Sydney Metro Northwest

Obra subterránea de DRAGADOS en las Antípodas

Carmen Fernández, Paz Navarro y Alejandro Sanz

Dirección Técnica de Obras Subterráneas- Dragados

El Metro de Sídney es actualmente la mayor infraestructura de transporte público en construcción en Australia. El proyecto “Northwest”, inicialmente denominado “North West Rail Link”, es la primera fase de dicho Metro de Sídney y será el primer Metro completamente automatizado del país, el cual dotará de 8 estaciones a la zona noroeste de Sídney.

El contrato adjudicado consiste en la ejecución de 13,8 km de túneles gemelos de 6,17 m de diámetro interior excavados con tuneladora entre la existente Epping Station y la nueva Bella Vista Station. Estos túneles son los túneles ferroviarios más largos de toda Australia. El contrato también incluye:

  • Excavación de cinco estaciones de aproximadamente 180 m de longitud y 20 m de ancho cada una: Cherrybrook, Castle Hill, Showground, Norwest y Bella Vista
  • Dos pozos de instalaciones en Epping y Cheltenham
  • 59 galerías de conexión entre túneles
  • Una caverna de bifurcación en Castle Hill de 184 m de longitud, 21 m de ancho y 14 m de altura
  • Dos túneles en mina de 300 m de longitud cada uno entre el pozo de Epping y la existente Epping Station

Este contrato fue adjudicado en Junio de 2013 a la UTE formada por Thiess, Dragados y John Holland.

Este proyecto tiene un tipo de contrato de “diseño y construcción”y por tanto el diseño comienza durante la fase de licitación y se completa durante la fase de construcción. Para mejorar y agilizar todo el proceso de desarrollo, optimización y aprobación del diseño en ambas fases, los responsables de las empresas proyectistas compartieron las mismas oficinas de obra con los contratistas, lo que resultó clave para cumplir con el compromiso de programa adquirido.

Geología

Los túneles se excavan en su mayor parte, alrededor de un 70%, en arenisca denominada Hawkesbury Sandstone y en la formación Mittagong, constituida por una transición entre arenisca y marga. El resto de los túneles, un 30%, se excava en la formación Ashfield Shale constituida por marga competente.

La columna estratigráfica del área de la obra está constituida de muro a techo por las areniscas de Hawkesbury, la formación Mittagong y las margas de Ashfield.

La unidad Hawkesbury Sandstone está constituida por una arenisca cuarzosa de grano medio a grueso estratificada en capas de espesores entre 1 y 3 m con una estructura masiva. Estas areniscas son extremadamente abrasivas con contenidos en cuarzo que oscilan entre el 50 y el 70% y con contenido de un 10-20% de minerales arcillosos (principalmente caolín e illita).

Son materiales con una alta resistencia de la roca intacta con un valor medio de resistencia a la compresión simple (UCS) de 25,9 MPa. (8,7-50,7 MPa).

La Formación Mittagong constituye la transición entre las Areniscas de Hawkesbury y las Margas de Ashfield. Esta unidad está constituida por dos niveles, un nivel inferior formado por areniscas parduscas de grano muy fino estratificadas en capas de 0,5 a 1,5 m de espesor, y un nivel superior formado por areniscas de grano fino con intercalaciones de limonitas gris oscuro. Son materiales de alta resistencia con un valor medio de resistencia a la compresión simple de 35,5 MPa.(12,7-67,1 MPa)

La Formación Margas de Ashfield están constituidas por cuatro miembros denominados: Miembro finamente laminado Mulgoa, Miembro Margas de Regentville, Miembro finamente laminado de Kellyville y Miembro Areniscas de Rouse Hill. Esta unidad es menos abrasiva, con contenidos en cuarzo que oscilan entre el 10 y el 30% y un contenido en minerales arcillosos que oscila entre el 10 y el 50%. El valor de la resistencia a la compresión simple de esta unidad es mucho menor que el de las dos anteriores con un valor medio de 13,8 MPa. (8,4- 19,2MPa).

La estratigrafía la zona se caracteriza por una disposición subhorizontal de los materiales. Únicamente se han encontrado ángulos de buzamiento cercanos a las 20º en las Margas de Ashfield, más concretamente en las zonas afectadas por fallas.

El trazado del proyecto no cruza grandes fallas o diques, sin embargo si se ve afectada por varias zonas de deformación conocidas como Hornsby Warp, una zona tectónica caracterizada por haber dado lugar a fallas localizadas y plegamientos, Roseville Warp y el Domo de Dural.

