Sistema de estabilización de taludes y emboquille previos a la construcción del túnel de Lubián, Vía derecha, Boca Oeste. Infraestructura para tren de alta velocidad Línea Madrid – Zamora – Orense

(Artículo publicado en la Revista Obras Urbanas número 59)

Francisco José Salvanés Huertas; Responsable de Cimentaciones Especiales PROACON 

Miguel Ángel Valencia de Vera; Jefe de Túnel PROACON 

Antonio Alonso Jiménez; Director PROACON

Introducción

La UTE formada por las empresas Aldesa, Proacon y Coalvi se encuentra ejecutando para ADIF,  las obras de infraestructura correspondientes al tramo Hedroso – Lubián de la nueva línea de alta velocidad Madrid-Zamora-Orense, en de la provincia de Zamora.

Esta obra incluye la construcción de los denominados Túneles de Lubián. Se trata de un túnel doble de una longitud aproximada de  1.700 m y una sección de excavación total de aproximadamente 90 m².

El presente artículo pretende definir las actuaciones especiales destinadas a asegurar la estabilidad del emboquille oeste del túnel, en su vía derecha, después de que el desmonte correspondiente diese muestras, mientras se ejecutaba el sostenimiento del mismo, de desequilibrios potencialmente peligrosos para la estabilidad de la obra.

Antecedentes

Tratamientos iniciales

El emboquille de Lubián salida vía derecha se encuentra en el P.K. 102+820.

El terreno predominante en esa zona es el jabre proveniente de la degradación del Granito de Calabor.

Estudios Geotécnicos realizados, Proyecto original, Asistencia Técnica, Asesor Geotécnico de ADIF y la Universidad de Oviedo no estaban, en un principio, de acuerdo en cuanto a los parámetros geotécnicos del jabre y al espesor del mismo. Finalmente, de acuerdo con dirección de obra y asistencia técnica, se tomaron para el diseño de ejecución del desmonte y de su correspondiente sostenimiento, los siguientes parámetros: cohesión 0,2 kp/cm2 y un ángulo de rozamiento interno de 33º.

La ubicación de los emboquilles de salida para los dos túneles de Lubián implicaba la ejecución de un desmonte en el jabre anteriormente descrito. Dicho desmonte requería de un sostenimiento que se definió con dos taludes separados por una berma; para el talud superior no se consideró necesario sostenimiento alguno, mientras que talud inferior se diseñó con un sostenimiento a base de una malla de bulones activos y drenes californianos, mallazo electrosoldado y hormigón proyectado.

A su vez, y como protección del emboquille previa a la excavación en mina del túnel, se diseñaron paraguas de micropilotes, así como inyecciones de consolidación en el frente de excavación.

Los trabajos de sostenimiento del talud mediante mallazo, gunita, bulones y drenes comenzaron en noviembre del año 2013, finalizando en junio de 2014. Los trabajos de consolidación del frente se iniciaron en julio de 2014, quedando estos suspendidos por la detección, por parte de los equipos de auscultación, de movimientos en el talud que se consideraron incompatibles con la futura estabilidad del mismo. Esta circunstancia obligó a tomar una serie de medidas adicionales, tales como la construcción de un terraplenado contra el propio emboquille de la vía derecha y que sirviese a la manera de contrafuerte contra el movimiento del talud y que incluía en su seno 30 m adicionales de falso túnel, denominado “túnel tortuga” (los hastiales y clave del mismo se construyeron a la vez que dicho terraplén).

También se diseñaron, posteriormente, una serie de tratamientos de frente mediante inyecciones de consolidación previos a la excavación del túnel en mina.

Los trabajos de estabilización y consolidación del emboquille se retomaron en marzo de 2015, una vez finalizado el terraplenado correspondiente al mencionado “túnel tortuga”.

Todos estos trabajos fueron ejecutados por la sección de Cimentaciones y Tratamientos del Terreno de PROACON.

