«Desarrollo de obras subterráneas en grandes centros urbanos» Juan Kuster – Grupo Costanera

Experiencias de tĂşneles viales urbanos en Santiago Juan KĂźster

Concesionaria Costanera Norte

Vespucio Oriente II

Jose Miguel Galera Proyectista Subterra

Actuación Acceso Nor Oriente San Cristóbal Santiago Centro Oriente. SCO 1 Santiago Centro Oriente. SCO 2

Américo Vespucio Oriente. AVO I Américo Vespucio Oriente. AVO II

Túnel

Método Constructivo

Longitud (m)

Sección (m2)

Manquehue 1 Manquehue 2 Chamisero San Cristóbal Vivaceta

NATM NATM NATM NATM NATM (*)

250 2 x 647 2 x 1.588 2 x 1.577 580

205 85 75 75 90

Kennedy

NATM (*)

1.150

200/250

CN – CS Lo Saldes

NATM (*) Fases (*)

292 70

80 90

Sector 1

NATM /Pique/C&C

2.168

115/150

Sector 2

C&C/Piques/NATM (*)

4.910

285

Sector 1

NATM (*) /Alemán (*)

5.150

70-150-200-263 / 529

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Túneles urbanos en Santiago

Contenido •

Túnel Vivaceta (Santiago Centro Oriente 1, SCO1)

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Santiago Centro Oriente 2, SCO2 – Túnel Kennedy – Túnel Lo Saldes

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Américo Vespucio Oriente – AVO II

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Consideraciones generales para el diseño de túneles

1. Túnel Vivaceta •

El programa SANTIAGO CENTRO ORIENTE 1 incluyó, entre otras, la mejora del nudo entre la Costanera Norte y Ruta 5S, mediante un enlace de unos 750 m con un túnel de 490 m, conocido como Túnel Vivaceta.

Túnel Vivaceta: condicionantes geológicos, geotécnicos e hidrogeológicos

Rellenos antrópicos

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El terreno está formado en su mayor parte por las gravas del río Mapocho con presencia de importantes rellenos antrópicos.

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La napa freática afecta al túnel en unos 60 m, a ambos lados del río.

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El túnel se ubica en una zona sísmica, siendo de aplicación una aceleración de acuerdo al Manual de Carreteras.

Túnel Vivaceta: excavación y sostenimiento •

Método Constructivo: NATM, en avance y destroza, con uso sistemático de paraguas de micropilotes y pata de elefante. Excavación con medios mecánicos.

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Sección funcional: dos pistas. La sección de excavación es 85,4 m2 (52.4/33.0 m2), con una anchura de 11 m.

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Soporte: 5 cm de sello, marcos HEB 120 a m, y 20 cm de HP G35. Uso sistemático de pechuga y paraguas formados por 25 micropilotes (Dperf =101 mm, Dext =88,9 mm, Dint =75,9 mm) espaciados 0,4 m y con un solape de 3 m.

Sostenimiento del túnel (tramo sin contra bóveda estructural)

Túnel Vivaceta: diseño, evaluación de subsidencias •

El túnel discurre bajo estructuras existentes en la superficie y en el subsuelo, con una cobertura extremadamente pequeña: General Prieto (6,7 m) y Santa María (5,3 m), Fermín Vivaceta (7,4 m), Viaductos de la Autopista Central (10,3 m), colector en túnel (6,2 m), Costanera Norte (15,9 m), Autopista Central (8,7 m), y ducto de Metro (7,9 m).

Túnel Vivaceta: impermeabilización y revestimiento •

Se efectuó una impermeabilización parcial del túnel, mediante geotextil y manta de PVC, entre las Dm 337 y 417, y en los 60 m ubicados a ambos lados del río.

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Además en estos 120 m, se ha considerado presión de poros, lo que ha exigido considerar un revestimiento estructural con contra bóveda.

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Adicionalmente, el revestimiento se ha comprobado ante la acción sísmica según Manuel de Carreteras.

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Sobre el “sándwich” de impermeabilización y tras colocar una malla tipo Acma, se proyectaron 10 cm de hormigón proyectado (Sprayed Concrete Lining, SCL) con fibras de polipropileno.

