TÉCNICA DE CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES EN TRAMOS AMPLIOS BAJO COBERTURA BAJA: TÚNELES APILADOS

Varios ejemplos de proyectos históricos en los EE. UU. y en el extranjero pueden ejemplificar aún más los hitos históricos clave utilizando esta metodología de construcción de túneles.

Uno de los primeros y quizás más famosos túneles construidos con este método en los EE. UU. es el túnel Mount Baker (1983-1989), que ahora lleva los carriles en dirección oeste de la I-90 en el área de Seattle, Washington. Empleó un total de 24 galerías impulsadas por escudos a través de suelo arcilloso rígido (Figura 1), cada una rellena con concreto, con un entrelazado de corte geométrico entre la corona de una galería y la parte inferior de la galería contigua.

Los túneles se construyeron de abajo hacia arriba alrededor de todo el perímetro circular del túnel, lo que dio como resultado un diámetro interno final de 19,4 m en una longitud de 406 m. En los portales, la cubierta libre mínima sobre la corona del túnel fue de sólo 3 m, con una relación cubierta libre mínima-luz de 0,15. En general, valores de esta relación inferiores a 0,5 se consideran túneles de “cobertura baja”, donde no se puede considerar ningún grado de arqueación del suelo. Si bien este umbral es algo subjetivo, también depende de las condiciones del terreno encontradas y de los métodos de construcción empleados. Incluyendo unos 25 mm de asentamiento durante la construcción del túnel, la deformación diametral total después de la excavación del túnel principal fue de aproximadamente el 0,13 por ciento. A pesar de haber sido construido en la década de 1980, el túnel Mt. Baker sigue siendo el túnel circular de suelo blando de mayor diámetro del mundo. A modo de comparación, el mayor diámetro del cabezal de corte de una tuneladora actualmente es de 17,6 m para el túnel de la autopista Tuen Mun - Chek Lap Kok Link en Hong Kong, inaugurado en 2020.

La estación Rio Pedras para el proyecto ferroviario del Tren Urbano en San Juan, P.R. utilizó construcción minada y está descrita por Gay, et al. (1999), y se abrió al público en 2004. El soporte temporal tanto para la corona como para las paredes laterales de la caverna de la estación fue proporcionado por una serie de 15 paneles de 3 m de ancho x 3 m de alto x 150 m de largo de galerías minadas secuencialmente que posteriormente se rellenaron con concreto para soportar un tramo excavado de 19 m de ancho en una configuración de galería apilada (Figura 2: la lechada de suelo se realizó a través de la galería “G”). La cobertura del suelo era inferior a 5 m para una relación mínima de cobertura libre a luz de menos de 0,26. El suelo dentro de la corona se caracterizó como arcilla limosa rígida y sobreconsolidada, mientras que los montones de paredes laterales se condujeron dentro de capas alternas de arena limpia, arena limosa, arena arcillosa y arcilla.

A finales de la década de 1990, el método de túneles apilados también se utilizó para una longitud corta de 29 m del megaproyecto Arteria/Túnel Central en Boston, Massachusetts, como medida de apuntalamiento permanente para llevar los carriles en dirección norte de la I-93 por debajo de la vía existente. Se utilizó una serie de tres galerías apiladas para construir cada una de las paredes laterales del túnel de la carretera para permitir la excavación de una abertura rectangular de 22 m de ancho y 13 m de alto debajo de la Línea Roja MBTA. Las condiciones del suelo dentro del perfil de excavación del túnel de la carretera estaban compuestas principalmente de un material granular permeable (arena y grava muy densa con rastros de limo), con una cubierta de suelo glacial cohesivo y un lecho de roca de argilita inferior con un perfil de erosión altamente variable. Hay dos niveles de agua subterránea en el área, uno a entre 3 y 4,5 m por debajo de la superficie del suelo que se encuentra sobre la capa cohesiva, y un nivel piezométrico inferior en la capa granular que se encuentra entre 6 y 7,5 m por debajo de la superficie redonda, o aproximadamente 26 m por encima de la base de excavación requerida para el túnel de la carretera.

El acceso inicial a los túneles apilados se logró hundiendo dos pozos verticales de 35 m de profundidad, sostenidos por paneles de pared de diafragma (lechada) de 1,1 m de espesor, uno a cada lado del túnel de la carretera. Luego se construyeron dos túneles de acceso paralelos a través del depósito cohesivo glacial, con el nivel de la corona aproximadamente 1,5 m por debajo del fondo de la estación de la Línea Roja. Para facilitar la excavación de los túneles de acceso, se instalaron pozos de drenaje temporales a cada lado de la estación de la Línea Roja. Luego se avanzó una campaña de inyección química de silicato de sodio utilizando tubos instalados a través de la parte inferior de los túneles de acceso hasta 3 m por debajo de la parte inferior del túnel de fondo. Esto controló la entrada de agua subterránea durante la excavación posterior de los muros de los túneles apilados, que se realizó de abajo hacia arriba en tres etapas, como se muestra en la Figura 3. Los muros de deriva estaban compuestos por tres segmentos de concreto moldeado en el lugar de entre 2,4 m y 3,7 m de altura y de ancho, cada uno conectado mediante acopladores mecánicos, sobre una altura total de 13,4 m. Los segmentos no utilizaron refuerzos intermedios y fueron diseñados como muros de gravedad para resistir cargas tanto horizontales como verticales, confiando en la fricción lateral que actúa en la base de cada muro para la estabilidad temporal general.

