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Patologías constructivas en terrenos volcánicos. Estudio de algunos casos singulares y soluciones propuestas

Luis Enrique Hernández Gutiérrez. Dr. en Ciencias Geológicas. Gobierno de Canarias.

Juan Carlos Santamarta Cerezal. Dr. Ingeniero de Montes. Ingeniero Civil. Universidad de La Laguna.

Jesica Rodríguez-Martín. Dra. Ingeniera de Caminos, Canales y Puertos. Universidad de La Laguna.

Javier Luque. Director Ejecutivo. v-traverca

​Emilio José Grande de Azpeitia. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. Director de la empresa consultora Trazas Ingeniería S.L.

16/05/2018
Las patologías de la construcciones pueden llegar a generar anualmente grandes pérdidas económicas a las Administraciones Públicas y entidades privadas, así como accidentes que pueden incluso provocar la pérdida de vidas humanas. En las Islas Canarias, la naturaleza singular de los terrenos volcánicos es motivo de la aparición de patologías en las construcciones, que sin embargo podrían ser evitadas en la mayoría de los casos si se tuviera un conocimiento adecuado de este tipo de terrenos y de su comportamiento geotécnico.

Introducción. Terrenos volcánicos y patologías constructivas

La mayoría de los materiales rocosos de la Península Ibérica se han originado a partir de procesos geológicos muy lentos, cuantificándose generalmente en decenas, centenas e incluso miles de millones de años. Estos materiales, generados por la dinámica cortical, se estratifican, deforman y fallan creando un entramado de accidentes tectónicos cuya interpretación geotécnica es posible gracias a la Geología Estructural (Hernández et al, 2013). Sin embargo, las rocas de las islas Canarias tienen su origen en el fenómeno volcánico, que genera materiales casi de forma instantánea, para luego ser esparcidos por la superficie terrestre, en la mayoría de las ocasiones, de manera caprichosa y errática, necesitando el apoyo de la Volcanología para su interpretación geotécnica.

Los terrenos volcánicos se caracterizan por su elevada heterogeneidad, gran variabilidad lateral y vertical, presencia de cavidades (tubos volcánicos), materiales con distinta competencia (rocas duras y piroclastos de muy baja densidad), elevada porosidad, etc. Todas estas características pueden coincidir en un espacio muy pequeño, unos pocos metros cuadrados, y afectar a una única estructura o a un tramo corto de una obra lineal.

En una primera aproximación a las causas que provocan patologías geotécnicas debido al comportamiento de los materiales volcánicos, se relacionan a continuación las Unidades Geotécnicas de Canarias definidas en la Guía GETCAN-011 (Gobierno de Canarias, 2011), susceptibles de generar dichas patologías:

Complejos basales: Materiales de variada composición, con un alto grado de alteración. Se trata por lo general de materiales rocosos blandos, deleznables y de difícil reconocimiento. Como causas de patologías se destacan las siguientes: Alta heterogeneidad, tanto en vertical como en horizontal; posibles asientos diferenciales; materiales muy alterados, de baja resistencia y alta deformabilidad; áreas de relieve abrupto y tectonizado; inestabilidades puntuales o desprendimientos.

Coladas y macizos sálicos: Son materiales rocosos altamente resistentes, de naturaleza sálica (traquitas y fonolitas). Estos materiales, dada su uniformidad y elevada dureza, no suelen presentar problemas de patologías en cimentaciones, pero si en taludes, debido a su disyunción en lajas, cuando la orientación de las mismas es favorable a la pendiente del talud.

Macizos basálticos alterados: Coladas basálticas de pequeño espesor y alteración de moderada a alta que con frecuencia tienen intercalados niveles piroclásticos blandos muy alterados. Provocan patologías debido a las siguientes causas: Baja resistencia y elevada deformabilidad en situaciones de elevada alteración local; la presencia de niveles escoriáceos intercalados produce una gran heterogeneidad; asientos diferenciales por afloramiento de materiales de distinta competencia; presencia de cavernas debido a la circulación de agua y la baja compactación, que pueden ocasionar asientos o colapso de estructuras; los más alterados dan lugar a materiales arcillosos con problemas de expansividad y elevada deformabilidad.

