REVISTA AMITOS NO. 85 by AMITOS

Rev i st a

Amitos

Asociación Mexicana de Ingeniería de Túneles y Obras Subterráneas, A. C.

www.amitos.org Edición Enero-Marzo 2012 Número 85

Segundo Simposio Internacional sobre Túneles y Lumbreras en Suelos y Roca

Contenido 1 2 3 4 5 8 15 24 35 42 44

Mensaje del Director Ejecutivo Semblanza Ing. Luis Vieitez Utesa Actividades del Consejo Directivo Cambio de Consejo Directivo del Colegio de Ingenieros Civiles de México Segundo Simposio Internacional sobre Túneles y Lumbreras en Suelos y Roca Construcción del túnel de la línea 12 del Metro de la Ciudad de México Hong Kong West Island Line, sección 703 Técnicas mineras en la excavación del Teatro Romano de Cádiz, España. Problemática durante la excavación de túneles, construidos en rocas blandas Agenda Poema “La Elección”

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Mensaje del Director Ejecutivo Equidad en la responsabilidad de riesgos en las obras subterráneas CONSEJO DE DIRECTORES Director Ejecutivo

Ing. Mario Olguín Azpeitia Director Secretario

Ing. Roberto Malvido Arriaga

Generalmente nuestras autoridades concursan y asignan los proyectos de túneles y obras subterráneas bajo los mismos considerandos de una obra “normal”, sin tomar en cuenta, por desconocimiento o porque no tienen elementos para hacerlo, las variables que conlleva este tipo de proyectos. Es práctica común que las licitaciones se publiquen sin contar con la información necesaria, suficiente y precisa que permita a los participantes disponer de la información geotécnica, geohidrológica y caracterización del subsuelo mínimas para evaluar los posibles riesgos y preparar adecuadamente sus propuestas técnica y económica. A lo anterior se suma el hecho de que el cliente habitualmente falla a favor de la propuesta más económica, que casi nunca resulta ser la más solvente en todos los aspectos.

Director Tesorero

Ing. Carlos Enrique Ortega Mora Director de Comités Técnicos

Ing. Jorge Armando Rábago Martín Director de Cursos y Congresos

Ing. José Ma. Fimbres Castillo Director de Conferencias y Publicaciones

Ing. José Francisco Suárez Fino Director de Banco de Datos, Biblioteca y Boletín

Ing. Roberto González Izquierdo

Asociación Mexicana de Ingeniería de Túneles y Obras Subterráneas, A. C. Camino a Santa Teresa 187, Col. Parques del Pedregal, 14010 México, D. F. Tel./Fax (55) 5528-3611 amitos@amitos.org www.amitos.org

Boletín Amitos. Diseño y formación DG Socorro García. Impresión: Editores Buena Onda, S.A. de C.V. Suiza #14, Col. Portales Oriente

Esta realidad lleva al constructor a enfrentar, durante el proceso de la obra, situaciones diferentes a las previstas y, después de concluida la construcción, a una serie de reclamaciones y conciliaciones con el cliente y sus representantes a fin de que estos reconozcan los cambios y sus consecuencias. Destacados integrantes de AMITOS han hecho énfasis en lo anterior pero hace falta algo más para evitar caer en esa recurrente situación. En 1997, la Sociedad Norteamericana de Ingenieros Civiles (ASCE) publicó un documento llamado Geotechnical Baseline Reports for Undergroung Construction, más conocido como GBR —Reporte Geotécnico de Referencia— que contiene recomendaciones para elaborar reportes con las condiciones geotécnicas que presumiblemente se presentarán durante el proceso de construcción así como una serie de consideraciones que permiten tomar en cuenta circunstancias diferentes a las contempladas al inicio del proyecto; incluye también conceptos como “riesgo compartido” y “cambio de condiciones”. Este documento, debidamente adaptado a nuestro medio y tomando en cuenta las particularidades de cada obra, puede integrarse a las bases de licitación y al contrato y mucho ayudaría a reducir y resolver discrepancias entre cliente y contratista. Su incorporación permitiría establecer un adecuado equilibrio en la asignación y responsabilidad de riesgos y debe acompañarse de mecanismos que permitan evaluar situaciones inesperadas y deslindar responsabilidades en un marco de equidad e imparcialidad; debe también contemplar las disposiciones necesarias para que los cambios en las condiciones de obra previstas en el contrato se resuelvan sin que injustamente se afecte a alguna de las partes —generalmente el constructor—. Bien entendido y adaptado, el GBR facilitará a los actores involucrados (cliente, proyectista, supervisor y constructor) una forma objetiva y equitativa de resolver las controversias resultantes de los cambios mencionados y reducir las situaciones de reclamos. Para que la suma de acciones del cliente, proyectista, constructor y supervisor resulten en una obra exitosa, deben conjuntarse condiciones como: trabajo en equipo con objetivos comunes, que el constructor a quien se asigne la obra cuente con suficiente capacidad (técnica y económica) y experiencia, que las empresas supervisora y proyectista sean probadamente competentes en la materia y, sobre todo, que los representantes del cliente cuenten también con estas características. Trabajemos para que todo mundo se convenza de las bondades del GBR y de la necesidad de compartir de manera equitativa los riesgos de las obras subterráneas. Mario Olguín Azpeitia Director Ejecutivo del XIII Consejo de Directores 1

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Semblanza

Ing. Luis Vieitez Utesa

Elegí ingeniería civil (en la UNAM, mi siempre admirada y respetada Alma Mater) gracias al hermano de uno de mis buenos amigos de secundaria y prepa que durante unas vacaciones nos dio, no clases, sino ejemplos atractivos de materias que él ya había cursado. Estos amigos fuimos inseparables en la carrera, y aún lo somos. Nuestras conversaciones son ahora más de arrechuchos, de fútbol y de añoranzas, pero doña ingeniería está siempre ahí, como sustrato.

tuvo también el superficial y el elevado. Pasó inclusive la prueba de la crítica severa del ing. Hiriart y el profe.Marsal; el arq,Borja, el profe Tamez y el espíritu, siempre omnipresente, del ing. Quintana debieron sentir un gran alivio, como todos los demás, sabiendo que los márgenes de seguridad a veces juegan malas pasadas. ¿Aciertos? Pues ahí están, gracias a la labor, en la mayoría de los casos, de grupos integrados por jóvenes, varios apenas recién egresados, que no se arredraron ante la magnitud de las complejas responsabilidades que iban asumiendo. ¿Fallas?, las ha habido —así también se aprende—. Una vez, el ing. Quintana, ante la explicación pormenorizada que le daba yo de cómo había fallado un talud, (las tobas y los tepetates resistentes del Poniente también se deslizan a causa de filtraciones de agua de casas habitación), escuetamente apuntó: “el buen ingeniero no es el que tiene la explicación de la falla sino el que la prevé y la evita”. Yo quise haber procedido así pero no siempre fue posible; en cierta ocasión, por ejemplo, la protección de un “trascavo” evitó que quedara “planchado” por un desprendimiento de bóveda, (la falla del concreto lanzado empezó en clave y la ruptura se propagò varios metros en forma de “zipper”, en un tramo bajo la Sierra de Guadalupe, en el Drenaje Profundo). El sobrestante gringo, Jerry Remick, ducho en técnicas de “lanzado”, estaba cerca de mí temblando, como yo, del susto,y, mascullando un inglés como el de Popeye, comentó: “estas jod… técnicas resultaron, aquí, tan pin… e inútiles como las tetillas de un perro”

En un momento dado de la carrera me dio, en serio, por ser pintor, y asistía ávidamente a clases quizá más por cuestiones del corazón que por genuina vocación. El caso es que de pronto se me reveló más productiva la creación colectiva que la individual y que había con ella más posibilidades de “ganarse la chuleta”. Siempre he evitado la formalidad ampulosa. Ha funcionado para mí mejor el trato sencillo, llano, respetuoso y cordial, y los mejores resultados se han dado al profesarse, sobre todo en el trabajo, un voto mutuo de confianza en un ambiente de camaradería y equipo. Prestar atención y escuchar mucho a los demás, para aprender y actuar con más apoyo, me parece fundamental. El devenir de la vida y el del trabajo me han permitido recorrer mundo, conocer muchos ambientes y tratar con gente diversa; el balance ha sido más hacia el disfrute, si no siempre pleno sí casi completo. He tenido la suerte de vivir —se puede decir— obras en su conjunto, algunas desde la idea semilla hasta el auditar ya completas sus condiciones de operación y seguridad, tal es el caso del Metro de la Ciudad de México. Un sentimiento de orgullo pleno, en relación con éste, tuve al recorrer con parte de la “crema y nata” de la ingeniería,(responsable de la redacción de las Normas Tècnicas de Emergencia), en un vagón de mantenimiento, el tramo subterráneo, poco después del sismo del 85, y verificar que estaba “entero” y funcional, como lo es-

Hoy todavía hago “talacha”, pero busco tiempo para gozar de la vida con mi esposa, mis hijas, mis hijos y mis nietos. Frecuento y recuerdo con profundo respeto y admiración a los buenos amigos —a los “cuates”- quienes han tenido a bien —o a mal, que también se daacompañarme en estas mis andanzas; que ellos las juzguen porque sé que serán justos, o así lo espero.

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Actividades

Actividades del Consejo Directivo

FEBRERO

Reunión-desayuno del Consejo Técnico del Colegio de Ingenieros Civiles de México al cual asistió el Ing. Jorge A. Rábago Martín con la representación de AMITOS.

de febrero

8y9 11

2° Simposio Internacional sobre túneles y lumbreras en suelos y roca.- Organizado en forma conjunta con la SMIG en el Centro Asturiano Polanco. Se adjunta nota por separado.

de febrero

Asistí como invitado a la ceremonia de toma de protesta del XI Consejo Directivo de la Sociedad de Egresados de Ingeniería Civil del Instituto Politécnico Nacional, realizada en el Club de Industriales. El nuevo Consejo Directivo lo encabeza el Ing. Juan Guillermo García Zavala.

MARZO

de marzo

En mi carácter de Director Ejecutivo de AMITOS, fui convocado a la Asamblea Anual 2012 del Colegio de Ingenieros Civiles de México en la cual presentó su segundo y último informe de labores el Ing. Manuel Salvoch Oncins y tomó posesión como Presidente del XXXIV Consejo Directivo el Ing. Clemente Poon Hung. Dentro de su informe de actividades, el Ing. Salvoch presentó las acciones que el Colegio realizó de manera conjunta con AMITOS. En representación de AMITOS, concurrí a la Segunda Asamblea General Ordinaria de la Unión Mexicana de Asociaciones de Ingenieros, A. C. (UMAI) presidida por su Presidente, Ing. Carlos A. Morales Gil. El evento tuvo lugar en el salón Tajín del WTC. AMITOS forma parte de la UMAI.

Invitamos a todos nuestros agremiados y amigos que pasen a visitar la nueva página electrónica de nuestra Asociación Mexicana de Ingeniería de Túneles y Obras Subterráneas, A. C. , así como de tomar nota de la nueva dirección y también de su correo electrónico: amitos@amitos.org • www.amitos.org 3

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Actividades AMITOS

Cambio de Consejo Directivo del Colegio de Ingenieros Civiles de México

El 27 de marzo concluyó la exitosa gestión del Ing. Manuel Salvoch Oncins al frente del XXXIII Consejo Directivo del Colegio de Ingenieros Civiles de México. Por este conducto, AMITOS reconoce y felicita al Ing. Manuel Salvoch por su entrega y acciones al frente del Colegio y le desea éxito en las actividades que emprenda. El Ing. Salvoch es Socio fundador de AMITOS y en el período que tuvo a su cargo la Presidencia del CICM, apoyó de manera entusiasta las actividades de nuestra Asociación. Anteriormente, el 16 de febrero se llevó a cabo la votación para elegir al nuevo Consejo Directivo del Colegio resultando ganadora la planilla encabezada por el Ing. Clemente Poon Hung cuyo lema de campaña fue ”RED 12/14: Reorganización, Estructura, Desarrollo 2012-2014”. Destacan dentro de los objetivos del nuevo Consejo: posicionar al Colegio entre las nuevas generaciones, promover la permanencia de los socios y lograr su satisfacción en cuanto sus requerimientos gremiales, recuperar la presencia y liderazgo de los ingenieros civiles en los niveles de decisión del sector gubernamental y ante la sociedad; en resumen; el objetivo final puede resumirse en fortalecer a la ingeniería civil mexicana. El Ing. Poon es un destacado miembro de AMITOS. Manifestamos al nuevo Consejo Directivo de nuestro Colegio nuestro reconocimiento y los mejores deseos porque alcancen el logro de sus objetivos, en bien del Colegio y de la ingeniería civil mexicana.

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Actividades AMITOS

Segundo Simposio Internacional sobre Túneles y Lumbreras en Suelos y Roca

AMITOS y la Sociedad Mexicana de Ingeniería Geotécnica realizaron el Segundo Simposio Internacional sobre Túneles y Lumbreras en Suelos y Roca los días 8 y 9 de febrero de 2012 en el Centro Asturiano Polanco. Por su contenido y el prestigio profesional de sus expositores, este evento despertó mucho interés y resultó muy exitoso. Contamos con ponentes del ámbito nacional e internacional procedentes de países como Corea, España, Italia, Estados Unidos y Canadá.

Con este magno evento AMITOS sigue atendiendo uno de los objetivos primordiales de la Asociación que es el difundir los conocimientos y las experiencias recientes de la especialidad, México y en el extranjero, promoviendo el mejoramiento técnico y la capacitación entre los profesionistas relacionados con los túneles y las obras subterráneas. En paralelo a las sesiones técnicas hubo una exhibición de servicios y productos en la que contamos con la presencia de expositores de empresas de construcción y proveedores de gran importancia: BASF, MEXIE, ROBBINS, COMISSA, TRADECO Infraestructura, Innovaciones Técnicas en Cimentación (ITECSA), SCT, MOLDEQUIPO Internacional, ROCKSOIL, ICA, Microtunel, ENSESA, HERRENKNECHT, BEKAERT , RST Instruments LTD, MACCAFERRI DE MÉXICO y PROPEX.

Tuvimos 199 asistentes provenientes de empresas constructoras, de supervisión, fabricantes de equipo y proveedores relacionados con los túneles y las obras subterráneas como, Constructora Estrella, Lytsa, Lombardo Construcciones, Tradeco Infraestructura, COMISSA, CIMESA, SOILTEC, ICA, ROCKSOIL, TECNOSUELO y TRIADA, así como de empresas de gobierno como SCT, PEMEX y CFE, también contamos con la participación de estudiantes de diferentes Universidades de la zona metropolitana y becarios del Colegio de Ingenieros Civiles de México.

Ratificamos nuestro agradecimiento a todos los que hicieron posible la realización de este Simposio.

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Aspecto del área de exposición del 2° Simposio Internacional de Túneles y Lumbreras en Suelos y Rocas

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Artículo

Construcción del túnel de la línea 12 del Metro de la Ciudad de México Ismail Benamar, ICA Construcción Especializada, México. Dalia A. Zaldívar Salinas, ICA Construcción Especializada, México.

