Esta compleja obra conlleva la construcción de cuatro falsos túneles, cuatro viaductos, un túnel en mina, una galería peatonal de emergencia, el soterramiento de un importante tramo de la A-8 y la excavación de dos desmontes; todo ello en un entorno urbano densamente poblado y sin reducir en ningún momento la capacidad de tráfico de la A-8.
Excavaciones en mina
Para la conexión al tronco de la A-8 remodelada, en dirección San Sebastián, ha sido necesario ejecutar un túnel convencional bajo el barrio de Altamira. Se trata de un túnel en mina de 344 m de longitud, con dos falsos túneles a la entrada y salida que le suman 103 m. El túnel tiene un trazado en curva con peraltes de hasta el 7%, alojando un carril de 4 m de anchura, arcenes de 2,5 y 1 m de ancho y dos aceras de 0,75 m de anchura mínima. La anchura total de la plataforma es de 9 m. La sección geométrica transversal es de tipo policéntrica ovalada, con un radio de bóveda de 5,13 m y una altura sobre plataforma de 7,14 m.
Como medida de seguridad durante la explotación de la infraestructura, se previó la ejecución de una galería peatonal. Con una longitud de 102 m, conecta la mitad del túnel con la superficie, ofreciendo una ruta de escape segura para los peatones en caso de emergencia. Factores geotécnicos y de afección a edificios condicionaron el trazado de esta galería, adoptándose una pendiente del 12%. La sección geométrica transversal es de tipo bóveda circular con hastiales rectos, adoptándose una anchura de excavación de 4,1 m por motivos de ejecución.
El Proyecto Constructivo preveía la ejecución del túnel en mina en sección de avance y destroza partida y excavación con rozadora y/o medios mecánicos. Estaba prevista la ejecución de dos tipos de sostenimientos, en función de la calidad del macizo rocoso, basados en la utilización de cerchas metálicas, hormigón proyectado y bulones. En las Tablas 1 y 2 se resumen las características de los sostenimientos.
Adicionalmente estaba prevista la ejecución de una serie de tratamientos especiales con el fin de hacer frente a situaciones que eventualmente podrían aparecer, pero que por su naturaleza frecuentemente aleatoria, no se puede concretar con precisión el lugar o cuantía donde se deberá aplicar:
- Tratamientos de estabilización del frente.
- Tratamientos de estabilidad de la bóveda.
- Tratamientos frente a infiltraciones de agua.
- Tratamientos de terrenoscársticos.
- Inyecciones.
- Tratamientos para limitar subsidencias.
Geología y geotecnia del túnel
Los terrenos excavados durante la ejecución del túnel corresponden a los materiales sedimentarios cretácicos presentes en el entorno de Bilbao. Básicamente, se han distinguido dos formaciones:
- Formación Ereza (Formación 1): areniscas calcáreas con alternancias de limolitas calcáreas.
- Formación Arraiz (Formación 2): conjunto de calizas grises con rudistas y corales y calizas detríticas.
La denominación empleada corresponde a la utilizada durante la ejecución de la cercana Variante Sur Metropolitana de Bilbao, donde se excavaron estas mismas formaciones. Por el contrario,tal y como se esperaba, en ningún momento se interceptaron las conocidas “Cayuelas”, tan habituales en la ejecución de los túneles del Metro de Bilbao.
El contacto entre la formación Ereza y Arraiz se ha producido a través de una falla de fuerte buzamiento. Esta falla afectaba intensamente a los materiales adyacentes, dando lugar a macizos rocosos con grados de alteración muy altos (IV-V) y una fuerte tectonización, o incluso materiales con grado de alteración VI (suelos). A los materiales de altos grados de alteración se les ha designado como Eluvial 1 y Eluvial 2, según procedieran de materiales de la Formación 1 o Formación 2, respectivamente.
Dado el trazado curvo del túnel, la afección de la falla se ha producido en la mayor parte del trazado del túnel. En la Tabla 3 se resume la tramificación y longitudes de los litotipos atravesados. Los principales condicionantes geotécnicos aparecidos durante la ejecución del túnel han sido:
- Altos grados de alteración e intensa tectonización del macizo rocoso.
