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Túneles y obras subterráneas
Proyecto y construcción de los primeros 9 km de la línea 2 del Metro de Lima y Callao, Perú
Fernando Funes Hurlé
Consorcio Constructor M2 Lima
Benjamín Celada Tamames
Geocontrol, S.A.
Mario Fernández Pérez
Geocontrol, S.A.
Isidoro Tardáguila Vicente
Geocontrol, S.A.
En este trabajo se presenta el Proyecto y la construcción de las Etapas 1A y 1B de la L-2 del Metro de Lima; que, cuando entren en servicio, constituirán los primeros 9 Km de metro subterráneo en Lima. En su construcción se ha obtenido un avance medio de 2,8 Km por año de trabajo.
Palabras clave: Línea 2 Metro de Lima, proyecto de construcción, método secuencial, paso bajo viaducto, control de desplazamientos anormales del terreno.
This paper presents the Project and the Construction of Stages 1A and 1B of the L-2 of the Lima Metro; that, when they enter into service, will constitute the first 9 km of the L-2. In its construction has been obtained an average advance of 2.8 km per year of work.
Keywords: Metro of Lima, Line 2, executive project, sequential method, crossing under a bridge, control of anomalous movements.
1. Introducción
Desde 2011 funciona en Lima la Línea 1, que está constituida por un ferrocarril elevado, de 34,6 Km de longitud y 26 estaciones, operado en régimen de concesión. En el mes de enero de 2020 la L-1 transportó una media de casi medio millón de pasajeros diarios. A pesar del buen funcionamiento de la L-1, la movilidad de las personas en Lima es muy problemática; pues en el año 2020 la población censada en Lima era de 9,6 millones de habitantes; por lo cual para obtener una movilidad razonable es necesario poner en marcha la L-2, que está en construcción y las L-3 y L-4, que están en fase de concurso.
En diciembre de 2014 el Consorcio Constructor Metro 2 Lima, formado por las empresas DRAGADOS, FCC, SALINI y COSAPI, inició la construcción de la L-2; que tendrá una longitud de 26,8 Km y 26 estaciones, para unir la Municipalidad de ATE con la del Callao transportando una media de 660.000 pasajeros por día.
Aunque la excavación estaba prevista con dos tuneladoras, en 2016 se inició la excavación con el NATM de un tramo de 9.425 m, que incluía las llamadas Etapa 1A y 1B. Las obras de construcción del túnel de la Etapa 1A empezaron en febrero de 2016, excavando la sección geométrica que se muestra en la siguiente figura y la construcción de la Etapa 1B finalizó en abril de 2021.
Definición geométrica de la sección del túnel
2. Proyecto de construcción de las etapas 1A y 1B
El proyecto de construcción de las Etapas 1A y 1B fue encargado a GEOCONTROL por el Consorcio Constructor M2 Lima, aportando como base de partida el Proyecto de Licitación de la L-2, redactado por el Consorcio AYEU, integrado por las empresas AYESA y EUROESTUDIOS.
En los apartados siguientes se resumen las características más importantes del proyecto de las Etapas 1A y 1B, redactado por GEOCONTROL.
El conjunto de las Etapas 1A y 1B tiene una longitud de 9.425 m, incluyen 9 estaciones, nueve pozos de ventilación y una caverna de 302 m de longitud que alberga cuatro vías y se utilizará como garaje para trenes; en la imagen de abajo se muestra el perfil longitudinal de las Etapas 1A y 1B.
Tal como se aprecia en la imagen de abajo, los terrenos a excavar en las Etapas 1A y 1B estaban mayoritariamente constituidos por los conglomerados de Lima, que son gravas que incluyen desde bolos a arcillas; con un contenido en finos inferior al 5%.
Las gravas de Lima son un excelente terreno para construir obras subterráneas; pues presentan un elevado ángulo de fricción y una cohesión razonable que, probablemente, sea el resultado de un empaquetamiento dinámico de las distintas fracciones granulométricas que contienen las gravas a consecuencia de la actividad sísmica desarrollada en la zona durante varios millones de años. En la fotografía sobre estas líneas se muestra un frente excavado en las gravas de Lima.
