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Especial | Túneles y Obras Subterráneas
La evolución en el diseño de anillos de dovelas en los últimos 20 años
Sara Bech Padrosa
Ingeniera de caminos, canales y puertos, Tunnel Design Engineer, TYLin.
Nicola della Valle
Ingeniero de minas, Tunnelling Area Manger, TYLin.
El diseño de túneles revestidos con dovelas ha evolucionado enormemente en las últimas décadas. La construcción de grandes obras de carretera y ferrocarril a nivel mundial, de nuevas líneas de metro en las ciudades, de túneles hidráulicos, de alcantarillas y de servicios con tecnología de excavación mecanizada han permitido desarrollar mejoras geométricas e introducir nuevos materiales (HRFA) con el fin de optimizar los procesos constructivos y mejorar la calidad, durabilidad y sostenibilidad del túnel ejecutado.
Palabras clave: Anillo, dovelas, geometría, HRFA, optimización.
Segmental lining tunnel design has considerably advanced in recent decades. The construction of large road and railway underground infrastructures worldwide, new metro lines in cities and hydraulic, sewer or service tunnels using mechanised excavation technology, has allowed the development of geometric improvements and the introduction of new materials (HRFA), in order to optimise the construction processes and the quality, durability, and sustainability of the executed tunnel.
Keywords: Ring, segments, geometry, SFRC, optimisation.
Los primeros túneles revestidos con anillos se construyeron a finales del siglo XIX con dovelas de hierro fundido, y no fue hasta la década de 1930, en que hubo escasez de este material, que se consideró el hormigón como material alternativo. Los primeros túneles eran pequeños, pero entre las décadas de 1970 y 1990 se desarrollaron la tecnología, los accesorios y los métodos de impermeabilización que dieron como resultado lo que hoy conocemos como PCTL (Precast Concrete Tunnel Lining) o revestimiento de túnel con dovelas prefabricadas. En España, los anillos de dovelas llegaron con el auge de la construcción de la alta velocidad y las nuevas líneas de metro de ciudades como Barcelona, Madrid, Valencia o Sevilla entre finales del siglo XX y principios del siglo XXI.
El desarrollo de los revestimientos de dovelas de hormigón prefabricadas ha ido de la mano del desarrollo de las máquinas tuneladoras con escudo, metodología que se ha consolidado para la ejecución de túneles tanto en ambientes urbanos como de largos túneles ferroviarios o de trasvase, y en condiciones difíciles, debido a su rapidez, flexibilidad y seguridad.
Por lo que se refiere al diseño, en la actualidad existen normativas internacionales y guías desarrolladas por los organismos referentes en el sector, como la ITA (International Tunnelling Association) u otras entidades nacionales, que recogen recomendaciones para el diseño geométrico y estructural de túneles con dovelas. Estas referencias incorporan la experiencia incorporada por diseñadores y constructores y permiten mejorar la calidad, la durabilidad y la sostenibilidad de las dovelas.
Diámetro y espesor de los túneles revestidos con anillos de dovelas
El avance tecnológico ha permitido aumentar los rangos de aplicación de los revestimientos de dovelas, con valores mínimos de 2,4 m de diámetro interno en túneles de servicios hasta los 15,85 m del Alaskan Way Viaduct en Estados Unidos o los 15,6 m del Chek Lap Kok to Tuen Mun en Hong Kong.
Sin embargo, los diámetros más comunes en la actualidad son de entre 3 y 7 m para túneles de agua y servicios; 5,2 y 8,4 m para bitubos; 9,5 y 10,5 m para monotubos de metro; y más de 12 m para túneles bitubo de ferrocarril, alta velocidad o carretera. En cualquier caso, el diámetro de un túnel viene dictado por el gálibo funcional interno necesario en función del tipo de explotación que se requiere.
El espesor del anillo en un túnel debe ser suficiente como para poder cumplir con todas las verificaciones estructurales y funcionales tanto en fase de construcción como de explotación; depende principalmente del diámetro interno del túnel, pero también de la geología, las cargas actuantes y las condiciones particulares de cada proyecto (agresividad, resistencia al fuego, etc.). Según la experiencia —constatada por la ITA— la relación entre el diámetro interior del túnel (ID) y el espesor oscila normalmente entre 3,5 y 5,5% para los túneles con un diámetro interno superior a 5,5 m; para diámetros menores, esta relación aumenta.
Geometría de los anillos y las dovelas
Los primeros anillos eran de caras paralelas, de manera que cualquier curvatura o rectificación de posibles desviaciones en el trazado se corregía mediante separadores entre juntas transversales. Este sistema, primero, evolucionó a los anillos izquierda-derecha con conicidad a un lado para poder definir curvaturas en planta, pero en seguida apareció el concepto del anillo universal —el más extendido actualmente—, que consiste en un anillo cónico a ambos lados que permite seguir cualquier trazado y curvatura en planta y alzado.
