La Clave | Túneles y obras subterráneas
Metro de Sofía: paso crítico bajo túneles bitubo en la extensión de la línea 3
Marc Sorribes Casals
Tunnel Project Manager. TYLin EU-LATAM
Néstor Rubiralta
Tunnelling Department Director. TYLin EU-LATAM
Nicola Della Valle
Tunnelling Sector Leader. TYLin EU-LATAM
La ampliación de la línea 3 del metro de Sofía (Fase I) incluye la excavación de casi 8 km de túnel mediante TBM EPB de 9,4 m y la construcción de siete estaciones. La obra afrontó el cruce bajo dos túneles existentes con solo 1,4 m de recubrimiento y el cale en la Estación MS8, sin posibilidad de mejora del terreno. Los parámetros de la TBM se calibraron a partir del análisis de datos históricos y se validaron mediante un exhaustivo programa de auscultación. Las operaciones se completaron con éxito, registrándose un comportamiento del terreno más uniforme de lo previsto.
Palabras clave: Interacción entre túneles; auscultación; asientos; túneles urbanos; EPB; caso histórico.
The Sofia Metro Line 3 Extension Project (Phase I) involves the excavation of nearly 8 km of tunnel using a 9.4 m EPB TBM and the construction of seven stations. The works faced major challenges due to the underpass of two existing tunnels with only 1.4 m of overburden and the breakthrough into Metro Station 8, with no ground improvement feasible. TBM parameters were calibrated based on historical data analysis and validated through an extensive monitoring program. The operations were successfully completed, showing a more uniform ground behavior than expected.
Keywords: Tunnels interaction; monitoring; settlements; urban tunneling; EPB; case history.
La ampliación de la línea 3 del metro de Sofía, fase I, comprende la ejecución de 7,8 km de túnel y la construcción de siete nuevas estaciones, conectando áreas residenciales de la periferia de la ciudad con el centro urbano.
Un consorcio formado por Via Construct, Doğuş Construction y Ultrastroy era el contratista principal de las obras de excavación del túnel. TunnelConsult Engineering S. L. (en la actualidad TYLin, S. L.) fue el encargado tanto del diseño detalle relacionado con las obras subterráneas (estructuras permanentes y temporales) como de la asistencia técnica durante la construcción.
La excavación principal se realizó mediante tuneladora EPB de 9,4 m de diámetro, en un entorno urbano densamente poblado y con la presencia de infraestructuras subterráneas a lo largo del trazado.
Uno de los retos más significativos del proyecto fue el cruce por debajo de los túneles existentes de la línea 1 del metro, formados por dos túneles de vía única con un diámetro interior de 5,17 m, revestidos con dovelas de hormigón de 25 cm de espesor (véase imagen inferior). El nuevo túnel de la línea 3 cruza ambos tubos con una montera mínima de tan solo 1,4 m, en las inmediaciones de la futura estación de metro 8 (MS8), dentro del parque Knyazheska.
Las limitaciones geométricas, ambientales y constructivas impidieron la aplicación de trabajos de mejora del terreno. En este contexto, se optó por una estrategia basada en la calibración precisa de los parámetros de excavación de la tuneladora EPB, apoyada en un análisis retrospectivo del comportamiento del terreno en tramos previamente excavados y en un extenso plan de auscultación.
El presente artículo describe la metodología adoptada para la calibración de los parámetros de excavación de la tuneladora, el plan de auscultación implementado y los resultados obtenidos durante el paso crítico bajo los túneles existentes y la llegada a la estación MS8.
Trabajos preventivos
Durante la fase de diseño se analizaron diversas medidas preventivas para minimizar las afectaciones a los túneles existentes, incluyendo mejoras del terreno, refuerzos estructurales o modificaciones del trazado. No obstante, estas alternativas fueron descartadas debido a restricciones de trazado, limitaciones ambientales como la prohibición de tala de arbolado protegido y la incertidumbre asociada a su eficacia frente al impacto constructivo que implicaban.