Trabajo presentado en el 2° Simposio Internacional de Túneles y Lumbreras en Suelos y Roca organizado por AMITOS y la SMIG en febrero de 2012

1 Introducción Para contribuir a satisfacer la alta demanda de transporte público eficiente en la Ciudad de México, desde julio del 2008 se inició la construcción de la línea 12 del Metro de la Ciudad de México. La línea comunica las zonas sureste y oeste de la ciudad, inicia en la zona de Tláhuac y finaliza en la zona de Mixcoac. Se conecta con el resto de la red del Sistema Metro por medio de sus líneas 2, 3, 7 y 8, y se espera llegue a captar a 475 000 usuarios al día. Será la más larga del Sistema, con una longitud total de 25.4 km, de los cuales 2.1 km corren de manera superficial, 11.7 km en viaducto elevado, 2.6 km en cajón somero, 7.5 km en túnel excavado con tuneladora (EPB), 0.7 km en cajón somero y el último tramo, de 0.9 km en túnel convencional. La finalidad de construir el último tramo de la línea 12 en túnel fue la de minimizar las afectaciones en superficie en una zona de la ciudad densamente poblada y con presencia de algunos de los ejes de vialidad más transitados. Debido al tipo de suelos que atraviesa el túnel, desde suelos blandos arcillosos con alto contenido de agua y alta compresibilidad hasta suelos limo-arenosos compactos e incluso gravas y boleos de grandes dimensiones, el método de excavación elegido fue por medio de un escudo de presión de tierras balanceadas (EPB – Earth Pressure Balance) que permite equilibrar las presiones del terreno en el frente de excavación por medio de la presión que mantiene el material excavado dentro de la cámara de corte del escudo y de esta forma disminuir las perturbaciones dentro del suelo y hacia la superficie, así como a las estructuras vecinas al trazo del túnel. El túnel con tuneladora de la Línea 12 tiene un diámetro de excavación de 10.20 metros y un diámetro terminado revestido de 9.11 m. El revestimiento está compuesto por ani-

llos de dovelas prefabricadas de concreto armado de 40 cm de espesor.

2 Contexto geotécnico 2.1 Trazo de la Línea 12

La línea 12 del Metro de la Ciudad de México corre de la zona sur-oriente de la ciudad (Tláhuac) hacia el poniente de la misma (Mixcoac). A lo largo de su trayectoria utiliza distintos métodos constructivos, comenzando por el superficial, seguido del elevado y posteriormente una transición en cajón para dar paso al túnel excavado con escudo, y finalmente un tramo en túnel convencional, según se indica en la figura 1. El tramo de túnel excavado con escudo EPB inicia en la zona de Mexicaltzingo, donde la línea toma dirección hacia el poniente, y finaliza antes de llegar a la zona de Mixcoac, en la estación Insurgentes Sur. 2.2 Perfil geotécnico del túnel El trazo de la Línea 12 del Metro de la Ciudad de México cruza las distintas zonas geotécnicas definidas en el Reglamento de Construc-

ciones del Distrito Federal (NTC-RCDF, 2004). Inicia en la zona franca de Lago (zona III) en el área de Tláhuac y continúa hacia el noroeste encontrándose con afloramientos de roca correspondientes a Zona de Lomas (zona I). En el tramo donde inicia el túnel se encuentran también depósitos lacustres que, aunque de menor espesor, siguen correspondiendo a Zona de Lago. Conforme el túnel avanza hacia el poniente, los estratos arcillosos disminuyen su espesor y el túnel entra en la Zona de Transición (zona II), para finalmente llegar a la Zona de Lomas, figura 2. En su parte inicial, el túnel se encuentra con una estratigrafía compuesta principalmente por suelos blandos arcillosos con altos contenidos de agua, alta plasticidad y baja resistencia intercalados por lentes de arena y ceniza volcánica. Por encima de estas arcillas blandas se encuentra un estrato de arcilla arenosa de consistencia firme y más arriba la costra o relleno superficial de materiales areno-limosos. Bajo el estrato arcilloso en el que corre el túnel se encuentran los depósitos profundos de limos arenosos y arenas con gravas aisladas.

Figura 1. Trazo de la Línea 12 y sus secciones constructivas.

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do del documento de proyecto “PERFIL ESTRATIGRÁFICO DEFINITIVO DESDE EJE 3 ORIENTE HASTA MIXCOAC” (2009). Con el perfil estratigráfico del túnel establecido y los parámetros geotécnicos de los diferentes estratos definidos, se realizaron cálculos previos al inicio de la excavación para estimar los valores de presión frontal a aplicar durante la fase de excavación con la tuneladora EPB y los asentamientos máximos previsibles en superficie siguiendo lo indicado en (Attewell et al., 1982) y (Kolymbas, 2008). Por otro lado, dada la heterogeneidad, en el sentido longitudinal, de los terrenos atravesados por la tuneladora, y para optimizar el diseño del revestimiento del túnel a base de dovelas de hormigón armado, se ha divido el trazo del túnel en 5 zonas geotécnicamente homogéneas. Se ha elaborado un diseño estructural del revestimiento distinto en cada zona (sin cambio de geometría).

3 Características de la tuneladora El túnel de la línea 12 transcurre en suelos blandos bajo nivel freático en un medio urbano, por lo que el uso de una tuneladora con frente presurizado se imponía. Debido a que en los terrenos que atraviesa el túnel predominan los finos, se recomienda el uso de una tuneladora tipo EPB según lo indicado en la figura 4. En la parte final del túnel, hacia el oeste, prevalecen los terrenos granulares pero la tuneladora EPB puede lidiar con estos terrenos mediante el uso de aditivos condicionantes del terreno. Una vez definido el tipo de tuneladora (EPB), se trabaja de la mano con el proveedor potencial de la tuneladora para considerar las opciones adicionales que debe llevar la máquina para adecuarla a las condiciones de la obra. En este caso, se consideran, para su estudio, parámetros tales como la longitud total por excavar, dimensiones de los pozos de inicio y de salida, diámetro de excavación, gálibo funcional del túnel, método de rezaga, características geométricas del alineamiento del túnel (pendientes y curvas), etc. Las principales características geométricas y físicas de la tuneladora seleccionada están resumidas en la tabla 1.

Figura 2. Trazo de la línea 12 en la zonificación geotécnica de la Ciudad de México (NTC-RCDF, 2004).

Al avanzar hacia el poniente, el túnel se va introduciendo en los depósitos profundos de arenas limosas, limos arenosos y arenas con gravas aisladas. En su tramo intermedio, el perfil ascendente de los depósitos profundos hace que el túnel quede embebido en su parte inferior en estos depósitos más duros. Hacia el final del trazo, el túnel será en su totalidad excavado en los limos y arenas de la zona de Lomas, encontrando a su paso incluso boleos de grandes dimensiones, cuyo manejo es parte de las premisas del diseño del escudo.

El bicomponente es una mezcla de dos líquidos: líquido A, una lechada que a su vez es una mezcla de agua, bentonita y cemento, y puede contener un aditivo retardante; y líquido B: un aditivo acelerante.

Es importante mencionar que los estratos arcillosos en los que se desarrolla el túnel en su tramo inicial están sujetos, como el resto del subsuelo arcilloso de la Ciudad de México, a la consolidación regional por la extracción de agua. Dentro de la información recabada durante la campaña de investigación geotécnica se encontró el nivel de aguas freáticas entre 2 y 3 m de profundidad. De este nivel y hasta profundidades de alrededor 11 a 15 m, la distribución piezométrica es la hidrostática. A profundidades mayores, las curvas piezométricas mostraron abatimiento hasta alcanzar los depósitos profundos donde la presión de poro es prácticamente nula. El perfil estratigráfico del tramo subterráneo de la Línea 12 se muestra en la figura 3, toma-

Figura 3. Perfil estratigráfico del tramo subterráneo de la Línea 12.

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Tabla 1. Principales características de la tuneladora EPB.

4 Ensamble de la tuneladora e inicio de excavación

Diámetro de excavación Diámetro interior del revestimiento Longitud total escudo + back up Empuje máximo Torque máximo Potencia eléctrica instalada Capacidad de rezaga Peso total

El proceso de excavación del túnel de la línea 12 inició con el ensamble de la tuneladora en el sitio de la obra. Comúnmente se lleva a cabo un preensamble y pruebas de las tuneladoras en la planta de fabricación previo a su envío a la obra y posterior ensamble definitivo. En el caso de la tuneladora de la línea 12, se llevó a cabo el primer ensamble de la tuneladora directamente en el sitio de obra en un proceso llamado “On-site First Time Assembly (OFTA)”. El proceso OFTA fue convenido con el proveedor desde la fase de pedido de la tuneladora para reducir el plazo de entrega de los componentes de la misma al sitio de obra. El proceso completo de montaje y prueba de la tuneladora en el sitio de obra tomó 2.5 meses, que se considera dentro del promedio de tiempos de ensamble de tuneladoras similares, lo que significa que el ahorro en tiempo que ha aportado el proceso OFTA es real y puede considerarse en otros proyectos similares.

10.20 m 9.11 m 108 m 8400 Ton 20300 kN.m 5000 kVA 360 m3/h 1100 Ton

La lumbrera de ensamble de la tuneladora está situada entre dos estaciones y fue estructurada mediante muros Milán; es rectangular de 34 m de largo, 14 m de ancho y 17 m de profundidad. Este pozo permitió el ensamble en su fondo del escudo y del primer remolque del back up que contiene en particular el segundo tornillo sin fin, la cabina de operación de la tuneladora y las unidades hidráulicas. El resto de los remolques del back up (6) fueron ensamblados en superficie y conectados al escudo mediante “cordón umbilical” constituido por una serie de mangueras y cables eléctricos que permitieron el inicio de la excavación con los 6 remolques del back up en superficie. A medida que avanzaba el escudo en el terreno se pudieron bajar los remolques por parejas y seguir así avanzando hasta que se completó toda la tuneladora dentro del túnel.

Figura 4. Gráfica de campo de aplicación de tuneladoras EPB y Slurryshield.

Los líquidos A y B están almacenados en dos tanques distintos en el back up de la tuneladora y se inyectan a través de dos circuitos paralelos e independientes. Los dos líquidos se mezclan únicamente en la parte final del sistema de inyección justo antes de llegar al espacio anular. Al momento que se mezclan, el líquido B actúa sobre el líquido A en generar una masa gelatinosa en cuestión de segundos y en algunos minutos se inicia el fraguado de la mezcla. La inyección de la mezcla bicomponente en el espacio anular se realiza de manera simultánea a la excavación a lo largo de todo el túnel. Se inyecta alrededor de los anillos que van saliendo del faldón del escudo. El control de la inyección se efectúa en función al volumen inyectado y a la presión de inyección. Es una práctica común el inyectar un volumen de mortero mayor al volumen teórico del espacio anular debido a las discontinuidades que puedan existir dentro del suelo, por donde la mezcla de inyección se pueda perder, de manera que el volumen extra garantice el llenado adecuado del espacio anular. Para la inyección bicomponente en el escudo de Línea 12 se utilizaron dos criterios de control de la inyección, ésta se detendría al cumplirse cualquiera de las siguientes condiciones: a) El volumen real inyectado es igual al volumen teórico más un 15%. b) La presión de inyección alcanza la presión de confinamiento aplicada en la parte inferior del frente del escudo. Con su fraguado rápido en el terreno, el uso del bicomponente en los terrenos muy blandos con capacidad nula de autosoporte como es el caso de las arcillas blandas de la Ciudad de México nos ha permitido mantener los asentamientos en superficie en rangos controlables que no han afectado las estructuras vecinas.

Figura 5. Proceso de ensamble del escudo.

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Antes de iniciar la excavación se realizó un mejoramiento del terreno detrás del muro de ataque del pozo de ensamble, lo que permitió demoler la sección equivalente a la rueda de corte de la tuneladora en el muro de ataque sin riesgo de inestabilidad del terreno. También se colocó un doble sello circular sobre el muro de ataque, a través del cual se introduce la rueda de corte, que permite iniciar la excavación y elevar la presión en la cámara de corte del escudo sin que haya expulsión de material hacia el interior de la lumbrera. El mejoramiento del terreno se realizó con la sustitución del terreno de mala calidad mediante la ejecución de pilas de suelo-cemento. Este mejoramiento tiene la ventaja, en este caso, de ser de fácil ejecución, económico, y con él se coloca un terreno mejorado estable con resistencia final no muy alta (del orden de 3 MPa).

Este mejoramiento se ha ejecutado en la entrada y salida de todas las estaciones subterráneas cruzadas por la tuneladora y se muestra en la figura 7.

5 Excavación del túnel hasta la estación Zapata La excavación inició en la Lumbrera ubicada en Mexicaltzingo con dirección a la estación del mismo nombre. Este primer tramo significó la curva de aprendizaje de la operación del escudo e implicaba el reto adicional de encontrarse en los suelos menos competentes del trazo y con las coberturas más bajas del tramo subterráneo (alrededor de 7 m). Además en este tramo se encontraban dos curvas con el radio mínimo de proyecto, 250 m, lo que hizo aún más complejo al proceso de excavación. Durante la excavación del primer tramo se realizaron algunos ajustes a la mezcla de inyección bicomponente, eliminando la arena de la mezcla, para obtener un mejor funcionamiento del sistema de inyección y optimizar los resultados de asentamientos en la zona. La rezaga del material excavado fue por medio de bombeo. El siguiente tramo correspondió al tramo más largo, entre las estaciones Mexicaltzingo y Ermita, con una longitud aproximada de 1800 m. El trazo fue prácticamente tangente, sin embargo la longitud de excavación hizo necesaria una estación intermedia para el bombeo de la rezaga hacia la superficie.

Figura 6. Proceso de ensamble del escudo.

En este tramo el escudo excavó entre las pilas de cimentación del puente Churubusco, pasando en la misma sección bajo el Río

Churubusco y el Colector Ejido, a unos cuantos metros de distancia de ambas conducciones subterráneas. La configuración del cruce se muestra en la figura 8. El cruce se llevó a cabo de manera satisfactoria y más adelante se presentan los resultados de la instrumentación geotécnica. El tramo que comprende desde la estación Ermita a la estación Eje Central implicó el cruce del túnel de L-12 por debajo de la Línea 2 en superficie, además de la excavación bajo el paso vehicular deprimido en Tlalpan, con tan sólo 6 m de cobertura. La excavación continuó desde Eje Central hacia la estación Parque de los Venados, en este tramo fue necesario cambiar el método de rezaga ya que el material excavado iba aumentando gradualmente su firmeza y su contenido de arena, debido a que el perfil del túnel se introducía parcialmente en la capa dura. Se instaló el sistema de rezaga por banda transportadora, el cual durante los primeros metros no fue tan eficiente ya que aunque el material era más arenoso, seguía siendo altamente cohesivo. En este tramo además se excavó el túnel bajo algunas edificaciones en la zona de la primera curva, donde el túnel transcurre bajo eje 8 y toma Av. Div. Del Norte. Finalmente, para la excavación de Parque de los Venados a Zapata fue necesario cruzar bajo la Línea 3 del metro, la cual corre en un cajón subterráneo. Para ello fue necesario excavar a una distancia de tan sólo 3 m de la línea 3 existente. Debido a la configuración arquitectónica de la estación Zapata de Línea 12, la cual comienza al lado oriente del cajón de Línea 3 y termina al lado poniente de la misma estructura, y a que ambos lados de la

Figura 8. Configuración del cruce bajo el Puente y Río Churubusco.

Figura 7. Vista del terreno mejorado.

