CONSIDERACIONES PARA LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES FERROVIARIOS EN ENTORNO URBANO

RAFAEL RODRÍGUEZ GUTIÉRREZ, LUIS UBALDE CLAVER ADIF, INECO-TIFSA

RESUMEN

El acceso sur de la Línea de Alta Velocidad Madrid – Barcelona – Frontera Francesa a la Estación de Sants de Barcelona supone la construcción de más de 6 km de túnel en entorno urbano. La adaptación de las obras al medio urbano ha comportado la elección de diferentes métodos constructivos, bajo criterios de seguridad de las obras y de continuidad de los servicios de transporte afectados. Todo ello, que no está exento de un plazo de tiempo concreto para la compleción de la nueva infraestructura, genera una dificultad técnica con problemas que no aparecen en la construcción de túneles en entornos naturales o rurales. El proyecto y el proceso constructivos de un túnel ferroviario en un entorno urbano han de tener en consideración el ensamblaje de la nueva infraestructura con los servicios y las redes de transporte que afecta, tanto en su estado final como en cada una de las fases intermedias de la obra; y se ha de asumir la obra como un vecino más del barrio en el que se emplaza, sujeto a las obligaciones recogidas en la Declaración de Impacto Ambiental. 1. INTRODUCCIÓN El acceso de una línea de ferrocarril al centro de una ciudad conlleva en muchos casos la construcción de túneles, que pueden ser de gran longitud y tener gran repercusión en el medio en el que se emplazan. Ciertamente, la construcción de un túnel es una obra compleja, desde el punto de vista de la ingeniería, ya que tiene que garantizar la estabilidad de la estructura y debe minimizar las afecciones (limitación de subsidencias, mantenimiento de las condiciones de los acuíferos, etc.) en un medio, el terreno, que presenta una elevada incertidumbre y heterogeneidad. En el caso concreto de los trabajos en zona urbana, la complejidad de las obras aumenta al tener mucha mayor gravedad cualquier movimiento que sobrevenga en el terreno, porque se pueden producir afecciones a edificios, redes de servicios e infraestructuras de transporte existentes; y también aumenta la complejidad al haber limitaciones de espacio, de emisiones de ruido y polvo, más restrictivas que las habituales en una zona rural. A pesar de estas dificultades, la movilidad urbana se canaliza en gran medida mediante los servicios de metro, que están fuertemente asociados con redes extensas de túneles bajo calles y edificios. Por otra parte, en Europa, el futuro del transporte entre las grandes ciudades pasa inevitablemente por la planificación de accesos ferroviarios de altas prestaciones a sus centros urbanos o a sus nodos de conexión con las redes locales. Valga como paradigma la reciente puesta en marcha de un servicio de alta velocidad de dos horas y cuarto entre Gare du Nord de París y Saint Pancras International de Londres. En algunos casos se dispone de corredores de acceso en superficie, pero en otros casos, como sucede en Barcelona, la alta densidad de infraestructuras en un mismo corredor, constreñido por la trama urbana, obliga a construir un acceso subterráneo para el ferrocarril de alta velocidad.

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Por lo tanto, se entiende que las necesidades futuras de movilidad dentro de la ciudad, y entre la ciudad y su entorno pueden ser atendidas en gran medida mediante transporte ferroviario. Ello conduce a construir nuevos túneles y a buscar soluciones frente a las dificultades añadidas de trabajar en un entorno urbano. Sobre este aspecto, este documento pretende aportar consideraciones, que han tenido aplicación en las obras del acceso sur de la Línea de Alta Velocidad Madrid – Barcelona – Frontera Francesa a la Estación de Sants de Barcelona. 2. EL ACCESO SUR DE LA LÍNEA DE ALTA VELOCIDAD A LA ESTACIÓN DE SANTS DE BARCELONA La construcción de la infraestructura de la Línea de Alta Velocidad Madrid – Barcelona – Frontera Francesa, entre Sant Joan Despí y la Estación de Sants de Barcelona, se halla dividida en cuatro tramos, que discurren a través del Parc Agrari del Baix Llobregat y a lo largo del corredor de la línea ferroviaria existente Barcelona – Vilanova i la Geltrú. En el plano de la figura 1 se describe gráficamente el trazado de las obras.