Ante esta situación, se desarrolló un enfoque basado en backanalysis (retroanálisis) a partir del estudio de un caso histórico, utilizando la información obtenida durante la excavación de unos 3,3 km previos, entre las estaciones MS14 y MS10 (véase plano de arriba). Este proceso de retroanálisis permitió caracterizar el comportamiento real del terreno mediante la comparativa entre las observaciones en obra y los resultados de los modelos predictivos, así como establecer valores representativos de pérdida de volumen (VL) y del parámetro geotécnico k, que son fundamentales para la predicción de asientos y la definición de los parámetros de operación de la tuneladora (véase gráfico de la derecha).
Calibración de la tuneladora EPB
La calibración de la tuneladora se apoyó en un análisis de asientos preliminar y en la definición de un rango operativo de presiones EPB compatible con las condiciones geotécnicas e hidrogeológicas del emplazamiento del cruce con la línea 1. Los materiales predominantes correspondían a limos arenosos y arenas limosas, lo que requería un control estricto de la presión en cámara para garantizar la estabilidad del frente sin inducir levantamientos del terreno durante el cruce de los túneles existentes.
El análisis retrospectivo de los datos obtenidos entre MS14 y MS10 permitió establecer como representativo un rango de pérdida de volumen comprendido entre el 0,2% y 0,3%, así como un valor del parámetro k igual a 0,5 para la definición geométrica de la cubeta de asientos. Estos valores se adoptaron como hipótesis de partida para el análisis de asientos en el parque Knyazheska y fueron posteriormente contrastados con las mediciones in situ durante el avance de la tuneladora.
Plan de auscultación
Con el objetivo de evaluar de forma continua la respuesta del terreno y de las estructuras existentes, se diseñó un plan de auscultación específico que abarcó tanto la superficie como el interior de los túneles de la L1 existentes.
Instrumentación en superficie
A lo largo del parque Knyazheska se instalaron varias secciones transversales de auscultación, complementadas con puntos de medición individuales (véase imagen siguiente).
Los desplazamientos verticales en superficie se midieron mediante clavos de nivelación profunda de 1,5 m de longitud, mientras que los movimientos a mayor profundidad se controlaron mediante extensómetros de tres varillas.
Se instalaron cuatro secciones transversales típicas a lo largo del parque:
- S1 a 220 m del eje del túnel derecho L1.
- S2 a 150 m del eje del túnel derecho L1.
- S3 a 13 m del eje del túnel derecho L1.
- S4 sobre el eje del túnel derecho L1.
Las lecturas se realizaron con una frecuencia mínima de 12 horas, lo que permitió obtener una base de datos lo suficientemente densa como para analizar la evolución temporal de los asientos antes, durante y después del paso de la tuneladora.
Dada la escasa distancia entre el nuevo túnel y los existentes, se instalaron extensómetros de tres varillas alineados con el eje del túnel de la línea 3. Las varillas se posicionaron a cotas equivalentes a la solera, eje y clave de los túneles existentes con el fin de simular su comportamiento y detectar posibles gradientes de deformación vertical.
Instrumentación en túneles existentes
El control de los túneles de la línea 1 se completó con la instalación de prismas de convergencia en ambos tubos. Se definieron cinco secciones dentro de la zona de influencia, cada una formada por cinco prismas distribuidos en la sección transversal del túnel. Las lecturas se realizaron automáticamente cada 10 minutos, permitiendo un seguimiento en tiempo real de los desplazamientos. La distribución de los prismas de convergencia fue análoga en ambos túneles de la L1 del metro.
Para las mediciones de convergencia, se colocaron cinco prismas reflectantes en cada una de las cinco secciones instaladas en los túneles derecho e izquierdo.
Seguimiento TBM (in situ)
El seguimiento de la operación de la tuneladora y de la respuesta del terreno se estructuró en dos fases claramente diferenciadas tanto en función de la proximidad al paso bajo los túneles existentes de la línea 1 como a la estación MS8.
Esta estrategia permitió una calibración progresiva de los parámetros de excavación, basada en los registros de parámetros de la TBM y en las lecturas de auscultación.
