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Especial | Túneles y Obras Subterráneas
Túnel Híbrido, una nueva filosofía de ejecución de túneles urbanos
Proyecto Américo Vespucio Oriente 1 en Santiago de Chile
Antonio Escribano Álvarez
Gerente técnico de Constructora Vespucio Oriente.
Pablo García del Campo
Director técnico de Cavosa Túneles y Minería.
La Concesión Américo Vespucio Oriente, tramo avenida El Salto-Príncipe de Gales, conocida con las siglas AVO 1, es el proyecto que cierra la circunvalación Américo Vespucio y rodea la ciudad de Santiago.
El proyecto aborda el reto de integrar en una zona urbana densamente poblada una autopista subterránea de tres carriles por sentido con una longitud de 8278 m, de los cuales 7678 m discurren por túneles. Según el tipo de construcción utilizado, se pueden diferenciar tres métodos principales:
- túnel SEM y NATM: túnel La Pirámide y Mapocho (2100 + 415 m);
- túnel cut & cover: 2891 m en zanja de pilotes con dos niveles de andenes subterráneos;
- túnel híbrido: 2687 m entre Apoquindo y Tobalaba.
Sobre la base del conjunto de factores condicionantes se diseñó una sección de túnel híbrido altamente innovadora para encajar el trazado del túnel bajo un bulevar existente, así como cada una de las siete conexiones con ramales de salida/entrada.
El artículo describe el diseño utilizado y las experiencias durante su construcción.
Las obras de construcción comenzaron en noviembre de 2017 y finalizaron en julio de 2022, con un presupuesto final de 900 MUSD.
Descripción del túnel híbrido
El tramo Cut & Cover, bajo el parque del bulevar central de la avenida Américo Vespucio, cruzaba bajo dos estacionamientos subterráneos y bajo la línea 1 del metro de Santiago, ubicada entre estos dos estacionamientos. Este tramo, de aproximadamente 400 m de longitud, fue diseñado inicialmente con un método de construcción alemán.
Debido a todos los condicionantes existentes, se diseñó una solución de sección de túnel híbrido que permitía el paso bajo el bulevar sin afectar a la superficie y que mantenía la tipología de dos calzadas subterráneas superpuestas.
La plataforma del nivel ‑1, que alberga el tráfico en dirección norte, se resuelve mediante un túnel NATM/SEM; mientras que el nivel ‑2, que alberga el tráfico en dirección sur, se ha construido como una estructura tipo zanja con pilotes.
Ubicación y layout general de la Concesión AVO 1 en Santiago de Chile
Tipologías constructivas utilizadas para la construcción del AVO 1
El túnel tiene una anchura interior de 13,20 m y un gálibo de 5,0 m, tanto a nivel de tráfico como de circulación. En los tramos de unión, la anchura interior ha alcanzado los 22,6 m en el nivel -1.
Geología, hidrogeología y geotecnia
Santiago de Chile se encuentra en una zona de planicie conocida como la cuenca de Santiago, que pertenece a la depresión intermedia chilena.
La cuenca de Santiago está llena de materiales aluviales recientes conocidos como el sistema Maipo, en la ciudad del sur, y el sistema Mapocho hacia el norte.
Las secciones de Cut & Cover y el túnel híbrido están ubicados en la unidad de grava del río Mapocho. Esta unidad se ha dividido tradicionalmente en dos formaciones: el 2.º depósito, el más reciente, y el 1.er depósito, la unidad más antigua y, por tanto, más profunda.
Mientras que el nivel ‑1 del túnel se ha excavado íntegramente en las gravas más recientes y menos profundas del 2.º depósito, la excavación del nivel ‑2 se ha realizado parcialmente también en las gravas inferiores del 1.er depósito.
Parámetros geotécnicos del terreno
Desde el punto de vista hidrogeológico, el túnel híbrido se ubica en la unidad acuífera UH2 (sistema superior Mapocho alto), un acuífero superficial libre que incluye ambas unidades estratigráficas y que en esta zona tiene un espesor que oscila entre 20 y 40 m, con una permeabilidad del orden de 1E‑5 m/s. El nivel freático se encuentra justo debajo de la losa inferior del túnel.
Chile es uno de los países con mayor sismicidad debido a su contexto geotectónico en zona de subducción. Para la cuantificación de las acciones sísmicas, se han considerado las normas NCh 433‑Of‑96 y NCh 2475, así como el Manual de Carreteras, Volumen 3 (Dirección de Carreteras, Ministerio de Obras Públicas).
