UMBRELLA ARCH : EN EL FERROCARRIL CARACAS-CUA UN MÉTODO CONSTRUCTIVO PARA TÚNELES EN TERRENOS DIFÍCILES BASADO EN LA VERSIÓN MODERNA DE LA TÉCNICA DEL ¨ MARCHAVANTI ¨ Gianfranco Perri Ingeniero Consultor, Profesor de “Diseño Geotécnico de Túneles” en la Universidad Central de Venezuela

Resumen

Después de una breve introducción histórica y cronológica sobre la técnica del Umbrela Arch y su precursor, el Marchavanti minero, se describe en términos generales esta moderna técnica de presoporte y preconsolidación de los terrenos, utilizada para la excavación mecanizada de túneles en condiciones geotécnicas difíciles y peligrosas. Luego, se reportan los datos globales y generales relativos a los 20 túneles en construcción para los 40 Km de línea férrea Caracas-Cúa y se presentan los esquemas básicos de las intervenciones consolidantes que, mediante el uso del arco troncocónico de micropilotes y de los elementos en vidrioresina de armadura de los terrenos, han sido hasta ahora exitosamente utilizadas en la excavación de los túneles de doble vía del ferrocarril Caracas-Cúa. Introducción

El "Arte", dentro de la Ingeniería de Túneles, ha ocupado siempre un lugar predominante: desde los orígenes cuando todo era "Arte", hasta los tiempos más modernos en los que la computación y el automatismo más sofisticado aún no han permitido prescindir de una amplia dosis de "Arte" en la adopción de nuevas tecnologías y metodologías para la construcción de las grandes obras subterráneas.

Es así que, dentro del marco descrito, en la construcción de túneles se proponen constantemente soluciones más o menos novedosas, basadas sobre el empirismo y la experiencia en unos casos o sobre la simple evolución de antiguas técnicas en otros, para que sea siempre la práctica a verificar sus cualidades y defectos y, solamente entonces por lo general, es cuando intervienen la "Ciencia" y las "Teorías" a analizar o corroborar y, (esto es cierto), generalmente optimizar el fruto del "Arte", elevándolo a las categorías de "Técnica" y "Ciencia".

Ha sido dentro de este continuo proceso de innovación tecnológica que, desde hace algunos años (algo más que una veintena) se ha venido experimentando (esencialmente en Italia) en la construcción de túneles de grandes diámetros en terrenos especialmente difíciles en condiciones críticas en relación con la estabilidad de la excavación, una técnica de preconsolidación o de conformación de un presostenimiento del terreno adyacente a la excavación, que bien se puede definir como la técnica de un moderno "marchavanti" (del término italiano "marciare avanti": marchar adelante), toda vez que resulta natural y casi inevitable la asociación de ideas con aquella técnica minera que fue clásica y tradicional en el arte tunelero de todo el mundo, que consiste en hacer preceder el frente la excavación en terrenos especialmente inestables, por la hinca en el perímetro del techo, de una serie de elementos generalmente metálicos planos, puntiagudos, pseudo paralelos y adyacentes entre sí, hasta formar un arco dentro del terreno del núcleo próximo a excavar (figura 1, Desimón 1939).

Claro está que todo aquello ocurría en la excavación de túneles de pequeñas secciones y en ciclos de avance limitados a pocas cantidades de metros, en una operación extremadamente lenta y dificultosa, prácticamente manual, que, sin embargo, permitió en innumerables ocasiones superar situaciones críticas en extremo.

En contraste, la técnica actual que en inglés se ha dado por llamar "Umbrella Arch", (arco protector), se caracteriza por su aplicación en túneles de gran diámetro y por permitir la excavación semimecanizada casi a sección completa y sobre tramos de avance que pueden alcanzar hasta la docena de metros.

Lo anterior se logra mediante el uso de elementos, generalmente tubulares metálicos, que se ponen en obra en fase de avance, más allá del estrados de la excavación, introduciéndolos dentro de perforaciones especialmente ejecutadas con gran longitud y precisa orientación, integrándose, además, tal operación con inyecciones de mezclas cementantes que rellenan los vacíos de las perforaciones y que, siguiendo distintas variantes tecnológicas, penetran el terreno consolidándolo a lo largo y ancho del "arco protector" así conformado (fig. 2).

Esta técnica, en los últimos años, ha dado lugar a un gran número de aplicaciones con constantes mejoras en su ejecución a consecuencia bien sea de los progresos tecnológicos alcanzados sobre las máquinas perforadoras y sobre las metodología de inyecciones, bien sea de la experiencia acumulada hasta alcanzar la actual sistemática aplicación en condiciones geológicas y geotécnicas muy diferentes entre sí: desde las excavaciones en terrenos granulares de naturaleza aluvial, en depósitos de origen glacial y en detritos de falda con grandes bloques (coluviones), hasta las excavaciones en macizos rocosos especialmente fracturados.

