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Especial | Túneles y Obras Subterráneas
Modelización y diseño de las galerías de entronque al pozo de ventilación desde los túneles de Bromford en HS2 North
Alberto González
Ingeniero de caminos, canales y puertos. Design Manager. Mott MacDonald.
Ángel Silvestre
Ingeniero de caminos, canales y puertos. Design Lead. Mott MacDonald.
Benjamín Lafarga
Ingeniero de caminos, canales y puertos. CEng MICE. Design Lead. Mott MacDonald.
El túnel HS2 Bromford es un túnel bitubo de 5,8 km de longitud y 7,55 m de diámetro interno construido con una tuneladora de densidad variable y dovelas prefabricadas de 350 mm de espesor. El túnel incluye 13 pasajes transversales entre los dos túneles principales para fines de evacuación, así como un pozo de ventilación e intervención ubicado en el punto más bajo del trazado que conecta los túneles principales a través de una serie de galerías y cavernas en mina. Este artículo describe los fundamentos de los trabajos computacionales desarrollados para diseñar la red de galerías en mina del pozo intermedio bajo un único y extenso modelo numérico ITASCA FLAC3D, las condiciones de entrada y de contorno para la modelización, el enfoque de diseño y algunos aspectos destacados de la ingeniería de valor desarrollada junto con el contratista.
Palabras clave: Galerías en mina, Interacción de estructuras, Ingeniería de valor, Grandes pozos.
The HS2 Bromford Tunnel is a 5.8 km long, 7.55 m internal diameter twin bored tunnel constructed using a variable density Tunnel Boring Machine (TBM) with 350 mm thick precast concrete segments. The tunnel includes 13 mined cross passages for evacuation purposes, as well as an intermediate intervention and ventilation shaft located in the alignment’s lowest point, connected to the line tunnels by a series of Sequential Excavation Method (SEM) galleries and caverns. This paper describes the basics of the computational work developed to design all these SEM assets under a single and extensive ITASCA FLAC3D numerical model, the inputs and boundary conditions for the numerical modelling, the design approach, and some outlines of the value engineering developed along with the contractor.
Keywords: Mined Galleries, Structures Interactions, Value Engineering, Big Shafts.
HS2 simboliza la nueva línea ferroviaria de alta velocidad británica, un hito generacional en inversión e infraestructura de transporte en el Reino Unido. Los trenes de construcción británica proporcionarán un transporte fiable y sin emisiones y acortarán el tiempo de trayecto en un 40% entre las dos mayores ciudades del Reino Unido, Londres y Birmingham. Los trenes HS2 reforzarán la línea ferroviaria convencional desde Handsacre, en Staffordshire, continuando hacia Manchester, el noroeste y Escocia.
Balfour Beatty VINCI (BBV) es el contratista designado para la sección de 90 km de la ruta HS2 conocida como Equipo de Proyecto Integrado (IPT, Integrated Project Team) Área Norte en las Midlands. Este IPT incluye al contratista BBV, la UTE de diseño Mott MacDonald ‑SYSTRA (DJV) y HS2 Ltd como Project Manager.
Perteneciente al sector IPT Área Norte, y ubicado en el ramal de Birmingham al este de Washwood Heath y al sur del área residencial de Bromford, el túnel Bromford (BRO) es un túnel bitubo de 5,8 km de largo con un diámetro interno de 7,55 m. Los túneles se construyen utilizando una máquina tuneladora (TBM) de densidad variable con dovelas de hormigón prefabricado de 350 mm de espesor. Los dos tubos están interconectados por 13 galerías transversales en mina, que ejercen como vías de escape entre túneles en caso de emergencia.
Adicionalmente, y debido a la longitud del túnel, se construye un pozo de intervención y ventilación intermedio (BTIS), con conexiones adyacentes a los túneles principales a través de una serie de galerías y cavernas en mina (véase imagen superior).
Este artículo describe los fundamentos y el enfoque para el diseño de estas galerías y cavernas entre el túnel y el pozo intermedio, los trabajos computacionales desarrollados bajo un único y extenso modelo numérico ITASCA FLAC3D, las condiciones de entrada y de contorno para la modelización numérica, y algunos aspectos destacados de la ingeniería de valor desarrollada junto con BBV durante las etapas de diseño y construcción.
Túnel de Bromford. Planta. Pozo intermedio
El pozo intermedio de Bromford
El pozo intermedio de los túneles de Bromford en HS2 se localiza en las inmediaciones de su PK 167 + 646, coincidiendo con su punto bajo de trazado o de transición de gradiente. Este pozo, que presenta unas dimensiones generales de unos 18,5 m de diámetro interior y 45 m de profundidad, está excavado al abrigo de pantallas continuas de 1,5 m de espesor.