- Coberteras inferiores a un diámetro en materiales muy alterados o totalmente descompuestos.
- Intensa karstificación de los tramos excavados en las calizas de la formación Arraiz.
- Frentes de excavación mixtos con materiales muy alterados ocupando la parte superior de la excavación y un macizo rocoso extremadamente sano en la parte inferior.
- Presencia de edificaciones en todo el entorno del túnel, en la mayoría de los casos con antigüedades superiores a los 50 años.
En la Figura 3 se presenta el perfil geológico longitudinal del túnel y la magnitud de las coberteras sobre clave del túnel.
Los anteriores factores han condicionado extraordinariamente la ejecución del túnel, especialmente en los siguientes aspectos:
- Control del perímetro de la excavación por medio de paraguas pesados de micropilotes, en algunos casos con inyecciones armadas (Inyección Selectiva y Repetitiva a través de micropilotes).
- Control del frente de excavación por medio de sellado del frente e incluso refuerzo del frente con bulones autoperforantes.
- Utilización de medios mecánicos pesados capaces de quebrantar macizos rocosos competentes.
- Control de deformaciones del propio túnel, que se reflejaban en superficie, por medio de recalce de la sección de avance con micropilotes y refuerzo del sostenimiento con bulones autoperforantes de nueve metros y anclajes activos.
- Control geotécnico y de deformaciones del terreno en superficie y en edificios.
Descripción de la ejecución del túnel
La excavación del túnel se divide en tres fases:
- Avance: con una altura de 6,0 metros y pases de excavación de 1 a 1,5 metros, en función del sostenimiento a ejecutar. En las zonas de peor calidad geotécnica, el sostenimiento de la sección de avance se apoyaba en patas de elefante.
- Destroza: con una altura aproximada de 3,4 metros. Se ejecutó en dos partes IIa y IIb,decaladas un mínimo de 3 m y manteniendo un talud entre fases de 1H:3V.
- Contrabóveda: en las zonas de peor calidad geotécnica se ejecutó una contrabóveda definitiva. Los pies de las cerchas del sostenimientode destroza se prolongaban empotrándolos en un dado de hormigón excavado por debajo del nudo de articulación de la contrabóveda. De este modo se ejecutaban ambas articulaciones sin descalzar el apoyo. Con posterioridad, se excavaba y hormigonaba la sección central de la contrabóveda en tramos.
El inicio de la ejecución de la contrabóveda se realizaba simultáneamente con la excavación de la destroza. En la siguiente foto se aprecia el hormigonado de los tacones de articulación de la contrabóveda y al fondo el frente de excavación de destroza.
La ejecución del túnel se inicia desde un único ataque, a partir de la Boca de Salida, en sentido de avance de PK decrecientes, hasta completar todo el avance. La excavación de la fase de destroza y contrabóveda se ha realizado en dos frentes alternados, ya que con objeto de minimizar los movimientos en superficie que pudieran afectar a los edificios,fue necesario ejecutar un refuerzo del sostenimiento previamente al inicio de la destroza, en un tramo de 70 m.
Esquema para el desdoble de frentes de destroza
Dadas las condiciones geotécnicas descritas con anterioridad y con objeto de minimizar las posibles afecciones en superficie, fue necesario ejecutar paraguas sistemáticos de micropilotes en gran parte del túnel. En total se ejecutaron 29 paraguas de micropilotes, algunos de ellos con válvulas que permitieron hacer inyecciones repetitivas del terreno a través del propio micropilote.
Pese a ello, la buena coordinación en la organización de los distintos tajos, ha permitido obtener unos rendimientos elevados. En la siguiente tabla, se resumen los rendimientos obtenidos en avance.