Cronología de las primeras referencias El método del arco protector, ha sido utilizado desde la segunda mitad de los años 70 como técnica de excavación para túneles en condiciones difíciles, muy a menudo en áreas urbanas.

La más antigua referencia bibliográfica encontrada que relata una técnica constructiva bastante próxima a la del arco protector, es de Fasoli y Pastore (1976) quienes describen la ejecución, realizada en 1975, de un refuerzo en fase de excavación para atravesar un corto sector crítico del túnel del "Bricco" sobre la autopista Torino-Savona. El refuerzo del arco de bóveda fue logrado ejecutando desde ambos lados del tramo problemático, perforaciones subhorizontales, algo inclinadas hacia el estrados de la bóveda, dentro de las cuales se introdujeron tubos que luego fueron cementados con carato.

Del mismo año es la segunda referencia, Piepoli (1976), en que se describe la construcción del túnel ferroviario "San Bernardino", sobre la ruta Génova-Ventimiglia, siempre en Italia.

En el Simposio Internacional de Túneles que se llevó a cabo en Tokio, Jorge G.R. y Mouxaux (1978), haciendo referencia a las técnicas de prevención de accidentes por inestabilidad del techo de las excavaciones en túneles que se encontraban en fases constructivas durante 1978, describieron el método en los siguientes términos, generales pero muy ejemplificativos:

“Tubes chosen to withstand the vertical loads imposed by the weight of the earth and buildings are driven horizontally in one or more rows. They are driven 20 to 30 meters into the soil (beyond these values, allowable deflections might be exceeded). The tubes are driven in short lengths by rotation and lubricated by betonite-cement slurry that, one set, anchors them in the ground. In certain cases, valves are placed at regular intervals along the tubes for later grouting of the surrounding ground”.

Barisone y otros (1982), aseguran que en Italia hasta 1982 había habido quince túneles en la construcción de los cuales se había usado más o menos extendidamente la técnica del arco protector, y en su trabajo describen con detalle siete de estos quince casos, tres de los cuales relativos a obras en ejecución en 1982 y los otros relativos a obras ejecutadas en años anteriores.

En 1986 se realizó en Florencia el Congreso Anual de la Asociación Internacional de Obras Subterráneas y en aquella ocasión se presentaron cinco trabajos que hacían referencia a la técnica del arco protector y en la mayoría de los casos ilustrados, la técnica del arco protector había sido empleada mediante la utilización de la tecnología "jet grouting" con la cual los tubos metálicos del "marchavanti" quedan embebidos dentro de una columna previamente inyectada de carato, aumentando notablemente la eficiencia mecánica del arco; inclusive en unos casos, solamente las columnas "jet grouting" por sí, constituían el elemento estructural, sin ser reforzadas con el tubo o siendo a veces armadas simplemente con una barra metálica para garantizar su continuidad estructural y para prevenir desprendimientos accidentales de pedazos de columnas de concreto durante la excavación. Los

 

cinco trabajos citados fueron: Balossi y otros - Barisone y Pelizza - Ceppi y otros - Faroro y otros y Lunardi y otros.

Este último trabajo, que describe la utilización bajo distintos principios de la técnica del "jet grouting" en las obras subterráneas, refiere del túnel ferrocarrilero "Campiolo" de doble vía entre Tarvisio y Udine, como primer ejemplo de una importante aplicación de la técnica del arco protector ejecutado mediante "jet grouting" en 1983.

En Suramérica, se conoce de experiencias en el uso del arco protector con "jet grouting" en Brasil, como se relata en el trabajo de Dugnani y otros (1989), presentado en el XII Congreso Internacional de Mecánica de Suelo e Ingeniería de Fundaciones realizado en Río de Janeiro.

En el Congreso Internacional sobre Progresos e Innovaciones en la Ingeniería de Túneles, que se desarrolló en Toronto en 1989, se presentaron tres trabajos sobre la técnica del "Umbrella Arch", respectivamente por: Barla - Ceppi y otros y Pelizza y otros. En Caracas, en octubre de 1990, al Tercer Congreso Suramericano de Mecánica de Rocas, Grasso y otros presentaron un trabajo relativo al uso de la técnica del arco protector mediante "jet grouting", para la solución de problemas de estabilidad en correspondencia de portales de túneles.

Sucesivamente, en el año de 1991, en Milán se llevó a cabo un encuentro técnico científico internacional, del 18 al 20 de marzo, sobre la Consolidación de Suelos y Rocas en la Realización de Obras Subterráneas, presentándose un total de siete trabajos relativos a obras subterráneas ejecutadas con el método del arco protector en "jet grouting" armado: Bertoli y otros - Biagi y otros - Bonasso y otros - Colombo y otros - Focacci y otros - Paviani y otros y Carrieri y otros.