Método de construcción
El túnel híbrido combina dos métodos de construcción diferentes en cada sección. Mientras que el nivel superior —la plataforma de nivel ‑1— se excava utilizando el método NATM/SEM, el nivel inferior —el nivel ‑2— se ha construido como una estructura convencional de tipo zanja.
En el caso del nivel ‑1, en función de la anchura interior del túnel, que ha oscilado entre los 13,2 y los 22,6 m en uno de los nudos existentes, se ha utilizado el método NATM a sección completa o SEM (dos y tres fases de excavación).
Para el nivel ‑2, la sección tipo zanja consiste en la construcción de pilotes de 1,0 x1,0 m, espaciados en 5,0 m. Estos pilotes están arriostrados en su cabecera por una losa postensada situada entre ambos niveles. El espacio entre pilotes se refuerza mediante un muro de revestimiento final, y una losa inferior sin puntal completa la sección.
El soporte y el revestimiento aplicados en el nivel ‑1 son los siguientes:
– Soporte (revestimiento primario) compuesto por:
- sellado de hormigón proyectado SH‑30 de 5 cm reforzado con 4‑5 kg/m3 de fibras macroestructurales sintéticas;
- conjuntos de acero HEB‑160 con pata de elefante espaciada en un metro;
- 25 cm de hormigón proyectado SH‑30 de 25 cm con el mismo número de fibras que antes.
En aquellos casos en los que, debido a la anchura superior a 13,2 m, se utilizaron dos o tres fases de excavación, los apoyos provisionales entre fases de excavación han sido:
– 20 cm de hormigón proyectado SH‑30 con la misma cantidad de fibras;
– marcos metálicos HEB‑160 cada metro.
- Losa de hormigón H‑30 de 80 cm de espesor.
- Revestimiento (revestimiento final), compuesto por 30 cm de hormigón proyectado H‑30 reforzado con 1,5 kg/m3 de fibras de polipropileno para protección contra el fuego.
El soporte y forro utilizado para el nivel -2 fue el siguiente:
- Pilas cuadradas de 1 x 1 m empotradas en el suelo de 3,5 m, espaciadas en 5 m. La cantidad de refuerzo de acero es de 145 kg/m3.
- Los pilotes están tapados en la cabeza por la losa intermedia de hormigón.
- La plataforma de nivel ‑2 se configura con un pavimento de hormigón rígido (H‑30) con un espesor de 45 cm.
- Muro de revestimiento entre pilotes compuesto por una malla metálica y 10 cm de hormigón proyectado H‑30, reforzado con 1,5 kg/m3 de fibras de polipropileno ignífugo.
Secuencia constructiva típica de la sección del túnel híbrido.
Arriba, la primera imagen muestra la demolición de dos diafragmas de soporte temporales utilizando tres fases de excavación simétricas. En la segunda imagen, se muestra la construcción de la losa intermedia. Finalmente, las imágenes tercera y cuarta muestran el nivel ‑1 una vez finalizado el revestimiento final y el aspecto del nivel ‑2, excavado entre muros pantalla de pilotes y con el muro de revestimiento final entre pilotes.
Debido a la reducida altura a ambos lados del túnel nivel ‑1, uno de los aspectos más peculiares de esta solución ha sido la necesidad de utilizar pilotes excavados a mano con una forma cuadrada de 1,0 m. (véase la imagen de la izquierda)
Un aspecto realmente importante del método constructivo ha sido la determinación y definición de las distancias de seguridad entre fases de excavación, con una distancia mínima de 15 m entre las distintas fases. La distancia mínima a la que se permitió iniciar la demolición de los diafragmas de apoyo temporales se estableció en 25 m. (véase la segunda imagen de la izquierda).
Ejemplo de diseño de una sección de soporte y revestimiento
El diseño del túnel híbrido se ha llevado a cabo de acuerdo con la normativa chilena y utilizando la norma AASHTO para el diseño estructural.
Se han desarrollado modelos numéricos tridimensionales para cada tramo del túnel y se han simulado las diferentes fases de excavación y sostenimiento del túnel, la ejecución del revestimiento y el forjado estructural intermedio para el nivel ‑1; posteriormente, se ha hecho lo mismo con la ejecución de los pilotes y la excavación del nivel ‑2, lo que ha permitido cuantificar la obtención de las siguientes variables:
- asentamientos inducidos y deformaciones en la superficie;
- solicitudes inducidas en soporte y recu-brimiento;
- tensiones en los pilotes y dimensionamiento de las secciones.
La herramienta de cálculo utilizada fue FLAC 3D, mientras que para la dimensión estructural de todas las estructuras se utilizó FAGUS7, CEDRUS7 y software propio.
