ESTACIÓN TRINCHERA vs CAVERNA y TÚNEL INTERESTACIÓN NATM vs TBM – METRO DE LIMA

Convocatoria del MTC para el contrato por la PMO de las líneas 3 y 4 del Metro de Lima, bajo el acuerdo G2G

El 25-11-2024, el Ministerio de Transportes y Comunicaciones (MTC) convocó a los representantes de 28 embajadas en Lima (Ref.1), para la presentación de las líneas 3 y 4 de la RBML (Red Básica del Metro de Lima, trazos propuestos en el 2013), y su lanzamiento para el concurso por los contratos PMO (Oficina de Gestión de Proyectos por su acrónimo en inglés) para estas líneas de Metro, bajo el acuerdo Gobierno a Gobierno (G2G).

En esta presentación, se dio las siguientes especificaciones, como punto de partida:

• Para la L3 se dijo que tendría 34.8 Km de longitud con 28 Estaciones, de las que 20 serían construidos como Caverna, 7 como Trinchera C&C (cut and cover), y 1 sería mixta como Caverna y Trinchera. También se dijo que para los túneles interestaciones, 24.8 Km serían construidos por el método NATM (Nuevo Método Austriaco de Tunelería) y 9.2 Km serían construidos por el método TBM (Método de Tuneladora). Se dijo que habría 44 pozos, generalmente situados intermedios entre estaciones; 2 Patios Taller y 66 trenes de 8 coches de 144 m de largo. Sin embargo, de acuerdo a la Ref.2, para la L3, 27 de las 28 Estaciones serían construidos como Trinchera C&C, y la mayoría de la longitud del túnel sería construido con el método TBM.
• Para la L4 se dijo que tendría 23.6 Km y 20 Estaciones, además de los 8 Km y 8 Estaciones a cargo de la Concesionaria actual de la “L2 y el Ramal de la L4 en la Av. Faucett”. Se dijo también, que habría adicionalmente 24 pozos y otro Patio Taller. También se dijo que habría 44 trenes de 7 coches. De acuerdo a la Ref.3, 16 de las 20 Estaciones serían tipo Caverna y las otras 4, tipo Trinchera C&C; y la mayoría de la longitud del túnel sería construido con el método NATM.
• Se comentó que se quiere generar desarrollos inmobiliarios encima de las estaciones.

Cabe mencionar que el Estudio de Preinversión para la L4 (Ref.3) está basada en la experiencia del Metro de Santiago (Ref.4), pues considera que el suelo de Santiago es similar al suelo de Lima; lo cual no es necesariamente cierto, según se explica más adelante.

Por los cambios hechos por el MTC para la L3, respecto a lo especificado en el Estudio de Preinversión para la L3 (Ref.2), pareciera que estuviera basado en las conclusiones del Estudio de la Ref.3; es decir que la mayoría de las Estaciones se construya como Caverna, y la mayoría de los túneles interestaciones se construyera con el método NATM. Pareciera que estas decisiones han sido tomas sin suficiente análisis, por lo que podrían estar erradas, según se explica en este Artículo.

Las Heterogéneas Propiedades Mecánicas del Suelo de Lima y la Comparación con el Conglomerado de Santiago

Estudios de Preinversión a nivel de Factibilidad de las L3 y L4

La mayor parte de los trazos de las líneas L3 y L4, estarían dentro del Conglomerado de Lima. Según el Estudio para la L3 (Ref.2), los principales datos usados para la determinación de las propiedades mecánicas del Conglomerado de Lima, fueron obtenido de los siguientes ensayos:

• Ensayos de densidad in-situ, según ASTMD-5030 principalmente, y también, según ASTMD-1556, obteniendo resultados muy variables.
• Ensayos SPT y ensayos Presiométricos, obteniendo resultados muy variables para los ensayos Presiométricos, y rechazo en casi todos los ensayos SPT.
• Análisis granulométricos, según los cuales, en promedio, hubo 23% de bolonería (>65mm), 57% de gravas (>4.75mm), 18% de arenas y 2% de finos (<0.065mm).
• Ensayos MASW1D, con resultados muy variables para cada profundidad. Al respecto, es obvio que la tendencia sea creciente con la profundidad.
• 8 ensayos de corte directo y 4 ensayos de compresión triaxial, en laboratorio; sin embargo, no se específica el diámetro de las probetas remoldeadas.
• Se recolectaron 12 ensayos de corte directo in-situ en caja grande (60 a 70cm, cada lado), de otras fuentes, obteniéndose resultados muy variables, atribuyéndose según el Estudio de la Ref.2, a la dilatancia, la variabilidad de la matriz, a posible cementación y a la sobreconsolidación.

