Typsa, participante del proyecto

En este artículo se pretende dar una visión general de las principales razones por las cuales el agua en el terreno ha sido un factor determinante en el diseño de las infraestructuras enterradas del metro de Riad en Arabia Saudí. La ingeniería española Typsa, integrada en el consorcio multinacional FAST, ha participado en el diseño del Paquete 3 del Metro que comprende las líneas 4, 5 y 6 con un total de 176 kilómetros de vía. Typsa ha desarrollado la ingeniería de detalle de la línea 5 (13 kilómetros de línea subterránea bajo el centro de la ciudad) y ha sido la encargada de la coordinación geotécnica y de la hidrogeología de las tres líneas.

A pesar de que la intuición nos puede llevar a pensar que el agua de infiltración en el terreno en una ciudad situada en medio de uno de los mayores desiertos del mundo es escasa y no debería representar un problema, la realidad dista mucho de ser así. El origen eminentemente ‘artificial’ del agua que conforma el acuífero más superficial en Riad hace que el explosivo desarrollo de la ciudad en los últimos años haya generado verdaderos problemas de contaminación, acumulación localizada e incluso de filtraciones y surgencias de agua freática en sótanos o en plena calle. A la hora de diseñar una infraestructura como el Metro de Riad en el que los estándares de calidad requeridos por el cliente son los más altos y la durabilidad de los hormigones es un gran problema, la definición de las hipótesis de diseño relacionadas con el agua en el terreno ha sido todo un reto. Además, estas consideraciones pueden suponer un gasto o un ahorro importante durante la construcción y explotación de la infraestructura. La presencia de un nivel freático superficial, tendente a subir con el tiempo y cuya continuidad espacial es compleja de definir, condiciona los diseños estructurales en relación a empujes, sobrepresiones localizadas e incluso efectos de subpresión.

El origen del asentamiento humano germen de la ciudad de Riad se remonta a los tiempos pre-islámicos. La ciudad se sitúa en el centro de la península arábiga en medio de una gran meseta desértica a 600 m sobre el nivel del mar con un ligero descenso hacia el Este. Los primeros pobladores pertenecientes a la tribu Banu Hanifa se asientan en la región fértil de al-Yamamah alrededor de un oasis que denominan Hajr (Wadi Batha) y que les permite dedicarse a la agricultura. Este asentamiento con el tiempo pasó a ser Ar-Riyad que es el nombre en árabe de la ciudad, cuyo significado es precisamente ‘Jardines’. Con toda seguridad, el agua conducida por los wadis o cauces fluviales encajados en la zona es la principal razón de este oasis en medio del desierto y la causa detrás del origen de la ciudad capital del Reino de Arabia Saudita.

La ciudad se establece en los aluviales del Wadi Al-Batha, tributario del Wadi Hanifa, pero con el tiempo, la expansión urbana cubre parcialmente las cuencas de drenaje del Wadi Hanifah y el Wadi Sulaiy.

El agua freática ha jugado un papel fundamental en el desarrollo de la ciudad, puesto que antes de que la fuente de agua principal fuera las plantas desalinizadoras, virtualmente la ciudad se abastecía con los acuíferos. Todavía hoy el uso del agua freática para el consumo es importante: los acuíferos superficiales (primeros 200 m bajo el nivel del terreno) se usan para el riego y uso industrial, y los profundos para el abastecimiento.

Riad se sitúa sobre rocas sedimentarias del borde oeste de la Plataforma Arábica en las que se desarrollan diferentes acuíferos. El centro de la ciudad se localiza sobre el denominado acuífero aluvial Cuaternario, que comprende depósitos recientes asociados a los cauces hidrológicos de los wadis Hanifah y Sulaiy, y sobre una serie de formaciones calcáreas de edad Jurásica y Terciaria. La parte basal de estas calizas está altamente fracturada y brechificada, con oquedades y alta permeabilidad secundaria, y forman el denominado Acuífero Arriyadh (JC). El acuífero Arriyadh buza hacia el este con la secuencia Mesozoica, como se puede ver en la imagen siguiente, y se formó por la fracturación y colapso por disolución de una capa de anhidrita de las calizas. La Línea 4 del metro en su extremo oeste y el extremo sur de la línea 5 se extienden sobre estos acuíferos.

