[pms-logout text="Bienvenido, {{meta_user_name}}" link_text="Salir"]
Especial 'Túneles y obras subterráneas'
Doble cruce para la ampliación de la línea 5 del Metro del Madrid
Claudio Cabral Dias
Head of Ground Engineering and Tunnelling. Ayesa
Margarita Conde Palacios
Specialist Geotechnical Engineer. Ayesa
Fernando Díez Rubio
Asesor geotécnico de la Comunidad de Madrid
Jesús Zurdo Arranz
Director de proyecto. Comunidad de Madrid
El propósito de este artículo es presentar la metodología utilizada mediante un modelo 3D de interacción del suelo-estructura para validar la optimización de la solución del doble cruce subterráneo entre la ampliación de la línea 5 del Metro de Madrid, con el túnel de la línea 8 existente y el viaducto de la M-11. Inicialmente se consideró el Método Alemán para el doble cruce, sin embargo, la metodología desarrollada permitió demostrar que el uso del Método Tradicional de Madrid (MTM) es adecuado para este doble cruce, lo que permitirá un ahorro de costes, plazos y emisiones de carbono.
Palabras clave: Túnel, Método Alemán, cruce, ahorro, modelo 3D.
The purpose of this paper is to present the methodology used by means of a 3D soil-structure interaction model to validate the optimization of the solution for the double underground crossing between the extension of Line 5 of the Madrid Metro, with the existing Line 8 tunnel and the M-11 viaduct. Initially the German Method was considered for the double crossing, however, the methodology developed allowed to demonstrate that the use of the Madrid Traditional Method (MTM) is suitable for this double crossing, which will allow savings in costs, time, and carbon emissions.
Keywords: Tunnel, German Method, crossing, saving, 3D model.
La ampliación de la línea 5 de Metro desde Alameda de Osuna hasta la estación Aeropuerto Adolfo Suárez-Madrid-Barajas (T1-T2-T3), de la línea 8 del Metro de Madrid, donde se establecerá una estación de intercambio, permitirá un nuevo acceso directo entre la ciudad de Madrid y el aeropuerto a través de una de las líneas más demandadas. De hecho, la L5 es la cuarta más utilizada de la red (en 2019 captó el 10,6% del total de viajeros) y mueve 72,2 millones de viajeros al año, según las estimaciones de la Consejería de Transportes.
Anteproyecto y el Método Mixto
Como solución a la problemática del doble cruce sobre la línea 8 se pensó inicialmente en realizar un puenteo de las cargas introducidas por el nuevo túnel para transmitirlas a niveles del terreno más profundos que el túnel existente, esto es, una ejecución desde superficie de pilotes perforados de hormigón armado coincidentes en planta con los hastiales del nuevo túnel y situados en los laterales del túnel antiguo. Dichos pilotes se hormigonarían desde la punta hasta los hastiales del nuevo túnel, y constituirían su cimentación profunda en esta zona. A ello le seguiría la construcción del nuevo túnel mediante un Método Mixto (bóveda mediante MTM y hastiales mediante el Método Alemán sin costillas).
Un antecedente de la realización con éxito de este tipo de solución está descrito por Oteo (2015) para el cruce del túnel de María de Molina sobre la línea 9 de Metro de Madrid y se muestra en la figura de la derecha.
El uso del Método Mixto conllevaría un ritmo de producción más lento y el uso de más materiales, lo que supondría un aumento de los costes y también de las emisiones de carbono. Por este motivo, el equipo de diseño decidió considerar también el método MTM con una longitud de avance más reducida, de 1,25 m, para este cruce, que se estudió con más detalle durante el diseño de ejecución.
El Método Tradicional de Madrid (MTM)
El Método Tradicional de Madrid es un método para la construcción de túneles que se viene utilizando en la red de Metro de Madrid desde 1917 (Melis Maynar, M. 2012). El método utiliza una secuencia de excavación distintiva que comprende la división de la bóveda en una serie de pequeñas excavaciones que se apoyan sucesivamente en una combinación de puntales y tablones de madera durante la fase de excavación y seguidas directamente por la instalación del revestimiento permanente. El revestimiento permanente es de hormigón moldeado no armado (normalmente C30/37), por lo que normalmente no se utiliza armadura. La construcción de los muros y el revestimiento del túnel se realiza varios metros por detrás, también en hormigón no armado.
