Desdoblamiento de la BI-625 entre AP68-Arrigorriaga y A8 Basauri

La Diputación Foral de Bizkaia – Departamento de Obras Públicas y Transporte, promueve la obra de Mejora de la Carretera BI-625 entre el enlace de la autopista AP68 en Arrigorriaga y el enlace de la autopista A8 en Basauri, siendo adjudicada a la UTE Barrondo, formada por empresas líderes del sector de la construcción.

Esta obra de especial interés socio-económico, es considerada con rango de interés preferente, ya que permite la conexión entre dos carreteras de alta capacidad, AP68 y A8. Soporta además un importante flujo de vehículos, con porcentajes notables de vehículos pesados, existiendo además, estudios de Seguridad Vial desarrollados por la Diputación Foral de Bizkaia, que califican este tramo como de alta accidentabilidad.

Es por ello que se adopta una solución de desdoblamiento de la actual carretera BI-625, condicionado por la presencia de un muro de mampostería sobre el lecho del río Nervión, en la margen izquierda de la calzada, y un importante relieve orográfico rocoso de alta dureza, en la margen derecha.

Para la ejecución de este desdoblamiento se hace imprescindible la excavación en roca de importantes desmontes a media ladera, desmontes con alturas superiores a 30 metros.

A los condicionantes del río y la orografía del terreno, se une la actual carretera, que no puede verse afectada por las obras.

Esta obra referente, como se la califica, tenía una prescripción impuesta por la Diputación Foral de Bizkaia, en su pliego de condiciones generales de la obra, y no es otra que la prohibición de realizar la excavación con ayuda de explosivos, dada la cantidad de servicios afectados próximos y la importancia de los mismo (el muro que aguanta la actual carretera sobre el lecho del río Nervión, líneas eléctricas, gaseoducto, pabellones y viviendas próximas).

Figuras 2, 3, 4 y 5. Estado inicial de los desmontes.

Los inicios de la obra determinaron que la dureza de la roca hacía inviable la excavación por medios mecánicos, tanto por motivos económicos como por cumplimiento de plazos.

Es por estos motivos que la UTE contratada para la ejecución de la obra, se ponga en contacto con Lurpelan, empresa referente en el mundo de la obra subterránea y que desde el año 2013 con el nacimiento de la división de voladuras a cielo abierto, ofrece a nuestros clientes servicio en todo tipo de trabajos relacionados con la perforación y los explosivos.

Figura 6. Servicios próximos.

En el momento de ponerse en contacto la UTE con Lurpelan, ésta se encuentra ejecutando las obras de construcción de la Variante de Bermeo, realizando voladuras en varios desmontes, obra también promovida por la Diputación Foral de Bizkaia, y de similares características, por la gran cantidad de servicios próximos. Tras varias visitas y comprobaciones in situ de los resultados de las voladuras, se decide realizar unos estudios que hagan viable la realización de voladuras en la carretera BI-625.

Dichos estudios se desarrollan basándonos en los siguientes aspectos:

1. Medidas de seguridad en el diseño de las voladuras.
2. Descripción de los trabajos.
3. Ejecución de las voladuras.
4. Cálculo de las mismas.
5. Estudios de vibraciones.
6. Estudios de riesgo de proyecciones.
7. Parámetros Voladuras Tipo.
8. Estudios de afecciones de onda aérea.
9. Conclusiones.

Tras desarrollar todas estos puntos, y tras varias reuniones con los técnicos de la Diputación Foral de Bizkaia, técnicos de dirección de obra y técnicos de la UTE, se decide tramitar el correspondiente proyecto de voladuras para su aprobación por parte de las autoridades competentes.

Una vez aprobado el proyecto, se toma la decisión de confiar en Lurpelan para la ejecución de las voladuras en la citada obra. Decisión que implicó una satisfacción y una gran responsabilidad para nuestro departamento técnico, dada la dificultad en conseguir las autorizaciones necesarias y la propia dificultad de ejecución de las obras.

Metodología de trabajo

La filosofía de trabajo de Lurpelan se basa en garantizar la calidad y la seguridad en todos sus trabajos, es por tanto que la descripción de nuestro método de trabajo empiece refiriéndonos a la seguridad del mismo.

