La Clave | Túneles y obras subterráneas
Excavación del túnel carretero con mayor sección de México
Ignacio Castro Rubio
Jefe de obra. OSSA
En el extremo noroeste de México, en el estado de Baja California, junto a la frontera con Estados Unidos, se acaba de construir uno de los túneles carreteros más singulares ejecutados en el país. No solo por su longitud y ubicación bajo una de las carreteras urbanas más transitadas de Tijuana, sino también por la magnitud de su sección excavada: el Túnel 2 del Viaducto Elevado Tijuana es el túnel carretero de mayor sección excavada ejecutado en México y dentro de los de mayor sección a nivel internacional.
La ubicación, las cifras y el conjunto de factores geotécnicos hacen el procedimiento de construcción, la operatividad y logística de este proyecto muy complejos; todo ello objeto del presente artículo. El denominado Túnel 2 es un túnel carretero tipo A4 que forma parte de la obra denominada proyecto Viaducto Elevado Tijuana, que comunicará el aeropuerto internacional de Tijuana con las playas de la ciudad y el entronque con la autopista que se dirige al puerto de Ensenada. La ejecución del túnel por medios mecánicos y revestimiento definitivo con cimbra de encofrado metálico ha sido realizada por Obras Subterráneas, S.A. (OSSA), fungiendo como cliente y proyectista el consorcio ACPROS (formado por las empresas Acciona, Prodemex y OSSA) y siendo el cliente final la Secretaría de Defensa Nacional Mexicana.
El túnel tiene una longitud de 1018 metros, pendiente del 1%, una sección excavada que varía entre 260 y 299 m2 y con una montera en clave variable de 10 a 55 metros, ejecutado según el Nuevo Método Austriaco (NATM) de manera secuencial, atravesando terrenos tipo suelo. La excavación se afrontó desde los dos portales con un desfase de dos meses entre uno y otro.
Su ubicación en la zona urbana de Tijuana, en proximidad inmediata a la frontera con Estados Unidos, introduce condicionantes logísticos y operativos, como ha sido la disponibilidad de mano de obra cualificada en Tijuana debido a que, al ser ciudad fronteriza, la gran mayoría de sus habitantes trabajan en suelo estadounidense. La frontera también afecta en el sostenimiento primario del túnel o en posibles actuaciones en función a las deformaciones, ya que la gran mayoría de la ejecución del túnel se excava en paralelo al muro fronterizo, a una distancia del hastial izquierdo del túnel de poco más de 3 metros, limitando a emplear sostenimientos laterales para no invadir la frontera.
La variabilidad del terreno era notable, especialmente en las zonas próximas a los portales, donde la montera se reducía de manera drástica. Cercano al portal de salida del túnel, segundo portal ejecutado en sentido negativo, la cobertura era inferior a siete metros entre el hombro izquierdo y la superficie, donde circulan diariamente alrededor de 30 000 vehículos, debido a que casi todo el tramo del túnel, como se ha explicado anteriormente, está excavado bajo una carretera que une el centro de la ciudad con las playas de Tijuana. Cualquier deformación excesiva podía provocar asentamientos, grietas o afectaciones a las estructuras existentes, por lo que durante la realización de la obra se siguió una auscultación y un monitoreo exhaustivos.
