METODOS CONSTRUCTIVOS DE ESTACIONES

METODOS CONSTRUCTIVOS DE ESTACIONES

0. INTRODUCCIÓN

Los métodos descritos a continuación son empleados para luces de túnel superiores a los 10 o 11m.

Los sistemas constructivos empleados para estas obras son impuestos por las condiciones del terreno, la dimensión de las obras, la profundidad a la que hay que construirlas y la disponibilidad de ocupación temporal en superficie.

Se han agrupado, como en las obras de túnel, en dos apartados, método alemán y a cielo abierto.

El método alemán se emplea en túneles de grandes luces o cuando el terreno es muy malo y resulta peligroso descalzar parte de la bóveda para ejecutar los hastiales como se hace con el Método Clásico o belga. Además, con luces grandes el frente abierto que quedarían si se ejecutara la bóveda como el Método Clásico sería demasiado grande para poder reaccionar con rapidez si surgiera un problema con capas arenosas, terreno suelto o venidas de agua. Con el Método alemán se evitan estos problemas, y se reducen los posibles asientos diferenciales que agrietarían la bóveda y darían origen a asientos en superficie. En el Metro de Madrid es raro utilizar este sistema en luces inferiores a 9 m. Es, por tanto, el sistema de ejecución de las estaciones, empleándose rara vez en el túnel de doble vía.

El método Jacobson consiste en utilizar un equipo que va colocando las dovelas prefabricadas que componen la bóveda, en lugar de ir excavando y hormigonando las costillas. Este método, muy utilizado en París en los últimos años en la construcción de la línea Meteor, no se ha utilizado frecuentemente en Madrid, pero sí en algunas estaciones, como la de Laguna.

1. EJECUCIÓN DE MÉTODO ALEMÁN

El sistema es análogo al empleado en el Método belga pero cambiando el orden de las fases de ejecución:

Hastiales

Bóveda

Destroza

Solera

En las páginas siguientes se incluyen las figuras que esquematizan el proceso llevado a cabo para la construcción de las estaciones de Cuatro Caminos (Línea 6) y Guzmán el Bueno (Línea 7), realizadas con este método.

Para ejecutar los hastiales se excavan dos galerías paralelas, que se rellenarán posteriormente de hormigón. Si la longitud del túnel a realizar por este sistema no es muy larga se pueden hacer de un tirón, como es el caso de las estaciones.

Si, por el contrario, el tramo es largo (mayor de 200m, como por ejemplo) se suele sistematizar el trabajo haciéndolo por tamos de 25 a 30m, según el tipo de terreno. En el caso de las estaciones, con luces comprendidas entre 13 y 27m, los hastiales tienen entre 2 y 3m de ancho. Para su entibación se ha utilizado primitivamente el ladrillo, y hoy día el hormigón, realizando una galería que posteriormente se rellena. El sistema más rápido y eficaz es la entibación con cerchas metálicas de perfil TH de medio punto colocadas ente 0,80 y 1,25m de distancia, según el tipo de terreno, que sujetan las tablas de entibación. Estas galerías suelen tener un sobreancho para encofrar la cara vista del hastial. Si la altura del hastial es importante (5m), la galería se excava en dos fases según el esquema de la figura.

Una vez terminados los hastiales, se puede ejecutar la bóveda por el mismo sistema descrito anteriormente en el Método belga. La única diferencia consiste en que el anillo de bóveda apoya sobre los estribos hormigonados en lugar de sobre el terreno.

En general, sin embargo, no se suele construir la bóveda de esa forma, sino por “costillas”, pequeños túneles que, como costillas, van creando la bóveda, y que suelen construirse alternadamente.

Suele construirse una galería central superior, y cada semicostilla se ataca desde la parte superior del hastial, antes de su hormigonado, y se hormigonan, una vez excavada, a través de una galería superior. De esta forma, y aun con enormes secciones de túnel o caverna, es posible construirlos sin que el frente abierto sea nunca mayor de 3 ó 5 m².

La destroza y solera no sufren variación respecto al sistema descrito anteriormente cuando se habló del método clásico de Madrid.

Cuando existe abundancia de agua, las galerías de los hastiales sirven de drenaje a la bóveda y destroza, ayudando de esta forma a la ejecución de estas fases.

