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Desprendimiento de bóveda

Procedimiento de salvamento de domos colapsados en túneles: Ejemplo del Túnel de Puruchuco

Manuel Arlandi, Túneles y Geomecánica, S.L. / Antonio Alonso, Proacon, S.A.19/04/2016

Durante la excavación de túneles es relativamente frecuente que puedan producirse colapsos o caídas de terreno de la bóveda del túnel. Este tipo de rotura es conocido con diferentes nombres en la literatura técnica en español, siendo lo más frecuente emplear los términos ‘domo colapsado’, ‘campana’ o simplemente ‘desprendimiento de bóveda’. Las razones por las que tienen lugar estos desprendimientos son múltiples, pero habitualmente son originados por la aparición de terreno de peores características de las previstas previamente.

El salvamento y recuperación de los túneles que han sufrido uno de estos colapsos no siempre es sencillo. Requiere conocer perfectamente la geometría del colapso, diagnosticar las causas geotécnicas de la rotura, definir un procedimiento de ejecución específicamente diseñado y fundamentalmente conocer los procedimientos y tecnologías que se emplean para estabilizar el túnel en estas situaciones.

En el presente artículo se describe el procedimiento empleado por Aldesa-Proacon para recuperar el Túnel de Puruchuco, situado en Lima (Perú), que ilustra perfectamente este tipo de actuaciones.

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Túnel de Puruchuco.

Descripción del colapso

El túnel se ejecutaba en terreno rocoso, de tipo dacítico, con GSI = 40. El tipo de soporte que se empleaba consistía en shotcrete, pernos y marcos reticulados, en las cuantías y secuencia de ejecución indicadas en el Proyecto Constructivo. En el citado documento se establecía la siguiente secuencia de aplicación del soporte de este túnel:

  • Una vez excavado un pase, proyección de dos capas de hormigón proyectado con fibras (1000 Julios), cada una de 5 cm.
  • Aplicación de bulones ϕ 25 mm de 4.5 m de longitud con resina, distanciados 2 m entre sí.
  • Bulones pasantes ϕ 25 mm en la zona de pilar entre ambos túneles, enroscados en ambos lados.
  • Una vez calado y excavado todo el túnel, con un sostenimiento de 10 cm de shotcrete y bulones, se aplicaría el revestimiento, formado por cerchas reticulares de acero distanciadas 1080 mm entre ejes, 22 cm de hormigón bombeado, y como acabado final una capa de shotcrete de 3 cm.

El colapso tuvo lugar cuando el túnel tenía aplicado un soporte de 10 cm de shotcrete, y se estaban colocando las cerchas reticuladas, tal como se aprecia en las fotografías adjuntas. El desprendimiento se produjo en la clave del túnel en el portal Oeste, entre los puntos de la progresiva: 1+246.207 al 1+236.377.

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Fotografía 1. Vista general del domo desprendido.

Como resultado de este desprendimiento, se ha originado un domo vacío de grandes dimensiones cuyo vértice superior se encuentra a algo menos de dos metros de la superficie. Para poder finalizar la ejecución del túnel y evitar que este domo progresara, fue preciso actuar con rapidez, diseñando un plan de salvamento de todo el tramo de túnel afectado por este desprendimiento.

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Fotografía 2. Inicio del domo desprendido.

Geometría del domo desprendido

El domo desprendido tenía una longitud de aproximadamente 15 m y una altura de 6 m. Verticalmente, el desprendimiento había progresado hasta detenerse a 1,72 m de la superficie del terreno. En superficie se había apreciado que había aparecido una grieta de 1 cm de apertura y 4,28 m de longitud horizontal. En la siguiente figura se muestra un perfil longitudinal por el eje del túnel sur, donde se presenta una sección longitudinal del domo creado sobre la clave del túnel. Los datos presentados en esta sección han sido obtenidos por medio de medición topográfica directa.

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Figura 1. Sección longitudinal por el eje del túnel del domo desprendido.
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Figura 2. Sección transversal del túnel y del domo desprendido en el punto 1+246 de la progresiva.

Para hacerse una idea general de las dimensiones del domo desprendido, se ha modelado en tres dimensiones por medio de un programa de representación geométrica. En la siguiente figura se presenta una vista geométrica en perspectiva, la superficie azul superior representa la superficie topográfica del terreno.

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Figura 3. Vista geométrica tridimensional del domo desprendido.

Como se observa en la figura, el domo tiene la forma de dos campanas sobre la clave del túnel, unidas en uno de los lados.

