LA CONSTRUCCIÓN DEL TÚNEL DE SAN CRISTÓBAL (SANTIAGO DE CHILE) Ana C. Contreras, Directora General, Constructora Vespucio Norte, Santiago, Chile Manuel de Cabo, Consultor Ingeniero Superior, Geocontrol Chile SA, Santiago, Chile Enrique Fernández, Jefe del Departamento de Obras Subterráneas, Dragados, Madrid, España
José M. Galera, Consultor Ingeniero Superior, Geocontrol Chile SA, Santiago, Chile Pedro Meyer , Director de Obra, Constructora Vespucio Norte, Santiago, Chile Dirección: José M. Infante 2802, Nuñoa - Santiago, Chile,
e-mail: jm e-mail: jmga gale lera ra@ge @geoc ocon onttroc ochi hile le.c .com om
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ABSTRACT
The San Cristóbal Tunnel is located at Santiago de Chile city will connect Américo Vespucio peripheral urban motorway, with downtown, between El Salto Avenue and El Cerro Avenue with Providencia municipally through Lo Saldes Bridge. It has a twin tunnel scheme of 1808 m length each tube, functional width of 9 m, considering two road lanes. The South Portal of the eastern tunnel that has three lanes. Eight cross passages have been excavated to connect both tubes, every 200 m for safety purpose. It excavated basically in good and fair geomechanical quality andesites, RMR usually higher than 50 points, except the first 100 m section located at the south portal, excavated in coluviall soils and faults existence with a total length of 150 m approximately in each tube. The tunnels have been constructed following the NAT method, top heading and benching, and full face excavated with a total section of 80 m2, and tunnel pulls ranging from 2 to 4 m. The south section, in coluvial soils, full face excavated. The East Tunnel, total section of 158 m 2, considering three lane road tunnel and was challenges that imply: a) Forepoles of 12 m length, overlapping 3 m for a total length of 100 m. b) Mechanical excavation on the 158 m 2 using hydraulic hammer and conventional digging. c) Invert, constructed weekly following the tunnel face advance. The tunnel excavation started in April 2006 from both South portals, after soil nailing treatment, and at J une 2006 from the North Portal. The end of the excavation took place in March 2007, with an average advance rate of 303 m/month considering the four tunnel faces. In South sector, in soils, the average advance rate was 28.2 m/month in both tunnels, while in conventional rock mass sections the higher advance rate was 389.7 m/month. El Túnel de San Cristóbal, situado en Santiago de Chile, conecta la autopista periférica Americo Vespucio Norte con el centro, entre Avenida El Salto y Avenida El Cerro con el municipio de Providencia mediante el puente Lo Saldes. Consiste en dos túneles gemelos, ambos de 1808 m de longitud, de anchura funcional de 9 m, que albergan dos carriles. La entrada sur del túnel oriental posee tres carriles. Por razones de seguridad, posee ocho galerías de conexión cada 200 m para conectar ambos tubos. Excavados mayoritariamente en andesitas de buena calidad geomecánica, RMR normalmente superior a 50 puntos, excepto los 100 m iniciales de la sección del Portal Sur, excavados en suelos coluviales y presencia de fallas con longitud total de 150 m aproximadamente por tubo. Los túneles fueron construidos según NAMT, sección completa de 80 m2 y longitud de pase variable de 2 a 4 m. El Emboquille Sur de ambos túneles, excavados en suelos coluviales, se construyó a sección completa. El Túnel Este, sección de excavación de 158 m2, consideró un túnel de carretera de tres carriles, cuya sección constituyó un desafío que implicó: a) Paraguas de presostenimiento de 12 m de longitud, solapándose 3 m entre sí, de longitud total 100 m. b) Excavación mecánica en los 158 m2, usando martillo hidráulico y excavación convencional. c) Solera, construida semanalmente siguiendo el avance medio del túnel La excavación del túnel comenzó en Abril del año 2006 para ambos portales Sur, luego de tratamiento “soil nailing”. El portal norte comenzó en J unio de 2006. Éstas finalizaron en Marzo de 2007, con un promedio de avance, considerando las 4 frentes, de 303 m/mes. El avance medio fue de 28.2 m/mes, en suelos sector sur para ambos túneles. En secciones de macizo rocoso convencionales el avance mayor fue de 389.7 m/mes.
