AUSCULTACIÓN

AUSCULTACIÓN DE TÚNELES

1. INTRODUCCIÓN

En los túneles ejecutados a poca profundidad, como son los túneles de Metro y galerías de servicio en áreas urbanas, o en los tramos iniciales, próximos a emboquilles hechos con escasa montera, en los túneles en general, la excavación introduce una alteración en el estado inicial del terreno, que lleva consigo la generación de movimientos en la roca próxima, a fin de restablecer el equilibrio tensional del suelo.

Los desplazamientos del terreno tienen un carácter aproximadamente radial, hacia el centro del túnel , y, según su magnitud, pueden originar deformaciones peligrosas para los edificios o instalaciones situados en la superficie de terreno. Estos movimientos radiales dan lugar a asentamientos en superficie, así como a movimientos horizontales, que constituyen el fenómeno llamado subsidiencia. Los asientos en superficie, producidos de esta manera, pueden llegar a medirse en decímetros.

El movimiento de un punto de la superficie del terreno, se inicia días antes de que el frente llegue a su vertical, momento en que el asiento puede estar entre el 10 y el 50% de su valor máximo, valor que alcanzará semanas después, y, en algunas ocasiones, meses después.

Los desplazamientos finales dependen de gran cantidad de factores, como son:

Sección del túnel y montera existente

Características del terreno

Presencia de agua

Proceso constructivo. (Uso o no de escudos, presurizados o no, hueco que queda entre la excavación y el revestimiento, velocidad de avance, desfase de las inyecciones de contacto, deformabilidad del sostenimiento, etc.)

En la práctica, la medida de los asentamientos superficiales se mide a través de la “pérdida de suelo”, o área de la cubeta de asientos, es decir, la superficie comprendida entre la posición inicial y final de la superficie del terreno, expresando esta medida como un porcentaje de la sección del túnel. (Realmente no es cierto que toda la pérdida de sección del túnel se convierta en una pérdida de suelo, pues, al aparecer tracciones en el terreno, éste se descomprime y se dilata, disminuyendo por lo tanto la cubeta de asientos).

El valor de la pérdida de suelo, o volumen de asientos, depende mucho del sistema constructivo. Con una sistemática adecuada, la perdida de suelo no debe superar el 1-15%.

2. MOVIMIENTOS PREVISIBLES

La curva de asientos de un terreno corresponde a una campana de Gauss invertida, con sus puntos de inflexión a una distancia “i” del eje del túnel. El área de esta campana es la pérdida de suelo sufrida por el túnel.

El parámetro “i”, varía linealmente con la profundidad, Z, a la que está situado el túnel, y es independiente del método constructivo. Según el tipo de terreno, pueden adoptarse dos valores extremos:

En arenas y gravas .i =0,.25 . Z

En arcillas i =0,5 . Z

3. EFECTOS EN SUPERFICIE

Los asentamientos diferenciales y las tracciones o compresiones horizontales que se producen en la superficie del terreno, afectan, naturalmente, a los edificios existentes en el área afectada.

La admisibilidad de los movimientos por los edificios tiene una carácter empírico, y no tiene en cuenta, normalmente, factores que influyen decisivamente en la magnitud de los posibles daños estructurales, como son:

La longitud del edificio, pues si es muy corta, respecto a la curva de asientos, se produce simplemente un giro, sin distorsión, que no produce daños.

La distorsión sufrida en zonas de compresión es mucho menos dañina que en zonas de tracción.

La rigidez de la estructura y su interacción con el suelo, ya que, evidentemente, la presencia de la estructura modifica la curva de deformaciones.

Se pueden analizar detenidamente todas las circunstancias en cada caso particular, pero es más práctico el establecer una sistemática de daños potenciales, como los expuestos en la PROYECCIÓN 8, en donde aparece una clasificación de posibles daños, debidos a la subsidiencia. Según criterios al uso, el límite de daños admisible, estaría entre la categoría 2, (daños ligeros), y la categoría 3, (daños moderados), si bien, naturalmente, la fijación del límite se determina en cada caso.

4. MEDIDAS ANTIASENTAMIENTO

Para evitar daños a las estructuras, producidos para la subsidiencia, es posible tomar dos tipos de medidas: refuerzo de las estructuras, o mejora del terreno.

