Grandes trabajos de ingeniería

La Línea 6 del Metro de Santiago de Chile tiene una longitud de 15,6 km y 10 estaciones. Se inicia en el Sudoeste de la ciudad; cruza la L-2 en la Estación Franklin, la Línea 5 en la Estación Ñuble, la Línea 3 en la Estación Ñuñoa y finaliza en la Estación Los Leones, que es compartida con la L-1. En la Figura 1 se presenta la disposición en planta de la red del Metro de Santiago.

En 2012 el Consorcio Zañartu-Geocontrol consiguió el contrato para realizar el Proyecto de Ingeniería de Detalle de la Obra Civil de la L-6. Todas las obras subterráneas fueron proyectadas para ser construidas según el ‘New Austrian Tunnelling Method (NATM)’, que es el empleado habitualmente en Santiago, y las obras empezaron en septiembre de 2013.

Tradicionalmente en Santiago de Chile el Túnel Interestación se construye excavando con la ayuda de un machón en el frente; que ocupa una sección de 15 m², dentro de los 59 m² de la sección total del túnel.

Este machón, que se mantiene hasta 3,4 m del frente, limita notablemente el acceso de la maquinaría; tal como se ilustra en la Figura 2 y en la Fotografía 1.

Fotografía 1: Disposición de la excavación en el método tradicional.

La reducida dimensión de cada fase de excavación, unido al contrafuerte que se dejaba para prevenir la hipotética desestabilización del frente, implicaba que el espacio para trabajar fuera reducido y que se debiera utilizar maquinaria de reducidas dimensiones, tal como se ilustra en la Fotografía 2.

En estas condiciones, al construir el túnel interestación con el método tradicional, los avances medios estaban comprendidos entre 6 y 9 metros/semana; trabajando seis días por semana y realizando la excavación en pases de hasta 1,5 m de longitud.

El Consorcio Zañartu-Geocontrol propuso, al realizar el diseño de la L-6, un nuevo método constructivo basado en excavar a sección completa; que, como se presenta en los apartados siguientes ha permitido superar ampliamente los avances semanales medios obtenidos con el método tradicional.

Los terrenos en los que se construye el Metro de Santiago son suelos de carácter aluvial constituidos por los arrastres de los ríos Mapocho y Maipo; aunque, hasta ahora, la mayor parte de las líneas del Metro de Santiago se han construido excavando los suelos aluviales del río Mapocho; que se conocen como ‘ripio de Santiago’ y cuyo espesor supera los 200 m.

Estos suelos están constituidos por conglomerados granulares; que, en general, tienen carácter autofiltrantes, pues el agua puede percolar a través de ellos sin arrastrar finos.

Aunque estos conglomerados no están cementados quimicamente, poseen una cohesión comprendida entre 30 y 50 KPa; lo cual, unido a ángulos de fricción entre 45 y 50º, hace que presenten un comportamiento excelente.

Este buen comportamiento permite excavar taludes prácticamente verticales sin sostenimiento alguno, con alturas de hasta 20 m; tal como se ilustra en la Fotografía 3.

En los suelos del río Mapocho se diferencian tres tipos de terreno, con las características resistentes medias que se indican en el Cuadro I.

El principal objetivo que se pretendía con excavar a sección completa, era disponer de un espacio mayor para trabajar; con lo cual se podría utilizar maquinaria más pesada y obtener mejores rendimientos.

Para conseguir este objetivo fueron particularmente interesantes las experiencias transmitidas por Carlos Mercado, gerente de Construcción del Metro de Santiago, Mercado et alt. (2004); que confirmó que en las gravas de la 1ª Depositación no se producían desprendimientos del terreno en el frente cuando se excavaba con pases de hasta 2 m de longitud.

En base a estas experiencias se hizo un completo análisis del comportamiento del frente del túnel, excavando a sección completa, considerando las condiciones más adversas del terreno.

Este análisis se realizó mediante modelos geomecánicos tridimensionales, resuelto con el programa FLAC 3D. En la Figura 3 se muestra el modelo confeccionado para analizar la estabilidad del frente excavando la parte superior en finos y el resto en gravas de la 1ª Depositación.