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estación debieron ser excavados previo al paso del escudo, la tuneladora debió salir del terreno y volver a entrar para excavar únicamente el tramo bajo la línea la Línea 3. Para ello se tomó la precaución de colocar un relleno de suelo-cemento a la entrada y salida bajo L-3, el cual permitiría al escudo incrementar la presión en la cámara gradualmente para no causar daño al cajón subterráneo. La figura 9 muestra la planta del cruce de Línea 12 y Línea 3.

en los resultados de las mediciones llevadas. Esto supone una alimentación permanente, y en tiempo, de la información generada al equipo de ejecución del túnel para. en caso necesario, poder actuar de manera oportuna. A la fecha, los resultados de esta instrumentación han sido conforme a lo previsto en cada una de las zonas geotécnicas atravesadas por el túnel. Los asentamientos máximos a lo largo del eje de trazo han sido iguales o menores a los calculados sin afectar las estructuras vecinas y las convergencias dentro del túnel han sido limitadas a un máximo de 0.2% del diámetro interior del túnel. La instrumentación detallada ha sido instalada estratégicamente en las siguientes cinco secciones: a) Iglesia de San Marcos Mexicaltzingo: Paso del eje de la tuneladora a 10 m de una iglesia del siglo XVI con cimentación superficial. b) Cruce Churubusco: Paso del túnel bajo el colector Ejido de 4 m de diámetro, bajo el entubamiento del Río Churubusco y entre las pilas de cimentación de cuatro columnas del puente vial. La distancia entre el techo del túnel y la base del colector fue de 4 m. La distancia mínima entre el túnel y las pilas de los apoyos del puente fue de 5 m. c) Cruce Tlalpan: Paso del túnel bajo la línea 2 del Metro, la cual es superficial en este tramo, con una cobertura de apenas 8 m y cruce bajo el paso deprimido vehicular con una cobertura de apenas 6 m. d) Cruce Tokio: Paso del túnel bajo edificaciones de 1 a 3 niveles con cimentación superficial y en un caso con un nivel de sótano. Paso del túnel a una distancia mínima de 60 cm de las pilas de cimentación de un edificio. e) Cruce Zapata: paso del túnel bajo la línea 3 del Metro la cual está en un cajón somero con una cobertura de 3 m.

Figura 9. Cruce del túnel de Línea 12 con Línea 3.

6 Instrumentación geotécnica La instrumentación geotécnica es una herramienta muy importante dentro del proceso de excavación de un túnel, ya que permite verificar los efectos que la excavación está produciendo en el terreno, en superficie, en el mismo túnel y en las estructuras cercanas al él. Son muchas las variables que pueden medirse al paso del escudo, sin embargo, la más importante y fácil de medir son las deformaciones o desplazamientos que la excavación produce en la superficie del terreno. Además, con el asentamiento que se calculó previamente, es posible controlar de manera más eficiente el proceso de excavación.

A pesar de la complejidad de estos cruces, después de realizar análisis numéricos de interacción suelo-estructura para simular el paso de la tuneladora, se concluyó que llevando un control riguroso de los parámetros de avance, las deformaciones que iban a ser generadas no ocasionarían desperfectos a las estructuras. Por tanto, no fue necesario realizar trabajos de refuerzo del terreno alrededor de estos cruces antes del paso del escudo.

Debido a las condiciones tan complejas en las que se está excavando el túnel de la línea 12: terreno poco competente, bajas coberturas, en zona urbana y con la presencia de estructuras sensibles; se ha elaborado un extenso plan de instrumentación a lo largo del trazo del túnel que incluye mediciones en superficie y en profundidad, en el terreno y en las estructuras potencialmente afectadas incluyendo el propio túnel. El plan de instrumentación se dividió en dos partes:

En cada caso, los instrumentos fueron instalados con anticipación y las lecturas fueron verificadas y estabilizadas antes del paso de la tuneladora. La instrumentación detallada, a excepción de los inclinómetros, mide de manera continua con la frecuencia deseada y los datos son almacenados en un datalogger que a su vez es verificado y sus datos analizados hasta 4 veces por día.

a) Instrumentación convencional a lo largo del trazo del túnel que incluye: referencias superficiales sobre el eje del túnel, referencias transversales al eje del túnel, medición de convergencias en el túnel, referencias en todas las fachadas de edificaciones vecinas al trazo del túnel y medición de inclinación de todos los edificios de más de 3 pisos adyacentes al trazo del túnel. b) Instrumentación detallada, enfocada en estructuras sensibles o secciones representativas del trazo, que incluye: inclinómetros, extensómetros, piezómetros, piezo-celdas, celdas de carga en las dovelas del revestimiento, medición de convergencias automatizadas dentro del túnel y clinómetros en las estructuras sensibles.

En las figuras 11 a 13 se muestran algunos resultados de mediciones durante y después del paso de la tuneladora por el cruce Churubusco. Se puede observar que las magnitudes de las deformaciones fueron limitadas y tendieron hacia la estabilidad rápidamente después del paso de la tuneladora. De manera similar ocurrió con la presión piezométrica, en la que se notó un incremento temporal durante el paso de la tuneladora y después del paso se volvió a estabilizar a su valor previo. Esto demuestra también que el túnel es estanco y no actúa como un dren.

La instrumentación convencional permite llevar un control continuo durante la fase de excavación del túnel para poder corregir el procedimiento de excavación en caso de registrarse cualquier anomalía 12

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Este control se realiza gracias a que se dispone en tiempo real de una conexión que permite la visualización de todos los parámetros de avance de la tuneladora desde cualquier ordenador con conexión a internet. Estos datos además se almacenan con una frecuencia seleccionada y se procesan diariamente para su posterior análisis.

Figura 11. Lecturas de clinómetros en las columnas del Puente Churubusco.

Figura 12. Lecturas de piezómetros en el cruce con Churubusco.

Todo ello fue resultado de un estricto control de los parámetros de avance de la tuneladora: la presión frontal, y el volumen y presión de inyección de la mezcla bicomponente en el espacio anular entre terreno y revestimiento.

Figura 13. Lecturas de inclinómetro en el cruce con Churubusco.

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7 Conclusiones

En el cruce con Línea 3 en la estación Zapata, igualmente fue necesario instalar instrumentación detallada durante la excavación del tramo. En este caso se instalaron clinómetros en el cajón de L-3 y una retícula de referencias topográficas superficiales, además de que se monitoreó el perfil de las vías y el cajón de manera topográfica. Las figuras 14 a 16 muestran algunos de los resultados.

El túnel de la línea 12 del Metro de la Ciudad de México atraviesa las tres distintas zo-nas de subsuelo del valle de México, desde los suelos arcillosos blandos típicos del valle, con altos contenidos de agua, alta plasticidad y baja resistencia, pasando por la zona de transición y hasta la zona de Lomas con suelos limo-arenosos más compactos al final del trazo. Además, se trata de un túnel de gran diámetro, 10.20 m de excavación, con coberturas muy bajas, entre 7 y 14 m, lo que hizo necesario llevar un estricto control de los parámetros de avance de la tuneladora durante la fase de excavación.

Nuevamente se observa que los desplazamientos en la estructura de L-3 fueron de magnitudes bastante pequeñas, de donde se concluye que el control de la excavación bajo la Línea 3 fue adecuado y no produjo efectos significativos en la misma estructura.

Para la excavación de este túnel se eligió el método de excavación con tuneladora tipo EPB a la cual se acondicionaron algunos complementos necesarios para llevar un mejor control de las deformaciones en las condiciones adversas de excavación de este túnel. El método de rezaga utilizado inicialmente fue el bombeo, debido a que el material excavado eran suelos finos blandos. Sin embargo, conforme avanzó la excavación y el escudo se encontraba con suelos con mayor contenido de arena y menor humedad, fue necesario implementar el sistema de banda transportadora para la rezaga desde el frente. A lo largo del tramo excavado, la tuneladora se encontró cerca de varias estructuras y cruces sensibles entre los cuales sobresale el cruce Churubusco, con el puente y río del mismo nombre y el Colector Ejido, y el cruce bajo el cajón de Línea 3. En ambos casos, fue imperativo colocar instrumentación detallada e irla monitoreando de manera continua para observar y minimizar los efectos sobre las estructuras cercanas, y de igual forma en ambos casos los resultados fueron satisfactorios.

Figura 14. Desplazamientos en clinómetros en el cajón de L-3.

Con la instrumentación instalada en todo el tramo subterráneo fue posible medir en tiempo real los efectos de la excavación en el entorno. Los resultados muestran que el control de los parámetros de avance de la tuneladora ha sido adecuado. Los parámetros de avance se han controlado basándose en valores calculados, y estos valores dependen de los datos geotécnicos del terreno obtenidos a partir de una extensa campaña geotécnica.

Referencias Figura 15. Desplazamientos verticales en referencias topográficas dentro del cajón de L-3.

1. Attewell y Woodman (1982), Predicting the Dynamics of Ground Settlement and its Derivatives Caused by Tunnelling in Soil, Ground Engineering 15(8), pp 13-22, citado en Guglielmetti (2008), Mechanized Tunnelling in Urban Areas, CRC Press, UK, pp 117-121. 2. Kolymbas (2008), Tunnelling and Tunnel Mechanics – A Rational Approach to Tunnelling, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, Alemania, pp. 331-336. 3. NTC-RCDF (2004) Normas Técnicas Complementarias para Diseño y Construcción de Cimentaciones del Reglamento de Construcciones del Distrito Federal. 4. “PERFIL ESTRATIGRÁFICO DEFINITIVO DESDE EJE 3 ORIENTE HASTA MIXCOAC” (2009), plano de proyecto PMDF-09-MS-612000-III-0001 -01593-P-00.

Figura 16. Desplazamientos verticales en las vías de L-3.

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Artículo

Hong Kong West Island Line, sección 703 Bernard Theron, CSM BESSAC

Trabajo presentado en el 2° Simposio Internacional de Túneles y Lumbreras en Suelos y Roca organizado por AMITOS y la SMIG en febrero de 2012

1 Ubicación

1.1 Ubicación general El proyecto West Island Line (WIL) consiste en prolongar 3 km la línea de metro existente Island Line en la parte occidente de la isla de Hong Kong (Figura 1). La primera sección, la 703, conectará a la estación de metro existente Sheung Wan y se encuentra ubicada en medio de una de las zonas más densamente urbanizadas de toda la ciudad, con edificios de más de 20 niveles y calles muy estrechas. Uno de los túneles tiene que empatar con un túnel trasero existente de la estación Sheung Wan del metro. Por si no fuera suficiente, el trazado de los túneles se encuentra en las zonas de transición de suelos blandos a rocas, a una profundidad de 35 m en su parte menos profunda y con un nivel freático a tan sólo 2 m de la superficie. Finalmente, en el trazo de los túneles, varias obstrucciones humanas —como antiguas estructuras metálicas o cimentaciones de edificios— tienen que ser removidas. 1.2 Constitución de las obras La sección 703 consta de varios frentes de trabajo: - La lumbrera King George V, que consiste en un acceso vertical que servirá como lumbrera de ventilación al finalizar las obras de la West Island Line (esta lumbrera permite la evacuación de los lodos desde los túneles en D&B del contrato 703, pero también de los túneles del 704).

Figura 2. Ubicación de las obras de la sección 703 de la WIL.

- La lumbrera Sai Woo Lane, que servirá al final como lumbrera de ventilación y de acceso (salida A) para la estación de Sai Ying Pun, construida por el consorcio encargado del contrato 704. - El túnel de 5.45 m de diámetro interno realizado con una tuneladora de tipo Mixshield de 6.40 m de diámetro. - La remoción de los obstáculos a lo largo del trazo. - El túnel de 32 m• de sección total tipo herradura realizado con el método convencional en las zonas rocosas, del lado de la sección 704. Hong Kong West Island Line, sección 703

RESUMEN: Hong Kong es hoy uno de los lugares más relevantes del mundo en lo que a construcciones subterráneas se refiere. Dentro de todos los proyectos en curso de realización se encuentra la construcción de la West Island Line del sistema metro, que ha sido divida en varias secciones. Con una longitud de tan sólo 1 km, la sección 703 es probablemente uno de los proyectos más complejos debido tanto a la densa urbanización en la superficie como a los terrenos muy difíciles en zonas de transición de suelos a rocas. Estos aspectos requirieron el uso de casi todas las técnicas de ejecución de obras subterráneas. El cliente, MTR, adjudicó este contrato a la UTE Dragages TP (Bouygues) — Soletanche Bachy — Maeda por un valor de US$206 M. - Las galerías de conexión entre las lumbreras y las estaciones. - Un total de 11 obras de inyección a lo largo del trazo. - La demolición del túnel trasero de la estación Sheung Wan con una máquina especialmente diseñada para este proyecto, denominada TDM (Tunnel Dismantling Machine). - La demolición de tres edificios en la superficie. - El control continuo de los movimientos en la superficie.

Figura 1. Ubicación de la sección 703 de la WIL.

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1.3 Programa general

en Hong Kong, con límite de vibraciones inferiores a 5 mm/s indicado por medidores ubicados en puntos críticos a unos 36 m de distancia. Para minimizar la producción de polvo así como los efectos de presión excesiva se empleó también el water ballast.

El proyecto fue adjudicado el 12 de agosto de 2009 y su fecha prevista de entrega es el 2 de septiembre de 2013. Dentro de los límites del plazo, una de las actividades más críticas es la ocupación del túnel trasero existente, que tiene que terminarse dentro del periodo de un año, entre septiembre de 2011 y agosto de 2012.

Finalmente, al estar la lumbrera en medio de una zona urbana, se tuvo que poner una cubierta sobre el pórtico. Las voladuras empezaron a intervalos de 0.80 m y terminaron a intervalos de 2 m. Gracias al empleo de esa técnica, se pudo terminar la excavación de la lumbrera en tan sólo 3 meses para los 40 m de perforación en granito, casi 2 meses de adelanto con respecto al programa, lo que permitió al consorcio modificar las secuencias de realización de los túneles.

Por esta razón, se tuvo que adelantar el inicio de excavación de la tuneladora y, para ello, adaptar la metodología de excavación de la lumbrera Sai Woo Lane.

2 Las lumbreras King George V (KGV), Sai Woo Lane (SWL) y Ko Shing Street (KSS)

2.2 SWL

2.1 KGV

La lumbrera Sai Woo Lane fue un verdadero concentrado de dificultades.

Con una profundidad de 60 m y un diámetro de 10 m, los primeros 30 m de esta lumbrera se excavaron en suelos blandos utilizando como técnica de soporte de los muros los •pipe piles” (pilotes encamisados tangentes). Posteriormente se encontró el techo de roca (granito) (ver Fotos 1 y 2). Inicialmente prohibido, el uso de explosivos fue aceptado después de que el consorcio logro justificar el empleo por primera vez de los detonadores electrónicos en la excavación de lumbreras

- El único acceso a esta lumbrera era una calle de 4 m de ancho, lo que impedía cualquier entrega de piezas pesadas (ver Foto 3). - La zona de trabajo se encontraba en medio de edificios altos con asentamientos permitidos muy bajos (ver Foto 4). - Dos edificios altos tenían que ser destruidos para permitir tanto la realización de la lumbrera como para liberar espacio. - La geología se encontraba en el límite de suelos rocosos con suelos blandos. - Los criterios de movimiento de nivel freático eran de tan sólo 45 cm. - El programa general de obra requería un arranque rápido de la excavación.

Foto 1. Proceso de construcción de la lumbrera KGV.

Foto 3. Acceso a lumbrera SWL.

Foto 2. Proceso de construcción de la lumbrera KGV.

Foto 4. Vista aérea de la zona de trabajo de la lumbrera SWL.

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2.3 KSS

La UTE optó por dividir la lumbrera en tres partes: la lumbrera norte, la lumbrera del TBM y la lumbrera sur.

Ésta es una lumbrera existente de ventilación ubicada al final del túnel trasero existente. Considerando la necesidad de mantener los servicios del metro, esta lumbrera se utiliza para realizar todas las operaciones de demolición del túnel trasero. A pesar de varias adaptaciones que se tuvieron que hacer, como la remoción de todos los equipamientos interiores o la destrucción de losas intermedias, el espacio resultante es muy pequeño (2 x 4 m), lo que obligó a diseñar el equipo TDM con partes no mayores a ese tamaño. Además, se tuvo que adaptar la zona en la superficie para ubicar un pórtico con geometría especial que permitió bajar las piezas pesadas del TDM.

