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1. INTRODUCCIÓN
El término investigaciones in situ se refiere, en un sentido amplio, al establecimiento de la viabilidad para la construcción de obras civiles y edificaciones y a la adquisición de conocimientos sobre las características del emplazamiento, que afectan tanto al diseño como a la construcción de tales obras. En este ámbito podrían quedar incluidas consideraciones sobre aspectos medioambientales de la zona, hidrológicos, etc.
Si embargo, el término se usa frecuentemente en un sentido más reducido, refiriéndose únicamente al estudio del terreno. En este caso, un término más apropiado sería Investigaciones del terreno, aunque el inicial sea correcto incluso para el uso más restringido.
Según esta segunda concepción del término, quedarían incluidos, en general, los siguientes trabajos:
Planificación de investigaciones
Métodos de investigación
Ensayos in situ y de laboratorio
Interpretación e informe final.
Estos trabajos se refieren tanto a la propia zona afectada por el proyecto como a sus alrededores, si es necesario, y a las posibles áreas fuente de materiales de construcción.
No hay duda de que la geología y el control posterior del terreno juegan un papel fundamental en la viabilidad, éxito y seguridad del túnel: Sin embargo, las investigaciones in situ han sido un punto principal de debate entre los especialistas en el aspecto que se refiere a su extensión.
La interpretación geológica es un factor vital en el diseño del túnel, pero igualmente importante es la calidad y cantidad de información sobre la cual se basan tales interpretaciones.
El capitulo dirige su atención a la importancia de los trabajos de investigación in situ que sirven de base para el diseño del túnel la selección de un método de excavación apropiado.
Desde el punto de vista geológico y geotécnico, los principales factores a considerar en un túnel son los siguientes:
Características del macizo rocoso
Tipo y distribución de las rocas: litología, petrología, mineralogía, estratigrafia.
Propiedades de la roca matriz anisotropía, fisuración, resistencia, deformabilidad y durabilidad.
Propiedades del macizo rocoso: estructura y discontinuidades, fracturación, orientación, resistencia a lo largo de discontinuidades, deformabilidad.
Orientación de la estructura y sus discontinuidades principales con respecto al eje del túnel.
Espesor y competencia de los recubrimientos.
Condiciones ambientales
Presiones intersticiales y régimen hidrogeológico.
Temperatura.
Gases.
Estado tensional
Tensiones naturales : orientación y magnitud
Tensiones incluidas: distribución y magnitud
Geometría de la excavación
Forma y tamaño
Situación con respecto a excavaciones adyacentes
Geometría de las intersecciones.
Condiciones constructivas
Métodos de excavación
Sistemas de sostenimiento.
Problemas especiales
Filtraciones importantes: métodos de control.
Zonas de alta fracturación tectónica o debilidad : fallas, cabalgamientos, diques, etc.
Zonas inestables en emboquillamientos.
Problemas tensionales: plastificación y explosión de la roca.
Terrenos expansivos, blandos, agresivos y abrasivos.
Gases: metano.
Altas temperaturas.
El reconocimiento de cada uno de los citados factores básicos precisa de adecuados reconocimientos del terreno o investigaciones in situ, cuyos resultados constituirán la principal fuente de información que permitirá abordar el estudio geológico-geotécnico del túnel y el diseño de la excavación.
2. OBJETIVOS
Al ser los túneles obras longitudinales, situadas a cierta o gran profundidad, el acceso directo al terreno en el que se desarrollará la excavación es muy difícil antes de la propia obra. Por ello, la incertidumbre de las condiciones geológicas es muy superior a la mayoría de los proyectos de ingeniería. Esta incertidumbre ha sido la causa de numerosos problemas en la construcción de túneles, cuyas consecuencias han llegado a representar graves retrasos e importantes sobrecostes, situación que ya Terzaghi hace más de 50 años refería: La geología más que ningún otro factor determina el grado de dificultad y el coste de una excavación subterránea.