Coladas basálticas sanas: Coladas recientes poco o nada alteradas, muy abundantes en el archipiélago canario. Se distinguen dos tipos, ’pahoehoe’ y ‘aa’. En las ‘pahoehoe’ el detalle interno más destacable es la presencia de cavidades o tubos volcánicos que pueden alcanzar kilómetros de longitud y diámetros de varios metros. Por su parte, la sección vertical de una lava ‘aa’ consiste en una banda central de roca densa surcada por una red de diaclasas o fisuras formadas por retracción al enfriarse y solidificar el fundido, limitada abajo y arriba por dos franjas escoriáceas irregulares (material granular). Las patologías constructivas por esta unidad se deben a las siguientes causas: La presencia de tubos volcánicos y dificultad para su detección, que pueden producir hundimientos y colapsos; la existencia de niveles escoriáceos con parámetros geotécnicos muy desfavorables intercalados entre los materiales masivos más resistentes, que provocan asientos diferenciales; inestabilidades de laderas naturales o de taludes excavados, por la alternancia de niveles escoriáceos sueltos y niveles rocosos duros, que por erosión diferencial favorecen la formación de cornisas; caída de bloques separados por la disyunción columnar.

Piroclastos de caída: Materiales granulares, sueltos o poco compactos de baja densidad y elevada porosidad, de naturaleza basáltica y sálica. La característica geotécnica más destacable es su colapsabilidad mecánica, que puede provocar el hundimiento súbito de las estructuras cimentadas sobre ellos. Su elevada porosidad también facilita la difusión del agua hacia la estructura y las consiguientes patologías por humedades y fluorescencias.

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Figura 1. Colapso de una vivienda en talud heterogéneo, por erosión diferencial de nivel de piroclastos poco compactos.

Cuando tiene lugar la aparición de estas patologías constructivas, es importante saber identificarlas adecuadamente con el objeto de abordar la solución de forma eficaz y acertada. De ahí la importancia de conocer experiencias previas que aporten metodologías y soluciones a los técnicos que han de tratar estos problemas.

En este artículo se presenta una selección de algunos casos interesantes expuestos en la jornada técnica sobre patologías en las construcciones que tuvo lugar en, la Universidad de La Laguna (Tenerife), el pasado mes de abril, como contribución al conocimiento de las patologías constructivas en terrenos volcánicos y su tratamiento.

Del diseño a la realidad. Análisis funcional sobre instalaciones de protección contra desprendimientos realizadas en las Islas Canarias

Particularidades del medio

Los materiales volcánicos son heterogéneos, discontinuos y difíciles de predecir; a diferencia de las formaciones continentales no volcánicas, más continuas y competentes.

Las peculiaridades geotécnicas condicionan el diseño y ejecución de las infraestructuras lineales en territorios volcánicos como Canarias, no solo influyendo en las de diseño reciente, sino aún más en las de antigüedad innegable, de sustitución inviable y e inasumibles mejoras de trazado, ya sea por alteraciones en el medio ambiente o en paisajes con altos valores turísticos. Ambos factores presentes en las dos vías analizadas.

Claves del diseño

Como objetivo en el diseño resulta lógico asumir la búsqueda de la actuación que reúna los niveles de seguridad exigidos y, a la vez, resulte la más eficiente desde el punto de vista funcional, la de ejecución más sencilla y la más económica. De este conjunto ideal, en el que la seguridad es irrenunciable, la funcionalidad debe primar sobre los demás factores y el resultado económico sobre la sencillez de ejecución.

A este objetivo ambicioso no se llega sin el rigor en la obtención de los datos que son la base de los cálculos necesarios para la dimensión de las soluciones. La obtención de esta imagen fiel geológica y topográfica del área a tratar demanda herramientas precisas, una auscultación concienzuda del macizo rocoso y modelizaciones que simulen los procesos naturales que pretendemos reproducir.

Dos casos dispares

Por el valor ejemplarizante contrapondremos dos modelos diferentes con los que se afrontaron sendas actuaciones en el archipiélago, una de ellas realizada en la carretera insular TF-445, Buenavista a Faro de Teno, en Tenerife, muy consciente de las particularidades volcánicas; la otra ejecutada en la carretera insular GC-200, tramo del Andén Verde, en la isla de Gran Canaria, en la que se aplicó un diseño más genérico, en el que se mezcla la utilización de barreras dinámicas de máximas prestaciones energéticas con la búsqueda de una ubicación que permitiera la ejecución más simple.

Ambas instalaciones se encuentran en acantilados marinos, de fuertes pendientes y problemática de instabilidad con numerosas semejanzas.

La Cartografía:

  • En la TF-445 se utilizó una cartografía realizada exprofeso para el ámbito, obtenida a partir de vuelos LIDAR.
  • En la GC-200 se utilizaron planos elaborados a partir de la cartografía 1/5.000 (Cartografía Nacional) de la zona, en proyección ITRF 93 correspondiente al Huso 28, de indudable menor precisión.
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Figura 2. Situación actual de instalaciones de barreras dinámicas situadas en la carretera insular TF 445, Tenerife, ejecutadas por v-traverca.

