Sociedad Mexicana deIngeniería Geotécnica, A.C.

XXVI Reunión Nacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica

Noviembre 14 a 16, 2012 – Cancún, Quintana Roo

Caso historia de los túneles de conexión entre cuatro lumbreras, construidos en suelos arcillosos al Norte del Valle de México

Case history of four shafts connected with tunnels in Mexico city clay deposits

Clemente PANIAGUA-CALDERÓN1, Arturo ZAVALA-QUEZADA2, Juan Jacobo SCHMITTER-MARTÍN DEL CAMPO1, José Luis RANGEL-NÚÑEZ3 y Enrique IBARRA-RAZO4

1Ingenieros Civiles y Asociados2Comisión Nacional del Agua

3UAM-Azcapotzalco4Ingeum Ingeniería

RESUMEN: Se presenta el análisis, diseño y comportamiento de los túneles de interconexión de una Estación de Bombeo localizada al Norte del Valle de México. Los túneles de conexión entre las lumbreras son de sección en herradura, de 6.12m de diámetro equivalente, y longitud variable entre 14 y 67m. Estos túneles cortan suelos arcillosos y limo-arenosos del Valle de México, bajo condiciones de carga piezométrica media pero con fracturamiento intenso preexistente. Dada las condiciones del subsuelo, los túneles fueron planeados para construirse con tratamiento del suelo previo a la excavación mediante sustitución por jetgrouting o pilas; sin embargo, dichos mejoramientos, si bien fueron realizados exitosamente, solamente pudieron aplicarse de manera parcial, por lo que se requirió de un procedimiento convencional alterno. En este artículo se presenta el procedimiento convencional alterno, su análisis, diseño e implementación constructiva, así como el comportamiento de dichos túneles durante las diferentes etapas de construcción.

ABSTRACT: The analysis, design and behaviour of tunnels interconnecting shafts of a Pump Station located at North of the Mexico City Valley is presented. The tunnels are horseshoe-section of 6.12m equivalent diameter and length variable between 14 and 67m. These tunnels cut typical clay deposits of the Mexico City Valley, under mean piezometric load and with intense fracturing preexisting. Given the ground conditions, these tunnels were planned to be constructed with soil treatment prior to excavation. However, such improvement, although it was made successfully, could be applied only partially, so that it took a conventional tunnelling procedure. This paper presents the analysis, design and implementation of the tunneling process, and the behavior of these tunnels during different stages of construction.

1 INTRODUCCIÓN

La planta de bombeo “El Caracol” se localiza en el Municipio de Ecatepec, en el Estado de México (Fig 1.1), y tiene como función distribuir el desalojo de aguas residuales y pluviales de la Cuenca del Valle de México, elevando las aguas provenientes del Río de la Compañía del Dren General del Valle y del Río de los Remedios, hacia el Gran Canal de Desagüe.

En general, la Planta de Bombeo está integrada por una Lumbrera de Rejillas (LR), dos Lumbreras de Cárcamos (LC1 y LC2), un Túnel de Conexión entre la lumbrera L-5 del TEO y la LR y dos Túneles de Conexión entre las lumbreras LR y LC1 y LC2, como se muestra en la Fig 1.2.

Las lumbreras de los cárcamos tienen un diámetro de 20m, mientras que las de rejillas y la L-5 de 16m. El túnel de conexión es circular de 5m de diámetro en su terminado final, pero de forma de herradura en su sección de excavación, con una

altura y ancho de excavación de 6.13 y 6.12, respectivamente y su eje a 45.3m de profundidad, (Fig 1.3).

La longitud máxima del túnel entre los cárcamos y la rejilla es de 14.28m, mientras que entre la rejilla y la lumbrera L-5 existe una distancia de 67.3m.

Es importante resaltar que en principio se contemplaba mejorar el terreno para construir los túneles de conexión, sin embargo esto fue parcialmente posible en los primeros 17m a partir de la lumbrera de rejillas (mejoramiento con pilas y jet-grouting), pero en el tramo restante no existía acceso al lugar para llevar a cabo dicho mejoramiento.

