Definición del proceso constructivo y simulación numérica tridimensional del conjunto de medidas de refuerzo requeridas para la construcción del ‘telescopio de Lugaritz’; caverna de sección variable diseñada para posibilitar la bifurcación de la vía ferroviaria existente, línea Lasarte-Hendaia de ETS, hacia la nueva variante ferroviaria de Donostia.

Presentamos en este artículo una propuesta constructiva sencilla y adecuada para materializar el ’telescopio de Lugaritz’; tramo de túnel en mina de grandes dimensiones definido para posibilitar la bifurcación de la vía existente, línea Lasarte-Hendaia de ETS-Euskal Trenbide Sarea, hacia la nueva variante ferroviaria de Donostia. Dicho elemento viene formado por un primer tramo de aproximadamente 70 m de longitud y 15,8 m de ancho; posteriormente, a lo largo de una longitud de 20 m, se acomete un incremento gradual de sección hasta alcanzar los 19,5 m de ancho. Tras el 'telescopio', el trazado de ambas líneas discurrirá por túneles independientes. La peculiaridad de este diseño radica en que el “telescopio” debe ejecutarse permitiendo el tráfico ferroviario de la línea existente, al menos por una vía. El análisis tensodeformacional se realiza mediante software de diferencias finitas FLAC^3D; de esta manera es posible determinar los principales efectos que genera la apertura de la cavidad sobre el sistema integrado por terreno y elementos de refuerzo de las perforaciones, nuevos y existentes, según un proceso constructivo multifase, tal y como se detalla en el texto.

El ‘telescopio de Lugaritz’ se ejecuta para posibilitar la bifurcación de la vía existente, línea Lasarte-Hendaia de ETS, a la salida de la estación de Lugaritz, hacia el tramo ‘Lugaritz-Miraconcha’ (Metro-Donostialdea), de lo que constituye la variante ferroviaria de Donostia, entre Lugaritz y Anoeta. Para ello se diseña una caverna de sección variable, de aproximadamente 90 metros de longitud, en sustitución del túnel existente.

Estos trabajos se enmarcan dentro de los contratados por Euskal Trenbide Sarea, ente público dependiente del Departamento de Desarrollo Económico e Infraestructuras, con la empresa Prointec S.A. (UTE Miraconcha).

La nueva propuesta ferroviaria, que dotará de sistema de metro al centro de la capital donostiarra, viene constituida por un tramo subterráneo de unos 4,2 kilómetros, que se divide a su vez en los tramos ‘Lugaritz-Miraconcha’ y ‘Miraconcha-Easo’.

Esta variante se inicia a unos 100 m de la actual estación de Lugaritz, en lo que hemos denominado el ‘telescopio de Lugaritz’, y finaliza en el tramo soterrado de Morlans. El nuevo trazado discurre próximo a las zonas bajas de la ciudad (Antiguo, Centro y Amara), planteándose la ejecución de tres nuevas estaciones: Benta-berri, Centro-La Concha y Easo.

El presente artículo muestra sucintamente el diseño realizado en el Proyecto de Construcción, para la ejecución del ‘telescopio de Lugaritz’, dando servicio, al menos, a una de las vías actuales.

Este condicionante complica la ejecución de las obras, planteándose para ello un proceso constructivo singular, modelizado en sus diferentes fases mediante el programa de diferencias finitas FLAC^3D. De esta manera es posible tanto estimar el nivel de tensiones y de deformaciones inducido al terreno y al revestimiento del túnel existente (que debe permanecer en servicio durante parte del proceso constructivo), como definir el conjunto de medidas de refuerzo de la nueva caverna que mejor se adapten a las condiciones geotécnicas previstas.

El trazado del túnel (tramo ‘Lugaritz-Miraconcha’) atraviesa dos formaciones litoestratigráficas o litotipos diferenciados. En términos generales, el Flysch detrítico calcáreo (FC) es más antiguo (Cretácico superior) y está formado por una alternancia de calizas arenosas, margas y areniscas calcáreas de orden centimétrico a decimétrico. El denominado Maastdaniense (C-T) está formado por margocalizas masivas o bien estratificadas en niveles decimétricos a métricos.