Las medidas de seguridad se dividen en dos tipos, el primero se refiere a la utilización adecuada de los parámetros de la voladura, aprovechando éstos para evitar las proyecciones y las vibraciones en la mayor cuantía posible. El otro tipo consistirá en las medidas de seguridad a llevar a cabo durante el disparo de la voladura.

La obra comprende seis desmontes D1, D2, D3, D4 y D5 y D6. Estos seis desmontes se sitúan a media ladera longitudinalmente en el sentido de avance de la carretera.

Figura 7. Desmontes.

La forma de ejecución de todos los desmontes será siempre la misma, precorte de los taludes del desmonte en bancos de 9 metros y voladuras de destroza en bancos de altura variable entre 3 y 5 metros.

Las afecciones que el trabajo con explosivos tienen sobre la obra, se resumen en:

• Cortes de carretera y accesos a la obra, en el intervalo de tiempo necesario para el disparo y comprobación de los resultados de la voladura.
• Posibles afecciones por la vibraciones resultantes de las voladuras sobre los servicios próximos a la obra, como son la torre eléctrica de Iberdrola, situada en el desmonte 5, y el muro de mampostería, situado longitudinalmente en el sentido de avance de la carretera, muro situado entre la carretera y el río Nervión.

Nuestro trabajo plasma con estudios teóricos que las voladuras proyectadas, y aprobadas por la Sección de Minas del Gobierno Vasco y el Área de Industria y Energía de la Subdelegación del Gobierno en Bizkaia, no tienen afección sobre dichas estructuras, siempre que se mantengan invariables los parámetros proyectados.

Para definir las medidas de seguridad en el diseño de las voladuras, aplicaremos las siguientes recomendaciones:

• Utilización de la carga especifica adecuada. Una carga específica excesiva puede incrementar tanto la onda aérea como la vibración. Así mismo una carga especifica demasiado baja puede incrementar la vibración por retrasar y reducir las ondas de refracción reflejadas en las caras libres.
• Utilizar un diseño de salida adecuado. Las voladuras en las que se provocan caras libres en el transcurso de la misma producen menos vibraciones, por lo que con la utilización de detonadores que secuencien las voladuras, intentaremos aprovechar las caras libres.
• Utilizar una relación espaciamiento-piedra igual o superior a la unidad. Se utilizará una relación espaciamiento piedra de 1/1.
• Control exhaustivo de la perforación de los barrenos.

Una vez retirada la capa vegetal y los materiales excavables por medios mecánicos, aparece la roca, cuya consistencia hace necesario el uso de explosivo para su excavación. Una vez establecida la cota de roca y para poder llegar a la cota de la rasante definitiva, se proyecta ejecutar la excavación en bancos de unos 9 metros, dejando una berma intermedia aproximada entre bancos de 1,5 metros. Una vez realizado el precorte, se comenzarán con los trabajos de perforación de la destroza, se ejecutarán a media ladera y en varias tongadas hasta llegar a la cota del siguiente banco de precorte. Así sucesivamente hasta llegar a la rasante de la carretera.

Figura 8. Preparación.

En el contexto descrito hemos de realizar las voladuras. Para ello tomaremos las máximas precauciones en la perforación y voladura, y para ello partiremos de unos parámetros que vamos a establecer seguidamente.

En la destroza se barrenarán varias filas de barrenos, dependiendo de la anchura que haya entre la hilera de precorte y el borde del talud, quedándonos siempre a una distancia prudencial del borde de la carretera, por seguridad según el talud original. Todos los barrenos de destroza se perforarán en vertical, orientando la salida de la voladura con los detonadores, por la fila central de la misma hacia el frente libre que será perpendicular a la carretera y hacia el interior de la excavación, quitándole así el peso de la voladura a la carretera y sacando la última fila la más próxima al talud, no rompiendo en exceso hacia el mismo, quedando a la vista las cañas de los barrenos de precorte.

Figura 9. Inicio Precortes.

Según las condiciones que recoge el Pliego de Cláusulas Técnicas de la Diputación Foral de Bizkaia para obras donde se requiere el uso de explosivos, todos los cálculos de las voladuras a realizar estarán definidos por la recta A de la tabla carga-distancia de la norma UNE 22-381-93, diferenciando los tipos de estructuras a proteger.

