La ingeniería geológica y geotécnica aplicada

Transcripción

1 Excavación Singularidades de las obras subterráneas en terrenos volcánicos Canarias conforma un archipiélago cuyo origen es volcánico, siendo una de las regiones donde se han perforado un mayor número de kilómetros en el subsuelo en relación a su extensión, existen del orden de kilómetros excavados de minas o galerías de agua; por lo tanto el conocimiento del espacio subterráneo y la geología de las islas en cierta manera puede simplificar y ahorrar futuros problemas a la hora de ejecutar un túnel viario. En este artículo se expone la problemática y pormenores de las obras subterráneas en Canarias, excavadas en terrenos volcánicos y que pueden servir como referencia para la excavación subterránea en otros terrenos similares. Palabras clave: COMPORTAMIENTO, EXCA- VACIÓN, GEOLOGÍA, GEOTECNIA, NATM, SOSTENIMIENTO, TÚNEL, VOLCÁNICO. Juan C. SANTAMARTA CEREZAL (1), Dr. Ing., ITOP. Consultor y Prof. de la (1) E.T.S. de INGEN. CIVIL E INDUSTRIAL (ULL) Noelia CRESPO ARRIBAS (2), Geóloga. (2) Consultor en Geotecnia y Obras Subt. jcsanta@ull.es // cresponoelia@yahoo.es La ingeniería geológica y geotécnica aplicada a las obras subterráneas, es una disciplina que en los últimos años ha tenido un gran desarrollo en Canarias. A la hora de acometer o diseñar una obra subterránea en un medio insular, la singularidad geológica del Archipiélago Canario, su lejanía y su pequeña superficie respecto al territorio continental, hace que, en las mayoría de las ocasiones, no se recojan todos los aspectos referidos a las propiedades del terreno en las instrucciones y códigos que se dictan a escala nacional, quedando ciertas lagunas interpretativas que debe sortear el profesional en los terrenos volcánicos. En Canarias han acontecido la mayoría de los procesos volcánicos que se pueden dar, pudiéndose encontrar un amplio espectro de materiales y estructuras volcánicas. Por este motivo, cualquier estudio o investigación, que en el ámbito de la geotecnia se realice en Canarias, es fácilmente extrapolable a cualquier otra región o isla volcánica del mundo. Es evidente que es necesario conocer el comportamiento del terreno por donde van atravesando las perforaciones de las galerías, no obstante esta auscultación, en las obras en terrenos continentales es más exhaustiva y completa que en terrenos volcánicos. Los terrenos continentales presentan más homogeneidad en los terrenos que atraviesan las perforaciones o túneles, como norma general, cosa que no se cumple en un terreno volcánico, debido a la comentada heterogeneidad, incluso en este terreno se puede atravesar en una sola perforación todos los litotipos volcánicos existentes incluso los acuíferos insulares. La heterogeneidad y la dureza que presentan ciertos materiales volcánicos constituyentes de los terrenos volcánicos harán imposible el uso de tuneladoras, tan habituales en las obras de los terrenos continentales. Las propiedades morfológicas y litológicas de los terrenos volcánicos de Canarias son muy conocidas por los numerosos estudios geológicos que se han realizado en las islas, que han dado como fruto una extensa bibliografía y una cartografía geológica de detalle en todo su territorio. Esto contrasta de manera significativa con una literatura muy escasa en lo que se refiere a propiedades geotécnicas. Conocer la geología y origen del terreno es fundamental para acometer cualquier proyecto subterráneo, en este caso la geología de todo el Archipiélago Canario está dominada prácticamente en su totalidad por una sucesión de materiales y estructuras volcánicas. Secuencias de emisiones lávicas, así como de depósitos piroclásticos de composición muy variable, configuran un paisaje muy singular dentro del territorio nacional pero que, a nivel regional, presenta contrastes extremos desde el punto de vista litológico, medioambiental, paisajístico e incluso meteorológico. Toda la actividad volcánica efusiva de las Islas Canarias ha llevado a la construcción y crecimiento subaéreo del archipiélago, de forma que, actualmente, se encuentran en superficie, bien edificios volcánicos muy recientes, correspondientes a los últimos eventos volcánicos o bien escudos volcánicos y materiales muy antiguos y en