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Sociedad Mexicana de

Ingeniería Geotécnica, A.C.

XXVI Reunión Nacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica

Noviembre 14 a 16, 2012 – Cancún, Quintana Roo

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Título del trabajo

(sólo poner primer autor, ver ejemplo) APELLIDO Inicial del nombre et al.

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La Catedral y el Sagrario Metropolitanos de la ciudad de México diez años después del proyecto para su corrección geométrica

Mexico City’s Cathedral and Sagrario church ten years after the project for their geometrical correction

E. Ovando1, E. Santoyo2 y J. C. Hernández3

1 Instituto de Ingeniería, UNAM

2 TGC Geotecnia, S.A. de C.V.

3 TGC Geotecnia, S.A. de C.V.

RESUMEN: El proyecto para la Corrección Geométrica de la Catedral y el Sagrario Metropolitanos de la ciudad de México terminó en 2000. En este trabajo se describen sucintamente el método de subexcavación empleada para corregir hundimientos diferenciales y el de endurecimiento selectivo del subsuelo, empleado después para evitar la acumulación de diferenciales de hundimiento en el futuro. También presentamos los resultados de mediciones de campo efectuadas recientemente a partir de las cuales se constata el éxito del proyecto luego del empleo sucesivo de ambos métodos.

ABSTRACT: The Project for the Geometrical Correction of Mexico City finished in 2000. This paper present succinctly describes the method of underexcavation used in these temples to correct differential settlements as well as the method that was subsequently applied to avoid the accumulation of additional differential settlements in the future by selectively hardening the subsoil. We also show the results of field measurements that demonstrate that the successive application of both methods was successful.

1. INTRODUCCIÓN

La Catedral y el Sagrario se conservan hasta el presente gracias a las reparaciones y trabajos de conservación y restauración de las que ha sido objeto a lo largo de más de 300 años. Han pasado más de diez años desde la conclusión del proyecto para la Corrección Geométrica de la Catedral y el Sagrario Metropolitanos y del Endurecimiento del Subsuelo y es muy satisfactorio afirmar que los dos procedimientos empleados consecutivamente, la subexcavación y el endurecimiento selectivo del subsuelo, mejoraron muy favorablemente el comportamiento del conjunto religioso, según se ha podido verificar con mediciones de campo cuyos últimos resultados se muestran en este documento.

2. SUBXCAVACIÓN EN LA CATEDRAL Y EL SAGRARIO

Su objetivo fue reducir los desniveles y desplomos producidos por hundimientos diferenciales para lo cual se hizo que las partes altas descendieran con respecto a las bajas, mediante la extracción lenta y controlada del suelo en que se apoya la cimentación. El procedimiento de ejecución consiste de tres labores específicas: a) la construcción de las lumbreras de acceso, b) el abatimiento puntual del nivel freático, y c) la subexcavación o extracción controlada de pequeñas porciones de suelo hasta alcanzar el volumen preestablecido. Las dos primeras acciones son preparatorias y la tercera constituye el procedimiento geotécnico de corrección.

La extracción del suelo se llevó a cabo en la arcilla blanda más somera de la Formación Arcillosa Superior. En cada una de las lumbreras se practicaron 50 perforaciones radiales como máximo las cuales penetraron de 6 a 22 m dentro del suelo. En la Figura 1 se observa la distribución de lumbreras, un corte ilustrativo de una de ellas y en la Figura 2 se ilustra el mecanismo de cierre de esas perforaciones para inducir gradualmente los asentamientos requeridos. La extracción se hizo desde el fondo de las lumbreras de acceso hincando a presión tubos de de acero de pared delgada empujados por un sistema hidroneumático para abrir horadaciones de 10 cm de diámetro, según ejes inclinados 20°; en ocasiones se recurrió al empleo de herramientas que produjeran remoldeo de las paredes de los huecos para acelerar su colapso.

Fig. 1 Ubicación y volumen acumulado por lumbrera

Metas de corrección. Una propuesta fue del Dr. Fernando López Carmona y la otra del Dr. Roberto Meli Piralla; ambas en congruencia con las metas estructurales identificadas a partir de sus respectivos análisis estructurales: el primero con modelos gráfico-analíticos y el segundo con modelos numéricos. Sucinta y secuencialmente las metas que se establecieron fueron las siguientes:

a) Producir un cierre o giro de los muros laterales para fortalecer el confinamiento del "cinturón de contrarresto" integrado por los muros del perímetro del templo y los laterales de las capillas.

b) Hacer descender el ábside de la Catedral de 80 a 95 cm, con un movimiento de cuerpo rígido.

c) Hacer descender el lado norte del Sagrario 30 cm, con un movimiento de cuerpo rígido.