En la siguiente tabla reflejamos la relación de servicios afectados más importantes, dada la proximidad a la zona de voladura:

Recuperamos del proyecto de voladura, el resumen de los parámetros de las voladuras tipo según la altura de banco y diámetro de perforación, donde destacamos para realizar el estudio de vibraciones de los dos servicios afectados más próximos, la longitud de barreno y la carga total del mismo.

Las posibles estructuras afectadas más próximas corresponden con el Grupo I, por lo tanto tomaremos como representativas las estructuras más importantes que se encuentran a menor distancia, y que corresponden a la torre eléctrica de Iberdrola situada a 20 m y el muro de mampostería situado a 15 metros. Si para esta estructura las voladuras tipo proyectada cumplen la Norma UNE de vibraciones, el resto de estructuras afectadas, por estar a mayor distancia, deberían cumplir igualmente la citada norma.

En el siguiente gráfico, correspondiente a las estructuras del Grupo I, cada una de las cargas operantes de las diferentes alturas de banco, se llevan a la recta A, tal y como lo indica el Pliego de Cláusulas Técnicas de la Diputación Foral de Bizkaia, con la tabla Carga-Distancia de la norma UNE 22-381-93, y así nos darán las distancias mínimas a partir de las cuales podremos utilizar el tipo de altura de banco proyectado, quedando de la siguiente forma:

Con los resultados obtenidos observamos que hay puntos que se encuentran situados por encima de la recta A, pero nunca por encima de la recta B, por lo tanto, las voladuras tipo proyectadas cumple con los criterios de la Norma.

El Pliego es más restrictivo y nos obliga a colocar los puntos siempre por debajo de la recta A, para ello habrá que marcar unas distancias en función de la longitud de los barrenos y de sus respectivas cargas.

Estas distancias mínimas las obtendremos de la tabla carga distancia correspondiente a las estructuras del Grupo I.

Con estas tablas reflejamos, a continuación, la distancia a la que se pueden realizar las voladuras proyectadas sin afectar a los servicios próximos, en función de la Norma UNE de vibraciones, para cada uno de los servicios descritos.

A petición de la contrata UTE Barrondo, se realizará un estudio real de vibraciones, donde se obtendrá una ley de propagación real, basada en las mediciones tomadas en el terreno. Este estudio consiste en:

• Realizar una línea de 5 barrenos, separados entre sí: 3 m, 4 m, 6 m y 11 m. Éstas son las cinco cargas que vamos a disparar una a una: Q1 a Q5. Q1 es la mayor y la más próxima a la línea de sismógrafos.
• Dos triángulos de barrenos de 3 m de lado, a 5 m de la línea de barrenos. Estos los vamos a usar para secuenciar a 17 ms y 25 ms y ver el efecto de superposición de ondas a dos retardos diferentes.
• Cargas alineadas: Q1: 6 kg / Q2: 5 kg / Q3: 4 kg / Q4: 3 kg / Q5: 2 kg
• Triángulos: 6 cargas de 5 kg: total 30 kg.
• Detonadores: 11 detonadores de fondo del mismo número y longitud + 3 conectores de 17 ms + 3 conectores de 25 ms.
• Se dispara con el explosivo que vayan a usar en la obra. Por ejemplo: un cebo de dinamita y el resto anfo.
• Es importante alinear los barrenos y los sismógrafos hacia las naves donde queremos predecir los niveles de vibración.
• Se propone realizara las mediciones con 5 sismógrafos.

El croquis adjunto detalla lo explicado:

Figura 10. Disposición de los Barrenos y los Sismógrafos.

El estudio teórico de vibraciones realizado en este informe, y basado en la Norma UNE de vibraciones 22-381-93, nos determina la distancia, en función de la carga operante, que tendremos que respetar para no afectar a las estructuras a proteger. No obstante a petición de la UTE Barrondo se amplía este estudio, calculando la velocidad de vibración que transmitiríamos a la estructura con las cargas y parámetros calculados.

Para el cálculo de la velocidad nos basamos en método NTNU, que se basa en un amplio conjunto de estudios efectuados en proyectos de excavación con explosivos en condiciones geológicas dispares, estudio realizado por el Departamento de Ingeniería de Construcción y Edificación de la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología.