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1. INTRODUCCION
El relieve de San Cristóbal es una barrera natural entre el Noroeste y el Sureste de la ciudad de Santiago de Chile y constituye un mirador turístico excepcional sobre Santiago. Hoy en día la única conexión de tráfico entre estas dos partes de la ciudad es la Avenida Periférica “Américo Vespucio” que cruza este relieve en el sector llamado “La Pirámide”, con la consiguiente congestión de tráfico. El proyecto consiste en la excavación de túneles de carretera gemelos que incrementarán la conectividad entre el Norte y el Sur de Santiago, comunicando “Américo Vespucio Norte” desde la Avenida “El Salto” en “Huechuraba” con la municipalidad de “Providencia” en dos sitios, la Avenida “El Cerro y el puente “Lo Saldes”. La población estimada que se beneficiará directamente de esta nueva infraestructura es de aproximadamente 1.800.000 de habitantes, y su coste total asciende a 110 millones de dólares. (www.tunelsancristobal.cl)) La excavacion de estos túneles finalizó en el mes de mayo de 2007 y su inauguración tuvo lugar en julio del pasado año, 2008.
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2. DISEÑO DEL TÚNEL a) Datos geométricos y funcionales El Túnel de San Cristóbal posee una tipología de túneles gemelos, cada uno con una longitud de 1808 m, con un ancho funcional de 9 m considerando 2 carriles en cada túnel, salvo en el Portal Sur del túnel oriental que tiene tres carriles. Por razones de seguridad, se han excavado también ocho galerías de conexión cada 200 m para conectar los dos tubos. La Figura 1 muestra la sección funcional del túnel, mientras que la Figura 2 presenta la planta del mismo.
Figura 1. – Sección del tunel
Figura 2. – Planta b) Datos geológicos Los túneles se encuentran en la zona de relieves pre-andinos. Uno de estos relieves se conoce como “Cordón del Cerro San Cristóbal ” en el que se pueden distinguir (Aguirre, 1960) varios tipos de rocas volcánicas y continentales estratificadas de la formación “ Abanico” (Cretácico Superior a Oligoceno). También están presentes algunos depósitos de rocas intrusivas del Mioceno (Unidad Intrusiva I y II). Finalmente existen algunos depósitos cuaternarios no consolidados (aluvial, glacial, ceniza volcánica, sedimentos lacustres, etc.). Se han considerado las tres siguientes unidades geológicas: - Lava andesítica y niveles vulcanoclásticos (Tv and Tvt)
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Las lavas son mayoritariamente andesitas y andesita porfíricas (Tv), verduzcas y grises, mientras que las rocas piroclásticas están constituidas por tobas (Tvt). Esta formación estratificada está levemente plegada (NS to N20º), buzando entre 15º y 25º hacia el Este. En esta unidad se distinguen las siguientes rocas: andesitas (A1), andesitas porfíricas (A2) y tobas y brechas volcánicas (A3). - Rocas intrusivas (Tp) Corresponden a depósitos, diques y tubos volcánicos que son intrusivos a la “Formación Abanico”. En esta unidad se han tomado en cuenta dos diferentes tipos de roca: andesitas porfíricas (P1), andesitas porfíricas hidrotermales alteradas (P2). - Depósitos no consolidados Se trata esencialmente de suelos aluviales (Qv), derrubios de ladera (Qc, coluviones), sedimentos aluviales (Qf) y depósitos antrópicos (Qx). De entre todos ellos hay que destacar los derrubios de ladera ya que, desde el inicio de los trabajos de ingeniería básica, se detectó la presencia de importantes depósitos en el Portal Sur. En este sector existe un antiguo deslizamiento que afecta al túnel oriental. Este deslizamiento tiene un espesor de 30 m e involucra no sólo coluvión sino también a la roca meteorizada. Fundamentalmente consisten en detritos (gravas y cantos rodados en una matriz limosa y arcillosa) desplazados por la gravedad. La Figura 3 muestra la geología longitudinal del túnel donde se puede observar que la gran parte del túnel se excavó en diferentes tipos de andesita, excepto el portal sur en el que hay algunas tobas y el deslizamiento arriba mencionado. Finalmente se puede apreciar la existencia de 10 fallas principales distribuidas a lo largo del túnel. Se han descrito tres fases principales (Thiele, 1980): - fase tecto-genética (Oligoceno), que afecta la Formación Abanico la cual forma parte de la unidad pre-andina. - segunda fase compresiva ((Mioceno Superior –Plioceno Inferior) con pliegues suaves y rocas intrusivas que definen la unidad andina. - tercera fase (desde Plioceno hasta hoy en día) que condiciona el semi-graven central como también las principales características morfológicas actuales. La Formación Abanico se compone de secuencias estratigráficas macizas que buzan entre 15 y 25º hacia el Este y se corresponden con la primera fase tectónica. Se han detectado algunas estructuras pequeñas. Finalmente, el macizo rocoso está afectado por varias familias de juntas y fallas. La Figura 4 incluye un diagrama de roseta que muestra la distribución de las direcciones de fallas.