Comparado con el Flysch, el Maastdaniense en general es más masivo, aparece menos fracturado y es menos meteorizable, lo cual pudo comprobarse en los numerosos sondeos perforados en esta formación.

El ‘telescopio de Lugaritz’ se ubicará íntegramente en materiales tipo Flysch. En la tabla siguiente se muestran los parámetros geotécnicos de cálculo (Modelo constitutivo de Mohr-Coulomb) adoptados para la simulación numérica del proceso constructivo y estudio tenso-deformacional de medidas de refuerzo.

La obtención de los parámetros geotécnicos del macizo rocoso se realizó, por su sencillez y fiabilidad, aplicando el criterio de rotura generalizado de Hoek-Brown (2002), mediante programa informático RocLab.

(*) El cálculo numérico para el estudio del ‘telescopio de Lugaritz’ se realiza asumiendo un grado de alteración del macizo rocoso elevado (GM IV), superior al obtenido en los sondeos realizados, teniéndose en cuenta la relajación producida por la ejecución del túnel actual.

Según los datos de Proyecto, la montera de la caverna, espesor de terreno entre superficie y clave, es de 45 metros.

En los ensayos de permeabilidad realizados (Lugeon) en el sustrato rocoso se han obtenido permeabilidades muy bajas, del orden de 10-7 cm/s en las zonas menos fracturadas y 10-5 cm/s en la más fracturadas, por lo que, salvo en zonas de fallas, no es esperable la aparición de caudales considerables en la excavación.

En los sondeos realizados los valores de RQD obtenidos son muy elevados, generalmente superior al 80%, lo que indica una fracturación muy baja del macizo y por tanto una circulación de agua pequeña, siendo muy impermeable el conjunto del macizo rocoso.

La sección tipo del túnel existente, línea Lasarte-Hendaia de ETS, se muestra a continuación.

La geometría del nuevo túnel, en lo que sería la variante ferroviaria de Donostia, se indica en la siguiente figura.

La geometría en planta de la zona del ‘telescopio de Lugaritz’, en donde se produce la bifurcación de la vía, se muestra en la siguiente figura. La composición geométrica de dicha caverna consta de un primer tramo de sección constante, de 68,25 m de longitud y 15,8 m de ancho; y de un segundo tramo de sección variable, de 20,5 m de longitud, en el que se incrementa el ancho de la caverna hasta un máximo de 19,5 m. Posteriormente, el trazado de ambas líneas discurre por túneles independientes.

Incluimos a continuación una sección transversal por el P.K 0+096,75 (los puntos kilométricos vienen referenciado al trazado de la nueva variante ferroviaria), sección con ancho máximo.

La caverna del ‘telescopio de Lugaritz’ debe realizarse dando servicio, al menos, a una de las dos vías actuales. Este condicionante obliga a un proceso constructivo multifase, tal y como se indica a continuación:

• Fase 0. Excavación de túnel proyectado hacia túnel existente (Línea Lasarte-Hendaia, tramo Lugaritz-Amara); en sentido contrario de PK’s // Ejecución de dados de cimentación para carcasa de protección en entrevía de túnel existente (en franjas nocturnas) // Ejecución de galería de avance paralela al trazado del túnel actual, desde PK 0+096,75 a PK 0+008; se hace coincidir la geometría de excavación de la galería con la geometría del hastial izquierdo del futuro ‘telescopio’. Separación mínima entre hastial de galería y túnel existente de 2,0 m. Ambas vías permanecen en servicio.

• Fase 1. Corte de vía izquierda (V1) // Colocación de mamparo de protección intermedio // Refuerzo de revestimiento en lado izquierdo de túnel existente, mediante la disposición de bulones de fibra de vidrio Ø25 mm, L=4,0 m y malla 1,0x1,0 m.

• Fase 2. Corte de vía derecha (V2) y paso ferroviario a vía izquierda (V1) // Demolición de lado derecho de revestimiento de túnel existente. Perfilado de perímetro de excavación de ‘telescopio’ y sostenimiento de dicha zona (Hastial derecho, hasta la clave del túnel existente) // Colocación de visera o carcasa metálica de protección sobre vía derecha (V2).

