Hormigón proyectado en túneles. Formas de reducir la huella de carbono

El uso de las técnicas y las tecnologías tradicionales en la ejecución de túneles empleando un hormigón proyectado como elemento de sostenimiento temporal y un hormigón de revestimiento final (doble capa) supone elevadas emisiones de CO₂. Sin embargo, si se realizan cambios en las etapas iniciales de diseño y se ajustan los componentes de la mezcla de hormigón, es posible reducir en gran medida la huella de carbono que generan estos revestimientos.

En este artículo se trata de justificar el impacto ecológico que supone el hormigón en la construcción subterránea y se ofrecen alternativas para utilizar este material de forma responsable y respetuosa con el medio ambiente, partiendo de una adecuada planificación y aprovechando los actuales avances en la tecnología del hormigón.

El creciente compromiso con la protección del medio ambiente, la progresiva explotación y paulatina reducción de los recursos naturales y las catástrofes naturales relacionadas con el clima, hacen que la sostenibilidad esté cada vez más en el punto de mira de la sociedad. Ante la inminente crisis climática, la concienciación sobre el desarrollo sostenible ha saltado a la palestra desde principios del siglo XXI y se ha abierto paso en el sector de la construcción. La construcción residencial ya está experimentando una creciente demanda de soluciones y materiales ecológicos y empleando métodos de construcción eficientes. Por el contrario, en la obra civil y especialmente en la construcción de túneles y obras subterráneas, el concepto de sostenibilidad aún sigue desempeñando un papel secundario. Sin embargo, en este sector, con un intenso consumo de materiales, hay varias formas de reducir la huella de carbono durante las fases de planificación y diseño, en algunos casos, de forma significativa.

La creciente urbanización de la población mundial también nos afecta, en forma de un aumento de las actividades de construcción y el consiguiente incremento de las emisiones de gases de efecto invernadero. Según las previsiones, en 2050 aproximadamente, dos tercios de la población mundial vivirán en ciudades y dependerán de las correspondientes infraestructuras urbanas.

Esto significará una disminución del transporte individual y una mayor demanda de infraestructuras de transporte público, incluyendo las infraestructuras subterráneas. Las modernas redes de metro están formadas por un gran número de entradas, galerías de interconexión, de acceso y evacuación, pozos, cavernas de estaciones e instalaciones de ventilación. Dado que estas estructuras tienden a ser no uniformes con geometrías complejas, para su ejecución, se emplean métodos convencionales de excavación para cuyo sostenimiento y revestimiento, se emplea el hormigón proyectado.

• Escepticismo sobre la durabilidad del hormigón proyectado

El hormigón proyectado es un material idóneo como elemento de sostenimiento debido a su versatilidad y facilidad de aplicación. A pesar de las décadas de experiencia positiva con este material de construcción, el hormigón proyectado suele ser empleado únicamente como elemento de sostenimiento temporal en la mayoría de los casos. Su uso a mayor escala para el revestimiento final de túneles todavía no es una práctica habitual. Esto se debe sobre todo, al escepticismo sobre la durabilidad del hormigón proyectado. A menudo, esto trae como consecuencia el sobredimensionamiento y el empleo de elevados volúmenes de hormigón, lo que supone un impacto negativo en el balance de CO₂ del proyecto de construcción. Este artículo pretende poner de manifiesto el potencial de reducción de la huella de carbono de los proyectos de nuevos túneles construidos con hormigón proyectado como material único de sostenimiento y revestimiento.

La sostenibilidad, por definición, es un equilibrio de indicadores económicos, medioambientales y sociales. Esto significa que una solución sostenible no puede validarse basándose en un único indicador sino que debe ser un compromiso, en el que la solución óptima tenga en cuenta los tres pilares. Este 'equilibrio' es un medio de evaluar los impactos a lo largo de todo el ciclo de vida de un producto o solución con la que reconocer cualquier cambio de carga potencial que pueda ocurrir en las diferentes etapas del ciclo de vida.