Desde entonces, las técnicas de prospección se han desarrollado considerablemente, pero los principios siguen siendo los mismos en cuanto a la ineludible necesidad de conocer lo más detalladamente posible las condiciones geológicas en las que se emplazará el túnel.
Los objetivos de las investigaciones in situ deben incluir los siguientes aspectos:
Selección del trazado más favorable bajo el punto de vista geológico.
Elección de la áreas más adecuadas para el emboquillamiento y accesos .
Identificación de los principales condicionantes geológicos que pudieran incidir decisoriamente en la viabilidad técnica y coste del túnel ( puntos singulares)
Tipo de terreno (litología y petrología)
Estructura geológica.
Filtraciones en el interior del túnel.
Propiedades y comportamiento geomecánico del macizo rocoso.
La información obtenida en las investigaciones geológicas y geotécnicas debe aportar los criterios básicos para la definición de los siguientes elementos del proyecto.
Métodos de excavación
Sistemas de sostenimiento
Tratamiento del terreno
Por último, debe incluir el grado de incertidumbre existente después del estudio, en función del grado de definición de éste.
3. INCIDENCIA ECONÓMICA
Éste es un aspecto fundamental que justifica la necesidad de reconocer el terreno antes de la excavación. Por un lado, la rentabilidad, en términos económicos, puede medirse como medio de evitar imprevistos cuyas consecuencias representarían sobrecostes que pueden llegar hasta multiplicar por diez el precio unitario del tramo afectado y retrasos en los plazos muy importantes.
Sin embargo, las prospecciones para túneles representan uno de los mayores presupuestos en relación con otras obras de ingeniería. Por tanto, la cuestión en permanente debate está en cuál es la inversión adecuada para obtener información geotécnicamente útil a los fines de diseño y construcción.
No cabe duda que la extensión del conocimiento de los aspectos básicos geológicos del túnel está frecuentemente influenciada por consideraciones económicas y, aunque se acepta que las investigaciones in situ proporcionan datos de vital importancia para el diseño, hay que ser conscientes de las limitaciones de la exploración previa en el estudio detallado de los diferentes factores geológicos de relevancia. De hecho, en muchos casos, los datos geológicos de detalle solamente llegan a estar disponibles durante la fase de construcción.
Habida cuenta del gran coste que puede representar y del tiempo que se precisa para efectuar dichos trabajos de reconocimiento, han ido surgiendo diversas técnicas de diseño, en particular las denominadas métodos empíricos, basadas en las clasificaciones geomecánicas. Estos métodos no suelen precisar de gran número de datos en relación a otros procedimientos de diseño, pero requieren un seguimiento y control geotécnico durante la propia obra, dividiéndose, en cierta forma, el proyecto en dos fases. Una basada en los datos obtenidos antes de la excavación y otra en la que se ajustan dichos datos a los que se encuentran durante la excavación.
Con todo ello, la cuantía de las inversiones es relativamente alta y se citan cifras para Inglaterra del 0,5 al 3% del coste de la obra. En Portugal, los costes de las investigaciones in situ están calculados entre el 1 y el 2%, excluyendo los trabajos de seguimiento durante la construcción. La media general de las investigaciones oscila entre el 0,3 y el 2% (West et al, 1981).
Waggoner y Daugherty (1985), sobre una encuesta llevada a cabo en EE.UU. para 85 proyectos a lo largo de los últimos 20 años, han llegado a importantes resultados cuyo resumen es el siguiente:
El coste medio de las exploraciones representa el 1,66% del coste total de la obra.
Se deben incrementar las exploraciones hasta llegar al 3% del coste de la obra, habiéndose comprobado que en los casos en que se han acercado a estos porcentajes, los problemas habidos durante la construcción y las reclamaciones, sobrecostes, etc., han sido mínimos, rentabilizando al máximo las inversiones en exploraciones.
Las galerías de reconocimiento, pozos, etc., tienen una relación coste/ beneficio muy cuestionable, excepto en casos muy especiales.
