Ejecucin de una hinca de seccin singular en la prolongacin de la lnea 5 del metro de Barcelona

1.- Introduccin

El 30 de julio de 2010 se inaugur la prolongacin de la lnea 5 del metro de Barcelona entre las estaciones del Carmel y del Vall dHebrn. El proyecto contemplaba la prolongacin de la lnea en 2.6 km haciendo llegar el metro al barrio del Carmel y dando as respuesta a una reivindicacin vecinal que se remonta desde principios de los ochenta. El Carmel es un barrio popular del distrito de Horta y Guinard de Barcelona, situado en la parte alta de la ciudad. Se extiende por el cerro del mismo nombre junto a la sierra de Collserola, con una orografa accidentada y con numerosos desniveles, hecho que provoca fuertes pendientes en numerosas calles del barrio. Y es para salvar esta orografa tan accidentada que se plantea la ejecucin de un acceso subterrneo para llegar a uno de los vestbulos de la estacin del Coll-La Teixonera. Con este acceso se evita tener que salvar una cima que antes slo se cruzaba con la ayuda de escaleras mecnicas y que ahora permitir el acceso a personas de movilidad reducida.

Foto1:antesydespusdelaccesosubterrneo

2.- Alternativas para el acceso subterrneo

El acceso subterrneo al vestbulo tiene una longitud de 120 m. El proyecto prevea ejecutar 90 m con una galera en mina de de 5 m de altura y 6 m de ancho y los 30 m restantes con una solucin a cielo abierto entibada con micropilotes. Esta solucin planteaba dos inconvenientes importantes:

1. La galera se prolongaba hasta un tramo de mnima cobertura desaconsejable para la excavacin en mina por los problemas de asientos en superficie e inestabilidad del frente que esto puede conllevar.

2. El tramo a cielo abierto, que se poda prolongar para minimizar los problemas de poca montera de la mina, ocasionaban grandes afecciones al vecindario que prcticamente provocaban que se les restringiera el acceso a su vivienda.

De este modo, con objeto de dar solucin a los dos problemas planteados anteriormente, se plantea ejecutar una hinca. Por un lado, se tiene que con la hinca se puede ampliar la excavacin subterrnea minimizando los inconvenientes que aqulla planteaba. Por otro lado, la restriccin de cobertura mnima de la hinca, si se plantean la medidas adicionales necesarias, es mucho menor que la galera excavada en mina. De este modo, se puede plantear ampliar la excavacin subterrnea minimizando as el tramo a cielo abierto y por lo tanto la afeccin al vecindario. As pues, finalmente se plantea una solucin con 85 m de excavacin en mina, 20 m de hinca y 15 m a cielo abierto. Quizs pueda parecer poca reduccin de la afeccin en superficie, pero cada metro que se minimiza la afeccin a terceros en entorno urbano supone siempre minimizar muchos problemas que surgen a posteriori durante la ejecucin de la obra.

Figura1:vistageneralaccesosubterrneoydetalletramomayorafeccin

3.- Detalles de la hinca

3.1.- Terreno

Como en cualquier obra subterrnea es imprescindible conocer el terreno que nos encontraremos para plantear una solucin viable. Con este objeto se realizaron dos sondeos, uno horizontal al final de la excavacin en mina y otro vertical a mitad de eje de la hinca. Del anlisis de stos se concluy que a lo largo de la excavacin se tena alternancia de pizarras negras, pizarras grises y areniscas. Las pizarras negras eran muy foliadas y se arrancaban fcilmente con la punta del martillo y las pizarras grises y areniscas eran ms competentes y requeran ms trabajo pero se excavaban tambin fcilmente con el martillo pica-pica. Al final de la hinca, y a poca distancia de la clave de la dovela, se tena un relleno antrpico que supona el mayor riesgo por su nula capacidad portante y que supona un peligro frente a cualquier inestabilidad.

