Claves geológicas y geotécnicas para la mitigación de riesgos en la estructuración de concesiones de las Autopistas para la Prosperidad (Colombia)

El gobierno colombiano está acometiendo la mayor inversión en carreteras de su historia, con la finalidad de modernizar la red vial existente atendiendo a sus necesidades como cuarta economía de Latinoamérica en términos de PIB. Basándose principalmente en un modelo de inversión público-privada, las denominadas concesiones viales de Cuarta Generación (4G) buscan desarrollar a medio plazo vías de alta capacidad diseñadas con estándares internacionales.

Como parte de las 4G, las Autopistas para la Prosperidad engloban las concesiones previstas en el departamento de Antioquia. En los próximos años, constituirán una red viaria estructurada en torno a la importante ciudad de Medellín. Esta actuación, llamada anteriormente Autopistas de la Montaña, se asentará fundamentalmente en las Cordilleras Central y Occidental de los Andes colombianos, con una orografía muy montañosa y una geología muy desfavorable.

Un consorcio liderado por Typsa recibió entre los años 2012 y 2013 el encargo de la Agencia Nacional de Infraestructuras (ANI) de revisar y mejorar los proyectos, que ya se habían desarrollado hasta un nivel de Fase II (equivalente a un Anteproyecto en terminología española).

Entre otros trabajos, se realizó una revisión geológico-geotécnica, en la que se detectaron una serie de carencias e incertidumbres que a priori suponían un nivel de riesgo que no se consideró aceptable. En consecuencia, se realizaron trabajos adicionales, se propusieron medidas paliativas, y se realizó una revisión de la estimación en coste y plazo. Todas estas actividades se desarrollaron en un plazo de tiempo muy limitado, claramente condicionado por la exigente necesidad del país de modernizar una red viaria que, a todas luces, resulta insuficiente.

A finales de 2012, la ANI (Agencia Nacional de Infraestructuras de Colombia) adjudicó a un consorcio liderado por Typsa el desarrollo de los Estudios Adicionales y Estructuración de las Concesión de los Grupos 1 y 2 de las Autopistas para la Prosperidad. Posteriormente, a mediados de 2013, también le adjudicó el Grupo 3 del mismo desarrollo vial. En las Figuras 1 y 2 se ha sintetizado el alcance y características de los trabajos. Las especificaciones de ambos contratos eran similares.

La primera clave geotécnica de optimización y mejora se refería a la geología de detalle desarrollada en los Fases II de partida. Se consideró que los puntos de observación y la escala de la cartografía geológica tenían una precisión que no permitía afrontar un análisis con el detalle necesario para ese nivel de diseño en las unidades de obra con mayor contenido geotécnico (fundamentalmente: túneles, emboquilles y desmontes).

Como medida paliativa, se trasladaron a la traza equipos de geólogos expertos en cartografía geológica, con el objetivo de tomar un volumen de datos que permitieran acotar las incertidumbres. El alcance de todos los trabajos de campo realizados se indica en la Tabla 1.

La segunda clave geotécnica, y que condiciona además cualquier diseño, fue la escasa e inadecuada campaña geotécnica que se había ejecutado para el desarrollo de los proyectos de Fase II iniciales. Esta carencia incidía con mayor intensidad en los tramos en túnel, emboquilles y desmontes.

Características generales

La campaña geotécnica se dimensionó (Tabla 1) para atender un total de algo más de 1.000 km de trazado con más de 100 túneles, de los cuales 11 eran largos (mayores de 1.000 m de longitud). Conviene destacar que cinco túneles tenían longitudes previstas superiores a 4.000 m, con coberturas de más de 500 m. El túnel más importante es el túnel del Toyo, con unos 9.750 m de longitud y coberturas superiores a 900 m.

La mayor exigencia se detectó en la longitud de metros de sondeo, que superaba ligeramente los 20 km de perforación. El plazo acumulado estimado de ejecución era de 10 meses, lo que suponía el reto de alcanzar unos 2.000 m de perforación por mes.