5. REFUERZO DE LAS ESTRUCTURAS

El refuerzo de las estructuras consiste, básicamente, en rigidizarlas, por ejemplo, realizando una losa de hormigón, con espesor superior a 1 metro, que englobe todas las zapatas existentes y pueda absorber las tensiones debidas a las tracciones y asientos diferenciales previsibles. Otra posibilidad sería el transmitir las cargas de las cimentaciones existentes a un nivel inferior a la cota del túnel, para lo que se puede recurrir a pilotajes, pantallas, o pozos.

6. AUSCULTACIÓN

Elegido el sistema de excavación más adecuado, y hecha una previsión de subsidiencias, es necesario, una vez iniciados los trabajos, el comprobar que los movimientos del terreno se mantienen dentro de los límites previstos.

Para ello, es necesaria una continua toma de datos sobre el terreno, registrando los movimientos producidos. Así se hizo en el Metro de Madrid, donde se fijaron los movimientos permisibles, clasificándolos, según el umbral alcanzado, como zona verde, (dentro de las previsiones), zona ámbar, (con significado de alerta, aumentando automáticamente el control de los trabajos y la frecuencia de toma de datos de la auscultación), y zona roja, (que supone la posible paralización de los trabajos, tratamientos de mejora del terreno, o cambios en el método constructivo). Naturalmente, en tratamiento de la ingente cantidad de datos necesaria para estos controles, obliga a la informatización total del sistema.

6.1. OBRAS SUBTERRÁNEAS

6.1.1. INSTRUMENTACIÓN

En obras subterráneas debe instalarse una instrumentación dirigida a la medición de:

Movimientos verticales:

En superficie y en obras existentes (edificios, túneles existentes, galerías), mediante nivelación topográfica.

En profundidad, mediante la instalación de extensómetros de 3 varillas en secciones de control.

En el sostenimiento provisional del túnel construido con el método de precorte, mediante la nivelación de clavos colocados en clave y hastiales.

Movimientos horizontales:

En profundidad, mediante la utilización de inclinómetros en secciones de control.

Convergencias en el túnel excavado, medidas con cinta de precisión.

Presiones

Sobre células instaladas en el interior del sostenimiento provisional.

Niveles piezométricos

En las capas permeables a lo largo de la traza, mediante tubos piezométricos instalados en sondeos verticales.

6.1.2. MOVIMIENTOS VERTICALES

En cuanto a lo movimientos verticales producidos por la construcción del túnel, podemos deducir que éstos dependen principalmente y en orden decreciente de los siguientes factores:

Tipo de terreno

Presencia de agua

Método constructivo

Es importante destacar que los movimientos obtenidos con los Métodos Tradicional y precorte son parecidos en ambos.

La experiencia demuestra que con el Precorte los movimientos son más bruscos al paso del frente, mientras que en el Tradicional no se detienen una vez pasado éste, estabilizándose únicamente al proceder a las inyecciones del trasdós. De ahí la importancia de ejecutar éstas lo mejor y lo antes posible.

INFLUENCIA DEL AGUA

En cuanto a la influencia del agua, es importante destacar que en niveles arenosos con agua a presión (0,1 a 0,15 Mpa) se ha comprobado que se inicia el descenso de los niveles piezométricos cuando el frente se aproxima a distancias incluso superiores a los 20m (caso en que dicho nivel de arena venga siendo afectado por la excavación). En la mayoría de los casos, la cohesión de las arenas sometidas al gradiente hidráulico establecido por el efecto de drenaje del túnel ha evitado su arrastre. No ocurre lo mismo, lógicamente, cuando un nivel de arena con carga de agua importante es afectado por la excavación por primera vez. En ese momento la estabilidad de la arena es más crítica, pudiendo dar lugar a sifonamientos.

6.2. OBRAS A CIELO ABIERTO

6.2.1. MOVIMIENTOS REALES DE PANTALLAS

En cuanto a los movimientos reales de las pantallas, se evalúan mediante tres sistemas: los movimientos horizontales mediante colimación de una alineación de clavos en el trasdós de la cabeza de la pantalla y con lecturas de inclinómetro a lo largo de toda la vertical de la pantalla. Los asientos, mediante nivelaciones de precisión en el terreno de trasdós de la excavación y de las fachadas de los edificios próximos.

La colimación es menos precisa que la lectura con inclinómetro y únicamente proporciona valores del movimiento en cabeza con margen de precisión de aproximadamente 5 mm pero su coste es mínimo y en cualquier caso advierte la evolución del movimiento.