Asimismo, en la periferia de la lumbrera L-5 existe una zona de sustitución del terreno de 2m de ancho mediante pilas.

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Pozo de bombeo

Estación piezométricaSondeo SPT

NOMENCLATURA

Mejoramiento con pilas

Mejoramiento con jetgrout

CARCAMO 1

CARCAMO 2

REJILLAS

L-5

REJILLAS CARCAMO 1

LUMBRERA LUMBRERA

L-5

LUMBRERA

45.3m52.9m

58.4m

20m

D=5mD=5m

D=16mD=16m67.3m 14.3m

2 Caso historia de los túneles de conexión entre cuatro lumbreras construidos en suelos arcillosos al Norte del Valle de México

Figura 1.1 Localización de la Planta de Bombeo El Caracol, Google 2011

Figura 1.2. Planta y corte general de la Planta de Bombeo El Caracol

En este artículo se presenta la estrategia de análisis y diseño de dichos túneles, su proceso constructivo y su comportamiento durante construcción. Una característica sobresaliente de este proyecto, es la complejidad geométrica de la conexión entre las estructuras y el tuneleo en suelos arcillosos preconsolidados y fisurados.

2 CONDICIONES GEOTÉCNICAS

A partir de la campaña de exploración realizada así como de la información geotécnica disponible, se elabora el modelo geotécnico de los túneles de conexión. Resalta la similitud estratigráfica encontrada en los sondeos de exploración geotécnica complementarios realizados durante construcción en las cercanías de las lumbreras de rejillas y de la L-5 del TEO, en cuanto a la ubicación de las unidades estratigráficas al nivel del túnel; sin embargo, existen diferencias en las propiedades mecánicas principalmente en las unidades que cruza el túnel.

Figura 1.3 Geometría transversal del túnel de conexión

En general y hasta la profundidad explorada se encontraron suelos lacustres y aluviales, formando cinco unidades estratigráficas principales, a saber:

Arcilla y limo de alta plasticidad (1A a 1C). De 0 a 26.5m se observa la serie arcillosa superior (CH), presentando muchos lentes duros (L1 a L3). El nivel de aguas freáticas que se encuentra en esta unidad es colgado y se ubica a 13m de profundidad, con abatimientos parciales de las presiones de poro.

Limo arenoso de color gris verdoso (2A y 2B). De 26.5m a 38m se presenta un limo MH, con lentes de arena fina negra y de ceniza volcánica, con un número de golpes a la penetración estándar mayor de 50. Entre los 26.5m y 31.5, el suelo tiene una consistencia dura, por lo que se dificulta su excavación con equipo convencional. Esta unidad presenta abatimientos importantes de la presión de poro.

Arcilla limosa de color gris verdoso (3A y 3B). De 38m a 43m, existen depósitos de arcillas limosas fisuradas, donde el número de golpes a la penetración estándar promedio es de 45; sin embargo, entre 38 y 40m se presenta una arcilla muy blanda, con un número de golpes promedio de 6. Este estrato es muy importante desde el punto de vista de tuneleo ya que se localiza muy cerca de la clave del túnel, teniendo cohesiones bajas y está fisurado.

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Lumbrera L-5

Planta de Bombeo

6.12

3.05

3.08

4.82

6.13

2.5

3.05

0.1

Línea A

Línea B

(sólo poner primer autor, ver ejemplo) APELLIDO Inicial del nombre et al. 3

Arcilla limosa dura (4). Entre 43 y 49m de profundidad, que es prácticamente donde se excavará el túnel, se presenta una arcilla dura con valores promedio de la penetración estándar de 40. Si bien esta unidad es buena para el tuneleo, este puede dificultarse dado que se presentan lentes de arena permeables en la parte inferior del túnel que pueden aportar agua y causar inestabilidad local en caso de no controlar el bombeo de la zona adecuadamente. Asimismo, al igual que la unidad 3, esta arcilla presenta un fisuramiento semivertical por lo que tiende a romperse en bloques de hasta 1m de altura. Este fisuramiento puede provocar infiltraciones de agua hacia el túnel de manera local.