• Según el Estudio para la L4 (Ref.3), los principales datos usados para la determinación de las propiedades mecánicas del Conglomerado de Lima, fueron obtenidos de los siguientes ensayos:
• Ensayos de densidad in-situ, según ASTMD-2167 (sustitución de agua), con valores variables, pero mayormente entre 2.10 y 2.45 ton/m3.
• Ensayos SPT y ensayos Presiométricos, obteniendo resultados muy variables para los ensayos Presiométricos, y rechazo en casi todos los ensayos SPT.
• Ensayos de carga sobre placa. No dice el tamaño de la placa, pero aparentemente es de 30cm. Los resultados son muy dispersos.
• Apenas 4 Ensayos MASW1D, con resultados muy variables para cada profundidad. Al respecto, es obvio que la tendencia sea creciente con la profundidad.
• Análisis granulométricos, según los cuales, en promedio, hubo 37% de bolonería, 40% de gravas, 20% de arenas y 3% de finos.
• Se recolectaron 21 ensayos de corte directo in-situ en caja grande (60 a 70cm, cada lado), 8 del Estudio de la L2, y 13 de otras fuentes, obteniéndose resultados muy variables. En la Figura 1 se pueden ver estos resultados.
• Se realizaron 3 ensayos de corte directo en muestras remoldeadas de grandes dimensiones (60cm cada lado), en el laboratorio del CISMID-UNI, con partículas menores a 4”. Por esta razón es que las densidades conseguidas en el laboratorio (2.15 ton/m3) son menores que las obtenidas in-situ; pues in-situ, más del 20% de las partículas son mayores que 4”.
• En este Estudio se han ejecutado pocos ensayos in-situ, presentándose más bien, los ensayos provenientes de los Estudios de la L2 y L3, a pesar que son trazos diferentes.

Se tiene varias observaciones a los procedimientos seguidos para la determinación de las propiedades mecánicas del Conglomerado de Lima, en los 2 Estudios de Preinversión (Refs. 2 y 3), que se explican en el Informe de la Ref. 5, pero que, en resumen, se podría decir:

Conclusiones

• El Ensayo SPT no es aplicable, a tal punto que no es aceptado para gravas según la Norma E.050 para Estudio de Suelos; pues entonces sería menos aplicable aún para el Conglomerado de Lima.
• La principal razón por la que se presentan resultados tan variables para los Ensayos Presiométricos, de Carga sobre Placa y de Corte Directo in-situ en caja grande, es que no se está teniendo en cuenta el tamaño máximo de la partícula (Dmax) situada en el plano de falla, respecto al tamaño de la probeta (Dp); o el tamaño máximo de la partícula, respecto del volumen de suelo sometido a presiones externas. Esta relación Dmax/Dp debiera ser menor que 1/10, según se explica en la Ref.5; pero no ocurre así para la granulometría del Conglomerado, presentando relaciones diferentes y mayores a 1/10, y, en consecuencia, resultados de resistencia al corte muy variables y probablemente por encima de lo real, tanto mayor cuanto más grande sean las partículas que al azar, se presentaron en el plano de falla. Otra razón es que el Conglomerado de Lima realmente es mecánicamente heterogéneo.
• La anisotropía también tendría efecto sobre la resistencia al corte obtenido, pues si bien las partículas tienen una esfericidad alta, es normal que la dimensión más larga esté dispuesta horizontalmente en el deposito natural; mientras que en los ensayos de corte directo en caja grande sobre las muestras remoldeadas en laboratorio (Ref.3), las partículas estaban dispuestas en forma aleatoria, razón por la que los ángulos de fricción fueron algo mayores que en los ensayos de corte directo in-situ en caja grande.
• Evidentemente los ensayos de corte directo y de compresión triaxial sobre probetas con los tamaños típicos de laboratorio realizados en el Informe de la Ref.2, no tienen ninguna aplicabilidad para el Conglomerado de Lima.
• La determinación de las densidades in-situ con los métodos ASTMD-2167 y ASTMD-1556 no son aplicables cuando hay cantidades apreciables de particular mayores a 37.5mm, que es precisamente el caso del Conglomerado de Lima. En cambio, el método ASTMD-5030 si podría ser aplicable, pues el diámetro de la apertura del agujero es de 91.5cm. Al respecto, el Estudio de la Ref.2 si usó mayoritariamente, el método ASTMD-5030; mientras que el Estudio de la Ref.3 no lo usó, por lo que sus resultados de densidad podrían no ser reales.
• Ninguno de los 2 Estudios aprovechó las asociaciones que se pueden obtener entre las Velocidades de Ondas de Corte Normalizadas (“V’s” posible de obtener con los ensayos MASW) con la resistencia al corte, según se explica en la Ref.5. Además, la obtención de V’s, permite sectorizar el Conglomerado de Lima, según su resistencia al corte.
• En el Estudio de la Ref.2 se asumieron que los módulos deformacionales son constantes con la profundidad, lo que no es correcto, pues estos dependen de las presiones de confinamiento en un suelo granular como el Conglomerado de Lima.

