Excavación

A unque se trata de túneles muy cortos, suejecución reviste una grandísima dificultad

técnica. En efecto:• Se trata de un túnel en roca dura com-

pacta, con cobertera escasa, una zonadensamente poblada, con importantesrestos arqueológicos en la montera deltúnel. Por ello, las Especificaciones Técni-cas del contrato restringen por completoel uso de explosivos. Se trata pues de untúnel de difícil excavabilidad.

• En su vertical se ubica un sitio arqueoló-gico, lo que obliga a ejecutar el túnel enmina. Al no disponerse apenas de espa-cio en cota, ha sido necesario proyectarun túnel con un techo bajo, casi plano, locual no es geotécnicamente lo más favo-rable. Aun así, La cobertera es muy esca-sa, entre 8 y 4 m según la zona del traza-do. A pesar de la escasa montera, es ne-cesario asegurar que no se desarrolleninguna subsidencia.

• Gran sección de excavación muy grande,en torno a los 120 m2. La situación secomplica aún más, pues entre ambos tú-neles existe apenas un pilar de 5 m deroca.

• El túnel es atravesado longitudinalmentepor cuatro fallas subverticales, de espe-sor métrico-decimétrico.

En el presente artículo se detalla el procesoconstructivo y los desarrollos de proyecto quese han realizado para asegurar la ejecuciónexitosa de este proyecto.

Descripción del proyecto inicialSe trata de dos túneles paralelos de 15.80 mde ancho y 8.80 m de altura máxima, con unpilar de separación de roca entre ellos de 5.52m de ancho. La sección transversal es polielíp-tica con una bóveda bastante plana (Fig. 1).Cada túnel aloja una calzada de tres carriles de3.60 m, más una vereda peatonal de 2.40 m.La sección de gálibo libre reflejada en Planoses de 10.80 m x 5.50 m .

Como se ha indicado, el túnel es bitubo, deunos 70 m de longitud en cada sentido de cir-culación. De esta longitud, en mina se excava-rán unos 40 m, y el resto se ejecutará en FalsoTúnel. En la Tabla I se resumen las longitudesde los túneles.

A grandes rasgos, el terreno está compues-to por un macizo rocoso de Diorita, con unafracturación intensa constituida por tres fami-lias de juntas que dan lugar a bloques de for-ma aproximadamente cúbica. Se señala lapresencia de unas familias de juntas y fallas

paralelas a los ejes de los túneles muy desarro-lladas y de gran continuidad. También se seña-lan tramos de sondeo con huecos (Foto 1).

La roca matriz tiene una alta resistencia, entorno a los 100 MPa. En la Tabla II se resu-men los valores modales de los ensayos de la-boratorio para la diorita. Se trata de una rocaresistente, constituida por minerales abrasivos.

Se han detectado cuatro fallas de espesormétrico – decimétrico, subverticales, que atra-viesan el túnel longitudinalmente, lo cual supo-ne una dificultad geotécnica añadida (Foto 2).

ALDESA y PROACON desarrollan el Proyecto de los Túneles de Puruchuco y

Accesos, que consiste en la construcción de dos túneles viales paralelos

urbanos, de unos 70 m de longitud, denominados Túnel Puruchuco Norte y

Sur, ambos con una sección de excavación de 119 m2. Los túneles proyectados

se ubican en el Cerro Mayorazgo, para interconectar la circulación del tráfico

vehicular entre las Avenidas Javier Prado con Nicolás Ayllón en el distrito de

Ate, provincia y Región Lima (Perú).

El Túnel de Puruchuco: una obra urbana de gran dificultad técnica

Palabras clave: COBERTERA, EXCAVACIÓNPOR FASES, FALLA, INYECCIÓN,

REVESTIMIENTO, ROCA, SECCIÓN, SOSTENIMIENTO, TÚNEL VIAL, URBANO.

� Manuel ARLANDI (*); Mariano MORENO (**), y Antonio ALONSO JIMÉNEZ (**)

(*) TÚNELES Y GEOMECÁNICA, S.L.;(**) PROACON, S.A.

