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Especial | Túneles y Obras Subterráneas
Procedimientos constructivos de un túnel subterráneo de vía doble en la prolongación de la línea 3 de Metro de Madrid desde Villaverde Alto a El Casar
Miguel Núñez
Dr. ingeniero de caminos, canales y puertos. Director general de Infraestructuras de Transporte Colectivo de la Comunidad de Madrid.
Jesús Zurdo
Ingeniero de caminos, canales y puertos. Dirección General de Infraestructuras de Transporte Colectivo de la Comunidad de Madrid.
Ángel Luis Pérez
Ingeniero de caminos, canales y puertos. Egai Consultores, director de obra de la prolongación de la línea 3 de Metro.
Jordi Vinyals
Ingeniero de caminos, canales y puertos. Intecsa Engineering Group, jefe de Asistencia Técnica de la prolongación de la línea 3 de Metro.
La prolongación de la línea 3 de Metro de Madrid hasta El Casar comprende la construcción del tramo subterráneo de vía doble que parte del final del túnel en Villaverde y llega a El Casar, en Getafe, lo que permitirá la conexión con las estaciones de la línea 12 (Metrosur) y la línea C3 de Cercanías y que ya cuenta con la construcción de una nueva estación y con 2600 m de túnel.
El túnel se construyó con tres procedimientos en función de la profundidad, de las características geotécnicas del terreno excavado y del existente hasta la superficie, así como de la proximidad a otras infraestructuras y de la seguridad de la obra.
Presentación gráfica de la construcción del túnel con el método secuencial de Madrid (MSM)
Construcción del túnel entre pantallas
Con la rasante a poca profundidad, se construyó un túnel entre pantallas, ya que no resulta conveniente perforar un túnel en mina con poco recubrimiento. Este procedimiento se localiza en el tramo que accede a la nueva estación de la línea 3 El Casar y el fondo de saco para maniobras, tras la estación. A unos 200 m del inicio de la obra se detectó un tramo en que se superponen rellenos antrópicos, aluviales con circulación de agua, peñuelas alteradas, arcillas y yesos de forma que, para poder atravesarlos, fue conveniente construir en un tramo otro túnel entre pantallas con un rebaje previo del terreno.
El procedimiento constructivo consiste en la ejecución de pantallas laterales sobre las que se apoya una losa de hormigón armado que configura el techo del túnel. Esta losa se puede construir sobre el terreno nivelado entre las pantallas y, posteriormente, iniciar la excavación bajo ella, o bien excavar a cielo abierto, construir soleras, techar el falso túnel y reponer la superficie del terreno. Ambos planteamientos se han dado en la prolongación de la Línea 3 a El Casar. La primera opción permitió adelantar la reposición de la superficie a la vez que se ejecutó el túnel y se evitó emplear cimbras; en la segunda, fue necesario ejecutar rampas de acceso de la maquinaria de excavación y cimbrar las losas.
La secuencia constructiva, cubriendo antes de vaciar el túnel, consiste en las siguientes fases:
- Preparación de la plataforma de trabajo.
- Construcción de muretes guía y ejecución de las pantallas.
- Preparación del terreno a cota de apoyo de la cubierta.
- Armado y hormigonado de la losa de cubierta.
- Reposición del terreno sobre cubierta (se puede ejecutar en cualquier momento). Si es necesario, realizar el vaciado hasta la cota de estampidores y ejecutar la reposición junto con la viga de reparto.
- Excavación bajo estampidores hasta la cota de fondo. Hormigón de limpieza, conectores losa-pantallas, ferrallado y hormigonado de la losa de fondo.
- Construcción de las vías.
- Instalación de la catenaria, las instalaciones y los acabados.
Construcción del túnel entre pantallas
Método belga o tradicional de Madrid
Es un método que se ha usado ampliamente en la construcción de túneles de Metro de Madrid cuando no es viable la tuneladora. Se caracteriza por su buena adaptación a los terrenos de Madrid y por una elevada seguridad en la excavación, dado que minimiza el frente abierto sin sostenimiento.
Su desventaja radica en la necesidad de excavar con medios manuales y en el elevado número de personal especializado que demanda, además de requerir que los suelos no presenten durezas excesivamente elevadas. Con rendimientos medios de cinco avances de 2,5 m/semana, unos 40‑50 m al mes por frente, con tres turnos diarios de unos 12 trabajadores, es necesario atacar desde diversos frentes para alcanzar plazos razonables. El terreno idóneo son las peñuelas y facies detríticas (de toscos a arenas de miga, sin presencia de agua) existentes en buena parte del subsuelo de Madrid.
Sin embargo, los suelos por los que discurre el túnel de la prolongación de la línea 3 pertenecen a la cuenca terciaria de Madrid, formada por arcillas muy compactas con importante contenido de yesos, en ocasiones recristalizados, y un comportamiento parecido a una roca plástica, por lo que los rendimientos son mucho menores al emplear los medios habituales del MTM (martillos neumáticos manuales en avance y maquinaria pequeña para la destroza).
