BIT Noviembre 200422

HITOS tecnológicos

New Austrian Tunnelling Method (NATM)

Las profundidadesde la innovación

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Por Marcelo Casares(texto Metro Línea 4) y

Héctor Salazar,Ingeniero Civil (texto La Pólvora).

Mientras en la superficie la ciudad con-

tinúa con su ritmo habitual, en las pro-

fundidades avanza la construcción de tú-

neles utilizando innovadoras metodo-

logías como se observa en el proyecto

Camino La Pólvora y en un tramo de la

Línea 4 del Metro.

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ción secuencial de segmentos parciales de la sección trans-versal de un túnel, seguida cíclicamente de la instalacióninmediata de un revestimiento primario temporal que combi-na el uso de hormigón proyectado reforzado con mallas ofibras metálicas, pernos de anclaje, marcos metálicos y/obarras de refuerzo, otorgando al terreno un confinamientosuficiente para que éste pueda participar activamente en lafunción portante (*). Desde sus inicios el NATM destacó porinnovación y por permitir el desarrollo de nuevos proyectosque se caracterizan por su economía, flexibilidad y rapidez.En Chile la aplicación del NATM comenzó en los ’90, y en laactualidad hay dos proyectos emblemáticos que utilizan estemétodo: Metro Línea 4 (Santiago) y Camino La Pólvora(Valparaíso).

Metro Línea 4

La relación entre Metro S.A. y el sistema NATM lleva susaños, ya en 1994 se aplicó por primera vez esta metodolo-gía para la construcción de un túnel bajo el ParqueBustamante. Aunque en aquella oportunidad se cumplieronlas expectativas, en los posteriores proyectos la ejecucióndel NATM fue evolucionando. «Los diseños y procedimientoshan tenido un acelerado avance, por ejemplo hoy se cons-truyen en subterráneo no sólo las interestaciones sino tam-bién las propias estaciones, con secciones del orden de los160 metros cuadrados», afirma Vicente Acuña, gerente deProyectos de Metro. La estrategia que se ha seguido en laLínea 4 y en otros proyectos (Cumming, El Parrón y La Cister-na, y Patronato y Cerro Blanco*) consiste en partir de unsitio expropiado previamente. A continuación se construyeun pique lateral que más tarde servirá de acceso a la estaciónpropiamente tal, pero que durante la faena es el punto departida de una galería de acceso ortogonal al eje del traza-do. Por el pique se extrae el material de la excavación tantode la galería de acceso como del propio túnel estación.

La innovación no siempre se observa a simple vista. Enalgunas ocasiones actúa a varios metros de profundidad,por ejemplo permitiendo la construcción de un túnel sin alte-rar el normal desarrollo de una ciudad. Esto ocurre en laaplicación en nuestro país del New Austrian TunnellingMethod - Nuevo Método Austríaco de Túneles (NATM), unmétodo de diseño y construcción surgido en Europa en lasegunda mitad del siglo XX y que consiste en una excava-

Ejecución de obras en los túneles del nuevo proyecto de laLínea 4 del Metro. Estaciones Tobalaba y Bilbao.

(*) Más información BIT 29, página 53.www.revistabit.cl

T r a m o s T u n e l a d o L í n e a 4

Tramos Constructora

Vitacura - Tobalaba C. I . LColón Sigdo KoppersBi lbao - Sánchez Fonteci l la CON PAX TECSAPríncipe de Gales - Simón Bol ívar D.P.S.P laza Egaña - Francisco Vi l lagra O.H.L.Los Orientales - Grecia Ferrovial Agroman-Besalco

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En la actualidad el NATM se emplea en la nueva Línea4 del Metro en la construcción subterránea de túneles yestaciones mediante la excavación previa de piques y ga-lerías, en el tramo comprendido entre Tobalaba y Grecia,con ocho estaciones y una extensión cercana a los 8 kiló-metros. La elección de este sistema se basa en las propie-dades mecánicas del terreno de esta zona aptas para esetipo de construcción. El suelo de Santiago en el área perte-neciente a la cuenca del Mapocho está constituido por unhorizonte superficial de terreno alterado de 1 a 3 metros,seguido de gravas arenosas correspondientes a la llamadasegunda depositación del río Mapocho, de un espesor va-riable entre 5 y 7 metros y, bajo éste, una grava areno-arcillosa denominada primera depositación.