En función de su importancia, las estructuras a estudiar son:

• Torre de alta tensión, a 20 metros en su punto más cercano. Estructura a considerar dentro del Grupo I.
• Muro mampostería, a 10 metros en su punto más cercano. Estructura a considerar dentro del Grupo II, dado su estado e importancia para la obra.
• Naves industriales, a 90 metros en su punto más cercano. Estructuras a considerar dentro del Grupo II.

Tomando como voladura tipo, a recomendación de la Dirección de Obra, la voladura de banco de 3 metros, con una carga operante de 2,5 kg, calculamos la velocidad de onda que llegaría a las estructuras mencionadas. La fórmula de aplicación para dicho cálculo, es la siguiente:

La constante c, depende de las características del macizo rocoso, según la siguiente tabla:

La constante α depende de las características del macizo rocoso, según la siguiente tabla:

Los valores de la constante de amortiguación β, se pueden estimar en función de la distancia del lugar de la voladura al punto de registro, el tipo de voladura y la orientación relativa de las discontinuidades con respecto a la dirección de las ondas. Estos valores que estimamos en la tabla siguiente transmiten inseguridad en los cálculos, por lo tanto los consideramos como aproximaciones.

• Cálculo de la velocidad transmitida a la torre eléctrica: V= 5,99 mm/s.
• Cálculo de la velocidad transmitida al muro de mampostería: V= 43,37 mm/s.
• Cálculo de la velocidad transmitida a las naves industriales: V= 0,88 mm/s.

Según las tablas de criterio de prevención de daños y la clasificación que la Norma UNE hace en función del tipo de estructura, la velocidad de onda transmitida a la torre y las naves industriales, son admisibles desde frecuencias comprendidas entre 2 y 100 hz. En cuanto a la velocidad calculada para el muro de mampostería, es admisible para una frecuencia superior a 70 hz.

Diferenciaremos entre voladuras de precorte y voladuras de destroza.

Voladuras de precorte con explosivo

Las voladuras de precorte a realizar en la obra, serán anteriores a las voladuras de destroza.

El precorte lo que hace es definir la línea de rotura del talud y estabilizar el mismo, siempre que la estratificación del terreno sea favorable. Por lo tanto, las voladuras de precorte serán en una sola fila y con ellas no se genera volumen de excavación.

Los barrenos de precorte se perforarán con la inclinación que se define en el proyecto constructivo para cada talud y para cada desmonte, y con la longitud preestablecida en proyecto de 9 metros, longitud idónea para garantizar la no desviación de los barrenos, ya que la perforación se realiza con martillo en cabeza.

Una vez perforados los barrenos de precorte, se procede a la carga de los mismos con explosivo. Éste explosivo será el siguiente: cordón detonante de 100 gr/m, adosándole en fondo un cartucho de explosivo gelatinoso de pequeño calibre, tipo goma 2 o similar, y dejando a la superficie un mínimo de 2,5 metros de barreno sin explosivo. Es decir, en un barreno de 9 metros se cargan 6,5 metros. Los 2,5 metros restantes, corresponden con la zona de retacado y se rellena con arrocillo, para que tenga el suficiente peso, con el fin de que cuando se produce la detonación, el explosivo rompa en sentido longitudinal y no verticalmente, pudiendo producirse proyecciones.

Para que un barreno de precorte cargado con explosivo genere proyecciones, éste debería estar lleno de agua, bien por agua de lluvia, o bien, porque el terreno mane agua. Si se nos da este caso, que es relativamente frecuente, el efecto que produce el agua sobre el explosivo y sobre la zona de retacado, nos obliga a colocar más peso sobre la línea de voladura, ya que la energía que transmite el explosivo a la roca, parte de ella se pierde en evaporar el agua, y la zona de retacado no compacta igual seca que mojada. Para ello se toma como medidas preventivas, la colocación de mantas de goma sobre la línea de precorte y encima de ellas sacos de arena o arrocillo, que a la vez de generar más peso, hace que las mantas de goma no se levanten.

Figura 11. Voladura.

Si los barrenos de precorte están secos, no son necesarias estas medidas preventivas, ya que la longitud de retacado, siempre que se mantenga constante y llena de arrocillo seco, es más que suficiente para el explosivo trabaje dentro del macizo de roca.