Se debe incrementar el número de ensayos de laboratorio, tanto en los trabajos previos como durante la construcción.
Se debe utilizar más la geofísica y en coordinación con los sondeos.
En la mayoría de los proyectos, los problemas de aguas subterráneas están inadecuadamente previstos. Ello representa uno de los mayores costes y riesgos en la construcción.
En la actualidad existe disparidad de opinión sobre los presupuestos dedicados a investigaciones in situ, pero suelen oscilar entre el 1 y 2%. Sin embargo, para alcanzar niveles adecuados de información, este porcentaje debería llegar al 3%.
Por otro lado, se deduce que existe una mayor rentabilidad en los trabajos de reconocimiento (geología), ensayos de laboratorio y geofísica, con menor coste de los mismos con respecto a los sondeos, ensayos in situ y galerías de reconocimiento.
4.PLANIFICACIÓN
Ante la importancia, tanto técnica como económica, de las investigaciones in situ, resulta esencial llevar a cabo una correcta planificación de las mismas, resultando conveniente empezar por las más económicas para obtener una idea general del problema y pasar a métodos más precisos y costosos para despejar las incertidumbres que se planteen. Sin embargo, la adaptación de un programa general de reconocimientos a un proyecto determinado puede resultar una tarea compleja, y por tanto es necesario considerar una serie de variables cuya influencia en el diseño de las exploraciones puede ser decisiva. Estas variables son:
Las condiciones geológicas regionales
La información previa del área
Los accesos
El presupuesto
Entre estas variables destaca la influencia del ambiente geológico y el relieve.
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TABLA 1. Influencia del ambiente geológico y del relieve en la planificación de investigación in situ para túneles. |
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Dada la creciente importancia y uso de los métodos empíricos de diseño, la planificación de las investigaciones in situ puede basarse en una serie de criterios acordes con los principios de tales métodos. Los criterios que se recomienda seguir son los siguientes:
Dividir las investigaciones en varias fases sucesivas de intensidad creciente
Desarrollar al máximo las técnicas de geología de superficie
Situar las prospecciones en zonas de importancia crucial para:
La interpretación geológica
Identificación y verificación de puntos críticos
Zonas de emboquillamiento y accesos
Elegir y combinar adecuadamente las distintas técnicas de acuerdo con los siguientes criterios:
Representatividad y complementariedad
Económicos
Logísticos (accesos, distancias, aprovisionamientos, etc.).
Existe en general un buen acuerdo en lo que se refiere a dividir las investigaciones en varias fases. Se admiten tres fases sucesivas correspondientes a crecientes niveles de intensidad, aunque en cualquier de estas fases se debe cumplir el siguiente ciclo:
1s Planificar
2s Ejecutar
3s Presentar y almacenar datos
4s Interpretar
5s Informar
Antes del comienzo de la investigación del terreno, debe ser considerada toda la información recopilada previamente, la cual nos permite obtener una concepción preliminar de las condiciones del terreno y de los problemas geotécnicos que puede acarrear. Esto ayudará en la planificación de la extensión y tipo de investigación. A continuación se comentan algunos aspectos que deberían ser tenidos en cuenta para una adecuada planificación y control de las investigaciones:
Planificación: deberá ser flexible, permitiendo que los trabajos puedan ser modificados, si es necesario, en función de los resultados de los anteriormente realizados. En muchas ocasiones, especialmente en proyectos que cubren gran extensión, es conveniente la ejecución de una investigación preliminar para mejorar la planificación de la investigación principal.
La investigación del terreno debe ser completada antes del diseño final, por lo que es importante dotar de tiempo suficiente para ésta, incluyendo interpretación e informe, en el programa de trabajo. Si se producen cambios en el proyecto cuando la investigación principal ya ha sido realizada, pueden requerirse nuevas investigaciones, por lo que el programa debería ser ajustado para permitir el tiempo adicional necesario.
