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Especial | Túneles y Obras Subterráneas
Tecnología digital al servicio del nuevo metro de Sídney
Alberto Gómez-Elvira López
ICCP UPM e ingeniero de túneles (máster AETOS). Jefe de Sección Túneles y Obras Subterráneas de TYPSA.
Fernando Ceballos Martínez
ICCP UPM. Ingeniero geotécnico y de túneles sénior de TYPSA.
Nicolás Habit Díez Cruz
Ingeniero civil (Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito). Máster en Ingeniería del Terreno UPC. Ingeniero geotécnico y de túneles de TYPSA.
El metro de Sídney representa un hito en el panorama del transporte público australiano. Es el proyecto de transporte masivo de mayor magnitud de Australia y marca una nueva era en la movilidad urbana de una de las ciudades más pobladas del continente. Se perfila como un proyecto de infraestructura excepcionalmente ambicioso, con el objetivo de doblar la actual capacidad de la red ferroviaria, aumentar el confort y reducir los tiempos de viaje. Con una clara apuesta por tecnologías de vanguardia como seña de identidad, la nueva red incluye trenes automatizados sin conductor junto con puertas de andén automáticas, sistemas de información en tiempo real y mapas electrónicos en los vagones, todo ello encaminado a mejorar la eficiencia en la operación, la seguridad y la experiencia del usuario.
En el marco de los ambiciosos planes de expansión, que buscan extender la red hacia los suburbios de la ciudad, un consorcio de empresas españolas de renombre internacional, formado por las constructoras Acciona y Ferrovial y la ingeniería TYPSA, ha demostrado su excelencia en el diseño y construcción de túneles y estaciones. Su participación en el tramo Sydney Metro West – Central Tunneling Package (CTP) es un claro ejemplo de la capacidad de las empresas españolas para ejecutar proyectos de gran envergadura con los más altos estándares de calidad y eficiencia.
Sydney Metro West: objetivos y retos de la infraestructura
El metro de Sídney está experimentando una expansión sin precedentes. Cuando culminen los proyectos en curso, la red alcanzará la impresionante longitud de 113 km y contará con 46 estaciones, conectando de manera eficiente los puntos clave de la ciudad y sus alrededores. Los planes de crecimiento incluyen tres líneas: City & Southwest, eje norte-sur, en servicio desde 2024; Sydney Metro West (SMW), que prolonga la red hacia el oeste; y Western Sydney Airport, que dará servicio al futuro aeropuerto internacional.
La línea SMW tiene como objetivo reducir un 60% el tiempo de viaje entre el centro financiero Sydney CBD y el nuevo centro de negocios de Parramatta, conectando los barrios residenciales del oeste y el recinto olímpico, donde se experimentan grandes picos de demanda en eventos deportivos y conciertos. El Central Tunnelling Package (CTP) compone el tramo más largo de esta línea, con 11 kilómetros de doble túnel y cinco nuevas estaciones subterráneas: The Bays, Five Dock, Burwood North, North Strathfield y Sydney Olympic Park. Las estaciones de Five Dock y Burwood North incluyen cavernas someras que conectan con la superficie mediante pozos. Además, la infraestructura comprende otros elementos singulares, como galerías de evacuación entre tubos, una caverna para el cambio de vías y pretúneles de ventilación y lanzamiento de las tuneladoras.
El contrato de ejecución de los túneles, pozos y galerías y la excavación de las cajas de las estaciones fue adjudicado en 2021 a un consorcio formado por las constructoras Acciona y Ferrovial, en el modelo Design and Build, por un valor de 1,96 billones de dólares australianos, y el diseño fue encargado a las empresas de ingeniería TYPSA y Jacobs.
Los principales retos del proyecto, además de las cuestiones técnicas que se describen a continuación, están relacionados con el plazo estricto de entrega de obra a los contratistas responsables de la arquitectura y estructuras de las estaciones. El programa supuso un intenso trabajo de coordinación y gestión para dar respuesta ágil a los requisitos de construcción. Además, los centros de diseño principales se establecieron en Madrid y en Sídney para maximizar el potencial de las oficinas que combinaban más talento y capacidad de producción, proporcionando una amplia cobertura y una buena capacidad de respuesta.