Respecto a la forma de las dovelas en túneles hidráulicos, las primeras tenían forma de geometría de panal. Para otro tipo de aplicación, se empezaron a utilizar dovelas rectangulares, con la necesidad de introducir una pieza trapezoidal de cierre (dovela clave). Esta geometría requería de la instalación de tornillos en las juntas entre dovelas y anillos para la construcción del túnel.
Evolución de la geometría de anillos de dovelas
Con las mejoras tecnológicas de los accesorios de conexión, el arte de la geometría ha evolucionado a dovelas romboidales y trapezoidales en un mismo anillo, lo que evita también la colocación de tornillos, tanto transversales como longitudinales.
Los anillos con dovelas de junta inclinada, junto con el uso de conectores en la junta entre anillos y barras de guiado entre dovelas, ofrecen numerosas ventajas, ya que permiten prescindir de los tornillos en la junta longitudinal por el efecto interlock de una dovela con otra, además de tener una fricción reducida en fase de instalación entre los sellos de estanqueidad y evitar las juntas cruciformes.
Configuración de un anillo o despiece de dovelas
Inicialmente, el único objetivo era dividir los anillos en el menor número de dovelas posibles para minimizar el proceso de instalación y el número de juntas, y maximizar los rendimientos. Esta consideración estaba siempre sujeta a la viabilidad de manejo e instalación de las piezas dentro de la tuneladora. En los últimos años, sin embargo, con la introducción de nuevos materiales de refuerzo y revestimiento y con los trazados cada vez más extremos, en algunos proyectos se considera la división del anillo en un mayor número de dovelas.
Dentro de la configuración de dovelas, el concepto de pieza pequeña de cierre o dovela clave ha llevado en muchos proyectos a la posibilidad de diseñar una pieza con el mismo ángulo de desarrollo que las demás. Frente a las configuraciones tradicionales 5+1, 6+1, 7+1, etc., estas configuraciones —conocidas como anillos 6+0, 7+0, 8+0, etc.— proporcionan varios puntos a favor que pueden ser considerados a la hora de diseñar geométricamente el anillo.
Geometría de las juntas longitudinales y circunferenciales
Las juntas longitudinales o radiales son las uniones entre dovelas del mismo anillo. Los primeros anillos se diseñaban con geometrías de contacto cóncavas-convexas, cóncavas-cóncavas o rectas, y se utilizaban tornillos rectos o curvos (bananos) para su unión. Actualmente, la mayoría de las dovelas se diseñan con juntas rectas, y en muchos casos sin la presencia de bulones, solo con barras de guiado como auxilio en su instalación.
Las juntas circunferenciales representan las uniones entre anillos. Inicialmente se diseñaban con encajes de hormigón para transmitir cortante, pero generaba problemas al ser una estructura demasiado rígida. Hoy en día se prefieren las caras planas y demandar la rigidez a los conectores longitudinales. Además, la necesidad de placas de repartición de esfuerzos pegadas a las juntas circunferenciales está muy cuestionada, y muchos túneles se construyen ya sin estos elementos.
Elementos de conexión
Para la instalación del anillo de dovelas, que de por sí es una estructura totalmente articulada, es necesario proveer conexiones entre dovelas para asegurar su correcto posicionamiento, alineamiento y estabilidad hasta que el relleno del gap anular no sea efectivo y de alrededor no entre en carga con el túnel. En este momento, los elementos de conexión dejan de trabajar y, por ello, en la mayoría de los casos se consideran elementos temporales.
Hace 20 años o más, la mayoría de los túneles de dovelas se diseñaban y construían con bulones en ambas juntas, que se quitaban una vez que la compresión del túnel estaba asegurada. Hoy en día, la mayoría de los anillos de dovelas se diseñan con conectores en las juntas circunferenciales y barras de guiado en las juntas longitudinales, lo que permite cumplir las estrictas tolerancias de instalación hasta el mínimo detalle. Los conectores son accesorios plásticos con barras de acero interiores en algunos casos que se colocan en insertos embebidos en las dovelas. Aunque la función básica de los conectores es el alineamiento y el cierre del sello de estanqueidad en fases tempranas, su contribución a cortante puede utilizarse como soporte para rigidizar los anillos en fases temporales de apertura de galerías laterales o pozos de conexión (superconectores con alta resistencia a corte).