El propósito múltiple de acceso de emergencia, trazado de equipos y cables e incluso de ventilación de los túneles de línea de este pozo requiere de una serie de conexiones con los túneles mediante un sistema de galerías en mina, resumidos en (véase imagen de la derecha):
- dos galerías cuasirectangulares de ventilación (VA01 y VA02), de unos 9 m de dimensión máxima, que proporcionan un área de ventilación aproximada de 21 m2 cada una;
- dos galerías circulares de cableado (CA01 y CA02) y dos de cableado y acceso (ICA01 e ICA02), de unos 5‑6 m de diámetro, con cavernas intermedias de distribución (CH01 y CH02) de entre 7,5 y 9 m de diámetro.
Pozo intermedio túnel de Bromford. Planta.
Condiciones geológicas
La estratigrafía vertical del terreno en el área del pozo intermedio de Bromford se caracteriza por la siguiente secuencia:
- rellenos: predominantemente arcilla limosa y arena suelta de grano medio y grueso con algunas gravas intercaladas;
- depósitos fluviales: gravas y arenas con algo de arcilla firme;
- lutitas Mercia de la formación Sidmouth en diversos grados de meteorización desde suelo a roca, con diferentes propiedades geotécnicas.
Las galerías de entronque al pozo se encuentran íntegramente dentro de las lutitas Mercia en grados I/II, consideradas rocas blandas con intercalaciones de limonitas y areniscas. También son frecuentes en este grupo rocoso finas bandas de yesos, lo que condiciona la agresividad del medio (a través de potenciales sulfatos salinos en disolución que pudieran provocar fenómenos expansivos o un ataque químico al hormigón cuando se precipitan en forma de cristales en la roca) y, por ende, el diseño de materiales para las galerías y el pozo.
La hidrogeología local se caracteriza por la existencia de dos acuíferos: uno a nivel de los depósitos y arenas, y otro en la profundidad del entorno rocoso. Debido a la alta probabilidad de conexión entre ambos, se ha considerado una carga de agua definida por el acuífero superior, pero con distintas elevaciones según la fase constructiva, la fase de servicio a corto plazo y la fase de servicio a largo plazo (véase tabla de la derecha).
Finalmente, en el nivel de las galerías de conexión, las tensiones naturales del terreno representadas por el parámetro K0 se caracterizan por una marcada anisotropía variable según la profundidad (véase imagen de arriba).
Variables de contorno para el diseño
Durante la fase inicial de consolidación de las bases del diseño, los diseñadores y el contratista definieron una serie de variables teórico-prácticas que debían integrarse en la etapa del diseño a detalle completo. Algunas de estas variables de contorno fueron:
Niveles de agua de diseño
- Flexibilidad de los diseños para adaptarse a las posibles secuencias constructivas. En concreto, las galerías en mina se diseñan para excavar desde los túneles de línea o desde las cavernas intermedias de distribución, con el objetivo de desacoplar la construcción del pozo y los túneles.
- Adecuar las condiciones hidrogeológicas a la seguridad constructiva. El sistema de gestión del agua en el terreno durante la construcción debe diseñarse para garantizar una presión de agua despreciable sobre el revestimiento primario (sostenimiento) de las galerías y cavernas durante la construcción, así como sobre algunas secciones del túnel de línea en el entronque con las galerías de ventilación.
- Capturar los efectos sobre el terreno natural de la excavación del pozo intermedio y de los túneles TBM, anteriores a la excavación de las galerías de conexión entre ellos.
- Contabilizar el aporte estructural combinado del sostenimiento primario (sostenimiento) y el secundario (revestimiento) durante la fase de servicio, teniendo en cuenta una estimación de la degradación a largo plazo del primario y una estimación conservadora de cargas sobre el secundario.
- Implementación de condiciones de superficie probables a largo plazo requeridas por el pliego técnico: sobrecargas y desconfinamientos por potenciales implantaciones o excavaciones futuras en superficie.
- Sobre algunas de estas variables también se aplicaron estudios de sensibilidad específicos, como se mostrará más adelante en el documento.
Desarrollo de los diseños de detalle
Una vez determinadas las variables teórico-prácticas que sientan las bases del diseño, la siguiente etapa del proceso fue la identificación del mejor método de modelización numérica del problema conjunto. Dada la complejidad del sistema de galerías, la importante interacción con los sistemas constructivos de pozo y túneles TBM, la anisotropía del terreno o los requisitos de gestión de la presión del agua, se decidió desarrollar un modelo numérico en 3D por diferencias finitas en FLAC3D (véase imagen de la derecha).