La producción en cifras

En la Figura 3 se ha representado la evolución de la longitud acumulada de los metros de sondeo perforados. En esta gráfica se identifican dos fases, la primera de diciembre de 2012 a mayo de 2013 (Grupos 1 y 2 de las Autopistas para la Prosperidad), y la segunda de julio a octubre de 2013 (Grupo 3). Se puede observar una pendiente de evolución similar en ambas, que supone rendimientos medios mensuales del orden de unos 2000 m-sondeo/mes.

El pico de producción (Figura 4) se produjo entre los meses de febrero y marzo de 2013, con una velocidad punta de unos 3.653 m-sondeo/mes. El mayor número de máquinas trabajando se produjo en febrero, que fueron 17, mientras que el mayor rendimiento por máquina y día se obtuvo en el mes de julio de 2013, con una producción de unos 15 m/día/máquina (superior al promedio, que fue de unos 10 m/día/máquina).

Empresas protagonistas

La ejecución de estos trabajos se diversificó entre varias empresas especialistas. Para la perforación de sondeos se contó con Ausculnova, Ingeoriesgos y Nivia, mientras que para las prospecciones geofísicas se contrató a Xcore-IGT y a Ocsa. Las condiciones y extensión del trabajo exigieron un gran esfuerzo a las empresas de sondeos, mientras que las prospecciones geofísicas pudieron realizarse según lo previsto tanto en alcance como en plazo.

Diversificar la campaña tenía por objeto reducir los riesgos de dependencia en una sola empresa, y así poder afrontar posibles incidencias y problemas con diferentes alternativas. Esta decisión vista en perspectiva se considera correcta, ya que en las Figuras 5 y 6 se muestra que cada empresa obtuvo prestaciones muy dispares, y que llevó finalmente a Ausculnova a concentrar algo más del 70% de la producción.

La mejor prestación ofrecida por Ausculnova se debió, entre otros factores, a que se encargaron de los sondeos largos de túnel (además de otros sondeos más cortos) lo que les permitió aumentar el ratio entre la longitud perforada y el tiempo dedicado a cambiar las máquinas entre puntos. El alcance de los trabajos encomendados les permitió emplear las máquinas más potentes.

Los menores rendimientos obtenidos por Nivia e Ingeoriesgos ponen de manifiesto, por otro lado, la gran dificultad que entrañaban estos trabajos, enfrentándose en numerosas ocasiones a sondeos complejos con perforaciones en macizos rocosos intensamente fracturados. En estos casos, la experiencia del sondista y la potencia de la máquina fueron determinantes para obtener un testigo representativo y fiable en un plazo de tiempo rentable tanto para la empresa como asumible por el cliente.

Los condicionantes sociales de los trabajos geotécnicos

Los trabajos en Colombia tienen una componente social de mayor complejidad que en otros países. Se trata de una sociedad joven y reivindicativa, que año tras año tiene por objeto mejorar sus condiciones sociales.

Un ejemplo del carácter reivindicativo colombiano fue el Paro Cafetero que se produjo a finales de febrero de 2013. Cortó el tránsito carretero por el valle del Cauca entre las localidades de La Pintada y Manizales (concesiones Pacífico 2 y 3) durante las dos semanas que duró, con la consecuente reducción de la producción al no poder llegar suministros a las máquinas.

Por otro lado, antes del inicio de cada fase se identificaron áreas en las que se producían sistemáticamente eventos que podían poner en riesgo la integridad tanto material como del equipo de personas. Estas áreas se localizaron fundamentalmente entre las localidades de Remedios y Zaragoza, en la región de Santander (concesión Conexión Norte), y desde la localidad de Dabeiba a El Tigre, en el Noroeste antioqueño (concesión Mar 2).