La obra arrancó con la realización de la lumbrera del TBM con muro Milán para minimizar los impactos sobre el nivel freático y los asentamientos. Muy pronto se encontraron bloques de granito y un techo de roca más alto de lo previsto. La necesidad de usar un trépano originó varias quejas de los vecinos. Se decidió por tanto realizar pre-perforaciones a la roca. Esa experiencia hizo cambiar la metodología de ejecución para las lumbreras siguientes a la técnica de pilas entubadas tangentes y con inyección de estanqueidad. La lumbrera sur sólo se pudo arrancar una vez realizada la demolición de dos edificios, razón por la cual se había decidido realizar la lumbrera SWL en tres partes (ver Figura 3).

Se necesitó también ubicar en el túnel mismo todos los equipos de producción (agitadores de concreto, bombas de concreto, planta de producción de aire, planta hidráulica) debido a la falta de espacio en la superficie.

3 Cross Over Box 3.1 Uso inicial

La Cross Over Box es la parte trasera de la estación del metro Sheung Wan (ver Foto 6). Tiene como objetivo permitir a los trenes cambiar de vía, así como poder estacionar un tren completo que ha sufrido alguna deficiencia mecánica. Durante la realización del proyecto, se ha limitado el impacto sobre el funcionamiento de la línea Island Line al sólo permitir el acceso al túnel trasero durante un año y, como se indicó anteriormente, sólo mediante el acceso de la lumbrera KSS. Mientras se está trabajando en esa sección de la obra, MTR organizó medidas de emergencia con autobuses, en caso de que resultara necesario.

Figura 3. Lumbrera SWL en tres partes (edificios achurados en rojo por demoler).

Foto 6. Vista del túnel trasero en la Cross Over Box.

3.2 Obstrucciones El túnel trasero existente fue construido mediante aire comprimido hace más de 30 años. Durante su construcción, algunos pilotes cercanos tuvieron que ser reforzados, razón por la cual se emplearon perfiles metálicos que finalmente se encontraron en el trazo del túnel por construir. En un principio se acordaron dos alternativas para removerlos, en función del tamaño y del número de obstrucciones: o

Foto 5. Pórtico de la lumbrera KSS.

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a partir de la tuneladora durante intervenciones hiperbáricas (a 3 bar de presión), o antes del paso de la tuneladora haciendo un tratamiento previo. Para determinar el método se realizaron sondeos geofísicos y finalmente se decidió remover los perfiles antes del paso de la tuneladora. Por tal efecto, se decidió realizar una galería con método convencional después de haber hecho una congelación de la zona.

- A lo largo del túnel trasero por remover, para disminuir fugas de aire al sacar las dovelas. - Zonas donde se desmantelará la tuneladora Mixshield. - En pozos donde se empleó la técnica de pilotes encamisados tangentes, para estanqueidad y disminución de los riesgos de abatimiento del nivel freático. - Consolidación y estanqueidad de algunas zonas del túnel realizado con el método convencional y donde se encontraron suelos blandos en las partes superiores. - Zona de congelación de suelo, para reducir el gradiente hidráulico y permitir la congelación.

3.3 Congelación La congelación se realizó sobre una longitud de 30 m, al encontrarse los perfiles por remover a una distancia de 22 a 25 m a partir de la Cross Over Box. Todas las instalaciones para la perforación así como para la congelación se colocaron en la Cross Over Box (ver Foto 7), manteniendo en servicio todas las operaciones del metro. Por ello se tuvieron que implementar medidas especiales, como la construcción de un muro de protección con resistencia de cuatro horas al fuego entre la zona de trabajo y el espacio reservado a los trenes, la ubicación de los grupos de congelación fuera de la plataforma de trabajo (ver Foto 8) o entregas de equipos fuera del horario de servicio.

4.2 Técnicas de inyección Ambas técnicas de inyección de cemento:bentonita y de silicato fueron utilizadas en los varios puntos de inyección. Estas inyecciones se realizaron o desde la superficie, cuando el acceso lo permitía o desde los túneles: del túnel existente, en el caso de la inyección del túnel trasero, del túnel recientemente excavado, en el caso de inyección de estabilización cuando el techo de roca era insuficiente en uno de los túneles del metro.

5 Los Túneles

5.1 Túnel con método convencional Todos los túneles cercanos a la sección 704 se encontraban ubicados en zonas rocosas, por tanto, fueron excavados con uso de explosivos. Además, la geometría de varios de ellos no permitía el uso de una tuneladora. Además de los túneles de la línea misma del metro se hicieron los túneles de acceso a la lumbrera de ventilación, así como dos Cross Pasajes, dos túneles de acceso peatonal a la futura estación Sai Ying Pun y las galerías de montaje del TBM. En total, fueron 1,050 m de túnel ejecutados con esas técnicas.

Foto 7. Trabajos de congelación.

Se utilizaron tres Jumbo Robodrills de dos brazos para realizar el túnel de 32 m• de sección tipo herradura en una roca constituida de granito de 200 MPa de resistencia a la compresión simple. El soporte temporal estuvo constituido por concreto lanzado y pernos (ver Foto 9). Cada voladura tenía en general 4 m de largo. En zonas de alta sensibilidad, donde las vibraciones permitidas eran muy bajas, se usó también detonadores electrónicos.

Foto 8. Grupos de congelación.

4 Las inyecciones

4.1 Lugares de inyección En total se han determinado 11 frentes de inyección. Estas inyecciones tienen varios objetivos: - Zonas donde se harán inspecciones de la rueda de corte de la tuneladora. - Zonas para disminuir los riesgos de asentamientos de edificios.

Foto 9. Túnel realizado con explosivo.

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Una de las zonas más delicadas para excavar se detectó cuando al perforar se vio que el frente de excavación iba a ser constituido parcialmente de aluviones. Se tomó la decisión de realizar un tratamiento previo de inyección y el rendimiento bajó considerablemente. Para limitar el atraso, se decidió realizar la excavación a partir de ambos extremos del túnel. El revestimiento final del túnel se encuentra constituido por una pared de concreto armado de 550 mm de espesor. 5.2 Túnel con TBM La excavación en zonas de transición así como en suelos aluviales se realiza con un TBM Mixshield Herrenknecht de 6.40 m de diámetro de excavación (ver Fotos 10 y 11).

Foto 11. Ensamble de la tuneladora en la lumbrera.

corte están instrumentados, dando así parámetros a los operadores sobre los esfuerzos y los desgastes que pueda tener la rueda de corte. El revestimiento del túnel está constituido por anillos de 6 dovelas de 1.50 m de largo y de 5.45 m de diámetro interior. La excavación del primer túnel empezó en septiembre de 2011 y se tiene previsto terminar la totalidad del túnel a final de 2012.

6 Las demoliciones

6.1 Demolición del túnel existente La estación de metro Sheung Wan es actualmente la estación terminus de la línea y por tanto cuenta con un túnel trasero que permite a los trenes estacionarse o cambiar de vías. La prolongación de esa línea sobre un trazado distinto del inicialmente previsto tuvo como efecto desalinear el túnel existente del túnel por construir. El revestimiento del túnel existente está constituido o por anillos de segmentos de concreto prefabricados o de segmentos de hierro dúctil (ver Fotos 12 y 13) que la tuneladora hubiera sido incapaz de excavar sin causar considerables daños a la rueda de corte y con varias intervenciones hiperbáricas.

Foto 10. Descenso de la rueda de corte.

Dos tramos son realizados en esa sección a partir de la misma lumbrera SWL: un tramo de 592 m que termina contra la pared de la Cross Over Box donde se abandonará el escudo en el suelo, por debajo de la protección de una congelación de suelo adicional, sacando las piezas por el interior del túnel construido, y un tramo de 217 m que empata con el túnel trasero, luego de haber avanzado en la zona donde se habrán previamente removido los segmentos de concreto armado y de acero. Gran parte de la zona de la lumbrera de trabajo está cubierta para disminuir el impacto del ruido en el vecindario. La TBM consta de 2 cámaras hiperbáricas dobles, para poder intervenir en la cámara de excavación bajo 3.3 bar de presión. Los discos de

Foto 12. Anillos de segmentos de concreto prefabricados del revestimiento del túnel existente.

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Por lo tanto, se decidió intervenir ante el paso de la tuneladora para remover el revestimiento existente. Tanto el nivel freático como los tipos de suelos y los edificios construidos en la superficie dieron a esa operación un grado de dificultad poco común. Asimismo, el acceso para intervenir en la zona del túnel agregó una dificultad adicional, ya que se tuvo que diseñar y construir un equipo especial capaz de ser introducido por partes no mayores a 3 x 2 m y ensamblado posteriormente en el túnel. Ese equipo TDM se diseñó y se construyó en Francia en la planta de CSM BESSAC, filial de Soletanche-Bachy (ver Figura 4 y Foto 14). Los objetivos del TDM son: - Ser capaz de quitar uno por uno los segmentos del túnel existente, sustituyéndolos por un revestimiento que la tuneladora pudiera excavar sin dificultad. - Mantener una contrapresión en el frente para evitar cualquier desprendimiento del terreno, al removerse un segmento. - Reconstituir el soporte del túnel fácilmente excavable con una tuneladora. - Rellenar el túnel existente a medida que se va moviendo el TDM.

Foto 13. Segmentos de hierro dúctil del revestimiento del túnel existente.

Para lograr esos resultados se diseñó un equipo utilizando las técnicas empleadas en algunas tuneladoras de ataque puntual bajo aire comprimido. El TDM tiene un brazo equipado de una pinza, de un martillo y de una lanza de concreto proyectado. El brazo está montado sobre una torreta de 360° de rotación. La presurización del frente se logra

Figura 4. Tunnel Dismantling Machine (TDM).

Figura 5. Tunnel Dismantling Machine (TDM).

Foto 14. Tunnel Dismantling Machine (TDM).

Figura 6. Secuencia de remoción de una dovela.

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7 Conclusión

gracias a una mampara detrás de la cual los operadores pueden trabajar a presión atmosférica. El traslado de los segmentos removidos se hace a través de una cámara dimensionada para que entre un solo elemento (ver Figuras 5 y 6).

En el momento en que se celebra este congreso ya ha concluido la excavación de todas las lumbreras, así como de los túneles realizados por el método convencional, y se ejecutaron con éxito a pesar de todas las dificultades previamente descritas. El empleo del TDM deberá disminuir los riesgos al remover el túnel trasero, siendo ésta su razón de ser. A la fecha, el avance de la obra se encuentra conforme a contrato.

En caso de que se llegaran a requerir intervenciones humanas en el frente, se equiparon dos cámaras hiperbáricas dobles para poder trabajar hasta 3 bar de presión.

Figura 7. Estructura trasera para retomar los esfuerzos. Foto 15. Montaje en túnel falso.

La estanqueidad entre el TDM y el revestimiento existente se hace por medio de cepillos especialmente diseñados y probados en planta simulando la ovalización del túnel. Al final se implementaron unos sectores de acero para proteger las partes superiores cuando se estuvieran sacando las dovelas inferiores. Los esfuerzos inducidos por la presión del aire en el frente son retomados por una estructura metálica trasera constituida por varios elementos de 3 m, apoyados sobre anillos de concreto (tres en total) construidos en el túnel, que se quitarán conforme retroceda el TDM (ver Figura 7) y que se reciclarán. La primera etapa fue la preparación del túnel existente con la construcción de una mampara. Luego se hizo la inyección del trasdos de las dovelas para disminuir las fugas de aire cuando se quitara cada una de ellas. Al mismo tiempo se retiró la losa del túnel y se taparon los huecos de reservación de cada dovela, así como se inyectaron en 4 puntos distintos del túnel las juntas de las dovelas. Una vez terminada esa preparación, se podrá introducir el TDM por piezas y empezar el ensamblado, que tardará prácticamente 2 meses. Para minimizar el tiempo de montaje, ya se realizó una prueba a escala real en la planta de CSM BESSAC en Francia, en un túnel falso (ver Foto 15). De esta manera se pudieron hacer algunas adaptaciones tanto al equipo como al método. Se realizaron asimismo ensayos de proyección de concreto lanzado en una cámara bajo 3 bar de presión con el fin de estudiar el efecto de la contra presión y ajustar los parámetros, por lo que es probablemente una primicia mundial. El rendimiento previsto para la remoción del túnel de 130 m es del orden de 1 anillo por día, y su terminación está prevista para agosto de 2012. Te pongo más fotos por si acaso. 21

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Artículo

Técnicas mineras en la excavación del Teatro Romano de Cádiz, España. Emilio Yanes Bustamante, Arquitecto Alejandro Cobo Fernández, Arquitecto

Trabajo presentado en el 2° Simposio Internacional de Túneles y Lumbreras en Suelos y Roca organizado por AMITOS y la SMIG en febrero de 2012

1 Reseña histórica

En el momento actual este proceso se enfrenta al dilema de hacer compatible la recuperación del teatro con la conservación de los edificios que gravitan sobre él y que constituyen piezas relevantes del Barrio del Pópulo (Fig. 2), como son la Posada del Mesón o los edificios de viviendas con fachadas a las calles Mesón, Bajada de Escribano y Silencio.

1.1 Introducción

El Teatro Romano de Cádiz se localiza en el barrio del Pópulo, entre la Catedral Vieja y el Arco de Blanco. Una parte considerable del mismo se encuentra bajo construcciones medievales y modernas, lo que dificulta su excavación (Fig. 1). Todo un barrio medieval y otras construcciones posteriores se levantaron encima de este teatro, aprovechando gran parte de sus materiales y los desniveles propios del edificio.

Dado que en la actualidad se cuenta con técnicas contrastadas que permiten abordar la excavación del teatro conservando con seguridad las construcciones supra yacentes, éste es el objetivo que se persigue.

2 Trabajos previos 2.1 Introducción

Han tenido por objeto verificar la existencia cierta de restos arqueológicos de interés bajo las edificaciones que los ocultan, de manera que se garantice que la operación de recuperación que se plantea no sea un fiasco. Para ello se ha procedido como sigue:

Figura 1. Vista panorámica del Teatro Romano de Cádiz, con las edificaciones objeto de consolidación.

Descubierto en 1980 y considerado en la actualidad uno de los mayores edificios de este tipo en España. Es de finales del Siglo I a.C., y fue mandado construir por encargo de Lucio Balbo “el Menor”. Durante la década de los ochenta se lleva a cabo por parte de las administraciones públicas de España la adquisición de solares ocupados para construcciones sin valor arquitectónico, con el fin de, tras su demolición, proceder a la subsiguiente excavación arqueológica. Esta excavación se desarrolló durante la siguiente década, recuperándose una parte significativa de la cávea o graderío. Los primeros años del presente siglo permitieron la realización de obras de conservación y consolidación de lo excavado.