Planta general del Central Tunneling Package del Sydney Metro West
Los condicionantes geológicos y ambientales
El área de estudio se caracteriza por una secuencia estratigráfica de rocas sedimentarias y volcánicas que han sido ampliamente estudiadas para el desarrollo urbano de la ciudad. La unidad más superficial es la Hawkesbury Sandstone, una arenisca de grano grueso con una resistencia a compresión simple de 30 MPa (máximo 70 MPa), estratificación subhorizontal y juntas subverticales, que generan un entramado de bloques prismáticos. Subyacente se encuentra la formación Ashfield Shale, una lutita de grano fino, relativamente blanda y con resistencia a compresión de 20 MPa y una estructura formada por juntas subhorizontales que se combinan con familias sin una clara orientación predominante. La formación intermedia Mittagong supone la transición entre ambas, y posee una potencia de menos de 2 m, por lo que su impacto en la construcción es menor.
El sistema de clasificación de macizos rocosos en Sídney (Pells et al., 1998) establece cinco categorías según la resistencia, la fracturación y el espesor de las juntas: la clase I, de mayor competencia, hasta la clase V, de menor calidad. Aunque se desarrolló para el diseño de cimentaciones, este sistema se utiliza de forma generalizada en el diseño de túneles, ajustando la escala del análisis geomecánico. La distinción entre las clases III-IV y la clase V resulta de vital importancia, ya que marca una diferenciación principal entre los modos de fallo más comunes en túneles de mina y obras subterráneas.
El comportamiento geotécnico de las areniscas y lutitas es, en general, favorable debido a que, en construcción, resultan en frentes estables de roca bastante masiva con estratificación cruzada e intercalaciones de lutita/limolita y fracturación moderada. Los modos de fallo más comunes son: la inestabilidad de bloques en clave y hombros en las clases I-II-III, de mayor tamaño en el caso de la Ashfield Shale; los efectos de ravelling y spalling en rocas de menor calidad; y el fallo del techo plano por deflexiones excesivas y spalling en arenisca, clases III y IV.
Perfil esquemático del Central Tunneling Package
Fuente: Elaboración propia.
Parámetros geotécnicos de diseño
El perfil de meteorización es variable y da paso a roca sana en profundidad. La capa de roca extremadamente meteorizada y el suelo residual no suele exceder de los 2 a 5 m de potencia.
La presencia de zonas de falla y diques de menos de 3 m de ancho y de origen ígneo puede comprometer la estabilidad de las excavaciones y la estructura del macizo. Varios grupos de fallas y diques cartografiados —el Ultimo Dyke o el Great Sydney Dyke— han afectado localmente a los túneles y estaciones y han sido objeto de tratamientos especiales en el sostenimiento mediante el cosido con bulones durante la obra.
Las zonas de suelos o de rocas con baja calidad geotécnica se relacionan con áreas bajas, paleocanales y depósitos aluviales recientes en masas de agua o cauces. El trazado cruza varias de estas zonas, entre las cuales son las más relevantes: The Bays, un área que corresponde a una antigua bahía estuarina parcialmente ganada al mar; el cruce de Iron Cove, que afecta a más de 700 m de túneles, con 20 m de espesor de suelo; y el antiguo estuario de Powells Creek.
Las condiciones hidrogeológicas incluyen un nivel freático elevado asociado al nivel del mar. No se previó una gran afluencia de agua durante la excavación dadas las condiciones del macizo rocoso de relativa baja fracturación y la profundidad de los túneles. Sin embargo, se identificó un mayor riesgo hidrogeológico en los tramos bajo Iron Cove y Powells Creek, donde la permeabilidad medida estimada oscilaba entre 7 y 15 uL (unidades Lugeon).
Tensiones in situ en la zona de Sídney
El análisis del estado tensional del terreno reveló la presencia de altas tensiones horizontales tectónicas residuales que superan la tensión vertical incluso a profundidades considerables. Este factor resulta crítico en la interacción del terreno con las estructuras proyectadas, especialmente en los tramos de túnel más profundos.