Al elegir la construcción de un túnel para un proyecto,resulta casi impensable aplicar otra metodología que nosea el NATM. «Antiguamente el metro se construía a tajoabierto, cerrando grandes avenidas y excavando con talu-des, destruyendo totalmente las calles. Hoy la comunidadno habría aceptado el desarrollo de un proyecto bajo esascondiciones. Otra alternativa serían los sistemas basadosen máquinas tuneleras, que son eficientes en ciudades eu-ropeas que presentan características de suelos que permi-ten alcanzar altos niveles de eficiencia. Por ejemplo, el sue-lo de Madrid no tiene una sola piedra, en donde se obtie-nen velocidades extraordinarias en el avance del túnel. Peropara las condiciones de nuestro suelo, muy cohesionado,la mejor solución es el NATM», explica Acuña.

Hormigón y monitoreo

En el sistema NATM aplicado en la Línea 4 destaca elaprovechamiento de las características del hormigón proyec-tado para el sostenimiento primario y también de termina-ción (secundario) en los túneles de estación, que pueden lle-gar a un ancho de 17 metros y una altura de 12 a 13 me-tros. Esto requiere de un diseño de ingeniería de alto nivel,incluyendo especificaciones técnicas particulares y métodosconstructivos especiales, más un riguroso control de calidady el seguimiento permanente de la obra.

Dado que el hormigón proyectado es el material básicopara esta aplicación se optimizaron sus características másrelevantes, tales como resistencia a edad temprana, permeabi-lidad y aditivos plastificantes y acelerantes entre los que des-taca el uso de fibra en la dosificación. Asimismo, los aspec-tos de técnicas de aplicación han debido ser mejorados in-corporando equipos adecuados altamente automatizados,porcentaje de pérdida por rebote, capacitación al personaly avanzadas técnicas de control de calidad.

Otro de los aspectos centrales de la obra es el monitoreode deformaciones tanto de las secciones de túnel en su inte-rior, como también en la superficie y edificios cercanos, quese realiza con instrumental topográfico y de medición detensiones en los revestimientos de túneles terminados, lo quetambién resulta esencial para aprovechar adecuadamentelas características del suelo. Para conseguir esto, los mode-los predictivos para la interacción entre el suelo y la estructu-ra están basados en elementos finitos, que consideran losparámetros de mecánica de suelos y las etapas de construc-ción del túnel, entregando estimaciones de los esfuerzos ge-nerados en la estructura misma y de la deformación interiory en superficie.

También sobresale en este sistema el diseño de las esta-ciones subterráneas de paso, en el cual se ha logrado unacompleta integración entre los procedimientos constructivosy la funcionalidad de la estación. Así se tiene que el pique

H O R M I G Ó N P R O Y E C T A D O

En el proyecto Metro de la L ínea 4 se ut i l iza hormigón pro-yectado (shotcrete) por vía húmeda, s is tema que se def i -ne, como el procedimiento mediante el cual todos los com-ponentes del hormigón, incluida el agua, son transporta-dos mediante aire comprimido (f lujo diluido) o bien mediantebombeo (flujo denso) hasta la boquilla de salida.En este caso la razón agua cemento debe ser infer ior a0,5, si tuación que incide directamente en la resistencia finalde la mezcla, así como en la efect iv idad del acelerante,dentro de los primeros minutos. El tamaño máximo del ári -do debe ser del orden de los 8 mm. Por las exigencias deresis tencias mecánicas a cor ta edad, en las mezclas deshotcrete, normalmente se ut i l izan cementos de al ta resis -tencia en dosis que sobrepasan los 380 ki los de cementopor metro cúbico. La trabajabi l idad o f luidez de la mezclapara un sis tema de proyección debe estar por sobre los18 cm, medidos en el cono de Abhrams.