Figura 3. – Perfil longitudinal geológico del túnel
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Figura 4. – Diagrama de roseta de principales fallas y fracturas
Figura. 5. – Diagrama de contornos de las cinco familias de juntas detectadas
De esta figura se obtienen las cinco principales direcciones de fallas. Finalmente la Figura 5 muestra un esterograma que contiene los resultados de los datos estructurales medidos. En este diagrama de contornos se pueden apreciar tanto la concentración de polos como la ubicación de los cinco polos principales, correspondientes a las familias de juntas existentes. Se han llevado a cabo análisis estadísticos para todas las familias de juntas con el fin de determinar la dispersión de discontinuidades en términos de persistencia, rugosidad, apertura y espaciado. De acuerdo con la Norma Sismoresistente chilena, el túnel está situado en la Segunda Región. Teniendo en cuenta el tipo de macizo rocoso y el tipo de construcción, la aceleración sísmica que hay que considerar es de 0,3 g. El campo de esfuerzos natural adoptado corresponde a una distribución del coeficiente de esfuerzo Ko de 1,8 en la dirección Este-Oeste y de 0,8 en la dirección Norte-Sur. Finalmente, la presencia de agua no será importante y está reducida a algunas gotas y pequeñas entradas de agua. c) Datos geotécnicos El macizo rocoso se ha estudiado intensamente con el fin de hacer previsiones realistas sobre su comportamiento tenso-deformacional. Con este propósito se han llevado a cabo las siguientes prospecciones de campo: 7 sondeos, 2652 m de perfiles de refracción sísmica, 1960 de perfiles tomográficos de resistividad eléctrica, y 2600 sondeos electromagnéticos. También se efectuó un intensivo programa de ensayos en laboratorio. La caracterización geomecánica del macizo rocoso se ha realizado analizando toda la información expuesta y teniendo en cuenta la geología del túnel. El Cuadro 1 incluye las propiedades asignadas a las diferentes litologías existentes.
