Importancia de la impermeabilización en obras subterráneas

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Importancia de la impermeabilización en las obras subterráneas José Miguel Galera

SUBTERRA Ingeniería

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Contenido 1. Introducción 2. Caracterización hidrogeológica del emplazamiento 3. Evaluación de la infiltración hacia un túnel 4. Tratamientos durante la excavación 5. Drenaje e impermeabilización de un túnel 6. Revestimiento 7. Ejemplo: Túneles de Abdalajís 8. Conclusiones

1. Introducción La excavación de un túnel ejerce dos efectos principales asociados con el agua subterránea:  Genera un flujo de agua hacia la excavación, que puede provocar interferencias durante las obras, y  Deprime la napa freática: posible afección a pozos, acuíferos, …; incluso afección medioambiental

Guía AETOS, 2018

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 En túneles hidráulicos la situación es la opuesta, pues pueden generarse filtraciones indeseadas al terreno circundante  La gestión del agua en un túnel se efectúa mediante un sistema de impermeabilización y drenaje, que debe ser aplicado tanto en:  Fase de excavación, incluyendo tratamientos de inyecciones, como en la  Fase final de la construcción, antes de la puesta en explotación del túnel

Túnel Tinguirica. CH La Confluencia. Chile

Túnel Abdalajís. LAV Córdoba-Málaga. España

 Existen dos tipos de soluciones a la presencia de agua en el túnel:  Túneles drenados: el agua subterránea es captada desde el terreno, canalizada y evacuada fuera del túnel, sin impedir (o haciéndolo parcialmente) el flujo, y  Túneles estancos: se impide el flujo del agua hacia el túnel, que consecuentemente ejerce una presión equivalente a su piezometría, o carga hidráulica  Para escoger uno u otro tipo hay que analizar:  la funcionalidad del túnel (hidráulico, vial, peatonal o ferrocarril),  El caudal y la carga de agua existentes,  Los aspectos medioambientales y,  Sobre todo, su factibilidad  Si se escoge una solución estanca habrá de preverse un sistema de sellado impermeable perimetral y tapes longitudinales de inyecciones, y exige un revestimiento capaz de soportar estructuralmente la carga de agua  La mayor parte de los túneles son drenados y solo excepcionalmente (en su mayoría en entornos urbanos o por afección medioambiental severa) se recurre a túneles estancos

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2. Caracterización hidrogeológica del emplazamiento La caracterización hidrogeológica del terreno donde se va precisión:  ¿dónde está el agua y que presión posee?:  ¿cómo se mueve el agua a través del terreno?: Antes de comenzar cualquier estudio hidrogeológico de siguientes datos previos:

a excavar un túnel debe definir con la piezometría la permeabilidad un túnel es necesario recopilar los

 Catastro de pozos y puntos de agua del área de estudio  Control foronómico de caudales en cursos de agua, manantiales y explotaciones de agua, próximos  Seguimiento hidrometeorológico, registro actualizado de una serie histórica de control Túnel de Brión. El Ferrol. España

2.a. La piezometría  El acuífero cuyo techo es el nivel freático se llama acuífero libre: en él la piezometría coincide con la altura de la columna de agua  El acuífero situado entre capas impermeables se denomina acuífero confinado: en estos casos, en los pozos excavados en él, las aguas salen a presión rebasando la boca del pozo, recibiendo el nombre de pozos artesianos

Cada tipo de acuífero conlleva una determinada presión hidrostática que debe ser conocida antes de iniciar la construcción de un túnel

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 Un buen control piezométrico, debe estar basado tanto en:  datos procedentes del catastro de pozos de agua y manantiales, y  datos suministrados por las investigaciones (geofísica y sondajes)  En ambos casos de debe tener en cuenta la estacionalidad de los niveles piezométricos  La toma de datos de piezometría permite satisfacer dos objetivos:  prever y cuantificar la afección a los acuíferos y pozos, a consecuencia del abatimiento de la napa, y  prever y cuantificar la anticipación por problemas derivados de flujos de agua hacia la excavación