Arcilla limosa de color gris claro (5). De 49 a 59m se presentan intercalaciones de arcilla y limos de color gris claro y café claro. En los primeros 5m del estrato se encuentran arcillas de consistencia dura, con un número de golpes promedio de 40, pero en algunos estratos delgados localizados debajo de los 54m el número de golpes puede bajar a 10. Es importante señalar que entre 49 y 50m de profundidad se localiza un estrato arenoso saturado el cual puede causar problemas de inestabilidad del fondo de la excavación.

Los túneles de conexión se ubican entre las profundidades de 42 y 49m, por lo que cortarán las unidades 3B y 4, que son arcillas limosas duras y muy duras fisuradas, aunque cerca de la clave se tiene una arcilla blanda (3A), que puede generar problemas de inestabilidad local en la clave del túnel; asimismo, cerca del piso del túnel se tiene un estrato de arena saturado, que como se comentó previamente, puede provocar inestabilidad del fondo de la excavación si no se drena adecuadamente.

Analizando la variación del número de golpes a la penetración estándar y los valores de las propiedades mecánicas obtenidas del muestreo inalterado, se observa un descenso ligero de los valores de dichas propiedades en dirección hacia la lumbrera L-5 del TEO, principalmente en los estratos 3A y 3B. Este aspecto tiene influencia en el diseño geotécnico principalmente en el proceso constructivo. En la tabla 2.1 se indican los valores de las propiedades mecánicas asignadas a cada unidad estratigráfica, que se emplean en los análisis geotécnicos.

Para el caso de los túneles de conexión entre las lumbreras de rejillas y los cárcamos, los valores de la cohesión no drenada de los estratos 3A y 3B cambian a 110 y 150kN/m2, respectivamente.

Otro aspecto que se debe considerar en el comportamiento de los estratos arcillo limosos ubicados a la profundidad del túnel, es el agrietamiento que presentan. En efecto, este tipo de suelo tiende a romperse en bloques limitados por caras planas, con dimensiones hasta de 1m.

3 ANÁLISIS GEOTÉCNICOS

Para el análisis del procedimiento constructivo y soporte primario de los túneles de conexión entre la lumbreras L-5 y de rejillas, y de rejillas con los cárcamos se emplean dos métodos: en principio el Método de Simplificado de Estabilidad de Túneles (MSET, Tamez, et al, 1997) a fin de tener una visión general del proceso constructivo, y posteriormente se emplea el Método de Elementos Finitos 2D (MEF) a fin de detallar el diseño tanto del proceso constructivo como de las condiciones de trabajo del revestimiento primario y secundario de los túneles.

Tabla 2.1 Propiedades mecánicas de las unidades estratigráficas del túnel de conexión lumbreras de rejillas y L-5 del TEO

Siendo: el peso volumétrico; cu la cohesión no drenada determinada con pruebas triaxiales; Eu el módulo de elas-ticidad no drenado y la relación de de Poisson.

En el análisis con el MEF se consideran las siguientes etapas a fin de tomar en cuenta el proceso constructivo del túnel:

i. Generación de los esfuerzos geoestáticos considerando el abatimiento de las presiones de poro.

ii. Abatimiento del nivel de aguas freáticas a 2m por debajo del piso del túnel a fin de excavar y colocar el soporte en condiciones secas.

iii. Excavación de la sección superior del túnel con avances de 1.0m y la colocación del soporte primario. Esta secuencia, excavación y colocación de soporte se realiza hasta el final del túnel (longitudes totales de 14.23m y 67.3m). La longitud de excavación se representa en el análisis numérico a través de la estrategia Mstage indicada en el programa PLAXIS, donde la carga en el modelo se aplica por pasos.

iv. Banqueo. Se excava la sección inferior del túnel con avances de 2.0m y se coloca el

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Estrato Profundidad Eu cu Ko de - a (m) (kN/

m³) (kN/

m2) (-) (kN/m2)

(grad) (-)