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Litología RMR Recubrimiento
Andesitas Porfíricas Andesitas Porfíricas Andesitas Porfíricas Brechas tobáceas Falla
c E Φ (MPa) (º) (MPa)
v
ρ
(t/m3)
61
145
1,26
53 11.302 0,21 2,69
54
170
1,07, 50 7.554 0,21 2,69
35
60
0,32
45 4.121 0,30
2,5
40
42
0,21 38 2.484 0,30
2,5
25
90
0,12 26 1.124 0,35
2,4
Falla
25
170
0,24 23 1.303 0,35
2,5
Coluvión
-
30
0,04
35
100
0,35 1,80
Cuadro 1. – Propiedades geomecánicas de macizo rocoso d) Método constructivo El método constructivo seleccionado fue NATM, mientras que el sostenimiento se diseñó usando la metodología DEA (Celada, 1997). La excavación, hecha tanto por voladura como empleando métodos mecánicos, se decidió hacer a sección completa, aunque en uno de los frentes la sección de excavación alcanza 158 m2. Con las propiedades de macizo rocoso mencionadas se han llevado a cabo algunos cálculos en 2D y 3D FLAC. Como resultado de estos cálculos, se han definido 7 diferentes tipos de sostenimientos. El Cuadro 2 muestra los datos principales referentes a cada tipo de clase de sostenimiento. La aplicación de estos sostenimientos tal y como se muestra en el Cuadro 2 depende de la calidad geomecánica del macizo rocoso expresado por su propio RMR y del recubrimiento; además, se diseñó un sostenimiento específico para el túnel excavado en el portal sur en los depósitos de suelos coluviales. En todos los casos los bulones fueron inyectados con cemento de 3 m de longitud y el hormigón proyectado usado de 30 MPa fue reforzado con fibras. Los marcos metálicos usados eran de tipo THN 29. A modo de ejemplo en las Figuras 7 y 8 se muestran las secciones de sostenimiento IV y VII que son respectivamente las más pesadas con bulones y con marcos metálicos. En algunas secciones de sostenimiento se consideraron como refuerzo especial una solera y un paraguas de micropilotes. Finalmente, como se describirá a continuación, en algunos casos fue necesario reforzar algunas secciones del túnel con bulones largos de 9 m de longitud. Finalmente, se aplicó a todo el túnel un revestimiento de hormigón proyectado con un espesor mínimo de 5 cm.
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Shortcr Sección Campo Sellado ete Marcos Revestimi de de con Pernos Sh 30 metalic ento Otros sostenim aplicació fibras L=3 m con os (Sh 30) iento n (cm) fibras (cm) 2,5 (L) RMRc > ST - I 3 X 7 70 2,5 (T) 60 < 2,0 (L) ST - II RMRc < 3 X 3 7 70 2,0 (T) 45 < 1,5 (L) ST - III RMRc < 3 X 7 7 60 2,0 (T) 35 < 1,5 (L) ST - IV RMRc < 3 X 15 7 45 1,5 (T) 25 < THN 29 ST - V RMRc < 3 15 a 5 35 1,5 m RMRc < 25 hasta THN 29 ST - VI 100 m 3 15+10 a 5 Solera recubrimi 1,0 m ento THN 29 RMRc < ST - VIIa 3 15+15 a 5 Solera 25 0,75 m THN 29 Solera ST - VIIb Coluvión 3 15+15 a 5 Paragua 0,5 m s Cuadro 2. – Secciones de sostenimiento de la roca
Figura 6. - Sección de sostenimiento IV
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Figura 7. – Sección de sostenimiento VII
3. CONSTRUCCIÓN DEL TÚNEL
A continuación se describen los datos principales referentes a la construcción de los dos túneles. La excavación de los túneles empezó en abril de 2006 y finalizó en abril de 2007, por lo que se emplearon 12 meses para completar la excavación de 3629,61 m de túnel. Esto nos da un avance promedio de 303,3 m/mes. En 10 de los 12 meses el túnel fue excavado usando 4 frentes, dos procedentes del Sur y otros dos del Norte. Hay que señalar que solamente se disponía de dos equipos completos, uno de ellos para los frentes meridionales y otros dos para los septentrionales. Al túnel occidental se le llamó Túnel C1 y se excavó desde el Norte (frente C1N) y desde el Sur (frente C1S). Al túnel oriental se le llamó Túnel C2 y de la misma manera se usaron dos frentes (frentes C2N y C2S). El Cuadro 3 muestra los avances medios alcanzados por los cuatro frentes de excavación. De este cuadro se puede deducir claramente que el avance desde el portal Norte fue mayor que el obtenido desde el portal Sur. Hay que tener presente que el frente llamado C2S, en el que el avance fue menor, es el que se excavó en el coluvión y en el deslizamiento existente; además hay que recordar que 65 m de los 702,03 excavados en este frente tuvieron una sección excepcional, que varió de 140 a 158 m2, correspondiente a la sección transversal con 3 carriles. Para ser precisos, el avance medio obtenido oscila entre 63.8 m/mes para el frente C2S y 111.8 m/mes para el frente C2N. C1S C2S C1N C2N total