Aunque este proceso de construcción requiere mano de obra especializada, es un método muy versátil, que permite un alto grado de adaptación a las limitaciones de un entorno urbano.
Esta metodología se basa en el principio de realizar pequeñas excavaciones (menos de 5 m2), que limitan en gran medida el frente de excavación abierto, para garantizar su estabilidad durante la construcción. La excavación comienza con una galería de avance que se va apuntalando y ensanchando gradualmente hasta formar la corona del túnel, siempre con un sostenimiento provisional para cada etapa de ensanchamiento. De este modo, se reduce el frente abierto para cada plano de excavación y, por tanto, las condiciones de estabilidad son más favorables.
Esta galería de avance actúa también como túnel piloto para identificar cualquier contingencia o incertidumbre sobre el estado del terreno, lo que permite adaptar el procedimiento constructivo para responder a estas singularidades. Las contingencias pueden incluir elementos como la reducción de la longitud de avance o la instalación de tablones de madera en la frente de la excavación.
En función de las dimensiones de la sección del túnel y de las características operativas de los equipos de construcción, la excavación puede dividirse en tres fases generales, denominadas bóveda, hastiales y contrabóveda, de forma que los hastiales se ejecutan a continuación de la bóveda, con una cierta distancia entre ambos, y actuando siempre sobre un solo lado de las paredes del túnel, para no eliminar el sostenimiento de la bóveda previamente ejecutada.
Normalmente se utilizan longitudes de avance de entre 1,25 y 2,5 m, en función del terreno atravesado, con entibaciones instaladas sistemáticamente, aunque existen excepciones ligadas a tramos singulares, bien por condiciones geotécnicas o por la necesidad de adaptar la metodología de construcción en tramos con necesidades especiales, como en cruces o zonas de intersección de dos galerías.
Inmediatamente tras la excavación de la bóveda, se instalan los encofrados y se vierte el hormigón no armado. Este método permite controlar eficazmente la deformación del terreno, asignando al revestimiento final de hormigón la función crucial de contener y limitar las deformaciones del terreno circundante.
El hormigonado de la bóveda se realiza mediante bombeo in situ. Posteriormente, se lleva a cabo la excavación de la destroza, seguida del hormigonado de los muros laterales con hormigón no armado. Finalmente, la sección se completa con el hormigonado de la losa inferior de la contrabóveda.
En el esquema de la derecha se muestra un esquema de sección típica de un túnel excavado mediante el Método Tradicional de Madrid.
Diseño de ejecución y utilización de modelos 3D de interacción Suelo-Estructura (SSI)
El uso creciente de modelos numéricos en tres dimensiones (3D) para la validación de soluciones constructivas es una tendencia actual. Estos modelos, enfocados en la Interacción Suelo-Estructura (SSI, por sus siglas en inglés), permiten simular diseños complejos que, a menudo, requieren cálculos de este tipo para su confirmación. Por lo tanto, se han convertido en una herramienta poderosa y ampliamente utilizada en el diseño de túneles y obras subterráneas.
Cuando se construyen túneles y obras subterráneas en áreas donde interactúan con otras infraestructuras existentes, es necesario abordar el potencial impacto inducido por su ejecución. La seguridad de los proyectos de ingeniería es de vital importancia, tanto para los trabajadores involucrados como para las estructuras y las personas que las utilizan. En este sentido, la validación de las soluciones constructivas se vuelve fundamental para garantizar la integridad y la estabilidad durante la fase de construcción.
Existen varios factores desafiantes que complican la ejecución de este cruce, como la corta distancia existente entre el túnel proyectado y el túnel existente, así como la presencia de una importante autopista en la superficie en el mismo punto con una cobertera ajustada.
Para llevar a cabo esta validación, se desarrolló un modelo numérico utilizando el software PLAXIS3D con el objetivo de verificar y justificar la solución propuesta. Además de los condicionantes geométricos, la simulación del método constructivo elegido agrega complejidad al modelo de cálculo.