El seguimiento en obra de la TBM en la zona del parque Knyazheska se desarrolló en dos etapas. La primera abarcó el avance hasta el PK. 6+600, donde se programó la parada de la tuneladora, a 15 metros antes del cruce bajo los túneles existentes de la línea 1 del metro. Durante esta fase se analizaron las lecturas de auscultación antes, durante y después del avance, así como los principales parámetros de excavación de la TBM, comparándolos con las estimaciones realizadas en la fase preliminar.
La finalización de esta primera etapa permitió iniciar una segunda fase de seguimiento, centrada en la verificación final y fijación de los parámetros clave de la TBM para afrontar el tramo más crítico del trazado, correspondiente al cruce bajo los túneles existentes de la línea 1 y la posterior llegada a la estación MS8.
Auscultación in situ
Hitos de nivelación profunda
Con el objetivo de evaluar las afectaciones del nuevo túnel a distintas profundidades, se dispusieron las secciones S1 y S2 —ortogonales al eje del túnel— equipadas con varios clavos de nivelación profunda. Esta instrumentación permitió analizar la cubeta de asientos y contrastar el valor del parámetro k, inicialmente adoptado como k=0,5 a partir del retroanálisis previo.
Los asientos máximos medidos en ambas secciones resultaron acordes con los desplazamientos previstos en el estudio de asientos previo, basado en pérdidas de volumen del orden del 0,2–0,3%, confirmando la validez de las hipótesis iniciales.
Extensómetros
Se instalaron dos extensómetros de tres varillas a la cota de los túneles existentes de la línea 1, antes del cruce bajo los mismos. El seguimiento continuo durante un periodo aproximado de 20 días no mostró desplazamientos verticales relevantes en ninguno de los instrumentos.
Las lecturas indicaron gradientes de asiento muy reducidos entre la superficie y las varillas más profundas, siendo los desplazamientos registrados relativos, ya que la cabeza del extensómetro también experimentó descensos compatibles con los asientos superficiales medidos.
Presiones EPB
Durante todo el avance de la TBM se llevó a cabo un control continuo de las presiones en la cámara de excavación, contrastándolas tanto con las presiones estimadas en fase de diseño como con los límites operativos definidos.
El análisis incluyó 180 partes diarios correspondientes a 270 m de avance bajo el parque Knyazheska, desde el PK 6+880 y hasta el PK 6+610.
Las presiones se midieron mediante cinco sensores distribuidos a distintas cotas dentro de la cámara de excavación, lo que permitió verificar la existencia de un gradiente de presión adecuado para el correcto funcionamiento de la EPB.
Para mantener las presiones de diseño durante paradas programadas o imprevistas, se recurrió a la inyección automática de lodo bentonítico en la cámara de excavación para compensar la sedimentación del material excavado, así como la disipación del efecto del acondicionamiento del suelo.
Asimismo, se realizó un control exhaustivo de los volúmenes de mortero inyectados en la cola del escudo con el fin de asegurar el correcto relleno del trasdós del anillo y una distribución homogénea de presiones a su alrededor. El acondicionamiento del terreno se mantuvo dentro de unos valores constantes, con una densidad aproximada de 14–15 kN/ m³, garantizando en todo momento la trabajabilidad del material excavado y la estabilidad del frente.
Durante todo el avance de la TBM se llevó a cabo un control continuo de las presiones en la cámara de excavación
Desafío bajo los túneles existentes
El tramo más exigente del proyecto correspondió al paso bajo los túneles existentes de la línea 1 y la entrada simultánea en la estación MS8, donde coincidieron la aproximación del frente de la tuneladora a la estación y el paso del escudo bajo el túnel existente. En este contexto, la gestión de la tuneladora y el control exhaustivo de los parámetros de excavación resultaron determinantes para garantizar la estabilidad del terreno y la integridad de las estructuras preexistentes.
Paso bajo túneles existentes en L1
Durante el cruce bajo los túneles existentes, el seguimiento continuo permitió ajustar los volúmenes y presiones de inyección en función de la respuesta observada del terreno.
Los hitos de nivelación profunda instalados en las secciones situadas directamente sobre los túneles existentes confirmaron que los asientos máximos no superaron los 6 mm, lo que se tradujo en valores de pérdida de volumen iguales o por debajo del 0,2%, inferiores a los previstos en fase de diseño.