Estaciones en grandes cavernas
El diseño de las estaciones y grandes cavernas en un entorno urbano supuso todo un desafío, ya que era necesario integrar la infraestructura en el tejido urbano sin comprometer la estabilidad, la seguridad y la operatividad habitual de las vías de comunicación y servicios de la ciudad. Las cavernas de Five Dock y Burwood North, con unas dimensiones aproximadas de 23 metros de luz por 15 metros de alto, se excavaron en arenisca clase III o mejor, lo que proporciona unas condiciones geológicas favorables, aunque pueden presentar complicaciones debido a la reducida cobertera de roca y a la presencia de diques y fallas. Tanto la estabilidad de la excavación como los desplazamientos inducidos por la liberación de altas tensiones en el macizo, se analizaron con un alto grado de precisión en la ejecución mediante modelos de elementos finitos con discontinuidades explícitas en RS2 (Rocscience) y modelos de elementos discretos UDEC y 3DEC, teniendo en cuenta el comportamiento discontinuo del macizo.
Las cavernas se excavaron de forma secuencial, mediante rozadora, y se aplicaron sostenimientos provisionales que incluían medidas especiales en las fallas y los diques para hacer frente a los escenarios geológicos detectados. Los bulones proporcionan un efecto de refuerzo global del macizo, facilitando la formación de arcos de tensión que controlan el desprendimiento y el desplazamiento de la clave, además de funcionar como anclajes localizados capaces de soportar el peso muerto de cuñas o bloques de roca sueltos que, de otra manera, podrían volverse inestables.
Modelo numérico en 3DEC. Análisis de estabilidad global y asientos de la caverna central de la estación Five Dock
Por su parte, la función principal del hormigón proyectado es soportar bloques discretos y cuñas de roca entre bulones, confinar el macizo rocoso para facilitar el desarrollo de un «arco rocoso» o «viga de roca», y prevenir la meteorización del macizo.
The Bays: desafíos geotécnicos en un entorno singular
La estación y el pozo de lanzamiento de las TBM en The Bays presentaron unas condiciones geológico-geotécnicas complejas debido a la presencia de materiales antrópicos y aluviales heterogéneos saturados, resultado del relleno y la recuperación de la antigua bahía estuarina a principios del siglo XX. La presencia de un amplio paleocanal y del dique Great Sydney Dyke, de gran espesor (6 a 7 m), planteaba un riesgo adicional a la estabilidad de la zona inferior del recinto.
La excavación se planteó entre pantallas ancladas de pilotes secantes de 1,2 metros de diámetro, separados por 1,5 metros y empotrados en arenisca. Debido a la variabilidad del perfil geotécnico, dispusieron de hasta cinco niveles de anclajes en la zona con mayor espesor de suelos. Las altas cargas requeridas por el sistema demandaron longitudes de bulbo de hasta 45 m para la fila de la viga de coronación. Además, los condicionantes geométricos impuestos por la presencia de los túneles TBM en uno de los testeros requirieron un ajuste preciso de las orientaciones de los tendones mediante modelos 3D, por lo que fue preciso ajustar las inclinaciones verticales y horizontales para evitar interferencias geométricas y estructurales.
Con el objetivo de abordar los numerosos aspectos críticos se generaron modelos digitales del terreno mediante Leapfrog, que alimentaron los cálculos de interacción PLAXIS 2D y 3D. El gran número de escenarios de cálculo se automatizaron sobre la base de rutinas Phyton para evaluar diferentes variables geotécnicas, geométricas y estructurales en un tiempo muy reducido, y analizar las opciones y riesgos asociados que garantizaran la seguridad y la eficiencia del proceso.
Túneles profundos bajo la bahía
Para excavar los túneles de la línea se emplearon dos tuneladoras TBM de tipo doble escudo, Beatrice y Daphne, de 7 metros de diámetro exterior. La naturaleza de las rocas permitió que el modo de propulsión continua propio del doble escudo alcanzara velocidades notables, superando en ocasiones los 250 metros por semana. Se completaron los 11 kilómetros de línea en aproximadamente 515 días, incluyendo las paradas de mantenimiento y el tiempo invertido en cruzar las estaciones a lo largo del trazado.