Revestimiento para los tramos con presión de poros (tramo con contra bóveda)

Excavaciรณn en avance bajo paraguas y ejecuciรณn de la destroza por tramos alternos

Ejecuciรณn de la contra bรณveda

Impermeabilizaciรณn y revestimiento

Terminaciones

2. Túneles Santiago Centro Oriente 2

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El programa SANTIAGO CENTRO ORIENTE 2 incluye tres túneles: – Túnel Kennedy, de 1.150 m de longitud.

– Túnel Costanera Norte – Costanera Sur, de 292 m de longitud.

– Túnel Lo Saldes, de 65 m de longitud.

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El Túnel Kennedy discurre paralelo a la avenida Kennedy, entre la antigua Rotonda Pérez Zujovic y Américo Vespucio. Existen dos secciones, para 4 y 5 pistas de circulación; que conllevan anchos de excavación de más de 20 m y secciones superiores a 200 m2.

Túnel Kennedy: sección funcional

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La sección 4 pistas posee unas dimensiones internas de 17,45 m de ancho y 11,30 m de alto; con una galería de servicio inferior.

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En los primeros 50 m existe una sección de 5 pistas que exige una anchura de 21,0 m y una altura de 11,8 m.

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Entre ambas hay una transición de 4,5 pistas.

Túnel Kennedy: condicionantes geológicos, geotécnicos e hidrogeológicos

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El terreno está formado en su mayor parte por las gravas del río Mapocho (segunda depositación)

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La napa freática se ubica cercana a la superficie, afectando al túnel.

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El túnel está en una zona sísmica, siendo de aplicación una aceleración de 0,3g. Durante la construcción tuvo lugar un sismo de magnitud 8,4 Mw en Coquimbo (16-09-2015), sin generar ningún daño al sostenimiento primario en proceso de construcción.

TĂşnel Kennedy: fases constructivas (1/3)

TĂşnel Kennedy: fases constructivas (2/3)

TĂşnel Kennedy: fases constructivas (3/3)

TĂşnel Kennedy: sostenimiento primario

TĂşnel Kennedy: fases constructivas secciĂłn 5 pistas

Túnel Kennedy: revestimiento o secundario (1/4) •

El revestimiento posee un espesor variable de 20 a 40 cm dependiendo de la altura de la napa freática.

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Existen tres secciones estructurales: – Sección A, 40 cm y fuertemente reforzada para agua por encima de clave, – Sección B, 35 cm y cuantía media de armadura, para agua ubicada a la altura del túnel, y – Sección C, 20 cm con doble malla ACMA para agua por debajo del túnel.

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Entre el sostenimiento y el revestimiento existe una impermeabilización tipo sándwich.

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Existe un sostenimiento terciario de 10 cm con fibra de polipropileno anti-incendio.

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La sección de 5 pistas, posee un revestimiento especial de 50 cm y fuerte armadura, que se ejecutó con SCL.

TĂşnel Kennedy: revestimiento o secundario (2/4)

TĂşnel Kennedy: revestimiento o secundario (3/4)

Túnel Kennedy: impermeabilización Considerando la existencia de napa freática ubica cercana a la superficie y su afectación directa al túnel, el diseño de la impermeabilización considerado presenta las siguientes ventajas: – evita goteos a la plataforma de circulación – alarga la vida útil de los distintos elementos por los que circule el agua, en especial a los hormigones.

– minimizan los caudales de bombeo durante la fase de vida útil del túnel.

– Independiza el comportamiento y diseño estructural de los espesores de hormigón correspondientes al sostenimiento (primario) y al revestimiento (secundario), optimizando los diseños de ingeniería.

Unión con galerías de evacuación peatonal

Portal Poniente

Portal Oriente

Túnel Kennedy: datos claves de la construcción

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La excavación comenzó el 24 de Octubre de 2014 y finalizó el 16 de Febrero de 2017, con un avance promedio total de 1,4 m/día.

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La subsidencia máxima en superficie fue de 12,4 mm en la sección de 4-pistas (Dm1145) y de 12,8 mm para la de 5-pistas (Dm 1037).