• Fase 3. Corte de vía izquierda (V1) y paso ferroviario a vía derecha (V2) // Apuntalamiento de revestimiento de túnel existente sin demoler // Excavación y sostenimiento de sección superior de caverna, manteniendo intacto el revestimiento del túnel existente // Demolición de revestimiento de túnel existente; excavación parcial de contrabóveda de caverna.

• Fase 4. Hormigonado parcial de contrabóveda de caverna // Ejecución de superestructura en vía izquierda (V1) // Colocación de visera de protección en vía izquierda (V1).

• Fase 5. Corte de vía derecha (V2) y paso ferroviario a vía izquierda (V1) // Desmontaje de vía derecha (V2) y demolición de lado derecho de contravóbeda de túnel existente // Finalización de contrabóveda de caverna y hormigonado de revestimiento de caverna.

A continuación se muestra esquemáticamente el sistema de encofrado propuesto para la ejecución del revestimiento de la caverna, así como su interacción con la vía en servicio y visera de protección.

Debido a que la longitud de la caverna es relativamente pequeña, apenas 90 metros, se diseña un único tipo de sostenimiento, previsto para un valor de RMR no inferior a 30 (Grado de alteración IV) en terreno tipo Flysch y montera de 45 m aproximadamente. El sostenimiento del ‘telescopio de Lugaritz’, consta de los siguientes elementos:

• 5 cm de hormigón proyectado en capa de sellado.
• Malla de bulones en roca tipo Swellex Mn-16. L= 4 m. Malla 1(T) x 1(L) m.
• 25 cm de Hormigón Proyectado Reforzado con fibras (HRP-30), con una dosificación de fibras metálicas de 30 kg/m³. La colocación del hormigón se realizará por capas sucesivas de máximo 10 cm de espesor, hasta alcanzar el espesor requerido.

Debido a que el proceso de ejecución del 'telescopio' se realiza por fases (ver apartado 5), el empleo de cerchas presentaría una eficiencia estructural muy reducida, al tratarse de tramos discontinuos, que solo se cerrarían en las últimas fases del proceso constructivo.

En relación a la galería de avance, el sostenimiento propuesto es similar al definido para la caverna, con la salvedad de que la parte interior de la galería, que será demolida durante la ejecución de la caverna, está formada por bulones de fibra de vidrio Ø25 mm, L=4,0 m y malla 1,0x1,0 m. Dado que el trazado de la galería discurre en paralelo al túnel existente, a una separación mínima de 2,0 m, para evitar interferencias con el túnel existente, se reduce la longitud de los bulones a L=1,50 m.

El revestimiento de la caverna, constituido por 40 cm de espesor en corona superior y 50 cm en contrabóveda, se ejecutará mediante hormigón en masa encofrado tradicional reforzado con fibras, del tipo HMF-30. El hormigón se reforzará mediante la adición de fibras metálicas (35 kg/m³) y microfibras de polipropileno (de 6 mm de longitud, 18 µm de diámetro, 164°C de punto de fusión, sección circular y sistema de monofilamentos) (0,9 kg/m³).

Con objeto de caracterizar tenso-deformacionalmente el conjunto terreno-sostenimiento en las situaciones de cálculo más desfavorables que pudieran darse durante las distintas fases de ejecución de la caverna del ‘telescopio de Lugaritz’, se realiza una completa simulación numérica mediante programa informático de diferencias finitas FLAC^3D.

Dicho software de cálculo geotécnico permite realizar un análisis integral del problema que representa la ejecución de cualquier tipo de obra subterránea, a lo largo del tiempo y bajo las más adversas y variables condiciones geotécnicas. Dicho programa de diseño permite simular el ordenamiento (geométrico y temporal) de las distintas actividades constructivas, lo que proporciona un compromiso razonable entre seguridad y costes.