A lo largo del recorrido, las tuneladoras excavaron a una profundidad superior, en general, a los 30 metros, llegando a máximos cercanos a los 95 metros. Esta situación implicó realizar un estudio tensodeformacional del proceso de excavación y sostenimiento centrado en determinar el riesgo de bloqueo del doble escudo, tanto por la posible movilización de cuñas como por la convergencia del terreno, especialmente en posibles zonas de calidad del terreno inferior y en discontinuidades geológicas.
Modelo Leapfrog en la estación de The Bays
Modelo BIM de la estación The Bays y de los túneles de línea
De acuerdo con las condiciones hidrogeológicas, se preveía un riesgo moderado de entradas de agua asociadas a las altas presiones en grandes profundidades. Sin embargo, la alta permeabilidad secundaria de la arenisca en los cruces de masas de agua, especialmente en The Bays, suponía un mayor riesgo de filtraciones no controlables. Para mitigarlo, las tuneladoras contaban con la posibilidad de realizar inyecciones de permeabilización y perforaciones en el frente. Durante el cruce bajo la bahía de Sídney se prestó especial atención al control detallado del caudal de agua de ingreso; en esta fase no se experimentaron entradas de agua fuera de los límites esperados y el avance de las máquinas se mantuvo sin incidencias.
En la zona de The Bays, a pocos metros de comenzar el túnel, se cruzó bajo un edificio de alta protección histórica —la antigua central eléctrica de White Bay— con un riesgo de impacto directo. La falta de información precisa sobre los cimientos, apoyados en un terreno aluvial profundo sobre un lecho rocoso irregular que podría incluir pilotes de madera, aumentó la incertidumbre sobre el comportamiento del terreno durante la excavación. Se empleó el modelo 3D geológico y se realizó un estudio hidrogeológico y de la consolidación de los materiales del entorno. Como medida de mitigación, se diseñó un tratamiento de inyección del contacto suelo-roca y de parte de los suelos a ejecutar previamente a la excavación con el objetivo de sellar las zonas permeables y reducir la entrada de agua.
Anillo de dovelas: una solución innovadora para las aperturas
El revestimiento del túnel consistió en un anillo universal 6 + 0 con piezas trapezoidales de hormigón reforzado con fibras de resistencia a compresión 66 MPa, y a tracción fR1,k = 4,0 MPa y fR4,k = 3,0 MPa. Los anillos especiales para las aperturas de las galerías se reforzaron con barras de acero convencional de 500 MPa. Las conexiones en las juntas radiales y longitudinales se realizaron con pernos temporales de acero y el gasket de EPDM se dimensionó para la máxima carga de agua. La longitud del anillo fue de 1,7 m, mientras que los anillos especiales de compensación eran 10 cm más cortos (1,6 m) para un ajuste geométrico preciso de las juntas en las conexiones de estaciones y galerías.
La característica más destacada del diseño de los anillos es el uso de llaves de cortante en juntas circunferenciales para conectar los segmentos adyacentes en las aperturas realizadas sobre el revestimiento. Son secciones huecas circulares de acero grado 350 instaladas en orificios no pasantes, perforados en la junta entre segmentos y fijadas con mortero de cemento modificado con polímeros de alta resistencia. El sistema proporciona continuidad estructural en las juntas anillo a anillo y elimina la necesidad de apuntalamientos o estructuras temporales que obstaculizarían la logística de la tuneladora. El uso de estos conectores mantiene el espacio interno libre, lo que facilita el movimiento de equipos y personal y mejora la seguridad al reducir la exposición de los trabajadores a tareas peligrosas derivadas del manejo de estructuras pesadas. Además, preserva la integridad de la impermeabilización del túnel, ya que evita perforaciones pasantes innecesarias en los segmentos que podrían comprometer la estanqueidad de la estructura.
La seguridad y las galerías transversales
Las galerías transversales tienen una función primordial en la seguridad, pues conectan los túneles principales y actúan como vías de evacuación seguras en caso de emergencia dentro de uno de los túneles. También desempeñan un papel crucial en la gestión del drenaje de los cuatro puntos bajos del trazado, donde se ubica un depósito de agua en pozo.
