PROTECCIÓN DE EDIFICIOS SENSIBLES CONTRA TÚNELES

La construcción de túneles en áreas urbanas siempre es un desafío, y lo es especialmente cuando la construcción está cerca de distritos densamente poblados. Tal fue el caso del 25 de enero de 2005, cuando se derrumbó un túnel de 10 m de longitud de un túnel en construcción del Metro de Barcelona (6,5 m de ancho x 6,85 m de alto). El túnel Carmel tiene 32 m de profundidad y fue excavado utilizando el nuevo método austriaco de construcción de túneles (NATM), mediante el cual se aprovecha la resistencia del terreno circundante para fortalecer la estructura del túnel. La roca en la que se cortó el túnel es una serie de capas alternas de arenisca y lutitas. A pesar del alto índice de cobertura (32 m/6,5 m ≈ 5), la falla avanzó hacia arriba y dos días después se desarrolló un gran sumidero, de 30 m de diámetro. El socavón cubrió un edificio entero, dañó decenas más y requirió la evacuación de 1.000 personas.

Las pérdidas económicas ascendieron a 100 millones de euros, de los cuales el 30 por ciento del pago se destinó a la rehabilitación de edificios y el 70 por ciento a la compensación monetaria a los afectados. Afortunadamente no hubo víctimas ni heridos. El fracaso cambió abruptamente las prácticas aceptadas en la construcción de túneles en Barcelona. De hecho, hubo propuestas serias para prohibir algunas técnicas de construcción, a saber, el NATM y el método "tradicional" de construcción de túneles en suelo que requiere mucha mano de obra. Nunca se declaró ninguna prohibición oficial, pero la técnica de construcción del escudo de equilibrio de presión del suelo (EPBS) se adoptó universalmente casi de la noche a la mañana. El clamor técnico y político resultante favoreció la adopción generalizada de la excavación de escudos en las zonas urbanas, salvo casos muy especiales.

Los planes para construir un túnel para la línea ferroviaria de alta velocidad Perpignan-Barcelona entre Francia y España estaban muy avanzados cuando se produjo la falla del túnel Carmel. El nuevo túnel, de 11,55 m de diámetro, ya fue diseñado y alineado, en la mayor parte de sus 5,6 km de longitud, bajo la calle Mallorca. La fachada Gloria de la basílica de la Sagrada Familia (Basílica) linda con la calle Mallorca, de 20 m de ancho, con orientación suroeste-noreste (Figura 1). Debido al fallo del túnel Carmel, el público estaba profundamente preocupado por la construcción prevista del túnel para la línea ferroviaria de alta velocidad. La Basílica no es sólo un sitio Patrimonio de la Humanidad, sino que es un símbolo importante de la ciudad de Barcelona; su belleza es reconocida mundialmente.

La Basílica fue diseñada por el arquitecto Antonio Gaudí, el máximo representante del modernismo catalán. La construcción, que comenzó en 1882, avanzó lentamente. Sufrió un incendio en 1936, en el que se perdieron los dibujos originales de Gaudí. Afortunadamente, los modelos de yeso sobrevivieron al incendio, lo que permitió una interpretación razonable del diseño de Gaudí. En las últimas décadas, principalmente debido al apoyo económico regular brindado por los visitantes, la construcción ha avanzado a un ritmo más rápido, de modo que ahora se estima que la finalización de la basílica será alrededor de 2025.

Los funcionarios de la basílica creían que el nuevo túnel representaba un riesgo inaceptable para su estructura icónica y exigieron que se le encontrara una ruta alternativa. Finalmente, se siguió la alineación y el diseño originales del túnel. Debido a que el túnel atraviesa depósitos de arena saturados del Plioceno rígidos e irregulares y arenas arcillosas en las cercanías de la Basílica, el propietario acordó implementar medidas de protección para minimizar los movimientos inesperados del terreno de suelos sensibles a la deformación.