Control de la subexcavación. Durante el transcurso de la subexcavación se registró de manera meticulosa el peso de cada porción de suelo extraído y se calcularon los volúmenes de subexcavación; también se rescataron muestras inalteradas para determinar sus propiedades mecánicas. La extracción de suelo se inició en agosto de 1993 y se concluyó junio de 1998, se extrajeron 4,220 m3 de suelo en 1,451,000 penetraciones de los tubos extractores. Una vez satisfechos los objetivos estructurales del proyecto, se suspendió la subexcavación y con ello el conjunto religioso nuevamente quedó expuesto a la acción de los hundimientos diferenciales del subsuelo.

Fig. 2 Proceso de deformación plástica de las penetraciones de subexcavación

Fig. 3 Corrección diferencial entre la 1ª y la 172ª nivelación elaboradas por TGC (25/oct/91 – 29/jun/98)

La subexcavación comenzó en septiembre de 1993 y logró, a finales de junio de 1998, eliminar esencialmente los hundimientos diferenciales de los 65 años previos. Cuando terminó el tratamiento, la corrección máxima inducida era de 92 cm, entre la torre poniente y el ábside. Sin embargo, tal como puede apreciarse en la Figura 3, hacia septiembre de 1999 el hundimiento correctivo máximo era de 88 cm, y de 30 cm en el Sagrario. Esta diferencia de 92 a 88 cm, se debe a que se dejó de operar el sistema de bombeo y los efectos del hundimiento regional de inmediato volvieron a manifestarse y por ello se perdió una parte de los hundimientos correctivos que se habían logrado. El hundimiento diferencial histórico de referencia entre los puntos B-11 y C-3 pasó de 242 cm en 1989, a 174 cm en junio de 1998. Este hundimiento inducido produjo una corrección angular de 26.3' entre esos puntos.

3. ENDURECIMIENTO DEL SUBSUELO

Al terminar la subexcavación la Catedral y el Sagrario nuevamente quedaron expuestos a los efectos nocivos del hundimiento regional. El pronóstico de la condición futura de la Catedral justificó la decisión de endurecer diferencialmente la Formación de Arcilla Superior bajo los templos, con el propósito de uniformar el hundimiento y mejorar el comportamiento estructural.

Zonas y porcentajes de inyección. La reducción de la deformabilidad depende de la rigidez del mortero y del porcentaje de inyección. Este último concepto debe entenderse como la relación que existe entre el volumen de mortero y el del suelo por mejorar. Las perforaciones para realizar la inyección necesitaron atravesar los espesores del pedraplén, de los rellenos arqueológicos y de la costra superficial y después profundizar en las arcillas de la Formación Arcillosa Superior que se inyectaron hasta su contacto con la Primera Capa Dura, como se ilustra en la Figura 4

Primera etapa de endurecimiento del subsuelo. Tuvo lugar entre septiembre de 1998 y septiembre de 1999. En la Figura 5 se muestran las áreas donde se endureció la Formación Arcillosa Superior del subsuelo bajo la Catedral y el Sagrario para aminorar las grandes diferencias en los hundimientos que aquejan a esas estructuras e implantar un mejor comportamiento. Se observa que los porcentajes de inyección varían de 2 a 7 % en la Catedral y de 1 a 5 % en el Sagrario. En la Catedral se instalaron 419 inclusiones en la Formación Arcillosa Superior, 111 en el Sagrario y 55 en la Curia. La zona surponiente de la Catedral así como las esquinas nororiente y suroriente del Sagrario se inyectaron entre el 8 de septiembre de 1998 y el 4 de junio de 1999. La esquina surponiente de la Catedral se inyectó en dos etapas con el 50 % de inyección del total requerido en cada una. Posteriormente, del 7 de junio de 1999 al 9 de septiembre de 1999, se inyectó la zona sur con el 2 %. Esta distribución se ajustó a la zonificación de la compresibilidad del subsuelo.