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� [Fig. 1].-SecciónTipodefinida enel ProyectoOriginal.

� [TABLA I].-Longitudesde lostúneles.

� [TABLA II].- Valores modales de los ensayos de laboratorio para la diorita.

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En el Proyecto Original, la excavación se re-aliza por fases, en pases de 3 m de longitud,siguiendo un esquema de Método Alemán:

• Fase 1: Excavación de dos galerías late-rales en avance.

• Fase 2: Excavación de las destrozas delas galerías laterales.

• Fase 3: Excavación de la calota del avance.• Fase 4: Excavación de la destroza cen-

tral.

Originalmente se preveía que el método deexcavación se basase en la ejecución de tala-dros de 1,5 m de longitud por medio de marti-llos hidráulicos de mano, en malla muy cerraday utilización de dispositivos pirotécnicos tipoPYROBLAST-C (con detonadores electróni-cos), similares en características deflagrantesa lo que podría ser una pólvora de mina.

El sostenimiento considerado en el Proyec-to Original se basa en:

• Inicialmente, ejecución sistemática de in-yecciones de consolidación de lechadaen todo el perímetro del túnel en taladrosde 3.0 m de longitud con una inclinaciónde 25º.

• Una vez excavado un pase, proyección dedos capas de hormigón proyectado con fi-bras (1000 Julios), cada una de 5 cm.

• Aplicación de bulones ϕ 25 mm de 4.5m de longitud con resina, distanciados 2m entre sí.

• Bulones pasantes ϕ 25 mm en la zonade pilar entre ambos túneles, enroscadosen ambos lados.

Una vez calado y excavado todo el túnel,con un sostenimiento de 10 cm de shotcrete ybulones, se aplicaría el revestimeinto, formado

por cerchas reticulares de acero distanciadas1080 mm entre ejes, 22 cm de hormigónbombeado, y como acabado final una capa deshotcrete de 3 cm. En la zona del arco supe-rior del túnel (calota), se utiliza chapa tipo Ber-nold como encofrado perdido del hormigónbombeado, mientras que en la zona inferior deltúnel (riñones), se añaden dos paños de mallade acero electrosoldado, debiéndose encofrarcon paneles para poder verter el hormigónbombeado.

Como puede apreciarse, en la idea del Pro-yecto Original, existe un momento crítico, justoantes de comenzar la colocación del revesti-miento, en el cual los dos túneles está excava-dos y sostenidos tan solo por 10 cm de shot-crete.

Desarrollo del proyectoCon el fin de optimizar el proceso constructivodel túnel y mejorar su seguridad, se decidiódesarrollar una serie de modificaciones en elProyecto Constructivo Original, en colabora-ción con la empresa TÚNELES Y GEOMECÁ-NICA S.L.

En la ejecución de los túneles de Puruchu-co confluyen factores geométricos, geotécni-cos y de afección al entorno que es preciso te-ner muy presentes a la hora de optimizar elmétodo de ejecución.

Entre los factores geométricos, destaca lagran sección de los túneles (en torno a los 120m2 de excavación) ya que debe albergar trescarriles por calzada y una amplia vereda pea-tonal. Como se ha comentado, los gálibos ver-ticales interiores de los carriles de 5.5 m, obli-gaba al proyectista a diseñar una sección detúnel muy ancha y con un techo muy aplana-do. La existencia de este techo plano implica

un riesgo claro de descompresión de la clavedel túnel y que el hormigón quede sometido aimportantes esfuerzos a tracción, por lo que elriesgo de fisuración de la clave es muy alto.

En segundo lugar, la cobertera de los túne-les apenas alcanza los 8 m, existiendo tramosimportantes del trazado, donde la coberterano llega a los 4 m. Hay que tener en cuentaque en el Proyecto Original se han diseñadounos soportes que incluyen bulones de acerocorrugado de 4,5 m de longitud. Esto implicaque en una parte importante del trazado, losbulones instalados en el interior del túnel so-bresaldrían de la superficie. Además, el maci-zo rocoso está muy descomprimido, con lasdiaclasas bastante abiertas. Este factor, juntoa la eventualidad de que los bulones pudieransobresalir en superficie, se conjuntan para ha-cer temer que el sistema de bulonado plante-ado sea ineficaz.