Mapas de isopiezas para la modelación hidrogeológica Línea 9 Metro. Barcelona. España Proyecto AVO 1. Santiago. Chile

2.b La permeabilidad La base de un correcto estudio hidrogeológico es la determinación de la permeabilidad del terreno a excavar en el túnel, que depende:  En suelos: de la porosidad efectiva, que a su vez es consecuencia de la granulometría  permeabilidad primaria  En rocas: de la fracturación, o en algunos casos (calizas, evaporitas) de la disolución  permeabilidad secundaria. La permeabilidad primaria de las rocas es en general baja

Read y Stacey (2009)

La movilidad del agua en los vacíos del terreno (porosidad) depende de la porosidad efectiva o cinemática, que define la velocidad con la cual se mueve. A este valor se le conoce como permeabilidad

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i. Suelos

ii. Rocas

En suelos, la permeabilidad depende de la porosidad eficaz relacionada con la granulometría K = 1-1,5 (d10)2 K en m/s d10 en cm, siendo la apertura del tamiz por la que pasa el 10 % en peso del suelo (Hazen)

En rocas, la permeabilidad es función del espaciado y de la apertura de las discontinuidades A diferencia de los suelos, ¡los macizos rocosos pueden presentar fuertes anisotropías en sus direcciones de flujo del agua!

Hoek y Bray (1981)

Custodio y Llamas (1983)

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Máster en Mecánica del Suelo e Ingeniería Geotécnica

Custodio y Llamas (1983)

(Stacey y Read, 2008) 11

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3. Evaluación de la infiltración hacia un túnel La infiltración de agua hacia un túnel durante su excavación y/o operación dependerá de: Tamaño del túnel Carga de agua: respecto a la rasante del túnel, que es función de la piezometría, la Permeabilidad del terreno: alrededor del túnel, y la Permeabilidad del sostenimiento-revestimiento: considerando el espesor de hormigón primario (sostenimiento) para la construcción y del revestimiento, para la operación Para estimar esta ultima hay que considerar el tipo de hormigón que se esté considerando en los diseños. A este respecto la UNE-EN 12390-8:2009 proporciona valores característicos de la permeabilidad del hormigón

Clasificación del hormigón según su permeabilidad (EN 12390-8:2009) 12

 Existen estimaciones de la permeabilidad,

basadas en “back-analysis” considerando diferentes sistemas de revestimiento (Celestino, et al., 2001)

 Los valores de la permeabilidad obtenidos para el revestimiento de hormigón oscilan en el rango comprendido entre k= 10-11 y k= 10-8 m/s

 Esta permeabilidad es regularmente más

acusada en la dirección paralela a las capas de ejecución (Celestino et al., 2001)

 Todos estos túneles fueron construidos, hace 20 años, sin considerar por tanto las mejoras sobre cómo obtener hormigones de baja permeabilidad con agregados de sílice coloidal o policristalinos, así como antes de que se generalizara el empleo de la fibra sintética que reduce la fisuración por retracción durante el fraguado

 Hoy se pueden conseguir hormigones de muy baja permeabilidad

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La infiltración de agua hacia un túnel dependerá de las:

 Características hidrogeológicas del terreno: piezometría y permeabilidad, las  Características geométricas del túnel: diámetro y longitud de la excavación, y las  Características del sostenimiento/revestimiento: espesor y permeabilidad del hormigón Para estimar el flujo de agua hacia la excavación existen en la bibliografía, multitud de expresiones, siendo las más conocidas:

Farhadian, H. and Katibeh (2017)

Una de las más completas es la expresión de El-Tani (1999), que proporciona el caudal Q por metro de túnel: ri: radio interno re: radio externo que definen un radio equivalente req h: profundidad del eje del túnel respecto al nivel de agua kg,kI: permeabilidad del terreno y del revestimiento

Túnel de Ollachea. Interoceánica Sur. Perú (Velásquez y Ramírez, 2019)