Abr-06
May-06
J un-06
J ul-06
Ago-06
Sep-06
Oct-06
Nov-06
Dic-06
J an-07
Feb-07
Mar-07
19,19
38,45 18,55 6,97
35,92 21,03 42,93 45,93 145,81
63,69 33,67 113 73,8 284,16
49,47 39,58 142,8 106,3 338,15
83,83 42,7 128,8 102,9 358,23
28,3 61,5 146,4 143,7 379,90
135,2 53,6 9,6 191,3 389,70
143,8 50,6 22,7 81,2 298,30
159 86,8 50,5 75,7 372,00
154,4 113,8 96,9 84,2 449,30
58,8 90,7 79 124,7 353,20
19,19
63,97
Abr-07
89,5 88,2 177,70
total
970,05 702,3 839,60 1.117,93 3.629,61
Cuadro 3. – Avance medio obtenido durante la excavación de los túneles
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a) Portales Los dos portales se estudiaron especialmente para optimizar su diseño con el fin de reducir el impacto medioambiental. Hay que tener en cuenta que en los dos casos los portales tienen una importancia especial: el portal Norte porque se puede ver claramente desde todo el sector de Huechuraba y El Salto con un elevado impacto visual; y el portal Sur porque está situado en un sector de la ciudad de alta sensibilidad (Pedro de Valdivia Norte). Por lo tanto, en ambos casos se redujo la altura de los taludes de los portales. Las Fotos 1 y 2 muestran la excavación de los dos portales. En los cuatro casos se empleó un paraguas de micropilotes antes del comienzo de la excavación. En el portal Norte se llevó a cabo un refuerzo del talud frontal con bulones y hormigón proyectado, mientras que en el portal Sur el refuerzo se realizó mediante un “soil nailing".
Foto 1. –Portal Norte
Foto 2. – Portal Sur
b) Desarrollo constructivo Como se ha descrito ya, la excavación de ambos túneles se realizó entre abril de 2006 y abril de 2007. La longitud final excavada en el Túnel C1 es de 1809,65 m, mientras que la longitud final para el Túnel C2 es de 1819,96 m. Las dos suman entre sí 3629,61 m de túnel. Durante la excavación todos los frentes se caracterizaron y mapearon para poder obtener el valor RMR del frente y los datos principales de las discontinuidades estructurales. El valor de RMR y la evolución (magnitud y velocidad de convergencia) en el túnel fueron los dos criterios principales para seleccionar el tipo de sostenimiento de roca que se habían de aplicar para cada frente. La distribución de las litologías y también la posición y el espesor de las fallas coinciden fundamentalmente con la sección longitudinal prevista que se ha incluido en la Figura 3 . La principal diferencia que se produjo fue en uno de los tramos donde más prospecciones se realizaron, en el Portal Sur. En este sector el tramo afectado por la masa deslizada fue mayor al previsto. En consecuencia, dicho tramo afectado por estos depósitos fue de 90 m en lugar de 65 m como se previó en la ingeniería de proyecto. Los Cuadros 4 y 5 incluyen la comparación entre la previsión de la distribución de tipos de sostenimiento de roca y el sostenimiento que se aplicó en realidad en la excavación de los dos túneles. De estos cuadros se pueden sacar dos conclusiones principales. La primera es que la suma de sostenimientos V, VI y VII (con marcos metálicos) para el túnel C1 y C2 originariamente prevista fue de 14,65 y 17,3 % respectivamente, mientras que la longitud real aplicada corresponde a 18,65 y 19,97 %, lo cual nos da una diferencia de 4 y 2.7 %. Estas diferencias se pueden considerar pequeñas y, por lo tanto, la previsión hecha en la ingeniería de proyecto, aceptable.
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La segunda conclusión es que aproximadamente los tipos de sostenimiento I y II cambiaron su distribución, de manera que los valores de RMR y, en consecuencia, la calidad geotécnica de macizo rocoso fueron algo mejores de lo previsto. Tomando en cuenta las dos conclusiones, se puede decir que los costes reales coinciden con las previsiones.
