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Especial | Túneles y Obras Subterráneas
El túnel de Chesapeake
Excavación con EPB de 13,2 m en terrenos permeables bajo el mar
Alejandro Sanz Garrote
Ingeniero industrial y civil, Dragados S. A.
Roger Escoda
Ingeniero geólogo, Flatiron Dragados.
Jorge Vázquez
Ingeniero técnico en obras públicas, Dragados S. A.
El proyecto Chesapeake Bay Bridge-Tunnel (CBBT) conecta la península de Delmarva, en Virginia, con Norfolk y Virginia Beach (EE. UU.) a través de la bahía de Chesapeake. Este bridge-tunnel está compuesto por una sucesión de viaductos, cuatro islas artificiales y dos túneles sumergidos que hacen un total de 37 km. El proyecto inicial de 1964 incluía un carril de circulación por cada sentido hasta que, en 1995, los viaductos se duplicaron y todo el complejo se amplió a dos carriles por sentido, a excepción de los túneles sumergidos. Para minimizar la congestión del tráfico y aumentar la seguridad, Dragados está construyendo el Parallel Thimble Shoal Tunnel en la bahía de Chesapeake en paralelo a uno de los túneles sumergidos.
Se trata de un proyecto de diseño y construcción que ha requerido la utilización de una tuneladora de presión de tierras (EPB) de gran diámetro en condiciones extremas, en un entorno de trabajo difícil y con el túnel paralelo en funcionamiento, para lo que ha sido imprescindible una compleja obra civil previa.
Concepto principal del túnel
El nuevo túnel incluye dos carriles de circulación, dos arcenes de ancho reducido y una galería de evacuación para emergencias. Todo ello ubicado dentro de un diámetro interno de 11,89 m.
La parte inferior del túnel se rellena con hormigón compactado con rodillo, lo que proporciona al conjunto el peso suficiente para evitar la flotación. En el punto bajo del túnel, interrumpiendo localmente el relleno inferior, se dispone una estación de bombeo bajo la calzada que permite recoger y bombear hacia los portales el agua que pueda llegar al interior del túnel.
El revestimiento del túnel se compone de dovelas de hormigón prefabricado de 457 mm de espesor, que dan lugar a un anillo de 12,80 m de diámetro exterior y a una tuneladora de 13,25 m de diámetro de excavación.
Las islas artificiales existentes y el entorno del túnel
Las islas artificiales existentes se construyeron ejecutando una berma perimetral con diferentes tamaños de material granular para el núcleo, el filtro y los mantos. Fue necesario emplear grandes escolleras en el manto para proteger la geometría de la isla frente al oleaje y las corrientes. A continuación, se vertieron hidráulicamente en el interior del recinto arenas limpias procedentes del fondo de la bahía con un contenido máximo de finos del 6%.
Vista del proyecto construido
Como resultado, el interior de las islas está compuesto por arenas flojas, permeables y con pobres capacidades resistentes, mientras que los perímetros de las islas están formados por distintos tipos de piedras, que varían entre gravas y escolleras de protección, con un peso mínimo de 10 toneladas.
El trazado del túnel y la necesidad de bermas
Uno de los principales objetivos del proyecto era minimizar la expansión de las islas artificiales existentes, manteniendo en todo momento el complejo en operación. Esto se logró manteniendo los viaductos de acceso a las islas y encajando los futuros puntos de cruce entre las dos nuevas calzadas dentro de la huella existente de las islas. Como contrapartida, quedó un espacio muy reducido para las obras civiles y las operaciones asociadas a la TBM.