Investigaciones adicionales: algunas veces se necesita investigación adicional cuando las obras ya han comenzado. Puede ser necesario sondear en el frente de avance como previsión de riesgos o cambios en las condiciones del terreno.
Las propiedades del terreno y los niveles freáticos pueden variar con las estaciones. En la planificación de las investigaciones se deberían considerar las condiciones del terreno en otras épocas del año.
Limitaciones: las limitaciones en la extensión de la investigación, por coste o tiempo, pueden acarrear una insuficiente información para el diseño, y, por lo tanto, para una adecuada construcción, económica y en plazo. Las investigaciones adicionales llevadas a cabo en una fase posterior son más costosas y producen retrasos.
Control: para obtener el máximo beneficio de una investigación, es esencial una adecuada dirección y supervisión de los trabajos por personal competente, con conocimientos adecuados, experiencia y con autoridad para decidir sobre las posibles variaciones en la investigación, cuando sean necesarias.
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TABLA 2. Fases de investigación en los reconocimientos para túneles. |
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5. PROCEDIMIENTO GENERAL
Una investigación del terreno se debería desarrollar normalmente por fases, aún considerando que la extensión de la investigación depende principalmente de la magnitud y naturaleza del proyecto y de la naturaleza de la zona de emplazamiento, que serían las siguientes:
Estudio de gabinete
Reconocimiento in situ
Investigación de detalle
Estudio de gabinete
Es la primera fase de investigación y comprende la recopilación y estudio de toda la información existente que, desde el punto de vista exclusivo del terreno, sería la siguiente:
Mapas geológicos
Memorias geológicas
Datos históricos sobre avenidas, erosión, deslizamientos y subsidencia
Datos procedentes de la administración local y central
Registro de construcciones e investigaciones en zonas adyacentes
Sismicidad
Con respecto a las fuentes de materiales de construcción sería la siguiente:
Materiales naturales
Préstamos y vertederos
Materiales transportados
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TABLA 3. Desarrollo de las fases de investigación para túneles. |
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5.2. RECONOCIMIENTO IN SITU
En una fase inicial, se debería realizar un reconocimiento visual de la zona de proyecto y áreas adyacentes, incluyendo los siguientes aspectos relacionados con el terreno:
Tipo y variabilidad de las condiciones superficiales.
Comparación de la topografía existente con mapas anteriores, si es posible, para comprobar la presencia de rellenos, erosión o excavaciones.
Escarpes, que pueden indicar fallas o zonas trituradas. En áreas mineras, el posible resultado de subsidencia.
Montículos en zonas más o menos llanas, que pueden indicar condiciones glaciares anteriores.
Agrietamiento del terreno o aterrazamiento en laderas de colinas, que pueden indicar deslizamientos.
Hundimiento en zonas calcáreas, que pueden indicar simas rellenas con material blando.
Áreas llanas y bajas entre colinas pueden pertenecer a lagos anteriores e indicar la presencia de suelos limosos blandos y carbón.
Características del terreno en canteras, cortes y escarpes.
Niveles de agua, donde sea posible, con situación de pozos, fuentes y existencia de flujo artesiano.
Tipo de vegetación en relación con el tipo de suelo y humedad.
Asientos históricos en terraplenes, edificaciones u otras estructuras de los alrededores
Con respecto a la planificación de la exploración del terreno se pueden citar los siguientes aspectos:
Condiciones de acceso para los trabajos de reconocimiento
Presencia de conducciones y líneas
Áreas de almacenamiento de muestras, laboratorio de campo, etc.
