Colapso de un túnel a presión Ing. Ivannia Solano Aguilar Créditos de fotografía: Ing. Esteban Vindas Arce

Transcripción

1 Colapso de un túnel a presión Ing. Ivannia Solano Aguilar Créditos de fotografía: Ing. Esteban Vindas Arce El diseño y la construcción de un túnel tiene asociadas una serie de variables que poseen un determinado grado de incertidumbre, la cual se logra reducir por medio de una investigación geológica y geotécnica. El colapso del túnel en cuestión, de 5 metros de diámetro, está relacionado con elementos que pudieron ser previstos por medio de una investigación geológica y geotécnica orientada a analizar la variabilidad de los materiales, condiciones topográficas y la condición del agua subterránea. El primer llenado del túnel se realizó de forma progresiva, con el fin de evitar los problemas asociados con un llenado súbito. Durante esta primera etapa, se empezaron a observar evidencias del problema, hasta que un tramo del túnel de aproximadamente 800 metros de longitud colapsó. Se empezó a observar un aumento del caudal en algunos afloramientos de agua que existían desde antes de la excavación del túnel, nuevos afloramientos en sitios cercanos y deslizamientos importantes. Dadas estas manifestaciones, se decidió suspender el llenado del túnel y vaciarlo para realizar una inspección, en la que se observó que en una zona específica, el revestimiento había sufrido un agrietamiento importante en toda la circunferencia, acompañado por grietas secundarias localizadas de forma errática. En la corona del túnel se desprendieron fragmentos del revestimiento de concreto y se observaron algunas grietas en el piso, rellenas con materia vegetal. Esto hizo suponer que el ancho de las grietas fue mayor durante la condición de carga y que se cerraron durante el vaciado. El agrietamiento del revestimiento se interrumpió notoriamente al llegar a la zona reforzada con varilla, evidenciando que el refuerzo soportó razonablemente las tensiones producidas. En el tramo del túnel donde se presentó el colapso se utilizó revestimiento de concreto sin refuerzo, bajo la premisa de que se generaría un agrietamiento moderado del concreto y que las pequeñas fugas de agua, que consecuentemente ocurrirían, rápidamente saturarían el medio circundante. Estas fugas producirían una presión hidrostática exterior que balancearía la carga interna del túnel y se establecería un equilibrio que protegería el revestimiento de daños 123

2 mayores. Esta condición era aplicable para tramos de túnel donde el nivel freático era mayor que la presión interna del túnel y funcionó bien en los tramos con mayor cobertura, en donde el nivel freático contrarresta en parte la presión interna. En el tramo del túnel donde se dio el colapso se encontraron alternancias de materiales de muy baja capacidad mecánica y otros de muy alta permeabilidad. Ambas condiciones no produjeron los efectos previstos en el diseño. La baja resistencia de los materiales no ofreció soporte importante al revestimiento y por la alta permeabilidad drenó rápidamente el agua exterior, sin permitir el desarrollo de presiones externas de equilibrio. El tratamiento con inyección de cemento realizado a lo largo del túnel no sufrió efecto desde el punto de visto hidráulico ni mecánico. Los materiales presentes en la zona donde se dio el problema eran prácticamente imposibles de inyectar, debido a su alta permeabilidad. Además, el alto grado de fisuración del material dificultó impermeabilizarlo en su totalidad, principalmente porque no se aplicaron presiones suficientemente altas para asegurar la penetración adecuada de la lechada en todas las grietas. En el modelo geológico de la zona en la que se dio el colapso no se consideró que aproximadamente a 5 m por debajo del nivel del piso del túnel existía un estrato permeable, que fue el responsable de no permitir que se estableciera el equilibrio entre la presión interna del túnel y la línea de carga piezométrica. Los elementos comentados anteriormente no fueron considerados en el diseño del revestimiento del túnel. Inicialmente se consideró que el nivel freático estaba por encima del túnel y que esto ayudaría a equilibrar las presiones del túnel. Sin embargo, se encontró que en la investigación geológica que se había realizado no se contempló el efecto de la falla ubicada unos metros antes del tramo del túnel que falló, lo cual generó un abatimiento del nivel freático y esto imposibilitó que se estableciera el equilibrio de presiones. El costo de la investigación geológica y geotécnica a lo largo de la línea de túnel puede representar un porcentaje importante del costo total del proyecto. Sin embargo, las consecuencias por no definir con suficiente detalle el modelo geológico y geotécnico pueden acarrear pérdidas económicas significativas, debido que el túnel sale de generación por tiempo indefinido, hasta que se logre reparar completamente y esto quiere decir que durante todo ese tiempo, el proyecto no estaría generando ninguna ganancia. Además, la reparación implica un costo importante que no se tenía contemplado. Los materiales presentes en la zona donde se dio el problema eran prácticamente imposibles de inyectar, debido a su alta permeabilidad 124