Por encima del Acuífero Arriyadh se encuentran las formaciones Arab Superior (JA) y Sulaiy (KS) que están compuestas por calizas masivas afaníticas, con grados de fracturación y meteorización variable, y que forman un conjunto de baja conductividad. Sin embargo algunas zonas están más fracturadas y pueden estar brechificadas allí donde las unidades subyacentes sufrieron procesos de colapso. Son estas unidades las que mayoritariamente están afectadas directamente por las obras subterráneas de la Línea 5 del metro.

El wadi Hanifah se sitúa al extremo este de la ciudad, mientras que a la unidad que forma el wadi Sulaiy se le denomina el Eastern Alluvium. Este aluvial es en el que se localiza parte de la Línea 4 y casi toda la Línea 6 del metro y está formado por arenas y gravas de cementación variable.

El acuicludo Jubaila está situado en medio de la formación Arab formado en calizas afaníticas de baja permeabilidad. Las zonas de contacto con los wadis están sin embargo más fracturadas y su permeabilidad es mayor. Esta unidad no está afectada por las obras del metro por ser en general más profunda.

En relación a la calidad del agua y a la contaminación, los análisis en muestras tomadas en pozos y piezómetros muestran alta salinidad 2.500 mg/l de media en el acuífero Arriyadh y 4.300 a 5.700 mg/l en los Arab superior y Sulaiy. Son aguas bajas en magnesio y bicarbonato, pero de alto contenido en sulfatos o cloruros, o mezclas de ambos. Se han detectado niveles de BOD y BQD por encima de los recomendados para el agua potable y evidencias de contaminación bacteriológica en pozos superficiales por efluentes de colectores.

El organismo encargado del desarrollo urbano, económico, social y cultural de la ciudad de Riad, Arriyadh Development Authority (ADA), ha venido realizando diversos estudios relacionados con la gestión del agua freática en la ciudad, focalizados principalmente en solucionar un problema continuado de ascensión del nivel de agua subterránea en determinados puntos. Estos estudios están basados en datos recopilados desde los años ochenta hasta la actualidad en numerosos pozos y puntos de lectura.

El incremento en la población y superficie urbanizada (150.000 personas en 1960; 1.400.000 en 1987 y cerca de 6 millones en 2013) acompañado de expansión comercial y económica de la ciudad en los últimos años, han llevado a un aumento desmesurado del consumo de recursos hídricos que en su gran mayoría son importados a la ciudad. Una parte significativa de estos recursos se infiltran por pérdidas en las redes de abastecimiento y saneamiento hacia el terreno. La capacidad del medio de eliminar el exceso de agua infiltrada al terreno por infiltración profunda, drenaje o evaporación es muy limitada, y esto hace que se creen flujos subterráneos que en ciertos casos dan como resultado elevaciones del nivel freático superficial e incluso aparición local de agua en calles y sótanos.

Es interesante observar los resultados obtenidos del estudio del balance hídrico según los estudios disponibles realizados por ADA y la National Water Company (NWC), para entender la magnitud del problema. El balance de la ciudad incorpora seis macro componentes principales:

• Agua de abastecimiento: 1.745.000 m3/día que llegan a la ciudad procedentes de plantas desalinizadoras, de explotaciones subterráneas y de depósitos. El 84,5% es consumo efectivo y prácticamente el resto son pérdidas de la red al terreno.
• Aguas negras y grises: 1.320.000 m3/día. El 21% se estima que es descarga directa al freático por pérdidas. Parte del agua efluente de las plantas de tratamiento es reusada en riego.
• Riego: con un volumen total de 520.000 m³/día, de los cuales el 85% proviene de plantas de tratamiento o agua potable de abastecimiento. El 81% de esta agua se pierde en evapotranspiración y la descarga al freático es de unos 100.000 m3/día (19%).
• Sistemas de rebajamiento del freático superficial implementados por ADA para remediar los problemas de aumento del nivel freático en algunas zonas que dejan 106.792 m3/día a los wadis Hanifah y Sulaiy.
• Lluvia que supone una entrada uniforme al sistema equivalente a 63.517 m3/día por infiltración.

Los flujos entre los seis macro componentes han sido evaluados e integrados para dar un balance hídrico total para cada una de las zonas en que queda fragmentada la ciudad en base a su localización, uso del suelo e hidrogeología.