Figura 1. Plano de entrada a Barcelona de la línea de alta velocidad: detalle de los tramos comprendidos entre Sant Joan Despí y Sants; y mención de nuevas infraestructuras de la red convencional asociadas a las obras.

Línea existente Barcelona – Vilanova i la Geltrú

Soterramiento de línea convencional en El Prat Nuevo viaducto

de la línea convencional

En relación con el primer tramo, tramo I Sant Joan Despí – Sant Boi, el proyecto consiste principalmente en la ejecución de un viaducto sobre el nudo viario de la C-245 y el río Llobregat (870 m de longitud); y en la ejecución de un túnel artificial en el Parc Agrari del Baix Llobregat, bajo los nudos viarios de la C-32 (C-31C y C-32) y la B-22.

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El tramo II Sant Boi – L’Hospitalet comienza con el cruce de la línea de alta velocidad por debajo de la autovía de Castelldefels (C-31) y la línea ferroviaria Barcelona – Vilanova i la Geltrú. En las inmediaciones del centro urbano de El Prat, tanto la línea de alta velocidad como la línea de cercanías discurren en túnel y comparten una estación de interconexión, que ha de tener 4 vías de ancho de 1668 mm y 4 vías de ancho de 1435 mm. Las vías de las dos líneas emergen y cruzan el río Llobregat mediante sendos viaductos de 212 m de longitud aproximadamente. El soterramiento de las dos líneas en el Prat (línea convencional existente y línea de alta velocidad) se ejecuta mediante muros pantalla de 0,80 a 1,00 m de espesor, con solera plana y cubierta prefabricada consistente en placas o vigas, llegando a ejecutarse algunos tramos de cubierta mediante losa in situ. Se completa esta estructura con tratamientos del terreno, concretamente “Jet Grouting”. El tramo III L’Hospitalet – La Torrassa tiene su inicio a la altura de Can Tunis, en el llamado “lado mar” del corredor ferroviario, ocupando una franja de terreno correspondiente a las dos vías que quedaron sin servicio y otra franja de terrenos de la avenida de Vilanova. En gran parte de este tramo, la línea de alta velocidad es subterránea mediante un falso túnel entre pantallas. Existen puntos singulares de cruce con infraestructuras en servicio que obligan a soluciones singulares: puente de la Gran Vía (pantallas laterales de micropilotes y “Jet Grouting”); túnel de Ferrocarrils de la Generalitat de Catalunya (túnel en mina, ejecutado desde dos frentes de trabajo); y colector Torrente del Lloró (túnel en mina). La obra comporta la remodelación de las siguientes estructuras: paso inferior de la carretera del Mig, paso inferior de la avenida del Carrilet, paso inferior de la calle Santa Eulàlia, pasos inferiores peatonales de Bellvitge y del Carrilet, y pasarelas peatonales de la estación de Bellvitge, Campoamor y Ponsich. El tramo IV La Torrassa – Sants se ha proyectado completamente cubierto, bien en túnel de nueva construcción (1850 m), bien bajo el soterramiento existente que actualmente oculta las vías de la red convencional en su acceso a la estación de Sants (219 m). El trazado en planta se halla encajado en el corredor ferroviario actual, muy constreñido por los condicionantes urbanísticos. En planta, el nuevo túnel comienza en el “lado mar” de la curva de La Torrassa, ocupando una franja de terreno correspondiente a las dos vías de la red convencional que quedan sin servicio. Desde dicha curva hasta aproximadamente la intersección con la Ronda del Mig, la línea de alta velocidad cruza por debajo de las vías de las líneas de Vilafranca y Vilanova. La entrada a la Estación de Sants queda situada, por tanto, en el “lado montaña”, y a la misma cota que las vías de la red convencional. La alteración de las vías de las líneas convencionales de Vilafranca, Aeropuerto y Vilanova en su entrada a Sants se describe en los esquemas simplificados de la figura 2. En la tabla 1 se resumen algunos datos relevantes de cada uno de los tramos. Tabla 1. Características relevantes de los tramos de entrada de la línea de alta velocidad en Barcelona.