Perfil longitudinal de las Etapas 1A y 1B de la Línea 2 del Metro de Lima
2.2. Diseño del método constructivo
El diseño del método constructivo adoptado a las Etapas 1A y 1B de la L-2 ha estado muy condicionado por el proceso de concesión de la L-2.
2.2.1. Condicionantes derivados del sistema de concesión
La construcción de la L-2 se planteó como una Asociación Público-Privada en la modalidad de concesión y para atribuir el contrato se partió de un Proyecto de Factibilidad, en el que se definía la excavación de los túneles en tres fases: avance, destroza y contrabóveda y, adicionalmente, se prescribía la colocación de una lámina de PVC termosoldada en todo el perímetro de los túneles, a pesar de que la excavación no se iba realizar bajo el nivel freático.
Además las Bases de Licitación imponían que el revestimiento debía resistir todo el empuje de los terrenos, sin tener en cuenta el efecto resistente del sostenimiento previamente colocado.
2.2.2. Método constructivo propuesto
De acuerdo a lo expuesto en el apartado anterior, el método propuesto en cuanto a la excavación y sostenimiento seguía la metodología del NATM, es decir la excavación se hacía en tres fases y se colocaba un sostenimiento flexible a base de cerchas metálicas reticuladas y hormigón proyectado para estabilizar los tramos excavados; respetando las tres fases de excavación.
Una vez finalizada la excavación y sostenimiento de un tramo de túnel, se colocaba una lámina de impermeabilización en todo el perímetro y sobre ella una capa de 300 mm de hormigón encofrado en bóveda y paramentos y de 600 mm de espesor en la contravóbeda.
2.2.3. Condicionantes de las obras
Durante la construcción de la L-2 la Administración, a través del Consorcio encargado de la supervisión de las obras mantuvo rígidamente la política de no aceptar cambios en los criterios establecidos en el proceso de concesión y el plazo para la aprobación de los Proyectos de Construcción se alargó notablemente respecto a lo que cabía esperar.
En la construcción de la Etapa 1A hay que señalar que las otras tuvieron que detenerse entre el 27 de junio de 2017 y el 1 de agosto de 2018 debido al retraso en la aprobación del Proyecto Constructivo; lo cual supuso una parada de 13,3 meses.
Adicionalmente, hay que señalar que en la construcción de la Etapa 1B las obras se paralizaron entre el 15 de marzo de 2020 y el 20 de septiembre de ese mismo año a causa del COVID-19; lo cual supuso la pérdida de 6,3 meses de trabajo adicionales.
2.2.4. Dimensionado de los Sostenimientos Tipo
Para la construcción del túnel de las Etapas 1A y 1B se definieron cuatro Sostenimientos Tipo, que se aplicaron con los siguientes criterios:
Sostenimiento Tipo 1: aplicable cuando todo el frente se excava en gravas poco densas o cuando el frente se excave en diorita con gravas poco densas en la contrabóveda.
Sostenimiento Tipo 1R: resulta aplicable cuando el frente excavado está en dioritas o cuando el frente este parcialmente en dioritas, sin que haya gravas densas en la contrabóveda.
Sostenimiento Tipo II: se aplica cuando parte del frente está en gravas poco densas y contiene niveles de arena con espesor mayor de 1 m.
Sostenimiento Tipo III: es de aplicación en los frentes integrados por gravas medias y gravas poco densas.
En los modelos geomecánicos tridimensionales confeccionados para diseñar el sostenimiento se integraron tres tipos de gravas y unas intrusiones de diorita, asignándoles las propiedades tenso-deformacionales que se muestran en la tabla de arriba.
En cuanto a la distribución de los desplazamientos verticales del terreno en una sección de un túnel interestación, con la máxima cobertera, tras la estabilización de la excavación al colocar el sostenimiento tipo I, se aprecia que el máximo movimiento vertical en el perímetro de la sección analizada se produce en el centro de la contrabóveda del túnel, con un ascenso de 19,9 mm, mientras el centro de la clave sufre un descenso de 15,6 mm. En la figura 1 se muestra la distribución de las deformaciones unitarias al corte del terreno, una vez que se ha estabilizado la excavación con el Sostenimiento Tipo I; en condiciones de máximo recubrimiento.