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La modelación hidrogeológica, basadas en cálculo numérico, permite cuantificar de forma más precisa:  la afección a los acuíferos y explotaciones de agua existentes como consecuencia del abatimiento del nivel freático,  la detección de comportamientos anómalos en puntos de control futuros durante la construcción del túnel, y por tanto que no se deban a su construcción, y  el flujo de agua hacia el túnel Túnel de Brión. El Ferrol. España

4. Tratamientos durante la excavación La gestión del agua en un túnel comienza durante la fase de excavación y sostenimiento  Caudales de agua puntuales (pocos l/s ), incordian durante la fase de excavación y sostenimiento, siendo necesario establecer sistemas de bombeo y evacuación del agua fuera del túnel  Caudales de agua importantes (¿<10 l/s?), pueden hacer necesario:  Drenar y laminar el caudal mediante perforaciones por delante de la frente  Tomar precauciones en la instalación de los elementos del sostenimiento (pernos de fricción, shotcrete sobreacelerado y por fases, etc  Caudales de agua muy importantes (¿>10 l/s?), que exigen su disminución, requiriendo:  Tratamientos de inyección previos (desde la superficie o por delante de la frente de excavación)  Tratamientos de inyección posteriores a la excavación desde el túnel ya excavado

Túnel CN – CS. SCO2. Santiago. Chile

Adit El Manzano y Túnel Portillo.

CH La Confluencia. Chile

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i. Tipos de actuaciones posibles durante la excavación:  Pre-inyección del terreno por delante de la frente de excavación, para evitar la entrada de agua y estabilizar el terreno (en terrenos de baja calidad geomecánica: fallas, etc)  Sondeos de drenaje por delante de la frente de excavación al objeto de detectar la presencia de agua, y si es necesario, drenarla hacia detrás de la frente, laminando los caudales  Inyecciones para impedir o minimizar la entrada de agua hacia el túnel ya excavado desde la frente de excavación y/o sus inmediaciones

Línea 9 Metro. Barcelona. España

 Consolidación de terrenos de poca calidad para evitar el arrastre de finos  Relleno de cavidades mediante productos de elevada capacidad de expansión, si el agua está asociado a oquedades

Rampa de exploración. Las Cruces. España

ii. Productos de inyección Los productos a emplear dependen fundamentalmente de la permeabilidad del terreno, pudiendo emplearse: mortero, cemento o cemento-bentonita, cemento ultra-fino, silicatos, o productos químicos; o una combinación de ellos

(Peila y Pelizza, 2003)

Catálogo Master Builder - Basf

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iii. Esquemas de inyección  Los esquemas de inyección dependen de la profundidad y de la ubicación de las vías de agua (fracturas, cavidades, matriz, etc)  Es habitual la disposición en “paraguas” para tratamientos generalizados, o desde la superficie en túneles someros  Es una buena práctica siempre comenzar la inyección de la solera hacia la clave  El criterio de control puede ser el caudal inyectado y/o la presión de inyección

Túnel Lo Saldes. SCO2. Santiago. Chile

Túnel DR2. CH Cheves. Perú

L9 Metro Barcelona. España

 También es posible hacer el tratamiento en varias fases, siendo habitual comenzar con el producto más económico (mortero o cementobentonita), y una segunda fase con inyecciones químicas  Si el terreno es muy impermeable, la mejor solución es el jet grouting, con una posterior inyección química

Si bien las inyecciones se deben controlar por presión y/o caudal, en macizos rocosos fracturados la penetración es a través de las discontinuidades, siendo la presión de inyección un parámetro muy importante a controlar

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5. Drenaje e impermeabilización de un túnel La gestión del agua en un túnel una vez excavado y sostenido, se efectúa mediante un sistema de impermeabilización y drenaje

Se pueden diferenciar dos tipos de soluciones:  Túneles drenados: el agua es captada, canalizada, y evacuada fuera del túnel  Túneles estancos: se impide el flujo del agua mediante un sistema impermeable perimetral e inyecciones longitudinales

La inmensa mayoría de los túneles son drenados y solamente en algunos túneles urbanos y/o por causas ambientales, se adoptan tipologías estancas

Una solución de estanqueidad completa es solamente factible en un reducido número de túneles, bien sea por causas técnicas, de plazo y/o de coste ¡Si no drenamos el agua, esta ejercerá una presión sobre el revestimiento, que ha de diseñarse para soportar estructuralmente dicha acción!