Luego se construyó un total de 11 túneles transversales entre los dos túneles de acceso superior utilizando técnicas de minería manual a través de la capa glacial cohesiva entre las dos paredes de túneles apilados. Los túneles se utilizaron para construir una serie de vigas postensadas de 2,4 m de profundidad a lo largo del tramo de la autopista del túnel de 22 m de ancho, con aproximadamente 1 m de espacio libre vertical hasta la estación de la Línea Roja situada arriba. Durante la excavación del túnel, se informó que se midieron menos de 15 mm de movimiento vertical en la estructura de la Línea Roja de MBTA. Los inclinómetros verticales dentro de las paredes de la galería mostraron un movimiento horizontal insignificante.

Uno de los túneles de mayor luz jamás construida en el suelo fue la de la estación de Venecia (1988-1992, inaugurada en 1997) en la línea ferroviaria de enlace urbano de Milán en Italia, con un ancho de luz interno temporal de 28,8 m, una altura de 20 m, y una sección transversal de 440 m2 en una longitud de 215 m. La cubierta libre mínima de 4 m por encima de la corona del túnel da como resultado una relación cubierta libre mínima-luz de 0,14. Los suelos que rodeaban el túnel consistían en arenas y gravas permeables, con una porción significativa de la caverna excavada debajo del nivel freático. Se empleó el método del “Arco Celular” (Figura 4) porque la cubierta transparente no se consideró suficiente para utilizar la técnica de construcción de túneles convencional que dependía únicamente de la teoría del arco del suelo sin causar deformaciones excesivas en la superficie del suelo.

El primer elemento de construcción fue un túnel piloto de 3,5 m de diámetro. A través de este túnel piloto, se avanzaron inyecciones de mejora del terreno en un conjunto de ventiladores radiales de 360° más allá del perímetro de la futura caverna excavada por encima de la corona, más allá de las paredes laterales y debajo de la parte inferior. Este tratamiento se empleó para lograr cierto grado de consolidación y cohesión del suelo, así como para reducir la permeabilidad de los suelos debajo del nivel freático. Luego se excavaron los túneles de las paredes laterales inferiores y se sostuvieron progresivamente con un revestimiento primario de nervaduras de acero, refuerzo de malla de alambre y concreto proyectado. Luego se instaló un elemento de revestimiento secundario y final dentro de estos túneles inferiores que comprenden la pared lateral inferior y el borde del revestimiento.

A continuación, se levantaron una serie de 10 microtúneles de concreto prefabricado de 2,1 m de diámetro externo (1,8 m de diámetro interno) desde un pozo de empuje. dentro de la corona superior de la caverna en longitudes incrementales de 2 m a lo largo de toda la longitud de la estación de 215 m. Una vez moldeados los muros laterales inferiores y colocados los microtúneles superiores, se instalaron travesaños transversales de arco de carga a intervalos longitudinales de 6 m, para un total de 35 travesaños intermedios y dos travesaños finales. Estos travesaños se construyeron cortando la porción de cada microtúnel intersectada por el arco y continuando la excavación a mano hasta las galerías laterales inferiores del túnel. Se utilizó encofrado de acero prefabricado para formar cada elemento del arco transversal, con refuerzo de acero interno que se extendía a través del arco y dentro de los elementos internos del microtúnel, que luego se rellenaron con concreto. Por lo tanto, existe una conexión estructural entre los 10 microtúneles longitudinales y cada miembro del arco transversal.

El resto del túnel se excavó de forma incremental, con un espesor de entre 1,5 y 2 metros, fue instalado en incrementos longitudinales de 5 m. El elemento final de la construcción fue el nivel del entresuelo que se instaló dentro del medio del túnel y fue suspendido mediante tirantes sujetos a los elementos del arco transversal. Ignorando un levantamiento de la superficie inicial inducido por la inyección inicial a través del túnel piloto, se midió un asentamiento superficial máximo inducido por la excavación de 14 mm por encima de la línea central de la caverna, con asentamientos superficiales en las líneas de la fachada del edificio de hasta 7 mm.

El método de túneles apilados se ha extendido a cavidades excavadas en roca. Un ejemplo es el túnel peatonal del aeropuerto Billy Bishop de la ciudad de Toronto (2012-2015) que se construyó en Georgian Bay Shale, una masa de roca de esquisto finamente laminada debajo del lago Ontario. El túnel empleó una serie de siete perforaciones secantes entrelazadas de 1,85 m de diámetro, excavadas secuencialmente por dos tuneladoras dentro de la corona del túnel y rellenadas con concreto en masa (Figura 5). La cavidad excavada resultante debajo del arco de perforación entrelazado tenía aproximadamente 10 m de ancho, uno de los tramos más anchos excavados dentro de Georgian Bay Shale dentro del área metropolitana de Toronto hasta la fecha.

Este método de construcción fue propuesto por el contratista del túnel por varias razones. Primero, fue una medida de seguridad preventiva para minimizar el posible asentamiento, considerando que la cubierta mínima de roca clara sobre la corona era menor que un diámetro final de la cavidad debajo del lecho suprayacente del lago Ontario. En segundo lugar, utilizó el conocimiento de experiencias recientes en la excavación del Proyecto Túnel del Niágara (2008-2013), que proporciona un suministro adicional de agua a las Estaciones Generadoras Hidroeléctricas Sir Adam Beck en las Cataratas del Niágara, Ontario, Canadá.

Para construir ese túnel se utilizó una tuneladora sin blindaje de 14,4 m de diámetro (actualmente la tuneladora de roca dura de mayor diámetro que existe). Se produjo una importante ruptura de la corona de 4 m de espesor o más cuando la excavación del túnel encontró Queenston Shale, una formación rocosa laminada y de alta tensión horizontal. El uso de orificios secantes entrelazados para el túnel peatonal del aeropuerto Billy Bishop es menos común que el uso de tubos de acero instalados en una configuración tangente mediante métodos de perforación con barrena guiada/con gato tanto en roca (en Qatar y Hong Kong, por ejemplo) como más comúnmente en suelo.