Bulones

Los bulones definidos para el sostenimiento inicial se diseñaron con las siguientes características:

• Malla de 1,5 metros en horizontal y 2 metros en vertical
• Longitudes: 9 y 12 metros
• Diámetro: 32 milímetros
• Calidad de acero: B-500 S
• Diámetro de perforación no entubada: 90 milímetros
• Diámetro de perforación entubada: 101 milímetros
• Tipo de inyección: Inyección Única
• Carga nominal: 30 Toneladas

A su vez, el equipo de ejecución de bulones estuvo compuesto de:

• Perforadoras Interoc AN-140 y AN-160
• Plantas de fabricación e inyección de lechada de cemento: Tecniwell TMWG-57
• Equipo de tesado ENERPAC

En principio, los trabajos se realizaron en un terreno formado principalmente por bolos de granito y granitos de grado III o grado IV, por lo que se acordó iniciar la ejecución mediante la perforación a rotopercusión con martillo en fondo y aire como medio de evacuación. Conforme se iba avanzando en la ejecución, el terreno cambió y se pudo detectar una mayor presencia de jabre con arcillas en diferentes proporciones.

En un principio se consideró más seguro para la estabilidad del talud la rapidez de ejecución que asegurar el funcionamiento correcto de cada bulón que se hubiese conseguido mediante el cambio en el sistema de perforación e inyección.

Al comprobar mediante el tesado que muchos bulones, principalmente situados en la zona de influencia del emboquille de vía derecha, no soportaban la carga de trabajo, se propuso el cambio a perforación con entubación recuperable e Inyección Repetitiva y se comenzó a realizar perforaciones entubadas utilizando también martillo en fondo y aire comprimido.

Con el cambio en el sistema de perforación e inyección se consiguió mejorar la resistencia al arrancamiento de los bulones pero aún así no se llegaba a la tensión de cálculo prescrita.

Es entonces cuando se introdujo el cambio en la distribución de la malla de bulones, haciéndola más cerrada, e introduciendo la inyección repetitiva. A partir de ese momento todos los bulones ensayados cumplieron con la resistencia a tracción.

Se ejecutaron 4.350 metros de bulón.

Drenaje

El drenaje del talud se definió mediante la utilización de dren tipo californiano de 60 mm de diámetro.

La ubicación de los drenes y su longitud se definían “in situ”, de acuerdo con el departamento de geología de la asistencia técnica; algunos de estos drenes alcanzaron una longitud de 40 m.

Para su ejecución se utilizaron los mismos carros de perforación utilizados durante la ejecución de los bulones y los mismos sistemas de perforación en función del terreno encontrado.

Se ejecutaron 1.400 metros de dren californiano.

Paraguas de micropilotes

El diseño de los paraguas de micropilotes solicitaba asegurar el recubrimiento de la armadura tubular mediante una relación Perforación-Armadura P/A=1,4.

Los paraguas de emboquille, formados por dos coronas de micropilotes, una encima de la otra, se diseñaron con las siguientes características:

• Armadura: Tubular tipo N-80 de sección 101,5×6,3 milímetros.
• Diámetro de perforación: 140 milímetros.
• Longitud de perforación: 20 metros.
• Número de micropilotes: 67.

Por otra parte, el equipo de ejecución de paraguas estaba formado por los siguientes elementos:

• Perforadoras Interoc AN-140 y AN-160.
• Plantas de fabricación e inyección de lechada de cemento: Tecniwell TMWG-57.

De la misma manera que en el caso de la ejecución de bulones, inicialmente se consideró que la rapidez en la ejecución conferiría mayor estabilidad al talud que una ejecución de menor producción diaria pero más segura. Así pues, la perforación se inició a rotación y a rotopercusión empleando como fluido el aire.

Se ejecutaron 2.180 metros de perforación y armadura tubular para finalizar el paraguas.

Detección de movimientos inadmisibles en el talud

Fue durante la ejecución del doble paraguas del emboquille del túnel de Lubián salida vía derecha cuando los instrumentos de auscultación previamente instalados comenzaron a detectar movimientos de gran magnitud en el talud. Entonces, de acuerdo con dirección de obra y asistencia técnica, se empezó a utilizar la perforación entubada y ejecutada con agua como fluido para la evacuación del detritus, puesto que la alta presión que requiere el uso de aire comprimido podía incrementar la inestabilidad incipiente de la obra.