•• Elaboración de un trazado geométrico general del Teatro en base a lo ya excavado y a la información contenida en los diversos tratados. •• Reconocimiento del área por métodos geofísicos no destructivos, capaces de proporcionar una información de carácter global sobre el conjunto arqueológico oculto y sus restos y definir, simultáneamente, las características geotécnicas del subsuelo, diferenciando rellenos antrópicos, suelos más o menos consolidados y sustrato rocoso resistente para proyectar el apoyo de los edificios a conservar. •• Verificación de la existencia de restos arqueológicos y análisis de la correlación entre el trazado geométrico general elaborado, los resultados geofísicos y las excavaciones arqueológicas. 2.2 Constatación de la existencia de restos arqueológicos El primer paso se abordó utilizando dos técnicas complementarias: la sísmica pasiva y el geo-radar dado que son los dos únicos métodos capaces de aportar información fiable y de interés cuando se trata de una zona urbana ocupada en gran parte por edificios. Para poder interpretar los datos que estas dos técnicas geofísicas nos revelaban se hizo necesario elaborar una hipótesis de trazado general (Fig. 3) dado que no hallábamos correspondencia con los trazados teóricos de los que disponíamos en aquel momento. La sísmica pasiva es de mayor interés en este caso, porque permite diferenciar los diversos niveles del terreno y/o construcciones, caracterizándolos en función de su grado de cohesión y consolidación; mientras que el método del georadar tiene carácter complementario porque es capaz de identificar discontinuidades o heterogeneidades del subsuelo pero sin aportar información geotécnica.

Figura 2. Planta del Teatro Romano de Cádiz y construcciones existentes del Barrio del Pópulo.

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•• En el PERFIL SP-12 realizado a lo largo de la Calle Bajada Escribano, detectamos una zona de altas velocidades de Vs que se interpretan como posibles restos de muros. •• En el PERFIL SP-10 que discurre a lo largo de la Calle Mesón se detecta de forma continuada una zona que correspondería con posibles restos de muros.

Figura 3. Planta Hipótesis previa del trazado general del Teatro.

2.3 Métodos Geofísicos Para la aplicación de la sísmica pasiva se diseño una amplia campaña que abarcara todas las zonas accesibles correspondientes con el área del teatro (Fig. 4). En este sentido se han ido desarrollando perfiles a lo largo de las calles Mesón, Silencio y Bajada de Escribano; en el interior de los inmuebles Posada del Mesón y el nº 13 de la misma calle; y longitudinalmente a lo largo del Teatro.

Figura 6. Perfil SP-10 de los ensayos de sísmica pasiva

Si superponemos la información obtenida en la campaña de Sísmica Pasiva sobre el trazado en hipótesis del teatro, los posibles restos de muros que señala el Perfil SP-10 coincidirían con el muro posterior de la scaena; de la misma forma los restos determinados por el Perfil SP-12 podrían corresponderse con la scaenae frons ó con el proscaenium (Fig. 7).

Figura 4. Situación de los ensayos de sísmica pasiva.

Una vez interpretada cada uno de los perfiles, aunque todos revelan datos geotécnicos de vital importancia, destacamos los enunciados como SP-10 y SP-12 que desarrollan a lo largo de las calles Mesón y Bajada de Escribano respectivamente (Figs. 5 y 6).

Figura 7. Resultados de las sísmica pasiva.

El método geo-radar es una técnica geofísica también de carácter no destructivo que interpreta la intensidad de la señal reflejada en una determinada anomalía del subsuelo, como puede ser una construcción. Mediante éste método se reconoció un área similar a la estudiada mediante Sísmica Pasiva, realizando si cabe un mayor número de perfiles. •• El PERFIL GR-3 recorre la Calle Mesón desde la Calle Silencio a la “Posada del Mesón”. Los resultados muestran de forma continua distintos puntos donde podemos encontrar restos de muros. •• Los PERFIL GR-5 y GR-6 se realizaron a lo largo del inmueble sito en C/. Mesón 11, la “Posada del Mesón”. Las lecturas tomadas, en ambos casos, muestran indicios de posibles restos de muros en dos tramos: en los primeros metros y al final de la medición.

Figura 5. Perfil SP-12 de los ensayos de sísmica pasiva

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Superponiendo la información que nos ofrece los resultados obtenidos con el Geo-radar sobre el trazado en hipótesis del teatro, los posibles restos de muros que señala el Perfil GR-3 podrían coincidir con el muro posterior de la scaena; de la misma forma los restos determinados por los Perfiles GR-5/GR-6 podría corresponderse con parte de la cavea ó con el scaenae frons, según el caso (Fig. 8).

Figura 9. Situación de los ensayos de sísmica pasiva y geo-radar.

Tras verificar la real correlación entre los resultados de los estudios geofísicos y las excavaciones realizadas, habiéndose comprobado la existencia de restos de interés allí donde la geofísica los sitúa y, de igual manera, la inexistencia de elementos arqueológicos allí donde la geofísica no los localiza, se ha procedido a plantear un proyecto que, pudiendo desarrollarse en fases sucesivas, permita la recuperación total del teatro romano, la contemplación de sus ruinas y la conservación simultanea de las edificaciones que sobre él se apoyan.

Figura 8. Hipótesis de trazado general.

2.4 Verificación de la existencia arqueológica Cruzamos ahora las informaciones de ambos estudios geofísicos y las situamos sobre la Hipótesis de Trazado planteada, de esta forma obtenemos un marco verosímil del área de actuación (Fig.9).

Túnel Amozoc-Perote

Reparación Emisor Central D. F.

Microtuneleo

Túneles gemelos eje 5 poniente

Construcción de Lumbreras

Mejoramiento de Suelos y Rocas

Excavación de Túneles

Cimentaciones Profundas

Microtuneleo

Obras Hidráulicas

Hincado de Tubería Túnel Bosques de Santa Fe

Estabilización de Taludes

Lombardo Construcciones, S. A. de C. V. Insurgentes Sur 2376-702, Col. Chimalistac C. P. 01070, México D. F. Tel. 56 16 80 18 Fax. 55 50 65 41 www.lombardo.com.mx

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3 Edificación gravitante: sistema estructural

Esta intervención consiste en primer lugar en la mejora simultánea de la base de los muros, de sus cimentaciones y del terreno situado bajo ellas mediante la ejecución de inyecciones de lechadas de mezclas estables de cemento-bentonita o microcemento armadas con tuberías de acero ST-37 y N-80 (límite elástico mínimo de 2.400 y 5.500 Kg/cm2 respectivamente), según el estado de cargas.

Las estructuras de las edificaciones que gravitan sobre el teatro se componen fundamentalmente por sistemas de muros de carga y forjados unidireccionales. Las características de estos elementos tenidas en cuenta para definir los parámetros de consolidación son las definidas en los apartados de acciones en la edificación de la memoria de cálculo y seguridad estructural.

La segunda parte de la intervención es la ejecución de paraguas pesados de inyecciones repetitivas de cemento-bentonita armados con armaduras de acero procedentes de la industria petrolera (límite elástico 8.750 Kg/cm2 mínimo), estos paraguas serán ejecutados desde la cara exterior de las cimentaciones y del estrato infrayacente previamente consolidados. Con esta técnica se pretende acceder bajo las edificaciones, sin alterarlas ni desalojarlas, para poder así rescatar y mostrar a la sociedad la existencia de restos arqueológicos del Teatro Romano de Cádiz.

Las plantas bajas de las edificaciones se articulan mediante soleras apoyadas directamente sobre el terreno, no siendo previsible la existencia de forjados sanitarios ó cualquier otro sistema constructivo estratificado por capas que separen la solera del terreno.

5 Metodología de cálculo Se han seguido dos procedimientos de cálculo: A. Se han realizado modelos de cálculo en los que tanto las armaduras tubulares como las cerchas o arcos que las reciben se han introducido como barras considerando las primeras simplemente apoyadas sobre las segundas y, a su vez, las armaduras tubulares empotradas en el fondo de la galería en el terreno tratado (Fig.12). En cuanto a las cerchas se han considerado apoyadas en un terreno indeformable ya que además de ser de roca ostionera, esta será tratada con inyección y reforzada con armaduras subverticales en las zonas de concentración de cargas. En cuanto a las acciones sobre las armaduras tubulares se han considerado, como se desprende del apartado anterior, las cargas verticales procedentes del terreno que gravita sobre dichas armaduras y, lo que es más importante, las procedentes o transmitidas por las cimentaciones. Este modelo quedaría incompleto si no consideramos las coacciones a las deformaciones horizontales que impone el terreno que rodea al paraguas. Para ello se han introducido resortes cuyas constantes simulan este efecto.

Figura 10. Sección longitudinal.

Figura 11. Sección transversal esquemática.

En cuanto a las cimentaciones de las edificaciones, en los casos en que se detecta su existencia, se producen como una prolongación del muro bajo la cota de planta baja, manteniendo el espesor del mismo sin ningún sobreancho y hasta profundidades desiguales (Figs. 10 y 11). La composición de las mismas se define como una matriz heterogénea compuesta por trozos de roca ostionera (calcarenita bioclástica), arena gruesa y otros clastos con evidencias de argamasado. Las características de los elementos utilizados en las labores de consolidación son las que se define en los aparatados siguientes de descripción de las soluciones adoptadas.

4 Planteamiento de la intervención Una vez analizadas las estructuras portantes y las cimentaciones de los edificios que gravitan sobre los restos del Teatro Romano, se realiza una propuesta de intervención que garantizando la estabilidad estructural de los edificios y sin dañar los restos arqueológicos permita excavar bajo las cimentaciones y recuperar el Teatro.

Figura 12. Paraguas de inyección armada, esfuerzos cortantes.

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B. El segundo procedimiento de cálculo ha sido la creación de un modelo, más complejo que el anterior, en el que se introducen como barras las armaduras tubulares y las cerchas o arcos que las reciben y mediante elementos finitos los muros que constituyen los edificios y también el terreno (Fig.13). Además se han introducido los forjados de las distintas plantas y sus sobrecargas. En cuanto a la modelización de los muros cabe señalar que se han reflejado los huecos, ya sean de paso o de ventilación, y también se han modelizado las particiones interiores de las distintas plantas. Este segundo procedimiento de cálculo permite, además de verificar el dimensionado de las armaduras tubulares y cerchas obtenido de los cálculos anteriores, conocer las tensiones en los muros del edificio, en sus cimentaciones y en el terreno, una vez realizada las excavación de los túneles, dato necesario para establecer la resistencia que han de tener estos elementos y por tanto para fijar las presiones de tratamiento mediante inyección armada que han de permitir alcanzar o superar estas resistencias.

Figura 14. Situación de los ensayos de sísmica pasiva y geo-radar.

sin perforarlos se han cerrado con chapa de acero de espesor adecuado para alojar dos válvulas del tipo “botón” con apertura a una presión máxima de 5 kg/cm2 (Fig. 15).

Figura 15. Válvula de tipo botón situada en el extremo inferior de la armadura tubular con válvula tipo manguito.

6.2 Eliminación de la berma existente sobre la cávea Una vez consolidados el terreno situado bajo las cimentaciones, las cimentaciones y la base de los muros, estamos en condiciones de eliminar la berma actualmente depositada al pie de los muros medianeros con la cavea (Fig. 16).

Figura 13. Axonometría. Cálculo de Muros mediante Elementos Finitos y Armaduras Tbulares como Barras.

Esta berma se elimina con el fin de posibilitar las fases siguientes.

6 Proceso de ejecución

6.1 Tratamiento desde las áreas pre-excavadas Como ya se ha dicho, se propone, en primer lugar, el tratamiento simultáneo de la base de los muros, las cimentaciones y el terreno situado bajo ellas mediante la ejecución de inyecciones armadas, (hasta alcanzar, pero sin tocar, los restos arqueológicos). Este tratamiento estructura y arma la base de los muros, y las cimentaciones junto con el terreno de relleno comprendido entre ellas y los restos arqueológicos. Todas las inyecciones que atraviesen muros y cimentación, se han inyectado con mezclas estables de microcemento (Fig. 14). Las inyecciones se han realizado a través de las armaduras tubulares dotadas de válvulas de manguitos de goma que permiten la inyección repetitiva selectiva. Excepcionalmente los extremos inferiores de aquellas armaduras que deban aproximarse a los restos arqueológicos

Figura 16. Eliminación de la berma exterior sobre la cavea.

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7 Ejecución de paraguas de inyección armada

6.3 Excavaciones puntuales y ejecución de viga de arriostramiento de inyección repetitiva para la realización de los paraguas pesados.

7.1 Introducción

Un paraguas de inyecciones armadas I.R.S. es un conjunto discreto de elementos lineales sub-horizontales perforados en el terreno y armados e inyectados formando una prevóbeda resistente envolvente de la cavidad a excavar, cuya misión es sostener el terreno y las estructuras existentes por encima así como minimizar las deformaciones de ambos durante las excavaciones.

Para la realización de los arcos y bóvedas que han de descargar los muros de carga de los edificios y permitir la posterior excavación bajo los mismos con la consiguiente recuperación de los restos arqueológicos del teatro, se ha optado por emplear la técnica conocida como “paraguas pesados de inyección repetitiva”, dado que esta técnica permite abordar el problema desde una sola cara, es decir, desde las zonas excavadas, si necesidad de actuar desde el interior de los edificios, que como ya se ha dicho se encuentran ocupados.

Las geometrías de los paraguas son tales que permiten la ejecución, en fases posteriores, de nuevos paraguas en el interior de los anteriores, para lo que se les da forma troncocónica, de radio creciente a medida que nos alejamos de la embocadura (forma de teja árabe). De esta manera se permitirá la continuación del proceso con la construcción de nuevos paraguas desde el interior de los anteriores y consecuentemente la continuación del proceso de recuperación del teatro (Figs. 19 y 20).

Para la realización de los paraguas pesados de inyección es necesario, en primer lugar, la realización de una viga (arco) de arriostramiento o de atado, que simultáneamente garantice el correcto replanteo de los puntos de ataque de las perforaciones y del propio arco o bóveda a realizar. Dado que a su vez esta viga de arriostramiento es el primero de los arcos resistentes a construir, requiere estar debidamente cimentado, siendo por ello que debemos realizar las excavaciones puntuales necesarias para alcanzar la cota de apoyo de los arranques de los arcos.

Figura 19. Disposición de las vigas de coronación de los paraguas de inyección.

Figura 17. Vigas de coronación de los paraguas pesados.

Las vigas de arriostramiento son metálicas de acero cortén (Fig. 17), y se fabricaron en taller en al menos tres partes, dos de las cuales son los laterales del arco y están dotados de los correspondientes mecanismos de apoyo, y la tercera parte es la zona central. Las vigas (arcos) de arriostramiento están dotadas de los taladros necesarios (Ø 160 mm) para permitir el paso del varillaje de perforación, incluso del revestimiento, así como de los bulones de anclaje al terreno tratado, cimentación o muro, que garanticen su estabilidad durante el proceso (Fig. 18).

Figura 18. Disposición de las vigas de coronación de los paraguas de inyección.

Figura 20. Esquema de un paraguas de inyección armada en intersección de bóvedas.

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7.3 Colocación de la armadura tubular

La geometría de cada arco varía en función de las luces a salvar y del gálibo permitido por la altura de cada solera de planta baja, así las generatrices de cada tronco de cono varían desde la circunferencia a las elipse, mientras que las directrices comparten inclinación en la clave de los arcos con una inclinación de 2,5 g (grados centesimales).

La tubería que constituye la armadura de las inyecciones se ha introducido dentro de las perforaciones en tramos de longitud compatible con las distancias libres existentes y de manera tal que garantice una adecuada manipulación sin riesgos de desprendimientos en la perforación (Fig. 22). Las uniones entre tramos de armaduras tubulares se efectúan por medio de manguitos de acero roscados a tope o soldados y deberán garantizar al menos la misma resistencia, tanto a tracción como a compresión, que dichas armaduras. Las tuberías deberán estar absolutamente limpias y exentas de oxido y grasas, de tal manera que se garantice la correcta adherencia entre el acero y la lechada.