SECCIÓN SOSTENIM.
PROYECTADO
CONSTRUÍDO
m
%
m
%
SECCIÓN SOSTENIM
ST-I
282,1
15,63%
856,6
47,12%
PROYECTADO
CONSTRUÍDO
m
%
m
%
ST-I
245
13,38%
776,4
42,41%
ST-I I
761,33
42,19%
343,6
18,90%
ST-II
814,38
44,48%
386,1
21,09%
ST-I II
360,18
19,96%
232,05
12,76%
ST-III
321,5
17,56%
219,57
11,99%
ST-I V
136,39
7,56%
46,82
2,58%
ST-IV
133,28
7,28%
83,13
4,54%
ST-V
43,75
2,42%
226,49
12,46%
ST-V
50
2,73%
239,57
13,09%
ST-VI
137,53
7,62%
56,74
3,12%
ST-VI
177
9,67%
82,41
4,50%
ST-VII
83,11
4,61%
55,77
3,07%
ST-VII
89,79
4,90%
43,57
2,38%
Cuadros 4 and 5. – Comparación entre las secciones de sostenimiento aplicadas y la predicción c) Monitoreo El macizo rocoso fue instrumentado para medir su comportamiento real. Este monitoreo consistió esencialmente en medidas de convergencia. El número total de estaciones de convergencia usadas dentro de los túneles fue 74 para el túnel C1 y 71 para el túnel C2. Las convergencias se medían sistemáticamente usando métodos ópticos. En aquellas secciones en las que era necesaria mayor precisión, fundamentalmente en fallas, el método se cambió midiendo la convergencia con cinta extensométrica. El control de convergencia fue una herramienta muy útil para decidir qué refuerzo aplicar en secciones críticas y también para tener un criterio objetivo para iniciar la construcción de revestimiento de hormigón proyectado sobre el sostenimiento del túnel. Con el fin de obtener más información sobre el comportamiento real tensodeformacional del macizo rocoso y del sostenimiento, se instalaron algunos extensómetros y también células de presión total del hormigón proyectado en algunas secciones transversales. Hay que hacer una mención especial del portal Sur por la presencia del ya mencionado deslizamiento y la existencia de dos grandes depósitos de agua (Aguas Andinas). En esta zona se decidió utilizar instrumentación, incluyendo dos inclinómetros, dos extensómetros y 4 perfiles topográficos para vigilar los movimientos de superficie y en profundidad sobre los túneles. 4. PRINCIPALES DIFICULTADES ENCONTRADAS
Durante los 12 meses de la construcción de los Túneles de San Cristóbal fundamentalmente se encontraron dos dificultades principales. La primera desde el principio estuvo asociada a la existencia del deslizamiento en el portal Sur y la segunda, posterior, estuvo asociada a la presencia de una importante falla con el máximo recubrimiento y, por lo tanto, con unas condiciones de esfuerzo relativamente elevadas. A continuación se describen brevemente las dos circunstancias.
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a) Portal Sur (C2S) Como ya se ha indicado, el portal Sur fue desde el principio un de los sitios más problemáticos para la construcción de estos túneles. A causa de las características urbanas de la obra, no fue posible optimizar el emplazamiento de estos dos portales meridionales. Sin embargo se consiguió evitar que el túnel C1 se viese afectado por este deslizamiento, pero no el túnel C2.. Hay, además, que considerar que los primeros 60 m del túnel C2 poseen tres carriles en lugar de dos y el ancho de excavación es de 18,1 m mientras que la sección de excavación es de 158 m2. El sector sur del túnel C2 entre PK 2+723 y 2+700 fue muy crítico ya que fue excavado en suelos coluviales y eluviales. El túnel se excavó, sistemáticamente, bajo un paraguas pesado de micropilotes (sección de sostenimiento VII) y el siguiente sostenimiento: - 3 cm de sellado de hormigón proyectado reforzado con fibras - 15 cm de hormigón proyectado - marcos metálicos de tipo THN-29, con un espaciado de ½ m - una segunda capa de 15 cm de hormigón proyectado reforzado con fibras - Solera estructural. La Foto 3 muestra el aspecto de uno de los frentes durante la excavación de este túnel.