En las juntas longitudinales, el diseño con tornillos está estrechamente relacionado con la geometría rectangular de las dovelas; sin embargo, es posible prescindir de los tornillos adoptando una forma trapezoidal. Es importante destacar que la combinación de conectores, barras de guiado y juntas inclinadas permite eliminar completamente la necesidad de bulones, con lo que se mejora la durabilidad de la estructura.
Estanqueidad de los túneles de dovelas
El elemento esencial para la impermeabilización de un anillo de dovelas es el sello elastomérico de EPDM (gasket) que se coloca en el extradós de las juntas. El sello impermeabilizante se dimensiona para soportar la presión externa del nivel freático y la presión de inyección del relleno anular (a corto plazo) con el objetivo de mantener la estanqueidad en el interior del túnel. El diseño tiene en cuenta la geometría de las dovelas y sus deformaciones, las tolerancias, la presión del agua del proyecto y los requisitos de durabilidad o envejecimiento del sello.
Para colocar el sello en las caras perimetrales de las dovelas existen dos procedimientos en función de la propia geometría del sello. Así, los gaskets que se encuentran en el mercado pueden ser pegados o anclados. Para los primeros, la instalación se realiza una vez hormigonadas las dovelas pegándose en las ranuras diseñadas para su fin. La segunda tipología permite el hormigonado del sello gracias a una geometría con patas de anclaje. Actualmente se utilizan ambos sistemas, ya que ambas tipologías ofrecen ventajas e inconvenientes. Mientras que el sello pegado es más fácil de dañarse durante el trasporte o la colocación, el sello anclado también puede presentar problemas de reparación, y es más propenso a desarrollar tensiones de corte al extradós (spalling). Por este motivo, es imprescindible diseñar la distancia optima del sello al extradós de las dovelas.
Tipología de elementos longitudinales con alta resistencia a corte
A nivel de validación del gasket, se considera apropiado verificar la estanqueidad del sello con un factor de seguridad de 2 para tener en cuenta la relajación del gasket a largo plazo. A nivel de tolerancias, con los accesorios de conexión actualmente utilizados, se recomienda establecer valores de separación de caras (gap) entre 4 y 5 mm y desplazamiento (offset) de 10-15 mm, tal y como recomienda la AFTES/ITA.
Cabe destacar que en túneles con demandas importantes de carga de agua o con requisitos especiales pueden estudiarse soluciones con doble sello o el uso de juntas hidrofílicas como barrera adicional.
Hormigón para dovelas prefabricadas
El sistema de prefabricado de dovelas es un proceso industrial que conlleva un desmolde a temprana edad (6-8 h), que se puede obtener con curado al vapor. Para una manipulación sin riesgos ni fisuras, se establecen valores mínimos de resistencia a compresión (cilíndrica) al desmoldeo mayores de 15 MPa, y de hasta 18 MPa para dovelas de espesores mayores a fin de asegurar un curado óptimo y homogéneo. Con estas necesidades a edad temprana, las dovelas aseguran una resistencia a compresión a 28 días de 40 MPa como mínimo, aunque por condicionantes de carga pueden llegar a ser necesarios valores mayores, comúnmente entre 45 y 55 MPa, con la posibilidad de utilizar hormigones de alta resistencia de hasta 80 MPa. En ambientes agresivos puede ser necesario utilizar cementos y áridos especiales para resistir los posibles ataques químicos del agua o del terreno.
Uso de hormigón con fibras
Uno de los avances más significativos en los últimos años en los anillos de dovelas ha sido el uso de HRFA (Hormigón Reforzado con Fibras). Mientras que su aplicación en pequeñas cantidades mejora la tenacidad del hormigón y limita el desconchamiento por impacto, su consideración estructural en el diseño permite la optimización de la armadura de acero convencional hasta llegar a dovelas reforzadas únicamente con fibras o híbridas.
La propiedad que permite caracterizar el hormigón reforzado con fibras y tenerlo en cuenta en la validación estructural es su resistencia residual a tracción, algo que no proporciona el hormigón en masa. Así, dependiendo de las características de las fibras, su cantidad y la mezcla de hormigón, pueden conseguirse resistencias residuales de más de 4 MPa y hasta de 7 MPa, lo que permite la total sustitución de la armadura convencional. Existen guías de referencia especializadas en el diseño estructural de dovelas con HRFA, como la fib o la ACI, y códigos de diseño estructural que incorporan el diseño de hormigón con fibras, como el reciente Eurocódigo 2.
Tipología de sellos de estanqueidad
Hoy en día, se considera de forma preliminar que, para poder armar las dovelas exclusivamente con fibras, la relación de esbeltez (longitud de desarrollo/espesor) debe ser menor a 12, así que el empleo de fibras está muy relacionado con la configuración de dovelas en el anillo, es decir, un mayor número de dovelas favorece la viabilidad del empleo exclusivo de fibras.