Por otro lado, otro factor fundamental en la eleccin del tipo de hinca es la presencia de nivel fretico. En este caso, al no tener nivel fretico a la altura de la excavacin se pudo optar por la ejecucin con escudo abierto y consecuentemente se pudo plantear una dovela de seccin singular en lo que a hincas se refiere.

3.2.- Dovela metlica

La singularidad de esta hinca radica en que se trata de la hinca de una dovela metlica de seccin en forma de herradura, lo que es muy poco usual en este tipo de procedimiento constructivo. Inicialmente se pens en la solucin convencional de tubera de hormign armado reforzada con camisa de chapa pero presentaba dos importantes inconvenientes:

1.- Al tratarse de un acceso peatonal se requera un piso plano para el trnsito de peatones y con la seccin circular se perda mucho espacio para ubicar el glibo mnimo y consecuentemente se tena una sobreexcavacin excesiva.

2.- Se requera un tubo superior a los 3 m de dimetro interior que es el lmite de los dimetros comerciales. Adems un tubo de estas caractersticas tiene un peso bastante elevado para los medios de elevacin que se dispona en el interior de la galera en mina.

Finalmente se opt por fabricar en taller una dovela metlica con seccin en herradura de 3 m de ancho interior y 3.5 m de altura interior mxima.

Cada dovela del revestimiento se compone de un emparedado de dos chapas de 8 mm de espesor y canto total de 200 mm. Estas chapas se conectan entre s mediante un conjunto de rigidizadores y costillas de 8 y 25 mm de espesor colocados en el espacio entre la chapa exterior e interior.

Los rigidizadores de 25 mm se sitan en la zona de introduccin de la fuerza de hincado de los cilindros hidrulicos. Todos los rigidizadores tienen carcter longitudinal, es decir, la normal al plano que definen es perpendicular a la direccin de hincado. Las costillas son de 8 mm de espesor y estn dispuestas transversalmente a la direccin de hincado, situndose en la zona de los hastiales y parte de bveda y solera.

Las dovelas se rematan en su extremo frontal con una chapa de 10 mm de espesor a modo de tape que ha de servir para lograr una adecuada interfase entre dovelas y facilitar una correcta introduccin de la fuerza de empuje de los cilindros hidrulicos.

Figura2:seccintipodovelaydespiecesegmentosentaller

Las dovelas se fabricaron principalmente en taller y se sirvieron a obra en dos mitades, de forma que las labores de transporte se facilitaron as como el manejo de las mismas en el interior del tnel de lnea.

Foto2:dovelacompletaenfrenteexcavacin

Una vez montadas las dovelas stas se conectaron entre s mediante soldadura segn fueron presentndose una tras otra en la cuna para formar conjuntos de 4 y 5 dovelas, paso imprescindible para lograr la superacin de acodalamientos accidentales que pudieran sobrevenir durante el proceso de hinca. En el apartado 5 se detalla este fenmeno fundamental en el dimensionamiento de dovelas de hinca.

La dovela inicial presenta una forma diferente del resto de dovelas, pues

dispone de una visera para controlar la entrada de tierras en el interior del tnel, as como de una cuchilla que facilita la hinca en el terreno.

3.3.- Excavacin y empuje

La excavacin se realiz mediante un robot tipo brook equipado con un martillo pica-pica. En primer lugar se excavaba el permetro de la dovela, de modo que se generaba una corona de excavacin en la cual se hincaba la dovela metlica y posteriormente se excavaba todo el cuerpo interior de la dovela. Esta operacin se realizaba en sucesivos pases hasta hincar la longitud de una dovela.

Para la operacin de empuje/hincado de la dovela se tenan los siguientes elementos:

1.- Cuna de empuje

2.- Gatos hidrulicos

3.- Macizos de anclaje

Foto3:vistaelementosempuje

La cuna de empuje es una solera de hormign en masa reforzada con fibra sinttica tipo shogun que tiene la funcin de posicionar la dovela metlica y servir de gua de sta en la fase de empuje. La cara superior de la cuna tiene la forma de la base de la dovela y le sobresalen dos cuadradillos de acero sobre los cuales patina la dovela durante el empuje.