En la resolución de este modelo se han empleado las propiedades indicadas en el Cuadro I y para los rellenos se ha considerado una cohesión de 10 KPa y una fricción de 33º.

Los resultados obtenidos indican que la rotura en el entorno del frente del túnel no se produce en la cara libre del frente sino en su perímetro; exactamente en el lugar del contacto entre los Suelos Finos y las Gravas de la 1ª Depositación, tal como se ilustra en la Figura 4.

Una vez que se demostró teóricamente que los frentes de excavación del Túnel Interestación de la L-6 no presentan problemas de inestabilidad, en condiciones normales, se procedió a diseñar las secciones tipo de excavación y soporte.

En las Figuras 5 y 6 se presentan las Secciones Tipo de excavación y sostenimiento para construir el Túnel Interestación excavado en Gravas de la 1ª Depositación y en Suelos Finos; adoptadas para la L-6, Metro S.A. 2013 y 2014.

La sección para Suelos Finos se construye con contrabóveda; con lo cual la sección excavada es de 76,5 m². En gravas la sección se excava con un fondo plano y la superficie excavada es de 60,5 m²; un 21% menor que la del Suelo Fino.

En el caso de los frentes mixtos se utiliza una sección intermedia entre las dos anteriores; cuando la parte inferior de la sección está constituida por finos se construye una contrabóveda y si está excavada en gravas basta con una solera plana.

A continuación se presentan dos historias del caso sobre la aplicación del nuevo método de construcción del Túnel Interestación de la L-6; una referida a la construcción de un tramo normal del Túnel Interestación y otra al paso bajo la vía del Melitren.

Tramo del Túnel Interestación construido entre el Parque Mar del Plata y la Estación Los Leones que tiene una longitud de 1.615 m y es el tramo de túnel más largo que se ha construido nunca en Santiago, avanzando con un solo frente de excavación.

A mediados de marzo de 2015 ya se habían excavado 894 m y quedaban 721 m por construir; la mayoría de ellos con edificios muy próximos a la traza del túnel, tal como se muestra en la Figura 7.

En los tramos próximos a los edificios se disminuye el pase de excavación hasta 0,5 m y se colocan paraguas de micropilotes de protección, constituidos por bulones autoperforantes Diwidag 90-16 con longitudes de 9 m y solape de 4 m.

Los terrenos están constituidos por gravas de la 1ª Depositación, que tienen un comportamiento excelente; lo cual permite excavar a sección completa sin ningún problema, con pases de avance de 1,5 m.

La construcción de este tramo ha sido realizada por el Consorcio Chileno-Español Echevarría Izquierdo-Obras Subterráneas; que ha logrado, trabajando seis días a la semana, avances comprendidos entre 27 y 33 m/semana. Estos rendimientos son tres veces superiores a los alcanzados hasta ahora en Santiago.

Los factores más importantes que han permitido obtener estos extraordinarios rendimientos son los siguientes:

• La ausencia de inestabilidades en los frentes de avance, tal como se había previsto en los cálculos previos.
• La excavación con máquinas mucho más potentes que las empleadas hasta ahora; como la CAT315D, que se muestra en la Fotografía 4.

• La proyección de shotcrete con robot, tal como se muestra en la Fotografía 5.
• La extracción del terreno excavado mediante una cinta transportadora vertical, tal como se muestra en la Fotografía 6.

En los tramos próximos a edificios en los que se excavaba bajo la protección de paraguas de micropilotes los rendimientos están comprendidos entre 10 a 20 m/semana; que suponen una reducción del 50% respecto a la excavación sin paraguas de micropilotes, pero que duplican los rendimientos obtenidos hasta ahora en Santiago.

En todos los casos la máxima subsidencia que se ha medido en la vertical del eje del túnel ha sido inferior a 16 mm; lo cual no ha ocasionado ningún problema en los edificios próximos.