general muy alterados de los cuales hoy queda visible una mínima parte de los que fueron en el Mioceno- Plioceno, es decir, hace unos cinco millones de años. Este es el caso de los macizos más antiguos de las distintas islas cuya antigüedad se puede inducir de los profundos y cerrados barrancos excavados por la continua erosión y que, al no haber sido rellenados por emisiones volcánicas más recientes, presentan una morfología en forma de agudas crestas, fondos de barranco muy profundos y angostos y laderas con pendientes que, en ocasiones, se aproximan a la verticalidad. De forma general, en Canarias existen tres tipos de materiales con comportamientos mecánicos bien diferenciados: 1) Depósitos de lluvia piroclástica, de cínder, iginimbritas no soldadas, oleadas piroclásticas ( surges ), brechas y cineritas en general. 2) Coladas basálticas, traquíticas, fonolíticas, ignimbritas soldadas y autobrechas. 3) Formaciones sedimentarias. Los litotipos principales de Canarias se muestran en la Tabla I. [TABLA I].- Litotipos de las Islas Canarias (Hernández, L.E. 2010)

2 Excavación Excavación y sostenimiento de túneles en terrenos volcánicos La experiencia de los últimos años de obra civil en Canarias con ejecución de túneles en terrenos volcánicos muestra la gran eficiencia del denominado Nuevo Método Austríaco (NATM, New Austrian Tunelling Method) aplicada a este tipo de terrenos. Este método desarrollado en los años 60, se basa en utilizar la tensión del macizo geológico para lograr la estabilización del túnel mediante el efecto arco hasta un punto en el que el sostenimiento controla la deformación del mismo. La excavación se suele realizar mediante martillos rompedores hidráulicos armados sobre orugas y que proporcionen una alta energía de impacto. Este tipo de maquinaria suele ser la más utilizada por su alta versatilidad ya que se adapta a todo tipo de materiales, y la maniobrabilidad de su brazo le permite moverse por todo el frente de avance. Sin embargo el cálculo de los rendimientos de este tipo de maquinaria varía de manera considerable según el tipo de material que encontremos en el frente y según su diaclasado, cuando estamos ante el caso de rocas. De esta forma podemos obtener rendimientos de excavación en terrenos volcánicos que varían entre uno y decenas de metros al día. No obstante, cuando los rendimientos no son los óptimos se suele recurrir al método más utilizado para la excavación de galerías de extracción de agua en Canarias, como son las voladuras. La excavación mecánica se realiza en dos fases, una de avance y otra de destroza, con una diferencia de unos 100 metros entre ambas. A su vez la fase de destroza comienza con la destroza central para seguir con la excavación de los bataches y finalmente se ejecuta la excavación de la contrabóveda. Para mejor operatividad dentro del túnel, la destroza central se suele ejecutar a su vez en dos partes, divididas entre sí por el eje del túnel, de forma que cuando se está excavando una mitad se deja la otra para el paso de vehículos. También es necesario considerar que la ejecución de los bataches debe ser alterna tanto longitudinal como transversalmente. Y, en terrenos de mala calidad o con presencia de materiales potencialmente expansivos, se ejecuta una tercera fase denominada contrabóveda de morfología cóncava hacia abajo, con el fin de cerrar el anillo del túnel con hormigón. La ejecución de túneles mediante NATM, exige la aplicación inmediata de un sostenimiento inicial de hormigón proyectado. En el caso concreto de Canarias, dada la variabilidad de materiales en pocos metros de excavación y el alto diaclasado de las formaciones rocosas, se suele dar lugar a la formación de cuñas en zonas tan sensibles como la clave o los hombros, de forma que suponen un grave riesgo durante la excavación y que conlleva a la aplicación inmediata de la capa primera de hormigón proyectado. En Canarias se han utilizado tanto fibras metálicas como sintéticas, ambas con muy buenos resultados de resistencia media a corto plazo (en medidas realizadas con penetrómetro) como a largo plazo con la rotura de probetas en artesa. Los ensayos de las mismas se realizan siguiendo el conjunto de normas UNE-EN Esta fase de sostenimiento inicial es común en todos