En esta figura se aprecia que en el apoyo de los pies de las cerchas es donde se alcanza el máximo de la resistencia unitaria al corte, que llega al 3,8%, que es asumible para las gravas de Lima.
en el apoyo de los pies de las cerchas es donde se alcanza el máximo de la resistencia unitaria al corte, que llega al 3,8%, que es asumible para las gravas de Lima.
En la mayor parte de la sección analizada la deformación unitaria al corte es inferior al 0,5%, que es un valor muy bajo e indica que la excavación realizada se mantiene prácticamente en estado elástico; lo cual confirma los desplazamientos milimétricos medidos en obra.
2.2.5. Dimensionado del revestimiento
Conforme a lo indicado en las Especificaciones Técnicas Básicas del Contrato de Concesión de la Línea 2, el revestimiento de los túneles de la L-2 se ha dimensionado en condiciones estáticas y de sismo; tal como se indica en los apartados siguientes.
2.2.5.1. Cargas estáticas
Las cargas estáticas sobre el revestimiento están constituidas por el efecto de todo el peso de los terrenos existentes sobre el túnel, tal como se ha indicado en el apartado anterior.
El efecto de las cargas estáticas también ha sido calculado con el programa FLAC 3D, tras confeccionar un nuevo modelo geomecánico en el que ha desaparecido el sostenimiento colocado para estabilizar la excavación.
En la figura 2 se presenta la distribución de esfuerzos axiales unitarios transversales producidos por las cargas estáticas sobre el revestimiento del túnel y en ella puede apreciarse que el revestimiento se encuentra totalmente comprimido, con valores bastante elevados, comprendidos entre 1350 y 2200 kN/m en bóveda y hastiales, y en torno a 750-1200 kN/m en contrabóveda.
2.2.5.2. Cargas sísmicas
Para el análisis del túnel de línea frente a la acción sísmica se ha empleado la metodología denominada “Free–field deformation approach” (Wang, 1993; Hashash et al., 2001; Bobet, 2003), que es específica para el diseño sísmico de obras subterráneas y está ampliamente aceptada en el ámbito internacional.
La metodología indicada consiste en determinar las solicitaciones que se producen sobre el revestimiento estructural del túnel, como consecuencia de las deformaciones y las tensiones impuestas al mismo, por su interacción con el terreno circundante afectado por la acción sísmica. Para ello se siguen dos pasos fundamentales:
- En primer lugar, se calculan los desplazamientos horizontales de campo libre en el terreno debidos a la acción del sismo, consistentes en una deformación cortante o distorsión angular (desangulación) asociada a un plano vertical perpendicular al eje del túnel.
- Posteriormente, se obtienen los efectos de dicha desangulación sobre una sección transversal del túnel, mediante la aplicación de los desplazamientos al terreno que rodea al túnel, y considerando la interacción suelo-estructura.
El valor de la aceleración sísmica horizontal en superficie, propuesto por la Sociedad Concesionaria Metro de Lima Línea 2, para el desarrollo del Proyecto Constructivo es ac = 0,5 g; para un periodo de retorno de 1.000 años.
Para la obtención de la desangulación sísmica de diseño (θs), se ha empleado la formulación propuesta por Kuesel para el Metro de San Francisco (1969), también utilizada en el Metro de Santiago de Chile desde 1971; donde fue perfeccionada, con posterioridad, por Ortigosa y Musante (1991).
Tras un análisis detallado de la granulometría y de las velocidades de las ondas de corte de las gravas a excavar, se adoptó para ellas una desangulación sísmica θs=5,510-4.
En la figura 3 se presenta la distribución de los axiles en una rebanada de túnel de 1 m de espesor inducidos por un efecto sísmico en un tramo de túnel que se estabilizó con el Sostenimiento Tipo I.
En esta figura se observa que el sismo origina esfuerzos de tracción sobre una parte del revestimiento secundario, con valores máximos de unos 70 kN/m localizados en uno de los laterales de la bóveda, y esfuerzos de compresión en el resto de dicho revestimiento, con valores pésimos en torno a 245 kN/m en el lado opuesto de la misma.