La Figura 2 de práctica es un esquema simple que muestra el concepto detrás de la construcción de túneles EPBS. Un escudo de acero cónico que sobresale ligeramente hacia afuera proporciona soporte frontal por medio de una rueda de corte que aplica una presión P1 a través de la cara de corte. La plataforma excava el suelo (o roca) y permite colocar el revestimiento segmentado del túnel bajo la protección del escudo. El escudo dispone de instalaciones para el montaje de las dovelas de paneles prefabricados de concreto armado que forman el revestimiento del túnel. En algunos diseños, se puede aplicar una presión P2 al suelo circundante, normalmente mediante una suspensión de bentonita, para reducir la fricción en la interfaz escudo-suelo y facilitar el avance del escudo a lo largo de la alineación del túnel. La pérdida de terreno durante la construcción de túneles EPBS es principalmente una consecuencia del espacio circunferencial entre el diámetro exterior trasero del escudo y el diámetro externo nominal del túnel construido. Se inyecta lechada presurizada (P3) desde las boquillas en la parte posterior del protector para llenar el espacio antes de que el revestimiento esté completamente instalado para resistir los movimientos del suelo. En la práctica, P1, P2 y P3 pueden variar entre límites, lo que a menudo está influenciado por la experiencia del contratista de túneles en entornos geológicos similares. Lo importante es que estas presiones ayudan a controlar las deformaciones del terreno a medida que se excava el túnel y avanza el escudo. El procedimiento simplificado estándar utilizado para estimar los daños potenciales a los edificios cercanos a la construcción del túnel se puede estimar mediante los siguientes pasos:

Paso 1: Estimar la pérdida de volumen inducida por la construcción de túneles con base en la experiencia en un perfil de suelo determinado y el desempeño esperado del EPBS.

Paso 2: Utilice reglas simples para aproximar un campo de desplazamiento, como las propuestas por primera vez por Peck en su artículo sobre los últimos avances de 1969, “Deep Excavations and Tunneling in Soft Ground”, para estimar la pérdida de volumen a nivel del túnel. Un patrón de asentamiento del suelo con forma de curva gaussiana y deformaciones horizontales proporcionan la información básica necesaria para estimar el riesgo de daños a las estructuras.

Paso 3: Suponga que el edificio afectado se comporta como una viga gruesa que sigue el movimiento “greenfield” inducido por el túnel. Como tal, el daño esperado a la construcción se puede estimar comparando los resultados con los diagramas de daño proporcionados por Boscardin y Cording en 1989, o Burland en 1995.

Estos pasos empíricos pueden sustituirse por procedimientos de análisis numéricos más rigurosos que sean más precisos porque pueden considerar explícitamente las propiedades no lineales del suelo y la influencia de diversas restricciones geométricas específicas del sitio. Si la interacción estructura-túnel se introduce en el Paso 3, el nivel de daño estimado generalmente se reduce. El factor clave detrás de la estimación del daño es que los muros de mampostería o estructuras de concreto se agrietan cada vez que la deformación de tracción principal máxima alcanza un valor crítico (≈ 10-4). La aplicación de esta información como parte de un criterio viable se realiza mediante la hipótesis de transformar los edificios en una viga gruesa (es decir, "Timoshenko").

Sin embargo, muchos edificios, especialmente aquellos que requieren una protección especial como la Basílica, no pueden transformarse razonablemente en una viga. En un edificio alto, por ejemplo, la inclinación inducida es una preocupación importante que no está relacionada con deformaciones de tracción críticas. Como tal, una estructura extraordinaria como la Basílica desafía cualquier simplificación para estimar los daños inducidos por la construcción de túneles. En tal caso, predecir los daños provocados por la construcción de túneles en las inmediaciones de una estructura como la Basílica es una tarea incierta y difícil. Por lo tanto, es una decisión acertada implementar medidas para proteger proactivamente la estructura.

Los pasos 1 y 2 pueden reemplazarse con modelos numéricos que puedan simular la complejidad de las operaciones de construcción de túneles y su efecto sobre las características estructurales correspondientes. La ventaja de los modelos numéricos es que simulan el perfil real del suelo y su descripción geotécnica, en lugar de intentar condensar la pérdida de volumen inducida por la construcción de túneles en un solo parámetro como en los métodos simplificados. Las desviaciones de 1) la hipótesis implícita de “greenfield” (ningún efecto de la estructura en el campo de desplazamiento de la superficie), 2) una representación simplificada de la estructura (una viga elástica gruesa) y 3) un perfil de suelo homogéneo puede conducir a modificaciones significativas. de la curva de asentamiento gaussiana y las deformaciones horizontales asociadas.

