El túnel base de San Gotardo: Estrategia constructiva

PARTE 4, Especial «Túnel de San Gotardo» perteneciente a la Revista Obras Urbanas número 57. El artículo se irá publicando en la web en diferentes fragmentos.

Publicaciones anteriores:

«El túnel base de San Gotardo: Introducción y antecedentes«

«El túnel base de San Gotardo: Solución proyectada«

«El túnel base de San Gotardo: Encuadre Geológico-Geotécnico«

Erik von Munthe auf Morgenstierne; Ingeniero de Minas M.A.T.S.A.

Pedro Caro Perdigón; Doctor Ingeniero.

Héctor Vélez Pérez; Ingeniero de Minas. GINPROSA INGENIERÍA.

Estrategia constructiva

En general, la mayor parte de los túneles profundos suelen ser de gran longitud. Son predominantes los túneles hidráulicos, los túneles de base de grandes obras de infraestructura ferroviaria, diseñados para atravesar grandes accidentes orográficos, los túneles de infraestructura minera, y en menor medida los túneles carreteros y ferroviarios.

Los métodos de excavación empleados en este tipo de túneles son los habituales (voladuras, tuneladoras, etc.), pero presentan características específicas condicionadas por sus circunstancias geológicas determinadas. La longitud de estos túneles, generalmente mayor de 5 km, y la necesidad de ser ejecutados en un plazo razonablemente corto de tiempo, condiciona el método de ejecución. Por ello, es relativamente común que se aborden mediante máquinas tuneladoras (p. ejemplo: Pajares, Guadarrama, Lötschberg, Evinos – Mornos, Guadiaro, etc.)

En otras ocasiones, su construcción se aborda con múltiples ataques, desde sus portales y desde galerías que acceden a zonas intermedias de su trazado. En estos casos, pueden emplearse métodos convencionales de excavación, o bien una combinación de éstos con tramos excavados con tuneladora como es el caso de San Gotardo.

Para enfrentar la excavación de estos túneles y los riesgos geotécnicos que conllevan, el método constructivo y la maquinaria a emplear se adaptan a las características específicas del entorno geológico donde se aplicarán. Las tuneladoras deben estar diseñadas para trabajar en el entorno específico del túnel profundo, incorporando sistemas capaces de enfrentarse a las situaciones de riesgo previstas. Para el caso de la excavación convencional, la flexibilidad inherente a esta técnica, le permite adaptarse con facilidad a un entorno geotécnico difícil, aunque con rendimientos generalmente menores que los alcanzados con tuneladora.

A continuación se describirán los dos principales procedimientos constructivos empleados así como los equipos más importantes en la realización del túnel e base San Gotardo.

Construcción de túneles mediante tuneladoras

Casi el 75% del trazado del túnel de base de San Gotardo ha sido perforado con máquinas tuneladoras. En la perforación del túnel se emplearon cuatro máquinas del tipo Tunnel Boring Machine ( T.B.M) abiertas.

Estas máquinas tuneladoras tuvieron alrededor de 450 m incluyendo el equipo de cabeza de corte, equipos de colocación de cerchas, bulones y back up. Gracias a la estandarización de los procedimientos de perforación y colocación del sostenimiento se obtuvieron unos rendimientos medios bastante elevados en condiciones de roca buena.

En la Figura 6.1.a puede verse una implementación general de una máquina tuneladora abierta empleada en la construcción del túnel de San Gotardo.

El túnel base de San Gotardo: Estrategia constructiva (4 de 6)

Figura 6.1.a: Implantación de TBM en túnel. (Fuente: AlpTransit)

Y en la Figura 6.1.b los principales elementos de los que consta una máquina TBM del tipo abierto.

Figura 6.1.b: Elementos principales de una TBM. (Fuente: Herreknecht)

Caben destacar; la cabeza de corte, soporte de la cabeza, erector de cerchas, equipo perforador y zona para soporte de malla. Obsérvese como el pequeño escudo delantero se encuentra decalado de los elementos de reacción contra el terreno o grippers y por detrás de ellos se sitúa todo el sistema de back-up.