El domo de Dural afecta principalmente a la zona de Castle Hill, donde se ha ejecutado la caverna de bifurcación, y lleva asociado un sistema de fallas con una orientación principal noreste-suroeste. Este sistema de fallas se encuentra principalmente en las Margas de Ashfield.

El nivel freático en las areniscas infrayacentes de la unidad Hawkesboury se encuentra aproximadamente a 20 m bajo la superficie y sigue la topografía a lo largo del trazado. También existen niveles colgados asociados a las Margas de Ashfield, de los cuales el nivel más característico se encuentra a 5 m bajo la superficie. En general los materiales atravesados por el proyecto presentan permeabilidades bajas, como consecuencia de ello no era de esperar importantes flujos de agua subterránea durante la ejecución de la obra subterránea.

Procedimientos constructivos

Los túneles de línea se excavan con 4 tuneladoras NFM tipo Doble Escudo de 6,985 m de diámetro de excavación. Las dos primeras tuneladoras se montaron en Bella Vista y excavan alrededor de 8,1 km cada una hasta Cherrybrook Station. Las otras dos tuneladoras se montaron en Cherrybrook Station y excavan 5,7 km hasta el pozo de instalaciones de Epping. Los túneles entre este pozo y la existente Epping Station se excavan con rozadora.

Las tuneladoras colocan dovelas prefabricadas de hormigón reforzado con fibras de acero en la mayor parte del trazado. Únicamente en los anillos situados en los entronques de los túneles con las galerías de conexión y en algunos tramos de pequeña longitud sometidos a mayores solicitaciones se ha empleado una combinación de fibra de acero y armadura en barras como refuerzo, suponiendo estos anillos aproximadamente el 10% del total fabricado.

El anillo de dovelas es de tipo universal con una configuración con forma de paralelogramo- trapecio diseñada con 6 dovelas por anillo. Las dovelas tienen 260 mm de espesor, 1,7 m de longitud e incluyen juntas embebidas en el hormigón, en lugar de las habituales juntas pegadas, que suponen una mejora en la estanqueidad del túnel. Las dovelas se fabrican en una instalación que se encuentra sita en Bella Vista compuesta por 2 carruseles.

Los materiales de excavación se transportan mediante cintas continuas desde el frente de las tuneladoras hasta las bocas. Para evitar posibles molestias a los vecinos durante la noche, todas las actividades que eventualmente pueden generar ruidos por encima de los umbrales admisibles se realizan en el interior de recintos aislados acústicamente durante los turnos de noche. Estos recintos incluyen el acopio del material excavado del túnel, la carga de las dovelas en los vehículos rodados para proveer al túnel y la evacuación de las dovelas de la nave de producción. Esta circunstancia requiere de instalaciones complejas y mayores superficies de operación que las habituales, además de un detallado estudio logístico y de dimensionamiento adaptado a las puntas de producción esperables. Sin embargo, es muy difícil prever un rendimeinto máximo diario de 90 m como el que se ha producido en esta obra. En los turnos de día se concentran todas las operaciones de vaciado de acopios nocturnos y diurnos, reposiciones de stocks, etc.

Las galerías de conexión se han excavado simultáneamente a la excavación de la TBM utilizando pequeñas excavadoras eléctricas. Para poder ejecutar estas galerías sin afectar a la producción de las tuneladoras, el equipo de las galerías trabaja sobre plataformas de trabajo móviles que permiten el paso de los vehículos rodados de alimentación a las tuneladoras y al mismo tiempo proporcionan el espacio suficiente para los trabajos de las galerías.

Para la excavación de la caverna de Castle Hill se ha utilizado una rozadora y excavadoras y su ejecución se describe brevemente también en este artículo.

Túneles con tuneladora

Características principales de las tuneladoras

Las tuneladoras tipo Doble Escudo utilizadas en este proyecto tienen las siguientes características:

  • Diámetro de excavación: 6,985 m
  • Peso de la tuneladora: 950 toneladas
  • Longitud de la tuneladora y back-up: 120 m
  • Parámetros principales:
    • Velocidad de la rueda de corte: 3-8 rpm
    • Velocidad de avance: 24- 140 mm/min
    • Velocidad de avance proyectada: 100 mm/min

Se utilizan vehículos rodados sobre neumáticos para suministrar dovelas, materiales (cortadores, grasa, aceite, espumas, tuberías, elementos de las cintas, equipos eléctricos y otros consumibles) y personal a las máquinas tuneladoras. Los vehículos sobre neumáticos empleados para la producción son capaces de transportar 2 anillos de dovelas por viaje. Adicionalmente se han empleado vehículos mixtos o multi-servicio dedicados a principalmente a labores de mantenimiento y apoyo a la producción.

