Cimentación de las pilas principales del Queenferry Crossing (Edimburgo)

Cimentación de las pilas principales del Queenferry Crossing (Edimburgo)

(Artículo publicado en la Revista Obras Urbanas número 63)
Marcos González Pérez; Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. Director técnico en Forth Crossing Bridge Constructors.
Nicolás Burbano Pita; Ingeniero de Minas. Dirección de Obras Geotécnicas en GEOCISA.
Antonio Vázquez Salgueiro; Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. Temporary Works Manager en Forth Crossing Bridge Constructors.
Manuel Pita Olalla; Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. Dirección Técnica, Servicio de Geotecnia en DRAGADOS.

En la presente comunicación se recoge una explicación de la cimentación de las pilas principales del Queensferry Crossing que se está ejecutando cerca de Edimburgo (Escocia). La cimentación de dos de las torres principales y de una de las pilas de acceso se realizó mediante cajones circulares metálicos prefabricados de gran diámetro, que se hincaban en el terreno entre 20 y 25 m hasta alcanzar el sustrato rocoso. La torre central se cimentó directamente sobre la isla de “Beamer Rock” con la ayuda de una estructura metálica prefabricada, que permitía el trabajo en seco en el interior de la misma.

1.Introducción

El nuevo Puente sobre el estuario de Forth tendrá una longitud de 2.640 m, con dos vanos principales de 650 m cada uno, sustentados por tirantes a tres torres de 210 m de altura, lo que le llevará a ser el segundo puente atirantado más largo del mundo.

La cimentación de dos de las torres principales (la ST y la NT) y de una de las pilas de acceso (la S1), se realizó mediante cajones circulares metálicos prefabricados de gran diámetro, que se hincaban en el terreno entre 20 y 25 m hasta alcanzar el sustrato rocoso. A estos cajones se les acoplaba, a modo de prolongación, otro cajón temporal de 11m de altura que permitía el trabajo en seco en el interior del recinto.

La torre central se cimentó directamente sobre la isla de “Beamer Rock”, con la ayuda de estructura metálica prefabricada a modo de recinto para permitir el trabajo en seco en el interior de la misma.

El resto de cimentaciones del puente se realizaron mediante recintos tablestacados de menor tamaño, que no son objeto de esta comunicación.

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Figura 1. Vista general del tramo atirantado del puente.

2.Geotecnia de la zona

En el estuario del Forth, aparecen superficialmente unos depósitos aluviales flojos, unos depósitos fluvio-glaciares granulares de compacidad media y “Glacial Till”, fundamentalmente cohesivo, de consistencia dura o muy dura y con presencia de bolos. El espesor total de estos depósitos es de unos 20-25 m en la mayor parte del estuario.

Por debajo de estos depósitos cuaternarios aparece el sustrato rocoso compuesto por areniscas, lutitas y limolitas sobre las que apoyan la S1, la NT y la ST. Por debajo de estas formaciones aparece la dolerita (roca ígnea intrusiva de granulado fino a medio, con muchos cristales de color gris oscuro o negro), que aflora en la isla donde se apoya la Torre Central. Todo este sustrato rocoso presenta un RQD muy alto y resistencias a compresión simple generalmente superiores a 15 MPa, salvo casos puntuales, con medias entre 40 y 80 MPa.

Para conocer el terreno en las cimentaciones principales, se hicieron al menos 10 sondeos por cimentación.

3.Cimentación con cajones circulares metálicos

3.1.Geometría

Cada uno de los tres cajones permanentes de la cimentación de las torres ST, NT y S1 consiste en dos cilindros concéntricos de acero, unidos por una estructura de refuerzo interior y cerrados por arriba y por abajo con placas de acero. El hueco entre ambos cilindros permitía gestionar la flotabilidad y la hinca del cajón, pudiéndose rellenar con agua u hormigón por zonas de manera controlada a lo largo del proceso. El cajón de la Torre Sur y la pila S1 estaba formado por 12 segmentos (30º cada segmento) y el de la Torre Norte por 8 segmentos (45º cada segmento). Las dimensiones de estos cajones se muestran en la siguiente tabla:

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Tabla 1. Dimensiones de los cajones circulares metálicos permanentes.

Estos cajones son los más grandes jamas fondeados en todo el mundo.

Los cajones provisionales se ensamblaban encima de los permanentes (ver figura 2) una vez que se había realizado un primer fondeo de éstos y consistían en una chapa plegada, simulando tablestacas, de 11 m de altura a modo de cilindro, con arriostramientos circulares y diagonales. El peso de estos cajones provisionales rondaba los 3.000 kN.