Esta complejidad social se refiere fundamentalmente a áreas deprimidas, con escaso desarrollo de infraestructuras y escasa presencia del gobierno colombiano, donde se han establecido organizaciones criminales, cárteles del narcotráfico, minería ilegal fundamentalmente de oro, y presencia ocasional de frentes guerrilleros. La presencia de estos grupos se ha mimetizado con la población local, y ha establecido unos vínculos que generan aversión y rechazo a la integración de estos territorios con el resto del país.

En coordinación con la ANI y las empresas subcontratistas, se planteó una estrategia cuyo objetivo era intentar cumplir con los objetivos de los Estudios Adicionales. Se mantuvieron numerosas reuniones y contactos con el ejército colombiano, fundamentalmente en el cuartel de Puerto Berrío, con el fin de que dieran cobertura a los equipos durante los trabajos. También se exigió al personal en campo un perfil bajo a la hora de recorrer estas áreas.

Pese a todos estos esfuerzos, se produjeron varios episodios penosos que se consideraron al límite de unas condiciones de trabajo aceptables. Finalmente se llegó a un acuerdo con la ANI en el que se garantizaba por parte de Typsa al menos la realización de las prospecciones geofísicas, y se redistribuyeron los metros de sondeo previstos en estas áreas más conflictivas a otros tramos menos complejos.

La geofísica fue posible realizarla al tratarse de equipos ligeros fácilmente transportables en mochilas y de rápida ejecución, lo que permitió efectuar los trabajos antes de que los grupos locales pudieran actuar.

Teniendo en cuenta que el trazado discurría en un 50% en desmonte con alturas máximas que oscilaban entre 70 m y 85 m, una de las principales actividades fue revisar los sostenimientos propuestos por las ingenierías en los estudios anteriores, valorar la conveniencia de los mismos, y optimizarlos o reforzarlos en su caso.

Esta labor se apoyó fundamentalmente en la cartografía geológica, si bien también se aplicaron las conclusiones de los sondeos ejecutados en las mismas formaciones.

Como complemento, se identificaron puntos que presentaban inestabilidades en el entorno de la traza, afectando a las mismas formaciones. Estas inestabilidades permitieron realizar numerosos retroanálisis, que permitieron estimar parámetros geotécnicos para el diseño de los desmontes. Estos valores fueron contrastados con los resultados de los ensayos realizados y con las observaciones geológicas realizadas.

Dado el escaso plazo, las dificultades de acceso, y el gran número de desmontes singulares, no fue posible obtener una población de datos suficiente para realizar diseños específicos para cada tramo, sino secciones tipo que aplicaban según las siguientes variables: formación geológica, altura, y geometría de excavación.

Los cálculos se realizaron fundamentalmente con modelos de equilibrio límite con el método de Bishop (Figura 7), aunque también en algunos casos algo más complejos se efectuaron modelos de elementos finitos. En aquellos tramos en los que se identificaron además bloques inestables y pudo reunirse información representativa, también se efectuaron cálculos cinemáticos (Tabla 2).

El modelo de rotura predominante para los casos más significativos se constató que consistía en deslizamientos en masa a través de un medio isotrópico. Esta tipo de inestabilidad en medios rocosos es posible por las escalas geométricas de los desmontes analizados, con alturas próximas a 100 m. Además, el clima tropical con temperaturas elevadas y altos grados de humedad favorece la formación de saprolito y la generación en un plazo relativamente corto de tiempo de frentes de alteración de espesor significativo.

Las medidas de sostenimiento propuestas consistieron fundamentalmente de la colocación de bulones, anclajes y gunita reforzada con fibra metálica.

La tercera clave geotécnica, que se apoya en la calidad de la información de las dos claves anteriores, se identificaba en la poca fiabilidad y precisión de los modelos geológicos propuestos para los túneles.

La medida paliativa de este riesgo consistió en reinterpretar el modelo propuesto por los proyectos de Fase II para cada túnel con la nueva información disponible obtenida en los trabajos de campo. Esta labor permitió generar nuevos modelos, como el que se presenta en la Figura 8.