La rueda de corte está diseñada para excavar en roca contando con 27 cortadores de disco de 19’’, 5 cortadores dobles de 19’’, 3 cortadores de gálibo y 96 rastreles en las aberturas. El material excavado entra por dichas aberturas y se transporta mediante cintas transportadoras a lo largo del back-up hasta descargar en la cinta que lo lleva a lo largo de todo el túnel hasta la boca. En los puntos de transferencia entre las cintas de la tuneladora se instalan un sistema de ventilación para disipar polvo provocado por la transferencia del material.

Durante la excavación se inyecta espuma a través de la rueda de corte. Esta espuma está específicamente diseñada para tuneladoras de roca con el fin de reducir el desgaste por abrasividad del material excavado y el polvo generado. La rueda de corte está equipada con varios puertos para inyección de agua y espuma.

Ejecución de túneles

En primer lugar se montaron dos tuneladoras (1 y 2) en la estación de Bella Vista para excavar entre Bella Vista a Showground que comenzaron a excavar con un desfase de 1,5 meses entre ellas. Una vez que llegaron a la Estación de Showground se libera el tramo anterior moviendo las instalaciones a esta estación y continuando la excavación hasta Cherrybrook.

En la estación de Bella Vista se encuentra localizada la fábrica de dovelas que suministra a toda la obra y que cuenta con una fábrica de hormigón, 2 carruseles y zonas de acopio interiores y exteriores.

Las instalaciones de Bella Vista están específicamente diseñadas para mantener un nivel de ruido bajo, requisito obligado, y para ello se cuenta con recintos aislados acústicamente tanto en el acopio de dovelas como en el de escombro, de manera que se trabaja en ellos durante el turno de noche. Adicionalmente existe una circulación mínima de vehículos por la noche fuera de las zonas protegidas o aisladas.

Se trabaja en la excavación del túnel de lunes a viernes durante 24 horas al día.

Por otro lado, se montaron dos tuneladoras (3 y 4) en la estación de Cherrybrook habiendo realizado la excavación desde ésta hasta el pozo de instalaciones de Epping.

El paso de las estaciones de Norwest, Showground, Castle Hill y Cheltenham se realizaron en vacío con un sistema de carriles evitando tanto la construcción de una cuna de hormigón como la colocación de dovelas de solera en el paso. En los pasos de estaciones se aprovecha adicionalmente para para realizar labores de inspección y mantenimiento de las máquinas tuneladoras, ya que el mejor acceso a la misma facilita todo este tipo de operaciones.

Revestimiento de dovelas

El revestimiento está formado por anillos de 6 dovelas prefabricadas de hormigón armado. Las dimensiones de las dovelas son las siguientes:

  • Diámetro interior útil: 6,17 m
  • Diámetro exterior del anillo de dovelas: 6,69 m
  • Espesor del anillo de dovelas: 260 mm
  • Longitud del anillo de dovelas: 1,7 m

Estas dovelas se transportan al interior del túnel mediante vehículos rodados sobre neumáticos, desde los cuales se colocan en un sistema de descarga rápida, donde se almacenan temporalmente hasta que se requieren para el montaje del anillo.

El sistema de descarga rápida es un almacenamiento temporal que permite descargar las dovelas con premura hasta que la grúa de dovelas de la tuneladora esté lista para transportarlas a la zona del alimentador. Los soportes del sistema de descarga rápida están situados a la misma distancia que los soportes de las dovelas en el vehículo rodado sobre neumáticos, de tal manera que cuando el vehículo llega a su posición dichos soportes se colocan manualmente por debajo de cada paquete de dovelas sin mover el vehículo. Una vez que estos soportes están colocados, las dovelas se alzan unos centímetros con el sistema de cilindros de descarga liberando al vehículo de las dovelas. La cabina delantera de los vehículos se pliega mediante articulaciones permitiendo que los vehículos salgan marcha atrás a través de los carros del back-up de la TBM, dejando los paquetes de dovelas en las soportes del back up. Las dovelas permanecen fijas en esta posición hasta que todas las dovelas se hayan desplazado hasta el alimentador con la astronave. El alimentador va desplazando las dovelas hasta el rango de alcance del erector, que las coloca una a una como viene siendo habitual en las tuneladoras de este tipo.