Propietarios de puntos de investigación
Consideración de compensaciones por daños causados
Situación de suministros de agua y flujo estimado
Alojamientos
5.3. INVESTIGACIÓN DE DETALLE
El objetivo de una investigación del terreno es obtener información suficiente para realizar un diseño económico y seguro, teniendo en cuenta las necesidades constructivas. La investigación debería ser planificada con el objeto de verificar y ampliar la información previamente recopilada. Para cumplir este objetivo deben tenerse en cuenta los siguientes aspectos:
La comprensión de la geología del área afectada es un requerimiento fundamental en la planificación e interpretación de la investigación del terreno. En algunos casos, cuando la geología es relativamente fácil y los problemas ingenieriles de poca complejidad, el estudio de gabinete inicial puede proporcionar suficiente información geológica, sujeta a confirmación por calicatas, sondeos o cualquier otro método de investigación.
De importancia capital es el establecimiento del perfil del suelo o suelo y roca y las condiciones del agua subterránea. En algunos casos, será suficiente un limitado número de ensayos in situ y de laboratorio. En otros, será necesario determinar en detalle las propiedades geotécnicas de suelos y rocas. La extensión de la investigación del terreno se contempla en un apartado posterior.
La investigación debería incluir a todos lo terrenos en los que, como consecuencia de las obras, se puedan producir cambios, tanto permanentes como temporales. Entre éstos, se pueden citar los siguientes:
En esfuerzos y deformaciones asociadas
En humedad y cambios de volumen asociados
En nivel freático y flujo de agua
En la resistencia y compresibilidad del suelo
En los materiales colocados en el terreno
Especial atención merece la localización de cavidades subterráneas, como simas o viejas minas que se podrían colapsar.
6. ENSAYOS IN SITU
Existe una amplia gama de ensayos in situ, pudiendo diferenciarse entre los realizados en el interior de los sondeos y los de campo, realizados en afloramientos, galerías y zanjas. A continuación se relacionan algunos de los más importantes.
6.1. ENSAYOS EN SONDEOS
SPT (Standard Penetration Test): obtiene una indicación de la densidad relativa de arenas y gravas, pero también se usa para la consistencia de otros suelos (limos y arcillas) y de rocas débiles.
Vane Test: está relacionado con la resistencia al corte de un suelo cohesivo en condiciones no drenadas
Permeabilidad: puede distinguirse entre el ensayo Lefranc, habitualmente empleado en suelos, y el Lugeon, específico para rocas. Ensayos muy generalizados y necesarios, rápidos y con bajo coste a poca profundidad.
Presiométrico: aplicado para la obtención de la resistencia y deformabilidad del suelo. Puede también usarse en rocas débiles, pero para rocas resistentes se necesita un equipo menos convencional, capaz de llegar a altas presiones. Necesita especificaciones concretas sobre el taladro del sondeo, siendo accesible y con costes relativamente altos.
Diatométrico: obtiene la deformabilidad. También necesita especificaciones concretas sobre el taladro del sondeo. Es accesible, pero con costes relativamente altos.
Geofísicos: entre éstos pueden citarse las diagrafías, sísmica Down Hole y Cross Hole. Útiles y recomendables, siendo rápidos, pero precisan una adecuada interpretación. Son accesibles y con costes relativamente bajos.
Estudio de discontinuidades: por medio de periscopios, TV, fotos, orientación de testigos, etc. Permiten una observación directa o indirecta de discontinuidades y su orientación, siendo técnicas muy sofisticadas, poco accesibles y muy costosas, en general
Tensiones residuales: pueden citarse el del hidrofracturación y las técnicas de reperforación. Son costosos y poco accesibles.
6.2. ENSAYOS DE CAMPO
Bombeo: utilizado para obtener los coeficientes de permeabilidad, transmisividad y almacenamiento para un volumen de terreno superior al investigado por los que se realizan en los sondeos.
Esfuerzos in situ: la medición de esfuerzos también puede ser realizada de forma superficial, en las paredes de un túnel o una galería de exploración. En afloramientos se usan las técnicas de reperforado, que presentan fácil ejecución y bajo coste, aunque no cuantifican la magnitud de los esfuerzos.
Placa de carga: se usa para determinar la resistencia al corte y la deformabilidad en suelos. En rocas se usa frecuentemente para determinar la deformabilidad, ya que no es usual llegar a la carga última. Ensayo poco usado en los estudios de proyecto, presentando un coste alto.