Uno de los elementos clave del proyecto fue la revisión del método constructivo. El proyecto original planteaba una excavación dividida en doce fases, siguiendo el criterio convencional para secciones de gran amplitud en suelos con bajas propiedades mecánicas. Esta estrategia, aunque conservadora desde el punto de vista de la estabilidad del frente, implicaba cambios geométricos frecuentes, espacios reducidos de operación y maniobra, interferencias constantes entre equipos y exposiciones prolongadas del personal dentro de zonas críticas. Se propuso optimizar este procedimiento reduciendo el número de fases a seis, tres fases en avance (una central excavada inicialmente y dos laterales en secuencia por detrás) y tres en destroza (igualmente central más laterales), y ejecutando dos zonas de contrabóveda en los primeros 120 metros de cada portal, consolidando fases de avance, simplificando la geometría temporal y permitiendo una operación más eficiente. Esta modificación fue evaluada y aprobada por el proyectista y el cliente final, y se concluyó que la reducción a seis fases mantenía y, en ciertos aspectos, mejoraba la estabilidad general del proceso de excavación al reducir zonas expuestas simultáneamente y proporcionar mayor continuidad al sostenimiento primario. Con esta modificación se logró, sobre todo, que se pudieran emplear para la ejecución de la excavación del túnel los medios habituales y adecuados (retroexcavadora, pala, jumbo de tres brazos, robot de proyección de hormigón y manipulador). Además de poder emplear el método habitual de excavación, esta modificación optimizó la instalación de cerchas metálicas, el rendimiento del concreto lanzado y la coordinación de los equipos dentro del túnel, incrementando la seguridad y reduciendo la probabilidad de incidentes asociados a áreas confinadas, mejorando así la eficiencia y producción.
El macizo atravesado se caracteriza por presentar dos unidades principales: la secuencia fluvial-aluvial y la secuencia litoral. Ambas secuencias se caracterizan por su baja cohesión y estructura irregular. En la secuencia fluvial-aluvial predominan conglomerados, arenas y gravas de origen fluvial, con presencia de bolos cementados de manera heterogénea. La segunda unidad corresponde a arenas finas y muy finas con intercalaciones de limos y lentes arcillosas, donde la cohesión es prácticamente nula. La transición entre ambas unidades no siempre es gradual, lo que produce discontinuidades mecánicas. Estas dos unidades, aunque diferentes en origen y compactación, comparten una característica esencial: su incapacidad para sostener un frente abierto durante largos periodos sin apoyo inmediato. La estabilidad del macizo y, en consecuencia, del túnel dependía de manera absoluta del control de avance de la excavación, de la aplicación del sostenimiento oportuno y temprano, y de la auscultación intensiva y continua, para, de ser el caso, poder implementar medidas oportunas de control de deformaciones.
Para los primeros metros desde cada portal, donde la montera era insuficiente para permitir la formación de arcos naturales de descarga, se implementaron paraguas de micropilotes. Estos micropilotes autoperforantes, de 110 mm de diámetro y longitudes que variaban entre 12 y 15 metros con 3 metros de solape; se colocaron con separaciones de 30 centímetros y se inyectaron con lechada f´c=250 kg/cm2 para formar un cilindro de soporte rígido capaz de estabilizar la clave y hombros del túnel. El número total de micropilotes instalados supera los 18 000 metros lineales, lo que equivale a la construcción de una bóveda artificial que proporciona confinamiento y limita la deformación inicial del macizo, pudiendo trabajar de manera más segura en los tramos de baja montera.
El sostenimiento primario a lo largo de todo el túnel consistió en cerchas metálicas de perfil tipo IR de diferente medida y peso por metro lineal en función a la distribución proyectada, y hormigón proyectado f´c=300 kg/cm2reforzado con fibras metálicas. El hormigón proyectado presentaba espesores entre 30 y 50 cm dependiendo del tramo, aplicando sistemáticamente sellado del frente y contorno para evitar la meteorización del material y trabajar con la seguridad adecuada para el personal y maquinaria. El volumen total aplicado superó los 37 000 m³.
La fase inicial de avance o calota se desarrolló en la media sección superior, excavando la fase 1 con decalajes entre 6 y 9 metros de longitud respecto a las fases 2 y 2´. El avance se proyectó en ciclos de 1 metro, pero en zonas puntuales, portales o falla geológica, fue necesario acortar el pase hasta 0,5 metros como medida para controlar la pérdida inmediata de rigidez en el macizo y para permitir que el hormigón proyectado adquiriera resistencia suficiente antes de continuar con la excavación. Desde el punto de vista geotécnico, los ciclos cortos reducen la ventana temporal en la cual el terreno queda sin soporte, minimizando la probabilidad de deformaciones súbitas o colapsos localizados. Las cerchas de las fases laterales de avance llevaban un refuerzo o ensanchamiento conocido como «pata de elefante» con el fin de distribuir mejor los esfuerzos e incrementar la rigidez estructural del conjunto, limitando los desplazamientos laterales, de hincamiento y convergencias. Posteriormente se procedía con el retiro de las cerchas temporales de la fase 1, de modo que se conseguía tener efectiva la sección de avance completando el espesor de hormigón proyectado.