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La convergencia máxima para la sección de 4-pistas fue de 14,4 mm (Dm 1465) con una velocidad máxima de 3,66 mm/día.

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Los valores equivalentes para la sección de 5-pistas fueron de 57,52 mm (Dm 1070) y 2,03 mm/día.

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Los valores de máxima deformación estuvieron siempre asociados con la demolición del soporte temporario.

Túnel Lo Saldes •

La longitud del túnel es de 61 m.

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El acceso al portal sur se realizó mediante una estructura en trinchera formada por pilotes y vigas de acodalamiento.

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El acceso al portal norte se ejecutó desde un pique ovalado y, posteriormente, en “Cut and Cover”. En este portal, tanto el pique como los 40 m del “side-drift” derecho.

Sección del Túnel Lo Saldes

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Sección característica del túnel alberga tres carriles de 3,5 m de ancho cada uno.

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Las dimensiones interiores útiles son 14,0 m de ancho y 5,7 m de altura máxima, respetando un galibo de 4,5 m.

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La alineación del túnel discurre bajo el eje Kennedy con una cobertera extremadamente pequeña, que impide la adopción de una sección convencional.

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La cobertura varía entre 4,7 m en el Portal Norte hasta únicamente 1,6 m en el Portal Sur.

Características del terreno - Túnel Lo Saldes

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Tobas meteorizadas

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Materiales aluviales (grava, cantos rodados limos y arcillas)

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Rellenos antrópicos.

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No hay agua y contexto sísmico

Método constructivo - Túnel Lo Saldes

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La excavación se realizó con la filosofía del NATM pero adoptando un sostenimiento extremadamente rígido.

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La sección se dividió en tres fases de excavación.

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El pase de avance en cada sección se estableció en 0,7 m.

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Cada sección mantuvo un desfase de 20 m con respecto a las otras, siendo la primera A, luego B y última C.

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Se avanzó al abrigo sistemático de un paraguas (l=7 m, Øext=76 mm, Øint=58 mm) solapados 3,5 m.

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En los rellenos antrópicos la frente se reforzaba con pernos de fibra de vidrio (l=9 m y Ø=22 mm) y con un solape de 4,5 m.

Túnel Lo Saldes

Sostenimiento Túnel Lo Saldes •

El sostenimiento primario consistió en perfiles metálicos doble T de 40x218 mm y una capa de 30 cm de hormigón proyectado con fibra.

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El secundario o revestimiento está formado por 30 cm adicionales de hormigón proyectado.

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Para mejorar y asegurar la estabilidad del frente se dispuso un paraguas de micro pilotes y pernos de fibra de vidrio en el frente.

Tratamientos de inyección - Túnel Lo Saldes •

Adicionalmente, en los rellenos ubicados en la clave, se ejecutaron inyecciones de mejora del terreno.

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La mayoría de estas inyecciones se efectuaron desde el interior del propio túnel.

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Todo el túnel se ejecutó bajo paraguas (l=7 m)

Tratamientos de inyección - Túnel Lo Saldes •

En un tramo de la sección debido a dificultades de ejecución y a la necesidad de abarcar volúmenes concretos de terreno en la clave del túnel, se tuvieron que realizar desde la superficie.

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Para evitar fugas de la lechada, se diseñó un procedimiento específico, confinando un recinto mediante pilotes secantes de mortero a ambos lados del túnel.

Proceso final - Túnel Lo Saldes •

La secuencia final fue la siguiente: – Demolición de una longitud de 5 m del tabique provisorio de la sección B e instalación del sostenimiento definitivo en el perímetro de las secciones B y C. – La demolición de los tramos subsiguientes comenzaba cuando la resistencia del hormigón de sostenimiento definitivo alcanzaba como mínimo el 60% de su capacidad a 28 días.

– La demolición del tabique de sostenimiento provisional de la sección A avanzó con un desfase de 20 m respecto a la demolición del tabique en la sección B. – El proceso finalizó con la demolición total e instalación del secundario.

Control de la Construcción - Túnel Lo Saldes •

La reducida cobertura y la presencia de la autopista encima, exigió un estricto control de las deformaciones inducidas.

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Para ello se dispuso un monitoreo formado por: – 12 secciones de convergencia.