En efecto, la ejecución de los túneles impli-ca que durante el tiempo que transcurre des-de la excavación de un nuevo tramo de túnel,hasta el momento en el que se instalan los bu-lones, no hay ninguna fuerza de soporte queestabilice las cuñas y bloques de roca quegravitan en la clave del túnel. Únicamente elrozamiento existente entre los labios de lasdiscontinuidades se opondría a la caída de es-tos bloques.

Ahora bien, esta fuerza de rozamiento esdirectamente proporcional a las tensiones ho-rizontales a las que están sometidos los labiosde las diaclasas. Si esta tensión horizontal espequeña o incluso es negativa al ser de trac-ción, y por tanto no queda ninguna fuerza quese oponga a la caída del bloque. Se formaránsobre-excavaciones sistemáticas en clave quepueden progresar hasta superficie, durante la

Excavación

� [Foto 2].- Fallas presentes en el trazado del túnel. En total el túneles atravesado por cuatro fallas de estas características.

� [Foto 1].- Aspecto del macizo rocoso donde se excavará el Túnel. Seaprecia una roca sana, pero con fuerte fracturación, y a la presenciafallas con caja triturada de 1 – 0,5 m de espesor.

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Excavación

excavación, sin haber dado siquiera tiempo ainiciar la instalación de los bulones.

Los reconocimientos geotécnicos realiza-dos hasta el momento, han detectado la pre-sencia de una serie de fallas de rumbo parale-lo a los ejes de los túneles. Seguramente, es-tas fallas precisarían la colocación de cerchasmetálicas para evitar inestabilidades en los tú-neles. No obstante, con el método de ejecu-ción que se describe en los Planos del Proyec-to Original, la colocación de las cerchas reticu-lares se demora hasta la finalización de la ex-cavación de los túneles, formando parte del re-vestimiento y no del soporte. Entre tanto, elperímetro de los túneles estaría únicamentesoportado por los bulones y por 10 cm deshotcrete. Esto supone un alto riesgo, aconse-jándose la instalación de las cerchas reticulareslo antes posible.

Otro factor a considerar es que en la su-perficie del túnel se localizan restos arqueoló-gicos. Por esta razón, no es aconsejable utili-zar un sostenimiento flexible, como el definidoen el Proyecto Original, siendo aconsejableque el sostenimiento se instale cuanto antes yque además fuera lo más rígido que fuera po-sible para reducir al mínimo la deformación dela roca.

Como respuesta a esta problemática relata-da respecto a los sostenimientos del ProyectoOriginal, se plantea un desarrollo del mismoque empleando los mismos elementos de so-porte considerados en el Proyecto Original, re-suelve todos estos inconvenientes, y posibilitala ejecución del túnel con mayor rapidez y se-guridad. Este desarrollo, se basa en:

• Ejecución previa de paraguas de micropi-lotes en la clave del túnel. Estos micropi-lotes estarán preparados para aplicar latécnica de la inyección mediante tubomanguito.

• Supresión de los bulones en bóveda, queson sustituidos por los micropilotes.

• Aplicación de bulones horizontales parareforzar el pilar central de separación en-tre ambos túneles.

• Adopción de un método de excavacióncon fases similares a las empleadas en elMétodo Belga.

• Colocación de las cerchas inmediatamen-te después de la excavación, en lugar deretrasar su aplicación a la fase final de re-vestimiento.

La primera medida, paraguas de tubomanguito, supone conjugar la técnica depresostenimiento de los paraguas de micro-pilotes con la inyección de tratamiento dediaclasas. De este modo, se cierran con ce-mento las fracturas que hubiera en el macizorocoso, aumentando su resistencia. Por otrolado, las posibles cuñas o bloques de roca

que aun así se pudieran formar en clave es-tarían sostenidas por los micropilotes deacero, antes de comenzar la excavación deltúnel.

