El túnel base de San Gotardo: Encuadre Geológico-Geotécnico (3 de 6)

PARTE 3, 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«

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.

Encuadre Geológico-Geotécnico

Geología general del Túnel de San Gotardo

Las primeras actividades de la obra se iniciaron con la exploración de la roca en diferentes ubicaciones críticas, a través de perforaciones de sondeo y análisis por geólogos expertos. En este proyecto, hubo dos zonas de mayor complejidad geológica que se analizaron con especial detalle: el Submacizo Tavetsch (SMT), que representaba el mayor desafío para la obra debido a baja resistencia de algunas de sus rocas.

Tabla 4.2.2.II: Grados de squeezin según Hoek&Marinos (2000)

Tabla 4.3.1: Túneles más importantes del mundo con problemas geotécnicos similares a San Gotardo. (Elaboración propia)

Otro punto clave, desde el punto de vista geológico, fue el pliegue sinclinal Piora, cuya estructura y extensión no fueron claras al principio. Sin embargo, a partir de sondeos inclinados (ver Figura 5.1.b), fue posible averiguar que, a nivel del túnel de base, prevalece roca sólida sin presión ni circulación de agua. Este resultado, altamente positivo para la construcción del túnel, fue confirmado a través del análisis de los núcleos de perforación, la medición de temperatura y la prospección por refracción sísmica.

De norte a sur de los 57 km de longitud del Túnel base de san Gotardo la mayoría de la roca excavada se trata de roca cristalina formadas por rocas ígneas y metamórficas dividas por zonas tectónicas sedimentarias. Las zonas sedimentarias que las separan son el submacizo del Tavetsch y la cuenca de  Piora (Sinclinal). Las tres unidades geotécnicas diferenciadas son el Macizo Aar en el norte, el Macizo Gothard en el medio y la zona Pennine gneiss en el Sur. (Ver Figura 5.1.a  y Figura 5.1.d).

Figura 5.1.a: Planta geología regional de los Alpes con el trazado de los principales túneles alpinos. Fuente Engineering Geology of Alpine Tunnels: Past, Present and Future. S Loech, G. Barla, M. Diederichs

Figura 5.1.b: Sondeo de exploración del sinclinal de Piora desde el túnel de exploración a cota 300 metros del túnel base (Lombardi 2005)

Figura 5.1.c. Investigaciones geológicas con sondeos inclinados en el macizo de Tavetsch (Lombardi 2004)

Por tanto, se pueden apreciar, de forma general, dos comportamientos bien diferenciados:

• Zona de rocas ígneas- metamórficas: El 90 % de la excavación corresponde a rocas cristalinas en los macizos Aar (Norte, formado por gneises y granitos) y Gotardo (Medio, formado mayoritariamente por gneises) y la mayoría de excavación en la zona Pennine (Sur, formado por gneises). Rocas resistentes a muy resistentes propicias para excavación mediante TBM, cuya principal problemática es la elevada cobertera y los problemas derivados de estallido de roca, existencia de cuñas y bloques inestables, presencia de fallas e infiltración intensa de agua.
• Zona de rocas tectonizadas sedimentarias que separan las unidades ígeasmetamórficas anteriormente indicadas. Las zonas sedimentarias del submacizo de Tavetsch (mica-gneises, filitas y pizarras) y el sinclinal de Piora conforman litologías sedimentarias (dolomías, kakiritas y yesos) con elevados plegamientos y una geología complicada que obligó a intensificar la investigación geológica. Los principales problemas encontrados fueron la presencia de pliegues y fallas asociadas a la elevada tectonificación, así como materiales de menor resistencia sobretodo en el submacizo de Tavetsch.

 Problemas geotécnicos del túnel base de San Gotardo: Pronóstico y realidad

A pesar de algunas sorpresas desagradables, los pronósticos geológicos para el túnel base de San Gotardo fueron, en general, acertados.

