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Caso de éxito de Prointec en Argelia

Pantallas de contención del terreno para la excavación de la estación Mohamed Boudiaf en la prolongación del Metro de Argel

Autor: Lourdes Gutiérrez Calvo. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos, (Prointec, Madrid)

Colaboradores: Juan Rodado López. Dr. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos, (Prointec, Madrid)

Javier Lorenzo Romero. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos, (Prointec, Madrid)

Raquel Matías Tenancio. Ingeniera de Caminos, Canales y Puertos (Prointec, Madrid)

Margarita Díaz-Toledo García. Licenciada en Geología (Prointec, Madrid)

Miguel Combarros Marín. Ingeniero Geólogo

Rabah Chafik Mahgoun. Ingeniero Civil (Prointec, Argel)

Clemente Sáenz Sanz. Dr. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos, (Universidad Politécnica de Madrid)

13/02/2019

Este artículo describe el proceso de diseño y cálculo de la pantalla provisional de pilotes realizado por Prointec para el sostenimiento de la excavación realizada para la construcción de la estación Mohamed Boudiaf en Argel. El proyecto se enmarca dentro de los trabajos de construcción del Lote 2: Ain Naadja-Baraki de la Prolongación de la línea C1 del Metro de Argel, que está llevando a cabo la empresa Cosider Travaux Publics. La estación tiene una forma rectangular en planta con dimensiones de 144 x 27 m y alrededor de 25 m de profundidad. La estructura de sostenimiento ha consistido en una pantalla de pilotes de 1,00 m de diámetro con separación de 1,30 m entre ejes, sostenida por varios niveles de anclajes provisionales.

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Figura 1.- Vista general de la construcción de la estación Mohamed Boudiaf.

1.- Introducción

La empresa argelina Cosider Travaux Publics está llevando a cabo la construcción de la prolongación C1, hacia el Sur, del metro de Argel entre las estaciones Ain Nâadja y Baraki, lote 2.

La prolongación del metro de Argel entre Ain Nâadja y Baraki se extiende a lo largo de 6 km, con 6 estaciones y un viaducto de aproximadamente 1.500 m de longitud que conecta la estación Mohamed Boudiaf con la estación Mohamed Belarbi y que cruza en altura la línea ferroviaria del SNTF, la Carretera Nacional N38 y Oued El Harrach e incluye dos estaciones elevadas: la estación Ain Nâadja Gare y la estación Futuro Parque Urbano. Esta prolongación permite la accesibilidad al centro de Baraki y la conexión con el ferrocarril en la Estación Ferroviaria de Ain Nâadja y la futura estación intermodal de este municipio.

Dentro de estos trabajos Prointec ha sido contratada por Cosider TP para la ejecución del proyecto de construcción de la estación Mohamed Boudiaf, el viaducto del Harrach, así como las dos estaciones elevadas que se sitúan sobre él, anteriormente citadas.

La estación subterránea Mohamed Boudiaf, se ubica en la avenida del mismo nombre junto a la mezquita Masjid El Rahmane.

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Figura 2.- Mapa del Metro de Argel.

2.- Estructura de la estación

La estación Mohamed Boudiaf tiene planta rectangular de dimensiones 144x27 m y alcanza una profundidad media de 25 m. Se distribuye en 4 niveles en profundidad, correspondientes a andenes, salas técnicas 1 y 2 y sala de billetes bajo cubierta.

El estudio preliminar del proyecto contemplaba la construcción de esta estación mediante un método ‘cut and cover’, consistente en la ejecución de una pantalla perimetral formada por pilotes secantes, al abrigo de la cual se realizaba la excavación y hormigonado, por fases y en sentido descendente, de los diferentes niveles de losas de la estación que, además, servirían de acodalamiento a las pantallas de contención. Tras una primera fase de excavación superficial a cielo abierto, la excavación se ejecutaría bajo la losa de cubierta permitiendo la circulación en superficie simultáneamente a la ejecución de los trabajos en profundidad.

Cosider Travaux Publics encargó a Prointec, en 2014, los trabajos para el diseño y cálculo de la estación de acuerdo a un procedimiento constructivo en sentido ascendente que se ajustara mejor a la metodología y medios disponibles, pues Cosider ya tenía experiencia previa en la construcción de estaciones con dicho proceso. La principal modificación consistió en la desvinculación entre la pantalla de contención del terreno y la estructura definitiva de la estación, de manera que la pantalla pasaba a tener un carácter provisional, efectuándose, tanto la excavación como la construcción de la estructura interior de la estación a cielo abierto.