En términos sólo de agua en el terreno o de infiltración, la mayor parte proviene de actividades humanas o pérdidas en los servicios húmedos totalizando 707.300 m3/día:

• Filtraciones de la red de distribución de agua potable (38%).
• Pérdidas de la red de fecales, pluviales, conducciones en viviendas e infiltraciones en fosas sépticas o pozos de percolación en zonas sin saneamiento, (39%).
• Infiltración debido a los excesos de riego en zonas verdes privadas o públicas (14%).
• Lluvia (9%).

En resumen, el desequilibrio en el balance actual supone que 110.000 m³ de agua al día quedan almacenados en el subsuelo de la ciudad con la consiguiente elevación equivalente por zonas del nivel de agua.

La expansión hacia el este de la ciudad en los últimos 20 años hace que los programas de rebajamiento y monitorización del freático hayan tendido a localizarse en el Eastern Alluvium. Actualmente existe una elevación del freático localizada de 4 a 5 m bajo la superficie en la zona de Naseem que coincide con la zona sur de la línea 6 del Metro. Hacia el norte el nivel de agua está profundo, muy por debajo de la zona afectada por las obras del metro.

Como respuesta a los estudios, ADA puso en marcha un programa de rebajamiento del freático. En las zonas de elevación del aluvial se contemplan medidas como la monitorización de niveles de agua, el drenaje horizontal superficial para limitar a 4 m bajo la superficie el nivel de agua, drenaje horizontal profundo y reducción de la irrigación por selección de especies de plantas. La recomendación del programa es el vertido del agua recogida en la red de pluviales con control previo de contaminación.

La previsión de ADA para el año 2021 es que el nivel de agua se rebaje en determinadas zonas por la mejora y reparación de las redes, pero en otras zonas continúe subiendo especialmente en zonas con grandes crecimientos esperados en las tasas de riego.

La presencia del nivel freático, su continuidad y su evolución en el tiempo son condicionantes importantes para el diseño de las excavaciones y estructuras enterradas. En el caso del Metro de Riad la hipótesis de partida según el pliego del contrato era considerar el nivel de agua en superficie si no se disponía de un estudio hidrogeológico que definiera los niveles de diseño previstos a 100 años. Dado el impacto económico de este requerimiento, se encargó a TYPSA realizar dicho estudio para las tres líneas del Paquete 3. La información de partida comprendía los estudios previos de ADA y los datos obtenidos en la propia campaña geotécnica del proyecto.

Los estudios de ADA han aportado datos importantes para el desarrollo de los modelos hidrogeológicos: el mapa de isopiezas general y el balance hídrico actual de la ciudad, y los datos de transmisividad y almacenamiento del terreno a partir de ensayos de bombeo. La campaña geotécnica ha permitido ajustar los niveles de agua actuales con mayor precisión y ha aportado datos de permeabilidad obtenida mediante ensayos in situ. Los niveles medidos en los piezómetros ejecutados en la campaña se ajustan con bastante precisión al mapa de isopiezas de partida.

En una primera fase se han realizado modelos numéricos 3D simplificados e independientes para los principales tramos soterrados de cada línea. Se empleó el software Modflow para simular de manera simplificada el flujo subterráneo asociado al nivel más superficial del acuífero calcáreo o del acuífero aluvial, dependiendo del caso, así como su evolución suponiendo continuidad en el desequilibrio del balance hídrico a lo largo del tiempo. También se han aplicado incrementos en las tasas de recarga para simular hipótesis aún más desfavorables. Con estos modelos se ha obtenido un primer ajuste de las piezométricas (niveles de agua) a largo plazo para varias hipótesis de recarga.

El resultado de los modelos muestra una clara tendencia al ascenso del nivel freático si se mantiene el desequilibrio en el balance hídrico a largo plazo, con ascensos relativos de hasta 6 m en algunos casos. Sin embargo, para tener en cuenta los sistemas de control del freático implementados por ADA se realizó una segunda fase del estudio que ha consistido en un modelo complejo multicapa e integrado de las tres líneas del Paquete 3. En este modelo ya se considera el efecto de los sistemas de ADA para la mitigación de ascensos del freático. Ha sido desarrollado con software FeeFlow por Schlumbeger Overseas, principal asesor hidrogeológico de ADA, a petición de Typsa.