Las fuerzas requeridas para el empuje de las dovelas a travs del terreno se materializaron a travs de cilindros hidrulicos telescpicos. Los cilindros hidrulicos estaban interconectados para asegurar que el empuje que ejercan fuera repartido por igual. El manejo de dichos cilindros se realizaba desde un punto de control detrs de los macizos de anclaje siendo una centralita hidrulica la que proporcionaba las fuerzas de empuje. Las fuerzas de empuje van disminuyendo tubo a tubo, debido a las resistencias a friccin, con lo que los esfuerzos mximos

se ejercen siempre en los tubos que estn ms prximos a la estacin de empuje. Es por ello que se debe comprobar que las fuerzas aplicadas no superan nunca los lmites de los valores admisibles para la dovela. En este caso, la carga mxima admisible con la que se diseo la dovela era de 10.000 kN que en ningn momento se super.

Foto4:apoyocilindrossobremacizosanclaje

Para resistir la reaccin de los cilindros de empuje se construy un macizo de reaccin dividido en dos partes para que la maquinaria de excavacin pudiera acceder al frente. Para resistir las solicitaciones que se producen debido al empuje fue necesario cimentar el macizo de reaccin con micropilotes de forma tal que se pudieran soportar las fuerzas de empuje.

Foto5:calehincacontratramoejecutadoacieloabierto

4.- Medidas para minimizar asientos superficie

Al tratarse de una excavacin subterrnea en un entorno eminentemente urbano se trataron de realizar todas las medidas posibles con objeto de minimizar los asientos en superficie.

La primera medida en si es el propio procedimiento de hinca. En el tramo que se excavaba en mina con pases de 1 m de longitud se tena, hasta instalar el sostenimiento, una determinada longitud de excavacin sin entibar. Con la hinca se puede afirmar que se tiene la excavacin sostenida inmediatamente, limitndose as al mximo los asientos en superficie.

Adicionalmente, antes de iniciar la hinca se procedi a ejecutar un paraguas de micropilotes de 21 m. Este sirve a la vez, para minimizar tambin los asientos en superficie, como para aumentar la seguridad frente a una posible inestabilidad del frente causada por una posible chimenea en el techo de la excavacin.

Ante la posible prdida de suelo en el trasds de los segmentos metlicos a hincar y con el objeto de reducir dicha prdida de suelo a un valor aceptable, para no producir asientos que puedan derivar en daos a las estructuras adyacentes, se procedi rellenar los posibles huecos de trasds con un producto que cementar de forma que se pudiera continuar con el proceso de hinca de segmentos. En este caso, es necesario que el producto a utilizar no atrape el tubo disminuyendo el rozamiento del mismo contra el terreno. Por este motivo, se decidi utilizar una mezcla de carbonato clcico con agua y lodo denso de bentonita, producto inerte y que sumergido no fragua. En concreto se emple carbonato clcico en polvo o slurry diluido en agua en un estado coloidal (125kg de CaCO3 por 500 kg de agua) de modo que se formaba una pasta densa fcil de bombear.

Para el hincado de la primera dovela se realiz una sobreexcavacin mayor que el contorno estricto de la dovela para facilitar la primera maniobra de hinca. Dicha sobreexcavacin se rellen con una resina tipo GEOFOAM. Esta resina es organomineral, bicomponente y expansiva que se aplica por medio de una bomba de inyeccin de dos entradas. La reaccin de expansin se inicia en un mezclador esttico, completndose dentro del terreno. Con esta inyeccin en el inicio de la excavacin se pretenda:

1.- Minimizar los asientos del mismo modo que la inyeccin de carbonato clcico pero al tratarse de un hueco mayor y ser un producto expansivo resultaba ms ptimo que el carbonato clcico.