los túneles de Canarias ejecutados en los últimos años. Sin embargo, el control sistemático de los materiales en cada avance de pase (que suele oscilar entre uno y cuatro metros) conlleva la decisión de la colocación de un sostenimiento metálico u otro, dependiendo del RMR de los materiales encontrados y de la proporción de suelos y estado de los mismos. De esta forma, en los túneles de Canarias se han venido utilizando bulones tipo Swellex en los terrenos más resistentes y donde encontrábamos un bajo porcentaje de suelos; y cerchas tipo TH arriostradas entre sí y con chapa tipo Bernold, para los terrenos de menor calidad y con alto porcentaje de suelos. Los pernos de anclaje tipo Swellex consisten en un tubo hueco y sellado en su extremo, que se encuentra doblado sobre sí mismo de forma que una vez practicada la perforación y la colocación de éste, se inyecta agua a alta presión sobre su otro extremo. Esto hace que se expanda en poco tiempo y pueda ejercer una presión contra la roca circundante. Una vez colocados se realiza el ensayo de arrancamiento de buena parte de los mismos, reponiendo en todo caso los bulones que no hayan superado la prueba. Las cerchas más utilizadas en los últimos años de desarrollo tunelero en las islas son las TH y las HEB. La elección, aunque determinada en proyecto inicial, responde a las dimensiones del túnel y a las características del macizo rocoso de forma que las TH-21 son las denominadas ligeras, las TH-29 las medias y las HEB son las pesadas. Es habitual además la colocación de cerchas HEB junto con chapas tipo Bernold y hormigón bombeado en el trasdós, en los casos de muy mala calidad de los materiales y en las zonas de emboquille. La excavación de los emboquilles se inicia sobre taludes provistos de una protección de mallazo y hormigón proyectado (Fig. 1). A estos se les unen anclajes y/o bulones Swellex (Fig. 2) colocados sobre el talud y fuera del arco de excavación, y un paraguas (que en la mayor parte de los casos es de tipo pesado) de micropilotes arriostrados con una viga de [Figura 1].- Boca de un túnel en construcción en la isla de Tenerife (Santamarta JC, 2011). [Figura 2].- Colocando bulones swellex en la sección del túnel (Crespo N., 2009)

3 Excavacación atado. Normalmente se completa la ejecución del emboquille con la construcción de un falso túnel que se prolonga al exterior y que sirve de apoyo a un relleno que pretende imitar la morfología inicial de la ladera (Fig. 3). En otros casos la solución del exterior del túnel ha pasado por recubrir el talud del emboquille con materiales rocosos propios de la zona circundante. La auscultación de los túneles se lleva a cabo desde el inicio de los trabajos por medio de equipos de instrumentación específicos y con el personal técnico adecuado para la lectura de los mismos. La auscultación durante la fase de excavación y sostenimiento, es una parte fundamental para el control de la eficacia e idoneidad del sostenimiento colocado. Además, el control morfológico del túnel por medio de mediciones sistemáticas de convergencias, control de hitos topográficos, control de medidas de inclinómetros y extensómetros, etc., resultan clave para predecir el comportamiento del macizo rocoso. Impermeabilización y revestimiento de túneles en terrenos volcánicos Las islas volcánicas, en relación a su hidrogeología, tienen una característica común que es presentar acuíferos sobreelevados debido a los diques geológicos concentrados generalmente en las dorsales de las islas, los cuales funcionan como paredes impermeables (en función de su grado de fisuración y espesor), este tipo de acuífero es drenado en las islas volcánicas por innumerables kilómetros de galerías o minas de agua (dikes tunnels en Hawaii, collection galeries en la isla de Jeju, Korea del Sur). El problema del agua en un túnel aparece cuando la traza de la obra intercepta un acuífero o una bolsa de agua, la cantidad de agua alumbrada puede ser importante y difícil de gestionar, experiencias de este tipo ocurrieron en el túnel de unión entre las localidades de Los Llanos y Santa Cruz en la isla de La Palma, por ello durante las fases de excavación y revestimiento se recogen datos relativos al grado de humedad del macizo rocoso, los puntos de agua