Como armadura de los paraguas se han utilizado tuberías procedentes de perforación petrolera de diámetro exterior 114, 3 mm. y de espesor de pared 9 mm con una resistencia a tracción de 9.615,92 Kg/cm2 y un límite elástico de 9.055,08 Kg/cm2 para un alargamiento del 0.2%. dotadas de válvulas de manguitos de goma para permitir la inyección repetitiva selectiva. Este tipo de tubería, además de poseer un alto límite elástico, garantiza que la capacidad resistente de sus uniones es igual o superior a la de la tubería. Para el material de inyección, se seguirá el mismo criterio que para el tratamiento de mejora, utilizado micro cemento para las áreas donde se actúa en muros y cimentaciones, y mezclas estables de cementobentonita, en el terreno. 7.2 Perforación Dado que el replanteo del punto de ataque de las perforaciones para las inyecciones está garantizado por la viga (arco) de arriostramiento, resta en obra garantizar la dirección de perforación de manera que no se desvíe de la directriz teórica evitándose invadir el área del túnel a excavar ó cortarse entre sí, lo que obligaría a abandonar la inyección que corta al preexistente (Fig. 21).

Figura 22. Colocación de tubería petrolera de acero N-80.

7.4 Inyección Constitución de la Vaina (Gaine) para el sellado del espacio anular existente entre la perforación y la armadura tubular: La mezcla estable se ha colocado por el manguito de inyección inferior hasta rellenar por completo la corona circular comprendida entre el tubo de manguitos y el terreno. La mezcla tiene la resistencia adecuada para permitir la apertura de las válvulas y el paso posterior de las mezclas de inyección. La inyección se hará de la forma siguiente: La primera fase de inyección debe hacerse sin que hayan transcurrido 24 horas desde la colocación de la vaina. Asimismo en fases sucesivas el tiempo máximo que puede transcurrir entre ellas no debe ser superior a 24 horas.

Figura 21. Ejecución de las perforaciones de las inyecciones repetitivas de los paraguas.

La velocidad de inyección debe estar comprendida entre 25 y 5 litros/ minuto, en función de la presión y absorción de la lechada, siempre que no se esté en las proximidades de algún elemento constructivo especialmente sensible, que requiera reducir dicha velocidad de inyección.

Para garantizar la estabilidad de las paredes de las perforaciones se utilizará revestimiento recuperable. Las inyecciones se repetirán tantas veces como sea necesario para que, solapándose los tratamientos, generen una superficie resistente continua.

La cantidad de lechada por manguito, no debe ser superior a 100 litros en la primera pasada, 75 litros en la segunda, 50 litros en la tercera y 50 litros en la cuarta y sucesivas, salvo cuando se esté próximo a la 31

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presión final, en cuyo caso debe continuarse hasta alcanzarla. Dicha cantidad se reducirá convenientemente ante la proximidad de algún elemento constructivo especialmente sensible. Las fases de inyección de cada manguito, serán las necesarias para alcanzar las presiones en kg/cm2 establecidas en los cálculos correspondientes. La ejecución deberá asegurar en todo momento una deformación muy gradual del terreno para evitar dañar, no solo a la cimentación, estructura, particiones, tabiquerías, solerías etc. de las edificaciones, sino que se cuidará especialmente cualquier afección a las redes enterradas, especialmente las húmedas, de forma que cuando se inyecte en las proximidades de estas, se reducirán los volúmenes inyectados y velocidad de inyección, para que se garantice la integridad de las mismas. Excepcionalmente, podrán aceptarse fases de inyección y/o colocación de la vaina distanciadas entre ellas más de 24 horas, siempre que para tal fin se tomen las medidas oportunas, como pueden ser:

Figura 23. Lenguas de inyección.

A objeto de reducir al máximo los daños derivados del empleo de agua en el proceso de lavado interior de las armaduras tubulares tras cada fase de inyección, se hace imprescindible realizar el lavado evitando cualquier fuga de agua sobre el pavimento, restos arqueológicos, terreno o cualquier otro elemento. Para ello se dispondrán los sistemas hidráulicos necesarios (Fig. 24).

Aditivación a la mezcla de la vaina y/o mezcla de inyección de un retardador de fraguado homologado. Moderado aumento de la dosificación de bentonita hasta un máximo del 4% en peso. Apertura sin inyección (en vacío) de las válvulas antes de transcurrir las 24 horas o el tiempo de endurecimiento de la mezcla en caso de haber sido aditivada o aumentada la dosificación de bentonita. En el caso, poco probable, de que durante el proceso de inyección se produjese asiento de la cimentación imputable al remodelado del suelo por efecto del tratamiento o a la colapsibilidad del mismo, deberán tomarse algunas o todas las medidas siguientes: Aumentar la distancia entre válvulas inyectadas en la misma pasada. Aditivar las mezclas con un acelerador de fraguado homologado.

Figura 24. Proceso de lavado de la inyección armada.

Reducir volúmenes de inyección y aumentar el número de pasadas. 7.5 Inicio de las excavaciones, colocación sucesiva de cerchas

Aumentar el tiempo transcurrido entre pasadas consecutivas, para lo que se habrán tomado una o más de las medidas enumeradas en el apartado anterior. El relleno interior no se realizará en ningún caso sin la autorización expresa de la Dirección Facultativa, ocupándose la Empresa Especializada ejecutora de las inyecciones armadas, de garantizar la posible reapertura de las válvulas con posterioridad a la finalización del proceso de inyección ordinario, de manera que si debido a la aparición de nuevos asientos o movimientos, o a la necesidad de realizar rectificaciones de verticalidad y/o de nivelación horizontal, fuera necesario proceder a nuevas inyecciones, el endurecimiento de la vaina no fuera obstáculo. Para ello, una vez finalizado el proceso de inyección ordinario, deberá procederse a la reapertura “en vacío” de las válvulas de manguito de goma. Si la apertura “en vacío” con solo aire a presión no fuera factible, podrá emplearse bentonita, en la cantidad imprescindible para conseguir el resultado buscado.

Figura 25. Excavación y hallazgo de los primero restos del cávea en los pies de los edificios gravitantes.

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Una vez finalizados los sucesivos paraguas de inyección se iniciará la excavación bajo los mismos para proceder a la colocación de las sucesivas cerchas resistentes que han de servir de apoyo a las armaduras tubulares (Fig. 25).

La excavación tendrá la profundidad imprescindible para la colocación de cada cercha de manera que la primera quede situada en el eje de cada cimentación o muro resistente y la segunda a cara interior. Una vez pasado el primer muro de carga la “longitud de pase” o avances sucesivos de excavación será de 1m, de forma que entre cerchas sucesivas que no reciben cargas procedentes de muros o cimentaciones la separación entre ejes será de 1m. Como en los casos anteriores se excavarán en primer lugar los laterales (jambas) de cada arco y se introducirán los tramos laterales y una vez cimentados dichos tramos, fijados a las armaduras tubulares correspondientes y arriostrados, se excavara la zona central y se colocará y atornillará la parte correspondiente de la cercha (Fig. 26).

Para ello se excavará en primer lugar los laterales (jambas) de cada arco y se introducirán los tramos laterales. Una vez cimentados dichos tramos y fijados a las armaduras tubulares correspondientes, se excavara la zona central y se colocará y atornillará la parte correspondiente de la cercha.

Las cerchas se arriostrarán a la viga de arriostramiento y entre ellas de manera que se garantice su permanencia en el plano vertical. Durante el proceso de excavación será necesario eliminar las armaduras tubulares que interfieran correspondientes a la mejora realizada inicialmente.

8 Revestimiento de las paredes de las excavaciones Con el fin de generar una superficie resistente continua, entre la viga de arriostramiento y las cerchas sucesivas se dispondrá chapa de acero “cortén” soldada y enrasada con la cara inferior de las alas de los perfiles correspondientes. Estas chapas se dotarán de válvulas antirretorno que permitan la inyección de mortero de cemento que colmate

Figura 26. Imagen paraguas de inyección con cerchas interiores colocadas.

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íntegramente el espacio existente entre la excavación, las cerchas, las armaduras tubulares y la chapa de revestimiento.

los edificios a conservar y; por supuesto, la seguridad de las personas, ya sean ocupantes de esos edificios o personal vinculado a las obras, a la investigaciones arqueológicas, etc.

9 Revestimiento de las paredes de las excavaciones

Se ha implantado un sistema de control taquimétrico de lectura en tiempo real mediante la disposición de estación total robotizada de alto rendimiento para medidas de precisión (por debajo de 1mm) (Fig. 27).

Por último se revestirán los fondos de las excavaciones con piedra natural y se rematarán los extremos de las armaduras tubulares y las cabezas de los bulones con piezas de bronce.

10 Medidas de control

10.1 Lechada de inyección Se han realizado de forma periódica ensayos a las lechadas inyectadas. De cada inyección se realiza un informe, en el que constará la fecha de ejecución, longitud alcanzada, inclinación del taladro, fases de inyección, presión de inyección, volumen de mezcla agua-cemento o microcemento-bentonita-aditivos (o cemento-carga en su caso) inyectado en cada fase, longitud, diámetro y espesor de pared así como resistencia característica del acero de los tubos de inyección que alojados en las perforaciones servirán de armado de las mismas, diámetro de las barras de acero corrugado de refuerzo si por alguna razón se decidiera instalarlas, longitud, número de empalmes, tipo de empalmes y calidad del acero, así como cualquier variación con respecto al proyecto, con todos los incidentes apreciados en el curso de la ejecución. Una vez ejecutada la lechada de cemento en obra, se efectúan:

Figura 27. Estación fija de control taquimétrico.

- Medida de viscosidad: se mide mediante el cono Marsh. - Determinación del principio y final de fraguado: se emplea la aguja Vicat, y se hacen determinaciones semanales del mismo. - Determinación del agua libre de la mezcla: se toma el agua libre en 1 muestra por la mañana y 1 muestra por la tarde, coincidiendo con la toma de muestras para probetas. - Densidad: se toma una por la mañana y otra por la tarde y se determina con un matraz aforado, o con un densímetro decimal. - Resistencia de la mezcla: se toman 3 probetas por la mañana y 3 por la tarde, para romperlas a compresión simple, rompiendo una de cada serie a los 7 días; 1 a los 28 días y 1 a los 90 días. Estas tomas de juegos de probetas se harán coincidir con la amasada en que se determine densidad, viscosidad, tanto por ciento de agua libre y rigidez. Las probetas se almacenarán en medio húmedo. Al menos una vez durante el proceso de inyección se realizan tres juegos de tres probetas cada uno, drenadas e inyectadas a la presión mínima, media y máximas previstas en Proyecto. - Rigidez, consiste en determinar la resistencia al corte de la mezcla, midiendo el par necesario de las paletas para ello. Se toma una por la mañana y otra por la tarde.

Se ha instrumentado mediante 60 miniprismas de alta precisión según disposición de proyecto, software, y hardware de comunicación, transmisión de datos a través de tarjeta 3G, ip fija con protección de las mismas. Se ha dispuesto de alarma automática, con transmisión instantánea a los teléfonos celulares de los técnicos en caso de superación de deformaciones límites pre-establecidas. 10.3 Ensayos Geofísicos Antes de iniciar los trabajos de perforación, se ha realizado una primera serie de 3 ensayos cross-hole en 5 perforaciones que habrán de situarse de acuerdo con lo establecido en el plano correspondiente.

10.2 Taquimetría de precisión

Una vez terminada la primera fase de inyección y antes de procederse a la fase excavación y realización de paraguas se realizará la segunda serie de ensayos igualmente formados por 3 ensayos de cross-hole, en las mismas posiciones con las mismas técnicas y equipos, por el mismo personal cualificado, si fuera posible, y por la misma Empresa Especializada que realizó la primera serie, de manera que los resultados sean directamente comparables.

Ante una intervención de estas características, es fundamental implementar unas medidas de control especiales que garanticen en todo momento el seguimiento de la actuación, verificando la estabilidad de

En caso de que los sondeos iniciales resultaran impracticables por efecto del tratamiento de inyección deberán reproducirse estos mismos sondeos en los mismos puntos o tan próximos a ellos como sea posible.

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Problemática durante la excavación de túneles, construidos en rocas blandas

Artículo

Esteban Franco Rosas, Comisión Federal de Electricidad. Gerencia de Estudios de Ingeniería Civil.

Trabajo presentado en el 2° Simposio Internacional de Túneles y Lumbreras en Suelos y Roca organizado por AMITOS y la SMIG en febrero de 2012

1 Antecedentes El 4 de noviembre de 2007, ocurrió un deslizamiento en la ladera derecha del cauce del río Grijalva, en el estado de Chiapas, entre las presas de Malpaso y Peñitas. Este fenómeno de carácter geológico, ocasionó que se obstruyera el cauce del río, formando una represa de 800 m de longitud, 200 m de ancho y unos 66 m de altura, constituida por bloques de roca deslizadas de gran tamaño y suelo. Los estudios realizados determinaron, que dicho deslizamiento fue debido a la combinación de una lluvia muy intensa que elevó los niveles freáticos en la ladera y por otro lado, la presencia de un estrato arcilloso en la formación natural y con deficientes parámetros de resistencia. Ante este evento, la Comisión Federal de Electricidad, CFE; como acción inmediata diseñó y construyó en tan solo 42 días un canal, excavado en el material deslizado, restableciendo el paso del agua hacia la presa Peñitas. Posteriormente, como resultado de un análisis hidrológico, se concluyó que el canal construido no sería suficiente para desfogar el caudal máximo que pudiera alcanzar el río y con la posibilidad latente de una reactivación del movimiento de la masa deslizada; lo anterior, llevó a tomar la decisión de construir dos

túneles de conducción, con lo cual se garantizaría razonablemente el libre curso del río.

2 Descripción del proyecto Los túneles de conducción se ubican a 10 km en línea recta, al sureste de la cortina de la presa Ángel Albino Corzo (Peñitas), sobre el río Grijalva en el municipio de Ostuacán en el estado de Chiapas. 2.1 Características de los túneles de conducción El proyecto consistió en dos túneles paralelos de sección portal de 14 x 14 m y pendiente horizontal (Figura 1), con la finalidad de comunicar el embalse de aguas arriba de la zona deslizada con el embalse de aguas abajo. Justamente el sitio apropiado para tal efecto, desde el punto de vista topográfico, corresponde al meandro que forma el río Grijalva en el sitio en cuestión (Figura 2). Los túneles tienen una longitud de 1 135 m, y están separados por un pilar de roca del orden de 30 m de espesor (aproximadamente dos veces el diámetro de su sección). Las coberturas de roca por encima de sus bóvedas, oscila entre los 50 y 170 m aproximadamente. Se excavaron por medios convencionales con el uso de explosivos y en dos etapas, la

Figura 1. Sección tipo de los túneles de conducción

primera comprendió la media sección superior y la segunda, correspondiente a la media sección inferior o banqueo; exceptuando las zonas de falla, donde los procedimientos de excavación fueron adecuados. Se revistieron en su totalidad con concreto lanzado reforzado con fibras metálicas y doble capa de malla metálica. El sistema de soporte en general consistió en anclajes de fricción sistemáticos, concreto lanzado y drenajes cortos y largos colocados también de manera sistemática. Para las zonas de mala calidad de roca, debidas a la presencia de fallas geológicas, se consideró la colocación de marcos metálicos. 2.2 Geología Con base en los estudios geológicos realizados en la zona, se sabía que los túneles se construirían en rocas sedimen-tarias, constituidas por una alternancia de areniscas y limolitas estratificadas con buzamientos bajos del orden de 8° hacia el Norte (aguas a bajo de los túneles), afectadas por fallas geológicas, que considerando la trayectoria de los túneles serían cortados por estas en forma práctica-mente perpendicular. La combinación de las estructuras geológicas presentes y la naturaleza de la formación sedimentaria (rocas blan-das y deformables)

Figura 2. Ubicación de los túneles, respecto a la zona deslizada

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preveían la necesidad de un sistema de soporte durante la construcción y de revestimiento sis-temático en los túneles de conducción. En cuanto a las condiciones hidráulicas, la presencia de agua se concentra-ría principalmente en los depósitos de talud y en las zonas de roca alterada y fracturada.

turamiento intenso y abierto, con abundante flujo de agua entre las fracturas; se apreció también la formación de bloques de roca de gran tamaño.