Por otro lado, al no expandir las islas , incluso utilizando una pendiente excepcional del 6% para el nuevo túnel, se hizo imprescindible la construcción de bermas artificiales junto a las islas para crear un terreno por el que poder excavar el túnel, proporcionar la sobrecarga necesaria para evitar su flotabilidad y proteger el túnel sumergido cercano durante la construcción, además de proteger el nuevo túnel del posible impacto de buques y de fenómenos meteorológicos extremos a lo largo de sus 100 años de vida útil. La construcción de las nuevas bermas tenía el propósito adicional de retirar las piedras de escollera de los perímetros de las islas que atravesaría el túnel y que podrían causar serias dificultades durante la excavación de la TBM.
El trazado del túnel se diseñó teniendo en cuenta estas limitaciones, incorporando los portales de ataque y recepción de la TBM en las islas, con sus muros pantalla a tan solo 1,2 m del túnel paralelo existente.
El nuevo túnel, de 1935 km de longitud, comienza dentro de la isla 1 y discurre paralelo al perímetro de esta durante unos 120 m, separándose gradualmente del túnel sumergido existente. Para protegerlo se diseñó una barrera protectora entre ambos: un muro pantalla en el primer tramo que pasa a barrera de tablestacas cuando aumenta la distancia entre los túneles.
Modelo con las distintas capas de la berma 1
En los primeros metros dentro de la isla, en los tramos con recubrimientos inferiores a medio diámetro, se generó adicionalmente desde la superficie una corona de terreno mejorado con jet grouting sobre la bóveda del túnel.
La barrera protectora se extendió cierta distancia hacia el interior de la bahía a lo largo de las nuevas bermas. En este caso, la barrera formaba parte también del sistema de protección del túnel existente durante la construcción de la propia berma. Las bermas se extendieron hasta que el trazado del túnel permitió conseguir prácticamente un diámetro de recubrimiento de terreno natural, punto a partir del cual se calculó que era posible mantener una presión de confinamiento del frente suficiente para asegurar la estabilidad, sin peligro de generar levantamientos o taponazos en la superficie.
El trazado es prácticamente simétrico, repitiéndose el mismo concepto de bermas y barreras de protección en la isla 2 de recepción de la TBM.
Características del terreno
Las condiciones geológicas en el área del proyecto comprenden una secuencia de sedimentos marinos y estuarios terciarios y cuaternarios. El relleno artificial de las islas es de unos 20 m de altura y alcanza aproximadamente los 8,5 m sobre el nivel medio del mar. Los suelos en el trazado del túnel son mayoritariamente sedimentos cuaternarios cohesivos y granulares, consolidados o ligeramente sobreconsolidados (hasta aproximadamente 20 m bajo el nivel del mar) que recubren sedimentos terciarios sobreconsolidados.
La resistencia al corte, característica máxima no drenada en los sedimentos terciarios (Tyfu), está en el rango de 200 kPa en la parte más profunda de la alineación y dentro del rango de las herramientas de corte TBM para suelos.
Estrategia de construcción
Selección de la TBM
La combinación de suelos blandos, junto con una presión hidrostática máxima de 4,2 bar bajo la bahía, requerían una TBM presurizada. Se seleccionó una TBM tipo EPB, adecuada al terreno cohesivo previsto y al rango de presiones esperado, que además se adaptaba mejor al limitado espacio disponible para la implantación en las islas que una TBM tipo slurry.
Se esperaban también suelos granulares cerca de los portales, que representan aproximadamente el 25% del trazado. Estas secciones podrían ser menos favorables para la excavación con EPB, pero al encontrarse en las islas artificiales y los primeros tramos de las bermas de protección, en áreas con escaso recubrimiento y accesibles desde superficie, era posible implementar medidas de protección adicionales, independientemente del tipo de TBM seleccionado.
Tramificación del túnel
El trazado del túnel atraviesa los siguientes tramos desde el portal de ataque, ninguno de los cuales es apto para la excavación de túneles con TBM sin medidas adicionales:
- Primeros 120 m: frente completo en relleno hidráulico no compactado dentro de la isla 1 con transición hacia el terreno natural, con baja cobertera, que varía de 4 a 10,5 m. Presión de operación de la TBM entre 1,4 y 1,8 bar en el eje. Se ejecutó una barrera de protección del túnel existente y un tratamiento con jet grouting en la corona de terreno sobre la bóveda del futuro túnel.
