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Solución técnica al desprendimiento en una galería de un túnel en Guatemala

Fermín Rivero Montera, jefe de Túnel en Proacon Guatemala / Francisco José Salvanés Huertas, responsable de Cimentaciones en Proacon / Antonio Alonso Jiménez, director adjunto de Proacon11/02/2016

La central hidroeléctrica objeto de esta actuación está ubicada en el municipio de El Nuevo Palmar, en el departamento de Quetzaltenango (Guatemala). Dentro de las obras ejecutadas por Proacon para este aprovechamiento hidroeléctrico se incluye la construcción de un túnel de 1.890 metros y sección en forma de baúl de 3,45 metros de ancho por 3,45 metros de alto. La excavación de dicho túnel se realiza por dos bocas. Durante la excavación de la boca de entrada en el Pk 524 se produce el colapso de la galería al encontrarse el fondo de un paleocauce con presencia de arenas saturadas de agua. El objeto de este artículo es describir las las actuaciones tomadas con el fin de reanudar los trabajos de excavación del túnel salvando la zona afectada.

1.- Situación previa al colapso

La descripción del frente previa al colapso se resume como continua:

  • En la zona superior se observa una zona blanquecina, muy arcillosa, de comportamiento jabonoso.
  • Por debajo de la zona blanquecina, se observan unas arenas finas negras.
  • La zona central-inferior se caracteriza por la presencia de niveles de arcilla con abundante pómez que buzan en unos 30 grados de HD hasta HI.
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Pase 109 (PK 0+515.5)

El día 24 de abril, en el PK 0+519 se empieza a observar la presencia de agua en forma de goteos (en la figura 2 se observa el tono más oscuro del hombro derecho). Una inspección algo más detallada de los materiales del frente deja en evidencia el comportamiento algo expansivo y jabonoso de las arcillas de la clave, y la composición arenosa del paleocauce del hombro derecho.

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Frente de excavación en el PK 0+522.

2.- Descripción de los hechos

El día 26 de abril se produce el colapso del túnel al hacer el avance y encontrarse con una capa de arena con agua en caudales de 1.500 l/min. El elevado flujo de agua provoca la lixiviación de las arenas y gravas, dando lugar a una lengua de material que tapa unos 250 metros de galería.

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Lengua de arena producto del colapso.
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Nivel de agua a lo largo de la galería.

Para evacuar el agua se tuvo que triplicar la potencia y volumen de extracción, así como acondicionar nuevas tuberías que permitieran sacar el agua fuera. Una vez bombeada el agua de la galería, se procede al desescombro del material colapsado hasta llegar al frente original de avance con intención de comenzar con labores de refuerzo en la zona vaciada.

Al principio de la rezaga el material se comporta bien, sin embargo, en las fases finales de la rezaga, cuando ya se hubo alcanzado el punto programado, el frente colapsa de nuevo con idénticos resultados que la primera vez formándose nuevamente una lengua de arena de 250 metros de longitud y nuevamente inundándose el túnel.

En esta segunda ocasión y caminando encima del derrabe se consigue alcanzar la última cercha colocada, pudiendo apreciar al frente las dimensiones (aunque no completas) de la caverna existente: unos 15 metros de longitud, unos 15 metros de altura, y unos 10 metros de anchura. En el sector izquierdo se observaba la pared y algo de frente estable en lo que a distancia parecían las brechas volcánicas (material más arcilloso y competente con presencia de gravas). Después de una inspección de la caverna se pueden definir las dimensiones de la caverna formada, así como estimar la situación geológica por delante de la excavación actual.

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Planta, alzado y perfil de la caverna colapsada.

3.- Solución alternativa

A la vista de los resultados obtenidos en las actuaciones realizadas, se evalúa la opción de desviar el túnel con el fin de seguir con la excavación evitando atravesar y reparar la caverna.

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Planta de nuevo eje.

4.- Investigaciones realizadas

Con el fin de determinar la disposición de los materiales en el sector de túnel colapsado, y así determinar el recorrido óptimo para su excavación, se realizaron un total de 3 perfiles geofísicos mediante el sistema de sísmica híbrida. Del mismo modo, y aprovechando la presencia del equipo en el país, se decide ejecutar un cuarto perfil en el sector de la quebrada del PK aproximado 1+050.

Para una correcta interpretación de los datos fue necesario efectuar un levantamiento de detalle de la topografía de las líneas ejecutadas mediante la geofísica.