Especialmente demostrativos de la gran dificultad sufrida durante la ejecución, fueron los tramos inicial y central del túnel. En el primero de ellos, la escasa cobertera (menos de un diámetro), el alto grado de alteración del terreno en clave y la existencia de una intensa carstificación de la roca caliza, dieron lugar a grandes movimientos en superficie que superaron los 20 cm, con el riesgo consiguiente de sufrir una chimenea que finalmente se evitó.
En el tramo central del túnel, pese a que el macizo rocoso era de una calidad geotécnica buena, la auscultación detectó una relación directa entre los movimientos medidos en la clave del túnel y la subsidencia medida en superficie que podían afectar a distintas edificaciones. Esto obligó a reforzar el sostenimiento ejecutado en avance. Ambos casos se describirán con mayor profundidad posteriormente.
En la siguiente figura, se ha representado los movimientos medidos en clave del túnel y en superficie. Como se observa, en un primer tramo, hasta el PK 1+200, los movimientos fueron moderados, siguiendo un comportamiento dentro de los límites habituales para este tipo de terrenos. En el tramo central del túnel, hasta el PK 1+320, los movimientos fueron superiores a lo esperado, siendo muy similares en magnitud los movimientos medidos en la nivelación de clave y los medidos en superficie. En el tramo final, con escasas coberteras y en terrenos cársticos, las subsidencias fueron extraordinariamente altas. Pese a ello, la nivelación de clave no alcanzó grandes magnitudes, dada la gran rigidez del sostenimiento ejecutado.
Medios de ejecución
Para la ejecución del presente túnel se contó con los siguientes medios:
Equipos de excavación, carga y transporte de materiales
- Retroexcavadora Volvo EC 460, equipada con martillo Atlas Copco HB 2500.
- Retroexcavadora Komatsu PC 240, equipada con martillo Atlas Copco MB 1700.
- Camión dúmper Barford SITE de 10 toneladas (dos unidades).
- Pala cargadora de orugas Liebherr LR-634
Equipos de perforación de micropilotes y bulones
- Jumbo Atlas Copco Rocket Boomer 282, con dos brazos de perforación, equipados con martillos COP 1838.
- Carro de perforación Atlas Copco ECM 660 IV.
Equipos de proyección de gunita e inyección
- Robot de proyección de gunita por vía húmeda SIKA PM500 C.
- Equipo de inyección Putzmeister S-5 EV.
Equipos auxiliares
- Manipulador telescópico giratorio Manitou MRT 1542 (dos unidades).
- Manipulador telescópico frontal Manitou MT 1740.
Ejecución del tramo carstificado con escasa cobertera
Como se comentó antes, la ejecución del túnel se realizó en sentido decreciente de PK. Así el equipo de ejecución de túnel se enfrentó, nada más empezar, con un tramo de 78 m de longitud compuesto de un macizo rocoso calizo intensamente carstificado en toda la clave del túnel, pero extraordinariamente competente en la solera. A ello se unía la escasa cobertera del túnel, alrededor de 0,65 veces el diámetro, compuesta por un material totalmente alterado (G.A. IV-V).
Este tramo se caracteriza por la presencia de frentes de excavación mixtos. La parte superior del frente, en una proporción del 66% al 20%, se compone de arcillas areno-limosas blandas de color rojizo correspondientes al litotipoElu 2. El resto se compone de calizas sanas de grado de alteración I-II, apareciendo también bolos de caliza masiva envueltos en arcillas. Dada la alteración de la roca, convirtiéndola en un material de tipo suelo, en este primer tramo difícilmente es posible obtener el índice RMR.Esta mala calidad del terreno hacía temer que se produjeran inestabilidades en el propio frente de excavación.
Las deformaciones en superficie se monitorizaban por medio de hitos de nivelación situados sobre el eje del túnel, con separación entre hitos de 5 m. Aproximadamente cada 25 m, se instalaron hitos adicionales, formando secciones transversales de subsidencia. Dada la mala calidad del terreno excavado y la escasa cobertera, desde el primer momento de la excavación, se midieron grandes deformaciones en superficie. Las deformaciones medidas al final de la excavación del túnel, se situaron entre los 60 y los 230 mm, con pérdidas de volumen situadas entre el 2,3 y el 7,8%.