- Siguientes 6 m: es el final de la isla artificial, donde se instaló un muro de gravedad hecho de jet grouting para proteger la isla mientras se retiraba la protección de escollera en la zona y se construía la berma; esto sirvió también como bloque técnico para el mantenimiento de la cabeza de corte tras los primeros metros.
- Siguientes 135 m: transición de frente mixto con relleno hidráulico en la mitad superior hacia el frente completo de suelo blando del fondo de la bahía, a través de las bermas, pasando de un 6% de finos a alrededor de 35-40%, con un aumento de la presión de operación de la TBM de hasta aproximadamente 2,7 bar. El suelo existente en la parte superior de la sección transversal del túnel en este tramo debía eliminarse para la construcción de las bermas y sustituirse por un relleno adecuado para la operación con TBM.
• Siguientes 120 m: suelo blando con aumento del contenido de finos hasta el 50% aproximadamente, con aumento de la presión de operación de la TBM hasta 3,5 bar. Excavación en terreno natural, si bien las capas superiores del recubrimiento se colocaron con material granular de la nueva berma.
En estos tramos, el túnel disponía de un recubrimiento reducido o inexistente, motivando la necesidad de construir bermas. A partir de ese punto, la TBM debía discurrir bajo la bahía durante unos 1200 m sin protección adicional, con recubrimiento cercano al diámetro de excavación en una zona de la bahía con 10 a 15 m de calado hasta llegar a la berma de la isla 2, de configuración similar a la encontrada en la isla 1.
Concepto de berma y principales limitaciones
Las bermas se diseñaron con tres objetivos principales: facilitar la excavación del túnel de forma segura, servir de balasto para evitar la flotabilidad del túnel y protegerlo contra la erosión en las secciones poco profundas. Su concepción fue compleja, ya que se solapaban con las bermas existentes de protección del túnel sumergido paralelo y precisaban una secuencia en la que había que proteger el túnel/bermas existentes y desmontar por tramos las distintas secciones que se solapaban con las nuevas bermas para poder construirlas, todo ello en un entorno marino y con restricciones medioambientales importantes.
Las bermas se componen de dos elementos principales: el núcleo y las capas externas de protección. La capa exterior del manto está compuesta por la escollera y cuenta con granulometrías de menor tamaño en las capas interiores, que tienen la función de contener el núcleo de la berma y protegerlo, junto al túnel, de cargas ambientales y de impactos accidentales de embarcaciones. Esta capa proporciona además peso para evitar la flotación del túnel, pero tiene una elevada permeabilidad.
Desde un punto de vista estructural, el núcleo de la berma, que es el material que tiene que excavar la tuneladora, debía cumplir ciertos requisitos para asegurar la estabilidad de la berma a largo plazo. Se descartó el material fino/cohesivo como relleno del núcleo debido a la dificultad de colocación bajo el agua en un entorno tan restrictivo. Se seleccionó un material granular con una graduación adecuada que pudiese autocompactarse bajo el agua y que, a su vez, permitiese la excavación con la TBM en presión.
Resultado del modelo de cálculo
Se desarrolló un concepto de berma consistente en generar un recinto de barreras laterales mediante pilotes metálicos en el interior del cual se retiró el material necesario (rocas de protección de las islas) para descubrir el terreno natural del fondo. A continuación, se procedió a verter el terreno granular seleccionado hasta aproximadamente 30 cm sobre la clave del futuro túnel, donde se colocaron unas bolsas de gran tamaño de material textil, rellenas de hormigón pobre y dispuestas sobre el núcleo de la berma como capa de protección. Se colocaron dos capas de estas bolsas de hormigón con un espesor aproximado de 1,2 m, encima de las cuales se dispusieron las distintas capas de protección de roca. Este sistema limpiaría el horizonte de la tuneladora de rocas grandes que no eran compatibles con su funcionamiento.