En la tercera imagen de la izquierda se muestra el modelo al detalle en una sección transversal en la que, como se puede observar, se han considerado todos los elementos excepto el sello de hormigón proyectado:
- primera capa de hormigón proyectado (SH‑30) de 25 cm y arco de acero HEB‑160, espaciado de 1 m;
- segunda capa de hormigón proyectado (SH‑30) de 20 cm;
- forro final de 30 cm de H‑30;
- soporte temporal compuesto por SH‑30 de 20 cm y HEB‑160 espaciados 1 m;
- losa estructural intermedia de 80 cm de espesor de H‑30.
De la misma manera, en la cuarta imagen de la izquierda se muestran todos los elementos estructurales que se han incluido en el nivel ‑2. En particular:
- pilotes de 1 x 1 m espaciados en 5 m, con una longitud total de 8,6 m;
- losa inferior compuesta por 45 cm de hormigón H‑30.
En el análisis de este tramo se obtuvieron los siguientes resultados para el terreno:
- La deformación máxima en la sección con un valor de 94 mm en la fase final de excavación.
- La semiconvergencia máxima en el rumbo superior es de 6 mm en el muro derecho del túnel (nivel ‑1), que alcanza un máximo de 10 mm entre los pilotes del nivel ‑2.
- El aplastificamiento del suelo puede considerarse moderado.
- La subsidencia máxima en la superficie es de 80 mm.
En cuanto a las solicitaciones a los elementos estructurales, se obtuvo el siguiente resultado:
- Las compresiones máximas en el hormigón proyectado son de 9,4 MPa (FS > 2,7).
- En los conjuntos de acero, la fuerza axial máxima obtenida es de 59,7 t y el momento flector máximo es de 0,8 tm, ambos en la fase final.
- En apoyo temporal, la fuerza axial máxima es de 44,1 t y el momento flector máximo es de 1,92 tm
- Las tensiones máximas en los pilotes son de 83,4 t y 81 t de momento flector y esfuerzo cortante, respectivamente.
El paso a desnivel del estacionamiento norte de Apoquindo
El paso subterráneo por debajo del estacionamiento de Apoquindo, justo en el límite entre el tramo Cut & Cover y el inicio del túnel híbrido, fue la parte más desafiante del proyecto.
Como se puede observar en la infografía de la derecha, después del Cut & Cover (sin color a la izquierda) fue necesario hacer una caverna de 22,6 m de ancho en el nivel ‑1 para incorporar uno de los ramales de entrada, proveniente de la calle Los Militares (N) en la superficie. El túnel normal de 3 carriles se ha sombreado en un color marrón diferente.
La imagen de la derecha muestra el portal del túnel de sección de cuatro carriles entre el muro pantalla de pilotes de la sección Cut & Cover anterior.
La distancia mínima entre la cimentación del nivel ‑3 del actual aparcamiento norte de Apoquindo y la bóveda del túnel fue de 3,5 m.
Por este motivo, se diseñó un tratamiento de jet grouting desde el nivel ‑3 del aparcamiento, mientras que la excavación del nivel ‑1 del túnel híbrido se decidió llevarla a cabo mediante el SEM (método de excavación secuencial) con dos galerías laterales y una central, y longitudes de excavación de 1,0 m con una distancia mínima entre ellas de 10 m.
Disposición del ramal de entrada Los Militares (N)
La imagen siguiente muestra dos secciones: la primera, en la abscisa donde ambos túneles están individualizados; la segunda corresponde a la sección final de la caverna, justo antes de la bifurcación mencionada.
En este tramo se efectuó un estricto control de las deformaciones:
- en el túnel (convergencias y nivelación topográfica de la bóveda); en el aparcamiento, nivelación topográfica;
- en la superficie, nivelación topográfica.
La deformación máxima inducida en el aparcamiento norte en el nivel -3 no ha superado los 27 mm.
Sección transversal de la caverna de bifurcación Los Militares (N) bajo el estacionamiento de Apoquindo norte
Conclusiones
Las obras de la Concesión Américo Vespucio Oriente (AVO 1) comenzaron en noviembre de 2017 y finalizaron en julio de 2022.
El proyecto supuso la construcción de 7,7 km de túnel; pero si se tienen en cuenta la longitud de los ramales de salida y entrada, la longitud total del túnel es de casi 10 km.
La aplicación de este nuevo diseño de túnel ha permitido conservar todo el parque existente antes del inicio del proyecto, ubicado en el bulevar central de la avenida, por lo que se ha reducido el impacto ambiental del proyecto. Además, la afectación a los vecinos que residían en la zona afectada por las obras ha sido mucho menor que en el proyecto original.
Experiencias
AVO1
El Salto-Príncipe de Gales