Sin embargo, los procedimientos numéricos pueden ser precisos si se validan con mediciones de campo, generalmente con datos de un sitio totalmente nuevo que no está influenciado por estructuras cercanas. Pero esto no es posible en la etapa de diseño. Una dificultad adicional surge cuando se intenta interpretar los desplazamientos calculados en términos de daños a la construcción. Para estar completo, las frágiles paredes y tabiques de una estructura cercana deberían incluirse en el modelo numérico para investigar el desarrollo de fisuras, pero la complejidad del modelo aumentaría hasta hacerlo inmanejable.

Como comenta Peck en su artículo, los muros profundos suelen ser una solución conveniente para proteger (es decir, aislar) un edificio sensible de las excavaciones de túneles cercanas. En la Basílica, donde se planificó la construcción de túneles para el nuevo metro, se seleccionó este procedimiento para reducir los desplazamientos del suelo causados por la construcción de túneles. El túnel perforado de 5,6 kilómetros de longitud atraviesa el barrio modernista de Barcelona, donde un gran número de casas de principios del siglo XX son un elemento distintivo. La excavación del túnel de 11,5 m de diámetro a una profundidad central de aproximadamente 20 m puede inducir desplazamientos superficiales notables en una banda de 70 a 80 m de ancho, centrada en el eje del túnel. El muro de protección (Figura 3) tiene 230 m de largo y 40 m de profundidad, con pilotes de 1,5 m de diámetro a intervalos de 2 m.

Los pilotes fueron coronados por una viga rígida y conectados estructuralmente a una viga de concreto enterrada en contrafuerte para reducir el desplazamiento horizontal de las cabezas de los pilotes. Se utilizó un análisis completo de elementos finitos para ayudar a diseñar y estimar el rendimiento de esta solución protectora. Se utilizó un modelo de endurecimiento elastoplástico para simular variaciones del módulo elástico en el rango de deformaciones pequeñas. Este modelo es una característica deseable para la predicción de desplazamientos del suelo. Se desarrolló un análisis simplificado de la interacción túnel-suelo-pared, basado en soluciones elásticas fundamentales, para aislar las principales variables que controlan la eficiencia de la opción del muro protector. En el análisis simplificado, la eficiencia del muro se define por:

El parámetro η varía entre 0 (sin efecto de muro) y 1 (máxima protección y sin asentamiento detrás del muro). El asentamiento superficial, s, se refiere a un punto en el suelo inmediatamente detrás del muro en el área protegida con los subíndices “muro perforado” y “greenfield” que se refieren a asentamientos con y sin muro, respectivamente. Unas pocas variables geométricas adimensionales controlan la eficacia del muro protector. Las variables geométricas incluyen la profundidad del eje del túnel, el radio del túnel, la distancia entre la pared y el eje del túnel y la rigidez del suelo y la pared. La eficiencia del muro es particularmente sensible a dos variables adimensionales: la relación entre la longitud del muro y el radio del túnel, y la relación entre la rigidez del muro y la rigidez del suelo. Una ventaja adicional de las soluciones semianalíticas es que incluyen explícitamente la pérdida de volumen en su formulación. Este parámetro integra información fundamental que es difícil de predecir mediante cálculos debido a la influencia crucial del manejo de la máquina y la mano de obra en los asentamientos del terreno.

En la etapa de diseño, cuando se desconocen los detalles de la máquina y la calidad de la construcción, la pérdida de volumen se puede estimar en referencia a factores como la experiencia previa en el área o en entornos geotécnicos similares, y la calidad y el mantenimiento del escudo, es decir, las herramientas de corte. Explorar el efecto de la pérdida de volumen en la eficiencia de las paredes y el daño esperado en las estructuras protegidas es un ejercicio "imprescindible". Este análisis paramétrico se ve facilitado por soluciones simplificadas. Como cualquier enfoque numérico, las soluciones semianalíticas son tan buenas como la precisión de los parámetros que las alimentan. Sin embargo, muestran tendencias ocultas que son útiles para el diseño. Esto se muestra en la Figura 4, que representa la eficiencia calculada del muro diseñado para la protección de la Basílica en términos de la relación de rigidez EsR/EwAw, donde Es, es el módulo del suelo, R es el radio del túnel, Ew es el módulo del muro. y Aw el área de la sección transversal de la pared por unidad de longitud de la pared. El gráfico indica que una relación de rigidez de alrededor de 0,01 es la mejor opción para el diseño del muro porque aumentar la rigidez del muro no mejora su eficiencia.