En la excavación desde el Norte:

• El Sector de Erstfeld (TBM) fue de construcción favorable, encontrándose predominantemente formaciones principalmente de gneises y en menor medida granitos. No hubo sorpresas geológicas en este Sector.
• La delicada zona Intschi del Sector Amsteg (TBM) fue mejor de lo esperado por los geólogos, pues fue el 50 % más corta de lo esperado y se pudo superar sin mayores problemas con velocidades reducidas de perforación.
• En algunos de los 2.000 metros bajo Chrüzlistock (ver Figura 5.1.d, en el Sector Amsteg) se encontró gneis y granito fragmentado hidrotermalmente a lo largo de longitudes de 60 metros. En el tubo Este la TBM atravesó esta zona sin dificultad, sin embargo, un pequeño flujo de agua de 2 ó 3 litros por segundo combinado con una roca suelta (granito meteorizado hidrotermalmente) bloqueó la cabeza de corte de la máquina tuneladora del tubo Oeste que quedó parada 5 meses hasta que se pudo liberar.

Figura 5.1.d. Perfil longitudinal (Fuente: AlpTransit Gotthard AG)

• En la zona norte del Sector Sedrun (Métodos Convencionales), el macizo intermedio de Tavetsch (Método Convencional) estaba considerado como el principal riesgo geotécnico en la construcción del túnel base de San Gotardo. Gracias a un método de construcción desarrollado al efecto la zona fue superada sin muchos problemas a pesar de fuertes deformaciones sufridas debido a presencia de squeezing durante aproximadamente 1.200 m de excavación, con geología predominante de gneises con intercalaciones de pizarras, esquistos y filitas (formaciones TZM).
• Situado hacia el sur del macizo de Tavetsch (Método Convencional) estaba la Urseren Gavera Zone (ver Figura 5.1.d(). Aunque esta zona se encontró a 500 metros más al Sur que el pronóstico geológico, y fue aproximadamente 200 metros más corto y constructivamente más favorable que lo que se esperaba.
• Más al sur, en el macizo Gotardo todavía en el Sector Sedrun, se encontró una zona de fallas que se pasaron mediante el método convencional. El pronóstico geológico esperaba sólo unos cuantos metros de longitud, sin embargo, la realidad fueron aproximadamente 120 metros y requirió laboriosos métodos de excavación.

En la excavación desde el Sur:

• El Sector de Bodio (TBM´s) estaba situado en el tramo de Gneis Leventina que estaba considerado una zona geológicamente favorable para el paso de las TBM´s pues sólo se esperaba un conjunto de fallas individuales y verticales al eje del túnel. Los obstáculos en este Sector fueron dos zonas de falla de varios cientos de metros de longitud, además de presentar un fuerte squeezing, que tampoco fue pronosticado por los estudios geológicos. La primera zona de falla (Figura 5.2.a) consistió en kakiritas (roca carbonática, calizas o dolomías, que se descompone con cierta facilidad en fragmentos angulosos de tamaño de arena o grava debido a la acción de la meteorización sobre una superficie rocosa intensamente fracturada), cataclasitas (rocas de falla generadas en régimen frágil) y roca altamente fisurada. La segunda zona de falla se encontró en las cercanías del Sector Faido y consistió en zonas con kakiritas y cataclastos y como roca encajante terrenos gneis pizarrosos y micagneises. En esta segunda falla se observaron importantes fenómenos de squeezing en el macizo.

Figura 5.2.a. Primera zona de falla encontrada en las proximidades del portal Bodio km 2,705. A. Ferrari & S. Pedrazzini

• En el Sector Faido (TBM): A principios de 2002 se iniciaron los trabajos de ejecución de la caverna (métodos convencionales) que albergaría la multiestación de Faido, sin embargo, a las pocas semanas de la excavación se produjo un importante desprendimiento de roca. Después de una intensa investigación geológica se llegó a la conclusión de que dos grandes fallas estaban emplazadas en el entorno de la multiestación que no fueron localizadas en la investigación geológica. Por lo que se decidió ubicar la multiestación 600 metros hacia el Sur. A pesar del nuevo emplazamiento, los problemas geotécnicos en la ejecución de la multiestación de Faido debido a nuevas fallas encontradas y presencia de fenómenos de rockburst continuaron hasta la finalización de la estación.
• También en el Sector Faido se encontraba la zona del sinclinal de Piora, cuya estructura y extensión no fueron claras al principio. Sin embargo, a partir de sondeos inclinados, fue posible averiguar que, a nivel del túnel de base, prevalece roca sólida sin presión ni circulación de agua y es propicio para el uso de tuneladora. Hechos que fueron confirmados en la excavación real pues se entró en el sinclinal el 29 de septiembre de 2008 y se superó el 12 de octubre del mismo año.