Para cuantificar los impactos ambientales, se suelen utilizar las evaluaciones del ciclo de vida (ACV) según ISO 21930 para garantizar un análisis objetivo en las cuatro fases principales del ciclo de vida: producción (A1-A3), la construcción (A4-A5), el uso (B1-B7) y el final de la vida útil (C1-C4). Sin embargo, en el caso de los proyectos de túneles, el 'diseño' debería añadirse a estas etapas del ACV porque, a pesar de su bajo impacto directo en el CO₂, su influencia en las emisiones posteriores es dominante (Figura 1).

La evaluación del CO₂ de un proyecto con una vida útil de 100 años es un reto, ya que debe encontrarse un equilibrio entre el CO₂ inicial en la fase de construcción, y los efectos que las soluciones y materiales elegidos tienen en la fase de uso, incluida la rehabilitación. Un mayor consumo de CO₂ durante la construcción podría conducir a una mayor calidad y resultados más duraderos ('rendimiento'), lo que permitiría reducir las necesidades de mantenimiento y el correspondiente ahorro de CO₂. La peor de las situaciones sería cerrar por completo un túnel para su rehabilitación estructural, lo que supondría el desvío de la circulación y generaría un aumento del CO₂ inducido por el tráfico. La ecuación (1) propuesta por Müller et al ('A New Generation of Sustainable Structural Concretes– Design Approach and Material Properties', Central Europe towards Sustainable Building (CESB19) trata de resolverlo.

Dado que la fase de construcción contribuye de manera significativa a la huella medioambiental global de un túnel durante su ciclo de vida, la calidad, el tipo y la cantidad de los materiales empleados -como el hormigón- deben seleccionarse cuidadosamente.

Con más de 14.000 millones de metros cúbicos utilizados al año, el hormigón es el material de construcción en masa más importante de nuestro tiempo, y es imposible imaginar la ingeniería civil moderna y la construcción de túneles sin él. Sin embargo, el cemento que contiene plantea un problema climático, ya que la producción del clinker para el cemento libera enormes cantidades de CO₂ - previamente ligado químicamente - durante el proceso de calcinación. Con unas emisiones de gases de efecto invernadero de unos 800 kg de CO₂ e/t de clinker, el cemento es responsable de hasta el 91% de la huella de CO2 del hormigón y, en todo el mundo, de cerca del 8% de las emisiones antropogénicas de CO₂. Esto es cuatro veces más que lo producido por todo el tráfico aéreo mundial. Por tanto, el uso ecológica y económicamente eficiente del clinker en el hormigón y el hormigón proyectado es clave para mejorar la evaluación del ciclo de vida de los túneles.

El hormigón proyectado suele tener una evaluación del ciclo de vida muy pobre debido a la alta proporción de cemento Portland en la mezcla, por lo que durante la fase de planificación debería considerarse una optimización de la fórmula de trabajo. Ligeros cambios en la mezcla y un aumento de la eficiencia del clinker pueden contribuir a una mejora significativa en la evaluación del ciclo de vida de toda la estructura, ya que los grandes proyectos de túneles requieren enormes cantidades de hormigón para su ejecución.

Fig. 2: Emisiones de CO₂ resultantes de la construcción del Túnel de Base de Brennero.

La figura 2 ilustra la correlación entre el uso de cemento y la huella de carbono con el ejemplo del proyecto del Túnel de Base del Brennero que conectará la ciudad austriaca de Innsbruck y la italiana de Fortezza bajo los Alpes (con un total de 220 km de túneles, NATM y TBM). En este caso, la parte de las emisiones de CO₂ que corresponde a la producción de cemento es responsable del 66% del total de las emisiones durante la fase de construcción. Todos los demás componentes del hormigón y su producción sólo representan el 18%, mientras que el resto de procesos, como la energía necesaria para el funcionamiento de la tuneladora, los combustibles, los materiales de sellado y similares, sólo representan el 16%.

Para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero de una mezcla de hormigón, se pueden utilizar cementos compuestos eficientes, cementos puzolánicos, adiciones activas o inertes (por ejemplo, escoria granulada de alto horno, filer calizo, etc.).