Este procedimiento permitía una mayor rapidez en la ejecución de los trabajos de excavación y retirada de materiales, facilitando el uso de maquinarias de trabajo de amplio gálibo para el bombeo del hormigón y la rapidez de acceso de los materiales y maquinaria al fondo de la excavación mediante la instalación de un puente grúa en la coronación de las pantallas.

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Figura 3.- Alzado general de la estación Mohamed Boudiaf.

El diseño de un recinto diáfano de excavación, primando en todo caso el uso de anclajes provisionales de arriostramiento de las pantallas frente a acodalamientos metálicos, y la colocación del puente grúa para el acceso al fondo de la excavación, permitía además la ejecución de la losa de cubierta mediante vigas prefabricadas, lo que suponía un abaratamiento de medios y tiempos de la obra.

En el presente artículo se describen las principales características de la pantalla de contención diseñada, así como los procedimientos constructivos llevados a cabo para el vaciado del recinto y su conexión con el túnel de acceso a ambos lados de la estación.

3.- Caracterización geotécnica

Geológicamente la estación se emplaza dentro de la llanura litoral de la Mitidja, delimitado al Norte por el mar Mediterráneo y al Sur por el Atlas Telliano (Atlas Tellien en francés). Se trata de una cuenca sedimentaria de edad Mioceno-Plioceno cuyo origen corresponde a las últimas fases de la orogenia alpina. La cuenca neógena de la Mitidja se extiende paralelamente a la costa mediterránea en una superficie de 1.300 km2 y está formada por materiales sedimentarios discordantes sobre el zócalo de la Cabila y las unidades más septentrionales del Atlas Telliano.

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Figura 4.- Mapa Geotectónico de Argelia.

Las facies paleo-estratigráficas corresponden a ambientes marinos constituidos en primer lugar por el Mioceno Burdigaliense, litológicamente constituidos por areniscas marinas transgresivas. Se presentan en bancos relativamente duros de color gris-verdoso, que muestran una estratificación entrecruzada, intercaladas con lentejones de arenisca calcárea fina y dura. La serie remata a techo en un nivel de areniscas conchíferas que son también muy carbonatadas, gruesas y la mayoría de las veces fragmentadas, con frecuente presencia de cantos de cuarzo aislados y bien redondeados.

Sobre el Mioceno anterior se encuentran formaciones del Plioceno inferior, constituidas por margas azules depositadas en un mar profundo, con una rica microfauna conchífera.

El Plioceno medio y superior es representado por depósitos heterogéneos de mar poco profundo (‘molasse astien’) que están constituidos por margas, margas arenosas, conglomerados y areniscas, con un contenido fosilífero abundante. La presencia de facies detríticas tales como conglomerados y areniscas indicaría el principio de la regresión marina y el relleno de la cuenca sedimentaria en el tránsito al Cuaternario.

El Cuaternario, corresponde a depósitos continentales arrancados de las laderas y transportados en un contexto aluvial, ya sea arcilloso o areno-gravoso.

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Figura 5.- Perfil Geológico-Geotécnico de la Estación Mohamed Boudiaf.

En el entorno de la estación Mohamed Boudiaf, los niveles representados han sido los siguientes, de muro a techo:

  • Formación Ts: arenas amarillas. Este nivel terciario de edad plioceno aparece como sustrato en la zona de la estación. Constituye uno de los niveles litológicos que se intercalan dentro de la unidad denominada Molasa Astien. Este nivel se compone por arenas limoarcillosas ligeramente gravosas compactas a muy densas con lentejones de arenas gruesas y gravas y pasadas de conglomerados y de bancos de areniscas de 10 a 30 cm de espesor.
  • Formación QM: margas amarillas del Harrach. Se trata de arcillas limosas y margas amarillas carbonatadas duras, de origen cuaternario.
  • Formación Qs: arenas arcillosas amarillas compactas a densas.
  • Formación Qa: arcillas limosas duras que constituyen, junto con la formación Qs, las facies detríticas sedimentarias de origen fluvio continental. Están compuestas por arcillas de color rojizo y marrón y arcillas arenosas con cantos que pueden fácilmente confundirse con los rellenos antrópicos presentes en la zona.
  • Formación Rp: rellenos antrópicos. De carácter compactado en la zona de la estación, presenta escasa potencia, apenas 1 m de espesor.
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Tabla 1.- Parámetros geotécnicos del terreno.