Aunque la magnitud de las deformaciones era muy grande, dado que no existía ningún riesgo de afectar a edificaciones, se optó por aplicar soluciones convencionales encaminadas a asegurar la estabilidad del frente de excavación y la clave del túnel, en lugar de aplicar tratamientos intensivos del terreno. La estabilidad del frente se aseguró con la ejecución de bulones autoperforantes de 15 m de longitud en malla de un metro por un metro, machón central y sellado sistemático del frente con hormigón proyectado.
Para asegurar la estabilidad de la clave, se ejecutaron paraguas sucesivos de micropilotes autoperforantesde armadura de acero de 12 m de longitud, con una separación entre micropilotes de 35 cm. Cada paraguas sumaba un total de 40 micropilotes, ejecutándose todos ellos con el propio jumbo. El sostenimiento ejecutado se correspondía con el sostenimiento pesado de tipo II, con la sección de avance apoyada en patas de elefante.
Ejecución del tramo falla
La tectonización del contacto entre las formaciones de Arraiz (Fm 2) y Ereza (Fm 1), había dado como resultado un tramo de túnel de 30 m de longitud, donde el sustrato rocoso se encontraba intensamente fracturado y meteorizado (Elu 1). Los valores de RMR variaban entre 18 y 24 puntos, con coberteras que se encontraban en torno a 1,7 veces el diámetro de la excavación.
Las deformaciones medidas en superficie fueron mucho menores que las registradas en el tramo de túnel anterior. No obstante, se midieron deformaciones en la vertical del eje del túnel de 45 mm, con una pérdida de volumen en torno al 1,5 %.
En este caso, la cercanía de edificaciones hacía aconsejable intensificar las medidas de control de estabilidad de la clave del túnel. En este sentido, se optó por doblar los paraguas de micropilotes aumentando el solape entre paraguas y dotar a los micropilotes de válvulas que permitieran realizar inyecciones selectivas, por medio de obturador.
Ejecución de refuerzo de sostenimiento en el tramo central
En el tramo central del túnel, se excavaron areniscas calcáreas de la formación Ereza (Fm 1) meteorizadas en grados III-IV con bloques métricos aislados de areniscas sanas (GM I). En el PK 1+318, por el hastial izquierdo del túnel entra una falla subparalela a la atravesada con anterioridad en el contacto entre Arraiz y Ereza. En este caso, la alteración no es tan intensa, pero debido al trazado curvo del túnel, la falla se coge al hilo de la excavación en 60 m de longitud, volviendo a salir por el hastial izquierdo en el PK 1+258. A partir de ese punto, se excava un macizo areniscoso sin tectonizar con GM II-III.
La cobertera en este tramo es superior a los 30 m, alcanzándose la máxima cobertera del túnel (42 m). Este tramo también coincide con la zona de mayor densidad de edificaciones por encima del túnel. Exceptuando un edificio de viviendas de cinco plantas de reciente construcción y una iglesia, el resto corresponden a viviendas unifamiliares de más de 50 años de antigüedad y de construcción poco robusta.
Dada la calidad del macizo rocoso y la presencia de los edificios, la excavación se realizó bajo la protección de paraguas de micropilotes sucesivos de 15 m de longitud y 3 m de solape. La separación entre micropilotes variaba entre 35 y 50 cm. En todo el tramo, el sostenimiento de avance apoyaba en roca, por lo que se estimó que no era necesario ejecutar patas de elefante. La excavación transcurrió sin grandes contratiempos. No obstante, la auscultación instalada en el túnel empezó a señalar descensos de la clave del túnel en torno a los 45 mm. En cambio, las convergencias no indicaban grandes deformaciones, siendo la convergencia máxima en este tramo de 20 mm.