La figura 3 muestra el potencial de ahorro de CO₂ de estos hormigones más sostenibles. Dado que los denominados eco-hormigones presentan algunos retos en cuanto a su trabajabilidad y sus propiedades mecánicas, es indispensable disponer de amplios conocimientos de la tecnología del hormigón y manejar la combinación óptima de aditivos de última generación para cumplir los requisitos necesarios de consistencia, resistencia temprana y durabilidad.

Las consideraciones anteriores sobre la evaluación del ciclo de vida del hormigón, y el hecho de que el clinker del cemento domina las emisiones de CO₂ de la construcción subterránea, conducen inevitablemente a cuestionar si los revestimientos de hormigón convencionales y la suposición de que el hormigón proyectado es un elemento de sostenimiento eminentemente temporal, deben seguir formando parte del 'estado del arte'.

Hoy en día, la mayor parte del hormigón proyectado se produce en modernas plantas con amasadora controladas por ordenador y se aplica con equipos de proyección de última generación. La puesta en obra ha mejorado de manera continuada en los últimos años gracias a la actualización de la tecnología de los equipos y al alto nivel de cualificación de los operarios gunitadores. Las industrias del cemento y de los aditivos también han tenido una influencia significativa en la evolución del hormigón proyectado, ya que los materiales y soluciones que aportan, son cada vez más eficaces.

Por otra parte, se debe considerar que recientes estudios realizados en túneles construidos en los años 70 y 80 en Austria, revelaron resultados inesperados: el hormigón proyectado conservaba sus cualidades incluso después de 40-50 años, aunque originalmente fue diseñado y aplicado sólo como elemento de sostenimiento temporal.

Estos resultados demuestran que los conceptos tradicionales de diseño estructural quizás sean demasiado conservadores y deberían ser cuestionados y revisados críticamente, considerando la actual preocupación por la sostenibilidad.

• Ejemplos de proyectos realizados

En las publicaciones del ITA (Permanent Sprayed Concrete Linings; Aldrian W. et all.; Lausanne 2020 y Permanent Sprayed Concrete Linings – an international update; Aldrian W. et all.; Spritzbeton-Tagung Alpbach 2021) se aborda el tema de la integración de la capa de sostenimiento de hormigón proyectado en el revestimiento final. Además, se han desarrollado nuevos conceptos de diseño y variantes de construcción con una capa permanente de hormigón proyectado que ya han sido empleadas con éxito en diversos proyectos.

Figura 4. Túnel de Leb (Suiza, 2021); Hormigón proyectado como revestimiento final.

La figura 4 muestra un túnel de Suiza, Tunnel de Leb, que se completó en la primavera de 2021. Se utilizaron dos capas de hormigón proyectado permanente (280 mm de sostenimiento inicial, 150 mm de revestimiento final proyectado), con fibras de polipropileno (PP) como refuerzo y una membrana proyectada (entre ambas capas de hormigón proyectado) para la impermeabilización. Esta variante de diseño minimizó el consumo de hormigón, redujo las emisiones de CO₂ asociadas y ahorró tiempo y costes.

Un ejemplo de Inglaterra muestra otro enfoque de diseño innovador, que combina hormigón proyectado durable con fibras de acero, una membrana impermeabilizante proyectada y hormigón 'in situ' para algunas partes del revestimiento final. Se eligió el hormigón convencional para garantizar un acabado de los hastiales liso, altamente reflectante y de fácil limpieza (véase la Fig. 5).

• La falta de normas genera preocupaciones infundadas

A pesar de su exitosa implantación, estas variantes de diseño siguen siendo la excepción en la construcción subterránea. Esto está estrechamente relacionado con el desconocimiento y la falta de normativa, así como con la incertidumbre general de los proyectistas y diseñadores. Sin embargo, el importante desarrollo de la tecnología del hormigón proyectado y la puesta en obra de mismo por personal experimentado y capacitado, como ya se ha señalado anteriormente, hacen que las reticencias relativas a las prestaciones y la durabilidad del hormigón proyectado sean infundadas en la mayoría de los casos.