En el túnel de San Gotardo se emplearon cuatro tuneladoras de modo abierto TBM:

Gabi I y Gabi II
Sissi y Heidi

Las características principales de estos equipos son:

Nombre: Gabi I y Gabi II

Diámetro de perforación 9,58 m
Potencia en cabeza 3.500 kW en 10 motores
Potencia instalada 7.800 kVA
Fuerza de empuje 27.500 kN
Fuerza en cabeza 15.930 kN
Revoluciones max 6 r.p.m.
Peso 3.000 ton
Longitud (incl. Back-up) 441 m
62 discos de 17″
Sector: Amsteg y Erstfeld (gneises y granitos)

Nombre: Sissi y Heidi

Diámetro de perforación: 8,83 m y 9,43 m
Potencia en cabeza 3.500 kW en 10 motores
Potencia instalada 7.800 kVA
Fuerza de empuje 27.500 kN
Fuerza en cabeza 15.930 kN
Revoluciones max 6 r.p.m.
Longitud (incl. Back-up) 400 y 377 m
Peso 3.400 ton y 2.500 ton
66 y 60 discos de 17″
Sector: Bodio y Fadio (granitos, dolomías genisses y pizarras)

La estrategia de perforación del túnel que se siguió en cada sector se llevó a cabo aplicando el principio de simultaneidad y realizando ataques intermedios.

Desde el emboquille Sur Sissi y Heidi perforaron en sentido Faido desde Bodio, hasta calar en el ataque intermedio previamente realizado, ambas máquinas perforaron unas longitudes de 13,95 km y 14,795 km. Posteriormente las máquinas avanzaron por Faido en sentido norte hacia el sector de Sedrun, perforando 11,581 km y 12,220 km.

A su vez, desde el lado norte Gabi I y Gabi II comenzaron a perforar desde el ataque intermedio de Amsteg hacia Sedrun unas longitudes de 11,350 km en ambos tubos, para posteriormente calar, ser desmontadas y nuevamente montadas en el emboquille norte para perforar el sector de Erstfeld desde dicho emboquille hacia el sector de Amsteg ya perforado previamente. En la Figura 6.1.c se esquematiza el proceso.

Figura 6.1.c: Estrategia constructiva con las TBMs. (Fuente: AlpTransit)

En la Figura 6.1.d se pueden ver dos momentos en los trabajos de las TBM´s, uno de ellos al inicio desde el ataque intermedio de Amsteg por Gabi II y el cale en el ataque intermedio de Faido por Sissi.

Figura 6.1.d: Arranque y cale de TBM’s. (Fuente: AlpTransit y Herrenknecht)

En la Tabla 6.1.II siguiente se muestran las perforaciones realizadas por tubo y sector.

Tabla 6.1.II: Longitudes perforadas por sectores y tubos TBM´s( Fuente: AlpTransit)

Por último, en la Tabla 6.1.III se muestran los rendimientos obtenidos por las máquinas tuneladoras y por tubos.

Tabla 6.1.III: Rendimientos de tuneladoras por sectores y tubos( Fuente: AlpTransit)

Construcción de túneles mediante método convencional

Este método fue empleado principalmente en el sector de Sedrun y en las galerías de acceso y exploración para los ataques intermedios, así como en las estaciones multifuncionales y by-passes entre tubos.

La excavación se realizó mediante perforación y voladura o mecánicamente según la calidad geomecánica del macizo rocoso. En el primer caso se realizan previamente unas perforaciones en el frente las cuales se llenan con explosivo adecuado.

Después de esto se procedía a la voladura del pase correspondiente, y una vez volado se procedía a ventilar y a la fase de retirada de escombro. Finalmente se colocaba el sostenimiento correspondiente en cada pase mediante hormigón proyectado, cerchas metálicas y bulones, así como otros sostenimientos especiales que se describen en el apartado 7.

En la Figura 6.2.a se muestra de manera esquematizada el ciclo de construcción mediante método convencional.