Por su parte, en la contrabóveda se alcanzan tracciones de hasta 40 kN/m en uno de los extremos y compresiones en torno a 240 kN/m en el extremo contrario.
2.2.5.3. Armado del revestimiento
Para el dimensionamiento estructural de los revestimientos del túnel, se empleó la metodología establecida en la norma americana ACI 318-11 “Building Code Requirements for Reinforced Concrete and Commentary”; en la cual se establecen los criterios de diseño aplicables para el cálculo de elementos estructurales de concreto armado, en relación con:
- Las combinaciones de carga a adoptar para determinar los esfuerzos solicitantes.
- Los principios aplicables para obtener los diagramas de interacción resistentes frente a las solicitaciones que se producen.
- La cuantía mínima de armaduras a colocar.
Para el diseño estructural de los revestimientos se han considerado las siguientes combinaciones de carga:
- Análisis estático: 1,7 E.
- Análisis sísmico: 1,3 E + 1,0 S
- 0,9 E+ 1,0 S
Donde E = esfuerzos estáticos y S = esfuerzos sísmicos.
2.3. Monitoreo
Para controlar la estabilización de las excavaciones se previeron secciones para medir la convergencia, tanto en la fase de avance como de destroza, que se colocaban cada 25 m de túnel.
Los movimientos del terreno por encima de las excavaciones se medían en puntos de referencia, que estaban anclados a 1,5 m bajo la superficie y a 1 m por encima de la clave del túnel. Eventualmente se colocaban dos inclinómetros, uno a cada lado del tramo del túnel.
3. Construcción del túnel interestación de las etapas 1A y 1B
En los apartados siguientes se presentan los rendimientos obtenidos en la construcción del túnel interestación de las Etapas 1A y 1B, los resultados del monitoreo y las incidencias más relevantes ocurridas durante las obras.
3.1. Rendimientos obtenidos
En la construcción del túnel de la Etapa 1A se alcanzó un rendimiento medio total de 225 m/ mes y para ello se mantuvieron activos simultáneamente entre 7 y 9 frentes de avance.
Los 3.351 m del túnel de la Etapa 1B se empezaron a construir el 1 de agosto de 2018 y, tras una parada de 6,3 meses debido al COVID19, su construcción finalizó el 12 de abril de 2021; después de haber trascurrido 39 meses, incluidos los 6,3 meses parados por la pandemia. Esto supone un rendimiento medio total de 78,4 m/mes, que es notablemente más bajo que los 225 m/mes en la construcción de la Etapa 1A.
En la tabla se presenta un resumen de los datos más significativos obtenidos durante la construcción de las Etapas 1A y 1B de la L-2.
En la tabla se puede comprobar que el rendimiento en la excavación y sostenimiento del túnel entre estaciones de la L-2 avanzando con un solo frente, como sucedió después de la pandemia, fue de 76,6 m/mes; que es una cifra similar, aunque algo menor, a la conseguida en promedio durante la construcción de la Línea 6 del Metro de Santiago, Celada et alt. (2015), donde los terrenos excavados fueron similares a los excavados en Lima.
3.2. Control de la estabilización de los túneles
Para gestionar los aspectos geotécnicos y las medidas de la instrumentación durante la construcción de los túneles de las Etapas 1A y 1B se creó un equipo formado por los profesionales descritos a continuación:
- Coordinador de Geotecnia y Monitoreo; que pertenecía a Geocontrol y estaba permanentemente en la obra. Su misión era analizar diariamente el levantamiento geotécnico de los frentes de avance y las medidas del monitoreo para seleccionar las Secciones Tipo A colocar en cada frente de avance; que se proponían a la Supervisión de la obra.
- Equipo de Geotecnia; constituido por tres Geólogos con permanencia diaria en la obra, contratados por el Consorcio Constructor M2 Lima; pero que dependían funcionalmente de Coordinador de Geotecnia y Monitoreo.
