazado del túnel Modelo de comportamiento hidrogeológico Finalmente, se deberá construir un modelo de simulación del comportamiento hidrogeológico del sistema. En función del resultado obtenido se plantearán las posibles acciones correctoras en caso que resulte necesario. La simulación se llevará a cabo con un modelo que resuelve la ecuación del flujo subterráneo en las tres dimensiones del espacio, por diferencias finitas, valiéndose de la técnica de aproximación de bloques. El Modelo se deberá calibrar tanto en régimen permanente como en régimen transitorio. Por lo general, el conocimiento geométrico e hidráulico del sistema no será del todo completo y exacto, sino que requerirá de comprobaciones y ajustes hasta que el sistema simulado responda a las acciones externas de forma paralela a la realidad. Estas acciones y retoques de la calibración serán llevadas a cabo en gabinete por técnicos altamente especializados en la construcción de modelos Elaboración de informe Como resultado se elaborará un informe que incluya el análisis y discusión de los resultados, y la propuesta de medidas correctoras. El resultado de la investigación hidrogeológica debe aportar información acerca del método constructivo del túnel, de las medidas a adoptar para el control de la afluencia de las aguas durante las obras de excavación, sostenimiento y revestimiento, y de los sistemas de prevención de impactos ambientales. En particular, sera necesario establecer los siguientes parámetros: Caudales de agotamiento y sistemas de drenaje y evacuación. Presiones hidrostáticas a lo largo del trazado.

17 HIDROGEOLOGÍA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES Página 17 de 18 Gradientes hidráulicos y coeficientes de seguridad. Riesgos geotécnicos y ambientales: o Subsidencia de los materiales de cobertera. o Asentamientos en cimentaciones de edificios próximos. o Modificación del régimen de los acuíferos (abatimientos o represamientos). o Agresividad de las aguas. o Salinización de acuíferos. o Contaminación, etc.

18 HIDROGEOLOGÍA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES Página 18 de 18 Bibliografía - Rafael Gutiérrez Apolinario (2004), Interconexión Víal Valparaiso Viña de Mar, Chile. Revista Cauce. Madrid. - López Gimeno, C. y al. (2003). Manual de túneles y obras subterráneas. E.T.S.I. Minas, Universidad Politécnica de Madrid. - López Gimeno. C. y al. (2003). Ingeo Túneles. E.T.S.I. Minas, Universidad Politécnica de Madrid. - Luis I. González Vallejo, Mercedes Ferrer, Luis Ortuño, Carlos Oteo (2002). Ingeniería Geológica. Pearson Education. Madrid. - Plata Bedmar, A., Araguás Araguás, L. (2002), Detection and Prevention of Leaks from Dams. Amsterdam. - Groundwater Hydrology (1999). Department of de Army, U.S. Army Corps of Engineers. - Villanueva Martínez, M. y Iglesias López, A. (1984). Pozos y Acuíferos. Instituto Tecnológico y Minero de España. Madrid. - Custodio, E. y Llamas, M.R. (1983). Hidrología Subterránea. Ediciones Omega. Madrid. - Jiménez Salas, J. A. y al. (1980). Geotecnia y Cimientos III. Editorial Rueda. Madrid. - Jiménez Salas, J.A., De Justo J. L. y Serrano, A.A. (1976). Geotecnia y Cimientos II. Editorial Rueda. Madrid. - Plata Bedmar, A. (1972). Isótopos en Hidrogeologia.