2.- Generar un tape en el inicio de la hinca por donde no pudiera escapar la inyeccin de carbonato clcico.

Foto6:accesoconarquitecturaeinstalacionesacabadas

5.- Concepto de fuerzas de movimiento obligado

En la descripcin de la dovela metlica se ha explicado que para resistir los esfuerzos generados por posibles acodalamientos se tuvieron que soldar conjuntos de un mnimo de 4 dovelas generando un nico elemento solidario. Este es un concepto fundamental que se debe tener en cuenta en el diseo de cualquier hinca, y que a veces, cuando no se tiene experiencia en este tipo de trabajos, se obvia. Este hecho queda muy claramente explicado en [1] y trataremos de describirlo muy brevemente a continuacin.

Para todo proceso de movimiento de un cuerpo que no est guiado de forma rgida resulta imposible alcanzar con precisin matemtica la trayectoria pretendida, esto se puede comprobar claramente en cualquier proceso de hinca. A consecuencia de esto, la resultante de las fuerzas de avance estar descentrada respecto al centro de gravedad de la dovela, al contrario de lo que se pudiera esperar de un anlisis simplista. Consecuencia de la magnitud y excentricidad de la resultante de las fuerzas de avance son la llamadas fuerzas de movimiento obligado. Estas fuerzas son el resultado de la reaccin del tubo contra el terreno que es fundamental tener en cuenta en el diseo de la dovela.

Figura3:detallefuerzasdeavanceexcntricas,fuente[1].

Los esfuerzos generados por la fuerzas de movimiento obligado dependern las caractersticas mecnicas del terreno, el gap entre dovela y terreno, la rigidez de la dovela Pero en cualquier caso se comprueba que a mayor longitud de dovela unida rgidamente se tienen menores esfuerzos, y es por esto, que en este caso se determin que para la fuerza de empuje mximo era necesario unir rgidamente un mnimo de 4 segmentos.

6.- La ancdota

Durante la ejecucin de la galera en mina era prctica habitual realizar sondeos de reconocimiento horizontales. Cuando se ejecutaba de uno de estos sondeos se tuvo un pequeo accidente porque empez a salir un abundante caudal de agua por el sondeo. Lo primero que pensamos fue que habamos pinchado algn servicio, a pesar de que los tenamos todos controlados. En cualquier caso, hicimos los respectivos anlisis de agua y la compaa de agua nos transmiti que sta no era de ningn servicio suyo ni tampoco poda proceder de un colector fuera de uso. En cualquier caso, no le dimos mayor importancia y lo atribuimos a una posible bolsa de agua.

Un tiempo despus, durante la ejecucin de la hinca, descubrimos una pequea galera de tamao muy reducido, el mnimo para esconder a una persona, y que dispona enseres para lavarse. Seguramente, se trataba de un escondite de otra poca que vena del stano de alguna casa de la misma calle.

En cualquier caso, al final descubrimos de donde proceda el agua del sondeo, simplemente se haba acumulado a lo largo del tiempo en esta galera.

Foto7:fotogalerayparaguasparaguasdemicropilotes

7.- Referencias

Existe mucha experiencia en el procedimiento de hinca de tuberas, sin embargo, no se dispone de una normativa espaola especfica del tema. En este sentido se recomienda el artculo de la referencia [1] donde se detalla una metodologa con suficiente base tcnica para el dimensionamiento de tuberas de hinca. Por otro lado, para el lector ms interesado en este tema se tiene normativa alemana [2] o las recomendaciones americanas, [3], donde la hinca es un procedimiento extendido desde hace ms tiempo.

[1] Fernando Garayo Rodrguez y Juan Alonso-Villalobos Martn. La determinacin de los esfuerzos producidos por la fuerza de avance. Revista de Obras Pblicas.

[2] ATV-A 161E: Structural calculation of driven pipes. DWA (German Association for Water).

[3] An introduction to pipe jacking and microtunelling design. Pipe Jacking Association.

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