Medidas de estabilización de emboquille «Túnel tortuga»

Con el fin de contrarrestar la inestabilidad en el talud que denotaban los movimientos detectados por los equipos de auscultación del talud, y de acuerdo con dirección de obra y asistencia técnica, se decidió adoptar las siguientes medidas:

• Mantenimiento de machón central mientras se terminaban los trabajos de estabilización del frente del túnel.
• Aplicación de hormigón proyectado a las superficies expuestas de dicho frente para evitar la degradación de las mismas debido a las condiciones atmosféricas.
• Estabilización inicial del frente de excavación mediante columnas de cemento perforadas en el frente e inyectadas a través de tubos de PVC perforados.
• Una vez terminada la primera inyección del frente, construcción de un terraplén apoyado en el futuro frente de excavación destinado a contrarrestar los movimientos del talud, hasta una cota por encima de la clave de dicho frente; dentro de este terraplén se disponen los hastiales y la clave de un falso túnel cuya excavación se realizará una vez acabada la puesta en obra de dicho terraplén.

Estabilización inicial del frente del túnel en mina

Desde la Sección de Cimentaciones Especiales y Tratamientos del Terreno se aconseja la utilización de tubo de PVC con válvulas, más conocidos como tubo manguito, y realizar la inyección por tramos.

Con esa sugerencia se diseñó un tratamiento de consolidación a base de perforaciones realizadas en el frente de excavación paralelas a la dirección del eje del túnel y dispuestas en coronas semicirculares. La longitud de las perforaciones es de 21 metros, el tubo de diámetro interior es de 50 milímetros con válvulas cada 50 centímetros.

Se inició la consolidación con las tres perforaciones situadas más próximas a la clave del túnel pero se suspendieron al considerarse que los movimientos del talud hacían inviable continuar. Fue entonces cuando la Dirección de obra consideró como más seguro realizar un tramo de Túnel Tortuga y retomar la consolidación del frente al llegar al inicio del túnel en mina.

Como ya se ha comentado, antes de la ejecución del túnel tortuga se inició la consolidación del frente de excavación a través de las perforaciones 5,6 y 7 de la corona exterior de la definición geométrica siguiente:

«Túnel tortuga»

Como ya se ha expuesto, con el fin de detener los movimientos del talud y hacer este estable durante la excavación del túnel en mina, se decidió la puesta en obra de un terraplén apoyado en el propio frente del túnel en mina. Para poder acceder al frente de excavación, a la vez que se construye este terraplén, se debe disponer de una estructura de hormigón embebida en el mismo, a la manera de un “falso túnel” que, posteriormente a la finalización del terraplén, será posteriormente excavado. Este es el denominado “túnel tortuga”.

Esta disposición implica aumentar la longitud del túnel de Lubián en la misma medida que la del mencionado “túnel tortuga”; las dimensiones del terraplén diseñado para conter los movimientos del talud confieren a este una longitud de 30 m.

Para la ejecución de dicho terraplén y el correspondiente falso túnel, se disponen las siguientes fases:

• Extensión de tongadas de material seleccionado apoyadas en el talud del frente de excavación.
• Estabilización de la porción del material que queda directamente apoyada en el frente mediante ejecución de suelo cemento “in situ” (3% de porcentaje de cemento en peso), la finalidad de esta estabilización es la de conferir cierta estabilidad a la zona que posteriormente deba ser excavada en mina.
• Ejecución de dos zanjas longitudinales de 50 cm de anchura en una posición coincidente con la posición de los hastiales del falso túnel.
• Relleno con hormigón en masa (HM-200) de las zanjas anteriores.

De esta manera, a la vez que se construye el terraplén, se va creando el contorno en hormigón de la excavación posterior.

Una vez terminado el terraplén, se estuvo en disposición de realizar la excavación del falso túnel. Se procedió a realizar esta excavación en mina en los 30 m de longitud del mismo, en este caso, con las condiciones de estabilidad y seguridad necesarias.

El sostenimiento de este tramo de excavación en mina se realizó mediante cerchas tipo th29 espaciadas 1,5 m y 30 cm de hormigón proyectado.

Los movimientos del talud quedaron neutralizados, por lo que se consideró que este había alcanzado el estado de equilibrio necesario.