M á s i n f o r m a c i ó n :P r o d u c t o s A l i v a , e m p r e s a p e r t e n e c i e n t e a S i k a .w w w . s i k a . c l

Vicente Acuña,gerente de Proyectos deMetro.

Alejandro Albertz,ingeniero administrador

de obra de Tecsa.

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bió enfrentar algunos desafíos en las profundidades, comoseñala Alejandro Albertz, ingeniero administrador de obrade Tecsa: «El terreno no es uniforme en todo el trayecto deltúnel, por ejemplo nos encontramos con napas, en espe-cial, porque estamos al lado del canal San Carlos, un acue-ducto de mampostería muy antiguo y que obviamente tienefiltraciones. Además, enfrentamos fugas de alcantarilladosy de matrices de agua potable». El profesional plantea quecuando ocurren goteos no se originan mayores inconve-nientes, pero sí cuando se incrementa el caudal de la filtra-ción y hay escurrimientos de barro. En este último caso segeneran atrasos en la obra (que pueden superar el mes),pues para extraer el agua y el lodo se requieren maquina-rias y sistemas de bombeos que causan serios inconvenien-tes al interior del túnel.

Otro de los desafíos que podría enfrentar el NATM,pero que no se dio en este tramo, es que en la clave, laparte superior, haya sólo piedras y un bajo contenido dearcilla y tierra. En ese caso se produce un desprendimientode terreno de consecuencias insospechadas. «En nuestraobra es muy difícil que ocurra una situación así, ya que seaplica rápidamente el hormigón proyectado y el grado deavance (2 metros) no ocasiona grandes traumas. Además,se hace un permanente monitoreo de deformaciones al in-terior túnel y en la superficie», agrega Albertz.

Las cualidades del sistema NATM están a la vista, yaque hace posible el desarrollo de las obras casi sin pertur-bar las actividades normales de la ciudad. Entonces, sepuede vislumbrar una larga vida de esta metodología en elpaís. «El NATM aporta un alto grado de innovación a laconstrucción de túneles en Chile. Es una tecnología que sepuede aplicar en obras de colectores de aguas lluvias ytúneles viales, entre otros. En los próximos proyectos delMetro se analizará la naturaleza del terreno, de los traza-dos y se escogerá el mejor método constructivo. Pero encaso de optar por túneles, sabemos que con el NATM po-demos atravesar la ciudad casi sin causar inconvenientesen la comunidad», concluye Vicente Acuña.

Camino La Pólvora

En el nuevo Camino La Pólvora (Figura 1), que formaparte de una solución vial al acceso sur al puerto deValparaíso, se unen condiciones especiales pues se encuen-tran barreras naturales como los cerros de la ciudad y lascaracterísticas particulares de construcción urbana, con susimplicaciones técnicas, ambientales y sociales. Este pro-yecto incluye la construcción de tres túneles por el sistemaNATM, cuyas longitudes alcanzan los 310, 440 y 2.200metros respectivamente. Los dos primeros se encuentran ter-minados en el proceso de excavación y soporte, y el másextenso presenta un grado de avance del 70%, siendo mayo

Maqueta del PiqueTobalaba que incluye

galería y túnel(Metro Línea 4).

necesario para la aplicación del método NATM constituyeposteriormente el núcleo de locales técnicos y de operaciónde la estación, y la galería se transforma en el puentemesanina.

La economía es otra de las variables fundamentales deesta metodología. La ejecución de túneles se efectuóexcavando con maquinaria común (retroexcavadoras), y lafortificación inmediata con hormigón proyectado (shotcrete)y armadura convencional (malla y barras comunes). Dadala calidad del suelo, de grava fluvial muy cohesionada quepermite buenos rendimientos en excavaciones, ha resultadoinnecesaria la utilización de onerosos y sofisticados equi-pos de amplio uso en otros países, como los TBM o «topos»,realizando estos trabajos a costos muy razonables.