5.a. Túneles drenados  El agua que aparece durante la excavación de un túnel ha de ser captada y convenientemente canalizada, mediante un sistema de impermeabilización y drenaje  En las zonas donde el agua se reduzca a ligeros goteos, la impermeabilización se puede reducir a la aplicación de una capa de una resina organomineral bicomponente u hormigones proyectados de baja permeabilidad con aditivos policristalinos o de otro tipo  En las surgencias puntuales de agua con caudal se deben disponer, atravesando el sostenimiento, un tubo de PVC (mínimo 20 mm de diámetro), ranurado o perforado, protegido por un geotextil

Túnel CN - CS. SCO2. Santiago. Chile

 Estas aguas deben ser canalizadas y conducidas al sistema general de drenaje del túnel, para su extracción, fuera del túnel. El sistema más utilizado el Oberhasli o de medias cañas Tratamiento en surgencias puntuales de aguas

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 La solución estándar de impermeabilización de un túnel está encomendado a un conjunto formado por un geotextil de polipropileno antialcalino (típicamente de 350 g/m2) y una geomembrana de PVC (mínimo de 1,5 mm de espesor)

i. Impermeabilización

 La puesta en obra habitual es la siguiente:  Colocación del geotextil anclado mediante arandelas

 Colocación de la geomembrana sujeta a las arandelas anteriormente citadas

 Colocación de anclajes  Colocación de una malla o de la armadura

Túnel Kennedy. SCO2. Santiago. Chile

Crossrail. Londres.

Tunnel&Tunnelling, marzo 2018

Hormigón proyectado (SCL)

Hormigón moldeado Sistema general de impermeabilización de un túnel (Díez, 2018)

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Túnel Vivaceta.

Proyecto SCO1.

Santiago. Chile (Kuster et al., 2014)

ii. Red de drenaje  A ambos lados del túnel se deben disponer sendos tubos de PVC ranurado (mín. 160 mm), colocados previamente al revestimiento y el hormigonado del murete y/o aceras  Estos drenes-colectores recogen el agua que proviene del conjunto impermeabilizante, canalizando el agua que discurre tras la lámina y llevándolas hacia el colector principal

La red de drenaje debe cumplir:  La capacidad de los colectores y

canalizaciones deben ser los definidos en el estudio hidrogeológico

 La velocidad mínima para el 70% del caudal máximo debe ser 0,5 m/s.

 El diámetro mínimo de los colectores y/o cazs debe ser 30 cm

 Deben existir pozos de bombeo, si existen puntos mínimos

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iii. Membranas proyectadas  Existe una cierta tendencia al empleo de las denominadas “membranas proyectadas” o de shotcrete de altas prestaciones e impermeables llegan a evitar la colocación de mantas de impermeabilización  Su empleo exige realizar ensayos y pruebas previas, una esmerada tronadura, y un estricto control  Es conveniente controlar la permeabilidad mediante el ensayo EN7031 exigiendo una penetración máxima de 50 mm y un promedio de 20 mm  Estas soluciones:  Reducen porosidad y permeabilidad del hormigón  Incrementan su resistencia al agua  Incrementan la durabilidad del hormigón

Membranas proyectadas Estas soluciones pueden plantearse mediante el empleo de sellantes o de shotcrete impermeable:  Uso de sílice coloidal (5-20 nm)  Uso de master-seal (Sika)  Uso de mezclas cristalinas (Kryton)

Ejemplo KIM-HS reduce un orden de magnitud la permeancia (permeabilidad al vapor de agua) y 3 veces (hasta 1.28 10-14 m/s) la permeabilidad