Por tanto, se puede concluir lo siguiente para el Conglomerado de Lima:

• El Conglomerado es mecánicamente heterogéneo, tal cual se observa en la Fig.1; sin embargo, esta heterogeneidad sería menor si se analiza a una escala mayor que las consideradas en los Estudios de las Refs. 2 y 3. Para ello es conveniente recurrir a los ensayos MASW con el fin de sectorizar el Conglomerado, según las Velocidades de Ondas de Corte Normalizadas (Ref.5).
• Las propiedades mecánicas del Conglomerado requieren determinarse con cajas grandes para los ensayos de corte directo, y con cámaras grandes (como la mostrada en la Fig.2) para los ensayos de compresión triaxial; asegurándose que el tamaño máximo de partícula no altere los reales valores de resistencia a obtenerse. Más detalles se explican en el Informe de la Ref.5.
• Es conveniente buscar correlaciones de las Velocidades de Ondas de Corte Normalizadas, con las densidades y la granulometría, y de estas, con las propiedades de resistencia al corte obtenidas en los ensayos con probetas grandes (Ref.5). Para ello son más convenientes los ensayos en laboratorio, para poder controlar las variables, ensayos en los que también podría estudiarse la anisotropía ocasionada para la disposición de la bolonería en el terreno. El problema con los ensayos de corte directo in-situ en caja grande, es que para que los tamaños de las partículas no afecten los resultados de la resistencia al corte obtenidos, entonces podría requerirse cajas de más 1m y quizás hasta 2.5m, lo que incrementaría demasiado el costo de estos ensayos in-situ.

• El modelo mecánico del Conglomerado de Lima se podría asimilar al mostrado en la Fig.3, en donde la diferencia entre la resistencia al corte pico y la residual, es mayor para presiones de confinamiento bajas y suelos muy densos. La relación esfuerzo-deformación antes de alcanzarse la resistencia pico, se puede asimilar al modelo hiperbólico, y el modelo de plasticidad sería de endurecimiento por deformación (strain-hardening). Después de la resistencia pico, y en dirección hacia la resistencia residual, el modelo de plasticidad sería de ablandamiento por deformación (strain-softening).

• El modelo hiperbólico con strain-hardening está disponible en los softwares FLAC3D (para análisis por diferencias finitas) y PLAXIS-3D (para análisis por elementos finitos); sin embargo, la trayectoria de strain-softening está muy simplificado en el PLAXIS-3D, y es susceptible a inestabilidades numéricas.
• La etapa más crítica en el diseño de los túneles, es durante la construcción. La modelación y análisis de los bordes y zonas cercanas se torna más difícil en el Conglomerado denso de Lima, pues la trayectoria de esfuerzos podría estar dentro de la zona de strain-softening. Por tanto, es imprescindible un monitoreo estricto (utilizando extensómetros, celdas de presión del suelo y celdas de presión del hormigón, inclinometros, etc.) durante la construcción, para definir si se requiere reajustar los diseños durante la construcción. También, antes de la excavación de una sección, se requiere reforzar la zona de la corona con un paraguas de micropilotes (Fig.4) o jet-grouting.