Inyecciones de consolidación del frente después de la excavación en el «túnel tortuga»

Una vez excavados los 30 m  del “túnel tortuga” se accedió al inicio del túnel en mina, P.K. 102+815 y se retomaron los trabajos de consolidación del frente con una pequeña variación en la distribución geométrica de las perforaciones para las inyecciones de consolidación, las mismas quedaron de la manera expuesta en el croquis que se muestra a continuación.

Para la consolidación del frente, se acordó la instalación de tubos de PVC de 24 m de longitud con válvulas cada 50 centímetros.

El tratamiento incluía dos criterios de corte de inyección: volumen máximo por válvula de 80 litros y presión máxima de 6 bares en la primera inyección y 12 bares en la segunda.

La perforación se realizó con carro perforador sobre orugas Interoc AN-140. Se utilizó entubación recuperable y como fluido de perforación agua.

Se realizaron 696 metros iniciales de perforación para inyección.

La inyección se realizó de forma que el agua fuese expulsada de la sección del túnel para lo cual resultó necesario acometer tres fases de inyección de lechada de cemento.

En la ejecución de la segunda fase de inyecciones se comprobó que parte de los tubos se encontraban doblados, aspecto que podía relacionarse con las lecturas de movimientos que indicaban las células de auscultación antes de la construcción del “túnel tortuga”.

La inyección se ejecutó mediante la utilización de plantas de fabricación de lechada y bombas de inyección de caudal y presión variables. Todo ello automatizado con equipo de control de parámetros.

El volumen de lechada inyectado fue de 143 metros cúbicos y la longitud de túnel estabilizado fue de 14 metros debido a que la mayor parte de los tubos resultaron doblados debido a los movimientos del talud que se produjeron antes de la construcción del “túnel tortuga”.

Inyecciones laterales de consolidación

Cuando el avance de la excavación en mina posterior al tratamiento alcanzó los 13 metros, el terreno comenzó a mostrar signos de desestabilización, principalmente en el hastial izquierdo; esta desestabilidad no era producida por los movimientos del talud general, ya que la construcción del terraplén de apoyo que contenía el “túnel tortuga” había conseguido que estos desaparecieran, sino que era debida a unas zonas de terreno descomprimido que se habían generado debido a los movimientos iniciales del talud y a una gran afluencia de agua freática detectada en las mismas.

Las labores de excavación pudieron llegar hasta el P.K. 102+802, momento en el que se decidió acometer un nuevo tratamiento de consolidación del frente.

El nuevo tratamiento del frente incluía una novedad: un tratamiento específico del hastial izquierdo, que es donde se detectaba una mayor inestabilidad  y un superior flujo de agua.

El nuevo tratamiento se definió conforme a la disposición geométrica que se muestra en los croquis siguientes:

Los criterios de inyección se mantenían según lo definido para el primer tratamiento, y los equipos de trabajo también.

Las longitudes de perforación en sentido de avance fueron de 21 metros mientras que las longitudes en oblicuo variaron entre los 2,75 y los 12 metros.

Como en el caso anterior, la perforación se realizó con la utilización de agua como fluido de perforación y al abrigo de entubación recuperable.

El orden de ejecución se estableció de manera que se ejecutó inicialmente la inyección del frente y, una vez terminada esta, se abordó el tratamiento del hastial izquierdo.

En total se perforaron 740 metros dejando instalado el tubo manguito para la inyección.

Los datos obtenidos durante las inyecciones obligaron a tener que realizar tres fases.

En el caso de las inyecciones en el frente, se inyectó un volumen de 161 metros cúbicos de lechada de cemento.

En el caso de las inyecciones en el hastial, se inyectó un volumen de 20,5 metros cúbicos de lechada de cemento.

A la finalización de los trabajos se han empleado 245 toneladas de cemento inyectado en la consolidación del frente de excavación.

Conclusiones

Estas disposiciones hicieron posible que se pudiese realizar la parte pendiente de la excavación del túnel en mina según los cánones de seguridad y estabilidad exigidos en una obra de esta clase, aunque siempre adaptando la longitud de los pases a las especiales características del terreno.

Actualmente, el tubo derecho se encuentra calado en su fase de avance, no habiéndose producido ningún tipo de incidente en la realización del mismo, por otra parte, los equipos de auscultación dispuestos no detectan ningún tipo de inestabilidad ni movimiento fuera de rango.