Desafíos bajo tierra

Un dato interesante del proyecto fue que Metro decidiódistribuir en seis contratos la construcción de los 8 kilóme-tros de túnel. «Se dividió el trazado en seis tramos equiva-lentes, cada uno corresponde a una licitación independien-te, y tenemos de 10 a 12 empresas participando deltunelado. Optamos por esta fórmula porque nos permite unaconstrucción más rápida y un mejor control del avance decada tramo», señala Acuña.

El contrato correspondiente al tramo Bilbao - SánchezFontecilla fue adjudicado a la constructora Tecsa, se tratade la ejecución de un túnel de 1.600 metros. La obra grue-sa se concluyó recientemente y actualmente se están hacien-do las terminaciones con plazo de entrega final fijado paraseptiembre del 2005.

La aplicación del NATM en este tramo cumplió con lasexpectativas del proyecto original, en cuanto a beneficiosen ejecución y en costos reducidos. Además, se lograronritmos de avances sumamente eficientes: entre dos y tresmetros cada 24 horas.

Como todo sistema constructivo, el NATM también de-

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del 2006 el plazo de entrega para la obra completa.La decisión de emplear este método de tunelado se basa

en los beneficios de su uso en condiciones de geología com-pleja, en cercanía de zonas urbanas, con túneles de geo-metría y longitudes variables. Además, considerando algu-nos rasgos de la obra como profundidades del orden de los90 metros y la necesidad de pasar por debajo de una ciu-dad pintoresca como Valparaíso, declarada Patrimonio dela Humanidad, era imposible emplear otros métodos detunelado como el «tajo abierto», y opciones como las má-quinas tuneladoras no resultaban rentables para las longitu-des de los túneles de este proyecto.

Ante este escenario, el NATM constituye un sistema quereporta beneficios en costos y plazos de construcción. Laaplicación del NATM en el Camino La Pólvora se desarrollóen cuatro fases: Diseño conceptual, Anteproyecto, Proyectode ingeniería e Ingeniería de detalle.

Diseño conceptual

En esta etapa se seleccionó y confirmó el trazado de lavía y los túneles, con el respaldo de abundante informaciónpara confeccionar un presupuesto preliminar. Entonces seprocedió a trazar el objetivo y la verificación del diseñoconceptual. Luego se definió el espectro de trazados alter-nativos y selección del trazado preferido, la caracteriza-ción geotécnica basada en información geológica ehidrogeológica y la validación del proyecto con relación aaspectos de impacto ambiental, considerando la influenciaen el régimen de agua subterránea, asentamientos urba-nos, ruidos, vibraciones, contaminación con polvo, entreotros. Finalmente, se realizó la estimación preliminar decostos y el programa previo de construcción.

Anteproyecto

Se desarrolló para la obtención de la aprobación porparte de las autoridades con relación a aspectos legales. Aesto siguió la ejecución de ensayos de laboratorio sobremuestras de roca y suelo para efectuar un pronósticogeotécnico e identificar las características típicas delsubsuelo, incluyendo la definición de parámetros geotécnicospara cálculos. Otros aspectos relevantes de esta fase fue-ron la identificación del emplazamiento de portales, posi-bles accesos intermedios y piques de ventilación; diseñopreliminar de estructuras exteriores y sostenimiento de talu-des; desarrollo de secciones típicas de cavidades subterrá-neas; selección de métodos de excavación; y definición ydistribución de tipos de soporte del macizo.

A continuación se analizaron las medidas de imper-meabilización; los requerimientos de operación y seguri-dad (ventilación, combate de incendios, iluminación, comu-nicaciones y controles, entre otros); y definición de aspec-tos logísticos de la obra.

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Proyecto de ingeniería

Se detallaron los trabajos para contar con un cálculominucioso de costos de construcción y elaboración de do-cumentos contractuales. Además, se diseñaron las estructu-ras y se revisaron el pronóstico geotécnico, el diseño demedidas de sostenimiento, la distribución de clases de sos-tenimiento y las medidas auxiliares de construcción. En eldiseño de detalle se incluyó una descripción de todas lasobras del proyecto para lograr la elaboración de los túne-les en forma económica y estructuralmente seguros.