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5.b. Túneles estancos  En esta tipología de túnel, se impide el flujo del agua mediante un sistema de sellado perimetral impermeable de todo el contorno  Adicionalmente deben incorporarse tapes intermedios y en sus extremos longitudinales mediante cortinas profundas de inyección  Una vez que se impide el caudal de agua hacia el túnel, esta ejerce por tanto una presión equivalente a la piezometría  Esta solución por lo tanto está limitada por la capacidad estructural del revestimiento, no siendo habitual en túneles profundos en los que la carga de agua supera cientos de metros

Túnel de Abdalajís. LAV Córdoba-Málaga. España

Al objeto de garantizar la integridad estructural del revestimiento, en casos de elevada carga de agua (>200 m), es conveniente disponer de un sistema de válvulas de presión, que actúan como fusibles si se supera la carga de diseño del revestimiento (Abdaljís, Udalaitz, ...)

Túnel de Udalaitz. LAV Vitoria-Bilbao. España. (Jiménez, 2018)

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6. Revestimiento Los aspectos determinantes a considerar para definir el revestimiento son:  Seguridad estructural a largo plazo  Funcionalidad En base a esto, se pueden distinguir: a) Revestimientos estructurales:  Existencia de fenómenos tiempo-dependientes en el terreno (expansividad, fluencia, o evolutividad)  Existencia de cargas de agua (recuperación de la piezometría original o variaciones estacionales de la piezometría)  Existencia de acciones sísmicas b) Revestimientos funcionales: • Incendios o atmósferas/ acciones agresivas dentro del túnel • Acciones derivadas del llenado y vaciado en túneles hidráulicos e hidroeléctricos En suelos y rocas de calidad baja o media, suele ser necesario cerrar la sección con una contrabóveda. En el resto de casos es suficiente una losa plana de hormigón en masa o armado o, en terrenos rocosos de muy buena calidad, de una losa de regularización

Túnel Kennedy.

Kuster et al., 2017)

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Criterios para seleccionar el revestimiento de un túnel Aspecto

Sólo sostenimiento

Revestimiento decorativo

Revestimiento de hormigón proyectado

Revestimiento de hormigón encofrado

Estructural

Proporciona estabilidad a corto-medio plazo, según la presencia de agua

Proporciona estabilidad a largo plazo

Proporciona estabilidad a largo plazo

Agua

Solamente es válido para afluencias de agua al túnel pequeñas o medias

Es obligado con abundante presencia de agua

Es obligado con abundante presencia de agua

Regular

Bueno

Regular

Muy bueno

Estético Aerodinámica/Hidrodinámica

Malo

Muy bueno

Desfavorable, pues proporciona una superficie interior del túnel rugosa

Iluminación

Malo, absorbe la luz

Bueno, refleja la luz (*)

Mala

Mantenimiento

Necesita vigilancia periódica y refuerzos ocasionales

Necesita vigilancia periódica, refuerzos ocasionales y limpieza

Mínimo

Mínimo

Coste relativo

Bajo

Medio-alto

Medio-alto

Alto, especialmente en túneles cortos

(*) En el caso de revestimiento decorativo dependerá del tipo elegido

Guía AETOS Sostenimiento y revestimiento, 2018

jj1

7. Ejemplo: Túneles de Abdalajís, España En 1992 se puso en servicio la primera línea de alta

velocidad en España, entre Madrid y Sevilla (476 km) Actualmente la red de Alta Velocidad posee una longitud de 2.606 km, sobre una red ferroviaria de 3.402 km Los túneles están incluidos en la LAV Córdoba – Málaga (l=155 km; v=350 km/h) Los túneles atraviesan las Cordilleras Bética, 20 km al SW de Antequera (Málaga) La inversión inicial fue de 231 M€ (258 M€ final)

Túneles de Abdalajís 2 x 7.300 m Mayo 2002 – Enero 2006

Portal Sur

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Diapositiva 36 jj1

jmgalera jmgalera; 18/08/2020

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Datos generales

S

N

Galera (2007)