El resultado del modelo integrado es también un ascenso generalizado del nivel de agua, pero menor que el obtenido de los modelos simplificados. Con los incrementos alcanzados en este segundo modelo se han establecido los niveles de agua de diseño de cada elemento de la obra (máximo nivel de diseño a largo plazo), que es posiblemente uno de los datos de partida de más relevancia del proyecto por su implicación en el diseño de las estructuras enterradas.

El diseño de los túneles, estaciones subterráneas y pozos de las tres líneas de metro tiene en cuenta de manera general el nivel de agua al menos en los siguientes aspectos:

• Empuje a largo plazo sobre muros, pantallas o revestimientos definitivos.
• Subpresión a largo plazo bajo losas o revestimientos definitivos.
• Impermeabilización y durabilidad de los hormigones.
• Sistemas de drenaje y bombeo temporales en excavaciones (dewatering).
• Presión en el frente de la tuneladora.

Si bien los modelos teóricos hidrogeológicos desarrollados simplifican el terreno como homogéneo, la realidad es que el agua en la roca tiende a acumularse y circular a favor de zonas más fracturadas o permeables. Es difícil a priori establecer esta zonificación en perfiles geológicos realistas con los datos que aportan los sondeos y la geofísica, sobre todo en unos materiales como los afectados que alternan de manera caótica zonas de brechas masivas, roca medianamente fracturada, áreas carstificadas y/o altamente fracturadas. Además, la aportación de agua se produce en las calles donde se localizan los principales servicios, pero no se distribuye de una manera uniforme al tratarse en su mayor parte de agua procedente de pérdidas puntuales de conducciones húmedas.

Lo más probable es que en muchas zonas de las estructuras no llegue a desarrollarse presión de agua a largo plazo de forma generalizada; en otras posiblemente se desarrollen empujes hasta una cierta profundidad con magnitud menor o igual que la presión hidrostática; y finalmente en algunos puntos con condiciones de permeabilidad y fracturación de la roca más desfavorables, la ley de presiones a largo plazo se podrían asimilar a la de diseño. En términos de subpresión, la problemática es esperable que sea similar, por lo que parece más adecuado hablar de presiones localizadas bajo las losas de estaciones o falsos túneles en lugar de problemas de flotación general como tal. La incertidumbre sobre dónde ocurrirá cada una de estos efectos es tal que se consideró como hipótesis más razonable y envolvente a largo plazo (100 años), aplicar el empuje como hidrostático desde el nivel freático de diseño a largo plazo tanto para empujes como subpresiones.

Las cargas de subpresión en las estaciones y falsos túneles han sido contrarrestadas en diseño con diferentes soluciones:

• En las estaciones profundas de la línea 5, se ha aprovechado el encaje de la forma circular del túnel en la sección de la estación para generar una contrabóveda curva que apoya contra los hastiales de roca en sus extremos. El terreno aporta la reacción suficiente para contrarrestar la carga no compensada por el peso de la estructura. La curva de la losa se acomoda a la sección de la estación sin pérdida de espacio significativa y favorece el sistema de carga por forma. El diseño ha requerido un estudio detallado de la interacción suelo estructura y del funcionamiento estructural del sistema, sobre todo de los nudos muro/contrabóveda/hastial, además de consideraciones especiales sobre el proceso constructivo de excavación, sostenimiento y hormigonado.

• En los falsos túneles o túneles en Cut and Cover, se ha recurrido a compensar la subpresión por peso tanto de tierras sobre la losa de cubierta del túnel como por peso propio de la estructura y en algunos casos se han empleado tacones en los hastiales para aumentar el efecto estabilizador de tierras que contribuye al equilibrio.
• En las cocheras de Línea 5 que están ubicadas en un gran recinto enterrado de unos 140 x 400 m y 15 m de excavación, el problema de diseño generado por la subpresión requeriría una gran inversión si se emplearan soluciones convencionales por gravedad o mediante anclajes en la losa de fondo. Por lo tanto, de cara a buscar una solución más optimizada, se ha realizado un estudio hidrogeológico específico que ha permitido desarrollar una solución de losa drenada. Los flujos resultantes recogidos por el sistema de drenaje resultan muy bajos, debido a la baja permeabilidad local, al nivel freático existente no tan somero como en otras zonas y a la disposición de una pantalla plástica perimetral. Se ha contado con mediciones de caudales de infiltración en la propia excavación que corroboran los bajos caudales esperables. Este sistema introduce unos costes de mantenimiento despreciables teniendo en cuenta que las cocheras manejan caudales de drenaje interior comparativamente mucho mayores.