Figura 2

Sección Tansversal del Túnel Principal

Figura 3

Túnel con iluminación, ventilación y sistemas de seguridad

0,15BOVEDA

BANCO

2-2,25 m.

SECCIONESC. 1:125

A- -

0,15BOVEDA

BANCO

2-2,25 m.

Pernos en Bóveda(Sistemáticamente)

L-4.0 m.

Pernos en Banco(Localmente)L-3.0-4.0 m.

Ajuste de la separación entre pernos,

la longitud de éstos y su orientación

Figura 4

Ajuste y Optimización del sostenimiento

Figura 5

Análisis estructural Túneles La Pólvora

2

6666

2

6666

4

3

7

5

Ingeniería de detalle

En esta etapa destaca el ajuste y optimización perma-nente del diseño a los requerimientos particulares de exca-vación y sostenimiento seleccionados para la construcción,y a las condiciones geológico / geotécnicas encontradas adiario en cada avance de excavación (Figura 2).

Aquí cobran gran relevancia los planos de diseño paraconstrucción que contemplan replanteo, armadura, listadode barras y planos de fabricación. En general, para túnelesen roca los métodos de diseño estructural y de estabilidadgeotécnica son analíticos y numéricos, confirmándose laestabilidad del túnel en el frente e instalándose detrás delrevestimiento primario uno secundario de hormigón mol-deado con espesor uniforme, que garantiza la estabilidada largo plazo.

Figura 1

Ubicación del ProyectoCamino La Pólvora

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En túneles de poca tapada como en el caso de los de LaPólvora, el diseño estructural se basa en cálculos com-putacionales (Figura 3) y análisis del monitoreo (Figura 4),para economizar el diseño (Figura 5).

Una de las premisas del NATM en la construcción de lostúneles del proyecto La Pólvora es que durante la obra seactualiza constantemente el modelo geológico/geotécnicopropuesto en el diseño. Para esto se siguen cuatro pasos enforma sistemática con el fin de lograr una construcción se-gura, rápida y económica:

Paso 1: Determinación del «Tipo de macizo», sobre labase del chequeo de parámetros geotécnicos en el frentemediante la clasificación geotécnica de Bieniawsky.

Paso 2: Determinación del «Tipo de comportamientogeomecánico del macizo», sobre la base de observacionesen obra y del monitoreo (tensiones, modo de deformaciónde la cavidad, mecanismos de falla, resultados de sondajesde exploración en el frente). Se efectúa la determinación deltipo de comportamiento geomecánico del macizo para elsiguiente módulo de avance de excavación.

Paso 3: Determinación de la Excavación y la Fortifica-ción, sobre la base de las indicaciones del Programa Bási-co de Construcción. Las condiciones del macizo deben serchequeadas permanentemente con el pronóstico; se deberevisar permanentemente el modelo geológico/geotécnico.Los datos adicionales obtenidos en obra son la base parala determinación de las medidas de excavación y fortifica-ción a ser adoptadas.

Paso 4: Verificación del comportamiento del sistema conlos requerimientos previstos, sobre la base del monitoreo;siempre que existan diferencias entre el comportamiento pro-nosticado y el evidenciado en la realidad, deberán revisarselos parámetros y criterios mediante los que se ajusta el «tipode macizo» y «tipo de comportamiento geomecánico delmacizo». La optimización y ajuste se decide adicionando odisminuyendo elementos de sostenimiento y ampliando o re-duciendo las longitudes de avance. B

www.metrosantiago.cl

www.vialidad.cl

La aplicación en nuestro país del Nuevo Método Austr

íaco de Túneles (NATM) permite la construcción de

túneles de manera más económica, flexible y rápida.

El NATM, que consiste en una excavación seguida de

la inmediata instalación de un revestimiento primario

temporal, actualmente se está aplicando con éxito en

un trayecto de la nueva Línea 4 del Metro y en el

Camino La Pólvora en Valparaíso.

en s ín te s i s

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