Fig. 4 Procedimiento de perforación, inflado de núcleo e inyección horizontal

Segunda etapa de endurecimiento del subsuelo. Se llevó a cabo de mayo a julio de 2000 y se complementó, entre el 9 de noviembre y el 22 de diciembre de ese año con la inyección en la esquina noreste de la Catedral y con la que se hizo en la Curia del 2 de noviembre de 2001 al 20 de enero de

2002. En total se fabricaron 585 inclusiones de mortero con sus respectivas familias de láminas laterales El volumen total de mortero inyectado fue de 5,189 m3 y se instalaron 585 inclusiones.

4. COMPORTAMIENTO OBSERVADO

Al aplicar el Método Observacional se verificó rigurosamente el comportamiento estructural de la Catedral y el Sagrario usando un gran número de instrumentos: sensores de electrónicos para medir los cambios de distancia de las columnas y arcos, plomadas de precisión y cintas de convergencia. La respuesta del suelo fue evaluada con nivelaciones topográficas de precisión, que permitieron deducir los cambios geométricos del nivel de feligresía como plano de referencia principal.

Nivelaciones topográficas de precisión. Se llevaron a cabo en 246 puntos de control distribuidos en toda el área del monumento. En la Catedral y en el Sagrario se nivelaron los plintos de las columnas y de las pilastras o muros de las capillas, así como los pernos de acero empotrados en los muros exteriores. Se ubicaron puntos en los muros de la Capilla de las Ánimas y de la Curia, en la reja del atrio así como en los brocales de los bancos de nivel profundo. Las nivelaciones se efectuaron catorcenalmente desde octubre de 1991 hasta finales de 1999; después se hicieron mensualmente. En total se hicieron 215 nivelaciones hasta agosto de 2000. Después de ese año se hicieron tres nivelaciones por año hasta 2004; en 2005 se hicieron dos y ninguna en 2006; en diciembre de 2007 se hizo otra y la última nivelación se realizó en noviembre de 2008 para alcanzar 231 nivelaciones.

En las nivelaciones siempre se hacía coincidir la curva cero con la referencia histórica: el punto del ábside localizado en la intersección de los ejes C y 3, ubicado en el costado poniente del Altar de los Reyes. De esta forma, se obtenían los movimientos diferenciales con respecto a este punto. Todas las nivelaciones se refieren al banco de nivel profundo instalado 100.4 m bajo la superficie (BNP-100) y se correlacionaron con el Banco Atzacoalco. Los movimientos registrados son la combinación de los provocados por el hundimiento regional y los inducidos por las acciones antes mencionadas.

Efectividad de la inyección. La eficacia de la inyección en el subsuelo se puede evaluar comparando cómo se hundían la Catedral y el Sagrario antes del inicio del proyecto con la forma en que lo hacen después de las inyecciones. En la parte izquierda de la Figura se presenta una imagen del comportamiento inicial, expresado gráficamente mediante la configuración de velocidades de hundimiento observada entre el 7 de enero de 1991 y el 2 de septiembre de ese mismo año. En dicha figura se aprecia que la parte central de la Catedral emergía con respecto a su esquina nororiente, a razón de 16 mm/año, y con respecto a la torre poniente, a razón de 14 mm/año. El Sagrario muestra una velocidad máxima de hundimiento en su esquina suroriente de 16 mm/año, con respecto al punto C-3, localizado cerca del ábside de la Catedral y de 20 mm/año entre la esquina noreste y las columnas del noroeste.

El comportamiento en noviembre de 2008 se ilustra en la parte derecha de la Figura 6 y del análisis de esta gráfica se deduce que la Catedral continúa hundiéndose pero que ahora lo hace casi uniformemente, tal como se esperaba. De lo anterior es posible afirmar que: a) la inyección de morteros en el subsuelo modificó positivamente el patrón de velocidades de hundimiento; y b) esta modificación fue benéfica para las estructuras ya que logró que la velocidad de hundimientos diferenciales máximos disminuyera considerablemente. Por ejemplo, el hundimiento relativo entre la referencia base y la esquina surponiente pasó de 12 mm/año en 1989 a 1 mm por año en 2008 además de que en general, los hundimiento relativos en esta última fecha eran, cuando mucho, del orden del 16 % de los que había en 1989.