El análisis tensional de los elementos volumétricos de refuerzo, hormigón proyectado en sostenimiento y hormigón encofrado tradicional en revestimiento, se establecerá en base al tensor de tensiones principales en cada punto (mínimas-s1-compresiones y máximas-s3-tracciones, según criterio FLAC^3D); del tal forma que si dichas tensiones principales no superan los máximos admisibles (a compresión y a tracción) se garantiza un comportamiento elástico y lineal del elemento, sin posibilidad de plastificación ni rotura. Aunque este criterio resulta conservador, pues no permite la redistribución de esfuerzos por la formación de rótulas plásticas, parece aceptable.

La caverna del ‘telescopio de Lugaritz’, de unos 90 m de longitud, presenta una sección transversal de geometría variable a lo largo de su longitud. Para la realización del modelo numérico se toma la situación de cálculo más desfavorable, representada por la sección de excavación de mayores dimensiones (19,5 m de ancho). La altura de montera sobre clave es de 45 m, el modelo constitutivo del terreno de Mohr-Coulomb y los parámetros de diseño, aquéllos recogidos en la tabla 1.

Las condiciones iniciales del terreno, antes de proceder con la excavación, se establecen suponiendo que las tensiones verticales son función de la carga litostática en cada punto. Las tensiones horizontales se obtienen multiplicando las tensiones verticales por el coeficiente de empuje al reposo K0.

Se considera que se alcanza el equilibrio en cada pase de excavación, cuando el ratio de fuerzas no equilibradas (‘Unbalanced Forces’) es menor a 5x10-6. Además de este ratio se comprueba que los desplazamientos en los diferentes nodos del modelo numérico, principalmente en aquéllos situados en clave y hastial de excavación, se han estabilizado.

Fases de cálculo

Para el desarrollo del modelo de cálculo hemos tratado de ajustarnos al máximo al proceso constructivo indicado anteriormente, ya que el estado tenso-deformacional de los distintos elementos depende en del mismo. Así pues se desarrolla un modelo numérico FLAC^3D con las siguientes fases de cálculo:

• Fase A. Ejecución de túnel existente, línea Lasarte-Hendaia de ETS. Esta primera fase se desarrolla para aproximar el estado tensional inicial en el que previsiblemente se encontrará el túnel con anterioridad a la apertura de la caverna.

Figura 13. Modelo numérico FLAC^3D. Fase A.

• Fase B. Excavación y refuerzo de la galería provisional. La geometría de la galería viene formada por un arco superior de radio 2,75 m sobre hastiales rectos de 2,41 m de alto. Se hace coincidir la geometría de excavación de la galería, con la geometría del hastial izquierdo del telescopio.

Figura 14. Modelo numérico FLAC^3D. Fase B.

• Fase C. Refuerzo de lado izquierdo de revestimiento de túnel existente (mediante la instalación de bulones de fibra de vidrio Ø25 mm, L=4,0 m y malla 1,0x1,0 m). Demolición de lado derecho de revestimiento de túnel, perfilado de perímetro de excavación de “telescopio” y refuerzo de dicha zona (Hastial derecho de caverna).

Figura 15. Modelo numérico FLAC^3D. Fase C.

• Fase D. Excavación y sostenimiento del resto de la caverna.

Figura 16. Modelo numérico FLAC^3D. Fase D.

Elementos de sostenimiento

Las medidas de sostenimiento se ajustarán a las especificaciones incluidas en la figura 12. Se ha considerado un pase de avance de 2,0 m, tanto para la ejecución de la galería provisional, como para la excavación y refuerzo de la caverna principal (parte superior y contrabóveda).

Los elementos de hormigón, tanto en sostenimiento como en revestimiento, deberán asegurar una resistencia característica mínima a compresión (f_ck) de 30 MPa. Tomando un coeficiente de minoración de la capacidad resistente de ɣ_c=1,5 (Cargas persistentes y transitorias), se obtienen los siguientes valores de cálculo: f_cd = 20,00 MPa / f_{ct, d} = 1,34 MPa (Tracción).

La principales características técnicas del tipo de bulones elegido (bulones de expansión friccionantes Swellex Mn-16), según especificaciones de la casa Atlas Copco, serán: Presión de inflado 240 bares / Carga de rotura nominal 160 KN / Límite elástico 100 KN / Diámetro del tubo expandido 54 mm. Para la modelización numérica se toma un carga máxima admisible de 100 KN (10 ton).