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Figura 2. Sección tipo de la cimentación de la Torre Sur.

3.2.Proceso constructivo

3.2.1.Transporte y posicionamiento de los cajones

Los cajones permanentes fueron fabricados en Polonia y se llevaron en barcaza hasta Edimburgo (ver figura 3). Con ayuda de remolcadores se situaba la barcaza en la ubicación aproximada donde fondear los cajones, a continuación se semisumergía la barcaza y los cajones se izaban con una grúa flotante. Con la ayuda de un sistema GPS, esta grúa posicionaba los cajones en su ubicación definitiva, con una tolerancia en planta de ±25 cm, y se comenzaba el primer fondeo de los cajones rellenando el interior de sus paredes con agua a modo de lastrado. En el caso de la Torre Norte y la Pila S1, este primer lastrado se realizó también rellenando de hormigón y con la ayuda de una excavación en el interior. El interior de la punta de los cajones se había hormigonado previamente para que resistiera las altas presiones al apoyar sobre el terreno.

El área de estas operaciones se había dragado previamente para facilitar el acceso y el trabajo de los medios marítimos. Asimismo, se crearon unas zonas de exclusión marcadas con boyas para evitar la entrada de embarcaciones ajenas a la obra.

Durante todo el proceso se tenía monitorizado la posición horizontal del cajón, la distancia entre el cajón y el fondo del mar, la inclinación y la rotación del cajón.

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Figura 3. Llegada de los recintos metálicos a obra.

3.2.2.Instalación del cajón provisional

Tras esta primera hinca, se acoplaba a modo de prolongación el cajón provisional con la ayuda de una grúa flotante (ver figura 4). El objetivo de este cajón provisional era permitir el trabajo en seco en el interior del recinto, ya que la situación final del cajón definitivo quedaba por debajo de la carrera de marea.

La cota superior de este cajón quedó a la +5,0 m, dejando así un resguardo de 2,15 m respecto a la media de las pleamares equinocciales y 1.60m con respecto a la máxima pleamar.

Este cajón provisional se retira una vez que la torre esté por encima de la parte superior del cajón.

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Figura 4. Instalación del cajón provisional.

3.2.3.Hinca de los cajones

Una vez instalado el cajón provisional, se procedía a la hinca del conjunto hasta su cota definitiva, ligeramente por encima del sustrato rocoso. Esta hinca se realizaba rellenando el hueco perimetral del cajón con hormigón a modo de lastrado y excavando en el interior del cajón con dos cucharas bivalvas, que trabajaban de manera simultánea y en lados opuestos, desde el exterior al interior para asegurar el hundimiento equilibrado del mismo. Además durante la hinca se inyectaba bentonita en el perímetro para reducir la fricción con el terreno y se inyectaba agua a alta presión (100-150 bar) por la punta para “abrir camino” al cajón (ver figura 5).

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Figura 5. Punta del cajón con orificios de salida.

La inclinación del cajón se controlaba con un lastrado selectivo de los diferentes segmentos y excavando de manera diferencial en el interior del recinto.

3.2.4.Sellado del fondo entre roca y cajón mediante columnas de Jet Grouting

Una vez realizada la hinca definitiva, se llevaba a cabo un sellado perimetral del fondo entre la roca y el cajón mediante columnas de jet grouting, para poder terminar la excavación interior hasta alcanzar la roca.

Previamente se había realizado un campo de pruebas, en unidades geotécnicas similares pero fuera del estuario, para comprobar los diámetros previstos en el jet. Con este campo de pruebas se ajustaron las dosificaciones y parámetros de ejecución del jet.

3.2.5.Excavación del interior del cajón hasta alcanzar la roca

Después de realizar el sellado del perímetro con las columnas de jet grouting se proseguía con la excavación de forma escalonada y secuencial, hasta alcanzar la roca. Una vez alcanzado el sustrato rocoso, se procedía a limpiar la roca con un dispositivo de succión de aire e inspeccionar el fondo mediante buzos y cámaras subacuáticas para asegurar un buen apoyo de la cimentación.

La excavación total hasta alcanzar la roca estuvo comprendida entre 20 y 25 m en función del cajón.