Estos modelos han permitido identificar riesgos y problemáticas de cada túnel no identificados en los estudios anteriores, que se presentaron como conclusión de los Estudios Adicionales y que tendrán que ser investigados e interpretados durante el desarrollo del Fase III.

Incluso en algunos casos, como para el túnel del Toyo, estas nuevas circunstancias identificadas en los estudios de Typsa provocaron una profunda revisión de las condiciones de ejecución del túnel. Es decir, ante estas nuevas circunstancias fundamentalmente geológicas, se generaron nuevas preguntas que deberán ser formuladas y respondidas con mayor precisión durante el desarrollo del Fase III correspondiente.

Secciones geométricas

Los trabajos de Typsa no incluían en principio una revisión pormenorizada de las condiciones interdisciplinares de diseño de la sección libre necesaria en túnel. Sin embargo, los sistemas de ventilación propuestos en algunos de los proyectos de Fase II iniciales presentaban incertidumbres en los túneles largos, ya que se preveían sistemas longitudinales de ventilación para tubos de más de 1.000 m con tráfico bidireccional, cuando es práctica habitual adoptar sistemas transversales. Este aspecto tiene una repercusión muy importante en el diseño de la sección tipo, ya que la ventilación transversal requiere de una importante área reservada exclusivamente para este sistema.

Otra modificación que se propuso a la ANI fue modificar la sección tipo de túnel largo, que incluía una galería inferior de dimensiones generosas por un sistema subterráneo más convencional de galería auxiliar paralela (Figura 9).

Figura 9. Modificación propuesta para la sección tipo de túnel largo (longitud superior a 1.000 m).

Colección de sostenimientos en túneles

Tras un primer análisis de las medidas de sostenimiento propuestas, se consideró recomendable revisar el diseño conceptual de las mismas según el esquema de la Figura 10. Los diseños propuestos en los proyectos de Fase II únicamente se definían en función del RMR, independientemente de la litología y del estado tensional derivado de la cobertura de cada túnel.

En base a la experiencia del equipo de Typsa, y comparando con los métodos empíricos propuestos por Bieniawski (1979) y por Barton (2000), se elaboraron unas colección de sostenimientos. Los sostenimientos están formados en general por los elementos clásicos: gunita reforzada con fibras metálicas, cerchas metálicas, bulones y paraguas de micropilotes.

Estas colecciones de sostenimientos fueron comprobadas y ajustadas mediante modelos 2D de elementos finitos (aplicación informática Phase 2) con cálculos tensodeformacionales en diferentes posibles escenarios. La caracterización geotécnica de los materiales procedía de los resultados de la campaña, y se buscaba que fuera coherente con las conclusiones alcanzadas en los cálculos de los taludes.

Al analizar los resultados se pudo observar que a mayor montera, mayor estado tensional y mayores deformaciones en el perímetro de la excavación sin sostener. En general, para profundidades menores de 100m podría aproximarse una pendiente constante entre la cobertura y la deformación, pero para mayores profundidades se apreciaba claramente una relación no lineal.

El diseño de los sostenimientos tuvo por objetivo rigidizar la excavación de tal manera que la evolución del asiento con la cobertura fuera sensiblemente lineal, lo que requirió de diferentes medidas de sostenimiento en función de la profundidad.

Hidrogeología aplicada a túneles

Dentro de la Ingeniería de Túneles, pero con una dimensión propia dado el alcance de los estudios que precisa junto con la repercusión social y mediática que le acompaña, se identificó una necesidad de profundizar en el análisis de las condiciones hidrogeológicas, así como en la definición de las medidas de impermeabilización y posibles medidas paliativas asociadas (refuerzos en revestimiento, inyecciones del terreno...).