Figura 6.2.a: Ciclo de construcción mediante método convencional.( Fuente: AlpTransit)

Fotografía 6.2.a: Cebado de taladros en el frente y colocación de cercha.( Fuente: Strabag)

Como se puede observar en la Figura 6.2.a anterior, las perforaciones para la realización de los taladros para voladuras como de los bulones del sostenimiento, se suelen realizar mediante un equipo jumbo de dos o tres brazos. En el sector de Sedrun, el Contratista principal encargó a la compañía Rowa un jumbo especial adaptado a las necesidades de dicho sector, el cual accedía mediante dos pozos de más de 800 m de profundidad, para lo cual la logística para el mantenimiento y reparación de los equipos móviles suponía un gran condicionante .

El equipo de ingeniería de Rowa materializó esta idea mediante su modelo GTA-7500. Este equipo consiste en una plataforma suspendida que contiene diferentes brazos que permiten realizar labores de perforación, inspección con cestas, colocación de malla, colocación de cerchas metálicas, cortadores de bulones y brazo manipulador y brazo grúa. Seguidamente detrás y también suspendido se instaló una plataforma back up suspendida desde la clave del túnel. El conjunto llegaba a un peso total de hasta 50 T. En la Figura 6.2.b puede apreciarse un croquis de este equipo.

Figura 6.2.b: Croquis GTA-7500 de Rowa (Fuente: Rowa)

Y su implantación puede apreciarse en la Fotografía 6.2.b siguiente:

Fotografía 6.2.b: Implantación in situ de GTA-7500. Vista frontal y trasera (Fuente: Rowa)

Obsérvese, y como se comentaba anteriormente, como toda la plataforma de trabajo se encuentra suspendida.

Este equipo permitió realizar tanto secciones de tipo circular, en las cuales era necesario la colocación de una contrabóveda, como cualquier tipo de sección, siendo por ello un equipo muy flexible a la sección a construir. En la Fotografía 6.2.c se muestra lo comentado.

Fotografía 6.2.c: Equipo GTA-7500 trabajando en el frente.( Fuente: Strabag)

Al contrario que en los sectores donde se perforaron los túneles con tuneladora, los rendimientos mediante métodos convencionales fueron significativamente menores, puesto

Al contrario que en los sectores donde se perforaron los túneles con tuneladora, los rendimientos mediante métodos convencionales fueron significativamente menores, puesto que como se explica más adelante hubo problemas de altas deformaciones y de estallido de rocas, efectos muy asociados a los túneles profundos.

En la Tabla 6.2.I pueden apreciar los rendimientos medios así como otros parámetros importantes en la excavación convencional.

Tabla 6.2.I: Rendimientos y parámetros en método convencional( Fuente: AlpTransit)

Otros aspectos en los procesos constructivos

Complementariamente a la construcción de los tubos, galerías de interconexión, estaciones multifuncionales, y galerías de acceso, se ejecutaban en el túnel otros trabajos mediante los procesos descritos anteriormente.

Entre ellos caben destacar el proceso constructivo de la unión entre el tubo Este y Oeste en los sectores de Sedrun y Faido para la formación de los by-passes y cuya estructura creada fueron cuatro cavernas de unas secciones de excavación hasta 250 m².

En la Fotografía 6.3.a pueden verse unas panorámicas de la de Faido.

Fotografía 6.3.a: Panorámica de caverna para unión de tubos Este y Oeste.( Fuente: Inpregilo SpA)

Dichas cavernas se realizaron mediante excavación secuencial ampliando en fases consecutivas la sección del túnel.

También tuvieron importancia los procesos constructivos de las galerías de accesos para los ataques intermedios de Faido y Amsteg, de esta manera pudieron completarse los plazos programados. En dichas galerías se instalaron unos completos sistemas de logística y transporte para alimentar 24 h los frentes, tanto de tuneladoras como para la construcción de la estación multifuncional de Faido.

Fotografía 6.3.b: Galería de acceso intermedio en Amsteg. (Fuente: Strabag)

Obsérvese el buen acabado, del sistema provisional de drenaje de la galería para mantener la plataforma limpia y operativa para los trenes de suministro.