Relleno 0.0 2.0 16.0 10,000 0.35 20 30 0.6 1A 2.0 12.0 12.5 8,000 0.45 50.4 0 0.82 L1 12.0 13.5 13.0 22,000 0.35 220 0 0.54 1B 13.5 16.5 12.6 3,330 0.45 33.3 0 0.82 L2 16.5 19.5 13.2 18,000 0.35 18.4 0 0.54 1C 19.5 20.5 12.1 4,166 0.45 83.1 0 0.82 L3 20.5 22.5 12.9 15,000 0.35 100 0 0.54 1D 22.5 26.5 14.5 13,000 0.45 14.3 20 0.82 2A 26.5 31.5 12.7 21,052 0.4 181.5 0 0.67 2B 31.5 38.0 15.0 30,000 0.4 200 0 0.67 3A 38.0 40.0 13.2 15,000 0.45 100 0 0.82 3B 40.0 43.0 13.2 22,500 0.45 130 0 0.82 4 43.0 49.0 16.0 30,000 0.4 200 0 0.67 L4 49.0 50.0 14.9 30,000 0.35 20 30 0.54 5A 50.0 51.0 13.2 22,500 0.45 150 0 0.82 L5 51.0 55.0 15.9 17,575 0.4 210 0 0.67 5A 55.0 56.1 12.3 22,500 0.45 150 0 0.67 5B 56.1 60 15.9 17,575 0.4 210 0 0.67

4 Caso historia de los túneles de conexión entre cuatro lumbreras construidos en suelos arcillosos al Norte del Valle de México

respectivo soporte de la excavación. También se emplea la estrategia Mstage para representar el proceso constructivo en el modelado numérico

Es importante comentar que el revestimiento primario empleado para el soporte del túnel está formado por una capa de concreto lanzado y arcos metálicos, por lo que su trabajo en conjunto se modela mediante un espesor de revestimiento equivalente, considerando la suma de sus rigideces kT=kc+ks.

Resultados. El análisis con el MSET indica que los factores de seguridad, tanto del frente como el general, son bajos, en algunos casos menores que la unidad, y al considerar el ataque a media sección los valores de dichos factores son aceptables, entre 1.5 y 2; sin embargo, en el caso del túnel de conexión Rejillas-Lumbrera L5, los factores de seguridad siguen siendo bajos, razón por la cual se recomienda considerar el mejoramiento del subsuelo o alternativamente emplear un sistema de protección del frente de la excavación mediante el refuerzo del frente con anclas pasivas de fibra de vidrio o de acero y la colocación de una bóveda paraguas en la clave del túnel.

El análisis del refuerzo del frente de excavación con anclaje pasivo considera que la capacidad de dicho anclaje se diseña en función del valor del empuje activo presente en el suelo más un factor de seguridad. Dado que este anclaje se coloca en el frente de excavación, a medida que el frente avanza la longitud activa de dicho anclaje va disminuyendo y por tanto también el empuje que puede aplicarse a través del anclaje pasivo.

Por su parte, los resultados del MEF indican también condiciones de riesgo durante la construcción. En la Fig 3.1 se observa que la etapa constructiva que produce el mayor desplazamiento total es cuando se realiza el banqueo.

El desplazamiento total de esta etapa es de 10.6cm. El desplazamiento total inicial previo a la colocación del revestimiento (etapa 1), genera un desplazamiento ligeramente menor, de 7.1cm.

Debido a que el desplazamiento máximo acumulado durante todo el proceso constructivo del túnel es del orden de los 17cm, aproximadamente, la excavación de la sección superior representa un 41% de la total, y el banqueo el 59%. Respecto a las zonas plastificadas generadas alrededor del túnel, se observa que son amplias y cerca de generar zonas de falla franca.

Dado que se observan zonas de plastificación importantes generadas alrededor del túnel, es recomendable emplear un sistema de protección contra la falla del frente y de las paredes durante el proceso constructivo como el recomendado anteriormente.