La selección de la orientación del anillo se fija mediante un software de selección de anillo disponible en el área de instalación del mismo. Este software usa información clave como es la posición espacial de cada escudo de la tuneladora, incluyendo las tolerancias del escudo de cola y limitaciones constructivas (por ejemplo, la posición de la dovela de clave o el giro relativo entre anillos de cara a que los insertos embebidos que deben estar alineados en situación definitiva se coloquen dentro del rango de tolerancias admisibles) siempre con el objetivo de montar el anillo en la orientación más adecuada para ejecutar el túnel por el trazado deseado.

El anillo diseñado para este proyecto se puede configurar en 18 posiciones diferentes, ya que cuenta con 18 conectores espaciados longitudes equidistantes a lo largo de las juntas circunferenciales de cada anillo.

Caverna de Castle Hill

La caverna del crossover de Castle Hill tiene unas dimensiones de 22,7 m de ancho, 14,5 m de alto y 114 m de longitud para la caverna principal y 22,7 m de ancho, 18 m de alto y 25 m de longitud en la zona de ensanche. Existe una transición de 19,5 m entre una y otra, por lo que la longitud total de la caverna es de 159 m. Se excava en distintas clases de la formación Margas de Ashfield y también en la formación Mittagong, por lo que se definen 3 tipos de sostenimiento dependiendo de las condiciones geológicas. La excavación de la cavernas se ha llevado a cabo mediante rozadoras de 300 kw de potencia de corte y excavadoras, utilizando camiones para las labores de desescombro.

Las fases de excavación se dividen en dos fases de avance (avance 1 de 53,5 m2 y avance 2 de 89,3 m2) , destroza (20 m2) y solera (79 m2).

Figura 4. Fases de excavación y sostenimiento de Castle Hill

La excavación y sostenimiento del avance se comienza excavando una sección parcial (Avance 1) y después a 30 m de distancia se excava el ensanche del avance (Avance 2) para conseguir la sección completa, de tal manera que la rozadora pueda trabajar simultáneamente en ambos frentes de excavación evitando paradas de la misma. La excavación de la destroza se realiza en 4 niveles de 1,5 m de altura cada una.

Se ha diseñado una pata de elefante en la fase de avance para transmitir las cargas al terreno. Para asegurar dicha transmisión de cargas se han ejecutado micropilotes de 275 mm de diámetro cada 1,5 m en la base de las patas de elefante, asegurando de este modo que la excavación de la destroza no pone en peligro la estabilidad de la caverna.

La maquinaria utilizada para la excavación y sostenimiento ha sido una rozadora Mitsui S300, un jumbo perforador de 2 brazos con cesta, una máquina giratoria de 3,5 t, una excavadora de 30 t, un robot proyector Meyco con un brazo y un robot proyector Jacon.

El ciclo de excavación y sostenimiento de la primera fase de avance consiste en los siguientes pasos:

  • Corte del perfil de excavación mediante una rozadora Mitsui S300 (Avance 1,5-2 m) y desescombro con camiones
  • Finalizar la excavación y saneo con excavadora
  • Se proyecta una capa de hormigón reforzado con fibras de acero de 75 mm de espesor en todo el perímetro y en el frente de excavación
  • Se colocan los bulones de sostenimiento
  • Se coloca doble malla electrosoldada y una capa de hormigón proyectado de 100 mm en el pase excavado y en los pases anteriores. Esta capa de 100mm se coloca de manera continua en retirada hasta completar el espesor final requerido. El espesor total es de 375 m para el sostenimiento tipo 1 y 2 y 500 para sostenimiento tipo 3.
  • Se ejecutan micropilotes reforzados en los pies de la pata de elefante. Estos micropilotes tiene 275 mm de diámetro y 3,5 m de longitud con un ángulo de 25º

El ciclo de excavación y sostenimiento en la segunda fase de avance consiste en los siguientes pasos:

  • Excavación del avance con una longitud de pase de 1,5-2 m
  • Proyección de primera capa de hormigón reforzado con fibras en el perímetro y frente y continuar colocando las capas consecutivas en la zona donde se va colocando la malla electrosoldada
  • Retirada del hormigón proyectado del muro de separación entre avances utilizando una excavadora con martillo hidráulico
  • Perfilado del tabique temporal mediante rozadora
  • Colocación de bulones de fibra de vidrio en el frente de excavación
  • Ejecución de micropilotes reforzados en la base de la pata de elefante
  • Instalación de malla electrosoldada en avances de 1,5 – 2m al mismo tiempo que la ejecución de los micropilotes y proyección de hormigón hasta que se alcanza el espesor deseado según el tipo de sostenimiento.