En el tramo de Plaza de Castilla – Avda. de América, de Línea 9, se ejecutaron 300m de túnel por este sistema a su paso bajo las líneas 4 y 6 ya construidas, así como bajo un paso elevado y perestático. En la ampliación de Metro 1995-1999 de la Comunicad de Madrid se ha construido por el método alemán la gran estación subterránea de Guzmán el Bueno en la Línea 7, y en el telescopio de unión de los túneles que suben de Príncipe Pío a Plaza de España. Para tener una línea de los rendimientos se detallan las fechas de construcción de la Estación de Guzmán el Bueno. Como puede verse, esta enorme caverna se pudo construir en 18 meses.

2. EJECUCIÓN ENTRE PANTALLAS

Debido a la dimensión de las obras que nos ocupan se requieren unos trabajos previos para desviar tráfico y servicios existente en superficie, que retrasa o condiciona su ejecución. Las fases son:

A.     Construcción de muros pantallas perimetrales

B.     Excavación hasta nivel de anclajes o forjados

C.     Construcción de forjados y pilares

D.     Excavación bajo cubierta y realización de contrabóveda

A.     Construcción de muros pantallas perimetrales

Se excavan y hormigonan los muros pantalla perimetrales, cuya dimensión varía desde 0.80 a 1,20m de espesor con profundidades entre los 20 y 35m.

Además de la maquinaria normal, para la ejecución de estas pantallas pueden emplearse hidrofresas, con resultados satisfactorios en función del tipo de terreno.

B.     Excavación hasta nivel de anclajes o forjados

Una vez ejecutada la viga de atado en cabeza de las pantallas se procede al vaciado hasta un nivel intermedio.

C.     Construcción de forjados y pilares

Desde este nivel se construyen los pilotes de cimentación y sobre ellos los pilares que sustentarán los forjados intermedios y la cubierta, que a su vez cumplen la misión de arriostrar las pantallas. Si es necesario desde este nivel intermedio se ejecutan las líneas de anclaje para las pantallas.

D.    Excavación bajo cubierta y realización de contrabóveda

Una vez construido el forjado intermedio, se procede al vaciado bajo el mismo, bien desde pozos o desde las rampas que se precisen, y se ejecuta la losa inferior que constituye la base de la caverna y sirve también de arriostramiento.

Cada obra en particular suele requerir una adecuación expresa del procedimiento, para resolver los problemas que se presentan para su ejecución.

3. COMENTARIOS A LOS DIFERENTES MÉTODOS

3.1. EJECUCIÓN A CIELO ABIERTO. VENTAJAS E INCONVENIENTES

A.     Ventajas

Se reducen las incertidumbres en cuanto a precio, plazo y seguridad

El plazo de ejecución de las obras es menor y más fácil de asegurar

Se eliminan tratamientos del terreno, que en la mayor parte de los casos se hacen innecesarios, por el propio sistema de ejecución

Se logra mayor independencia del tipo de terreno atravesado

Permite la ejecución de túnel y sobre todo de cavernas con muy poca cobertura, en casos en que sería imposible ejecutar en subterráneo

Aumenta la seguridad en la ejecución para los operarios

Disminuye la dependencia de la mano de obra especializada que requiere la ejecución subterránea

Posibilita la apertura de muchos frentes de trabajo, lo que disminuye los plazos y no paraliza la obra por aparición de problemas en el frente de ataque.

Disminuye y permite un mejor control de subsidencias

Disminuye la afección a los niveles freáticos, lo que incide sobre lo indicado en el punto anterior

Posibilita el aprovechamiento del espacio entre la clave del túnel y la superficie, bien para crear galerías de servicio, aparcamientos, estaciones de autobuses, salas de exposiciones, zonas comerciales, etc.

B.     Inconvenientes

En obras urbanas principalmente:

Obliga a desviar el tráfico, cuando el trazado discurre por calles o incluso a cerrar éstas, restringiendo capacidad y cortando algunos movimientos.

Obliga al desvío de servicios, con el consiguiente incremento económico, de plazo y el peligro que esto acarrea.

Puede tener una incidencia clara sobre arbolado, o elementos arquitectónicos históricos o de relevancia en superficie que sería necesario conservar y reponer.

Implica una mayor molestia para los ciudadanos que han de soportar las obras.

Obliga a una buena coordinación entre administradores, al incidir en competencias de unas y otras, con el correspondiente peligro de complicación para la obra.

En cuanto a coste puro se refiere, la ejecución del túnel subterráneo y a cielo abierto, ambas realizadas en condiciones óptimas, se igualan en precio, para una profundidad de contrabóveda similar a los 12m.