Este último trabajo hace un breve recuento sobre diez años de experiencias en el uso del método del arco protector al estilo "marchavanti" e incluye una tabla (figura 3) resumen de diez ejemplos de túneles excavados con el método del "Umbrella Arch". Se indican para cada túnel, el tipo de roca, la longitud total de la intervención, el año de ejecución, datos relativos a las perforaciones (diámetro longitud y solape), a los tubos (diámetro y espesor) y al número de aquellos usados en cada arco, finalmente el tiempo promedio de ejecución de cada arco y la referencia bibliográfica correspondiente a cada caso.

Los túneles del ferrocarril Caracas – Cúa

La vía férrea en construcción entre Caracas y Cúa tiene una longitud de aproximadamente 40 Km y su desarrollo (figura 4) prevé la excavación de un total de 20 túneles de doble vía en forma de herradura con radio interno neto de aproximadamente 5 m y arco de solera con radio de aproximadamente 8 m.

Los 20 túneles poseen longitudes y coberturas distintas, desde los valores máximos correspondientes al túnel Tazón (el primero desde Caracas) con casi 7 Km de largo y casi 600 m de máxima cobertura, hasta el túnel “0” (el segundo desde Caracas) con 55 m de longitud y menos de 5 m de cobertura máxima.

Todos los túneles, con excepción de los últimos dos (llegando a Cúa) que son el Pitahaya y el Mume, están ubicados en un ambiente geológico cuyo subsuelo lo conforman rocas metamórficas que incluyen principalmente esquistos y filitas y en menor proporción cuarcitas y mármoles.

Los esquistos son cuarzo-micáceos y grafitosos calcáreos y no, las filitas son cuarzo-grafitosas y a veces cuarzo-sericíticas, las cuarcitas son micáceas y los mármoles son laminados.

Las condiciones físicas de los macizos rocosos van de roca muy meteorizada o moderadamente meteorizada en correspondencia de las coberturas menores (hasta 30 – 100 m) a roca poco meteorizada o fresca bajo las coberturas superiores a los 100 m, dependiendo también del litotipo dominante. Los macizos se encuentran siempre fracturados y muy plegados, con frecuente presencia de planos de fallas acompañados a veces con brechas de algunos (2-3) metros de espesor.

 

Los túneles Pitahaya y Mume, de aproximadamente 500 m y 200 m de longitud respectivamente y coberturas máximas del orden de los 50 m, se ubican entre Charallave y Cúa, en un ambiente geológico cuyo subsuelo lo conforman los esquistos arcillo-arenosos de la Formación Tuy con horizontes limo-gravosos y niveles de arcilla con moderado potencial expansivo.

La metodología de excavación empleada en todos los túneles es de tipo convencional, utilizándose los martillos demoledores hasta tanto la resistencia a la compresión uniaxial de las rocas no supera limites del orden de los 300 Kg/cm² y luego haciendo recurso a las voladuras de las rocas. El soporte primario está constituido por costillas metálicas IPN300, IPN200 e IPN140, colocadas aisladamente o en pares, separadas de un mínimo de 0.60 m a un máximo de 1.75 m y siempre integradas a una capa de concreto proyectado de espesor variable entre 10 y 30 cm, el todo dependiendo de la clase de comportamiento de la excavación.

Para las clases de comportamiento más criticas en relación con la estabilidad, la excavación procede a sección parcial en calota, con ancho total (aprox. 11 m) y alto de aprox. 6.5 m, haciendo recurso al presoporte constituido por el arco troncocónico de micropilotes, eventualmente integrado con elementos (micropilotes) longitudinales de vidrioresina en el núcleo a excavar y micropilotes laterales al pie del arco de las costillas de media sección.

Presoporte y preconsolidación de las excavaciones En la figura 5 se representa en secciones transversal y longitudinal un esquema típico del presoporte y preconsolidación con frecuencia empleado en la excavación de los túneles del ferrocarril Caracas – Cúa en condiciones de clara criticidad y de potencial inestabilidad, con el objeto de proceder con la acelerada construcción mecanizada y bajo condiciones de necesaria seguridad, también en las circunstancias difíciles determinadas por las localmente adversas características geomecánicas de los terrenos a excavar.

La cuantía de los elementos de presoporte (micropilotes subhorizontales dispuestos en arco troncocónico) y de los de preconsolidación (elementos longitudinales horizontales de vidrioresina en el frente) así como de los complementarios (micropilotes laterales subhorizontales y subverticales), es variable dependiendo de las condiciones geomecánicas específicas de cada situación:

- Los micropilotes subhorizontales de 12 m de longitud dispuestos en arco troncocónico, se colocan con separación entre sí que va de un mínimo de 30 cm hasta un máximo de 60 cm, a veces variable para una misma sección entre centro de bóveda y periferia de la misma, determinando una cantidad de elementos de entre 25 y 40 según el caso, para cada sección de intervención.