El avance 1 consigue un rendimiento diario de 1,5- 3 m/día y una vez que ambos avances se excavan simultáneamente 2 m/día/frente. La caverna se ha ejecutado en un plazo de 7 meses (Septiembre de 2014 a Marzo de 2015) trabajando 24 horas y 5 días por semana, y el último mes se trabajó 7 días a la semana para acelerar la ejecución, ya que las cavernas tenían que estar excavadas y revestidas antes de la llegada de las TBMs. El volumen de excavación fue de 32.650 m3 con una sección de excavación de 241,8 m3.

Construcción de galerías de conexión

Existen un total de 59 galerías de conexión que se construyen entre la estación de Bella Vista y Epping Service Facility, con una distancia entre ellas de 220 m aproximadamente. La idea de ejecutar estas galerías simultáneamente a la ejecución del túnel principal con tuneladora requiere la utilización de plataformas móviles para proveer de un ancho mayor que el disponible para dos fines, el acceso a las galerías y el paso de los vehículos rodados que suministran a la máquina tuneladora.

Se utilizan dos tipos de plataformas, plataformas de trabajo para las galerías de conexión y plataformas de cruce para los vehículos rodados.

Las plataformas de cruce tienen 57,8 m de longitud y se utilizan para el cruce de vehículos rodados en el interior del túnel.

Las plataformas de trabajo proveen una zona de trabajo para los distintos equipos de ejecución de las galerías de conexión. La longitud de estas plataformas están entre 48,8 y 66,8 m en función del tipo de trabajo a realizar. La zona de trabajo de estas plataformas sirven para acopiar materiales, aparcar maquinaria y colocar equipos para distintas actividades: dos plataformas son para la excavación y sostenimiento, una plataformas para ejecutar el revestimiento de la solera y otra plataformas para el revestimiento de la bóveda.

Estas plataformas están provistas de ruedas y se mueven remolcadas por los vehículos rodados.

Esta solución mejora considerablemente el camino crítico del programa ya que al ejecutarse al mismo tiempo las galerías de conexión que el túnel principal se produce un impacto mucho menor en el plazo global de la obra.

Rendimientos y plazos

El plazo del proyecto es de 44 meses habiendo comenzado en Junio de 2013.

Los tramos de túneles han tenido por el momento los siguientes rendimientos y plazos:

  • Tuneladora 1 (Bella Vista a Cherrybrook). A día de hoy, 28 de Octubre de 2015, se han excavado 7.785 m de túnel en aproximadamente 14 meses obteniendo un rendimiento medio de 586 m/mes y 27,92 m/día. Se ha conseguido un excelente rendimiento máximo diario de 91 m.
  • Tuneladora 2 (Bella Vista a Cherrybrook). A día de hoy, 28 de Octubre de 2015, se han excavado 6.929 m de túnel en aproximadamente 12 meses obteniendo un rendimiento medio de 615 m/mes y 29,29 m/día.
  • Tuneladora 3 (Cherrybrook a Epping): Esta tuneladora ha terminado la totalidad de excavación de los 5.675 m de túnel en aproximadamente 12 meses obteniendo un rendimiento medio de 562 m/mes y 26,77 m/día. El rendimiento diario máximo ha sido de 80 m.
  • Tuneladora 4 (Cherrybrook a Epping): Esta tuneladora ha terminado la totalidad de excavación de los 5.675 m de túnel en aproximadamente 9,5 meses obteniendo un rendimiento medio de 600 m/mes y 28,59 m/día. El rendimiento diario máximo ha sido de 66 m.

Conclusiones

Este contrato internacional de gran envergadura de túneles ferroviarios ha supuesto un gran reto empresarial. El trabajo de una empresa española en las antípodas está siendo muy enriquecedor a todos los niveles y sienta las bases para un futuro prometedor de obras subterráneas en Oceanía. De esta experiencia nos quedamos con todas las enseñanzas adquiridas y al mismo tiempo tenemos la sensación de haber contribuido con nuestra aportación a hacer este proyecto mucho más innovador, moderno y eficiente.

El trabajo de un excelente equipo humano de diseñadores y contratistas que ha trabajado codo con codo desde la fase de licitación seguramente ha ayudado en gran medida en el éxito de este contrato para cumplir con los requisitos del Cliente y en muchas ocasiones superar las expectativas de todas las partes.

Siempre con la vista puesta en el futuro consideramos que este es el camino a seguir en otras obras subterráneas internacionales intentando diferenciarnos por la calidad, innovación y seguridad junto con una comunicación fluida con nuestros clientes y una colaboración estrecha con las empresas de ingeniería siempre desde las fases preliminares y a lo largo de toda la duración de los contratos.

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