Foto.3. – Detalle del Túnel C25. (Portal Sur) en suelos coluviales, a sección completa.
A pesar de estas medidas preventivas y del sostenimiento empleado, las estaciones de convergencia pusieron de manifiesto una divergencia horizontal así como un evidente proceso de hundimiento del túnel. La Figura 8 muestra este comportamiento. Se puede apreciar un descenso de bóveda inestable de 56 mm, mientras que en los hastiales estos descensos son de 27 y 17 mm respectivamente. Se decidió añadir otros 10 cm de hormigón proyectado. También se decidió instalar pernos autoperforantes horizontales de 6 m de longitud y con 1 m de separación en cada hastial del túnel para evitar el descenso de la estructura del túnel. El resultado de este refuerzo se muestra en la Figura 9, donde se puede apreciar cómo las convergencias verticales y horizontales se estabilizaron con velocidades inferiores a 0,1 mm/día.
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Se llevó a cabo un intensivo control a causa de la mencionada existencia de dos depósitos de agua en la vertical del túnel. La Figura 10 muestra el esquema en el que se puede observar la posición de los dos depósitos de agua en relación con los túneles. En esta figura también se muestra toda la instrumentación (extensómetros, inclinómetros y mediciones topográficas). Durante la excavación de los túneles se midieron movimientos en la superficie. Se detectó una clara correlación entre los movimientos en los túneles y los observados en la superficie. Sin embargo, todas las medidas de refuerzo descritas produjeron una estabilización de movimientos de superficie del terreno como se puede ver en la Figura 11, que corresponde a uno de los hitos de control ubicados entre el portal y los depósitos de agua.
Figura 8. – Medidas de la estación de convergencia C2 PK 2+720
Figura 9. – Descenso de la bóveda del túnel en la medición de la estación de convergencia C2 PK 2+720
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Figura 10. –Portal Sur del Túnel de San Cristóbal
Figura 11. –Asientos superficiales del Portal Sur derecho
Foto 4. – Frente en PK 1+48, mostrando la falla en el hastial derecho del túnel
b) Falla C1 El túnel occidental (Túnel C1N) atravesó una importante falla con una potencia total de 115 m (PK 1+ 460 a 1+575) donde el recubrimiento es aproximadamente de 100 m. La falla estaba situada principalmente en el lado derecho del túnel (considerando un avance desde el portal Norte) como se puede apreciar en la Foto 4. La excavación de estos 115 m se llevó a cabo entre Diciembre de 2006 y Febrero de 2007 con las siguientes secciones de sostenimiento:
De De De De
1450,00 1466,00 1477,00 1479,00
a a a a
1466,00: ST-V 1477,00: ST-VII 1479,00: ST-VI 1482,00: ST-IV
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De De De De
1482,00 1541,00 1543,30 1571,30
a a a a
1541,00: ST-V 1543,30: ST-IV 1571,30: ST-V 1575,30: ST-IV
En todos estos casos el avance se realizó al abrigo de un paraguas ligero salvo en la sección VII en la que se aplicó un paraguas de micropilotes. Toda esta sección se vigiló con 14 secciones de convergencia y con otra instrumentación complementaria. La Figura 12 muestra la respuesta del terreno, con convergencias que alcanzan 5 cm. Algunas de las secciones de convergencia mostraron un comportamiento inestable con velocidades relativamente elevadas. También se produjeron algunas fisuras y pequeñas grietas en el hormigón proyectado.
Figura 12. – Sección de convergencia en PK 1+485.