registrados. Estos datos junto con el estudio hidrogeológico previo del proyecto, dan una idea de los problemas de filtraciones que pueden aparecer en el túnel antes y después del sostenimiento. En Canarias existen túneles antiguos que no están impermeabilizados, otros en los que no se ha llevado a cabo el revestimiento y otros que carecen tanto de impermeabilización como de revestimiento. En los túneles donde los puntos de presentación de agua se repartan de manera irregular debido a un macizo rocoso diaclasado, se suelen dar fenómenos de filtración directa del agua de lluvia pudiendo ocasionar graves problemas si no se lleva a cabo una correcta impermeabilización. En estos casos la impermeabilización es la denominada tipo sándwich. Este sistema es de los más costosos, pero es el que asegura la no entrada de agua al interior del túnel por medio de la conducción de la misma. De esta manera, se guía al agua para que circule por el trasdós de la lámina y del revestimiento y se canaliza a través el sistema longitudinal del túnel y de allí al exterior. El sistema tipo sándwich se fundamenta en colocar sobre el sostenimiento una lámina de geotextil y una lámina de PVC o de polietileno de un espesor de 1,5 a 2 mm. Ambas láminas se anclan al terreno por puntos, mediante arandelas especiales del mismo material fijadas a la superficie soporte con clavos. La soldadura entre las láminas de PVC como a las arandelas plásticas, se realizará por termofusión. La lámina de PVC cumple la misión de impermeabilizar y el geotextil, en contacto con el sostenimiento y al que se debe proteger previamente con mortero, cumple el objetivo de conducir al agua. La colocación de las láminas debe hacerse según la norma UNE-EN Buena parte de las uniones soldadas se comprueban mediante la inyección de aire a presión en el canal de prueba que se deja con cada soldadura. Según este ensayo, la soldadura se considera estanca si la presión de aire sobre el canal de comprobación no disminuye más de 10% del valor inicial. Esto implica que no tiene fugas de aire y, por tanto se consideraría una soldadura apta. Dentro de la variedad litológica de Canarias es muy habitual encontrarse con almagres que no son más que suelos rubefactados y quemados por el paso de coladas lávicas. Estos suelos tienen un importante desarrollo en entornos volcánicos e hidrogeológicamente pueden llegar a constituir un acuífero colgado dada su naturaleza impermeable. Es por este motivo que el corte de capas de almagre durante la ejecución de un túnel puede suponer en algún caso interceptar el sistema de un acuífero colgado [Fig. 3].- Pequeño tramo de falso túnel en construcción en la isla de El Hierro (Santamarta, JC, 2012). Para estos casos se dispone de una impermeabilización de tipo puntual o también llamado sistema Oberhasli. Este sistema se utiliza para captar un goteo puntual en un túnel. En el punto donde existe un goteo se perfora un taladro de captación de una longitud aproximada de un metro y de diámetro mínimo unos 30 mm. Después se coloca un tubo semiflexible y partido de PVC desde el punto de agua y a lo largo de todo el hastial hasta terminar en el sistema de drenaje longitudinal. Finalmente el sistema se fija mediante hormigón proyectado. En el caso de interrumpir varios puntos de presentación de agua en un mismo área, el sistema Oberhasli se complica porque se debe construir una red de medias cañas, una por cada punto de agua, que van a parar a una principal. El objeto del sistema de impermeabilización de un túnel no es otro que reconducir el agua al sistema de drenaje longitudinal. Existen túneles en Canarias donde el sistema de drenaje se encuentra a la vista puesto que no existe revestimiento en el túnel. En este caso, en lugar de utilizar el material habitual para ejecutar la impermeabilización completa se utiliza el polipropileno expandido El revestimiento o estructura de hormigón que recubre el interior del túnel, cumple varios objetivos entre los cuales se destaca el estético, el resistente y el funcional, referido este último como mejora en la iluminación y ventilación. Existen varias formas de colocación de un revestimiento pero en Canarias se viene utilizando el hormigonado mediante carro de encofrado (Fig. 4). Estos carros de