También tuvo una especial importancia la construcción del revestimiento final del túnel. Nuevamente se le pidió al equipo de ingeniería de Rowa, que diseñara unos equipos que permitieran realizar de manera sistematizada y mediante un procedimiento industrializado dichas operaciones.

En la Figura 6.3.a puede verse una sección tipo del revestimiento la cual va con su correspondiente impermeabilización.

Figura 6.3.a: Corte tipo de revestimiento. (Fuente: AlpTransit)

Al igual que en el Sector de Sedrun, Rowa diseñó unas plataformas de trabajo ad-hoc para la industrialización del proceso, que consistía en:

Ajuste de superficie
Lámina drenante
Lámina de impermeabilización
Puesta en obra del revestimiento, armado en algunas de sectores.

En la Fotografía 6.3.c puede apreciarse la disposición de los carros.

Fotografía 6.3.c: Equipos de puesta en obra de revestimiento.( Fuente: Rowa y Strabag)

Para las galerías de interconexión también se diseñó un equipo ad-hoc. Finalmente en la Fotografía 6.3.d puede verse una sección completamente revestida y acabada.

Fotografía 6.3.d: Sección acabada. (Fuente: Strabag)

Todos estos trabajos, al estar solapados en el tiempo, debieron planificarse con detalle, siendo un compromiso por parte de los contratistas de cada sector el cumplir con los plazos establecidos. Si bien es verdad que a lo largo de la obra, cuya duración ha llevado más de 12 años, ha habido contratiempos, especialmente en ciertos sectores donde aparecieron altas deformaciones y estallidos de roca, además de afluencias de agua o atrapamientos de los equipos TBM´s.

En la Figura 6.3.b puede verse un interesante diagrama espacio-tiempo donde se han ido cumpliendo todos los hitos programados.

Figura 6.3.b: Espacio-Tiempo.( Fuente: AlpTransit)

Además, en la Tabla 6.3.I se adjuntan los hitos más destacables de dicho espacio tiempo.

Tabla 6.3.I: Hitos principales en el espacio-tiempo( Fuente: Elaboración propia)

Dicha tabla se ha esquematizado en las siguientes figuras mediante seis fases para una mayor comprensión del lector y visión global de la magnitud del proyecto.

Figura 6.3.c: Fases I y II.( Fuente: Elaboración propia)

La Fase I comprende la construcción de los accesos intermedios de Amsteg, Faido y Sedrun así como el inicio de las tuneladoras Sissi y Heidi en sentido Faido desde Bodio. En la Fase II arrancan las tuneladoras Gabi I y Gabi II desde Amsteg en sentido Sedrun hacia el sur. A su vez en Sedrun se realizan los trabajos de las estaciones multifuncionales. Por otro lado desde el lado sur Sissi y Heidi continúan la construcción de los túneles hacia Faido.

Figura 6.3.d: Fases III y IV.( Fuente: Elaboración propia)

En la Fase III desde el norte las tuneladoras Gabi I y II continúan perforando desde Amsteg hacia Sedrun. En este último sector se inician los trabajos de excavación convencional hacia Amsteg y Faido. En Faido se produce el cale de Sissi y Heidi desde el sur. La Fase IV en la zona norte se produce el cale de las tuneladoras Gabi I y II con el sector Sedrun hacia Amsteg. A su vez continúan y terminan los trabajos de Sedrun hacia Faido con métodos convencionales y en Faido se inician los trabajos de la estación multifuncional así como el nuevo arranque de las tuneladoras Sissi y Heidi que se dirigen hacia Sedrun al norte.

En la Fase V se inician los trabajos de perforación de las dos tuneladoras Gabi I y II del sector Erstfeld hacia Amsteg mientras que por el sur, hacia Sedrun, Sissi y Heidi avanzan hacia el norte. Finalmente en la Fase VI las tuneladoras Sissi y Heidi realizan el cale entre Sedrun y Faido.