En relación al efecto del agua freática en las excavaciones, en los sistemas de contención temporales y a la estrategia para su gestión, en general se ha optado por la recogida del agua procedente de los niveles superficiales interceptada por la excavación en pozos situados en el fondo de esta, sin necesidad de un bombeo previo. Este sistema ampliamente utilizado en la región es la forma más sencilla de gestión del agua siempre que no se intercepten zonas carstificadas o paleocauces con aportaciones mayores de caudal. El agua recogida se vierte a la red de pluviales previo tratamiento.

En la zonas sur de Línea 5 las condiciones hidrogeológicas son diferentes puesto que el tramo de túnel entre las estaciones 5A6 y el pozo de salida de la tuneladora Sur está afectado por la intersección de dos paleocauces (wadis rellenos por el desarrollo urbano) donde existe un nivel de agua claro asociado a los suelos y el sustrato de roca está altamente carstificado. Por eso la excavación del pozo de salida de la tuneladora Sur ha sido diseñada con un sistema de pozos de bombeo para captar el agua previamente a la excavación el agua de la roca carstificada. En los suelos se ha previsto un sistema de contención de baja permeabilidad formado por una pantalla de pilotes secantes.

Durante los trabajos de excavación de las estaciones y pozos se ha interceptado el nivel de agua superficial y se ha podido constatar que éste supone una aportación constante por las pérdidas de los servicios húmedos con caudales no muy grandes, pero sí permanentes a lo largo del tiempo. Estas aportaciones se concentran por tanto en las zonas de calles y viales, con especial relevancia en la proximidad de fuentes y jardines.

Los pozos de recogida situados en los fondos de excavación permanecen en general siempre llenos y son bombeados puntualmente al menos una vez al día. Los taludes de excavación presentan filtraciones constantes principalmente a favor de los puntos de drenaje (mechinales y drenes que se han dispuesto en el sostenimiento temporal) en las zonas anexas a las calles.

La presencia de agua freática siempre resulta un factor muy importante a considerar en cualquier túnel u obra subterránea. Pero en el caso del Metro de Riad se dan varias circunstancias que hacen especialmente críticas las hipótesis relacionadas con el agua: el cliente (ADA) está especialmente sensibilizado con la presencia de agua freática somera y su evolución a largo plazo por la continua elevación local del freático en la ciudad; se trata de un medio probadamente agresivo frente a los hormigones y que requiere medidas de protección de cualquier estructura enterrada; los empujes de agua pueden suponer la principal acción de diseño frente a los empujes de tierra en algunas condiciones; cualquier optimización de procesos constructivos y de soluciones de diseño puede suponer un ahorro considerable en tiempo y coste en una obra de tal magnitud.

En el diseño del Paquete 3 del Metro de Riad se ha prestado especial atención a estos aspectos. Typsa ha llevado a cabo un estudio hidrogeológico integrado de las tres líneas, encaminado a evaluar la evolución del nivel de agua en un horizonte de 100 años. Además, para cada elemento diseñado se ha realizado un análisis particular de las situaciones temporales (dewatering) y a largo plazo, con consideración de la interacción de la estructura con el terreno y con el agua. De esta manera se han podido proponer diversas soluciones técnicas que resuelven los problemas de gestión del agua, de agresividad y protección de los hormigones enterrados y de los empujes en muros y sobrepresión en soleras, que han supuesto un ahorro respecto a soluciones convencionales y que están ayudando a que se cumplan los plazos comprometidos.

Referencias

• ‘The Rising Groundwater Management Program’. General Report and Volumme 1: Natural Setting. High Commision for The Development of Arriyadh - Arriyadh Development Authority (ADA) 1990.
• ‘Enhancing the Management of Rising Grondwater in Arriyadh’. General Report. Arriyadh Development Authority (ADA) April 2013.