Las instalaciones propuestas:

  • En la TF-445; varias líneas de barreras situadas a distintas alturas, entre 13 y 130 metros sobre la rasante, diseñadas para eliminar posibles efectos de arrastre en los desprendimientos, permitir la utilización de barreras de menor energía (de 1.500 a 3.000 kJ) y muy adaptadas a la topografía real del terreno.
  • Una línea de barreras situadas en largos tramos, con criterio de ‘zona de sombra’, situadas a cota casi constante de unos 15 metros sobre la rasante de la carretera, de eficacia basada en las características intrínsecas a las propias barreras (capacidad predomínate de 5.000 kJ, máxima existente en el mercado en el momento de la instalación), pero con poca consideración a la heterogeneidad volcánica de la zona tratada.

Situación actual:

  • Tanto la propia carretera como las instalaciones de la TF-445 se encuentran en uso, sometidas a mantenimiento, tras los diversos episodios de desprendimientos que han acontecido tras su instalación en los que su funcionamiento ha sido el esperado.
  • En el caso de la GC-200, tras dos desprendimientos sucesivos, acaecidos en menos de un año, que dañaron las barreras instaladas que resultaron incapaces de contener las rocas desprendidas de tal manera que las rocas alcanzaron de lleno la carretera, las instalaciones no se han reparado y la zona de ubicación de las mismas, el Andén Verde, permanece cerrado al tráfico.
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Figura 3. Situación actual zona desprendimientos en barreras dinámicas situadas en la carretera insular GC-200, Andén Verde, Gran Canaria.

En conclusión, no basta con disponer de barreras de máxima energía ante impactos a caída libre para entregarnos, sin otras consideraciones o estudios precisos, a diseñar barreras en galería, alejadas de las distintas áreas fuente y situadas a cotas que provocan gálibos ajustados en caso de desprendimiento. Pues, especialmente en la morfología volcánica insular, ni la realidad de la zona de sombra efectiva abarca por lo común el ancho necesario a proteger, ni los desprendimientos de los escarpes situados a mayor altura se limitan a esa caída libre, sino que en su prolongada trayectoria de caída golpean en zonas inferiores provocando, a su vez, una indeseada cadena de desprendimientos que concluye con el colapso de la barrera.

Caso de aplicación de estructuras bajo el nivel del mar

Con el objeto de acercar el mar a la ciudad de Santa Cruz de Tenerife, en 1998 la Autoridad Portuaria de esta provincia convocó un concurso de ideas con la filosofía de conectar la ciudad con el mar, resultando adjudicatarios los arquitectos Jacques Herzog y Pierre de Meuron.

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Figura 4. Infografía de la visión urbanística propuesta por Herzog y Meuron para acercar el mar a la ciudad de Santa Cruz de Tenerife. (Herzog y Meuron, 1998).

Un factor determinante a la hora de redactar los proyectos correspondientes a cada una de las obras necesarias para ejecutar esta nueva e innovadora visión de la ciudad metropolitana ha sido la influencia de la marea. La presencia de este agente en el entorno ha requerido la adecuación de las soluciones constructivas, el empleo de nuevos materiales y sobre todo establecer un mantenimiento de las infraestructuras para garantizar la durabilidad de la obra.

Antecedentes

En noviembre de 2009 se iniciaron las obras del túnel de la Vía Litoral de Santa Cruz de Tenerife, promovidas por el Gobierno de Canarias, finalizando en marzo de 2013.

El citado túnel se ha realizado al amparo de unas pantallas y la losa inferior se encuentra por debajo del nivel freático, por lo que ha sido necesario anclarla con micropilotes para resistir las subpresiones. En alguna de las juntas entre losas, se detectaron entradas de agua. La impermeabilización de las juntas entre losas se realizó con unas bandas hidroexpansivas tipo Waterstop.

A partir de octubre de 2017 se observó una presencia constante de agua en la calzada en la boca sur del túnel que, por la escasa pendiente existente en dicho tramo, no era evacuada con facilidad, formándose charcos. Esta situación generó problemas de seguridad vial y en el mantenimiento ordinario de la vía.

En el presente artículo se analizan las posibles causas que motivaron el incremento de las filtraciones en el túnel, a partir de las cuales se definió la solución constructiva para disminuir la entrada de agua por las juntas de la losa de fondo.

Tratamiento de las filtraciones recogidas por el sistema de drenaje

Dada la naturaleza de la obra, con parte de la estructura bajo el nivel del mar, el proyecto previó la existencia de posibles filtraciones y su necesaria evacuación. Como este caudal es notablemente inferior al caudal punta de lluvia, se diseñó la instalación de un grupo auxiliar, con bombas de menor potencia, para reducir el consumo energético. Este grupo está compuesto por tres bombas de 5,9 kw, con funcionamiento alternativo para reducir el desgaste del material de las mismas.