El cambio al método de ejecución Belga,no supone más que una modificación en el or-den de ejecución de las fases del túnel, peropermite adelantar al máximo la colocación delas cerchas reticulares previstas que son lasque dan rigidez al soporte, disminuyen el ries-go de inestabilidades al atravesar fallas y dismi-nuyen las deformaciones del macizo rocoso(Fig. 2).

Los bulones en el pilar central de separa-ción entre túneles, permitirán confinarlo, au-mentando la estabilidad estructural de ambostúneles.

El proceso optimizado de aplicación delsostenimiento (Fig 3), es el siguiente:

1) Nada más concluir la excavación delpase, aplicación de una capa de 50 mm deshotcrete reforzado con fibra metálica, parasellado del terreno.

2) Colocación de la cercha reticular de ace-ro con 1080 mm de separación entre ejes decerchas.

3) Colocación de una capa de mallazo elec-trosoldado, tipo 8 x 100x100 mm, pegada a lacapa de shotcrete de sellado.

4) Aplicación de una capa de shotcrete de220 mm de espesor que cubriría totalmente lacercha.

5) Colocación de la segunda capa de mallaelectrosoldada de Ø 8 mm y 100x100 mm deretícula

6) Aplicación de bulones pasantes Ø 25mm en la zona de pilar entre ambos túneles,enroscados en ambos lados.

7) Aplicación de la última capa de shotcre-te de 80 mm de espesor, una vez finalizada laejecución del túnel.

8) Para obtener una terminación igualada,suave y pulida, esta última capa de shotcretese fratasearía manualmente en la altura co-rrespondiente a la vereda peatonal, para darun mejor acabado al paramento.

Para comprobar la idoneidad de las modifi-caciones propuestas en el método constructi-vo, se ha recurrido a la realización de cálculosde diferencias finitas que modelizan completa-mente el terreno del túnel, en tres dimensio-nes, incluyendo su superficie. Son modelosmuy complejos, poco habituales en la prácticade la ingeniería de túneles, pero necesariosdada la complejidad del túnel. Estos modelosaportan la máxima fidelidad de cálculo posiblecon el actual estado del arte (Fig. 4).

� [Figura 3].- Secuencia optimizada de colocación del sostenimiento

� [Figura 2].-Esquema defasesmodificadopara el túnel.

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Los modelos realizados, simulaban tambiénlas fallas detectadas, en su ubicación real, talcomo se muestra en el gráfico de la Fig. 5.

En la Tabla III se resumen los parámetrosintroducidos en el modelo para cada uno delos litotipos simulados.

Métodos y fases de ejecuciónCon las modificaciones derivadas del desarro-llo del proyecto, el proceso constructivo que seemplea es el expuesto en las Fig. 6.

Para la ejecución de este túnel se disponede la siguiente maquinaria en obra:

• Carro de perforación, que se encargaráde perforar y colocar los micropilotes y los bu-lones horizontales del pilar central.

• Una retroexcavadora dotada de martillodemoledor.

• Una pala cargadora para desescombro, y

camiones dúmperes pa-ra llevarlo a vertedero.

• Un equipo de pro-yección de shotcrete.

La excavación se rea-liza con retroexcavadoradotada de martillo de-moledor. Para facilitar sutrabajo, el carro perfora-dor realiza perforacionesque se rellenan de ce-mentos expansivos, demanera que se consiguerealizar un cuele inicial, apartir del cual el martillode la retroexcavadorapuede trabajar con ma-yor facilidad. ��

� [Figura 4].- Modelo de diferencias finitas. Se modelizacompletamente todo el terreno donde se ejecutará el túnel.

� [TABLA III].- Parámetros del modelo para cada uno de los litotipos simulados.

� [Fig. 6].- Proceso constructivo empleado.

� [Figura 5].- Modelo de elementos finitos de las cuatro fallasinterceptadas por los túneles.

� [Figura 2].-Esquema defasesmodificadopara el túnel.

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