Con todos los parámetros definidos, se modelizó la berma y el túnel mediante elementos finitos para estudiar el comportamiento global ante distintos escenarios de excavación. En el análisis numérico se probaron diferentes materiales y disposiciones para el relleno y las bolsas de mortero, incluidas las alternativas que conectaban mecánicamente las bolsas de mortero con las barreras laterales de los pilotes metálicos. La alternativa no conectada, con las bolsas de mortero simplemente colocadas sobre el relleno seleccionado, resultó ser la mejor solución, ya que permitía grandes deformaciones del terreno (en casos extremos) alrededor del túnel, al tiempo que generaba un nivel de tensión aceptable en el mortero y las barreras laterales, con movimientos reducidos en las estructuras circundantes.
Una vez finalizado el diseño, se construyó una versión reducida del sistema (5 m de ancho en lugar de la berma de 17 m de ancho) que permitió validarlo. La delicada operación de remoción de las piedras de escollera se llevó a cabo en múltiples etapas desde una estructura paralela auxiliar (trestle) para minimizar el impacto en el túnel existente, utilizando diferentes medios de contención adaptados a cada tramo.
Excavación del túnel
Para el revestimiento del túnel se empleó un anillo de dovelas prefabricadas de hormigón armadas únicamente con fibras metálicas. El anillo es del tipo universal, con dovelas trapezoidales y paralelogramos en configuración 9+1/2, de 11,89 m de diámetro interior, 457 mm de espesor y 1,98 m de longitud. Cuentan con un sello de estanqueidad elastomérico de 44 mm de ancho, biconos y pernos en las juntas circunferenciales y pernos en las juntas longitudinales.
La TBM inició la excavación en marzo de 2023. El primer tramo de 120 m a través del relleno hidráulico de la isla artificial se completó en 21 días, a un promedio de 5,7 m por día, con un pico de 13,9 m el 28 de marzo de 2023.
En ese momento, la TBM se detuvo para la reconfiguración del portal y la inspección de la cabeza de corte en el bloque técnico. La excavación se reanudó a mediados de mayo de 2023 con el tercer tramo, fuera de la isla artificial y bajo la berma recién construida, la cual facilitó la excavación de la máquina como estaba previsto. La TBM avanzó otros 110 m en 13 días a un promedio de 8,4 m por día y con un pico de 13,9 m.
La tuneladora se detuvo a principios de junio de 2023 cuando se topó con un gran obstáculo de acero. Se construyó un bloque técnico debajo de la berma y delante de la TBM para retirar de forma segura el obstáculo, que resultó ser un ancla de aproximadamente 9 toneladas, después de lo cual la TBM reanudó la excavación. Este incidente tuvo un impacto de aproximadamente 10 meses.
La TBM excavó a continuación el terreno natural bajo la bahía, con un recubrimiento de tierras en torno al diámetro de excavación, gracias a un cuidadoso plan de acondicionamiento del terreno que permitió controlar en todo momento la presión de confinamiento y los principales parámetros de operación. Se realizaron dos intervenciones hiperbáricas a lo largo del trazado para controlar el desgaste, los posibles daños de la rueda de corte y los diferentes sensores. En invierno de 2024 se alcanzó la isla 2 y el túnel se caló el día 29 de enero de 2025.
Conclusiones
Dragados ha conseguido desarrollar una solución innovadora para construir el Parallel Thimble Shoal Tunnel en la bahía de Chesapeake minimizando el impacto en las instalaciones existentes durante la construcción, evitando costosas obras de expansión de la isla y reduciendo los impactos ambientales en las aguas de la bahía y el canal de navegación. Las soluciones innovadoras empleadas han proporcionado un entorno seguro para que la tuneladora de 13,2 m de diámetro excave este túnel somero bajo el mar.