Corte directo: se obtiene la resistencia al corte (pico) del material. La resistencia residual presenta mayores dificultades. También es un ensayo poco usado a nivel de proyecto y presenta un coste elevado.
Carga puntual: el resultado obtenido con este ensayo (índice de resistencia a la carga puntual) está relacionado con la resistencia a la compresión simple.
Martillo Schmidt (esclerómetro): ensayo de fácil ejecución, rápido y de bajo coste. Obtiene la dureza de la roca, directamente correlacionable con la resistencia a la compresión.
Tilt test equivalente básicamente a un ensayo de corte con cargas normales muy bajas. Generalmente, de fácil ejecución, presentando un bajo coste.
7. ENSAYOS DE LABORATORIO
Al igual que ocurre en el caso de los ensayos in situ, existe una amplia gama de ensayos de laboratorio, citándose a continuación algunos de los más importante y utilizados.
7.1. ENSAYOS EN ROCA
Petrográfico y mineralógico: proporcionan un conocimiento de la naturaleza de la roca, textura, distribución y orientación preferente de sus componentes, fisuración, meteorización, etc.
Densidad, humedad, peso específico, porosidad: informan sobre el estado en que se encuentra la roca.
Alterabilidad (Slake Durability Test): se somete a la muestra a ciclos de sequedad, humedad y agitación, obteniéndose un índice de durabilidad del material.
Resistencia a la compresión simple: puede realizarse sin o con medida de deformabilidad. En el primero de los casos se obtiene únicamente la resistencia, en el segundo, realizado con bandas extensométricas para medir la deformabilidad longitudinal y transversal, se obtiene el módulo de deformación y el coeficiente de Poisson.
Brasileño: se obtiene la resistencia a la tracción de la roca. Junto con el petrográfico, proporciona un índice de abrasividad (índice Schimacek).
Compresión triaxial: puede catalogarse como el ensayo más completo, aplicándosele a las muestras una carga vertical creciente con diferente presión de confinamiento, a la vez que se miden las deformaciones.
Corte directo: normalmente sobre superficies de discontinuidad, obteniéndose el ángulo de rozamiento y cohesión.
Cerchar: represente un índice de abrasividad de la roca. Realizado en diferentes caras de la muestra proporciona la influencia de la anisotropía.
7.2. ENSAYOS EN SUELOS
Granulometría: proporciona el porcentaje del tamaño de las partículas y su distribución.
Límites de Atterberg: obtiene los valores de la humedad que separan los estados sólido, plástico y líquido.
Contenido en carbonatos: aporta información sobre el grado de cementación
Contenido en sulfatos: suministra una estimación de la agresividad del terreno.
Contenido en materia orgánica: da idea del origen y deformabilidad del suelo.
Mineralógico: tipo de minerales arcillosos, capacidad de cambio de cationes y estructura de las partículas, proporcionando una estimación del comportamiento del suelo.
Densidad, humedad, peso específico: informan sobre el estado natural en que se encuentra el suelo.
Pinhole mide la erosionabilidad (dispersabiliad), es decir, el comportamiento de los suelos, fundamentalmente arcillosos, frente a la erosión por filtración de agua.
Lambe, presión de hinchamiento e hinchamiento libre: están relacionados con la expansividad del terreno. El primero permite clasificar al suelo atendiendo al cambio potencial del volumen, y los otros dos llegan a cuantificar el fenómeno.
Compresión simple: obtiene la resistencia a la compresión uniaxial no confinada.
Triaxial: obtiene el ángulo de rozamiento interno y la cohesión del materia. Es el ensayo más común para determinar las propiedades esfuerzo-deformacionales de los suelos.
Corte directo: también permite obtener el ángulo de rozamiento interno y la cohesión.
Vane test obtiene la resistencia al corte sin drenaje en arcilla y limos blandos.
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