Proceso de salvamento

Cuando se producen este tipo de inestabilidades, una importante porción de la roca situada sobre la clave del túnel se desprende de modo súbito, formando una sobre-excavación. Posteriormente esta sobre-excavación va aumentando conforme van quedando al descubierto bloques de roca más pequeños. Estos bloques ya estaban formados por la fracturación de la roca, pero no tenían salida hacia el hueco del túnel. Al producirse el primer desprendimiento, los bloques quedan liberados por una de sus caras por lo que ya tienen una salida hacia un hueco y se desprenden. Estos desprendimientos hacen que el domo progrese hacia arriba. En el caso de que finalmente se estabilice se forma una campana sobre el túnel, pero si el desprendimiento sigue progresando hasta llegar a la superficie del terreno, se formaría una chimenea.

La forma de impedir que estas inestabilidades sigan progresando, es bloquear la salida libre de los bloques de roca hacia el hueco. En un primer momento, con objeto de tener una superficie de bloqueo que actúe de la forma más rápida que sea posible, es preciso proyectar una capa de shotcrete sobre la superficie del domo. El shotcrete tiene la ventaja de que endurece rápidamente, ofreciendo una resistencia al desprendimiento de bloques al poco tiempo de haber sido proyectado. Se emplea un robot de proyección que permite realizar la operación sin necesidad de que el operario tenga que situarse debajo del domo, ya que hasta que se haya conseguido estabilizar la superficie del domo, la posibilidad de que caigan bloques de roca es alta y además la presión con la que se proyecta el shotcrete, provoca que se desprendan pequeños bloques.

Se descartó el empleo de bulones, pues hasta la superficie apenas quedaban dos metros escasos de terreno sin colapsar, lo que limitaba la longitud y la eficacia del anclaje de los mismos. La colocación de bulones no hubiese sido tampoco fácil, pues era difícil acceder a la bóveda del domo desde el interior, y desde el exterior hubiese sido muy arriesgado emplazar una máquina sobre la vertical del mismo. Por tanto, hubiese sido más lento y arriesgado el empleo de bulones, y se consideró no aplicarlos.

A continuación, se resumen las distintas etapas de actuación que se definieron para el salvamento:

  • Etapa 1: Situación inicial con el domo desprendido
  • Etapa 2: Proyección de una capa de shotcrete de 20 cm de espesor para conseguir la estabilización inicial del domo
  • Etapa 3: Instalación de arcos reticulares metálicos separados 0,5 m, de la armadura longitudinal de barras de acero y de la chapa Bernold de encofrado en el trasdós de los arcos. Los tramos de clave y hombros de los arcos metálicos reticulados ya vendrán con los cercos de cortante instalados
  • Etapa 4: Bombeo de concreto fluido en el interior del domo hasta rellenarlo completamente. El bombeo se realizará por tongadas de 0,5 a 1 m de espesor, esperando de 6 a 8 horas entre tongadas sucesivas para que el concreto endurezca
  • Etapa 5: Proyección de shotcrete por el interior de las cerchas hasta completar el soporte previsto inicialmente

El croquis adjunto ilustra el plan de salvamento definido:

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Figura 4. Etapas del plan de salvamento.

Para definir las cuantías y resistencias de los soportes a emplear en el proceso de estabilización, se preparó un modelo de elementos finitos. Mediante el modelo se estableció que era necesario aplicar una capa de 20 cm de shotcrete en el domo, y que los arcos reticulados deberían estar espaciados a 0,5 m para soportar el peso completo del relleno.

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Se modelizó el proceso de colocación de los arcos reticulados metálicos y de relleno de la cavidad por medio de hormigón HM-28 de resistencia característica a 28 días de 280 kgf/cm2 y 2,5 t/m3 de densidad. Los arcos modelados corresponden a los arcos metálicos reticulares de 4 barras utilizados durante la ejecución de los túneles, dada su disponibilidad inmediata en obra.

Una vez realizada la estabilización con shotcrete, se instalaron los arcos reticulares, se cubrieron con chapa Bernold que hará de encofrado. Las chapas Bernold se colocan en el trasdós de las cerchas. De este modo, queda totalmente libre la parte interior para poder ejecutar posteriormente el soporte definitivo del túnel. En la siguiente fotografía se puede ver cómo quedaría dispuesta la chapa Bernold, visto desde el interior del domo.

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Fotografía 3. Disposición de la chapa Bernold vista desde el interior del domo.

Con el encofrado ya montado totalmente, se empezó a realizar el relleno del domo con concreto fluido. Esta operación es bastante delicada ya que conforme se rellena de concreto la carga sobre los arcos metálicos va aumentando. En el caso de tener que rellenar un importante volumen, como es el caso de los túneles de Puruchuco, esta operación no se puede realizar de una sola vez, ya que entonces la carga sobre los arcos metálicos sería excesiva. En su lugar, se debe realizar en etapas sucesivas. Cada vez que se bombeaba una tongada de concreto, se esperaba el tiempo necesario para que endureciese antes de bombear la siguiente. De este modo se consigue que el concreto endurecido asuma parte del peso del concreto que se bombee en las siguientes etapas y no carga todo el peso sobre los arcos metálicos.