Aun así, y a la vista de los inconvenientes reseñados, es aconsejable, con el fin de minimizar riesgos, reducir al mínimo los tramos ejecutados en túnel, haciendo por este sistema, únicamente aquellas zonas en que no pueda emplearse el faso túnel, a cielo abierto y con pantallas.

C.     Observaciones

Llegados a este punto y ante la inviabilidad de ejecutar en subterráneo, pueden hacerse las siguientes observaciones:

Los túneles se caen y el accidente es posible, es un hecho probado, que no aplica aquí la tan manida frase, de uso popular entre los técnicos, de que las cosas tienden a no caerse, siendo el riesgo de accidentes en este tipo de obras muy superior a otras más convencionales, lo que implica que no debe bajarse nunca la guardia.

En un terreno bueno vale casi todo y el malo hay que convertirlo al menos en regular, entendiendo en esta frase que, la elección del método constructivo es tanto más importante cuan peor es el terreno.

No hay tratamiento del terreno que dé más satisfacción y seguridad que el que no es necesario ejecutar. Se han efectuado diferentes trabajos con resultados desiguales, por lo que ninguno aporta una tranquilidad total.

Es mejor un tratamiento desde superficie que desde el frente. A pesar de la mayor relación longitud taladrada a longitud tratada que esto implica, es innegable que, los tratamientos en superficie permiten ampliar la zona para tratar e independizar los tratamientos de la ejecución, con las ventajas que esto implica, en cuanto a precio y plazo, por la imposibilidad de ubicar en el frente, conjuntamente, la maquinaria de ejecución y la tratamiento.

3.2. EJECUCIÓN SUBTERRÁNEA. VENTAJAS E INCONVENIENTES

En cuanto a los sistemas utilizados para la ejecución de túnel subterráneo es necesario hacer los comentarios que se recogen a continuación

A.     Precorte mecánico

Las ventajas aportadas por el método son las siguientes:

Es un presostenimiento que influye en la limitación de subsidencia.

Es un método mecanizado de ejecución, menos sujeto, por tanto, a los errores humanos, con lo que mejora las condiciones de seguridad del personal en el frente de excavación.

Cuando el terreno es autoestable la ejecución es muy sencilla. Indicado en terrenos cohesivos y en rocas blandas.

El acabado interior del sostenimiento es muy regular y, por tanto, los excesos de hormigón del revestimiento definitivo son limitados. Incluso con un cálculo adecuado podría llegarse a disminuir el espesor total de éste.

Elimina las inyecciones de contacto y de consolidación en el trasdós.

Frente a las anteriores ventajas incuestionables, se presentan algunos inconvenientes, en el caso de terrenos en que existan arenas con poros finos y con carga de agua, o en terrenos que no sean autoestables. En estos casos los inconvenientes son:

Un problema en el frente paraliza la obra, sin posibilidad de atacar otros frentes, por el precio de la maquinaria, que no hace posible tener varias, salvo para túneles muy largos.

Se requiere un drenaje previo y efectivo de la zona e incluso su impermeabilización, para asegurar la estabilidad de todos y cada uno de los puntos del frente, antes de iniciarse la excavación.

La excavación en arenas con agua puede plantear problemas de estabilidad durante la excavación de la ranura anular de la prebóveda, lo que puede obligar a efectuar cortes de una menor anchura y a reducir la profundidad de la ranura excavada.

Por esta razón en terrenos con escasa o nula cohesión, las sobre-excavaciones pueden ser importantes, superiores incluso al 50%. Los avances se pueden ver reducidos y los solapes entre las bóvedas sucesivas del hormigón proyectado pueden aumentar respecto a lo previsto.

En el túnel de El Goloso (Madrid) se puso en evidencia que un solape de 1m era suficiente para el sostenimiento en el terreno compuesto fundamentalmente de arena de miga, con muchos problemas de agua sin presión. El intento de reducir aquel solape a 0,50m dio resultados negativos, con síntomas de inestabilidad en el frente. Si el terreno presenta capas arenosas más permeables, con una humedad residual, incluso después de los agotamientos e impermeabilizaciones previas, los solapes, anchura y profundidad de la ranura y los sobre-espesores del hormigón proyectado pueden ser radicalmente diferentes a los diseñados originalmente.