Paralelamente a este descenso de la clave del túnel, se comenzó a detectar también importantes deformaciones en superficie sobre el túnel. Las cuantías de estas deformaciones en superficie igualaban en magnitud a los descensos de clave medidos en el túnel. Las regletas de control colocadas en los propios edificios, también registraban estos movimientos. Aunque con cierto desfase temporal, los movimientos de las regletas de los edificios terminaban igualando las deformaciones del terreno medidas con los hitos de superficie.
Ante este comportamiento, se hizo un análisis numérico de la interacción entre el túnel y los movimientos registrados en superficie. Este análisis mostró la gran influencia que tenía la estructura fracturada del macizo rocoso sobre los movimientos en superficie, por lo que se decidió ejecutar un refuerzo del sostenimiento del túnel previo a la excavación de la destroza- El refuerzo se extendió en una longitud de 70 m, coincidiendo con el paso bajo las viviendas.
Se ejecutó un bulonado sistemático de bulones autoperforantes 40/20 de 9 m de longitud en malla de 1,0 x 1,0 m. Todos estos bulones se perforaron a través de los paraguas de micopilotes ejecutados en el avance. En la imagen se ve la ejecución de estos autoperforantes.
Adicionalmente, se recalzó la sección de avance por medio de micropilotes perforados en los pies del sostenimiento, con las cabezas recogidas en una viga continua de hormigón armado conectada a las cerchas. En la siguiente imagen se observan las cabezas de los micropilotes y la armadura de la viga de atado, presentada.
Una vez ejecutado el refuerzo de la sección de avance, se procedió a la excavación de la destroza, consiguiendo que los movimientos registrados en superficie fueran limitados. El refuerzo se completaba con la ejecución en la destroza de anclajes de bulones de barra corrugada ? 32 de 9 m de longitud y tesados a 20 t. En la siguiente imagen se ve la perforación de estos anclajes, también se observa la perfecta regularidad obtenida en el sostenimiento de avance reforzado y la viga de atado de hormigón armado.
Todos estos trabajos de refuerzo tuvieron que ser compatibilizados con la excavación y sostenimiento de la destroza en el resto del túnel y con la ejecución de la contrabóveda definitiva, lo cual significó una gran complejidad logística y de simultanear distintos tajos, instalaciones y equipos.
Conclusiones
La ejecución del túnel de San Mames, incluido en los nuevos accesos a Bilbao ha resultado de una gran complejidad técnica. En su excavación y sostenimiento se han utilizado prácticamente todas las técnicas de ejecución de sostenimientos de túnel:
- Ejecución de la contrabóveda definitiva acompasada con la excavación de la destroza
- Ejecución de paraguas sucesivos de micropilotes y dobles paraguas
- Ejecución de inyecciones armadas de micropilotes con inyecciones selectivas
- Ejecución de refuerzos de bulones autoperforantes a través de paraguas de micropilotes
- Ejecución de recalces de secciones de avance con micropilotes
- Ejecución de apoyos de secciones de avance con patas de elefante
- Ejecución de sostenimientos del frentes de excavación con autoperforantes
- Ejecución de anclajes tesados en el interior del túnel
Todo ello enfrentándose a grandes dificultades geotécnicas, debidas a la escasa cobertera en gran parte del túnel, la presencia de edificaciones sobre la vertical del túnel, la estructura adversa del macizo rocoso y el alto grado de tectonización y alteración del terreno en algunos tramos. A ello se unía la enorme complejidad organizativa que ha supuesto simultanear distintas fases de ejecución y excavación del túnel, ejecución de refuerzos y de contrabóvedas.
A pesar de todas estas dificultades, se ha respondido ágilmente a los altos requerimientos exigidos desde la propiedad, en especial en rendimientos de ejecución, coordinación de diversos tajos, control cualitativo y control geotécnico de la excavación, que han permitido a la postre finalizar esta obra con gran éxito.
Agradecimientos
Agradecer al equipo de Dirección de Obra de Interbiak, a la Asistencia Técnica (UTE Sarbideak), así como al Contrista principal (UTE Bentazarra) por la colaboración prestada, y felicitarles, junto al equipo de LURPELAN, por el resultado final de la obra.