Tramo Longitud total

(m) Longitud en viaducto (m)

Longitud en túnel (m)

Tipo de entorno

Sant Joan Despí-Sant Boi 4096 870 2356 RuralSant Boi-L’Hospitalet 3737 212 1851 UrbanoL’Hospitalet-La Torrassa 2724 0 2324 UrbanoLa Torrassa-Sants 2069 0 2069 Urbano

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Figura 2. Esquemas de las modificaciones de las vías de la red convencional en su entrada a la Estación de Sants por el Sur. La llegada de la línea de alta velocidad a la Estación de Sants comporta una remodelación integral del vestíbulo y de la playa de andenes. De la situación original de 12 vías con andén, se va a pasar a disponer de una estación de 14, siendo 8 de ellas de ancho de 1668 mm (ubicadas en el “lado mar”) y las 6 restantes de ancho de 1435 mm. Las obras de la Estación comportan trasladar los servicios de cercanías desde las vías del “lado montaña” a las del “lado mar”, afectando a la estructura básica del edificio, ya que con la nueva configuración de vías se deben reubicar pilares existentes. Todo ello se está efectuando manteniendo sin interrupción el servicio ferroviario. 3. PARÁMETROS DE DISEÑO DE LOS TÚNELES FERROVIARIOS Uno de los parámetros fundamentales de un túnel es su sección. El valor de este parámetro, en el caso del ferrocarril, está ligado en gran medida con el gálibo de los vehículos y con fenómenos aerodinámicos (dentro de un túnel aumenta la resistencia al avance que experimenta un tren y se generan aumentos de presión). En la alta velocidad los fenómenos aerodinámicos son determinantes y obligan a grandes secciones (por ejemplo, para velocidades de 350 km/h, se han diseñado túneles de 100 m2 de sección libre), de tal manera que la relación entre la sección del tren y la del túnel sea lo más reducida posible. Sin embargo, en los túneles ferroviarios en un entorno urbano, aun formando parte de una línea de alta velocidad, generalmente la velocidad de circulación está por debajo de los 120 km/h, dada la proximidad respecto a alguna de las estaciones de la línea. Por ello, en estos casos, el factor determinante es el del gálibo, tanto para permitir el paso de los trenes como para alojar las instalaciones ferroviarias y las zonas necesarias de paso, que garanticen la evacuación en caso de emergencia. Bajo este planteamiento se ha diseñado la sección del túnel de la línea de alta velocidad en su entrada sur a la Estación de Sants. Concretamente la sección del túnel en mina es de 60 m2 (véase su representación gráfica en la figura 3).

VILAFRANCA

VILANOVA AEROPUERTO

SERVICIO

ESTACIÓN SANTS

VILAFRANCA

VILANOVA

Vías convencionales.- Situación original

ESTACIÓN

SANTS

Vías convencionales.- Situación intermedia

ESTACIÓN

SANTS

VILAFRANCA

VILANOVA

Vías convencionales.- Situación final

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Merece la pena destacar que la sección de un túnel de carretera de varios carriles por sentido, para una misma capacidad de transporte, será siempre superior a la de un túnel ferroviario, por la necesidad de mayor ventilación y por la mayor anchura de su plataforma.

Figura 3. Sección del túnel de la línea de alta velocidad en su acceso sur a la Estación de Sants de Barcelona. 4. ELECCIÓN DEL SISTEMA DE EJECUCIÓN DEL TÚNEL Existen muchos métodos para la realización de túneles urbanos. En la actualidad ha proliferado el uso de las tuneladoras, pero no por ello se han dejado de utilizar métodos más tradicionales como son el “método belga” o la construcción de túnel entre pantallas. La longitud del túnel y su profundidad, las condiciones geológicas, la proximidad a edificios y estructuras, y los servicios afectados condicionan el método a escoger. Ciertamente, por proximidad a las edificaciones, se deben descartar procesos constructivos que impliquen vibraciones importantes, como son los métodos consistentes en pilotes hincados o excavación por voladuras. Los métodos que se empleen han de minimizar los movimientos del terreno, evitando asientos o vibraciones que afecten a los edificios próximos a las obras. Además de este condicionante, deben tenerse en cuenta las limitaciones de espacio, tanto en lo que concierne a los accesos y las zonas de trabajo como en lo que concierne a las zonas de acopio de material. Con carácter ilustrativo se muestra en la figura 4, la zona de trabajo del falso túnel entre pantallas de la Línea de Alta Velocidad Madrid – Barcelona – Frontera Francesa, a su paso por L’Hospitalet. Se puede comprobar la acumulación de pantalladoras y grúas en una