- Equipo de Monitoreo; contratado específicamente por el Consorcio Constructor M2 Lima, su misión era colocar los equipos de monitoreo, medirlos con la frecuencia establecida y hacer llegar diariamente los resultados de las medidas al Coordinador de Geotecnia y Monitoreo.
- Supervisor de Geotecnia y Monitoreo; realizada por un Experto de Geocontrol ubicado en la oficina de Madrid; quien, con la ayuda del programa e-CONV, analizaba la evolución de los movimientos del terreno, la de los frentes de avance que estaban activos y la de los elementos de monitoreo, para asegurar que las decisiones adoptadas eran las correctas. El Supervisor de Geotecnia y Monitoreo emitía cada día un breve informe con las recomendaciones necesarias para el progreso de las obras.
3.3. Resultados del monitoreo
En general los movimientos del terreno medidos mediante la instrumentación colocada han sido claramente inferiores a los previstos en los cálculos, lo cual ha sido consecuencia de haber utilizado en los cálculos del Proyecto de Construcción unos parámetros excesivamente conservadores para caracterizar el terreno.
En cuanto a la evolución de la subsidencia medida en la sección de control HN 18702, en la que se midió un valor máximo de 3,6 mm, el valor máximo previsto era de 15 mm, pero la subsidencia máxima realmente medida fue el 24% de la subsidencia calculada.
Como el valor máximo de la subsidencia previsto para esta sección era de 15 mm, resulta que la subsidencia máxima realmente medida fue el 24% de la subsidencia calculada.
3.4. Situaciones singulares
En los apartados siguientes se describen las experiencias habidas en tres situaciones singulares que se produjeron durante la construcción de los túneles de las Etapas 1A y 1B.
3.4.1. Paso bajo un viaducto en la Avenida Nicolás Arriola
En el extremo Oeste del túnel de la Etapa 1B el trazado del túnel de la L-2 cruza debajo del viaducto situado en el cruce de la Avenida Nicolás Arriola, que se muestra en la fotografía de la derecha.
En la figura de abajo se presenta una sección vertical del terreno, por el eje del túnel de la L-2, en la zona de cruce bajo el viaducto.
En esta figura se aprecia que la distancia entre la clave del túnel y la base la cimentación del viaducto era solo de 12 m y también los abundantes reconocimientos del terreno realizados, que permitieron establecer que el túnel de la L-2 se debía excavar en esa zona en gravas densas.
La planta del cruce bajo el viaducto se realizó con un esviaje importante. La construcción del túnel de la L-2 bajo las pilas del viaducto situado en la Avenida Nicolás Arriola no ha tenido efectos apreciables sobre las pilas de cimentación del viaducto; pues los movimientos medidos, desde que el frente del túnel estaba a 50 m de las pilas, se han mantenido prácticamente constantes durante el cruce bajo el viaducto.
Sección vertical en la zona de cruce bajo el viaducto de la Avenida Nicolás Arriola
3.4.2. Excavación con grandes bolos en el frente
Eventualmente en los frentes de excavación en gravas han aparecido bolos de roca de dimensión métrica, como el que se muestra en la fotografía de la derecha.
La presencia de estos grandes bolos ha sido aleatoria y no se ha podido encontrar ningún factor que permitiera anticipar de forma indiciaria su presencia. De hecho, en el entorno del p.k. 25+923 se preveía que la excavación se realizara en gravas.
La presencia de estos grandes bloques ha ralentizado la progresión de los frentes puntualmente; aunque no ha supuesto problemas importantes, pues éstos grandes bolos han podido ser fragmentados sin dificultad utilizando martillos hidráulicos pesados.
3.4.3. Movimientos del terreno entre el p.k. 26+090 y el p.k. 26+145
A partir del p.k. 26+092, en las inmediaciones del Pozo de Ventilación 26, el frente del túnel que avanzaba hacia ATE estaba totalmente integrado por dioritas, con grado de alteración entre II y III; es decir se trataba de un macizo rocoso resistente y poco alterado.
Cuando se llevaban excavados unos 60 m en este tipo de roca se empezaron a medir movimientos anormalmente elevados; sobre todo entre el p.k. 26+090 y el p.k. 26+145.