3 Estudios y diseño geotécnico de los túneles 3.1 Estudios geotécnicos

Exceptuando las zonas de falla, la roca es de buena ca-lidad y prácticamente impermeable, las principales filtra-ciones se presentarían por fracturas y zonas de falla aso-ciadas a cañadas existentes en la superficie del terreno.

A partir de los estudios previos a la construcción de los túneles, los cuales consistieron en levantamientos topográficos, levantamientos geológicos de superficie, campañas de exploración para la obtención de muestras de roca y suelo, y exploración geofísica; se definió el modelo geológico-geotécnico inicial que sirvió de base para los diseños geotécnicos de las excavaciones y los tratamientos a la roca. Los estudios realizados para tal fin son los que se describen brevemente a continuación.

2.2.1 Geología general La zona se caracteriza por una potente secuencia sedimentaria (areniscas, limolitas, lutitas y conglomerados) con más de 200 m de espesor, parcialmente cubierta por depósito de talud y suelo residual. En el sitio se puede distinguir, preferentemente una secuencia constituida por areniscas y limolitas (Tms Ar- Li y Tms-Li-Ar, respectivamente) estratificadas y perfectamente soldadas.

3.1.1 Caracterización de la roca intacta Para evaluar las propiedades de la roca intacta al nivel de los túneles de conducción, se ejecutaron pruebas de laboratorio en núcleos de roca recuperados de 11 barrenos de exploración realizados en la etapa de estudio y 14 barrenos llevados a cabo durante la etapa de construcción, localizados sobre el trazo de los túneles y en zonas cercanas a éstos.

Las areniscas en general son de color gris claro o verdoso, se distinguen dos tipos, una de grano fino color gris y otra de grano medio a grueso de tonos gris claro y gris verdoso. Las limolitas presentan coloraciones gris y gris oscuro, asociadas a la cantidad de materia orgánica, con estratificación desde laminar a gruesa, e intercalaciones de arenisca.

Las propiedades índice, determinadas para las dos unidades geológicas se muestran en la Tabla 1; de estos resultados fue posible identificar que la limolita (unidad Tms-Li-Ar) es más propensa a alterarse y muestra una tendencia a desintegrarse una vez que queda expuesta a los agentes atmosféricos, este comportamiento toma importancia para el diseño de las etapas de excavación y la definición de los tratamientos a la roca y el sistema de soporte de los túneles de conducción.

Las principales estructuras geológicas presentes en la zona son: estratos, fallas y fracturas. Se encuentra presente un sistema de fallas normales con orientación aproximada E-W y echados alrededor de 80º buzando al norte o al sur, estas estructuras son las que gobiernan la morfología de la zona y el curso del río en esta parte.

Tabla 1. Propiedades índice de la roca intacta al nivel de los túneles de conducción.

2.2.2 Geología a lo largo de los túneles

Tms-Li-Ar Limolita

Tms-Ar-Li Arenisca

Contenido de agua w (%)

3,00

2,74

Peso volumétrico • (kN/m3)

24,38

23,55

Índice de alteración i (%)

4,09

3,79

Índice de absorción a (%)

Las muestras se desintegran

13,32

Intemperismo Ia (%) Acelerado

Las muestras se desintegran

84,27

Parámetro

Los túneles quedaron excavados en las unidades Tms-Li-Ar y Tms-ArLi, lo cual representó que aproximadamente el 70% de la longitud de los túneles fueron excavados en limolita, a partir del portal de entrada y el restante 30% se excavó en las areniscas presentes en la zona del portal de salida; cabe mencionar que se excavaron pequeños tramos en un conglomerado de la misma unidad Tms-Ar-Li. Durante el avance de las excavaciones, se registraron 3 fallas importantes, las cuales habían sido identificadas durante los estudios geológicos, estas discontinuidades se denominaron: Falla Los Portales, Falla Las Cuevas y Falla El Boquete, en estas dos últimas las limolitas se encontraron muy fracturadas y cizalladas, con importante meterorización y presencia de flujo de agua. Cuando fueron cruzadas por el avance de excavación, se presentaron caídos en el frente de los túneles.

Con los parámetros mostrados en la Tabla 2, se clasificó la roca intacta de acuerdo al criterio de Deere (1980), el cual se basa en los valores de módulo de deformabilidad y la resistencia a la compresión simple, Et50/Rc. Las limolitas y areniscas en las que se excavaron los túneles, son rocas blandas que de acuerdo a este criterio pueden catalogarse como de resistencia baja y módulo de deformabilidad relativo bajo.

En general las fallas son subverticales y transversales a la excavación como ya se ha mencionado; en las zonas de las fallas Las Cuevas y El Boquete, donde se presentaron caídos, se observó que el cambio de la calidad de la roca no es gradual, sino que se presenta de manera súbita, de tal manera que una vez atravesada la estructura, se ingresa directamente a la zona de roca de muy mala calidad; esta zona de falla alcanzaba los 10 m de espesor en promedio y presentaba frac36

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Tabla 2. Resistencia y deformabilidad de la roca intacta al nivel del Túnel de Conducción. Tms-Li-Ar Limolita

Parámetro

zado, anclaje y drenaje; en zonas donde se preveían cruces de fallas geológicas se diseñó un sistema de soporte específico que consideraba la colocación de marcos de acero para superar los tramos de roca descomprimida o bien las zonas de falla.

Tms-Ar-Li Arenisca

Resistencia a la compresión simple 35 a 50 Rc (MPa)

Módulo tangente al 50% de Rc Et50 (MPa)

5734

5969

Resistencia a la tensión indirecta (brasileña) Rt (MPa)

3,63

5,40

Relación de Poisson u

0,35

De esta manera se definieron los tratamientos a la roca, clasificándolos como tratamientos sistemáticos a aquellos que serían colocados en toda la longitud de los túneles, donde la roca presentaba calidades de regular a buena, exceptuando las zonas de emportalamientos y cruce con fallas. De acuerdo a las condiciones geológicas-geotécnicas encontradas durante las excavaciones, se efectuaron las adecuaciones necesarias a los tratamientos de la roca; de esta manera los tratamientos realizados fueron los que se describen en el apartado 3.2.1; en este caso las adecuaciones efectuadas a las recomendaciones generadas durante la etapa de diseño fueron mínimas.

3.1.2 Caracterización del macizo rocoso Con base en la información generada durante la excavación de los túneles, constituida por los resultados de laboratorio, los levantamientos geológicos, la exploración de campo y aplicando el criterio de Bieniawski de 1989 para la clasificación geomecánica de macizos rocosos (Rock Mass Rating, RMR), fue posible actualizar los parámetros geomecánicos de las unidades geológicas.

Por otro lado en zonas de roca de mala calidad, correspondientes con los cruces con fallas y donde se presentaron problemas de inestabilidad; se realizaron adecuaciones significativas a los tratamientos, realizándose los que se indican en el apartado 3.2.2. Adicionalmente en estas zonas se realizaron tratamientos especiales como enfilajes de anclajes, anclajes del frente, drenajes largos y tratamientos de inyecciones de mortero y lechadas, así como rellenos de oquedades con concreto bombeado en zonas donde se presentaron desprendimientos de roca.

Los valores de RMR asignados a los materiales presentes al nivel de los túneles de conducción (excepto en zonas de falla), resultaron los siguientes: para la arenisca (Tms-Ar-Li) un valor de RMR = 56 (Clase III, Calidad Media). Para la limolita (Tms-Li-Ar) un valor de RMR = 41 (Clase III, Calidad Media).

El procedimiento general de excavación consistió en dos etapas, removiendo primero la sección superior de 14 m de ancho y 7 m de altura, para posteriormente excavar la sección inferior o banqueo de 7 m de altura y 14 m de ancho, los avances de excavación fueron de 3 a 4 m de longitud. En zonas críticas de falla, se adecuaron las etapas de excavación, realizando una o dos etapas adicionales, es decir, con excavaciones a cuarto de sección y avances cortos de 1 a 2 m de longitud.

En la Tabla 3 se muestran los parámetros de resistencia y deformabilidad del macizo rocoso para las dos unidades geológicas, obtenidos a partir del modelo geológico-geotécnico, los resultados de las pruebas de laboratorio de roca intacta y la caracterización del macizo rocoso. Tabla 3 Parámetros geomecánicos del macizo rocoso. Tms-Li-Ar Limolita

Parámetro

3.2.1 Soportes en zona de roca de regular a buena calidad Los tratamientos indicados en la Figura 3 corresponden a los colocados en una sección tipo del túnel y consistieron en:

Tms-Ar-Li Arenisca

Cohesión, c (kPa)

360

690

Ángulo de fricción interna • (°)

Módulo de deformabilidad del macizo Em (MPa)

2640

7490

Relación de Poisson u

0,33

•• Revestimiento en bóveda y paredes con concreto lanzado f’c = 19,6 MPa (200 kg/cm2) de 28 cm de espesor, (4 capas de 7 cm cada una

Los parámetros de deformabilidad se verificaron en campo con pruebas de Gato Goodman realizadas durante la excavación. 3.2 Diseño geotécnico y tratamientos a la roca realizados El criterio empleado para el diseño de los tratamientos de soporte se basó en una revisión empleando el método de elementos finitos (esfuerzo-deformación) y considerando la estratificación y los sistemas de fracturamiento subverticales, identificados como las discontinuidades geológicas más importantes durante la etapa de estudio del sitio. Como resultado de los análisis geotécnicos, se definieron en la etapa de diseño del proyecto, los tratamientos a la roca en el interior de los túneles de conducción y que básicamente consistían en concreto lan-

Figura 3. Sección de anclaje y concreto lanzado @ 2.5 m

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de concreto lanzado con fibra), reforzado con doble malla electrosoldada 6-6/10-10. •• Anclas de fricción de 38,1 mm (1 1/2’’) de diámetro de varilla corrugada de 6 m de longitud @ 2,5 m, en barrenos de 76,2 (3’’) de diámetro, fijadas con mortero de cemento de f’c = 19,6 MPa (200 kg/ cm2). En su extremo y en contacto con la roca se colocó una placa roscada al ancla de 15 x 15 cm por 1,25 cm de espesor. 3.2.2 Soporte en zonas de roca de mala calidad Los tratamientos de la Figura 4 corresponden a las zonas de roca de mala calidad y cruce de las fallas (10 m antes y 10 m después de la falla), consistieron en: Figura 5. Sección de drenaje @ 5 m en todo el túnel

•• Revestimiento en bóveda y paredes con concreto lanzado f’c = 19,6 MPa (200 kg/cm2) de 5 cm de espesor, reforzado con fibras metálicas. •• Colocación de marcos metálicos de IR 12’’ x 12’’ @ 0,75 y 1,0 m de separación centro a centro, empacados en concreto hidráulico. •• Tratamiento de anclaje selectivo previo a la colocación del marco, consistente en anclas de fricción de 1 1/2’’ de diámetro de varilla corrugada de 6 y 9 m de longitud @ 2.50 m en barrenos de 3’’ de diámetro, fijadas con mortero de cemento de f’c = 19,6 MPa (200 kg/cm2). En su extremo y en contacto con la roca se colocó una placa roscada al ancla de 15 x 15 cm por 1,25 cm de espesor.

4 Problemática durante la excavación de los túneles Durante la excavación de los túneles se presentaron dos aspectos importantes que influyeron por un lado en el avance de las excavaciones en las limolitas de la unidad Tms-Li-Ar y por otro lado en el comportamiento de esta roca y el sistema de soporte de los túneles a corto y largo plazo. El primero de estos aspectos fue la tendencia de este tipo de roca a alterarse, fracturarse y degradar sus propiedades mecánicas en el tiempo, una vez que se excavaba y quedaba expuesta a los ciclos de humedecimiento y secado del ambiente, aunado a la liberación del esfuerzo de confinamiento “in-situ”.

3.2.3 Drenaje

El segundo aspecto fue la presencia de fallas casi verticales que generaron zonas de cizalla de forma tabular, con material fuertemente triturado que afectaba la roca en esos segmentos y que en muchas ocasiones permitía la infiltración del agua pluvial y superficial hasta el nivel del túnel, ocasionando zonas débiles y potencialmente inestables.

Las recomendaciones de drenaje en la masa de roca al interior de los túneles de conducción fueron las indicadas esquemáticamente en la Figura 5, este tratamiento es de carácter sistemático a lo largo de los túneles y consisten en: •• Barrenos de drenaje largo de 3” de diámetro y 4,0 m de longitud, con una inclinación de 10° respecto a la horizontal, @ 5 m de separación. •• Barrenos de drenaje corto de 1 1/2” de diámetro y 1,0 m de longitud intercalados con los anclajes, con tubo de PVC.

Estas zonas inestables ocasionaron derrumbes producidos debido a que el material alterado de las zonas de falla presentaba características muy deficientes de resistencia para mantener estable el frente o la bóveda del túnel, más aún cuando existía la presencia de agua debida a las infiltraciones que generaban presión hidráulicas y la degradación de la resistencia del terreno circundante. Por las características de la limolita y la presencia de agua, el material circundante a las fallas perdía resistencia y se desintegraba como se había observado en las pruebas índice realizadas en el laboratorio, se producían planos de falla lubricados y el terreno se erosionaba generando un proceso de socavación sucesiva y caída de bloques que se extendía verticalmente hacia la parte superior de la bóveda y a lo largo de la falla, hasta que encontraba un cambio litológico en la roca de mejores condiciones como lo es la arenisca de la unidad Tms-Ar-Li.

Se recomendaron también drenajes cortos en el piso para aliviar la subpresión sobre las losas de concreto

Una zona de falla, en la cual se presentaron las características antes descritas, corresponde a la falla El Boquete, que cruza al túnel 2, entre el cadenamiento 0+412 al 0+425, y donde se presentó el desprendimiento de un bloque de roca de forma prismática, así como una masa rocosa completamente triturada, provocando una sobre excavación de 3 m hacia el frente de la excavación y unos 8 m sobre la clave del túnel. La presencia de agua en la zona al momento del evento fue mínima. Para recuperar el frente de la excavación se determinó realizar el retiro de material desprendido y efectuar el relleno de la cavidad; sin embargo, durante este proceso los bloques y el material triturado de la parte

Figura 4. Sección de anclaje de fricción y marcos metálicos, para las zonas de roca de mala calidad y cruce con fallas geológicas.

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- Se ajustó la geometría de la sección inferior, implementando una curvatura en el piso final de los túneles (chaflán), que se construyó con concreto armado. - Se implementó en todas las excavaciones la colocación inmediata de concreto lanzado en el frente para evitar la alteración de la roca.

superior de la bóveda, nuevamente volvieron a colapsar entre otras cosas a que se presentó una intensa lluvia que aumento notablemente las filtraciones. Consecuencia de lo anterior se produjo un importante asentamiento en la superficie del terreno, en la proyección de la trayectoria de la falla. La cavidad formada alcanzó aproximadamente 30 m de largo por 40 m de profundidad. El material colapsado (10,000 m3 aprox.) se movilizó hacia el nivel del túnel, describiendo una trayectoria en forma de silo con una longitud aproximada de 140 metros de altura como se observa en la Figura 6. Al momento del evento se tenían dos frentes de excavación (por la entrada y por la salida), el caído se presentó por el frente de la salida, mientras que el frente de avance proveniente del portal de entrada se encontraba aproximadamente a 20 metros de esta zona de falla.