En la campaña geotécnica efectuada en el entorno de la estación, no se encontró un nivel freático a cotas de afección de los trabajos subterráneos, a excepción de algún nivel colgado, probablemente estacional, en las unidades arenosas cuaternarias, por lo que fue posible la sustitución de la pantalla de pilotes secantes contemplada en los estudios iniciales por una pantalla de pilotes discontinuos.

La ciudad de Argel se localiza en una zona de sismicidad elevada, por lo que, a pesar de tratarse de una situación provisional, las pantallas se calcularon en hipótesis sísmica aplicando el criterio semiempírico para el cálculo de empujes de Mononobe-Okabe.

4.- Descripción de los trabajos

Bajo la concepción de una excavación a cielo abierto, lo más diáfana posible para facilitar la interacción de los trabajos entre el interior y la superficie, se diseñó una pantalla discontinua de pilotes de 1,00 m de diámetro y separación 1,30 m entre ejes en el cuerpo principal de la estación.

Los pilotes alcanzaron una profundidad de 37 m, con una profundidad de excavación máxima de entre 22 y 26 m.

Las pantallas se empotraban en el nivel de arcillas y margas amarillas, en una longitud de unos 11 m, no llegando a alcanzar, más que de manera puntual, el sustrato terciario.

Los pilotes se ataron en cabeza mediante una viga de coronación de 1,00 m de canto, de geometría escalonada para adaptarse al ligero desnivel descendente del terreno. Esta viga de coronación servía de base de cimentación al pórtico metálico del puente grúa que facilitaba el movimiento de maquinaria y materiales dentro y fuera del recinto de excavación.

Se dispusieron hasta 6 niveles de anclajes pretensados de cables, de entre 45 t y 75 t de carga de servicio. De manera general se dispuso la colocación de un anclaje cada 1,30 m, excepto en las filas superiores en las que el espaciamiento se duplicó, con inclinaciones de entre 10 y 20º con respecto a la horizontal. Para evitar pérdidas de eficiencia debidas a la proximidad entre los bulbos, cuya separación horizontal estaba por debajo de la mínima recomendada (1,5-2,0 m), se dispusieron inclinaciones alternas de ±5º entre anclajes contiguos.

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Figura 6.- Vista general de las pantallas de contención.
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Figura 7.- Efecto de grupo en anclajes próximos (‘Anclajes en suelos’, Prof. Carlos S. Oteo, Jornadas Técnicas SEMSIG-AETESS, Anclajes).

La longitud media de anclaje fue de 36 m de los que entre 10 y 15 m lo constituía el bulbo de anclaje dispuesto indistintamente en los distintos niveles cuaternarios (Qa, Qs y QM). Los anclajes se colocaron sin viga de reparto longitudinal, materializándose la cabeza del anclaje mediante una cuña de hormigón armada ejecutada in situ en el espacio comprendido entre cada dos pilotes.

De esta manera, se evitaba la interferencia de los anclajes con el posterior hormigonado ascendente de los muros interiores de la estación, pudiéndose realizar el encofrado directo contra el paramento de la pantalla sin necesidad de cortar anclajes o efectuar el desmontado de las cabezas de los mismos.

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Figura 8.- Viga de coronación de las pantallas y primeras filas de anclaje.
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Figura 9.- Detalle de armado de la cabeza de los anclajes.

El sostenimiento de los pilotes en los paramentos frontales de la estación (de entrada y salida del túnel en mina) se realizó igualmente mediante anclajes provisionales, realizando un diseño con anclajes en distinta orientación horizontal y vertical para evitar la interferencia tanto con los trabajos posteriores de excavación del túnel como con los recintos de acceso situados en las esquinas.

Se dispusieron 2 niveles de anclaje en la sección de túnel, que posteriormente serían desactivados y cortados a medida que se avanzaba hacia la estación con la excavación - en avance y destroza - del túnel en mina.

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Figura 10.- Diseño de anclajes en el paramento de entrada del túnel en mina.