Figura 3.1 Desplazamientos totales en cada etapa de excavación y colocación del soporte

4 PROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVO

Con base en los análisis geotécnicos el proceso constructivo propuesto es:

i. Abatimiento de las presiones de poro ii. Instalación de la bóveda paraguas de 3m de

longitud ubicada en la zona de clave del túnel abarcando un perímetro con una proyección de 90º.

iii. Ataque de la media sección superior con avances de excavación sin soporte de 0.8m. Para la colocación de la rastra se realizan excavaciones locales con una longitud no mayor de 1m (coyoteras). El ataque de la media sección se realiza dejando un prisma frontal de suelo.

iv. Colocación del revestimiento primario de la sección superior formado por marcos de acero (IPR 8”x5 ¼”-31.3kg/m) @1m, con una capa de 20cm de espesor de concreto lanzado (f’c=400 kg/cm2) reforzado con fibras metálicas (DRAMIX ZP-305, 40kg/m3) y una malla electrosoldada 6x6-6/6.

v. Repetir las etapas iii y iv hasta concluir la excavación superior. Se cuidará que el traslape entre los sistemas de bóvedas paraguas consecutivas sea de 1m.

vi. Banqueo. Iniciará el banqueo del túnel una vez que se haya concluido con la colocación del revestimiento primario en toda la sección superior, conectado con la lumbrera de cárcamos, construido el sistema de drenes semiverticales en el piso de la sección superior del túnel, y en caso dado drenes horizontales

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(sólo poner primer autor, ver ejemplo) APELLIDO Inicial del nombre et al. 5

en la sección inferior, y haber alcanzado la estabilización franca de los desplazamientos del soporte ya instalado. El banqueo se realizará con avances de 2m.

vii. Colocación del revestimiento primario del túnel en la sección inferior formado por marcos de acero (IPR 8”x5 ¼”-31.3kg/m) @1m, con una capa de 20cm de espesor de concreto lanzado (f’c=400 kg/cm2) reforzado con fibras metálicas (DRAMIX ZP-305, 40kg/m3).

viii. Repetir las etapas vi y vii, hasta terminar el túnel.

ix. Colocación de revestimiento secundariox. Construcción de la trabe de borde

Para el caso del túnel de conexión entre las lumbreras de rejillas y la L-5, donde se tienen factores de seguridad bajos, es necesario proteger el frente de excavación con un sistema de anclas de fricción pasivas, adicional a la bóveda paraguas.

5 COMPORTAMIENTO OBSERVADO DURANTE CONSTRUCCIÓN

El comportamiento observado durante la construcción de los túneles de conexión puede calificarse como exitoso ya que las convergencias que se midieron, con valor máximo de 6mm, son menores a las determinadas en el diseño, del orden de los 3cm. En la Fig 5.1, se presenta una sección instrumentada del túnel de conexión entre la lumbrera de rejillas y la lumbrera L-5 del TEO. Se observa que inicialmente se logra una estabilidad temporal del soporte, con valores del orden de 2mm, y posteriormente se activa la deformación del soporte al llevar a cabo el banqueo del túnel.

Figura 5.1. Ejemplo de las mediciones de convergencia realizadas con prismas ópticos en el túnel de rejillas hacia la lumbrera L-5.

Un punto interesante a observar es el efecto benéfico que las lumbreras preconstruidas tuvieron en la estabilidad de los túneles de conexión. En efecto, los tramos de los túneles cercanos a las

lumbreras mostraron mayor estabilidad que el resto del túnel.

Asimismo, es importante comentar que se presentaron casos aislados donde se observaron caídos locales en el techo y desplazamientos súbitos del suelo en el túnel de conexión rejillas – lumbrera L-5. Estos desprendimientos que fueron generados principalmente por fisuramiento existente en la arcilla que fue activado por el proceso constructivo.

Finalmente, es conveniente comentar que durante la última etapa de construcción de los túneles se presentó un sismo importante, el cual no generó daño alguno ni en los soporte de los túneles o lumbreras, ni en el terreno propiamente.

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-3.0

-2.0

-1.0

0.0

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3.0

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6.0

7.0

01-fe

b-12

21-fe

b-12

12-m

ar-1

2

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br-1

2

21-a

br-1

2

11-m

ay-1

2

31-m

ay-1

2

Milímetros

DISTANCIA 1-2

DISTANCIA 2-3

DISTANCIA 1-3DIFERENCIAS DE 4-5

INICIO DE EXCAVACION SECCION

INFERIOR