Deformación del subsuelo. La subexcavación y el endurecimiento de los materiales compresibles produjeron cambios en el régimen de deformaciones y hundimientos del subsuelo lo cual se hizo evidente al analizar la evolución de las elevaciones en los bancos de nivel profundo que se instalaron en 1992 al pie del a torre poniente de la Catedral, a 40, 60, 80 y 100 m de profundidad. En la Figura 7 se presenta una tabla con los datos obtenidos de estos bancos y, como se puede ver ahí, la compresión de la Formación arcillosa superior al principio del proyecto contribuía con 54 % a los hundimientos totales en ese sitio pero en los años recientes, después de endurecerse con la inyección de morteros su contribución se redujo a solamente 6 % del hundimiento total. Los hundimientos de los depósitos profundos, es decir de los suelos de más de 100 m de profundidad eran nulos cuando inició el proyecto pero desde 2003 se observaron compresiones de esos suelos las cuales contribuyeron con 60 % de los hundimientos totales en los últimos dos años. Estos datos deben corroborarse con más mediciones en otros puntos de la ciudad y de confirmarse, se deberán considerar cuidadosamente sus implicaciones para la viabilidad y sustentabilidad

Fig. 5 Inyección del subsuelo de Catedral: 1a etapa, (sep/98 - sep/99); 2a etapa, (may/00 - jul/00)

de la ciudad.

5. Conclusiones

La subexcavación en la Catedral y el Sagrario comenzó en agosto de 1993. La meta preliminar fue definida por el Dr. Fernando López Carmona y en 1994 la modificó el Dr. Roberto Meli. Se puede afirmar que la geometría de la corrección que se logró satisfizo ambas propuestas.

La evolución reciente de los hundimientos diferenciales en la Catedral y en el Sagrario demuestra que la inyección de mortero en el subsuelo tuvo efectos benéficos en la condición de estos templos. Las configuraciones del nivel de plintos patentizan que se modificaron favorablemente los patrones históricos de hundimiento.

Los datos y los análisis presentados en este trabajo demuestran que el endurecimiento del subsuelo de los templos será la alternativa que ayudará, junto con otras acciones complementarias, a la preservación de estos templos. El endurecimiento tiene además la virtud de ser un método preventivo, a diferencia de la subexcavación que es uno correctivo. Las mediciones recientes tienden a justificar la idea de que el endurecimiento del suelo es la solución a largo plazo de los problemas que aquejan a la Catedral y al Sagrario.

Las consideraciones generales acerca de los aspectos del proyecto relativos a la ingeniería del subsuelo se publicaron a mediados de la década de los años noventa (Tamez, et al, 1992, 1995) mientras que los especialistas encontrarán una descripción comentada de los detalles geotécnicos del mismo en los trabajos de Ovando et al (1997) y Santoyo y Ovando (2004).

6. RECONOCIMIENTOS

Se extienden agradecimientos al Arq. Sergio Zaldívar, Director del Proyecto de 1989 a 2000 y al Dr. Xavier Cortés Rocha que lo dirigió después. También se agradece el apoyo de los miembros del Comité Técnico: Doctores Fernando López Carmona, Roberto Meli, Enrique Tamez, Ing. Hilario Prieto y Dr. Jorge Díaz Padilla, Secretario del Comité. También se agradece la ayuda brindada por los ingenieros Roberto Sánchez y Arturo Ramírez Abraham.

Referencias

Ovando, E., Tamez, E. and Santoyo E. (1997). "Options for correcting differential settlements in Mexico City's Metropolitan Cathedral", Proc. XIVth Int. Conf. on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Hamburgo.

Santoyo, E. y Ovando-Shelley E. (2004). “Geotechnical considerations for hardening the subsoil in Mexico City's Metropolitan Cathedral”. Publicación especial conmemortativa de la Skempton Memorial Conference, Institution of Civil Engineers, Londres, vol II.

Tamez, E., Santoyo, E. y Cuevas, A. (1992). “Rescate 1ª parte: Enfrentando el hundimiento de la Catedral; Rescate 2ª parte: Subexcavación de las zonas duras; Rescate 3ª parte: Excavación de lumbreras”, Ingeniería Civil, Nos. 284, 285 y 286, Colegio de Ingenieros Civiles de México.

Tamez., E., Santoyo, E. and Ovando, E. (1995), Procedimiento de subexcavación, Chapter VI in: Catedral Metropolitana: corrección geométrica, informe técnico, Mexico City: Asociación de amigos de la Catedral Metropolitana de México, A. C., pp 201-286.

SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.

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Fig. 6 Comparación de velocidades de hundimiento anual en mm

Fig. 7 Distribución de hundimientos anua les entre 1991 y 2012 en la Catedral, medidos con los bancos

profundos