El método de investigación de sísmica híbrida es una combinación entre la sísmica de reflexión con la técnica de tomografía de sísmica de refracción, aprovechando de una metodología de adquisición unificada. Una vez adquiridos los datos experimentales, estos son interpretados sea con la metodología de refracción que con la de reflexión, proporcionando una interpretación final híbrida que permite proporcionar útil información para la caracterización del macizo:

  • Velocidad sísmica tomográfica de las ondas P de los litotipos superficiales por medio de la refracción.
  • Velocidad sísmica intervalo hasta elevada profundidad por medio de la reflexión.
  • Ubicación de las discontinuidades y contactos, por medio de ambas metodologías para la porción superficial y hasta elevada profundidad por medio de la reflexión.
  • Información sobre zonas de debilidad asociables a disminución de las velocidades sísmicas.

La técnica consiste en la adquisición de los datos de campo, que posteriormente son procesados matemáticamente en gabinete. Finalizado el procesamiento matemático, se procedió a calibrar dichos resultados con la información geológica disponible: sondeos de investigación y proyección de los levantamientos de los frentes de excavación.

Desgraciadamente, la profundidad del túnel y las características geotécnicas de los materiales hacen que los resultados obtenidos no muestren el detalle de las estructuras presentes en el túnel. Se observa cierta correlación entre las anomalías de las señales y los cambios litológicos registrados. En los perfiles entregados se destacan con líneas de colores aquellas anomalías o cambios más o menos claros, que podrían corresponder a los diferentes cambios litológicos y estratigráficos.

En función del detalle requerido y de la profundidad del túnel, se definió la interdistancia geofónica de 5 y 10 metros, necesarios para obtener una cobertura en profundidad adecuada. Los perfiles han sido adquiridos con disparos ubicados en cada geófono más energizaciones externas, necesarias para la reconstrucción de modelos tomográficos confiables y para la interpretación de los datos con metodología de reflexión, alcanzando una cobertura adecuada.

La secuencia de procesamiento aplicada a los datos experimentales se somete a un análisis específico de datos para tener en cuenta las características geológicas locales, la morfología de los perfiles y las dificultades de acceso. Se puede subdividir en los siguientes tres pasos principales:

  • Pre-procesamiento, para la preparación de los datos.
  • Procesamiento enfocado al mejoramiento de la señal con respecto al ruido.
  • Procesamiento para el análisis de velocidades y generación del perfil.

5.- Interpretación geológica de los resultados

Línea sísmica 1

En estos perfiles se reconocen tres campos o capas geofísicas con velocidades menores a los 1.750 m/s, la frontera con la capa inferior es ligeramente ondulada e inclinada hacia el suroeste (dirección de avance del túnel) que es la tendencia regional de la estratificación de los volcano-sedimentos. Es evidente que esta capa corresponde a los depósitos de flujos piroclásticos, las tobas poco y medianamente consolidadas.

La segunda capa presenta fuertes cambios laterales de la velocidad desde menores que 1.000 m/s hasta superiores a los 2.500 m/s, la frontera con la tercera capa es ondulada y mucho más irregular que la frontera superior, consecuentemente su espesor es muy variable. Conforme ya es conocido de la geología regional, esta capa corresponde a los depósitos de lahares, las brechas volcánicas. El tramo en el que se produjo la formación de la caverna se encuentra entre las líneas sísmicas transversales 3 y 4, según el modelo geofísico presentado las velocidades en el sector serían mayores que los 6.000 m/s aunque la sísmica convencional no alcanzó la cota del túnel. La velocidad en este tramo sin duda es exagerada ya que no debería sobrepasar de los 2000 m/s, lamentablemente no se observa en este perfil una anomalía de velocidad o estructural que arroje más información sobre los sedimentos sueltos y saturados en los que se produjo el incidente. Existe un brusco cambio lateral de la velocidad, posiblemente ocasionado por cambios en la concentración de fragmentos en las brechas y cambios en la saturación y consolidación de la matriz tobácea.