Sin embargo, predecir los asentamientos reales de la construcción protegida es difícil porque el asentamiento “greenfield” y la pérdida de volumen asociada son inciertos. Tenga en cuenta también que la solución semianalítica se desarrolló para paredes de longitud infinita (es decir, condiciones de deformación plana). Para aproximarse a esta condición durante la construcción, el muro de protección se extendió 50 m a ambos lados de la fachada protegida.

Los muros de protección sólo son fiables si están correctamente diseñados y construidos, pero no pueden utilizarse en todas las circunstancias. Un requisito obvio es tener suficiente espacio disponible entre el túnel y la estructura protegida para construir el muro. Cuando los túneles abandonan un recorrido controlado por calles y avenidas anchas, un muro protector ya no es viable. La Figura 5 muestra los asentamientos de calles medidos en una sección transversal de túnel adyacente a la Basílica. La figura muestra la posición del túnel y el muro de pilotes, así como los cimientos de pilotes que sostienen la iglesia. El gráfico también muestra el valle de liquidación de elementos finitos previsto para una pérdida de volumen estimada, Vs, del 0,5 por ciento. El asentamiento máximo previsto en el lado de calle del muro es cercano a los 8 mm. El asentamiento superficial máximo medido fue de 1,5 mm, o casi una cuarta parte del asentamiento máximo predicho por los análisis de elementos finitos. Esta discrepancia es consecuencia de la pérdida de volumen estimada del 0,5 por ciento. La pérdida de volumen medida es de sólo el 0,04 por ciento, muy por debajo de cualquier expectativa. La Figura 5 también muestra las diferencias menores entre las liquidaciones registradas inmediatamente después del paso de la máquina EPBS y varios meses después. No existen asentamientos a largo plazo porque la abundancia de capas arenosas ayudó a limitar los movimientos secundarios al mínimo. El perfil de asentamiento medido también muestra el éxito del muro de protección. Los asentamientos en la zona protegida ocupada por la Basílica fueron insignificantes.

A través de procedimientos simplificados que modelan un edificio como una “viga gruesa”, es posible estimar el riesgo de dañar una estructura mediante una excavación mecanizada, pero su aplicación se restringe a edificios estándar. En zonas urbanas, cuando un túnel pasa cerca de un edificio singular, es aconsejable tomar medidas de protección como muros y equipos avanzados de excavación de túneles para controlar los movimientos del suelo.

Los muros de protección son una opción confiable para aislar los edificios de los efectos de la excavación de túneles y minimizar los asentamientos y desplazamientos horizontales en el área protegida. A lo largo de la cara expuesta de la Basílica, el muro de pilotes fue muy eficaz para mitigar los efectos de los desplazamientos del suelo provocados por la construcción de túneles en los cimientos de pilotes de la estructura. Los procedimientos semianalíticos simples pueden resultar útiles para comprender la mecánica del problema y diseñar soluciones de ingeniería en la etapa de planificación del proyecto.

Debido a su capacidad para aplicar presiones resistivas laterales, las máquinas EPBS ofrecen un excelente control de las deformaciones a medida que se excava el túnel. Aunque es necesario mantener un control estricto y en tiempo real del rendimiento del edificio y del funcionamiento de las máquinas, esta es una muy buena opción. De hecho, el lado desprotegido del túnel que da a la calle (es decir, frente a la Basílica) también experimentó asentamientos y desplazamientos horizontales extremadamente pequeños. Este excelente rendimiento se atribuye al funcionamiento de la máquina y, en particular, al control eficaz de las presiones ejercidas por la máquina. Las observaciones del asentamiento indican que la contrapresión utilizada para llenar el espacio del túnel del escudo suele ser el procedimiento más efectivo para reducir la pérdida de volumen, pero las presiones de la cara y el escudo también ejercen un control significativo sobre la pérdida de volumen.

Existen límites a las presiones que puede ejercer la máquina. El primero proviene del diseño de la EPBS. Tomar presiones por encima de los límites de operación puede provocar averías en la máquina y un funcionamiento defectuoso. En el caso de la presión de frente, aumentar su valor también aumenta el riesgo de explosión, especialmente cuando la relación cubierta-diámetro del túnel es pequeña. En todos los casos, presiones demasiado altas pueden provocar levantamientos en la superficie. Sin embargo, hay margen para presiones que oscilan entre límites aceptables para controlar las pérdidas de volumen y, por tanto, los movimientos del suelo. En general, el control de presión es probablemente uno de los mejores, si no el mejor, procedimiento para controlar la pérdida de volumen durante la tunelización EPBS.