• En tanto no se disponga de los módulos deformacionales obtenidos con los ensayos de compresión triaxial en cámara grande (Fig.2), se puede usar los valores mostrados en la Fig.5 propuestos en el Estudio de la Ref.3. Para obtener la ley que gobierna esta variación se ha adoptado el modelo hiperbólico de Darendeli (2001), modificado por Menq (2003) y según las aportaciones de Feng (2012).

• Según la Tabla 1 y las Refs. 2, 3 y 4, las propiedades mecánicas del Conglomerado de Santiago son mejores que las del Conglomerado de Lima, así es que, no es correcto que se puedan usar los mismos diseños de las Estaciones en Caverna del Metro de Santiago, tal como dice los Informes de las Refs. 3 y 4.
• Las Heterogéneas Propiedades Mecánicas del Suelo de Lima y la Comparación con el Conglomerado de Santiago
• Estudios de Preinversión a nivel de Factibilidad de las L3 y L4
• La mayor parte de los trazos de las líneas L3 y L4, estarían dentro del Conglomerado de Lima. Según el Estudio para la L3 (Ref.2), los principales datos usados para la determinación de las propiedades mecánicas del Conglomerado de Lima, fueron obtenido de los siguientes ensayos:
• Ensayos de densidad in-situ, según ASTMD-5030 principalmente, y también, según ASTMD-1556, obteniendo resultados muy variables.
• Ensayos SPT y ensayos Presiométricos, obteniendo resultados muy variables para los ensayos Presiométricos, y rechazo en casi todos los ensayos SPT.
• Análisis granulométricos, según los cuales, en promedio, hubo 23% de bolonería (>65mm), 57% de gravas (>4.75mm), 18% de arenas y 2% de finos (<0.065mm).
• Ensayos MASW1D, con resultados muy variables para cada profundidad. Al respecto, es obvio que la tendencia sea creciente con la profundidad.
• 8 ensayos de corte directo y 4 ensayos de compresión triaxial, en laboratorio; sin embargo, no se específica el diámetro de las probetas remoldeadas.
• Se recolectaron 12 ensayos de corte directo in-situ en caja grande (60 a 70cm, cada lado), de otras fuentes, obteniéndose resultados muy variables, atribuyéndose según el Estudio de la Ref.2, a la dilatancia, la variabilidad de la matriz, a posible cementación y a la sobreconsolidación.
• Según el Estudio para la L4 (Ref.3), los principales datos usados para la determinación de las propiedades mecánicas del Conglomerado de Lima, fueron obtenidos de los siguientes ensayos:
• Ensayos de densidad in-situ, según ASTMD-2167 (sustitución de agua), con valores variables, pero mayormente entre 2.10 y 2.45 ton/m3.
• Ensayos SPT y ensayos Presiométricos, obteniendo resultados muy variables para los ensayos Presiométricos, y rechazo en casi todos los ensayos SPT.
• Ensayos de carga sobre placa. No dice el tamaño de la placa, pero aparentemente es de 30cm. Los resultados son muy dispersos.
• Apenas 4 Ensayos MASW1D, con resultados muy variables para cada profundidad. Al respecto, es obvio que la tendencia sea creciente con la profundidad.
• Análisis granulométricos, según los cuales, en promedio, hubo 37% de bolonería, 40% de gravas, 20% de arenas y 3% de finos.
• Se recolectaron 21 ensayos de corte directo in-situ en caja grande (60 a 70cm, cada lado), 8 del Estudio de la L2, y 13 de otras fuentes, obteniéndose resultados muy variables. En la Figura 1 se pueden ver estos resultados.
• Se realizaron 3 ensayos de corte directo en muestras remoldeadas de grandes dimensiones (60cm cada lado), en el laboratorio del CISMID-UNI, con partículas menores a 4”. Por esta razón es que las densidades conseguidas en el laboratorio (2.15 ton/m3) son menores que las obtenidas in-situ; pues in-situ, más del 20% de las partículas son mayores que 4”.