Cuando se detectaron estos movimientos importantes se decidió modificar el proceso constructivo, parando la progresión del frente de avance y activando la excavación de la destroza para conseguir cerrar la sección con la construcción de la contrabóveda cuanto antes; con lo cual las convergencias se estabilizaron a mediados del mes de noviembre.
La Supervisión de la obra solicitó un estudio para evaluar las condiciones de seguridad del sostenimiento colocado, que había sido sometido a movimientos importantes; ello a pesar de que por imposición contractual el efecto resistente del sostenimiento no debía considerarse al dimensionar el revestimiento.
Tras analizar la tipología de los movimientos anormales medidos en este tramo se consideró que éstos estaban ocasionados por la proximidad de una falla ubicada en las proximidades del paramento norte del túnel, que fue cortada por éste en el p.k. 26+140.
Para evaluar el efecto sobre el sostenimiento se realizó un análisis retrospectivo en base a los movimientos medidos, para lo cual se confeccionó el modelo que se presenta en la figura de la derecha.
Para ajustar las predicciones del modelo a los movimientos realmente medidos fue necesario resolver 14 veces el modelo confeccionado; 3 modificando las propiedades de la falla, 4 cambiando el valor del coeficiente de reparto de tensiones (Ko) y 7 variando la geometría de la falla.
Tras validar el modelo se obtuvieron las distribuciones de los esfuerzos axiales, momentos flectores y cortantes para calcular el Factor de Seguridad de cada uno de los 3.432 elementos del modelo que simulaban el sostenimiento del túnel construido; para lo cual se aplicó la metodología descrita en los apartados 2.24 y 2.2.5 y se obtuvo la distribución de los elementos del sostenimiento que tenían un Factor de Seguridad estructural inferior a 1. En la figura se muestran los resultados obtenidos.
Hay que señalar que tras conseguir estabilizar el túnel después de cerrar la sección con la contrabóveda, no se observaron daños en el sostenimiento; lo cual, unido al condicionante contractual de que el revestimiento debía ser dimensionado para soportar todo el peso de los terrenos, hizo que se recomendara no realizar refuerzo alguno en esa zona.
4. Conclusiones
El proyecto de los túneles entre estaciones de las Etapas 1A y 1B de la L-2 del Metro de Lima, que tiene una longitud conjunta de 9.425 m, fue redactado por Geocontrol, empresa que también se encargó del control de los movimientos del terreno durante la obra por encargo del Consorcio Constructor M2 Lima.
Desde el punto de vista de la Ingeniería de Túneles la construcción de las Etapas 1A y 1B se ha desarrollado satisfactoriamente; pues no se ha producido problemas de estabilidad, los movimientos del terreno han estado controlados en todo momento y no se han afectado ni a las infraestructuras ni a los edificios próximos al trazado de la L-2.
La Etapa 1A se empezó a construir en febrero de 2016 y la obra civil de la Etapa 1B finalizó en abril de 2021; por lo cual los cinco años de duración de estas obras suponen un avance medio de
1.885 m/año.
Durante la construcción de las Etapas 1A y 1B la supervisión de la obra aplicó el contrato de Concesión de la L-2 con una rigidez extrema; lo cual impidió aprovechar el buen comportamiento de los conglomerados de Lima y ha supuesto que en la obra se aplicaran soluciones muy sobredimensionales, con el consiguiente aumento de costos y plazos.
Referencias
1
Celada, B; Adasme, I; Gonzalez, H (2015).
Experiences in the construction of the Interestation Tunnels of L-6, Santiago Subway (Chile). ITA World Tunnel Congress, Dubrovnik, Croatia.
2
Funes Hurlé, F.; Celada Tamames, B, Tardáguila Vicente, Isidoro (2020)
Construcción de la caverna para estacionamiento de trenes. Revista de Obras Públicas, 3624 octubre 2020.
3
Kuesel, T.R. 1969. Earthquake Design Criteria for Subways. Journal of the Structural Division, ASCE, ST6.
4
Ortigosa P, Musante H (1991). Seismic earth pressures against structures with restrained displacements, Proceedings of the 2nd international conference on recent advances in geotechical earthquake engineering and soild dynamics.