El espesor de las capas de concreto era de 0,5 a 1,0 m, más finas en las primeras etapas y más gruesas en las últimas.

Para bombear el concreto, se instalaron parejas de tubos de PVC, espaciados cada 2 m. Cada tubo de la pareja tiene distintas funciones. Por uno de ellos se bombea el concreto al interior del domo, denominándose tubo de inyección o de bombeo. Al otro tubo se le denomina tubo de aireación y testigo. Tiene forma curvada o acodalada en un extremo y permite que conforme se va rellenando de concreto la cavidad, el aire pueda salir a través suyo. El extremo acodalado se sitúa a una altura específica, de modo que cuando el concreto llega a este punto, empieza a fluir a través del tubo. Cuando esto ocurre, el trabajador que opera la bomba del concreto, ve que el concreto sale por el tubo por lo que en ese momento está seguro que el concreto ha llegado a la altura prefijada. Cesa entonces de seguir bombeando concreto y da por terminada esa etapa de relleno. La siguiente etapa no empieza hasta que haya transcurrido el tiempo necesario, de 6 a 8 horas, para que el concreto endurezca. Lógicamente, deberá haber un tubo testigo por cada etapa de relleno que se realice.

En la siguiente figura, se ilustra cómo es la disposición de los tubos de bombeo y de aireación en un perfil longitudinal. Se puede ver cómo cada tongada de concreto de relleno tiene una pareja de tubos dispuesta a lo largo del domo.

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Figura 5. Parejas de tubos de respiración (azul) y bombeo (rojo). Esquema en perfil.
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Fotografía 4. Bombeado de concreto fluido en el interior del domo.

Una vez que finalizado el relleno del domo con concreto, se tiene una situación en la que hay un bloque de concreto inserto en el seno de la roca diorítica original. A largo plazo, a efectos de su influencia sobre el túnel, esta inclusión de concreto es como si fuera una cuña de roca maciza que apoya sobre el soporte definitivo del túnel. Por ello, es necesario realizar un estudio detallado del comportamiento a largo plazo del soporte, verificando si es necesario proceder a armarlo en entorno de la posición del domo. Para ello se empleó el modelo de elementos finitos definido para verificar el proceso de ejecución del relleno. Como resultado de su aplicación se obtuvieron los axiles, flectores y cortantes que actúan en el soporte una vez rellenado el domo.

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Diagrama de axiles.
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Diagrama de flectores.
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Diagrama de cortantes.

Se estableció que debería disponerse de un factor de seguridad FS = 3, que aseguraría la estabilidad del túnel a largo plazo. Tras realizar el cálculo, se consideró que sería necesario armar el soporte. Para ello se consideró que los arcos metálicos que se emplearon para colocar la chapa Bernold constituirían la armadura transversal de la estructura, y suplementariamente se dispondrían de unas barras de acero corrugado como armadura longitudinal. Por otro lado, se debería disponer de una armadura suplementaria que fuera capaz de asumir las fuerzas cortantes que aparecen en los bordes del domo sobre el soporte. Esta armadura estará constituida por una serie de cercos de acero que se dispondrían alrededor de las cerchas reticulares, únicamente en la clave y hombros de la estructura.

En resumen, el armado consistió en los propios arcos reticulados, reforzados con barras longitudinales de media pulgada, espaciadas a 0,125 m. Se requiere un armado a cortante, en la zona de apoyo del relleno sobre el revestimiento, consistente en los distanciadores de los arcos reticulares embebidos y más cercos ϕ 3/8 “separados 0,25 m situados en la corona y zona curva de los hastiales.

Resumen

En este informe, se ha descrito el proceso de salvamento realizado por Aldesa-Proacon en el Túnel de Puruchuco (Lima). Durante la excavación del túnel se produjo un desprendimiento de bóveda, que generó un domo (campana) que casi alcanzó la superficie del terreno.

Las actuaciones realizadas consistieron en:

  • Proyección de una capa de shotcrete de 20 cm de espesor para conseguir la estabilización inicial del domo
  • Instalación de arcos reticulares metálicos separados 0,5 m, de la armadura longitudinal de barras de acero de refuerzo y de la chapa Bernold de encofrado en el trasdós de los arcos. Los tramos de clave y hombros de los arcos metálicos reticulados tendrán instalados cercos de acero que actuarán como armadura de cortante
  • Bombeo de concreto fluido en el interior del domo hasta rellenarlo completamente. El bombeo se realizará por tongadas de 0,5 a 1 m de espesor, esperando de 6 a 8 horas entre tongadas sucesivas para que el concreto endurezca
  • Proyección de shotcrete o concreto fluido en el interior de las cerchas hasta completar el soporte previsto.

El resultado del proceso de salvamento fue plenamente satisfactorio. En la fotografía adjunta se muestra el resultado final de la sección ejecutada.

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Resultado final de la sección ejecutada.
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