Por otro lado, el procedimiento de recuperación del frente de excavación en la media sección superior para la zona del colapso correspondiente a la falla El Boquete en el túnel 2, se llevó a cabo mediante las siguientes acciones y la colocación de tratamientos de refuerzo adicional. Por los frentes de salida y entrada, en tramos adyacentes a la zona del caído, se realizó un refuerzo mediante un emboquillado, colocando marcos metálicos empacados en concreto hidráulico con la finalidad de proporcionar seguridad en la zona y poder realizar los trabajos de recuperación del frente. El procedimiento seguido fue el que se describe a continuación:

Estos derrumbes afectaron considerablemente el avance de las excavaciones y el comportamiento de la roca circundante al túnel para sus condiciones de operación a largo plazo, debido a la formación de las cavidades por encima de la bóveda; por lo anterior se preveía implementar adecuaciones al sistema de de soporte primario y definitivo de los túneles de conducción, a fin de lograr condiciones de seguridad admisibles en estos tramos de falla.

1. Por el portal de entrada, se realizó un paraguas de tubería de barrenación NQ, con 40 piezas de 30 metros de longitud, con la intención de puentear la carga del material suelto a la roca adyacente de mejor resistencia. Figura 7

Figura 7. Arreglo del paraguas de tubería.

2. Colocación de barrenos direccionados y encamisados desde el frente de excavación por la salida, con la finalidad de realizar el relleno de las oquedades por encima de la bóveda del túnel, empleando mortero y concreto fluido. 3. Inyección con mortero y concreto fluido del material suelto por encima de la bóveda para aglutinarlo y mejorar su estabilidad. Se inyectaron del orden de 240 m3. 4. Colocación de paraguas de anclaje constituido por varillas corrugadas de 12 metros de longitud en la bóveda del túnel, desde am-

Figura 6. Esquema del colapso y asentamiento en zona de falla El Boquete (Túnel 2).

5 Solución de los problemas presentados durante la excavación y recuperación de frente Como medidas generales para lograr un adecuado comportamiento de la excavación de los túneles a largo plazo y considerando que estos permanecerán parcialmente llenos, se revisaron e implementaron algunas recomendaciones adicionales en los tratamientos a la roca que consistieron en: - Incrementar el espesor de revestimiento de concreto lanzado con fibra de acero y doble malla metálica, de 20 a 28 cm de espesor. - Adecuación del sistema de drenaje en zonas de fallas, se incrementó el drenaje de manera selectiva perforando barrenos de hasta de 9 m de longitud.

Figura 8. Esquema de tratamientos para recuperación del frente de excavación.

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bos frentes. Esto permitió identificar el mejoramiento del material por encima de la bóveda y sujetar bloques de material aglutinado, cuando fue necesario se complementaron las inyecciones. 5. Se realizó la colocación de concreto lanzado y anclaje en el material de rezaga depositado entre el piso y la bóveda del túnel, para evitar mayores deslizamientos. Figura 8 Una vez tratada y soportada la bóveda del túnel se reiniciaron los avances por ambos frentes de la siguiente forma: Por la entrada: Se avanzó con voladuras controladas de 1 a 1.5 metros de longitud y colocación de marcos metálicos @75 cm hasta llegar a 2 metros antes del alto de la falla.

Figura 10. Esquema de banqueo de la media sección inferior en zona de falla.

Por la salida: Se avanzó con recortes de material mediante medios mecánicos, los cuales se realizaron en las paredes laterales del túnel @ 75 cm lo que permitía la colocación de un marco metálico a la vez y continuar el avance dejando siempre un pilar central de material de rezaga que funcionaba como troquel para soportar el frente y bóveda del túnel. Figura 9 Finalmente se cruzó la zona de falla y se realizó una serie de inyecciones de mejoramiento al terreno en forma anular y en una longitud de 40 metros.

Figura 11. Secuencia de excavación de la media sección inferior en la zona de falla.

1. Etapa 1 y 5. Excavación con avances de 3m a media sección inferior completa colocando columnas de los marcos y anclaje correspondiente en cada uno de los avances. No fue requisito tener colocados los marcos completos antes del siguiente avance. 2. Etapa 2 y 4. Excavación de 3m de longitud a sección completa. Se colocaron necesariamente las columnas de los marcos antes del siguiente avance y el anclaje a la roca correspondiente. 3. Etapa 3: Excavación de núcleo central en avances de 3m de longitud y desbordes laterales a cada 1.5 m. Se colocaron necesariamente columnas de marcos en cada avance de 3 m con el desborde antes mencionado, antes de los siguientes avances y el anclaje a la roca correspondiente. En la Figura 12 se observa la media sección inferior excavada completamente, siguiendo el procedimiento anteriormente descrito.

Figura 9. Desborde lateral para la recuperación del frente.

Para la excavación de la media sección inferior, con el objeto de que ésta se realizara de manera segura y sin contratiempos, se optó por un procedimiento de banqueos en etapas de la siguiente manera: Inicialmente, se excavó el núcleo central de la media sección inferior con avances de 3 a 3.5 metros de longitud, en el cual se dejaron bordos laterales de 3.5 m en las paredes derecha e izquierda para proporcionar auto-soporte a la roca y a los marcos metálicos de la media sección superior instalados anteriormente desde la media sección superior. Figura 10. Posteriormente al banqueo del núcleo central, se realizó el desborde lateral derecho e izquierdo, instalando las columnas de los marco metálicos colocados en la media sección superior, debidamente fijadas a la rastra, ancladas y troqueladas. La descripción detallada del banque, se describe de acuerdo a las cinco etapas siguientes mostradas en la Figura11.

Figura 12. Banqueo de la media sección inferior en la zona de falla.

Finalmente, como medida de refuerzo adicional en esta zona y con la finalidad de incrementar las condiciones de estabilidad a largo plazo, se incrementó el revestimiento definitivo del túnel mediante la construcción de dovelas o “Casquillo” de concreto reforzado de 1,2 m de es40

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pesor, colocado en una longitud de de 14 metros, que corresponden a la zona de falla y desprendimientos de roca durante la excavación de la media sección superior. Figura 13.

a la roca y el incremento del espesor del revestimiento definitivo para estas zonas de falla, a fin de preservar las condiciones de estabilidad en los túneles de conducción a largo plazo; adicionalmente se diseñaron procedimientos específicos para recuperar los frentes de excavación. Algunas recomendaciones geotécnicas que pueden ayudar a evitar problemas de inestabilidad en rocas blandas como las que en este documento se describen y que son afectadas por estructuras geológicas importantes, donde la roca es de mala y muy mala calidad son las siguientes: 1. Es muy importante la colocación inmediata del revestimiento primario para evitar la degradación de las propiedades índice y mecánicas de la roca, producida por el desconfinamiento, la exposición al medio ambiente y los cambios de humedad. 2. En zonas de falla y con la presencia de filtraciones importantes, incrementar el número de drenes para evitar presiones hidráulicas que actúen desfavorablemente en la estabilidad del terreno. 3. Antes de cada avance de excavación y próximos a cruzar una zona de falla, realizar al menos 2 barrenos exploratorios en el frente de excavación, a fin de prever las condiciones geológicas y calidad de la roca. Lo anterior permitirá adecuar los tratamientos o bien el procedimiento de excavación. 4. Para pasar zonas de roca muy fracturada y alterada, con riesgos de desprendimientos al efectuar el avance, se recomienda emplear paraguas de anclaje.

Figura 13. Construcción del casquillo de refuerzo, que incrementó el revestimiento definitivo en la zona de falla.

6 Conclusiones

Durante los estudios previos a la construcción de los túneles, se identificó que las excavaciones se realizarían en rocas sedimentarias y se estimaron problemas de estabilidad en las zonas donde las excavaciones cruzarían la unidad geológica compuesta por limolitas y estas a su vez estuvieran afectadas por la presencia de fallas y agua. Para estas zonas durante la etapa de diseño se recomendó la instalación sistemática de marcos metálicos; para el resto de la longitud de los túneles, se recomendaron tratamientos sistemáticos constituidos por la colocación de concreto lanzado, anclaje de fricción y drenaje.

Agradecimientos: Para la realización de este documento, se agradece la colaboración de los ingenieros de Geología y Mecánica de Rocas de la Gerencia de Estudios de Ingeniería Civil (GEIC) de la CFE, residentes en la obra. Se agradece también a las autoridades de la GEIC y de la Residencia de Construcción. ≠

Durante las excavaciones, en los tramos de limolitas o areniscas clasificadas como roca de regular a buena calidad, los tratamientos previstos en la etapa de diseño se ejecutaron sin problemas. Sin embargo, se identificó que estas formaciones podían considerarse como rocas blandas debido a que sus propiedades físicas y de resistencia se degradaban una vez que la roca se decomprimía y quedaba expuesta al medio ambiente; estas características fueron verificadas mediante los resultados de pruebas de campo y laboratorio que se efectuaron durante la etapa de construcción.

Referencias 1. Bieniawski, Z. T. (1989). “Engineering rock mass classifications”. John Wiley and Sons, Inc. 2. González, L. (2002). “Ingeniería geológica”. Pearson Education. 3. Hoek, E. y Brown, E. T. (1988). “The Hoek-Brown failure criterion. A 1988 update”. Rock engineering for underground excavations. Proc. 15th Canadian Rock Mechanics Symp. Curran Ed. University of Toronto. 4. Rocscience Inc. (2004a). “RocData. Rock mass, soil mass and discontinuity Strength Analysis”. Rocscience Inc. Geomechanics Software and Research. Software tools for rock and soil. 5. Rocscience Inc. (2004b). “Phase 2”. Finite Element analysis for Excavations and Slopes. Rocscience Inc. Geomechanics Software and Research. Software tools for rock and soil. 6. CFE, GEIC (2008). “Información Geológica y Geofísica generada durante los estudios de semidetalle y de detalle para las cuatro alternativas de trazo de los túneles de conducción”. Departamento de Geología. 7. CFE, GEIC (2010). Informe No. 10-103/SGM/R “Diseño geotécnico de los túneles de conducción del río Grijalva, Chiapas”. Departamento de Mecánica de Rocas e Inyecciones. 8. CFE, GEIC (2010). Informe No. 10-101/SGM/R “Condiciones geológicas-geotécnicas a la fecha en los túneles de conducción y de los trabajos por ejecutar para su conclusión, Río Grijalva, Chiapas”. Departamento de Mecánica de Rocas e Inyecciones.

Los túneles cruzaron tres zonas de falla, donde estas estructuras se presentaban de forma subvertical y la roca se clasificaba de muy mala calidad y con la presencia de filtraciones, estas condiciones generaron zonas potencial-mente inestables, afectando de forma importante el avance de las excavaciones. Estas zonas representaron aproximadamente el 2% de la longitud total de los túneles. En el túnel 2 se presentó el colapso del frente de excavación, asociado a la presencia de la falla geológica El Boquete, las primeras acciones para recuperar el frente, aunado a las condiciones geológicas y geotécnicas desfavorables provocaron una movilización de material hacia el interior del túnel y a lo largo de aproximadamente 140 m de altura, que se vio reflejado con la aparición de un asentamiento de grandes dimensiones en la superficie del terreno, el cual presentó un diámetro del orden de 30 m y 40 m de profundidad. La problemática presentada demandó la realización de estudios y revisiones adicionales que derivaron en la adecuación de los tratamientos 41

Agenda Boletín REVISTA BoletínAmitos Amitos

Agenda

19th Microtunneling Short Course

2nd International Conference on RoadaAnd Rail

Sede: Colorado School of Mines Campus in Golden Lugar: Golden, Colorado Fecha: 7, 8, 9 y 10 de febrero de 2012 Informes: www.microtunneling.com Teléfono (303) 444 - 2650

Sede: Dubrovnik Lugar: Croatia Fecha: 7 al 9 de mayo de 2012 Informes: Prof. Stjepan Lakusic laki@grad.hr www.grad.unizg.hr/cetra Tel. + 385 146 39 245

2o Simposio Internacional Sobre Túneles y Lumbreras en Suelos y Rocas

38th General Assembly of ITA

Sede: Centro Asturiano Polanco Lugar: Ciudad de México Fecha: 8, 9 y 10 de febrero de 2012 Informes: amitos@amitos.org y simposiotuneles2012@smig.org.mx Tel. 5528 3611 , 5677 3730 y 5679 3676

Sede: Bangkok Tailandia Lugar: WTC Fecha: 20 al 23 de mayo de 2012 Informes: www.ita-aites.org secretariaita-aites.org Tel. +41 21 693 23 10

3º Congreso Brasileño de Túneles y Estructuras Subterráneas

Montreal TAC 2012 Sede: Montreal, Quebec, Canadá Lugar: Hotel Hyatt Regency Fecha: 17 al 20 de octubre de 2012 Informes: www.tac2012.ca

Sede: Sao Paulo Lugar: Centro Fecomercio de Eventos Fecha: 20 a 22 de marzo de 2012 Informes: 3cbt@acquacon.com.br www.acquacon.com.br/3cbt

Colloquium on Using Underground Space in Urban Areas in South-East Europe UNDER CITY Sede: Dubrovnik, Croatia Lugar: Hotel Congress Centre “Lacroma” Fecha: 12 al 14 de abril de 2012 Informes: Tanga Rabar www.hubitg.com Tel. + 385 51 410 447

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En Proacon México somos especialistas en la ejecución de todo tipo de túneles y obras subterráneas gracias a nuestros experimentados profesionales y al amplio parque de maquinaria de última generación que poseemos. Nuestra dilatada experiencia en túneles para Autopistas y Carreteras, Obras Hidráulicas, Vías de Comunicación Urbana, Explotaciones Mineras, y Alta Velocidad ferroviaria, nos avala a la hora de acometer proyectos de cualquier dimensión y complejidad, garantizando los mejores resultados. Actualmente Proacón México está presente en cuatro estados de la República Mexicana participando en importantes obras como la Supercarretera Durango-Mazatlán, la Vía Rápida Poetas, la Autopista Naucalpan-Toluca y las minas de Naica.

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Poema

“La Elección” Poema anónimo publicado en El cronista del Valle, de Brownsville, Texas, el 26 de mayo de 1926 La hipótesis del escritor Antonio Saborit, es que el poema fue escrito por Guillermo Aguirre y Fierro, (autor del Brindis del bohemio).

El león falleció ¡triste desgracia! Y van, con la más pura democracia, A nombrar nuevo rey los animales. Las propagandas hubo electorales, Prometieron la mar los oradores, y aquí tenéis algunos electores: Aunque parézcales a Ustedes bobo Las ovejas votaron por el lobo;

Que a votar se encamina por el topo; El topo no se queja, mas da su voto por la comadreja;

Como son unos Buenos corazones Por el gato votaron los ratones; A pesar de su fama de ladinas Por la zorra votaron las gallinas; La paloma inocente, Inocente votó por la serpiente; Las moscas, nada hurañas, querían que reinaran las arañas;

Y con dolor profundo Por no poder encaminarse al trote, arrastrábase un asno moribundo A dar su voto por el zopilote. Caro lector que inconsecuencias notas, Dime: ¿no haces lo mismo cuando votas?

El sapo ansía, y la rana sueña Con el feliz reinar de la cigüeña; Con un gusano topo

Los peces, que sucumben por su boca, Eligieron gustosos a la foca; El caballo y el perro, no os asombre, Votaron por el hombre,

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