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franja estrecha de terreno delimitada por bloques de viviendas, por una parte, y por las vías de la Línea Barcelona – Vilanova i la Geltrú, por la otra. Estas condiciones de trabajo afectan a la logística de la obra, especialmente a la movilidad de la maquinaria entre los distintos tajos de obra.

Figura 4. Obras de construcción de la Línea de Alta Velocidad Madrid – Barcelona – Frontera Francesa a su paso por L’Hospitalet. En el caso de la construcción de un túnel en mina, el entorno urbano limita el número de rampas y pozos de acceso a construir, y por tanto, limita también el número de frentes de ataque del túnel, afectando al plazo de ejecución y condicionando el método constructivo elegido. Para el rendimiento de la obra es deseable disponer de accesos en rampa (figura 5), pero en muchos casos, por falta de espacio no hay más alternativa que construir un pozo, lo que tiene las siguientes implicaciones:

• Limitación del tamaño de maquinaria para el desarrollo de la obra (figura 6). • Encarecimiento del transporte por realizarse a través de extracción vertical, que resulta

más lenta (figura 7).

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Figura 5. Rampa de acceso al túnel en mina de La Torrassa de la Línea de Alta Velocidad Madrid – Barcelona – Frontera Francesa.

Figura 6. Máquina de perforación e inyección de “Jet Grounting” trabajando dentro de un pozo.

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Figura 7. Izado de material mediante grúa en un pozo. Ha de tenerse en cuenta que la dificultad para encontrar grandes solares donde realizar acopio de materiales puede condicionar determinantemente el proceso constructivo. Por ejemplo, la utilización de una tuneladora necesita para ser viable extensas zonas de fabricación y acopio de dovelas, aparte de los pozos de ataque. Además de las limitaciones de espacio, debe considerarse que los accesos a la obra se realizan a través del viario de la ciudad (en algunos casos en zonas muy concurridas y de calles estrechas). Ello puede obligar a limitar el tamaño de los vehículos o incluso a regular el tráfico para entorpecer lo mínimo posible la circulación existente (figura 8). Por supuesto, este aspecto debe ser analizado en el momento de decidir el método constructivo.

Figura 8. Regulación del tráfico junto a la entrada a obra del túnel en mina de La Torrassa de la Línea de Alta Velocidad Madrid – Barcelona – Frontera Francesa.

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La convivencia de las obras con las redes de transporte público se ve afectada, lo que apremia a condicionar los horarios de tal manera que la afección sea mínima y a reducir en lo posible los plazos de ejecución. Esto, sin duda, comporta un importante esfuerzo de coordinación y aumenta los recursos técnicos y humanos que deben emplearse en la obra. A modo de ejemplo, se puede exponer el corte de vía producido en la vía 2 de la Línea Barcelona – Vilafranca del Penedès, en la salida de la Estación de Sants de Barcelona entre el 28 de julio y el 11 de septiembre, para poder construir los pilotes correspondientes al túnel de alta velocidad en una longitud aproximada de 300 m. El reducido plazo disponible y la exigencia de garantías plenas de disponer nuevamente de la vía suprimida en una fecha concreta ha obligado a incrementar la maquinaria utilizada en obra. En la figura 9, se puede apreciar la situación correspondiente al corte de vía, quedando únicamente 3 vías en servicio: 2 de la Línea Barcelona – Vilanova y 1 de la Línea Barcelona – Vilafranca (las vías que aparecen en la parte derecha corresponden a la Línea 1 de Metro).