Cabe destacar la exigencia ambiental del Anla (autoridad medioambiental en Colombia), tal y como se puso de manifiesto en la Primera Jornada Académica sobre Túneles en Colombia que organizó la ANI en diciembre de 2012, y en la que Typsa tuvo una participación importante.

Con la idea de acotar los riesgos asociados a la ejecución en sí del túnel como a la posible afección a terceros en fase de construcción y posteriormente en la de explotación, se procedió a analizar las condiciones hidrogeológicas de todos los túneles, con los siguientes alcances:

• Túneles largos: modelo 3D para interpretar el funcionamiento del acuífero regional mediante la aplicación informática Visual ModFlow en régimen permanente, y modelo 2D en régimen transitorio.
• Túneles cortos: modelo 2D en régimen permanente.

Se consultaron los datos publicados por el Ideam (Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales de Colombia) para estimar la recarga de los acuíferos potencialmente afectados por los túneles.

En campo, se procedió a identificar los puntos de agua más representativos y a consultar a las autoridades locales los datos disponibles de sus redes de aguas. Toda esta información se recopiló en esquemas como el de la Figura 11, que sirvió de datos de entrada para los análisis matemáticos.

Imponiendo estos datos de partida y condiciones de contorno, se buscó el nivel freático que permitiera converger a los algoritmos (Figura 12).

En base a estos resultados, se pueden obtener cortes interpretativos del modelo, lo que permitió extraer la posición del nivel freático a lo largo del eje del túnel y su posición aproximada respecto el eje de la vía (Figura 13). Debido al nivel de resolución empleado en los modelos, los valores resultantes en cuanto a niveles han de considerarse aproximados.

Es importante reseñar que los análisis realizados con Visual ModFlow aplican al comportamiento del acuífero sin modelizar el túnel. Es decir, permitió estimar la posición del nivel freático respecto al túnel antes de la construcción del mismo. Este dato se empleó como punto de partida en los cálculos de filtraciones de los túneles en 2D (Figura14).

Con estos modelos, y junto a modelos analíticos basados en las tramificaciones geomecánicas de los túneles (Bieniawski, 1989), se procedió a estimar los caudales de infiltración posibles en los túneles. De esta manera, pudo determinarse aquellos que requerían de tratamientos y medidas adicionales.

Con estos datos, se elaboró una matriz de riesgo para cada túnel calificando el nivel en fase de construcción y en fase de explotación, tanto para el propio túnel como para posibles afecciones a terceros.

En el caso de que se precisaran medidas impermeabilizadoras, se propusieron inyecciones radiales. En aquellos tramos de túnel en los que se previó la posibilidad de que el nivel freático quedara por encima de clave, se optó además por reforzar el anillo de revestimiento de hormigón armado, y refuerzo sistemático de contrabóveda igualmente de hormigón armado. También se propuso una impermeabilización completa, colocando la lámina también bajo la contrabóveda.

El punto de partida de los Estudios Adicionales de las Autopistas para la Prosperidad incluía diseños en Fase 2 que presentaban ciertas carencias e incertidumbres significativas. Tras profundizar en cuatro claves de carácter fundamentalmente geológico y geotécnico (cartografía geológica, campaña geotécnica, diseño de taludes e ingeniería de túneles) los técnicos especialistas de Typsa pudieron optimizar los diseños y proponer mejoras. De esta manera, se pudieron volver a realizar las mediciones del proyecto con estas nuevas consideraciones y facilitar de este modo una nueva valoración económica que permitiera acotar el riesgo a niveles aceptables.

Esta labor permitió establecer un punto de partida de los diseños de detalle en Fase III que tendrán que desarrollar los Consorcios Adjudicatarios. A la vista de la experiencia de Typsa, el reto técnico es considerable, en muchos casos al límite de la viabilidad de ejecución, exigiendo grandes dosis de imaginación y solvencia ingenieril. Mucha suerte a los consorcios adjudicatarios en la difícil tarea de modernizar la red viaria colombiana.