Los problemas derivados de la inestabilidad en el frente de excavación son los mismos para cualquier método que se utilice, exceptuando la excavación con escudo de tierras o presurizado. Sin embargo, cuan mayor es la sección excavada, los problemas de inestabilidad pueden ser mayores y afectar a una zona más amplia del entorno. Por esta razón, el método de Precorte, al llevar la excavación a plena sección, es potencialmente más peligroso.

A estos problemas hay que añadir los de amortización de la maquinaria, en tramos cortos de túnel a contratar.

Debido a que uno de los principales problemas del método es la posible inestabilidad del frente, se ha demostrado como una buena práctica ejecutar semanalmente en sondeo al avance, que proporciona información sobre las características del terreno que se va a atravesar y, sobre todo, de la existencia de bolsas de agua.

B.     Método Tradicional

Es un método antiguo, no anticuado, con las siguientes ventajas e inconvenientes:

B.1. Ventajas

Mínima inversión inicial en instalaciones, por ser un método que sólo requiere herramienta de mano y maquinaria tradicional de excavación.

Posibilidad de avance en varios frentes, siempre que se disponga de varias rampas de ataque y personal especializado suficiente.

Estabilidad del frente al ser un método de ataque a sección partida y tener la posibilidad de entibar éste.

Adaptabilidad a casi cualquier tipo de terreno, lo que permite ejecutar sin tratamientos previos, en zonas en las que no sería posible con otros métodos.

Gran flexibilidad de actuación frente a imprevistos, acortando los pases, aumentando la entibación, o tratando el terreno.

Buen control de asientos, debido al propio sistema de ejecución con poco frente abierto, con el presostenimiento colocado inmediatamente después de excavar y con el sostenimiento definitivo pegado al frente de excavación.

Precio competitivo con métodos más mecanizados.

Reduce incertidumbres de plazo al necesitar menos tratamientos que otros sistemas.

B.2. Inconvenientes

Dependencia de la mano de obra especializada para la ejecución del método. Entibadores y piquetas, cuyo número se ha visto reducido, en gran parte, por el parón sufrido en este tipo de obras durante los últimos años y, en parte, por la elevación del nivel de vida y la aparición de otros métodos menos penosos. La experiencia demuestra que, con un equipo de profesionales, es posible formar nuevos especialistas, ampliando el potencial humano, aunque es una labor lenta.

El método implica una levada proporción entre mano de obra y materiales, con el correspondiente extra coste agudizado por el incremento de los salarios y la disminución actual de la productividad en la construcción.

Provoca muchas juntas de construcción, con la consiguiente repercusión en el acabado superficial y la duración a largo plazo de la obra.

C.     Nuevo Método Austriaco

Con este sistema se han obtenido los peores resultados, hasta la fecha (recuérdense los accidentes de Madrid, Londres y Munich). Se reproduce a continuación un texto de D.M. Romana en su conferencia, Teoría del nuevo método austriaco (Nov. 1982).

“Suele argumentarse que si el N.M.A. se aplica correctamente, los asientos en superficie son muy reducidos y no exceden de 30mm (40mm según MULLER), por lo que se trataría de un método muy seguro para la construcción de túneles urbanos, sin introducir daños en los edificios próximos.

MULLER (1977) cita que bajo el Ayuntamiento de FRANKFURT (RÖMER HALL) durante la primer aplicación del N.M.A. se produjo un asiento de 42mm, del cual fue diferencial aproximadamente la mitad, además de otros 44mm de asiento producido por el descenso del nivel freático, previo a la construcción”

Como puede verse los asientos inducidos por el Método son fuertes, siendo esto determinante en túneles urbanos.

Asimismo, se reproduce un texto de D. Carlos Oteo:

“El nuevo Método Austriaco de ejecución de túneles, debe considerase como una filosofía de diseño y no como un método que usa gunita y cerchas metálicas. Dicho método pretende dejar relajar el estado tensional del terreno alrededor del túnel –con un cierto desplazamiento- a fin de poder utilizar un sostenimiento relativamente ligero, con el que se alcance un equilibrio empujes-deformaciones que sea aceptable (dentro de que no haya inestabilidades), sostenimiento que puede ser reforzado si las deformaciones aumentan. Para ello se usan, habitualmente, gunita, cerchas, bulones, etc., sin que ello suponga que sean elementos exclusivos de este método.