La destroza se ejecutó en carriles, central o fase 3, y laterales, fase 4 y 4´, con decalajes de 4 metros entre fases laterales para asegurar una distribución equilibrada de tensiones y evitar la formación de mecanismos de falla por empuje diferencial.
Durante la excavación se presentaron múltiples problemáticas geotécnicas. En los portales, donde las condiciones son más desfavorables, se registraron descensos acelerados en clave de hasta 24 cm acumulados, 14 cm en calota y 10 cm en destroza, con velocidades altas. Estos valores exigieron medidas correctivas inmediatas. El sistema de auscultación se incrementó de 56 estaciones proyectadas a lo largo del túnel a 100 estaciones de medición conformadas por 7 puntos de coordenadas. En estas zonas fue necesario aumentar la frecuencia de medición de las estaciones, llegando a realizarlas cada 8 horas durante los tramos más críticos. Estas lecturas se compararon con valores umbral derivados de modelos numéricos, permitiendo ajustar la velocidad de los ciclos de avance, reduciendo el pase de avance o incluso llegando a la parada temporal de la excavación para asegurar la estabilidad del túnel. Como ejemplo, el inicio de la excavación en destroza, habitualmente combinada con el avance, no se produjo hasta la estabilización de los puntos de control.
También se presentaron desprendimientos de material en la clave y hombros del túnel, generadas por la nula o baja cohesión del material excavado. La solución implementada consistió en retirar el material suelto mediante excavación mecánica controlada, estabilizar el frente de excavación y contorno con capas de hormigón proyectado reforzado con fibras metálicas, implementar ciclo de enfilaje con disminución de la separación de micropilotes, instalar chapas metálicas tipo Bernold y tubería de inyección y, finalmente, bombear hormigón para garantizar el relleno de la cavidad. Además, se reforzó la zona circundante aumentando la densidad de cerchas y aplicando una capa adicional de hormigón proyectado.
Los empujes laterales estuvieron presentes, especialmente en el portal de entrada, produciendo acortamientos horizontales de hasta 30 cm por la presión lateral del terreno de la fase 2´ hacia la fase 1. En esta zona, el macizo ejerce una presión significativa sobre el sostenimiento debido a la ausencia de confinamiento natural y a la geometría del terreno. Las fisuras comenzaron a aparecer entre el hormigón proyectado y las cerchas temporales de la fase 1, señal clara de la redistribución de esfuerzos. La solución para contrarrestar estos empujes fue ejecutar una contrabóveda temporal reforzada con doble malla electrosoldada y hormigón proyectado de 30 cm de espesor, además de invertir la secuencia de excavación de las fases laterales para descomprimir el terreno. Estas medidas se extendieron hasta los 120 metros de cada portal permitiendo recuperar estabilidad en la zona y limitar la progresión de deformaciones horizontales en los avances posteriores.
En todas las fases de avance se excavaba dejando un machón central como pilar temporal no excavado para controlar la estabilidad, pero debido a la ya comentada baja cohesión del terreno también provocó inestabilidad del machón central en el frente, situación que se agravó en las zonas de cambio de material de arenas finas a sedimentos arcillosos, provocando desprendimientos del frente, teniendo que retirar el material y volviendo a sellar con hormigón proyectado el frente de excavación. Para mitigar este problema en ocasiones se aumentó el espesor de gunita de sellado previo incluyendo la adición de fibra metálica y se ajustaron los ciclos de perforación de las fases contiguas para reducir vibraciones suspendiendo las actividades con trabajos de vibración y percusión.