En las zonas de los accesos, el arriostramiento de las pantallas de pilotes, en este caso de 0,80 m de diámetro, se realizó mediante puntales metálicos provisionales para evitar la interferencia con los anclajes de la estación.

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Figura 11.- Acceso a la estación.

Para el cálculo de las pantallas se aplicó el método elástico basado en la interacción suelo-estructura mediante la adopción de un modelo de terreno de Winkler, en el que la reacción del suelo en un punto de la pantalla depende del desplazamiento de dicho punto, a través de una constante de proporcionalidad denominada coeficiente de balasto. La modelización de cada tipo de pantalla se realizó considerando todas las fases de construcción y siguiendo los criterios de diseño y cálculo establecidos por las normativas argelina e internacional (Eurocódigos).

Se incluyeron cálculos de equilibrio límite para verificar los coeficientes de seguridad frente a la estabilidad global del conjunto pantalla-anclaje y se realizaron estimaciones de los asientos verticales en el trasdós de la pantalla, especialmente en las zonas próximas a edificios mediante la aplicación de métodos analíticos de cálculo.

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Figura 12.- Cálculo de las pantallas.

5.- Fases de excavación

El procedimiento de vaciado del terreno del interior de la estación se realizó en dos fases principales mediante el mantenimiento de bancadas de terreno en uno de los lados de la estación, que permitían la generación de rampas y plataformas a distintos niveles para el ascenso de la maquinaria y los materiales excavados.

De esta manera, se consiguió simultanear los trabajos de hormigonado de la solera de fondo de la estación en la primera mitad de la misma, mientras se continuaba con la excavación y anclaje de la otra mitad.

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Figura 13.- Excavación en el interior del recinto entre pantallas. Detalle del plano del proceso constructivo.
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Figura 14.-Fase de excavación máxima, con la losa de fondo ejecutada en la primera mitad y excavación y anclaje de las pantallas en la segunda mitad.

En el transcurso de los trabajos, resultó que la construcción de la estructura interior de la estación avanzaba más deprisa que la excavación del túnel de línea por lo que, para poder materializar sin problemas los muros y forjados sobre el nivel del túnel, se decidió atacar, desde el interior de la estación, los primeros metros del túnel.

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Figura 15.-Inicio de los trabajos de excavación del túnel en mina desde el interior de la estación.

6.- Auscultación y control

Se diseñó un sistema de auscultación y control de las fases de excavación, incluyendo pruebas de arrancamiento de anclajes.

El plan de auscultación consistió en la disposición de elementos de medida superficial, principalmente, mediante arquetas de nivelación y prismas de control topográfico, completados con inclinómetros para el control de los movimientos del terreno en profundidad. Se realizó la toma de medidas de deformaciones en cada nivel de anclaje, así como en los edificios próximos, estableciendo unos criterios de alerta y alarma en función de los desplazamientos esperables calculados con respecto a los medidos en cada fase de excavación.

Previamente al comienzo de la excavación, se diseñó un bloque de anclajes de prueba, con el fin de confirmar los valores de diseño de los parámetros de adherencia del bulbo. Se dispuso la ejecución de 3 anclajes, con diferente orientación y longitud, de manera que cada uno de ellos anclara en uno de los niveles geotécnicos de cálculo, llevando los mismos hasta una carga igual a 1,5 veces la tracción máxima de arrancamiento del bulbo diseñado.

Los trabajos de excavación y posterior construcción de la estructura de la estación se encuentran prácticamente concluidos sin que se hayan recogido incidencias significativas en este aspecto.

7.- Conclusiones

Prointec ha llevado a cabo con éxito el proyecto constructivo de la estación subterránea Mohamed Boudiaf adaptando los diseños y procedimientos constructivos a las necesidades y disponibilidades materiales de la obra, en cada fase del proceso. El diseño, realizado casi de manera simultánea a la obra, ha sido posible gracias a la implicación y dedicación de un equipo multidisciplinar de especialistas.

También cabe destacar la implicación de los servicios técnicos de Cosider durante todo el proceso, con el objetivo de adelantar los plazos de aprobación de los diseños y por tanto la ejecución de las obras.

8.- Agradecimientos

A Ms. Belbouab Redouane, director del Proyecto, y a Ms. Ali Amini, director técnico de la obra, de Cosider Travaux Publics, por su consentimiento y facilidades para la elaboración y publicación de este artículo.

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