Voladuras de destroza

En cuento a las voladuras de destroza, éstas sí generan producción en cuanto a volumen de roca a excavar, y éstas al producirse generan un esponjamiento de la roca. Dicho esponjamiento tiende a ocupar un espacio mayor del que disponemos y por lo tanto pueden producirse algún desprendimiento de roca ya volada.

Para controlar este posible desprendimiento, se calculan para esta obra voladuras de destroza de pequeña longitud de perforación, concretamente de 3 a 5 metros. Con este fin evitamos que el volumen que genera la voladura, sea mucho mayor al espacio del que disponemos en el desmonte y así evitar desprendimientos, que para no llevarnos a engaños, alguna roca puede rodar y caer, pero en el caso de nuestra obra, caerá al carril de protección ya creado.

Otro asunto a tener en cuenta son las posibles proyecciones que se pueden generar al disparar las voladuras de destroza. Estas proyecciones se controlan ajustando lo parámetros de voladura, como son la cuadricula, el diámetro de perforación, el tipo de explosivo a utilizar y la longitud de retacado. Ajustando estos parámetros se consigue que el consumo específico sea el correcto y el que necesita la roca para fracturarse. Si éste es mayor, nos producirá proyecciones porque tendremos más energía que resistencia tiene la roca, y si es menor nos producirá proyecciones de igual modo, porque la energía que genera el explosivo no será suficiente para fracturar la roca y entonces dicha energía saldrá por donde menos resistencia encuentra, que suele ser la boca del barreno.

Estos parámetros a los que nos referimos y que nos indican el consumo específico a utilizar para cada voladura tipo, quedan definidos en el proyecto de voladuras.

Otro punto a tener en cuenta para evitar las proyecciones, es la forma de iniciar y secuenciar la voladura. Cada barreno sale de forma individual con un tiempo de retardo, entre un barreno y otro, de 25 milisegundos, cuando se reparten los detonadores y se inicia la secuencia de encendido de los mismos. Hay que tener en cuenta que nunca dejaremos un tiempo de más de 200 milisegundos entre barrenos de distintas filas, porque nos puede producir caras libres, es decir, si hay mucho retardo entre un barreno y su trasero, el barreno delantero le puede quitar carga al trasero y dejarle con una cara libre, que al detonar el explosivo no encuentra la resistencia necesaria y nos pueda producir la proyección.

Resumiendo estas explicaciones podemos afirmar que:

Las proyecciones o lanzamientos de fragmentos de roca procedentes de las voladuras pueden ser de tres tipos:

• Normal, hacia el frente, de toda la voladura.
• Originada en barrenos con sobrecarga.
• Hacia la vertical por la presión de los gases.

Figura 12. Evolución de las obras.

Para controlar las proyecciones además de utilizar los elementos de protección adecuados, se deben seguir las siguientes recomendaciones:

• Perfecto replanteo de los esquemas de perforación, sobre todo en terrenos con perfil irregular.
• Control de las desviaciones y profundidades de los barrenos.
• Medida de la piedra de los barrenos de la primera fila.
• Comprobación de la existencia de coqueras en el macizo rocoso.
• Control de la carga de explosivo y su distribución a lo largo del barreno.
• Ejecución cuidadosa del retacado, midiendo su longitud y empleando el material adecuado.
• Elección de una secuencia de encendido que proporcione una buena salida a la voladura.
• Disponer los frentes con la mayor superficie libre posible.
• Proyectar las voladuras con una relación entre la altura de banco y la piedra superior a 2.
• Crear pantallas o discontinuidades entre las estructuras a proteger y los macizos a volar.
• Elegir los tiempos de retardo entre los barrenos y filas de manera que se evite la superposición de ondas y se favorezca el desplazamiento de la roca.

Con todos estos puntos, aplicándolos al diseño y la posterior carga de la voladura, los riesgos de posibles proyecciones que una voladura puede generar, se minimizan.

Aun así en toda voladura se establece un perímetro de seguridad, donde se cortarán todos los accesos a la misma, en el momento del disparo, y que para esta obra se recomienda establecer un perímetro de seguridad no inferior a 100 metros, distancia a consensuar con los técnicos de seguridad de la obra, la contratista y la dirección de obra.

Para entender estos conceptos que se redactan, a continuación se presentan unos croquis de planes de tiro, con barrenos de destroza y de precorte, donde se indican los parámetros a utilizar en las voladuras proyectadas.