La carga de trabajo límite estimada para los bulones de fibra de vidrio Ø25 mm será de 153 KN (~15 ton).

Para la modelización numérica del hormigón proyectado en sostenimiento, se ha optado por la siguiente ley de endurecimiento:

La rigidez del hormigón proyectado se establece en base a su resistencia a compresión simple, ajustándose a la siguiente expresión:

Ej = 491,65 * f_cj (Ensayos Geocontrol, Año 2000).

Resultados del modelo numérico

En la siguiente tabla se muestra el conjunto de resultados obtenidos del modelo numérico FLAC^3D, para cada una de las fases de la simulación:

Tabla 3. Resumen de resultados. Cálculos tenso-deformacionales FLAC^3D.

El estado tensional inicial establecido para el túnel existente viene basado en un cierto porcentaje de desconfinamiento del terreno, previo a la colocación del revestimiento; lo que representa una aproximación teórica al problema, por el desconocimiento del proceso constructivo seguido. En cualquier caso, la distribución tensional obtenida parece razonable, estudiándose en fases posteriores de análisis el incremento de tensiones inducido al revestimiento existente.

Según se muestra en la tabla 3, los valores de tensión y deformación alcanzados por los elementos de sostenimiento no superan, en ningún caso, los máximos admisibles. Las siguientes figuras muestran los resultados gráficos obtenidos con FLAC^3D, particularizados para la fase C del proceso constructivo:

Figura 19. Axiles en bulones. Fase C.

Figura 20. Compresión en hormigón proyectado y revestimiento de túnel existente (Tensión principal menor s1). Fase C.

Con respecto a las afecciones que sobre el revestimiento del túnel existente pudiera generar la apertura de la galería provisional, debemos indicar que éstas serán mínimas pues, según se muestra en la figura 21, la corona de terreno plastificado formada alrededor de la galería es reducida, sin efectos significativos sobre el túnel existente, pues el terreno en el que se ubica permanece en régimen elástico (sin perder la capacidad de autosoporte).

Al hilo de lo comentado, la figura 22 muestra como los desplazamientos horizontales que genera la apertura de la galería, no alcanzan el hastial interior del actual túnel.

En relación al estado tensional del revestimiento del túnel existente, la máxima compresión alcanzada pasa de 14,65 MPa en fase inicial, a 15,99 MPa tras la apertura de la galería y, finalmente, 16,54 MPa, tras la apertura del hastial derecho de la caverna. Es decir, se produce un incremento tensional de 1,89 MPa, perfectamente admisible, en vista del buen estado actual que presenta este túnel.

La transición entre fases B y C, incluyendo la demolición del hastial derecho del túnel existente, se traduce en un descenso del terreno en clave de 6,0 mm; valor inferior al 1,0% del radio del túnel (3,8 cm), límite considerado como admisible.

En relación a la corona de terreno plastificado en las inmediaciones del perímetro de excavación, se puede observar un efecto de intensa plastificación en hombros, con gran influencia del proceso constructivo planteado. A este respecto indicar que la excavación convencional de la caverna mediante NAMT (avance y destroza), resultaría en una corona de plastificación de espesor más o menos constante a lo largo del perímetro de excavación, en función, claro está, de la geometría de la perforación y del valor de K₀ adoptado.

Cálculo de revestimiento

El análisis FLAC^3D se inicia con la modelización numérica del proceso de excavación y refuerzo primario, que representa una situación de cálculo a ‘corto plazo’.

Posteriormente, se simula la ejecución del revestimiento definitivo que, en esa situación de equilibrio a corto plazo, tras la estabilización de las convergencias, no trabaja.

Sin embargo, con el paso del tiempo aparecen nuevas solicitaciones (por efecto del agua, de la degradación de los elementos que componen el sostenimiento provisional –principalmente elementos metálicos-, por degradación de las propiedades resistentes del macizo rocoso, eventos sísmicos, etc) que pudieran provocar un incremento tensional significativo en el revestimiento.

A este respecto se desprecia el efecto del sismo, pues el valor de la sísmica es de ac = 0,04 g (según el ‘Mapa de peligrosidad sísmica de España’), valor inferior a 0,2 g, que marca el inicio de los daños en las estructuras (según el ‘Criterio de daños sísmicos de Dowding’).