En el tramo más occidental de la L-6 debe construirse un túnel de 1 vía, paralelo al Túnel Interestación, para acceder a las cocheras de Suiza. Tal como se muestra en la Figura 8 este túnel de acceso debía construirse bajo la Vía del Melitren, cruzándola a lo largo de unos 45 m; con un recubrimiento sobre la bóveda del túnel entre 3,9 m y 6 m.

El terreno a excavar estaba constituido por gravas de la 2ª Depositación con intercalaciones de arena; por lo cual, dado el pequeño espesor del terreno entre el túnel y la vía del Melitren se realizó la excavación bajo paraguas de micropilotes constituidos por bulores autoperforantes, tipo Diwidag 73/16 de 9 m de longitud solapados 4 m. En la Fotografía 7 se muestra una vista del frente, en la que se incluyen los bulores autoperforantes de uno de los 15 paraguas colocados.

En la Figura 9 se presenta la Sección Tipo del tramo del Túnel de acceso a las cocheras de Suiza, al pasar bajo la vía del Melitren.

Para comprobar el diseño del método constructivo propuesto se confeccionó el modelo geomecánico tridimensional, que se muestra en la Figura 10.

Este modelo ha sido resuelto con el programa FLAC3D 5.00 para dimensionar el soporte, calcular los desplazamientos del terreno y el Factor de Seguridad ante el colapso del frente de excavación.

En la Figura 11 se muestra la distribución de los desplazamientos verticales del terreno en la sección transversal del Túnel, situada en el punto medio del tramo bajo la vía del Melitren y en ella se aprecia que la máxima subsidencia esperada es de 7,5 mm.

En la Figura 12 se muestra la distribución del Factor de Seguridad del terreno calculado ante el colapso; que tiene un valor mínimo de 1,25, que se consideró aceptable al tratarse de una situación provisional.

La construcción del Túnel de Acceso a las cocheras de Suiza ha sido realizada por la empresa chilena CONPax y la excavación bajo la vía del Melitren se efectuó en los meses de enero y febrero de 2015.

El rendimiento medio obtenido ha sido de 2,8 m/semana, que se considera razonable; dada la dificultad que supone excavar construyendo los forepoles con un overlapping de casi el 50%.

La máxima subsidencia medida ha sido de 6,1 mm algo inferior a los 7,5 mm calculados y no ha supuesto afección alguna a la vía del Melitren.

El Consorcio Zañartu-Geocontrol ha diseñado un nuevo método constructivo para el Túnel Interestación de la L-6 del Metro de Santiago de Chile, que se basa en los siguientes conceptos:

• Frente de excavación a sección completa.
• Utilización de máquinas potentes para la excavación.
• Proyección del shotcrete con un robot.
• Extracción del terreno excavado mediante una cinta transportadora vertical.

La aplicación de este método en los tramos del Túnel Interestación, excavados en Gravas de la 1ª Depositación, ha permitido obtener avances de 27 a 33 m/semana; que son más de tres veces superiores a los obtenidos con el Método Tradicional.

La utilización de este método en el paso bajo la vía del Melitren ha sido también un éxito; pues la construcción del Túnel Interestación se ha completado con una subsidencia de 6,1 mm; inferior a los 7,5 mm previstos.

Referencias

• Celada, B. 2011. Manual de Túneles y Obras Subterráneas. Gráficas Arias Montano S.A. Madrid. Capítulo 23, p.850-854.
• Mercado, C.; Chamorro, G. and Egger, K. (2004), ‘Santiago’s Metro Expands, ’ Proceeding of the North American Tunnelling (NAT 2004) Conference, Atlanta.
• Metro de Santiago S.A., 2013, ‘Ingeniería de detalle de Piques y Galerías L-6’. Túnel Interestación Tramo 4. Zonificación constructiva. L6-ID-03-INF-93A-TU-442-R0A, Santiago de Chile.
• Metro de Santiago S.A., 2014 ‘Ingeniería de detalle de Piques y Galerías L-6’. Definición de Secciones Tipo de Sostenimiento del Túnel Interestación. L6-ID-03-MCA-93A-TU-110-R00. Santiago de Chile.