Las exigencias estéticas y el uso previsto del túnel deberían regir el uso del hormigón proyectado como revestimiento final o no, ya que la superficie rugosa e irregular del hormigón proyectado quizás no es adecuada para todas las aplicaciones. Sin embargo, en muchas partes del laberintico trazado de una infraestructura subterránea, los requerimientos de acabado superficial son insignificantes y podría considerarse un revestimiento de hormigón proyectado. Esto es aplicable especialmente a las secciones de túneles, tales como galerías de interconexión, de evacuación, ventilación y similares.

Si se analiza el balance de CO₂ de un metro lineal de túnel construido con hormigón proyectado permanente, se observa una mejora significativa en comparación con un revestimiento tradicional de 'doble capa' compuesto por un hormigón proyectado temporal (que no se considera permanente) y un revestimiento de hormigón convencional. Esto se debe a la reducción de los volúmenes de hormigón colocados.

A continuación, se presentan con algunas cifras varias posibilidades para reducir las emisiones de CO₂ de un túnel ejecutado con hormigón proyectado.

En este ejemplo, se ha considerado una sección de túnel hipotética con un diámetro interior de 10 m, excavado en un terreno con una geología 'media'. El túnel se proyecta con una longitud de aproximadamente 1,3 km, 15 kg/m de arcos de celosía, una capa de hormigón proyectado reforzado con fibras de 25 cm de espesor (HRF30) y un revestimiento de 40 cm espesor de hormigón convencional (HM30, no reforzado). En esta comparación, la influencia del resto de elementos de sostenimiento se desestimó, ya que sólo aportan una cantidad menor de CO₂. El hormigón del resto de elementos estructurales se incluye dentro del volumen de hormigón de revestimiento.

• Volúmenes de hormigón previstos frente a los reales

Es habitual que, durante el proceso de ejecución del túnel, como consecuencia de las labores de perforación y los condicionantes geológicos del terreno, se produzcan sobrexcavaciones que hacen que posteriormente, el volumen real de hormigón empleado pueda ser mucho mayor que el previsto en el diseño teórico.

En el ejemplo planteado, se asume un sobrespesor medio de 15 cm tanto para la capa de hormigón proyectado como para el hormigón de revestimiento. Se considera un 10% adicional que correspondería al rebote de proyección y al generado por los residuos de limpieza.

El cuadro 1 muestra las cantidades de hormigón utilizadas por metro lineal de túnel tipo. Teniendo en cuenta las explicaciones anteriores, podemos suponer que, de los aproximadamente 33 m³ de hormigón colocado (total menos rebote/residuos), sólo unos 13 m³ del revestimiento interior son considerados como permanentes. Por lo tanto, sólo el 40% del volumen de hormigón colocado, con sus correspondientes emisiones de CO₂ asociadas, son consideradas en diseño para el cálculo de la capacidad portante del túnel.

Tabla 1. Cantidades de hormigón empleadas por metro lineal de túnel.

• Huella de CO₂ de un sostenimiento de doble capa

Teniendo en cuenta los volúmenes de hormigón adicionales descritos anteriormente, las 4 toneladas de CO₂ que se pueden generar aproximadamente por metro de túnel (hormigón proyectado + refuerzo), se convierten en 6,7 toneladas de CO₂ tras la proyección (como consecuencia de los sobrespesores, el rebote y restos de limpieza) véase la Fig. 6.

La capa de hormigón proyectado, considerada exclusivamente como temporal, contribuye de forma significativa a la evaluación del ciclo de vida del proyecto de construcción del túnel, y sin embargo su capacidad de carga a lo largo de la vida útil del túnel suele descuidarse en el diseño. Si añadimos la cantidad de hormigón correspondiente a los excesos de espesor del revestimiento final que tampoco han sido consideradas estructuralmente, el resultado en este ejemplo es una cantidad anormalmente alta de CO₂ 'estructuralmente ineficaz' por metro lineal de túnel.