– 17 hitos de control topográfico en superficie.

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Las deformaciones máximas estuvieron relacionadas con la demolición de los tabiques provisorios.

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El asiento máximo en superficie fue de 10,6 mm.

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La convergencia máxima fue de 11,89 mm.

Datos claves de la construcción - Túnel Lo Saldes •

El portal Norte y los 40,6 m iniciales de la Sección B se ejecutaron previamente en 2007.

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La segunda etapa comenzó el 20/10/2015 y finalizó el 11/10/2016, es decir, 357 días.

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El ritmo medio de avance, considerando las tres secciones (A, B y C) fue de 0,2 metros por día.

Sección B C A

PK 241,65 241,65 201,05

Fecha 20-10-2015 19-11-2015 25-06-2016

PK 180,75 180,75 180,75

Fecha 08-09-2016 11-10-2016 30-09-2016

Longitud (m) 60,9 60,9 20,3

AmĂŠrico Vespucio Oriente (AVO II)

Américo Vespucio Oriente (AVO II) •

La Concesión AVO II posee unos 5 km, todos ellos en túnel minero.

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Posee seis ramales de entrada o salida para conectar con la superficie.

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Discurre en su mayor parte paralela y en parte bajo la Línea 4 de Metro.

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Se excavará en Gravas y Conos de Deyección (presencia de Arcilla).

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El inicio de las obras de construcción está previsto para comienzos de 2022.

Aspectos del diseño de AVO II •

El concepto de diseño, está basado en los siguientes principios y partes: – El sostenimiento del túnel o primario posee la misión de estabilizar las excavaciones durante su construcción, derivada del empuje del terreno, dado el carácter drenante del soporte que, en caso de existencia, mantiene el nivel freático rebajado. Adicionalmente, el MOP ha requerido que se verifique el sostenimiento también para la condición de “Sismo reducido” (reducción de la magnitud del sismo de diseño, debido a la probabilidad ocurrencia durante el periodo entre la ejecución del sostenimiento y el revestimiento definitivo). Por tanto, sólo debe diseñarse de acuerdo a las características del terreno, adicionado el factor sísmico de aproximadamente 2 años de recurrencia.

– El sostenimiento esta previsto ejecutar con marcos metálicos reticulados espaciados entre 1 m a 1,5 m, proyectado con hormigón con fibra metálica.

– El revestimiento del túnel o secundario se diseña para asegurar, por una parte la estanqueidad del túnel, contemplando asimismo el escenario sísmico consecuente con la ubicación del proyecto de acuerdo al Manual de Carreteras.

– El revestimiento esta previsto ejecutar con hormigón moldeado y doble malla electro-soldada, adicionando el hormigón con fibra de polipropileno para protección contra incendio.

Transición de AVO I a AVO II AVO I con 2 túneles sobrepuestos AVO II con 2 túneles de lados Métodos de ejecución tipo Túnel Alemán Mixto máxima sección de excavación 529 m2

4. Consideraciones generales para el diseño de túneles •

Las obras subterráneas son estructuras poco vulnerables a la acción sísmica en comparación a otras estructuras, ya que al estar soterradas, poseen un mayor grado de confinamiento.

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Esta vulnerabilidad es menor cuanto más somero es el túnel y cuanto menos rígido es el terreno en el que está excavado.

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Por ello, al menos, en los portales y túneles superficiales, es aconsejable verificar cuál es el resultado de la acción sísmica sobre el túnel.

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La acción sísmica debe ser la que establezca la norma sismo - resistente, aceleración básica o aceleración máxima del suelo; mientras que el tipo de estructura y el tipo de terreno existente, corrigen ese valor para obtener la aceleración de cálculo a considerar.

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Existen tres modos de expresar esta acción sísmica: – Considerando un acelero grama de diseño, que puede ser sintético o real – Considerando una aceleración sísmica horizontal y su componente vertical – Considerando una des angulación en la estructura a consecuencia del sismo

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La comprobaciĂłn del efecto del sismo se realiza en tĂŠrmino de desplazamientos y solicitaciones inducidas, tanto en el revestimiento como en la solera, analizando en especial, posibles tracciones.