• En este Estudio se han ejecutado pocos ensayos in-situ, presentándose más bien, los ensayos provenientes de los Estudios de la L2 y L3, a pesar que son trazos diferentes.
• Se tiene varias observaciones a los procedimientos seguidos para la determinación de las propiedades mecánicas del Conglomerado de Lima, en los 2 Estudios de Preinversión (Refs. 2 y 3), que se explican en el Informe de la Ref. 5, pero que, en resumen, se podría decir:
• El Ensayo SPT no es aplicable, a tal punto que no es aceptado para gravas según la Norma E.050 para Estudio de Suelos; pues entonces sería menos aplicable aún para el Conglomerado de Lima.
• La principal razón por la que se presentan resultados tan variables para los Ensayos Presiométricos, de Carga sobre Placa y de Corte Directo in-situ en caja grande, es que no se está teniendo en cuenta el tamaño máximo de la partícula (Dmax) situada en el plano de falla, respecto al tamaño de la probeta (Dp); o el tamaño máximo de la partícula, respecto del volumen de suelo sometido a presiones externas. Esta relación Dmax/Dp debiera ser menor que 1/10, según se explica en la Ref.5; pero no ocurre así para la granulometría del Conglomerado, presentando relaciones diferentes y mayores a 1/10, y, en consecuencia, resultados de resistencia al corte muy variables y probablemente por encima de lo real, tanto mayor cuanto más grande sean las partículas que al azar, se presentaron en el plano de falla. Otra razón es que el Conglomerado de Lima realmente es mecánicamente heterogéneo.
• La anisotropía también tendría efecto sobre la resistencia al corte obtenido, pues si bien las partículas tienen una esfericidad alta, es normal que la dimensión más larga esté dispuesta horizontalmente en el deposito natural; mientras que en los ensayos de corte directo en caja grande sobre las muestras remoldeadas en laboratorio (Ref.3), las partículas estaban dispuestas en forma aleatoria, razón por la que los ángulos de fricción fueron algo mayores que en los ensayos de corte directo in-situ en caja grande.
• Evidentemente los ensayos de corte directo y de compresión triaxial sobre probetas con los tamaños típicos de laboratorio realizados en el Informe de la Ref.2, no tienen ninguna aplicabilidad para el Conglomerado de Lima.
• La determinación de las densidades in-situ con los métodos ASTMD-2167 y ASTMD-1556 no son aplicables cuando hay cantidades apreciables de particular mayores a 37.5mm, que es precisamente el caso del Conglomerado de Lima. En cambio, el método ASTMD-5030 si podría ser aplicable, pues el diámetro de la apertura del agujero es de 91.5cm. Al respecto, el Estudio de la Ref.2 si usó mayoritariamente, el método ASTMD-5030; mientras que el Estudio de la Ref.3 no lo usó, por lo que sus resultados de densidad podrían no ser reales.
• Ninguno de los 2 Estudios aprovechó las asociaciones que se pueden obtener entre las Velocidades de Ondas de Corte Normalizadas (“V’s” posible de obtener con los ensayos MASW) con la resistencia al corte, según se explica en la Ref.5. Además, la obtención de V’s, permite sectorizar el Conglomerado de Lima, según su resistencia al corte.
• En el Estudio de la Ref.2 se asumieron que los módulos deformacionales son constantes con la profundidad, lo que no es correcto, pues estos dependen de las presiones de confinamiento en un suelo granular como el Conglomerado de Lima.