Para ilustrar las consecuencias para el medio ambiente y provocar la reflexión, las contribuciones de CO₂ de los materiales no considerados como 'eficaces estructuralmente' están tachados en la figura 7 y representan casi el 70% de las emisiones totales. A la inversa, esto significa que sólo el 30% de las emisiones de CO₂ causadas por el hormigón son necesarias para configurar el revestimiento estructural definitivo. Esto debe servir como llamada de atención a propietarios y diseñadores para que se replanteen su enfoque.

Figura 7. Huella de CO₂ e en kg del hormigón utilizado por metro lineal de túnel. El revestimiento no considerado en diseño como permanente está tachado (calculado con OneClick LCA).

• Ahorro de CO₂ mediante la optimización de la mezcla de hormigón

El ahorro de CO₂ también puede conseguirse ajustando el diseño de la mezcla de hormigón. Los requisitos para estos hormigones optimizados deberían especificarse contractualmente durante la fase de diseño, lo que también fomenta la competencia y la innovación en la industria. Por ejemplo, se puede reducir la cantidad de cemento en las mezclas de hormigón proyectado, utilizando cementos más eficientes junto con adiciones y aditivos de última generación con lo que se podrían conseguir reducciones del CO₂ de en torno al 20% por m³. Las mezclas de hormigón proyectado altamente optimizadas requieren un mayor control para lograr un rendimiento adecuado. Garantizar una elevada y constante calidad del cemento, con las menores fluctuaciones posibles y un estricto control de calidad en la elaboración de la fórmula de hormigón, es vital para el éxito.

El hormigón proyectado se ha convertido en un elemento de sostenimiento imprescindible y por tanto, nunca podría eliminarse por completo para reducir la huella de carbono. Sin embargo, teniendo en cuenta las medidas descritas anteriormente, existen varias formas de optimizar la cantidad de hormigón necesaria utilizando enfoques de diseño innovadores, sin comprometer los requisitos estructurales:

• Declarar la totalidad o parte del hormigón proyectado como revestimiento permanente, siempre que sea posible, e incluirlo en el diseño estructural.
• Utilizar un revestimiento final proyectado que sustituya al revestimiento convencional hormigonado 'in situ', cuando desde el punto de vista geotécnico, estético y operativo sea viable.
• Conectar la capa de hormigón proyectado de sostenimiento y la capa de hormigón proyectado de acabado o revestimiento, empleando una membrana proyectada impermeabilizante (MasterSeal 345) adherida a ambas capas, creando de este modo un revestimiento único (Single Shell).

Las variantes de diseño mencionadas anteriormente deben ser evaluadas en la fase de diseño. En cada caso, es necesario comprobar el sobrespesor y la mayor resistencia del hormigón que puede tenerse en cuenta en los cálculos de las cargas estáticas y hasta qué punto es necesario colocar un hormigón de revestimiento adicional. En función de las hipótesis de carga estática y de los diseños de las mezclas de hormigón utilizadas, se considera realista en la literatura una reducción potencial de entre el 10 y el 30% de los gases de efecto invernadero (Permanent Sprayed Concrete Linings; Aldrian W. et al, Lausanne 2020 y Composite tunnel linings, allowing a more cost effective and sustainable tunnel design; Jung H. et al, Bergen, 2017).

La presión social y política por adoptar enfoques más respetuosos con el medio ambiente en la construcción subterránea irá en aumento, razón por la cual, promotores y diseñadores tienen que considerar opciones alternativas de diseño y construcción, especificando métodos de alta calidad, duraderos y que minimicen la emisión de gases de efecto invernadero.

Es importante establecer un comparativo entre los métodos convencionales y los ecológicamente optimizados para cada proyecto con el fin de encontrar la solución más sostenible, incluso cuando hay limitaciones económicas o ausencia de normativa específica.

Los aspectos relacionados con la sostenibilidad sólo pueden llevarse a efecto si se considera todo el ciclo de vida del túnel y si se plantean las cuestiones adecuadas en las etapas iniciales de planificación. La planificación integral, con la participación y el compromiso de todos las partes, es imprescindible para el éxito de un proyecto 'verde'. Los responsables de los proyectos deben hacer de los aspectos medioambientales, un criterio de adjudicación de los contratos, con requerimientos de construcción ecológica definidos contractualmente y supervisados.