A continuación de se presentan los croquis de los barrenos tipo de precorte y destroza, así como los croquis de plantas de iniciación y secuencia de la voladura tipo propuesta.

Barreno tipo de precorte

• Longitud de perforación: 9 metros
• Diámetro de perforación: 89 milímetros
• Ángulo de perforación con respecto a la vertical: 22 grados
• Cuadrícula de perforación: 80 centímetros entre barrenos
• Longitud de retacado: 2,5 metros
• Material de retacado: arrocillo
• Explosivo a utilizar: 6,5 metros de cordón detonante de 100 gr/m y 1 cartucho de explosivo gelatinoso tipo goma 2 EC
• Detonadores a utilizar: detonadores eléctricos altamente insensibles y detonadores no eléctricos

Figura 13.- Voladuras de destroza.

Barreno tipo de destroza

• Longitud de perforación: 3 metros
• Diámetro de perforación: 89 milímetros
• Ángulo de perforación con respecto a la vertical: 0 grados
• Cuadrícula de perforación: 2 metros de piedra y 2 metros de espaciamiento
• Longitud de retacado: 2,0 metros
• Material de retacado: arrocillo
• Explosivo a utilizar: medio cartucho de explosivo gelatinoso de diámetro 50 ó 60 mm y 2 cartuchos de explosivo anfo encartuchado con diámetro 60 mm.
• Detonadores a utilizar: detonadores eléctricos altamente insensibles y detonadores no eléctricos

Figura 14. Voladuras de destroza.

En cuanto a onda aérea, debemos aclarar que no existe en España legislación específica, sobre niveles máximos de onda aérea producidos por voladuras o trabajos de excavación.

La proximidad de estructuras acristaladas muy cerca de la zona de voladuras, como son las piscinas, el colegio y las viviendas del municipio de Arrigorriaga, hace que tengamos muy en cuenta este aspecto y controlemos con mediciones diarios los valores obtenidos.

La onda aérea es la onda de presión producida por un golpe o explosión, mientras que el ruido es la parte audible del espectro. Las ondas aéreas son vibraciones de baja frecuencia, generalmente por debajo de 20 Hz, por tanto, la onda aérea contiene una determinada cantidad de energía de baja frecuencia que puede llegar a producir quejas o daños directamente sobre las estructuras, que se limitarían a rotura de cristales.

La unidad de medida de la onda aérea es el decibelio (dB), se valora como sobrepresión (Pa), su cálculo, viene definido por la expresión:

La sobrepresión se calcula con la fórmula de Cranz:

Los valores de la constante K de confinamiento son:

• K = 3,3 en voladuras confinadas
• K = 185 en voladuras sin confinar

Con estas fórmulas, los parámetros correspondientes a la voladura tipo propuesta de 3 metros y la distancia a las naves industriales, obtenemos un valor de onda aérea, de:

• L = 95,56 dB
• ΔP= 1,20

Existen estudios y tablas que proponen valores máximos de onda aérea, entre ellas una de las más recientes es debida a Rodriguez, del año 2007. Esta tabla muestra los valores y sus consecuencias.

Según esta tabla los valores obtenidos son tolerables.

Se realizaron 78 voladuras, consumiéndose unos 35.000 kg de explosivo, para arrancar un volumen aproximado de 80.000 m3. Se utilizan equipos de perforación Atlas Copco 660 IV y un equipo Montabert 215, ideal para trabajos de precorte, dado la poca anchura existente en los tajos.

El explosivo suministrado por EPC, ha sido de gran ayuda, ya que el anfo encartuchado que nos fabricaron para esta obra, nos permitió controlar exhaustivamente la cantidad de explosivo que llevaba cada barreno, y por tanto poder mantener la carga operante constante.

Figura 15. Explosivos.

Las voladuras realizadas en los seis desmontes de la obra, resultaron todo un éxito, tanto por la fragmentación obtenida, ideal para los pedraplenes de la obra, como por la ausencia de incidencias.

La dirección de obra que supervisaba diariamente los trabajos y aprobaba los mismos con anterioridad a la realización de las voladuras, se mostró encantada por la calidad y rapidez de los trabajos, así como la ausencia de afecciones a la carretera y a los servicios próximos, pudiéndose por tanto, cumplir los plazos previstos.

Figura 16. Resultados fin de obra.