Conclusiones

Por tanto, se puede concluir lo siguiente para el Conglomerado de Lima:

• El Conglomerado es mecánicamente heterogéneo, tal cual se observa en la Fig.1; sin embargo, esta heterogeneidad sería menor si se analiza a una escala mayor que las consideradas en los Estudios de las Refs. 2 y 3. Para ello es conveniente recurrir a los ensayos MASW con el fin de sectorizar el Conglomerado, según las Velocidades de Ondas de Corte Normalizadas (Ref.5).
• Las propiedades mecánicas del Conglomerado requieren determinarse con cajas grandes para los ensayos de corte directo, y con cámaras grandes (como la mostrada en la Fig.2) para los ensayos de compresión triaxial; asegurándose que el tamaño máximo de partícula no altere los reales valores de resistencia a obtenerse. Más detalles se explican en el Informe de la Ref.5.
• Es conveniente buscar correlaciones de las Velocidades de Ondas de Corte Normalizadas, con las densidades y la granulometría, y de estas, con las propiedades de resistencia al corte obtenidas en los ensayos con probetas grandes (Ref.5). Para ello son más convenientes los ensayos en laboratorio, para poder controlar las variables, ensayos en los que también podría estudiarse la anisotropía ocasionada para la disposición de la bolonería en el terreno. El problema con los ensayos de corte directo in-situ en caja grande, es que para que los tamaños de las partículas no afecten los resultados de la resistencia al corte obtenidos, entonces podría requerirse cajas de más 1m y quizás hasta 2.5m, lo que incrementaría demasiado el costo de estos ensayos in-situ.
• El modelo mecánico del Conglomerado de Lima se podría asimilar al mostrado en la Fig.3, en donde la diferencia entre la resistencia al corte pico y la residual, es mayor para presiones de confinamiento bajas y suelos muy densos. La relación esfuerzo-deformación antes de alcanzarse la resistencia pico, se puede asimilar al modelo hiperbólico, y el modelo de plasticidad sería de endurecimiento por deformación (strain-hardening). Después de la resistencia pico, y en dirección hacia la resistencia residual, el modelo de plasticidad sería de ablandamiento por deformación (strain-softening).
• El modelo hiperbólico con strain-hardening está disponible en los softwares FLAC3D (para análisis por diferencias finitas) y PLAXIS-3D (para análisis por elementos finitos); sin embargo, la trayectoria de strain-softening está muy simplificado en el PLAXIS-3D, y es susceptible a inestabilidades numéricas.
• La etapa más crítica en el diseño de los túneles, es durante la construcción. La modelación y análisis de los bordes y zonas cercanas se torna más difícil en el Conglomerado denso de Lima, pues la trayectoria de esfuerzos podría estar dentro de la zona de strain-softening. Por tanto, es imprescindible un monitoreo estricto (utilizando extensómetros, celdas de presión del suelo y celdas de presión del hormigón, inclinometros, etc.) durante la construcción, para definir si se requiere reajustar los diseños durante la construcción. También, antes de la excavación de una sección, se requiere reforzar la zona de la corona con un paraguas de micropilotes (Fig.4) o jet-grouting.
• En tanto no se disponga de los módulos deformacionales obtenidos con los ensayos de compresión triaxial en cámara grande (Fig.2), se puede usar los valores mostrados en la Fig.5 propuestos en el Estudio de la Ref.3. Para obtener la ley que gobierna esta variación se ha adoptado el modelo hiperbólico de Darendeli (2001), modificado por Menq (2003) y según las aportaciones de Feng (2012).
• Según la Tabla 1 y las Refs. 2, 3 y 4, las propiedades mecánicas del Conglomerado de Santiago son mejores que las del Conglomerado de Lima, así es que, no es correcto que se puedan usar los mismos diseños de las Estaciones en Caverna del Metro de Santiago, tal como dice los Informes de las Refs. 3 y 4.

Tabla 1: Comparación de la Resistencia al Corte de los Conglomerados de Lima y Santiago

Consecuencias de la Heterogeneidad del Conglomerado de Lima en el Diseño de las Estaciones

Diseño en Trinchera C&C

Los muros-pantalla de la Estación en Trinchera, se analiza como muro de contención flexible (Ref.6), con el software correspondiente de GEO5 para el análisis de estabilidad; y las deformaciones se pueden determinar con un método no-lineal elasto-plástico, incorporado también en GEO5. Es suficiente que estos análisis sean 2D. Se analiza la estabilidad para todas las etapas constructivas, para las propiedades de resistencia al corte máximo, mínimo y promedio, obtenido con los ensayos de corte directo in-situ en caja grande (60 a 70cm por lado) en el Conglomerado de Lima.

Los predimensionamientos obtenidos se muestra en la Figura 6, que corresponde a la etapa constructiva más crítica, que suele ser aquella con la máxima excavación, y antes de colocar la losa de fondo. Durante la construcción de los muros-pantalla, se debe monitorear los desplazamientos y deformaciones de estas estructuras y de las zonas vecinas, para verificar si se está cumpliendo lo previamente determinado en el análisis de deformaciones. De ocurrir desplazamientos y deformaciones mayores, se puede reforzar los muros-pantalla con anclajes, en las zonas intermedias entre los apoyos en las losas.