En el Metro de Madrid: los movimientos en cabeza de pantallas registrados con el inclinómetro y los pronosticados por el cálculo coinciden sensiblemente en el orden de magnitud, unos 20 mm, para vaciados con pantalla en ménsula de 5 a 6 m de altura.

La relación en tanto por ciento entre el máximo desplazamiento horizontal observado y la profundidad excavada resulta ser de un 0,11%, que se sitúa dentro del margen empírico del 0,1 al 0,2% para arcillas rígidas y entibación tipo pantalla continua de hormigón armado.

La medida de asientos con micrómetro y mira invar ha puesto de manifiesto que el asiento máximo detectado alcanza aproximadamente el 60% del máximo movimiento horizontal, observado en cabeza de la pantalla, y se produce a 10 o 12m de distancia de ésta.

Piezómetros

Para el estudio de la evolución de los niveles de agua es aconsejable utilizar piezómetros de cuerda vibrante.

Una de sus ventajas, aparte de la comodidad de la lectura, es la posibilidad de alojar en una sola perforación piezómetros a distintas cotas sin ninguna dificultad.

Las lecturas de piezómetros se han mostrado totalmente fiables cuando se ha excavado en su entorno.

6.2.2. CÉLULAS DE CARGA

Para tratar de evaluar las cargas que trasmite el terreno a las pantallas se instalan células de carga en el trasdós de las mismas. Una vez fijado el plano de la célula en paralelo a la armadura de trasdós de la pantalla, ésta queda a una distancia de 2 a 4cm del terreno, espacio que queda relleno con el hormigón de la pantalla. Al no poderse rellenar dicho espacio con un material más homogéneo y de granulometría más fina, el hueco puede tener grandes heterogeneidades, desde no estar relleno en su totalidad, hasta haber quedado partículas de grava incidiendo de forma directa en la superficie de la célula. Todo ello puede suponer una transmisión de esfuerzos a través de diversos puntos, no de forma homogénea, que desvirtuaría la presión real que trasmite el terreno.

Normalmente los registros observados en las células instaladas son bastante variables, a diferencia de los aportados por otros aparatos instalados, lo que puede deberse a defectos en su colocación.

7. INSTRUMENTACIÓN

En todos los túneles existen distintos sostenimientos a colocar, según la calidad de la roca que va a pareciendo en el frente. La auscultación es la herramienta básica para comprobar la suficiencia del sostenimiento colocado y detectar posibles inestabilidades (Fig.1)

Los datos que más universalmente se requieren en las obras subterráneas son las convergencias, que miden los desplazamientos relativos del perímetro del túnel. Con extensómetros e inclinómetros se pueden medir los desplazamientos del interior del macizo rocoso. (Los inclinómetros sólo pueden instalarse desde el exterior, en la superficie del terreno)

Fig. 1: Instrumentación de túnel

Las tensiones que van apareciendo en los elementos del sostenimiento se miden con células de presión embebidas en el hormigón, y con células de carga para medir tensiones en bulones.

Los movimientos del terreno en la superficie se suelen medir por medios topográficos, si bien es necesaria una alta precisión, con errores menores de 1 mm.

En los túneles conviene, generalmente, concentrar todos los aparatos de medida en una misma sección completa de auscultación, situada en zonas que se supongan problemáticas. Las secciones completas han de ser pocas, debido a su alto coste, pero, en cambio, son numerosas las secciones de convergencia, a las que se pueden extrapolar, tras un análisis, los datos obtenidos de las secciones completas.

CONVERGENCIAS

La medida de convergencias es el medio más sencillo, más rápido, y el más universalmente utilizado para el control de las excavaciones.

Fig.2: Medida de convergencias

La medición se hace entre unos puntos que se anclan a la roca o a la gunita. Estos puntos tienen, en su extremo, una roca o un gancho donde se fija la cinta de medida. La cinta extensométrica, a fin de asegurar una precisión adecuada, es metálica, de alguna aleación insensible a los cambios térmicos (aún así debe procurarse una temperatura de la cinta sin grandes oscilaciones), con un sistema que permite ponerla a una cierta tensión constante, y un reloj comparador que aprecia décimas de mm. (aunque la unidad práctica es el mm.)

