Excavación libre de riesgos con el sistema de predicción sísmica TSP-303. Obra de los túneles de conexión de la variante de Vallirana

Excavación libre de riesgos con el sistema de predicción sísmica TSP-303. Obra de los túneles de conexión de la variante de Vallirana

(Artículo publicado en la Revista Obras Urbanas número 65)
Ignacio Piedra Morales, Geólogo Senior Amberg Infraestructuras S.A. (Asesoría del equipo técnico de la UTE de la obra)

Proyecto

Las obras de la variante de Vallirana, cuya inauguración está prevista para 2019, se hallan actualmente muy avanzadas. Cada día circulan por la localidad catalana entre 20.000 y 30.000 vehículos, lo que provoca una situación constante de contaminación medioambiental y acústica, y muchos accidentes.

La construcción de dos túneles gemelos ya está completa, pero ha conllevado muchas dificultades e incertidumbres geológico-geotécnicas.

Encargo

A lo largo de toda la obra y en distintas fases, entre 2010 y 2016, Amberg ha utilizado su tecnología de predicción sísmica TSP-303 (Tunnel Seismic Prediction) para investigar la geología por delante del frente de excavación.

En sus últimas fases, la construcción del túnel de Vallirana mediante una rozadora enfrentaba una etapa crítica debido al bajo recubrimiento a lo largo del trazado aunado a la posible existencia de cavidades o galerías de geometría desconocida, proveniente de operaciones mineras abandonadas. Asimismo, la situación se agravaba aún más por ser una zona urbana y debido a la proximidad de las viviendas, las cuales limitaban el acceso para realizar investigaciones desde la superficie. (Figura 1).

Excavación libre de riesgos con el sistema de predicción sísmica TSP-303. Obra de los túneles de conexión de la variante de Vallirana

Figura 1.

El túnel ha sido excavado en un medio geológico caracterizado por unidades carbonatadas, areniscas, lutitas y yesos de edad Triásica, del Muschelkalk. Según el perfil geológico, tanto en las unidades de arcillas carbonatadas, como en las yesíferas, se indicaba la posible ocurrencia de antiguas zonas mineras de plomo, zinc, bario y yeso. A lo largo de 150 metros, el recubrimiento era muy reducido, solamente unos 30 metros, representando una zona de alto riesgo en un área densamente poblada.

El objetivo de las últimas mediciones TSP (dos en cada túnel) ha sido la detección de cavidades cársticas, posibles galerías mineras y cambios litológicos a unos 60 u 80 metros por delante del frente, antes de que la excavación pudiera alcanzar alguna de estas estructuras.

La imagen anterior (Figura 2 arriba/abajo) muestra la distribución 3D de velocidad de la onda P en el túnel izquierdo, indicando regiones delante del frente (situado en la progresiva 1.115) en donde se han renderizado valores menores a 4.670 m/s. La imagen inferior muestra las secciones 2D de velocidad P correspondientes y su comparación con los registros RMR y de abrasión de los dientes de la cabeza cortadora.

Los resultados indican una disminución de 5.400 m/s a 3.660 m/s, 25 metros por delante del frente, manteniendo este valor hasta la progresiva 1.055 m (60 metros por delante del frente).

La predicción se ajusta muy bien con el desgaste de los dientes de la rozadora de excavación, con una disminución similar en las mismas zonas. Como consecuencia, el soporte se cambió de clase IIa a IVa y de nuevo a clase IIIa, cuando la condición del macizo pasó a ser competente nuevamente.

El sistema TSP-303 PLUS

La innovación tecnológica permite actualmente construir obras subterráneas extremadamente complejas en plazos muy cortos. La seguridad durante la excavación y el rendimiento del avance requieren un conocimiento exacto de las características del terreno por delante del frente de excavación. La obtención de esta información mediante métodos geofísicos no destructivos, por delante del frente (TSP®) es una alternativa rápida y económica a otros métodos de prospección, la cual permite predecir cambios estructurales relevantes dentro del macizo rocos y evaluar parámetros mecánicos de la roca en el área del túnel y por delante del frente.

El sistema TSP-303 PLUS emplea cuatro receptores triaxiales altamente sensibles. Aproximadamente 15 metros por delante de los receptores se sitúan 24 perforaciones de disparo de 1,5 metros de longitud y pequeño diámetro, en un lado de la pared del túnel con un espaciamiento de 1,5 metros. Como fuente sísmica se emplean cargas explosivas de entre 40 y 100 gramos de cordón detonante de 100 g/m en cada punto, las cuales se han explosionado sucesivamente mediante detonadores eléctricos, retacándolas con agua de forma que no producen ningún daño a la roca o al revestimiento.

El objetivo del procesado sísmico de los datos es la extracción y manifestación del campo de las ondas reflejadas, al tratarse de un método de sísmica de reflexión. Una vez introducidos los datos geométricos del perfil del túnel y de la posición de las perforaciones para los disparos y para los receptores, el software del sistema TSPWIN está en disposición de presentar la información bruta registrada separada en las tres direcciones de los componentes X, Y y Z de cada receptor. Entonces los datos registrados se someten a una secuencia de pasos de análisis especialmente diseñados en la que los resultados intermedios quedan sucesivamente almacenados permitiendo la revisión en cualquier momento durante el análisis.

Finalmente, en el último paso del procesado de los datos, se extraen automáticamente los elementos reflectores que pueden mostrarse en presentaciones en 2D o en 3D. A partir de las llegadas de los reflectores sísmicos más prominentes de los diferentes eventos situados por delante o alrededor del área de registro, se calcula la geometría de los elementos reflectores que las han dado lugar.

A partir del análisis con el sistema TSP-303 PLUS se obtienen propiedades físicas reales de la roca cuya variación permite identificar sucesivas zonas por delante del frente  del túnel con distintas calidades del macizo rocoso.

Conclusión

La predicción sísmica reveló una transición de roca competente a roca blanda con la posible presencia de cavidades menores en el túnel izquierdo. En el túnel derecho no se detectaron cambios significativos. No se pronosticaron estructuras mineras abandonadas y se pudo llevar a cabo un avance libre de riesgos.

La excavación posterior de los túneles ha confirmado la predicción y si bien no se han producido cambios significativos en el túnel derecho, el consumo de dientes de la rozadora de excavación y los valores del RMR coinciden con la predicción en el túnel izquierdo.

“El uso del sistema TSP-303 de Amberg permitió investigar una zona de incertidumbre geológica muy inquietante, la cual no se podía investigar desde la superficie debido a la presencia de zonas residenciales. Los resultados de la predicción coincidieron con gran exactitud a lo que se encontró durante la excavación.

A pesar de que no se encontraron cavidades mineras, la disminución de la resistencia de la roca en el túnel izquierdo, tal como lo reveló la predicción TSP, se ajusta con el consumo de los dientes de la cabeza cortadora de la rozadora.

La presentación de los resultados 3D es muy atractiva y permite una mejor comprensión de los resultados para cualquiera de las partes involucradas”.

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