encofrado se adaptan específicamente a las dimensiones de cada túnel de manera que se diseñan para un único túnel. Los carros más utilizados tienen seis metros de longitud y se montan desde una de las bocas para salir por la contraria. Estos se desplazan mediante raíles y permiten el vibrado del hormigón mediante vibros incorporados. Problemas geotécnicos usuales en las obras subterráneas en terrenos volcánicos Los aspectos geotécnicos, como ya se ha referido a lo largo del artículo, son una de las cuestiones más complicadas a la hora de diseñar o ejecutar un proyecto subterráneo en un terreno volcánico. Los materiales volcánicos son extremadamente heterogéneos, discontinuos y difíciles de predecir a diferencia, en general, de las formaciones continentales no volcánicas, más continuas, predecibles y competentes en general. La configuración habitual del terreno en ambientes volcánicos insulares, consiste en la acumulación de distintas sucesiones de emisiones lávicas producto de erupciones efusivas, en su gran mayoría de carácter fisural, que configuran un paisaje dominado en su

4 [Fig. 4].-Vista de carro de revestimiento y lámina de impermeabilización (Crespo N., 2011). mayoría por lavas y depósitos piroclásticos. Dependiendo de la tasa efusiva, de la explosividad de la erupción y de las características reológicas de los materiales emitidos, éstos se pueden distribuir espacialmente de forma más o menos caótica y desordenada, lo que les confiere el carácter heterogéneo mencionado. Durante la perforación de un túnel es necesario conocer el comportamiento del terreno que va atravesando la misma.en una sola perforación se podrían encontrar todos los litotipos volcánicos existentes. La obtención de la información geológica de las obras subterráneas a ejecutar se hace verdaderamente complicada, porque en muchas ocasiones se tendría que recurrir a sondeos verticales de gran profundidad (más de 500 metros). Una solución habitual para la evaluación de agua en la traza del túnel, generalmente en obras hidráulicas subterráneas, es la perforación de un sondeo horizontal en el frente de la excavación de unos 50 m de longitud, principalmente para detectar flujos de agua o bien alturas de las láminas de agua sobrelevadas por diques tras el frente de excavación, que se disponen en la traza del túnel, para evitar problemas de inundación y garantizar la seguridad de los operarios e instalaciones. También se pueden estimar las propiedades del terreno y conocer los materiales geológicos que se van a atravesar consultando bibliografía de trabajos realizados en materiales similares. Respecto a las características geotécnicas del terreno que se va a excavar, generalmente el terreno masivo, no presenta problemas de estabilidad. En la parte granular (escorias y piroclastos) se suele producir una sección más redondeada, siendo necesario en ocasiones recurrir a sistemas de sostenimiento (cerchas, gunitado), con la función de armar el terreno en estos tramos (Fig. 5). Con estos condicionantes, se puede plantear la construcción del túnel a sección completa, dependiendo de las dimensiones del túnel u obra subterránea en cuestión, considerándose algunos tramos autoestables. En el caso de aparecer fisuras, y por tanto cuñas inestables, en frentes con roca por efecto de la descompresión tras la excavación, siempre se recomienda una capa de sellado con gunita e = 5 10 cm y bulones colocados de forma que cosan a modo de aguja las fracturas y diaclasas. En el caso de que alguna de estas premisas no se cumplan podemos recurrir a los diferentes tipos de sostenimiento disponibles para este tipo de infraestructuras. En el caso continental, en general, los sostenimientos de [Figura 5].- Colocando chapa Bernold en emboquille de túnel (Crespo N., 2010). túneles son fundamentales para evitar el colapso de la infraestructura. A modo de ejemplo, se aporta la Tabla II con los tipos de materiales posibles a encontrar en la excavación y las soluciones recomendadas en la ejecución de obras subterráneas en terrenos volcánicos. Q: Índice Q de Barton. (*) En el hormigón proyectado, la proporción recomendable de fibra es de 45 kg/m 3. [TABLA II].- Ejemplo de recomendaciones de sostenimiento en función de las características del terreno.