Según los datos aportados por el Centro de Información de Carreteras del Cabildo Insular de Tenerife se observa un incremento del tiempo de funcionamiento de las bombas a partir de octubre de 2017. Habitualmente los arranques diarios no superaban los 2.000 segundos diarios (unos 33 min/día) frente a los más de 16.000 segundos de funcionamiento (casi cinco horas diarias) que se registraron durante el mes de diciembre de 2017. Por tanto, el problema no lo planteaba la capacidad de bombeo de la instalación existente sino la presencia de agua en la calzada.

Inspección del túnel

Se realizaron inspecciones visuales del túnel, no apreciándose daños o patologías que pudieran indicar un comportamiento anómalo de la estructura. Sin embargo, en la zona del túnel donde se formaban los charcos, se apreciaba material fino en la calzada que estaba colmatando la capa de rodadura. Esto impedía el drenaje del agua acumulada en la misma.

Teniendo en cuenta las singulares condiciones de la obra (numerosas juntas, hormigonado de las losas bajo el nivel piezométrico, anclajes de las losas en el basalto, oscilaciones del nivel de agua, etc.), la existencia de filtraciones en algunos puntos concretos no puede calificarse como un defecto de construcción. Los factores que pueden haber influido en la desfavorable evolución de los caudales son múltiples: deformaciones reológicas de los hormigones, algún fallo local del sellado, movimiento en algún anclaje concreto, pequeñas deformaciones de la estructura al variar los empujes hidrostáticos, etc.

Las particulares condiciones del punto donde se produjeron las filtraciones (escasa pendiente) hicieron que no se evacuara con facilidad al sistema de drenaje. Sin embargo, el sistema de evacuación (colectores, foso y bombas) funcionaba correctamente y no acusaba problemas de capacidad en ninguno de sus elementos.

Obra de reparación ejecutada

En base a la auscultación descrita anteriormente se analizaron diferentes propuestas de actuación, optando por la solución establecida por la empresa HCC, empresa especialista en sellados de obras hidráulicas. La actuación consistió en el sellado de las filtraciones existentes mediante la inyección de las juntas entre losas con resinas epoxi de alta viscosidad inyectadas a alta presión. Para ello se ejecutaron taladros de inyección cada 25 cm perforados al tresbolillo. De esta forma se ha conseguido una comunicación entre taladros que asegura una franja de sellado continua en cada losa.

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Figura 5. Replanteo de taladros de inyección en junta entre losas.

A su vez, se llevó a cabo una limpieza con agua a presión de aquellas zonas en las que se había acumulado material fino que impedía drenar el agua acumulada en la calzada.

Bibliografía consultada y referencias

  • Fonseca, R.L., Sanz, A., Raîmat, C. (2013). Experiencias de aplicación de barreras dinámicas de alta energía como elemento para la creación de una zona de sombra frente a desprendimientos en obras lineales. VIII Simposio Nacional sobre Taludes y Laderas Inestables – Palma de Mallorca 2013, E. Alonso, J. Corominas y M. Hürlimann (Eds.)
  • Gobierno de Canarias GETCAN-011 (2011). Guía para la Planificación y la Realización de Estudios Geotécnicos para la Edificación en la Comunidad Autónoma de Canarias, GETCAN-011.
  • González de Vallejo, L.I., Hijazo, T., Ferrer M., Seisdedos, J. (2002). Geomechanical characterization of volcanic materials in Tenerife. ISRM International Symposium - EUROCK 2002, Madeira, Portugal.
  • Hernández Gutiérrez, L.E., Santamarta Cerezal, J.C., Rodríguez Losada, J.A. (2013). Construcción de obras y aprovechamientos hidráulicos en terrenos e islas volcánicas. Ingeniería geológica y geotécnica. Hidrología y recursos hídricos en las islas y terrenos volcánicos: Métodos, técnicas y experiencias en las Islas Canarias. Editores: Colegio de Ingenieros de Montes. ISBN: 978-84-616-3858-1. Pág. 377-398.
  • Moura, F., Ribeiro e Sousa, L. (2002). Road tunnels at Madeira Island, Portugal. ISRM International Symposium - EUROCK 2002, Madeira, Portugal.
  • Santamarta, J.C., Lario, R.J., Hernández, L.E. (2015). Problemas geotécnicos en las obras subterráneas de captación de aguas en terrenos volcánicos. Ingeniería Geológica en Terrenos Volcánicos. Métodos, Técnicas y Experiencias en las Islas Canarias, Hernández, L.E., Santamarta, J.C., e ICOG (Eds.), pp. 157-173.

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