Principios y metodología para el modelado numérico en 3D
La secuencia de modelización completa en FLAC3D del sistema de galerías y cavernas de conexión del pozo intermedio de Bromford constó de más de 100 fases de cálculo. El proceso de implementación y cálculo se resume esquemáticamente en las siguientes etapas:
- Estado natural del entorno. Presiones geostáticas del terreno con anisotropía, así como condiciones iniciales de presión hidrostática del agua en el terreno.
- Implementación de las sobrecargas de construcción en superficie y de la secuencia constructiva simplificada del pozo intermedio. El objetivo de esta fase no es obtener resultados sobre elementos estructurales del pozo, sino las condiciones resultantes sobre el terreno natural.
Modelo computacional 3D para galerías del pozo de Bromford
- Excavación del túnel de línea sur (hacia Birmingham), implementando las relajaciones del terreno relacionadas con las dimensiones de la TBM y las presiones de trabajo en la excavación.
- Excavación de las galerías CA03 e ICA03 entre el pozo intermedio y las cavernas de distribución CH01 y CH02.
- Excavación de las conexiones sur CA01 e ICA01, así como de la galería de ventilación VA01 desde las cavernas de distribución.
- Excavación del túnel de línea norte (hacia Londres), con sus respectivas presiones de trabajo y consecuentes relajaciones en el terreno.
- Excavación de las conexiones norte CA02 e ICA02 desde el túnel de línea norte, así como de la galería de ventilación VA02 desde el pozo intermedio.
- Condiciones a largo plazo:inclusión del revestimiento y su interacción con el sostenimiento;
- implementación de la degradación parcial del sostenimiento, así como la redistribución teórica de las presiones de suelo y de agua;
- presiones de agua de servicio y de largo plazo;
- condiciones de superficie según los requisitos del proyecto.
La modelización de las excavaciones y el sostenimiento de las galerías se llevó a cabo conforme a un criterio secuencial y de rendimientos acordado con el contratista, un sistema de gestión del agua que garantizase condiciones de presiones de agua despreciables, conforme a lo indicado anteriormente, y una evolución de la resistencia y la rigidez del hormigón del sostenimiento conforme a la curva J2 modificada (EN 14487‑1:2005) para las primeras 24 horas y la teoría de Chang y Stille (1993) a partir de las 36 horas (véanse gráficos de la derecha).
Modelización y diseño del revestimiento y sostenimiento de las galerías
De acuerdo con las premisas iniciales de maximización del aporte estructural conjunto, el diseño del revestimiento y sostenimiento de las galerías se desarrolló conforme al criterio de doble placa, que consiste en evaluar el nivel de fricción tangencial y normal entre las caras en contacto de acuerdo con los métodos constructivos, el sistema de impermeabilización o incluso el tipo de materiales empleados.
Teniendo en cuenta la lámina de impermeabilización diseñada entre los dos soportes, se consideró que la fricción tangencial de las caras en contacto podría despreciarse.
En cuanto a la distribución de tensiones sobre sostenimientos, se consideraron los siguientes supuestos:
- Durante la construcción, el sostenimiento debía ser capaz de resistir los empujes del terreno teniendo en cuenta las consideraciones de reducción total de la presión de agua.
Evolución temporal de la resistencia a compresión
Módulo elástico para el sostenimiento
- En servicio, con las galerías totalmente construidas, se asume que la presión del terreno es absorbida por el sistema conjunto sostenimiento degradado + revestimiento (con las condiciones de interacción anteriormente detalladas). En cambio, la presión de agua restituida a niveles de servicio y a largo plazo se asume actuando totalmente sobre el revestimiento, lo que representa una cierta permeabilidad del sostenimiento a largo plazo. En esta fase de servicio se asume que el sostenimiento se ha degradado 75 mm.
Durante la fase de consolidación, se realizaron estudios de sensibilidad específicos sobre la interacción entre el sostenimiento y el revestimiento para confirmar el impacto de estas hipótesis sobre cada variable de resultados y garantizar que fueran consideraciones suficientemente conservadoras.
Estrategia de control de agua y su implementación en el modelo numérico
Tal y como se describe anteriormente, el sistema de control de agua en el terreno debía garantizar que las excavaciones se realizaban en condiciones de presión nula o despreciable, minimizando a su vez la presión de poro sobre el sostenimiento primario hasta el momento en el que se dispusiera el secundario. Esto se traduce en las siguientes condiciones en el modelo:
Los mechinales de drenaje alrededor de la excavación y en el frente de ataque garantizarían un radio de actuación suficientemente extenso como para poder asumir una corona de suelo seco de unos 2,5 m alrededor de las galerías. Esta hipótesis fue sometida a estudios de sensibilidad específicos.