Debido al gran número de fases (6 fases de excavación solo para las excavaciones de la bóveda) y a los numerosos elementos estructurales utilizados para las obras temporales, como los puntales de madera, las longarinas metálicas y la entibación de madera, el MTM no se modela normalmente en 3D; sin embargo, para este cruce complejo en particular fue necesario crear un modelo avanzado para validar esta optimización del diseño.
Modelo 3D de Interacción Suelo-Estructura (SSI)
- Geometría y parámetros del terreno
El modelo ha sido desarrollado utilizando el software PLAXIS 3D. Este modelo engloba diversas estructuras, incluyendo un viaducto (M-11), el túnel de la línea 8 del Metro de Madrid y el futuro túnel de la línea 5, así como los pertinentes tratamientos del terreno. También se modelan el pozo de ataque por donde se empieza este tramo de túnel en mina y el paraguas de micropilotes del emboquille.
La estratigrafía geológica del área estudiada para el presente análisis está compuesta por varios estratos. Comienza con un estrato superficial de Relleno Antrópico, seguida por una secuencia de materiales terciarios, que incluyen un estrato de Tosco Arenoso (arenas arcillosas) y, finalmente, un estrato de Tosco (arcillas arenosas). La cobertera máxima del túnel en la zona del terraplén de la carretera es de 24,9 metros, mientras que fuera de esta área, el espesor de la cobertera es de aproximadamente 6 metros. Los detalles de la estratigrafía y los espesores de las capas se resumen en la tabla de abajo.
Respecto a las propiedades de los materiales, es importante señalar que se asumió que el suelo se encontraba en un estado seco, según los resultados de la campaña geotécnica. Por lo tanto, se llevó a cabo un cálculo de tipo drenado.
El suelo ha sido modelado utilizando el modelo de Hardening Soil (Brinkgreve & Broere, 2004). Este modelo implementa el comportamiento del suelo bajo condiciones de carga y descarga que rigen la construcción de túneles.
Los parámetros para los diferentes tipos de suelo, basados en datos experimentales y la experiencia derivada de análisis retrospectivos, se resumen en la tabla siguiente. En el caso del Relleno Antrópico se ha empleado el modelo constitutivo de Mohr-Coulomb, y los parámetros se muestran en la última tabla.
Modelo 3D de Interacción Suelo-Estructura
El modelo de Interacción Suelo-Estructura (SSI) tridimensional desarrollado en PLAXIS 3D está compuesto por una superficie plana de 80,0 por 74,4 metros y se extiende a una profundidad de 45,5 metros, tal como se ilustra en la figura de la derecha. Este modelo cuenta con 236.836 elementos, en el cual se presta especial atención al revestimiento del túnel. Con el fin de agilizar la evaluación de las fuerzas internas para el diseño estructural, el revestimiento del túnel se modela mediante elementos volumétricos, cada uno equipado con placas ficticias estratégicamente ubicadas en sus centroides. Además, se simula la construcción del terraplén de la M-11, el viaducto que se encuentra en la zona, las cargas del tráfico que circula sobre la M-11, la construcción de la línea 8 y el ataque del túnel de la L5 desde un pozo con el respectivo paraguas del emboquille.
El modelo 3D replica la compleja secuencia del Método Tradicional de Madrid, la cual consta de seis fases independientes para excavar una única fase de avance de la bóveda de 1,25 metros de longitud.
En total, el modelo representa la construcción de 55 avances (55 * 1,25 = 68,75 metros) y la instalación de sus paredes y su losa, abarcando así un total de 418 fases para simular la construcción del túnel de la línea 5 completamente.
Se han considerado en el modelo los elementos de sostenimiento provisional (entibación de madera, puntales de madera y longarinas metálicas), así como el revestimiento final de hormigón en masa, el cual se ha modelizado en función del tiempo de curado (7-14-28 días).
Resultados
Los resultados se van a discutir en función de las estructuras potencialmente afectadas por la construcción del túnel de la línea 5.