La excavación se realiza en cuatro fases sucesivas:
1. Avance o excavación de la bóveda
La excavación comienza por una pequeña galería en la clave, de la altura de un hombre, y 1-1,5 m de ancho por 2,5 m de alto, que se estabiliza entibando con tablas apuntaladas. Posteriormente, se amplía la galería de forma lateral con pases de tamaño similar, por lo que la alteración del terreno es mínima. Con el ancho completo excavado, la bóveda se encofra y hormigona.
En este tramo, excavado en arcillas compactas con yesos o directamente en roca yesífera, se planteó una adaptación del MTM consistente en alargar el pase a 3 m sin cuajar la entibación aprovechando la estabilidad del terreno. Al ser necesarios menos puntales, se consigue acceder al frente con maquinaria pequeña de mayor rendimiento, por lo que se consigue cierta mejora del ciclo.
Método belga o tradicional de Madrid
2. Destroza de la zona central
Varios anillos por detrás de la bóveda terminada (a 15-20 m del frente), se excava la parte inferior central sin descalzar la bóveda. Debido al tamaño de la caja, solo se puede emplear una retroexcavadora pequeña.
3. Hastiales
Tras la destroza, se ejecutan los hastiales al tresbolillo. La longitud de un pase de hastial es de 2,5 m (3 m), idéntico al pase en avance, pero desfasado en 1,25 m (1,5 m) y sin enfrentar pases para no descalzar los anillos. Así, la bóveda apoya siempre o en terreno sin excavar o sobre un hastial hormigonado
4. Contrabóveda
Finalmente, se excava y se hormigona la contrabóveda. Usualmente, se ejecutan longitudes de 10-12,5 m durante los fines de semana.
Para finalizar, se inyecta lechada en el trasdós para rellenar los huecos entre el revestimiento y el terreno.
Método secuencial de Madrid (MSM)
La compacidad de los materiales, con presencia de yeso recristalizado en alta proporción, dificultó la excavación del túnel. Este proceso, que en el MTM se efectúa mediante herramientas y máquinas de baja potencia, hace imposible alcanzar rendimientos adecuados. Durante la primera fase de la obra, esta circunstancia implicó una ralentización de la obra, con solo 475 m en 10 meses con tres frentes.
Ante esta problemática, y para verificar la excavabilidad del terreno, se realizaron perfiles sísmicos a lo largo del trazado y se comprobó que gran parte del tramo atravesaba materiales con velocidades de propagación de las ondas de presión (Vp) entre 1850 y 2000 m/s, es decir, son suelos de difícil ripabilidad, muy alejados de lo aconsejable para excavar con martillo neumático (hasta 900 m/s).
Ante la evidencia de que era inviable finalizar el túnel en un plazo razonable, se propuso un método constructivo con frente de excavación de mayor superficie, lo que permitió emplear maquinaria de excavación con la potencia suficiente para fragmentar el material y lograr un ritmo de excavación adecuado al programa previsto.
Este procedimiento, denominado método secuencial de Madrid (MSM), está basado en sistemas muy utilizados en zonas con materiales parecidos a los de este tramo. El sistema emplea un sostenimiento flexible mediante la aplicación de hormigón proyectado sobre el contorno de la excavación y la colaboración de cerchas metálicas perimetrales. Este tipo de procedimientos no son habituales en entornos urbanos de Madrid, dada la mayor deformabilidad que el sostenimiento admite y la menor estabilidad del frente. Sin embargo, favorecido por el trazado, lejos de edificaciones y con un terreno que presenta compacidades y resistencias elevadas, este procedimiento no reduce el nivel de seguridad ni afecta a estructuras cercanas.
Método secuencial de Madrid (MSM)
- De hecho, respecto a la seguridad y salud, se considera que el MSM mejora las condiciones generales y particulares de la obra, ya que:
- Expone a un menor número de trabajadores a la misma tarea.
- Simplifica y delimita las distintas fases de ejecución.
- Disminuye la necesidad de manipulación de materiales y la utilización de medios auxiliares.
- Disminuye la necesidad de acondicionamiento de las zonas de almacenamiento.
- Mejora el rendimiento, las interacciones y las incompatibilidades con cualquier otra actividad.
- Mejora el orden y la limpieza en el interior del túnel. Los elementos que conforman el sostenimiento del túnel aplicando el MSM son:
- Hormigón proyectado HP‑30/F/12/ IIa + Qc.
- Fibra de polipropileno (3 kg/m³).
- Cerchas HEB 140 espaciadas en 1 m.
- Sellados de frente con hormigón proyectado en fines de semana o paradas prolongadas.
La excavación de la sección se realiza en una sola fase, a sección completa, salvo en la parte inferior de la contrabóveda, con pases de 1 m.
Acabada la excavación, se coloca una capa de sellado de 6 cm de hormigón proyectado. A continuación, se coloca una cercha HEB‑140 que se embeberá en otra capa de hormigón proyectado de 19 cm de espesor. Terminado el proceso anterior, se inicia el pase siguiente.
Al terminar la semana, se hormigona el tramo de la contrabóveda correspondiente al sostenimiento ejecutado previamente, cerrando de esta forma el anillo estructural.