Las galerías se disponen de manera regular con una separación aproximada de 240 metros, lo que supone un total de 41 minas, de las cuales seis incluyen pozos de bombeo. La longitud de cada galería varía entre 13,9 y 15,9 metros, en función de la distancia entre los ejes de los túneles.
La excavación se inicia desde el interior del túnel principal, a través de la abertura en las dovelas especiales, empleando un martillo de pequeño gálibo y realizando el sostenimiento mediante un jumbo automatizado para colocar los bulones y una malla de protección. Debido a la calidad del macizo y al tamaño limitado de las galerías, solamente se coloca gunita al final de la excavación completa como elemento de sellado y regularización, salvo en las peores rocas —clase IV o fallas—, en las que se emplean sostenimientos pesados.
Diseño en BIM de las galerías transversales
Herramientas digitales en el diseño y la construcción
El diseño del CTP se ha desarrollado con un enfoque geométrico preciso en base al modelo BIM para integrar la infraestructura en el entorno complejo y solventar las interfaces con otros contratos. El modelo ha permitido visualizar y analizar con precisión los túneles, estaciones y galerías, y ha sido una herramienta de comunicación con el equipo de construcción para la generación dinámica de planos y el control y medición de unidades. Ha permitido ajustar la alineación a la geología del cruce de la bahía y las excavaciones de estaciones, así como a la presencia de estructuras existentes, como cimentaciones de edificios, redes de servicios o túneles. También ha facilitado el ajuste de la previsión de anillos de dovelas en los túneles, sobre todo en las conexiones con las galerías transversales y las estaciones.
El BIM ha sido crucial para el diseño de las galerías de conexión, especialmente en el entronque con las dovelas. La geometría compleja de estas estructuras, que deben garantizar la estanqueidad y la resistencia estructural, se ha modelado en detalle, incluyendo la provisión de posibles desvíos en la localización de los ejes.
El diseño precisó una estrecha colaboración entre equipos multidisciplinares ubicados en centros de trabajo distantes: Sídney, Madrid y Barcelona, además de Brisbane (Reino Unido) y Estados Unidos. Para superar el desafío se emplearon plataformas digitales: BIM 365, Bluebeam y SharePoint para la gestión documental interna y con el cliente.
El trabajo se organizó en torno a modelos compartidos, lo que permitió a los diferentes equipos acceder a la información actualizada y trabajar de forma colaborativa para solventar las interferencias. Esta metodología de trabajo, junto con el uso de herramientas de videoconferencia y mensajería instantánea, facilitó el intercambio de información, la revisión de diseños y la toma de decisiones de forma conjunta, independientemente de la ubicación física de los miembros del equipo.
Cabe destacar que buena parte del proyecto se desarrolló entre 2021 y el 2023, en plena época de restricciones de movilidad y viajes debido a la pandemia de COVID-19. En este contexto, las herramientas digitales de comunicación cobraron aún mayor relevancia.
Tecnología de vanguardia: automatización y control
En el CTP se ha apostado por la automatización y el control en la construcción, con tecnologías que ya forman parte inherente de los proyectos de túneles y que redundan en una mejora de la calidad de las obras, a la vez que reducen la exposición de los trabajadores a entornos de riesgo.
Sistemas de guiado y seguimiento remoto de la TBM: las tuneladoras se han equipado con sistemas de control y manejo que permiten avanzar con precisión milimétrica desde un centro de control remoto, así como llevar a cabo el seguimiento en tiempo real de los parámetros de excavación. Esto ha permitido optimizar el proceso de excavación, minimizar las desviaciones y mantener puntualmente informados a los equipos, al cliente y a los ciudadanos sobre la evolución de las obras. En las minas, el proceso de excavación y sostenimiento se ha automatizado mediante el uso de martillos, rozadoras y jumbos robotizados que ayudan, con precisión y eficiencia, en la colocación de bulones y en la proyección de gunita sin la necesidad de que el personal se encuentre en la zona no sostenida, de acuerdo con la regulación local.
Finalmente, se han empleado sistemas automatizados de corte y perforación de dovelas y estructuras de hormigón que no requieren la intervención directa de operarios, lo que ha redundado en una mejora de la precisión en el ajuste de las dovelas y de la seguridad.