Diseño en Caverna

El análisis y diseño de una Estación en Caverna es más complejo, y requiere necesariamente el análisis 3D con modelos de diferencias finitas o elementos finitos, y con los modelos mecánicos del suelo, lo más reales posibles (Mohr-Coulomb, modelo elasto-plástico no-lineal). Mientras tanto, se hace un análisis de estabilidad, también con las propiedades de resistencia al corte máximo, mínimo y promedio, obtenido con los ensayos de corte directo in-situ en caja grande (60 a 70cm por lado) en el Conglomerado de Lima. Se usa el mecanismo de deslizamiento de Horn (Ref.7). Los resultados obtenidos se muestran en la Figura 7, que se interpretarían como los diámetros máximos que se pueden excavar a sección llena, a su vez, manteniendo estable el frente de trabajo. Esto quiere decir, por ejemplo, que, si la Estación en Caverna tuviera 20m de ancho, entonces es posible excavar a sección llena para la resistencia al corte mayor; pero para la resistencia al corte intermedio, se requeriría subdividir el proceso constructivo en 2 secciones (>20/12) como se muestra en la Figura 8 (Estación en el Metro de Santiago); mientras que, para la resistencia al corte menor, se requeriría subdividir el proceso constructivo en 8 secciones (>20/2.6), situación que podría ser tan engorrosa como la mostrada en la Figura 9 (Estación Puerta del Sol, en Madrid).

El Informe de la Ref.4 sugiere construir los Estaciones en caverna, mediante el método NATM, que está basado en un concepto, según el cual el terreno (roca o suelo) que circunda una excavación subterránea se convierte en una componente estructural que soporta cargas mediante la activación de un cuerpo anular de terreno soportante, cuya estabilidad se comprueba con la medida de las convergencias de la cavidad, es decir, asume un comportamiento 2D, que podría ser aceptable para macizos rocosos, más no en suelos. Por ello es que quizás ha habido varios colapsos como en el 2005, en la construcción de la L5 del Metro de Barcelona; o como en la construcción de la L4 del Metro de Madrid en suelos SC-SP; o como el colapso en el Metro de Múnich en 1994, etc. Para el caso de suelos, es necesario determinar el efecto 3D en las deformaciones; para ello, se busca y comprueba la conexión entre la deformación del núcleo-frente (extrusión y preconvergencia) y de cavidad (convergencia) según se explica en la Figura 10.

En el control por delante del frente, la intervención puede ser protectora (coberturas de terreno mejorado con micropilotes o jet-grouting sub-horizontal, shotcrete reforzado con fibras o concreto por precorte), o intervención reforzante directamente sobre el núcleo de avance (con elementos estructurales de fibra de vidrio para facilitar su posterior demolición).

Conclusiones

• Hay mayor predictibilidad en el tiempo y costo para la construcción de las Estaciones en Trinchera C&C que, para las Estaciones en Caverna, debido a que ya hay numerosas estaciones construidas de esa forma para la L2 del Metro, mientras que para las estaciones en caverna no hay experiencia en el Conglomerado de Lima. Incluso, el diseño de las Estaciones en Trinchera C&C se puede optimizar, cuando se conozca mejor las propiedades mecánicas del Conglomerado de Lima, de acuerdo a los procedimientos recomendados en la Ref.5.
• Es arriesgado pretender asimilar los diseños de las estaciones en Caverna del Metro de Santiago, al Metro de Lima (como se hace en las Refs. 3 y 4), pues las propiedades mecánicas no son las mismas, siendo el suelo de Santiago de mayor resistencia; mientras que el suelo de Lima, presenta mucha heterogeneidad mecánica, y aún no ha sido correctamente determinada.
• Si el monitoreo de los esfuerzos y deformaciones durante la construcción de las estaciones, demuestra que las condiciones del subsuelo son menos favorables que lo que se consideró en el diseño, pues en ese caso, es menos complicado ejecutar las correcciones del caso para las Estaciones en Trinchera C&C que en las Estaciones en Caverna.

Procedimientos de Construcción de las Estaciones tipo Caverna

Según la experiencia en el Metro de Santiago, el procedimiento sería (Ref.9):

Fase 1 – Excavación del Pique

La primera fase en la construcción de la Estación tipo Caverna, es la ejecución del Pique, una perforación circular con un diámetro del orden de 20 metros, desde la superficie y que alcanza una profundidad del orden de 20 a 25 metros, y hasta más. Esta estructura lleva mallas electro-soldadas para el refuerzo.

Fase 2 – Excavación del Túnel de Conexión

Cuando el Pique llega a la profundidad determinada, empieza la segunda etapa en la construcción de la Estación tipo Caverna. La excavación de la galería de conexión (del orden de 147m2) se realiza con una variante del NATM, el procedimiento se llama Side-drift (Figura 11). El avance en paralelo de las 2 cámaras laterales, permite excavar de 3 a 4 metros diarios. Las dos cámaras laterales son secciones de aproximadamente 32 m2 lo cual dificulta el acceso de maquinaria para las tareas de excavación y/o acarreo de material.