La capa más profunda no pudo ser atravesada por la sísmica de refracción, sus velocidades parecen ser muy altas sobrepasando los 3.000 m/s, lo cual perfectamente puede atribuirse a un basamento cristalino, la sísmica de reflexión define formas parabólicas que seguramente representan la estructura del basamento, aproximadamente entre las abscisas 0+650 y 0+700 está marcado por el geofísico una posible zona de falla en la cual se produce una cambio brusco de la velocidad y también produce una variación en las formas estructurales del basamento. Para efecto de la excavación del túnel se recomienda mantener como hipótesis a ser comprobada la posible presencia de una zona de falla entre las abscisas indicadas a pesar de que esa anomalía no es muy evidente al nivel de la cota del túnel, se hace muy notoria a mayores profundidades.

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Interpretación de los flujos de los productos volcánicos procedentes de los centros de emisión que rodean a la zona (lahares y lavas fluidas de gran alcance). En rojo los de Santiaguito y Santa María reciente; en magenta los del antiguo Santa María; en amarillo los más recientes que pueden tener varios orígenes; cian para los antiguos Santo Tomás, y; verde para los del Santo Tomás reciente. El sitio del problema esta marcado con un pequeño punto naranja.

Línea sísmica 2

Este perfil resulta interesante por cuanto tiene un punto de comprobación importante como es la perforación PS-4 cuya boca pozo se encuentra en la cota 751,3 y alcanzó una profundidad de 62,49 metros (hasta la cota 688,81) destacándose que en la cota 727,08 se encontró el contacto entre las tobas pumíticas y las brechas volcánicas. El contacto entre estas dos unidades principales está definido por estratos de materiales retrabajados tanto de las tobas como de las brechas que en conjunto tienen un espesor de aproximadamente dos metros entre las cotas 729,15 y 727,08. El perfil sísmico y la perforación se complementan bastante bien, las tobas tienen velocidades menores a los 1200 m/s en tanto que las brechas van desde esta velocidad hasta sobrepasar los 2000 m/s. Sin duda las velocidades más altas corresponderán a los depósitos más consolidados y con un elevado contenido de fragmentos rocosos.

Línea sísmica 3

Esta línea transversal cruza al eje del túnel aproximadamente en la abscisa 0+530 y en el perfil el túnel se encuentra algo antes del geófono 24 en la cota 690 aproximadamente.

Al igual que en los anteriores son visibles las tres capas ya mencionadas, la diferencia observada es que las velocidades promedias parecen ser más bajas. La frontera entre las capas superior e intermedia que correspondería al contacto entre tobas y brechas, es prácticamente horizontal sin embargo existe una notoria pérdida de continuidad lateral y vertical que el geofísico lo ha marcado como fallas, cualquiera sea la causa, se encuentra fuera del área de influencia del túnel.

En los dos perfiles, el túnel se encuentra en la tercera capa, en un nivel en el que las velocidades se encuentran entre 1500 y 2000 m/s que sin duda son esperadas en las brechas. No se observan claras anomalías geofísicas que aporten con datos que permitan hacer ajustes a los modelos geológicos en la zona de la caverna.

Línea sísmica 4

En este perfil el túnel se encontraba más bajo del límite de exploración con la sísmica convencional, por el contrario fue cubierto completamente por la sísmica de reflexión a pesar de lo cual no es evidente la presencia de alguna anomalía en el sector donde se encuentra el túnel.

6.- Retro-análisis - Nivel de arenas-limosas negras saturadas

Se ha realizado un retro-análisis a partir de los datos disponibles y los acontecimientos ocurridos con el fin de obtener una aproximación lo más real posible de los parámetros geomecánicos del nivel de arenas limosas.

Partiendo de la descripción obtenida de la inspección de la caverna, se conforma el modelo geométrico de los niveles encontrados, así como la presión de agua. Las características geomecánicas de los materiales correspondientes a las tobas y brechas se toman del proyecto, ya que a lo largo de la excavación se ha podido comprobar el ajuste de su comportamiento. El objetivo es conseguir un área de plastificación de dimensiones similares a las de la caverna. Así, se modifican sucesivamente las características de las arenas negras hasta conseguirlo.

Con la simulación realizada, se obtiene aproximadamente la dimensión observada de la caverna como zona de plastificación.

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Plastificación de túnel conseguida en el retro-análisis.

Los parámetros obtenidos para las arenas negras son los siguientes:

  • Densidad= 2 Tn/m³
  • Cohesión = 0,2 Kg/cm²
  • Angulo de rozamiento interno= 35°
  • Módulo de Young= 1000 MPa
  • Coeficiente de Poisson = 0,3

Una vez obtenidos los parámetros del material de modo que se ajuste al efecto producido, se emplean dichos parámetros para obtener el sostenimiento adecuado para evitar que ocurra de nuevo un problema similar. Este sostenimiento sólo es válido para niveles de arenas negras saturados. Tomando una estructura similar a la encontrada, se considera ahora sin embargo, un nivel de agua inferior, dado que se mantiene abierto el tramo de conducción colapsado a modo de dren.