En total, se excavaron más de 256 000 m3 de material. Se instalaron más de 1.000 cerchas metálicas, 18 000 metros de enfilajes de micropilotes y se aplicaron más de 37 000 metros cúbicos de hormigón proyectado.
El revestimiento definitivo se ejecutó en cuatro fases, comenzando con la contrabóveda de 60 cm de espesor de hormigón reforzado de 35 MPa en los primeros 120 metros de cada portal, ejecutada por carriles para poder continuar simultáneamente con los diferentes trabajos del túnel, seguida de la instalación de un sistema de impermeabilización compuesto por geotextil y geomembrana PVC-P de 1,5 mm. Posteriormente se hormigonaron los muretes laterales con acero de refuerzo de diferentes diámetros, para concluir con el hormigonado reforzado de acero de resistencia f´c=350 kg/cm2 de la bóveda definitiva mediante un carro de cimbra de 12 metros de longitud. Los espesores de la bóveda variaron entre 60 y 150 cm según las condiciones geotécnicas y las exigencias estructurales del tramo.
Dentro del revestimiento definitivo, merece especial mención el empleo para la ejecución del Túnel 2 de más de 4.800 toneladas de acero de diferentes diámetros y 31 100 m³ de hormigón de 35 Mpa, convirtiéndose en uno de los túneles con un revestimiento muy robusto debido a las exigencias del terreno. Para detallar la magnitud de lo que suponen estos datos, por cada puesta de 12 metros de revestimiento se utilizaron más de 57 000 kilos de acero en 300 m3 de hormigón.
Los trabajos de excavación se iniciaron en el portal o tajo de entrada en enero de 2024, finalizando el revestimiento definitivo en marzo de 2025. Cuando las condiciones del terreno lo permitieron, se consiguieron en las fases de avance (fase 1, 2 y 2´) una excavación máxima de hasta 5 metros por cada frente de trabajo; igualmente en destroza, donde la excavación de la parte final del portal de salida se vio afectada y limitada por los movimientos del terreno aunado a las acciones ya expuestas, se consiguió llegar a ejecutar hasta 400 metros lineales de destroza en un mes. Los rendimientos en el revestimiento alcanzaron los 72 metros lineales por semana con puestas de carro superiores a 350 m³ de hormigón.
Para conseguir los rendimientos descritos el elemento diferenciador fue la simultaneidad de trabajos dentro del túnel. Hubo coincidencia en ejecución simultánea de excavación en avance, destroza y contrabóveda, además de la ejecución en paralelo de las cuatro fases que componen el revestimiento definitivo. En los momentos de mayor actividad participaron cerca de 300 trabajadores y más de 25 equipos diferentes operando simultáneamente.
Las conclusiones derivadas del proyecto son múltiples para obras de características similares. La reducción de doce a seis fases permitió mejorar la estabilidad del frente, optimizar el rendimiento operativo, posibilitar el trabajo de todas las máquinas convencionales y reducir riesgos asociados a la presencia simultánea de equipos en áreas confinadas. La necesidad de aplicar paraguas de micropilotes en determinadas zonas se confirmó como esencial para garantizar la estabilidad inicial y controlar deformaciones. La aparición de oquedades, deformaciones con altas velocidades y empujes laterales elevados puso de manifiesto la importancia de contar con protocolos de intervención inmediata. La auscultación intensiva es imprescindible y fundamental para anticipar comportamientos no previstos, ajustar procedimientos y validar las hipótesis de diseño.
El Túnel 2 del Viaducto Elevado Tijuana es un referente técnico en México para la ejecución de túneles carreteros de gran sección en suelos blandos. Su desarrollo demuestra que la combinación de un diseño robusto del sostenimiento, una planificación constructiva basada en principios del NATM, una auscultación intensiva y una gestión operativa altamente coordinada garantizan la viabilidad y la seguridad en obras subterráneas en contextos geológicos complejos y en entornos urbanos con fuertes condicionantes.