El sistema de contención del agua contempla la posibilidad de disponer de tratamientos en el terreno que disminuyan la permeabilidad natural del mismo y ayuden a aliviar el nivel de presión de agua durante la construcción (si fuera necesario). Esta contingencia también se evalúa por separado como estudio de sensibilidad.
La reducción de la presión de agua debe mantenerse hasta que el revestimiento alcance su resistencia característica. Este requisito se coordinó con el contratista para disponer de sistemas provisionales de evacuación de agua compatibles con la instalación de la lámina de impermeabilización y con el propio revestimiento.
Conclusiones y estudios de sensibilidad adicionales
Los resultados tenso-deformacionales, obtenidos a partir de las variables de contorno y filosofía de diseño anteriormente presentadas, indicaban un nivel de deformaciones muy reducido y compatible con los detalles y requisitos de contorno tales como la impermeabilización de la junta entre las galerías y los túneles, la holgura interior necesaria en las galerías y sus accesos, los sistemas provisionales, etc.
A nivel tensional, el sostenimiento pudo resolverse únicamente con fibras metálicas (a excepción de un segundo anillo de sostenimiento reforzado con armadura convencional en las cavernas de distribución CH01 y CH02, que permite absorber los esfuerzos resultantes de las aperturas y excavaciones de las galerías transversales). Los armados del revestimiento en sus secciones tipo, transición y collares de sostenimiento se resolvieron exitosamente conforme a los resultados obtenidos.
Adicionalmente, se llevaron a cabo los siguientes estudios de sensibilidad para verificar la validez de los resultados y las conclusiones conforme a las hipótesis de base:
- Presión de confinamiento para el túnel TBM. Distintos límites superior e inferior de la presión operativa de trabajo para la TBM.
- Presión de aplicación de potenciales tratamientos del terreno. Hasta 200 kPa sobre la presión hidrostática natural.
- Carga del edificio de sistemas en superficie. Adicional a las condiciones de superficie según los requisitos del proyecto.
- Contorno de despresurización de carga de agua en las galerías. Además del anillo de 2,5 m de terreno seco, se evaluó la alternativa teórica de un gradiente de alivio desde la presión natural hasta los 2,5 m desde el trasdós del primario y hasta cero justo en dicho trasdós, lo que representa un cierto grado de eficiencia del sistema de alivio de presión radial con la distancia.
Los equipos de producción y diseño de ambas entidades lograron desarrollar con éxito importantes optimizaciones del conjunto durante la fase constructiva del proyecto
Ingeniería de valor añadido
Aparte de la fase de consolidación de las variables del diseño inicial y la fluida y frecuente coordinación entre los equipos de trabajo del contratista y del diseñador durante el desarrollo detallado (lo que permitió un muy buen encaje del diseño con los requisitos constructivos), los equipos de producción y diseño de ambas entidades lograron desarrollar con éxito importantes optimizaciones del conjunto durante la fase constructiva del proyecto como:
Diseño de la excavación de las galerías laterales para la excavación en fases temporales espaciadas mediante la inclusión de un sostenimiento frontal temporal de hormigón proyectado. Esto permitió al contratista desacoplar los equipos de trabajo del pozo y del túnel de línea, lo que aumentó su capacidad y rendimiento.
Aumento del espesor del diafragma frontal permanente de las cavernas de distribución a cambio de simplificar el esquema de armado interno, lo cual permitió incrementar los rendimientos de trabajo en estas cavernas.
Reevaluación de resistencias de diseño mínimas en algunos estados de excavación provisional, que de nuevo incrementaría el rendimiento del equipo de producción.
Agradecimientos
Los autores agradecen a BBV y HS2 Ltd. la visión colaborativa en la que se desarrollaron los diseños presentados en este artículo, así como la aprobación final de este documento. También queremos agradecer el esfuerzo de nuestros compañeros de la DJV para desarrollar este inmenso y apasionante proyecto.
Referencias
1
Chandler, R. J., & Forster A. (2001). Engineering in Mercia mudstone. (CIRIA C570 Publication). CIRIA
2
Chang, Y., & Stille, H. (1993). Influence of early age properties of shotcrete on tunnel construction sequences. En Shotcrete for underground support, VI (pp. 110-117). American Society of Civil Engineers.
3
Su, J., & Thomas, A. (2015). Design of sprayed concrete in soft ground – a Crossrail perspective. En M. Black, C. Dodge, & U. Lawrence (Eds.), Crossrail project: Infrastructure design and construction (pp. 123-136). ICE Publishing.
4
Thomas, A. (2009). Sprayed Concrete Lined Tunnels. An Introduction. Applied Geotechnics Vol 2. Abingdon: Taylor and Francis Publishing.