 Los túneles se excavaron empleando dos Doble-Escudo de 10 m de diámetro de excavación (8,8 m útil)  El sostenimiento/revestimiento está formado por un anillo de 7 dovelas de 45 cm, con tres distintas resistencias (40 – 80 MPa) y cuantía de armadura (60 – 200 kg/m3)  Existen 19 galerías de comunicación entre ambos túneles  La geología es muy compleja, atravesando materiales terciarios, mesozoicos y paleozoicos; en un sistema de escamas tectónicas de vergencia Norte (cordillera Bética)

Túnel Poniente

Túnel Oriente

Hidrogeología Los túneles intersectan tres acuíferos principales: Sierra de Huma, Valle de Abdalajís, y Sierra Llana

La conexión hidráulica entre ellos es muy débil

Se trata de acuíferos carbonatados de elevada permeabilidad por fracturación y carstificación

N

S

La presión de agua alcanza los 300 m

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El 23 de marzo de 2005, en el túnel Oriente se intersecó un flujo de agua, asociado a una fractura con carstificación, de 450 – 500 l/s

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 El máximo caudal instantáneo fue de unos 450 – 500 l/s, en el túnel Oriente, que se estabilizó en unos 50 l/s  En el túnel Poniente, más retrasado, los caudales punta apenas superaron los 100 l/s  Se ha realizó un intenso control piezométrico de los acuíferos, en especial en surgencias y fuentes  Se realizaron nuevas evaluaciones hidrogeológicas específicas para analizar las condiciones de recuperación de los niveles originales  Se decidió la estanqueidad del túnel al objeto de evitar afecciones medioambientales, diseñando un anillo de refuerzo y estanqueidad en todo el tramo con acuíferos

Anillo de refuerzo  Diseñado para resistir cargas de agua de entre 200 y 300 m, posibilitando la recuperación de los niveles originales de agua  Consiste en un anillo de refuerzo interior con tapones extremos (15 m) e internos (7,5 m) de mediante cortinas profundas de inyección de lechada  Posee un espesor de un mínimo de 40 cm de hormigón armado autocompactable de 55 y 80 MPa, a efectos de cálculo se consideraron 35 cm  Entre la dovela y el anillo posee una barrera de impermeabilización (geotextil+PVC), inyectado en algunos tramos  Las longitudes del anillo fueron respectivamente, de 1.130 m en el Tubo Oriente y 1.165 m en el Tubo Poniente

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Túnel de Abdalajís.

Fases de construcción del anillo 4

 El túnel posee un sistema de piezómetros dispuestos en secciones con dos sensores en hastiales y otro en solera, que están conectados a válvulas que alivian la presión:

 Cuando se sobrepasa un valor determinado  Cuando la asimetría de carga supera un umbral dado

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8. Conclusiones 1. La excavación de un túnel drena el agua subterránea, provocando un flujo hacia la excavación y un abatimiento de la napa freática

2. Para valorar ambos efectos es necesario un detallado estudio hidrogeológico, en el que destaca la evaluación de la permeabilidad/es del terreno y de la piezometría/s de los acuíferos afectados

3. La gestión del agua en un túnel debe efectuarse tanto durante la excavación, fundamentalmente mediante inyecciones, como a su finalización, mediante un sistema de impermeabilización y drenaje

4. Existen dos tipos de soluciones conceptuales definitivas para esta gestión del agua:  Túneles drenados: el agua subterránea es captada, canalizada y evacuada fuera del túnel, o  Túneles estancos: se impide el flujo del agua hacia el túnel, que consecuentemente ejerce una presión equivalente a su piezometría, o carga hidráulica

5. En túneles como importante presencia de agua (sea drenado o estanco) es imprescindible un revestimiento de hormigón moldeado o proyectado (SCL)

Bibliografía • • • • • • • • • • • • • • • •

AENOR. (2009). “UNE-EN 12390-8:2009. Ensayos de hormigón endurecido. Parte 8: Profundidad de penetración de agua bajo presión”.

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Celestino, T. B., Giambastiani, M. and Bortolucci, A. A. (2001). “Water inflows in tunnels: back-analysis and role of different lining systems”.

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¡Gracias por su atención!

Consultas: jmgalera@subterra-ing.com

Ramal Martín de Zamora. Eje 258. Américo Vespucio Oriente, AVO1

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