- Los elementos longitudinales de vidrioresina de 12 m de longitud, se colocan con separación entre sí que va de un mínimo (cuando necesario) de 1 m hasta un máximo de 2 m, en función de la presión de estabilización requerida en el frente.

- Los micropilotes laterales subhorizontales y subverticales de 6 m de longitud, se colocan en cantidad de mínimo 1 en cada pie de par de costillas, hasta un máximo de 3.

Finalmente cada ciclo de avance, con sección de calota variable para garantizar en cada caso el contacto directo entre el arco de costillas y el arco troncocónico de los micropilotes, se extiende por 8 m antes de iniciar con un nuevo ciclo, manteniendo de tal forma en toda sección de frente, un presoporte y una preconsolidación que afectan un mínimo de 4 metros (12m menos 8m) de longitud por excavar.

Se anexan una serie de fotografías las cuales ilustran gráficamente los equipos y las operaciones básicas de las intervenciones de presoporte y preconsolidación empleadas en las obras.

Bibliografía Desimón V. “Costruzione delle gallerie” Hoepli, Milano 1939

Fasoli R. y Pastore R. “La galleria del Bricco autostrada Torino-Savona” L’industria delle costruzioni, 1976

Piepoli G. “La nuova galleria San Bernardino della linea Genova-Ventimiglia” Ingegneria ferroviaria, 1976

Jorge G.R. y Mouxaux J. “Prevention of accidents in difficult tunneling conditions by mean of specialized . techniques such as grouting, drainage, umbrella arch methods” Int. Tun. Symp., Tokio 1978

Barisone G. y Otros “Umbrella arch method for tunneling in difficult conditions” I. A. E. G., New Delhi 1982

Ceppi G. y Otros “La Galleria di Monte Olimpino 2. Scavo con tecniche speciali” ITA, Firenze 1986

Faoro L. y Otros “Il jet grouting nel consolidamento di imbocchi di gallerie autostradali” ITA, Firenze1986

Balossi R.A. y Otros “ Tecnologia speciali per il sostegno di scavi nelle alluvioni di Milano in occasione . della costruzione della linea 3 della Metropolitana Milanese” ITA, Firenze 1986

Barisone G. y Pelizza S.“Scavo di gallere stradali in ambiente urbano” ITA, Firenze 1986

Lunardi P.y Otros “Il preconsolidamento mediante jet grouting nele opere in sotterraneo” ITA, Firenze 1986.

Dugnani y Otros “ Sub horizontal jet grouting applied to a large urban twin tunnel in Campinas, Brazil” XII .. ICSMFE Rio de Janeiro, 1989

Barla G. “Stabilization measures in near surface tunnels in poor ground conditions” Toronto 1989

Ceppi G. y Otros “Horizontal jet grouting as a temporary support for Monteolimpino 2 tunnel” Toronto 1989

Pelizza S. Y Otros “ Rapid umbrella arch excavation of a tunnel in cohesionless material under an .archaeological site” Toronto 1989

Grasso P. Y Otros “ Diseño y construcción de portales en túneles bajo condiciones dificiles“ 3er Congreso Suramericano de Mecánica de Rocas, Caracas 1990

Bertoli y Otros “ Aspetti tecnici e realizzativi di un sottopassaggio ferroviario a La Spezia“ Consolidación de Suelos y Rocas en la Obras Subterraneas, Milano 1991

Biagi y Otros “ L’applicazione del sistema jet grouting nel progetto e costruzione delle gallerie dell’autostrada . Livorno-Civitavecchia “ Consolidación de Suelos y Rocas en la Obras Subterraneas, Milano 1991

Bonasso y Otros “L’impiego del jet grouting per lo scavo di una galleria urbana a debole profondita’“ .. Consolidación de Suelos y Rocas en la Obras Subterraneas, Milano 1991

Colombo y Otros “ Preconsolidamento del terreno con jet grouting nel sottopasso della tangenziale di Milano.. . con la linea 3 della Metropolitana“ Consolidación de Suelos y Rocas en la Obras Subterraneas, . Milano 1991

Focacci y Otros “Il preconsolidamento del terreno con jet grouting per la galleria Tarvisio della linea Udine- . Tarvisio “ Consolidación de Suelos y Rocas en la Obras Subterraneas, Milano 1991

Paviani y Otros “Jet grouting armato eseguito in avanzamento durante la fase di perforazione della volta della .. galleria Epomeo a Napoli “ Consolidación de Suelos y Rocas en la Obras Subterraneas, Milano 1991

Carrieri y Otros“ Ten years of experience in the use of umbrella arch for tunneling “ Consolidación de Suelos y . Rocas en la Obras Subterraneas, Milano 1991