Figura 9. Vista general de la entrada a la Estación de Sants desde el Sur. Se aprecian las Líneas de Barcelona – Vilanova (dcha.) y Barcelona – Vilafranca (izq.), junto a las obras de la Línea de Alta Velocidad. También se puede ver la Línea 1 de Metro. Otro aspecto que no debe pasar desapercibido es el que atañe a las redes de servicios (gas, telefonía, electricidad, abastecimiento de agua, saneamiento, etc.). Las afectaciones sobre la red de saneamiento obligan a la construcción de nuevos colectores y a la ejecución de colectores provisionales mientras los nuevos no entran en servicio (figura 10). Asimismo, las obras suponen

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un considerable consumo de agua y electricidad; y se ha de velar para que tal consumo no altere el suministro a los ciudadanos.

Figura 10. Hinca de tubería para la formación de nuevo colector. El antiguo queda afectado por la traza del túnel. Con las consideraciones expuestas, se deduce que la elección de un método constructivo de túnel en un entorno urbano pasa necesariamente por un análisis complejo, que ha de tener en cuenta múltiples factores. En muchos casos cabe apostar por la excavación mediante tuneladora, especialmente en túneles de gran longitud, donde se puede justificar la inversión que la máquina, sus instalaciones auxiliares y sus accesos requieren. No obstante, en otros casos debe optarse por otras soluciones, que deben tener siempre como máxima prioridad el garantizar la mínima afectación al terreno. En el caso de la Línea de Alta Velocidad Madrid – Barcelona – Frontera Francesa, los métodos constructivos empleados en los túneles de acceso desde el sur a la Estación de Sants son mayoritariamente el “método belga” y el falso túnel entre pantallas. Con el primer método se controla exhaustivamente la geología del frente y los hastiales, mediante avances de pequeña profundidad e inmediata entibación. La utilización de este método permite tener la bóveda permanentemente apuntalada antes de hormigonarla, minimizando de este modo los asientos en superficie (figura 11).

Figura 11. El “método belga” permite un control exhaustivo del frente. Debido a su rápida entibación mientras se excava minimiza los asientos en superficie.

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Asimismo, la construcción de un falso túnel entre pantallas es también un método que ofrece una alta seguridad y es deseable cuando se dispone de espacio en superficie (figura 12). Antes de excavar el túnel se construyen las estructuras de hormigón armado que han de sostener las tierras, por lo que no hay frentes abiertos de terreno sin proteger. De esta manera, se minimiza la posibilidad de que haya movimientos en el terreno. El método de excavación entre pantallas es un método muy utilizado en las ciudades, como sucede por ejemplo en la construcción de aparcamientos públicos subterráneos.

Figura 12. Construcción de un falso túnel entre pantallas en la Línea de Alta Velocidad Madrid – Barcelona – Frontera Francesa, en L’Hospitalet. Los túneles entre pantallas interceptan gran cantidad de servicios y afectan la circulación en superficie. Se trata de un método rápido (especialmente con el uso de hidrofresadoras como la que aparece en la figura 13), pero que involucra un gran movimiento de tierras.

Figura 13. Hidrofresadora para la construcción de un falso túnel entre pantallas en la Línea de Alta Velocidad Madrid – Barcelona – Frontera Francesa. En los túneles en mina, puede ser aconsejable efectuar actuaciones de refuerzo previas a la excavación. En este sentido, destacan los tratamientos de “Jet Grouting”. Mediante estos tratamientos se pueden crear recintos estancos que envuelven el túnel. De esta manera, en suelos

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de baja calidad con niveles freáticos altos, se pueden evitar las filtraciones de agua y el arrastre de finos, a la vez que se consolida el terreno. 5. CONTROL DE LOS EFECTOS SOBRE EL MEDIO La construcción de túneles en entornos urbanos ha de estar acompañada necesariamente de una rigurosa auscultación del terreno, especialmente en lo que concierne a edificios e infraestructuras existentes. El diseño de esta auscultación ha de ser dinámico de tal manera que en función del comportamiento del terreno (básicamente, la velocidad de sus deformaciones) se atenúen o se intensifiquen las mediciones. En la tabla 2 figuran la periodicidad aconsejable de las mediciones de acuerdo con los movimientos que se detectan en la auscultación. Tabla 2. Periodicidad aconsejable de mediciones en la auscultación del terreno y de edificios junto a las obras de construcción de un túnel.