3 Geotextiles para separación Ing. Alexis Vergara Maccaferri de Centro América Ltda., Panamá Tel.: (507) / Cel.: (507) Desde el punto de vista estructural, la contaminación de las capas granulares, la mezcla de los suelos de diferentes características y el comportamiento mecánico del suelo de subrasante son factores de gran influencia en el deterioro de las vías, lo que se traduce en una reducción de la capacidad portante de todo el sistema. La utilización de los geotextiles como una capa de separación entre los suelos de subrasantes y las capas granulares permite mantener la integridad de los materiales y mejorar su funcionamiento, aumentando la vida útil de las estructuras, su estabilidad y resistencia. Sin embargo, para que un geotextil cumpla la función de separación, el CBR de la subrasante debe estar entre 3 y 10%, ya que en este rango la deformación bajo carga no es tan importante como para inducir grandes esfuerzos de tensión en el geotextil. Si el CBR es menor de 3%, el diseño debe ser por refuerzo y no por separación. Esto quiere decir que si el CBR del suelo sobre el que se colocará el geotextil es mayor de 3%, el geotextil funcionará como separación y no como refuerzo, aunque el proyectista lo haya especificado como refuerzo. Cuál geotextil utilizar? Recomendación inicial: no utilice el geotextil más barato sin una evaluación técnica previa. Se debe tener cuidado, pues el geotextil más barato suele tener menor resistencia. Una forma rápida de descartar geotextiles poco funcionales es seguir las recomendaciones AASHTO M288. Como referencia preliminar: si el geotextil es no tejido, su resistencia GRAB (ASTM D-4632) debe ser mayor de 500 N; si el geotextil es tejido, su resistencia GRAB debe ser mayor de 800 N. Si no cumple estos valores no tiene clasificación AASHTO y no debería usarse en obras estatales. La selección del geotextil no debe responder a precios, sino a un diseño que considere las condiciones del sitio y la instalación. Según la norma AASHTO M288 el geotextil seleccionado en el diseño debe contemplar el tipo de suelo de subrasante, su conformación y el equipo utilizado en la instalación, además de la experiencia de los instaladores. Para suelos poco nivelados y equipos de conformación pequeños, es decir condiciones no severas de instalación: no tejido clase 3, como el MacTex N Para suelos con conformación moderada y equipos medianos, es decir condiciones moderadas de instalación: no tejido clase 2 (N 50.1 o N 60.1) o tejido clase 2 (W1 25S). Para suelos nivelados con equipos de conformación pesados y poco cuidado en el manejo y colocación del geotextil, es decir condiciones severas de instalación: no tejido clase 1 (N 70.1 o superiores) o tejido clase 1 (W1 30S). Principales propiedades en separación Algunos diseñadores especifican geotextiles utilizando todas las propiedades que incluyen las fichas técnicas y algunos inspectores exigen con rigurosidad casi militar el cumplimiento de los valores mínimos, muchas veces sin comprender a profundidad el significado de estos valores. Para selección de geotextiles, lo correcto y apropiado es indicar las propiedades adecuadas para cada aplicación. En el caso de la aplicación de separación, lo importante es considerar las resistencias a punzonamiento-cbr, a tensión GRAB y al rasgado. También pueden requerirse algunas propiedades hidráulicas: tamaño de abertura aparente (TAA AOS), permitividad y tasa de flujo. (Nota: el gramaje no es un parámetro de diseño). Punzonamiento del geotextil Punzonamiento-CBR Se evalúa mediante la norma ASTM D-6241 (la norma ASTM D-4833 está en desuso desde el 2010). Implica utilizar un pistón para punzonar una muestra a tasa constante de extensión, lo cual se asemeja a lo que sucede en campo durante la compactación. Punzonamiento dinámico En este ensayo se simula la influencia de material anguloso cuando se deja caer sobre el geotextil, se realiza mediante un cono que realiza una perforación en caída sobre una muestra de geotextil. Mientras menor sea el diámetro perforado en el geotextil, mayor será su resistencia al punzonamiento dinámico. Rasgado del geotextil Si no se tiene el cuidado necesario, es posible que durante la instalación se induzcan cortes al geotextil. El ensayo ASTM D-4533 mide la capacidad de propagación 125