Así mismo se asume que no existirá carga de agua en el trasdós del revestimiento, ya que a la profundidad a la que se sitúa el túnel, la apertura de fisuras es tan reducida que no se permite la conectividad hidráulica entre los distintos niveles de agua del macizo.

En cuanto a la degradación a ‘largo plazo’ que pudieran sufrir los elementos de sostenimiento, se considera que los elementos metálicos (bulones) no colaboran. Por otro lado, se asume que el hormigón proyectado experimenta un empeoramiento de sus propiedades mecánicas. Así pues, aplicando el criterio de reducción del módulo de elasticidad del hormigón por efectos de fluencia recogido en el Eurocódigo 2, se tiene:

• Ec (28 días) = 14.750 MPa
• Ec (“a largo plazo”) = 3.327 MPa

Para estimar el grado de deterioro del terreno a largo plazo, se considera, del lado de la seguridad, una reducción del índice GSI al 80% de su valor inicial; procedimiento habitual seguido por el profesor HOEK ⁽¹⁾.

⁽¹⁾ La cuantificación de pérdida de propiedades, o empeoramiento de los parámetros geotécnicos del terreno, realizada a través de la reducción del valor del GSI hasta un determinado porcentaje de su valor inicial, está en la línea de lo indicado por el profesor Hoek en el texto: 'Overcoming squeezing in the Yacambú-Quibor tunnel, Venezuela (2009)'. En este caso, mediante cálculos retrospectivos de convergencias en túneles, se comprueba que la degradación de las propiedades del terreno, a causa del desarrollo de procesos de fluencia extrema a largo plazo, se ajusta a una reducción del índice GSI de hasta el 50% de su valor inicial.

Así pues, en base a lo que acabamos de comentar y como dijimos, asumiendo una reducción del GSI del 80%, se incluyen en la tabla siguiente los parámetros geotécnicos de cálculo adoptados para el diseño del revestimiento del 'telescopio':

(*) El coeficiente de Poisson permanece constante.

Según los anteriores supuestos se obtienen unos valores de tensiones en el revestimiento muy reducidos (C_max=3,5 MPa < f_cd = 20,0 MPa // T_max=0,5 MPa < f_{ct, d} = 1,34 MPa), que en ningún caso alcanzan los límites resistentes del hormigón.

Figura 25. Compresiones - tensión principal menor s1 - en revestimiento de 'telescopio' (Pa).

Figura 26. Tracciones - tensión principal mayor s3 - en revestimiento de 'telescopio' (Pa).

Al equipo de Prointec, por el magnífico trabajo realizado durante la redacción del Proyecto. En especial a Miguel Guerrero Igea, jefe de Proyecto y autor del mismo.

A Clemente Sáenz Sanz, por la magnífica labor realizada durante la ejecución del Proyecto.

Al Departamento de Proyectos de ETS- Euskal Trenbide Sarea, por el asesoramiento y colaboración prestada.

Referencias

[1] INSTRUCCIÓN DE HORMIGÓN ESTRUCTURAL EHE-08

[2] MANUAL FLAC3D Version 5.0. Itasca Consulting Group Inc.

[3] INSTRUCCIONES Y RECOMENDACIONES PARA REDACCIÓN DE PROYECTOS DE PLATAFORMA, IGP-2011. Administrador de Infraestructuras Ferroviarias (ADIF).

[4] RECOMENDACIONES GEOTÉCNICAS PARA EL PROYECTO DE OBRAS MARÍTIMAS Y PORTUARIAS, ROM 0.5-05.

[5] GUÍA DE CIMENTACIONES EN OBRAS DE CARRETERA. MINISTERIO DE FOMENTO. Septiembre de 2002.

[6] EUROCODE 2: DESIGN OF CONCRETE STRUCTURES.

[7] HOEK, E. AND GUEVARA, R. Overcoming squeezing in the Yacambú-Quibor tunnel, Venezuela. Rock Mechanics and Rock Engineering, Vol. 42, No. 2, 389 - 418. Año 2009.