En el caso de las obras de la Línea de Alta Velocidad en Barcelona y su entorno metropolitano, se ha optado, en las zonas más críticas, por controlar los movimientos del terreno de forma continua mediante sistemas de auscultación robotizados. Concretamente, estos sistemas se han aplicado tanto en fachadas de edificios (figura 14) como en la superestructura ferroviaria de las líneas de cercanías ubicadas encima del túnel del ferrocarril de alta velocidad (figura 15). Su precisión se detalla en la tabla 3.

Figura 14. Sistema CYCLOPS de auscultación automática para control de movimientos de fachadas de edificios.

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Figura 15. Sistema CYCLOPS de auscultación automática para control de movimientos en la superestructura ferroviaria de las líneas de cercanías de Barcelona. Tabla 3. Características del sistema CYCLOPS de auscultación automática.

Rango-alcanze 5 - 150 mPrecisión distancia 1mm + 1ppmPrecisión angular 0,5" de arco

Precisión 1mm @ 100mTipo medida X,Y, Z (3D)

Teodolito automatizado

Sistema CYCLOPS

Los trabajos de auscultación anteriormente comentados se complementan con inspecciones a los edificios, tanto en lo que respecta a sus fachadas como respecto al interior de las viviendas y locales. Antes de iniciar las obras, se procede a caracterizar el estado inicial, para posteriormente efectuar un seguimiento particularizado para cada caso. A todo ello, se ha de sumar el control de los acuíferos próximos a la zona de excavación. En una obra subterránea y longitudinal, como es un túnel, deben considerarse las variaciones en los niveles piezométricos. Deben minimizarse dichas variaciones para evitar que se produzcan asientos en zonas donde haya cimientos de edificios. Con este propósito se ha de diseñar adecuadamente el túnel para reducir el efecto barrera. Con carácter ilustrativo, se presenta en la figura 16 el esquema de los drenes transversales que se han construido en los túneles de la Línea de Alta Velocidad a su paso por el Prat de Llobregat. Asimismo, se deben preservar los acuíferos protegidos. No deben producirse vertidos en ellos y se ha de evitar que la excavación del túnel comunique distintos acuíferos situados a distinta profundidad. Para ello, se debe recopilar y analizar la información geológica e hidrogeológica necesaria, y elaborar modelos teóricos que posteriormente se corroboren con datos medidos en los piezómetros.

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Figura 16. Dren transversal para evitar el efecto barrera de las pantallas del túnel de la Línea de Alta Velocidad a su paso por El Prat de Llobregat. Por otra parte, los trabajos de excavación deben ser compatibles con las limitaciones de contaminación acústica establecidas para cada franja horaria. Ello puede obligar, especialmente cuando se deben realizar trabajos nocturnos, a tomar medidas adicionales como la ejecución de pantallas acústicas o la combinación de estaciones transformadoras con grupos electrógenos para disminuir el ruido que los segundos generan. En los entornos urbanos adquiere especial preponderancia el problema de las emisiones de polvo y de limpieza de las calles. Es necesario contar con captadores de partículas con que se pueda seguir el cumplimiento de los límites establecidos en las Declaraciones de Impacto Ambiental (figura 17).

Figura 17. Captador de partículas de polvo.

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6. CONCLUSIONES La realización de un túnel en un entorno urbano tiene unas peculiaridades propias que la diferencian respecto a la ejecución de un túnel en un entorno rural o natural. Los métodos constructivos han de escogerse siguiendo criterios de máxima garantía de la estabilidad del terreno, evitando movimientos y vibraciones. Han de tenerse en cuenta los condicionantes de espacio y accesibilidad, y las limitaciones de ruido y emisiones de polvo. Las obras deben hacerse compatibles con los servicios existentes y deben alterar lo mínimo posible las redes de transporte. Todo ello hace que se tengan que disponer más recursos y que la planificación sea mucho más estricta. En los entornos urbanos, la auscultación del terreno es una pieza esencial e irrenunciable; y, si es preciso, se debe acompañar de inspecciones a edificios y estructuras para garantizar en todo momento la seguridad y la funcionalidad. La incertidumbre que genera la heterogeneidad del terreno ha de ser paliada con un elevado grado de control.