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Modelo geológico para el cálculo de sostenimiento de las arenas negras.

Como se comentaba en el apartado anterior, se han considerado los parámetros ya establecidos en proyecto para las tobas y brechas, mientras que para las arenas negras, los obtenidos en el retro-análisis. Con estos datos, se obtiene que la deformación esperable una vez excavado es muy elevada. Dicha deformación es especialmente apreciable en la solera.

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Resultados obtenidos – deformación esperable.
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Factores de seguridad y capacidad del soporte.

7.- Procedimiento de trabajo para el sostenimiento ST-1f zona de paso de arena

  • El procedimiento de trabajo para el paso de la zona de arena fue el siguiente:
  • Perforación de sondeos de 18 metros de longitud, con testificación por parte de los geólogos. Representación gráfica de los resultados, con especial atención en los niveles de arenas y gravas negras.
  • Colocación de paraguas pesado de 11 micropilotes de diámetro 3”1/2 de longitud 9 metros perforados con válvulas de inyección cada metro y espaciados 0.40 metros.
  • Una vez instalados los tubos, se procede a inyectar los paraguas, realizando las inyecciones desde las válvulas del fondo hacia la boca, se inyecta en tramos de 1 metro de longitud usando obturadores neumáticos dobles, hasta alcanzar una presión de inyección mantenida de 4 bares. De esta forma se consigue hacer un solape entre las aureolas de inyección de cada micropilote consolidando toda la clave de la galería.
  • La composición de la lechada se realiza con relación A/C 1:1.
  • Para asegurar la estabilidad del frente en todo momento, se procede a perforar el frente según la cuadrícula especificada en siguiente esquema, y realizar la inyección a partir de dichos puntos. Los criterios de inyección y parada serán idénticos a los realizados en el paraguas.
  • Una de las mayores preocupaciones a la hora de realizar el tratamiento de consolidación del frente fue que se produjese el lavado de las arenas durante la perforación para el alojamiento de los tubos de inyección por válvula. Para controlar ese problema se utilizó la propia armadura de micropilote a modo de barrena de perforación perdida reduciendo el espacio anular entre perforación y armadura. Una vez concluida la perforación se sellaba el espacio anular y el micropilote con válvulas quedaba listo para la inyección.
  • El procedimiento de ejecución de las inyecciones se realizó con la utilización de bombas de presión y caudal variable y registro informático de parámetros. Esto permitía un exhaustivo control de la ejecución conociendo cómo se comportaba el frente metro a metro debido a la ubicación de las válvulas en el micropilote.
  • Finalizadas las inyecciones se procede a perforar los drenes. Se efectuan como mínimo 2 drenes en la zona inferior de la sección, dos drenes en los laterales, y dos drenes en la zona de la bóveda al frente (ver ubicación y dirección en planos).
  • La excavación del túnel se efectua cómo máximo de 1 metro de longitud, disponiendo todo el sostenimiento antes de excavar el siguiente pase.
  • El sostenimiento consta de cerchas THN-29 cada metro, con cierre estructural en contra bóveda, tal como se describe en el siguiente punto, y 20 centímetros de hormigón proyectado en toda la sección. La contra bóveda ejecutada deberá permitir la instalación de la solera definitiva en fase de revestimiento.
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Esquema de cuadricula para inyectar el frente.
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Esquema enfilaje y drenes.

Con la aplicación de este procedimiento se consigue pasar la zona de arenas del paleocauce que se extiende por 69,2 metros con resultados satisfactorios. Se cala el túnel en el Pk 676 con fecha 6 de Noviembre y en la actualidad se está ejecutando el hormigonado del revestimiento.

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Trabajos de consolidación y excavación.

Equipos usados en la ejecución del procedimiento

  • Perforación: Jumbo Sandvik DD321
  • Inyección: Bomba Domine PH2X5 / Control de parámetros LOGAC G5 / Mezclador CEMIX 203 / Agitador CEMAG 402
  • Excavación: Miniretro Wacker Neuson
  • Desescombro: Scooptrams CAT R1300

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