3.2.6.Relleno de hormigón sumergido y vaciado de agua

Tras comprobar la idoneidad del apoyo en la roca, el cajón se rellenaba de hormigón sumergido hasta la cota inferior de la zapata (entre las cotas -14 y -21 en función del cajón). Este hormigón funcionaba a modo de tapón para poder realizar el posterior vaciado de agua. Para realizar el tapón de la ST se emplearon dos semanas, hormigonando de manera ininterrumpida. En la NT y S1 se tardó algo menos en realizar este tapón.

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Figura 6. Cajón de la Torre Norte con el tapón de hormigón sumergido ejecutado y tras el vaciado de agua en el interior.

En la pila S1, fue necesario realizar unos pozos de alivio antes de este vaciado para reducir subpresiones, porque el peso del hormigón no era suficiente.

4.Cimentación directa de la Torre Central

La Torre Central se cimentó de manera directa sobre la Isla “Beamer Rock” que aflora en mitad del estuario del Forth. En la ubicación de la Torre Central había, antes de la obra, un faro que indicaba la ubicación de esta isla a las embarcaciones.

4.1.Geometría

La cimentación de la Torre Central tiene unas dimensiones en planta de 35 x 25 m. La cara inferior de la zapata está a la -5,0 m y su canto crece desde los 3,5 m en el perímetro a 6 m en la zona central.

4.2.Proceso constructivo

Inicialmente se instalaron unas luces de indicación para la navegación y se retiró el faro existente. Tras esto se realizó una voladura para permitir la excavación de la roca. Esta excavación se realizó hasta la cota -5,15 m y también incluía la excavación de una zanja perimetral de 6,5 m de ancho y 0,85 m de profundidad, para la preparación del apoyo de la estructura metálica prefabricada, que serviría de recinto estanco.

Una vez terminada la excavación se hacía una comprobación subacuática del estado de la roca y se ejecutaban unos micropilotes en la zanja que servían para anclar la estructura metálica prefabricada. Esta estructura metálica prefabricada se instalaba por piezas de 8,3 m de altura y 5 m de ancho, con un peso total de unos 700 kN cada pieza. Estas piezas consistían en unas tablestacas ensambladas, con una base de hormigón armado y con unos puntales en diagonal para asegurar la estabilidad de la tablestaca durante el proceso de instalación. Tras fijar esta estructura en la zanja, se sellaba y hormigonaba todo el apoyo de la misma y el exterior del recinto hasta superficie.

Tras esto se instalaba el sistema de apuntalamiento horizontal, se cortaban las diagonales que habían servido de arriostramiento de las tablestacas para que no cogieran presión y se procedía al vaciado de agua del interior del recinto (ver figura 7).

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Figura 7. Vista general del recinto de la Torre Central.

Una vez vacío el recinto de agua, se sellaban posibles filtraciones de agua, se retiraban las diagonales que habían sido cortadas anteriormente, se limpiaba e inspeccionaba la roca y se instalaban unos pozos para aliviar las subpresiones en la roca (ver figura 8).

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Figura 8. Sección tipo de la cimentación de la Torre Central.

Con el recinto vacío de agua y una vez asegurado un buen apoyo en la roca, se vertía una capa de hormigón de limpieza y se procedía a colocar la armadura del encepado y hormigonar la zapata de dos fases. Cuando se hormigonan unos 3,5 m de zapata, se pueden retirar los apuntalamientos horizontales y una vez se termine la torre se retirará la parte de las tablestacas que queden por encima del borde de la zapata.

5.Resumen y conclusiones

En esta comunicación se recoge una explicación de la cimentación de las pilas principales del Queensferry Crossing, que una vez terminado será el segundo puente atirantado más largo del mundo. Estas cimentaciones consisten en tres cajones circulares metálicos de gran diámetro que se hincaron en el terreno hasta alcanzar la roca y en una cimentación directa sobre la isla “Beamer Rock” con la ayuda de una estructura metálica prefabricada, que permitía el trabajo en seco en el interior de la misma.

El tamaño de los cajones y su procedimiento de hinca, hace que estas cimentaciones sean un hito en la historia de la ingeniería geotécnica, como lo será el puente en la historia de la ingeniería civil.

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Figura 9. Vista general durante la ejecución de las cimentaciones.

6.Agradecimientos

Queremos agradecer la información y conocimientos aportados a las siguientes organizaciones:

  • The Employer’s Delivery Team, Transport Scotland supported by Jacobs Arup.
  • Designer Site Representative.
  • Forth Crossing Bridge Constructors:
    • HOCHTIEF Solutions.
    • American Bridge International.
    • DRAGADOS.
    • Morrison Construction.

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