En una sección se colocan, generalmente, un punto en clave, y otro en cada hastial. En la fase de destroza, si la hay, se vuelve a colocar otro punto en cada hastial.

Fig.3: Instrumentación en túnel convencional

La medida de convergencias en una medida relativa, es decir, se conoce al variación de distancias entre puntos, pero nunca se conoce su movimiento absoluto. Por muy rápidamente que se instalen las secciones de convergencia, las medidas tomadas nunca reflejarán el movimiento total producido, ya que, aproximadamente, un 30% del movimiento de la roca se produce por delante del frente, y otro importante porcentaje se produce en el tiempo de excavación, colocación del sostenimiento, e instalación de la sección de convergencia. Esto no tiene realmente importancia, pues lo que realmente interesa de estas medidas en saber si la excavación se va estabilizando, y a qué ritmo, así como comparar unas secciones con otras para poder tener una idea del comportamiento de cada roca y saber si el sostenimiento es el adecuado.

Normalmente se coloca una sección de convergencias cada 25 m. En túneles de carretera, y cada 10-15 metros en zonas problemáticas.

Las medidas deben hacerse diariamente mientras no se alcance la estabilización del movimiento.

EXTENSÓMETROS

Estos aparatos miden los movimientos del interior del macizo rocoso. Un extensómetro consiste en una o varias varillas metálicas, generalmente tres, de diferentes longitudes, protegidas por una vaina de plástico, excepto en su parte final Estas varillas se introducen en una taladro, que se inyecta con mortero, quedando así anclada cada varilla a una profundidad distinta.

En la cabeza se coloca una pieza especial que permite leer las variaciones de longitud de cada varilla, o sea, los movimientos del macizo rocoso. Estos movimientos leídos son relativos, y, si se desea conocer los movimientos absolutos, basta con controlar topográficamente el movimiento de la cabeza del extensómetro.

INCLINÓMETROS

Los inclinómetros permiten medir los movimientos del terreno en dos direcciones perpendiculares. Estos instrumentos sólo pueden colocarse desde el exterior, lo que los hace inútiles en túneles profundos.

Fig.4: Instrumentación en túnel circular

El funcionamiento del inclinómetro es sencillo: en un taladro vertical se introduce y se fija, mediante inyección de mortero, un tubo-guía. Este tubo-guía está dotado de dos pares de ranuras, perpendiculares entre sí, y por él se desplaza una sonda que es capaz de medir su inclinación respecto a la vertical con gran exactitud. La sonda se introduce hasta el fondo, y se va extrayendo, efectuando lecturas regularmente cada cierto espacio, y se repite el proceso volviendo a introducir la sonda en posición perpendicular a la anterior. De este modo se obtiene la deformación horizontal del terreno en función de la profundidad.

Estas deformaciones obtenidas son relativas. Si el fondo del sondeo está por debajo del túnel, podemos suponer que el fondo tiene movimiento nulo, por lo que las deformaciones obtenidas serían absolutas. De no ser así, para conocer los movimientos absolutos, bastaría con controlar topográficamente la cabeza del sondeo.

CÉLULAS DE CARGA Y DE PRESIÓN

Para medir las tensiones a las que están sometidos la gunita o el hormigón de un túnel se utilizan células de presión, que son placas huecas elásticas, rellenas de un líquido a presión. Midiendo las variaciones de presión de este líquido, conocemos las variaciones de presión del material que actúa sobre la placa.

Fig. 5.: Instrumentación en estación

Las células miden la presión que actúa normalmente contra ellas, por lo que, según su disposición, medirán presiones radiales o tangenciales. En el hormigón proyectado, dados los reducidos espesores de las capas, sólo es posible disponer células radiales.

La utilidad de estos elementos es la de controlar las cargas diferidas que puedan actuar, en ocasiones, sobre el revestimiento de un túnel.

Las células de carga miden, de forma mecánica o hidráulica, la fuerza que la placa de la cabeza de un anclaje, ejerce sobre la roca. Para que la medición sea real, el bulón debe ser activo y de anclaje puntual.

INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS

Aparte de su utilidad a efectos de verificación de los cálculos e hipótesis iniciales en que se ha basado el sostenimiento del túnel, la auscultación de un túnel nos permite, de una forma fácil y gráfica, observar la evolución del mismo, y ver si los fenómenos tienden a estabilizarse, o no.