4 de estos cortes, conocido como rasgado trapezoidal, por la forma en que se realiza el ensayo. Resistencia a la tensión Un geotextil en separación no debería estar sometido a esfuerzos de tensión importantes, salvo en el proceso de instalación. La norma ASTM D-4595 es aplicable a geotextiles tejidos en pruebas para refuerzo, para geotextiles en separación el ensayo aplicable es la tensión por el método GRAB (ASTM D-4632). Propiedades hidráulicas Un geotextil de separación debe ser permeable. La propiedad recomendada por AASHTO y ASTM es la permitividad, que indica la capacidad de flujo transversal de un geotextil. Para comparar no se utiliza la permeabilidad, ya que dos geotextiles con igual permeabilidad pueden tener diferentes capacidades de flujo por efectos de su espesor. Por otro lado, la tasa de flujo permitida por el geotextil es otro valor reportado en las fichas técnicas. Para obtener esta tasa de flujo, se multiplica la permitividad por la carga hidráulica en el ensayo ASTM D-4491, por lo general 0,05 m, y por el área unitaria (1 m 2 ). Tamaño de abertura aparente En aplicaciones de separación, el tamaño de abertura aparente (TAA-AOS) del geotextil debe seleccionarse de acuerdo a las características de los suelos involucrados y determinar un criterio de retención adecuado para que el suelo fino no migre hacia el suelo granular. Conclusiones La selección de un geotextil para aplicaciones de separación no debe basarse en todas las propiedades que aparecen en las fichas técnicas de los fabricantes, mucho menos en parámetros tales como gramajes o espesores. Para una adecuada selección del geotextil deben conocerse las propiedades de los suelos involucrados. La selección del geotextil debe basarse solo en los valores MARV, no en los típicos. La utilización de los geotextiles como una capa de separación entre los suelos de subrasantes y las capas granulares permite mantener la integridad de los materiales y mejorar su funcionamiento, aumentando la vida útil de las estructuras, su estabilidad y resistencia. 126

5 Tubos geotextiles en la ingeniería civil Ing. Roberto Sasso Steele, MSc. Maccaferri de Centro América Ltda., Costa Rica Cel.: (506) / Tel.: (506) Figura 1. Tubo geotextil aplicado en desecación de lodos. La aplicación de tubos geotextiles en diversas áreas de la ingeniería civil es algo relativamente nuevo, lo cual ha tomado una posición importante en los últimos años y sigue actualmente desarrollándose y tomando fuerza como una solución muy atractiva. El gran atractivo de los tubos geotextiles es su simplicidad; su aplicación se basa en conceptos muy simples y fáciles de implementar y resulta ser una solución de bajo costo y alto volumen, en comparación con sus alternativas. Muchísimas veces se ha visto que la mejor solución para problemas muy complejos es la solución más simple y el uso de tubos geotextiles es el perfecto ejemplo de dicho fenómeno. El uso de los tubos geotextiles se centra en dos áreas principales: el saneamiento ambiental y las obras marítimas y costeras. El presente artículo hará una breve descripción del producto MacTube (tubo geotextil de la empresa Maccaferri), así como una rápida explicación de sus principales aplicaciones. Generalidades del MacTube Los tubos geotextiles son contenedores de forma cilíndrica fabricados mediante geotextiles tejidos de alta resistencia. Presentan una gran variedad de longitudes y circunferencias y además se pueden variar las características del geotextil que conforma su cuerpo principal, de modo que se ajuste a los requerimientos de un proyecto en particular. Generalmente, dichos tubos son fabricados con geotextiles tejidos producidos a través del entrelazamiento de filamentos de polipropileno de alta tenacidad, en ángulos rectos, lo cual resulta en un producto inerte a la degradación biológica y resistente a los ataques químicos (álcalis y ácidos). Las bocas de entrada son radiales y cosidas al tubo, facilitando el proceso de 127