El análisis de las cubetas de asientos mostró una buena correlación con los parámetros adoptados (VL y k), sin evidenciar comportamientos diferenciales significativos.
Además, los prismas de convergencia instalados en ambos túneles de la línea 1 registraron desplazamientos verticales máximos del orden de 4,7–4,8 mm, muy por debajo de los valores inicialmente previstos (veánse imagénes de abajo).
Los principales movimientos se concentraron durante la aproximación de la rueda de corte y el paso del escudo, sin observarse incrementos relevantes tras el paso de la cola del escudo.
Aproximación y cale en la estación MS8
La fase final de aproximación y entrada en la estación MS8 presentó una complejidad adicional debido a la superposición temporal del paso bajo el túnel izquierdo de la línea 1 con la proximidad inmediata del muro de la estación.
Esta situación exigió un control aún más estricto de las inyecciones de mortero y de los parámetros de la tuneladora.
Durante los últimos avances, se intensificó la auscultación tanto en superficie como en el interior de los túneles existentes y en el muro de la estación. El análisis temporal de los asientos mostró que la mayor parte de la deformación se producía durante la aproximación de la rueda de corte y el paso del escudo, estabilizándose el terreno en un plazo aproximado de 4 a 5 días tras el avance de la tuneladora.
No se observaron daños ni incidencias relevantes durante las inspecciones visuales realizadas en los túneles existentes ni en las estructuras de la estación, confirmándose el buen comportamiento global del conjunto terreno–estructura.
Conclusiones
El análisis de los informes de avance de la tuneladora y de las lecturas de auscultación in situ a lo largo del parque Knyazheska confirman que no se produjeron afectaciones relevantes en superficie.
La correcta gestión de la tuneladora, coherente con la aplicada en los tramos previamente ejecutados, permitió mantener bajo control los principales parámetros de excavación asociados a la generación de asientos durante el paso bajo el bitubo, sin registrarse incidencias significativas. Como resultado, se alcanzaron tasas de pérdida de volumen muy reducidas, incluso inferiores a las previstas en los estudios preliminares.
Los asientos medidos mediante los hitos de nivelación profundos evidencian que, a lo largo de todo el tramo bajo el parque Knyazheska hasta la estación de metro MS8, se mantuvo un rango de pérdida de volumen comprendido entre el 0,2% y el 0,3%, consis-tente con el observado en los tramos anteriores. Dichos asientos corresponden fundamentalmente al componente inherente al propio proceso constructivo, sin indicios de contribuciones adicionales asociadas a una inadecuada operación de la tuneladora o a un comportamiento desfavorable del terreno.
De igual modo, las afectaciones a las estructuras existentes durante el cruce bajo los túneles de la línea 1 del metro fueron despreciables, al no registrarse desplazamientos significativos ni en la superficie del terreno ni en ninguno de los dos tubos existentes. La inspección visual posterior corroboró la ausencia de daños o incidencias en ambos túneles.
En conjunto, los resultados obtenidos confirman que el orden de magnitud de las pérdidas de volumen y de los asientos asociados es el esperado para un sistema de tunelización mecanizada con escudo bajo las condiciones geotécnicas y operativas consideradas, siendo dichos asientos representativos del asiento inherente al proceso constructivo, lo que valida la estrategia de excavación adoptada.
Referencias
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AFTES. Groupe de travail no. 7 (1994). Recommendations pour le choix des paramètres et essais géotechinques utiles à la conception, au dimen-sionnement et à l’exécution des ouvrages creusés en souterrain. AFTES-TOS, n.º 123, pp. 129-145.
2
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3
Della Valle, N., Babucci, S., Savin, E., 2012. EPB pressure control and volume loss resulting in tunnelling Sofia Metro Extension. UNDER CITY Colloquium on Using Underground Space in Urban Areas in South- East Europe. Dubrovnik, Croatia. (pp.526-537)
4
Úlehla, J., Pekárek, V., Seidl, V., Mensík, A., Hasík, O. (2013). Sofia Metro Diameter III. Tunel Magazine. 22. ročník – č. 4/2013: 47-53.
5
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