Aunque en cualquier otro método la auscultación permite la observación de posibles movimientos y deformaciones, en el MSM es fundamental realizar un seguimiento exhaustivo del cierre de la excavación. Para ello, se previó una sistemática de lecturas de convergencias, dado que, al ser más flexible el sostenimiento, se deformará hasta equilibrar el empuje del terreno. En caso de existir alguna heterogeneidad en el terreno no contemplada en el cálculo, se evidenciaría en una deformación superior a la prevista que indicaría la necesidad de reforzar el sostenimiento. De esta forma, se colocó una sección de convergencia cada 20 m, tomando datos diariamente en un inicio. Esta frecuencia iba disminuyendo al verificar la ralentización de la deformación.
Adicionalmente, para anticipar variaciones del terreno se implantó una sistemática de control (sistema Jean Lutz): los domingos se efectuaban varios sondeos a destroza, monitorizados horizontalmente desde el frente, para reconocer el terreno a excavar durante la siguiente semana, lo que permitía contrastar las variaciones de los parámetros geotécnicos para los avances siguientes y facilitar la toma de decisiones. Para ello, se establecieron unos valores de referencia de los parámetros que aporta el ensayo, basados en correlacionar la resistencia a la perforación del material (velocidad de avance, par de rotación y presión de empuje) con el módulo elástico y la cohesión con el sistema adecuado de excavación.
Los rendimientos obtenidos con el MSM fueron 3-4 pases de 1 m por día y frente, trabajando 24 horas de lunes a viernes y hormigonando la contrabóveda en fin de semana, lo que supuso unos 50‑70 m al mes por frente.
El sostenimiento y la contrabóveda descritos permiten, por sí mismos, una excavación estable. No obstante, más adelante se construyó un revestimiento no estructural de hormigón en masa HM‑30 (pero igualmente resistente y, por tanto, redundante) que suaviza la irregularidad del hormigón proyectado y mantiene el acabado y el contorno del resto de túnel, sin complicar los sistemas de cuelgue de los conductos de energía e instalaciones. Este revestimiento se construyó mediante un carro móvil de encofrado en segmentos de 10 a 15 m.
Resulta de gran interés comentar la incidencia aparecida en el último tramo ejecutado del frente, que se dirige hacia Villaverde.
En las convergencias del PK 0 + 470, tras 8 días de ejecutar el anillo y con el frente a 20 m, se cerró la cuerda horizontal 10 mm respecto al día anterior. El sistema Jean Lutz reflejaba una disminución de la dureza de los materiales, pero los levantamientos de frentes mostraban una alternancia de yesos con peñuelas en gran parte de la sección. El factor diferencial fue la aparición de agua entre el estrato inferior, con preponderancia de yesos, y el superior, con mayor contenido de arcillas.
Gráfica de convergencias con tendencia a estabilización
Tras paralizar los trabajos, se analizaron las alternativas posibles y se llegó a plantear incluso la recuperación del MTM. Finalmente, se redujo el avance a 75 cm y se pasó a hormigonar diariamente la contrabóveda, con lo que la convergencia máxima resultante fue de 16 mm, sin superar los 3 mm tras la corrección.
Conclusión
Al iniciar los frentes del túnel para la prolongación de la línea 3 de Metro de Madrid a El Casar, en Getafe, se siguieron estrictamente las premisas del proyecto, basadas en las experiencias previas de excavación de túneles en Madrid. Este planteamiento, basado en el MTM o método belga, ha sido un éxito por su rendimiento y seguridad en los terrenos de la capital, compuesto de arena de miga, tosco y otros materiales excavables mediante los medios «manuales» que pueden emplearse en este procedimiento con frentes de tamaño pequeño y sostenimiento primario cuajado, que permiten controlar de forma eficiente la estabilidad de la excavación.
En los terrenos formados por peñuelas y arcillas con diversas proporciones de yesos de elevada compacidad de esta obra, sin embargo, es ineficiente la excavación mediante las herramientas manuales a la que obliga el pequeño espacio excavado y la fuerte presencia de apuntalamiento del MTM. Frente a este contratiempo, se ha implementado una variante de los métodos de sostenimiento flexible con hormigón proyectado, como se describe en este escrito. El hecho de aumentar el tamaño del frente ha permitido introducir maquinaria adecuada para la excavación mecánica de materiales compactos (duros), lo que ha supuesto una mejora de rendimiento, tal y como se observa en la gráfica siguiente que resume la productividad de la obra.
Rendimientos según tramo y método constructivo
El coeficiente de seguridad de un frente de mayor superficie disminuye, pero se consigue un tiempo menor sin sostener el frente gracias a la rapidez de la excavación y el sostenimiento de cerchas metálicas y hormigón proyectado. En paralelo, hay que controlar con mayor frecuencia la estabilización del sostenimiento midiendo sus deformaciones mediante convergencias, verificando su evolución de acuerdo con el modelo de cálculo con el que se ha dimensionado el sostenimiento, y actuando con refuerzos en caso de detectar cualquier deformación por encima de las esperadas o en caso de que no tiendan a estabilizarse.