6 128 llenado (varía la cantidad de bocas de llenado dependiendo de la longitud del tubo y de los requerimientos de la obra). La figura 1 muestra una imagen de un tubo geotextil (Maccaferri do Brasil, 2010) en proceso de llenado aplicado en desecación de lodos. Dicha imagen muestra el principio básico del funcionamiento de un tubo geotextil, el cual es el filtrado. Por esto se entiende que el material entrante al tubo geotextil tiene un cierto porcentaje de líquido y otro de sólidos, y al ser el geotextil un material poroso, se retienen los sólidos y se filtra el contenido líquido hacia el exterior del tubo. Dado que el buen funcionamiento de un sistema de tubos geotextiles (tanto para desecación de lodos como para protección costera) depende del buen filtrado del material, será indispensable verificar que el geotextil a utilizar tenga una abertura aparente suficientemente pequeña para retener los sólidos, además de ser lo permeable para permitir el drenaje del efluente. Aparte de cumplir con las propiedades hidráulicas requeridas, el geotextil deberá tener la resistencia mecánica suficiente que garantice la integridad del tubo, resistiendo cualquier rasgado posible por las altas tensiones generadas a la hora de llenado (o inclusive esfuerzos extremos generados al apilar múltiples tubos uno encima del otro). El último factor importante a tomar en cuenta respecto al geotextil es su resistencia a los rayos ultravioleta y se deberá asegurar que en caso de que el tubo quede expuesto al sol durante su vida útil, este mantenga su resistencia y no se degrade de forma tal que modifique considerablemente sus propiedades mecánicas. MacTubes para desecación de lodos Una de las dos principales aplicaciones del MacTubes es en el área de saneamiento ambiental, específicamente la desecación de lodos. Los sistemas de tratamiento de aguas o de efluentes funcionan como cualquiera proceso industrial que transforma la materia prima (agua bruta o efluente) en productos finales (agua o efluente tratado), y generan, consecuentemente, los residuos resultantes de dicho proceso. Por lo general, estos residuos serán llamados lodos (dependiendo de la cantidad de partículas sólidas) y dadas sus características (gran porcentaje de agua) resultan muy difíciles de manejar y disponer adecuadamente. El MacTube propone una solución a este problema, el cual consta de la desecación de los lodos generados, lo cual facilita su disposición (o reutilización) final. La idea general es que se bombean lodos hacia el MacTube, se filtra el agua y mediante este proceso se los deseca (reduciendo considerablemente el porcentaje de agua presente). Además, el uso de químicos (floculantes, coagulantes, clarificadores, según sea el caso) aumenta la eficiencia del sistema exponencialmente y logra llegar a incrementos considerables en la calidad del agua filtrada. La figura 2 muestra una imagen esquemática de dicho proceso de desecación de lodos, desde su bombeo, hasta el mezclado de químicos y la inyección de lodos y químicos a los MacTubes para su consecuente desecación. MacTubes para protección costera Los problemas asociados a la erosión costera son cada día más críticos y es indispensable el desarrollo de nuevas técnicas para solucionar y mitigar los efectos asociados. Los procesos de dinámica costera hoy en día son mucho más predecibles y han sido sometidos a rigurosos estudios y métodos de modelación numérica, lo cual nos permite diseñar una variedad de soluciones con mucha más exactitud que en el pasado. El uso de tubos geotextiles como estructuras de protección costera tiene grandes beneficios sobre métodos tradicionales y logra maximizar la eficiencia constructiva y, en muchos casos, reducir costos considerablemente. El uso de tubos geotextiles tiene una muy clara y simple ventaja sobre cualquier otra solución equivalente en aplicaciones marítimas y costeras, y es el hecho de que se llenan con arena (la cual abunda en estas zonas), de esa manera se evita la importación de materiales diversos al sitio. Los MacTubes aplicados a la protección costera son llenados mediante el bombeo de arena y agua, el agua se filtra y queda un macizo de arena confinado por un geotextil de muy alta resistencia. Una de las posibles aplicaciones de los MacTubes en protección costera es conformar el núcleo de una duna artificial. Además, se pueden utilizar para conformar el núcleo de estructuras de protección costera como rompeolas, espigones, diques costeros, etc., o inclusive aplicarse sin recubrimiento alguno en casos como rompeolas sumergidos o arrecifes artificiales. Figura 2. Descripción general del sistema de desecación de lodos mediante MacTubes.