Figura 5.2.b. Zonas delicadas de paso de las TBM en los Sectores Amsteg y Bodio (Herrenknecht AG News Release 2010. Tunneltalk).

Importantes Coberteras en el macizo rocoso

Las altas coberteras de montaña que alcanza un máximo de 2.300 metros es un condicionante muy importante a la hora de decidir los métodos de sostenimiento del túnel además de tener en cuenta los fenómenos de squeezing (asociado a roca débil y/o fracturada y/o heterogénea) y spalling (roca dura) que pueden producirse con mayor frecuencia con altas coberteras.

En el Túnel Base de San Gotardo existen 20 km de los 57 km con coberteras mayores de 1.500 metros, de ellos 5 km tendrán coberteras mayores de 2.000 metros. Tan elevadas coberteras producen además elevadas temperaturas en la roca de hasta 45º C que conllevará problemas en la seguridad de los trabajadores y problemas de operatividad en la ejecución del trabajo.

Rebajamiento de nivel freático

La excavación de un túnel en un macizo rocoso con juntas saturadas de agua puede causar un excesivo y rápido drenaje del agua presente en las juntas hacia el interior de la excavación. El efecto de un drenaje excesivo puede causar deformaciones medibles en superficie, incluso en el caso de túneles profundos. Se han comprobado experiencias con efectos dañinos en la presa de Zeuzier (Suiza) y después de la apertura del túnel carretero de Gotardo en 1980. En ambos casos las deformaciones llegaron a rangos de más de 10 cm a varios cientos de metros por encima del eje del túnel.

Figura 5.3.a. Coberteras. Relación de temperatura de la roca, Davide Fabbri, Chief designer (Lombardi 2004)

En el caso del túnel base de San Gotardo existen dos presas de bóveda en las inmediaciones del eje de trazado del túnel.  La presa de Nalps que pasa a una distancia en planta de 600 m del trazado y la presa de Santa María que pasa a una distancia en planta de 2.000 m, ver Figura 5.4.b y en ambos casos a una distancia de 1.500 metros en magnitud vertical.  Se instaló un sofisticado sistema de monitoreo por topografía que permitió observar las deformaciones en superficie desde el año 2002, incluso en tiempo de invierno.

Figura 5.3.b. Deformación producida por fenómenos de squeezing y spalling (Engineering Geology of Alpine Tunnels: S. Loew, G. Barla, M. Diederichs)

Figura 5.4.b. Localización de las presas de Nalp y Sta. María. Lombardi

Figura 5.4.a. Pérdida de capacidad portante del macizo. Asientos producidos debidos a la disminución de la presión hidrostática intersitial. Lombardi.

En el Sector Sedrun, con la presa Nalp en zona de influencia, se encontró en una zona de falla, en Septiembre de 2006, infiltraciones de agua de 13 l/s en la kilométrica cercana a la sombra de la presa Nalp. Se decidió realizar una campaña de inyecciones de cemento para taponar la entrada de agua reduciéndose ésta a 3 l/s. Estas medidas causaron un retraso de 100 días en el plazo.

Tabla 5.4.1. Máximas deformaciones permitidas en las presas. Lombardi.

En el caso de la presa Santa María la mayor distancia al trazado del túnel preveía menores deformaciones. Sin embargo, se estudió un modelo con infiltraciones de sólo 2-3 l/s km y dieron deformaciones de 8 mm, valor cercano al límite permitido de 15 mm (ver Tabla 5.4.I). Esto significa que, aunque las infiltraciones sean muy bajas, las deformaciones en superficie se acercan a los límites permitidos y puede suceder un efecto en la presa de Sta. María debido a la construcción del túnel. En este caso no se decidió actuar para detener las infiltraciones de agua mediante inyecciones, pues el resultado conllevaría mucho esfuerzo para bajar un caudal de infiltración muy pequeño y no se verían resultados de reducción de las deformaciones, y se estudió el monitoreo de las deformaciones en superficie y en las secciones de la presa aplicando el método observacional, dadas las precisas medidas adoptadas para conocer las deformaciones de la estructura.