El Nuevo Método Austriaco ha dado magníficos resultados en materiales rocosos en que las deformaciones antes de la rotura pueden ser relativamente grandes. En suelos, estas deformaciones antes de rotura son más pequeñas y hay mayor riesgo de utilizar la filosofía, sobre todo en suelos incoherentes y con agua. Existen algunas experiencias europeas sólo que dicen haber usado el Nuevo Método Austriaco (porque usaron gunita, cerchas y bulones), pero en suelos duros y cohesivos, con lo que es dudoso que realmente se haya utilizado la filosofía del método. Además, la aplicación de gunita directamente en suelo incoherentes húmedos no es segura, tiene mucho rebote y puede quedar mal.

La esencia del Método Tradicional no es usar madera, pies derechos de madera y longarinas metálicas. Esa esencia está en que constituye un método de excavación a sección partida (para reducir los problemas en cada momento por excavar poco a poco y en una cierta secuencia), con variantes a la hora de excavar hastiales. No implica tampoco que pueda haber o no refuerzo del terreno”.

Los párrafos son suficientemente explicativos y aclaran la dificultad del Nuevo Método Austriaco, sobre todo en zonas urbanas, en las que la subsidencia que el método provoca lo hace prácticamente inviable.

D.     Escudos

Las ventajas aportadas por el método son:

Rapidez en tramos largos, debido a los grandes rendimientos aportados por las máquinas, siempre que no sean muchas las paradas por montaje y desmontaje, paso de estaciones, reparaciones, cambio de régimen abierto a sistema de presión de tierras, cambio de cortadores y otras posibles incidencias.

Seguridad para los trabajadores, que en todo momento se encuentran protegidos por una coraza de acero, alrededor y en el frente.

Mayor independencia de los terrenos atravesados, al ser el sistema menos susceptible a los cambios de terreno y comportamiento de éste.

Reducción de tratamientos, dado que el propio uso de la máquina es un tratamiento en sí, que posibilita el paso del túnel en terrenos por los que no podría atravesarse con sistemas convencionales, sin mejorar previamente las características de éstos.

Disminuyen los problemas relacionados con el agua, al permitir con un diseño adecuado el paso en zonas de elevada presión de agua, impidiendo los arrastres e inestabilidades que ésta provoca.

Gran mecanización, lo que permite independizar el proceso, de la mano de obra especializada y escasa, que es necesaria en otros sistemas.

Limitación de la subsidencia, pues al impedir la entrada de grandes pérdidas de material de excavación se disminuyen las consecuencias que éstas provocan.

Control de estabilidad del frente, permitiendo incluso empujar contra él, para evitar la entrada de material al túnel, disminuyendo al posibilidad de aparición de chimeneas.

Los inconvenientes más claros del sistema son los siguientes:

Fuerte inversión inicial, provocada por el elevado precio de las máquinas, sistemas de entrada y salida de materiales, parque de dovelas, etc.

Difícil amortización, lo que desaconseja la inversión en tramos cortos, salvo dificultades especiales que encarezcan, por complicados y caros tratamientos, la ejecución por métodos tradicionales.

Un solo frente de trabajo, con el consiguiente problema general para la obra, en caso de parada por problemas en el terreno o averías de la máquina.

Dificultad de introducción de la máquina al túnel, al ser ésta voluminosa y pesada, lo que desaconseja los arrastres y sugiere la introducción en vertical, con los consiguientes problemas de ocupación de calles.

Gran ocupación, no sólo por el hueco de introducción de la máquina, sino por la necesidad de situar los acopios de dovelas y otros materiales, así como los sistemas de extracción de productos de la excavación.

Problemas con las mezclas de materiales duros y blandos, que obligan a diseñar la máquina para cortar ambos materiales, con problemas importantes de desgaste de cortadores y paradas para cambiarlos. En el caso de aparición de materiales más duros de los previstos (acero, construcciones enterradas) podría dar lugar a parada del frente de excavación e intervención manual con el consiguiente retraso.

Necesita mayor coordinación en la ejecución de estaciones, pues de no tener éstas excavadas al pasar por ellas obligaría a parar el frente de túnel o a pasar con la tuneladora, con el consiguiente extracoste en construcción y posterior demolición del túnel ejecutado en el espacio a ocupar por la estación.

Difícil control de lo que se corta en el frente, con el consiguiente problema de posible destrucción de restos arqueológicos, estructuras o instalaciones no detectadas previamente.

Gran acopio de dovelas, con la consiguiente ocupación del escaso espacio existente en las ciudades. Si este acopio se reduce en zonas próximas a la entrada al túnel, obliga a una buena coordinación del transporte y acopio, para la demanda que se considere mínima.