5 En el caso de utilizar revestimientos en el túnel, se deben controlar los siguientes parámetros técnicos; Presión ejercida por el terreno sobre el revestimiento. Tensión en el revestimiento. Deformaciones del revestimiento. Desplazamiento de las juntas. Presiones intersticiales en el terreno. Otro problema geotécnico común en la construcción de túneles en terrenos volcánicos es la aparición de suelos con alto contenido en arcillas potencialmente expansivas en las zonas de hastiales, pies y/o solera. En estos casos son muy útiles los resultados de los ensayos sobre muestras inalteradas como el ensayo de presión de hinchamiento en edómetro para cuantificar el hinchamiento producido (UNE /96). Las soluciones para estos problemas pasan desde la ejecución de una contrabóveda hormigonada en solera hasta la ejecución de inyecciones a la altura de los hastiales y/o los pies. Conclusiones Las obras subterráneas en las islas volcánicas son en general muy usuales debido a la orografía del territorio y la necesidad de conectar diferentes zonas de las islas, la complejidad y el coste que llevan asociadas es mayor que en otro tipo de terrenos debido a las propias características singulares de los terrenos volcánicos. Los terrenos volcánicos son muy heterogéneos, difíciles de parametrizar y con diferentes Excavación características mecánicas esto, supone mayor complejidad a la hora de estudiar, diseñar y ejecutar una obra subterránea. Los problemas geotécnicos más frecuentes en los túneles en general en un terreno volcánico y en particular en Canarias son, la aparición de chimeneas de ceniza que no fueron detectadas durante las fases de proyecto, afloramiento de grandes masas de agua que llega a poner en peligro los trabajos de ejecución y en primer momento el problema debe resolverse mediante bombas de achique y finalmente la aparición de suelos potencialmente expansivos a nivel de solera lo que implica la ejecución de una contrabóveda. Otro problema detectado son en las bocas de entrada y salida de los túneles, debido a su emplazamiento, en algunas zonas de pie de monte, ocurren por las lluvias continuos desprendimientos que llegan incluso a obligar a cerrarlos durante los periodos de lluvia intensa. Con el paso de los años se ha observado un enorme avance en la ejecución y diseño de los túneles en Canarias así como un enorme interés de la comunidad científica por este tipo de obras en terrenos de naturaleza tan singular. A modo de conclusión final, se puede añadir que es muy recomendable la inversión en estudios geotécnicos tanto en la fase de proyecto como en la fase de construcción, en zonas de tanta variabilidad geotécnica como son las Islas Canarias. En el caso de las obras subterráneas, el conocimiento exhaustivo del terreno que estamos atravesando es fundamental a la hora de optimizar en recursos materiales y de incrementar la eficiencia en los trabajos realizados. Bibliografía BIENIAWSKI, Z. T. (1989). Engineering Rock Mass Clasifications, pp John Wiley. CONSEJERÍA DE OBRAS PÚBLICAS, TRANS- PORTES Y POLÍTICA TERRITORIAL DEL GOBIER- NO DE CANARIAS (2011). Guía para la Planificación y la Realización de Estudios Geotécnicos para la Edificación en la Comunidad Autónoma de Canarias. HERNÁNDEZ, L. E., RODRÍGUEZ-LOSADA, J. A., OLALLA, C. GARRIDO-MANRIQUE, J., Geotechnical investigation guide for building in volcanic environments. En Olalla et al. (Edts): Volcanic Rock Mechanics. Taylor & Francis Group, London, ISBN: Pág RODRÍGUEZ-LOSADA, J.A., HERNÁNDEZ-GU- TIÉRREZ, L.E., OLALLA, C., PERUCHO, A., EFF- DARWICH, A. (2009). Geomechanical parameters of intact rocks and rock masses from the Canary Islands: Implications on their flank stability. Journal of Volcanology and Geothermal Research 182 (2009) doi: /j.jvolgeores SANTAMARTA CEREZAL, J.C. (2009). Singularidades sobre la construcción, planificación y gestión de las obras y recursos hídricos subterráneos en medios volcánicos. Estudio del caso en las Islas Canarias occidentales. Tesis (Doctoral), E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM). Universidad Politécnica de Madrid. SANTAMARTA CEREZAL, J.C. RODRIGUEZ MARTÍN, J. (2011). Sistemas de avance y perforación en la minería de agua dulce en terrenos volcánicos. Revista Ingeopress nº 206. Agosto. Monográfico Perforación y voladuras.