Por este motivo se decidió reforzar los tramos inestables mediante sostenimiento adicional. El sostenimiento llevado a cabo fue: - De 1+470 a1+477 (primera semana de Enero de 2007), bulones de 6 m de longitud y 10 cm hormigón proyectado. - De 1+484 a 1+490 (primera semana de Enero de 2007), el mismo refuerzo mencionado. - De 1+481 a 1+491 (segunda semana de Enero de 2007), con 7 filas de bulones, cada una con 3 bulones de 9 m de longitud. - El resto se reforzó usando pernos autoperforantes de 9 m de longitud. Todo este sostenimiento de refuerzo adicional ralentizó drásticamente la velocidade de convergencia de 4 mm/día a 0,6 mm/día. Sin embargo, como se mostró en la figura, se mantenía una tendencia muy clara, que mostraba que este refuerzo no había estabilizado del todo la excavación. A causa de esta tendencia se decidió llevar a cabo un análisis tridimensional retrospectivo de la sección de falla, reproduciendo las deformaciones medidas y también la secuencia de construcción y los sostenimientos aplicados. La Figura 13 muestra un detalle del modelo 3D usado que se resolvió usando FLAC-3D (Cundall, 2006). Como resultado de este análisis retrospectivo se decidió cerrar estructuralmente el sostenimiento mediante una losa de hormigón armado de 25 cm de grosor. La construcción de esta losa se inició a finales de marzo de 2007, con bataches alternos en tramos de 5 m de longitud para proteger el sostenimiento de túnel existente. A pesar de estas medidas, como se puede ver claramente en la figura anterior, se produjeron movimientos importantes, que posteriormente moderaron su velocidad, con la final estabilización de todas las secciones de convergencia.
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FLAC3D 3.00 Step83560 ModelPerspective 11:02:39ThuMay172007 Center: X: 5.658e+000 Y: 5.829e+001 Z:2.209e+000 Dist:8.170e+002
Rotation: X: 20.000 Y: 0.000 Z: 50.000 Mag.: 9.31 Ang.: 22.500
7 coronas de 3 pernos cada una de 9 m Pernos de 6 m (1.5X1.5)
Surface Magfac= 0.000e+000
Block Group esp_5 esp_10 esp_15 esp_25 esp_30 esp_aux
SEL Geometry Magfac= 0.000e+000
ST5
ST4 ST5+10cm
ST7b ST7b+10cm
Figura.13. - Detalle del modelo numérico en 3D usado para el análisis retrospectivo en el tramo de falla 5. CONCLUSIONES
Del diseño y la construcción del Túnel de San Cristóbal se pueden obtener las siguientes conclusiones: - La excavación a sección completa, aún en tramos de suelo, permite el empleo de máquinas de gran rendimiento que proporcionan unos excelentes avances en condiciones óptimas de seguridad. - Una buena combinación de caracterización geotécnica, modelización numérica en 3D y medidas de convergencia permiten solventar problemas durante la construcción del túnel. - La comparación entre las previsiones y el comportamiento real del macizo rocoso demuestra que el diseño se ha hecho con suficiente precisión y sin cambios relevantes de costes de ejecución. - A pesar de las complicaciones y los problemas geotécnicos que ocurrieron, el avance obtenido durante su construcción ha sido satisfactorio. AGRADECIMIENTOS
Los autores quieren expresar sus agradecimientos a la Concesionaria TÚNEL SAN CRISTÓBAL, por su colaboración al escribir este artículo. También se dan las gracias al Servicio Técnico de las Compañías Constructoras DRAGADOS y HOCHTIEF que han participado durante todo el proceso de construcción de túneles. Agradecimientos especiales para Pablo Ruiz y Ricardo Heinrich, directores generales de estas dos compañías en Chile REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. Aguirre, L. 1960. Geología de los Andes de Chile Central, provincia de Aconcagua. Instituto de Investigaciones Geológicas. Boletín, No. 9, 70 p. Santiago 2. Celada B (1997). “Diseño del sostenimiento de túneles”. In “Manual de Túneles y Obras Subterráneas” Chap.12. pp. 415 – 474. Ed. Entorno Gráfico. Madrid. 3. Itasca (2006). “Flac 3D. User’s guide. 4. Thiele R (1980). Hoja Santiago, Región Metropolitana. Instituto de Investigaciones Geológicas, Carta Geológica de Chile No. 39, 1 mapa, 51 p. Santiago. 5. www.tunelsancristobal.cl
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