Cabe destacar que el empleo de fibras en el hormigón ofrece otras ventajas muy relevantes hoy en día, como son la durabilidad o la sostenibilidad con respecto a la solución tradicional. De este modo, mientras que las dovelas estándar con armado convencional ofrecen cuantías entre 80 y 120 kg/m3, el empleo de fibras de acero permite sustituirlo por diseños con 35-45 kg/m3 únicamente de fibras. Estos valores corresponden a túneles en condiciones normales en los que las dovelas trabajan a compresión con el túnel construido y solo tienen que soportar tracciones en las fases temporales y en las juntas debidas al empuje de la TBM o a la transmisión del axil.
Aunque el uso de fibras como refuerzo para las dovelas no se puede generalizar, ya que hay condicionantes en ciertos proyectos que lo impiden —terreno muy pobre, sismo elevado, compresiones muy elevadas, etc.—, en los últimos años su utilización ha crecido de forma destacada y son muchas las referencias internacionales que avalan su efectividad.
La geometría y la tipología de revestimiento con anillos de dovelas han evolucionado de manera dispar
Particularidades en túneles de dovelas
Los anillos de dovelas son una solución estructural óptima por el propio comportamiento a compresión de los túneles; sin embargo, existen situaciones en las que el revestimiento de dovelas tiene que soportar importantes esfuerzos de tracción o corte, como condiciones de sismo destacables, cruce de fallas activas o túneles hidráulicos de altas presiones interiores. En estos casos se diseñan soluciones particulares para resistir dichos esfuerzos y evitar la apertura de las juntas de los anillos y la pérdida de estanqueidad. Recientemente se han desarrollado e implementado sistemas postensados en los anillos para resistir altas presiones interiores u otros a partir de la instalación de elementos sísmicos especiales en las juntas, que permiten acomodar desplazamientos conteniendo la apertura de junta y la integridad del revestimiento.
En la mayoría de los casos, los túneles con dovelas deben diseñarse para proporcionar cierta resistencia al fuego. Para túneles ferroviarios de alta velocidad y de metro, la carga de fuego suele ser más baja, pero para túneles carreteros, con posibles cargas de fuego con mayor potencia, las condiciones son más severas y condicionan la solución estructural del revestimiento. En cualquier caso, incluir entre 1 y 2 kg/m3 de microfibras de polipropileno es una práctica recomendada para prevenir el fenómeno de desconchamiento explosivo o spalling del hormigón a altas temperaturas.
Conclusiones: mirando el futuro
En los últimos años y según los países, la geometría y la tipología de revestimiento con anillos de dovelas han evolucionado de manera dispar. Así, por ejemplo, las dovelas con HRFA han tenido mucha aceptación y se han aplicado en Oriente Medio por la agresividad de su suelo, o en túneles de plantas desaladoras para dar respuesta al objetivo de durabilidad de las estructuras.
Cabe destacar que en algunos países y administraciones se siguen manteniendo los mismos pliegos y requerimientos con conceptos antiguos respecto a las fijaciones o la tipología de refuerzo, por lo que es necesario actualizar dichas especificaciones con la tecnología y los avances actuales.
Experiencias recientes —como las dovelas con bajo contenido en cemento del metro de Toulouse, o los anillos experimentales con circuitos embebidos en las dovelas del metro de Turín para la generación de energía— muestran el buen estado de la ingeniería subterránea y su desarrollo constante para dar respuesta a las necesidades actuales y futuras bajo el desafío de la sostenibilidad y la durabilidad.
Referencias
1
ACI 544_7R (2016). Report on Design and Construction of Fiber-Reinforced Precast Concrete Tunnel Segments.
2
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4
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5
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6
fib (2010). CEB-FIP Model Code 2010. (fib Bulletins 65-66)
7
fib (2017). Precast tunnel segments in fibre-reinforced concrete. State of the art report (fib Bulletin n.º 83).
8
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9
ITA/AITES. Guidelines for the Design of SegmentalTunnel Linings. ITA Working Group 2- Research.
10
ITA-TECH (2016). Guidance for Precast Fibre Reinforced Concrete Precast Segments – Vol. 1: Design Aspects. 21374-ITATECH-REPORT-7-PFRCS.
11
ITA-TECH (2024). Low Carbon Concrete Linings. (ITA Report n.º 35).
12
Salas, R. y Della Valle, N. (2012). Segmental lining thickness vs. internal diameter ratio: A perspective approach for lining dimensioning. 3rd Brazilian Congress on tunnels and underground structures. South American Tunnelling 2012 International seminar. São Paulo. CBT/ABMS.