- Viaducto y terraplén de la M-11
Como se observa en la figura de la derecha, la construcción del túnel de la línea 5 da lugar a un asiento máximo de 11 mm en la zona más elevada del terraplén de la M-11. En la bóveda del túnel, el asiento máximo es de 21 mm y se observa un levantamiento máximo en el cruce entre los túneles con un valor de 26 mm.
La figura ilustra la cubeta de asiento en superficie, que se ha formado como consecuencia de la construcción del túnel de la línea 5. El asiento máximo en superficie se encuentra por debajo del límite máximo permitido para una obra de este tipo en la zona en la que está ubicada.
- Túnel de la línea 8
Para estudiar las posibles afecciones debidas a la construcción del nuevo túnel, se ha comprobado la sección transversal crítica del cruce de la línea 5 sobre la línea 8 para verificar que la excavación no genera perturbaciones en la estructura existente.
En la figura siguiente se muestran las deformaciones relativas después del paso de la línea 5. El paso de la línea 5 provoca una cierta deformación en sentido uz al aliviarse el confinamiento del terreno sobre la galería de la línea 8. Esta deformación es inferior a 20 mm y no se considera relevante a efectos de la estabilidad del conjunto.
Conclusiones
Este artículo describe el complejo cruce que fue necesario diseñar para la ampliación de la línea 5 del Metro de Madrid. En este doble cruce se necesita construir el nuevo túnel de la línea 5 por debajo de la autopista M-11 en explotación y por encima de la línea 8 existente, también de Metro de Madrid.
La gran proximidad de estos cruces con la línea 5, inferior a 3 m, aumentaba el riesgo de las obras, por lo que en el anteproyecto se consideró como método de construcción necesario una solución mediante el método mixto.
Sin embargo, el uso de esa solución habría sido muy lento y oneroso para el proyecto, lo que se habría traducido en plazos, costes y emisiones de carbono más elevados.
Se propuso y desarrolló una ingeniería de valor, aquí expuesta, que requirió el uso de un modelo 3D de interacción suelo-estructura avanzado con más de 400 fases de construcción, que modelan todas las estructuras implicadas en el doble cruce.
Este modelo ha sido posible gracias a los últimos avances tanto en informática como en el software PLAXIS 3D, que mediante la herramienta Tunnel Designer y el scripting Python permite una configuración más eficiente de modelos 3D complejos.
El modelo demostró que el Método Tradicional de Madrid combinado con una longitud de avance de 1,25 y el uso de tratamiento del terreno alrededor del doble cruce es adecuado para acometer este complejo cruce.
La metodología desarrollada por el equipo de diseño se presentó aquí para ilustrar cómo proponer una solución de ingeniería de valor a nivel de diseño que beneficie a la fase de construcción. Se espera que la solución propuesta permita ahorrar en materiales, mano de obra y plazos, lo que revertirá en un ahorro de costes de construcción, tiempo y emisiones de carbono.
El uso de la solución presentada puede ser tomado como referencia para otros proyectos con geología y geometría similares por parte de un equipo de diseño experimentado con un nivel considerado de criterio de ingeniería.
Referencias
1
Melis Maynar, M. (2012). Apuntes de introducción al proyecto y construcción de túneles y metros en suelos y rocas blandas o muy rotas. La construcción del Metro de Madrid y la M-30. UPM Universidad Politécnica de Madrid.
2
Rodríguez, J.M. (2000). Propiedades geotécnicas de los suelos de Madrid. Revista de obras públicas. Extraordinario-diciembre 2000. 3405(59-84)
3
López Jimeno, C, et al. (2011). Manual de túneles y obras subterráneas (Vol. 1 y 2). UPM Universidad Politécnica de Madrid.
4
Oteo, C. (2015). Quince lecciones y un epílogo sobre geotecnia de obras subterráneas. Asociación Técnica de Carreteras.
5
Dias, C.C., Villavicencio, A.G., Martín, J.M. (12-18 mayo, 2023). The Traditional method of Madrid – a 2D SSI approach calibrated via 3D modelling. Proceedings. of the WTC 2023. Expanding Underground – Knowledge and Passion to Make a Positive Impact on the World. Atenas, Grecia.