Fase 3 – Excavación del Túnel de Estación

El método de excavación utilizado en esta fase es la variante Side-Drift del NATM. La programación y secuencia del avance es similar a la segunda fase. Una diferencia importante se produce al inicio de la excavación del Túnel de Estación (Figura 12). Antes de la excavación y las obras de micropilotaje, el procedimiento comienza con la construcción de un arco de concreto armado que se ubica al inicio de cada sección que comunica el Túnel de Conexión con el Túnel de Estación. La geometría de la estructura está definida por la intersección entre el Túnel de Conexión y el Túnel de Estación (Figura 13).

La sección del túnel de las estaciones en el Metro de Santiago, varia de 100m² hasta 180m², este último, en el caso de las estaciones multimodales. Los túneles de la segunda y tercera etapa en la construcción de una Estación tipo Caverna tienen diseños geométricos y procedimientos constructivos similares. Sin embargo, hay dos consideraciones adicionales en la ejecución de la tercera etapa o Túnel de Estación:

• La construcción del Túnel de Estación comprende una ejecución en 2 frentes de trabajo perpendiculares al Túnel de Conexión (segunda etapa).
• La excavación de la sección de contra-bóveda se realiza a un nivel más profundo con la finalidad de tratar el terreno y conformar superficies aptas para el tendido de rieles.

De acuerdo a la Ref.10:

Durante los primeros años de excavación de túneles, la velocidad media de avance de la excavación de túneles era inferior o máximo a 1,0 m por día. Hoy en día, la velocidad media de avance alcanza hasta 2,5 m por día. Los costos también han disminuido sustancialmente. Los costos iniciales de excavación de túneles por metro lineal estaban en el rango de U$15.000-20.000. Actualmente, estos costos se encuentran típicamente en el rango de U$7.000-8.000. Otro aspecto importante de la reducción de costos fue la optimización continua del programa de monitoreo, a medida que se disponía de un mayor conocimiento del comportamiento del suelo. Este esfuerzo permitió una reducción del costo inicial de U$1 millón/km a las cifras actuales, que son inferiores a U$250.000/km.

Conclusiones

• Debido a la heterogeneidad no acotada del Conglomerado de Lima, a la falta de los ensayos correctos para una racional interpretación de sus propiedades mecánicas, y a la falta de experiencia en la construcción de una Estación tipo Caverna, se desaconseja que el MTC pretenda imponer que la mayoría de las Estaciones para las líneas L3 y L4, sean de este tipo.
• Se recomienda mientras tanto, que se escoja un número mínimo de estaciones (quizás no más de 3), para que se construyan como caverna, a manera de Estaciones Caverna Piloto; de tal manera que se aseguren no estén en la ruta crítica para la implementación de las líneas de metro.
• La construcción de las Estaciones Caverna Piloto, tendrían que iniciarse lo más pronto posible, y debieran estar intensamente monitoreadas. Para su diseño, se recomienda que previamente se ejecute numerosos ensayos geofísicos MASW1D, que son económicos y rápidos; y que luego se proceda a determinar las propiedades mecánicas del Conglomerado de Lima, de manera conservadora, y siguiendo los procedimientos indicados en la Ref.5.
• Una vez terminadas de construir las Estaciones Caverna Piloto, y una vez que se ejecute la Investigación Geotécnica Especial descrita en la Ref.5, entonces se podrá acotar mucho mejor la predicción del costo y tiempo de construcción de otras Estaciones en Caverna; y, en consecuencia, se podrá tomar mejores decisiones sobre el tipo de Estación a implementarse en las futuras líneas del Metro de Lima, cuyos tramos estén dentro del Conglomerado.
• Las Estaciones tipo Caverna para el Metro de Lima, podría ser una solución económicamente aceptable y con un tiempo de construcción razonable; pero para ello, se tiene primero que ganar experiencia, como lo que ha ocurrido con el Metro de Santiago.
• Sin embargo, si ocurre que las Estaciones tipo Caverna resultan muy costosas y toman demasiado tiempo para construirse; entonces se podría buscar que el trazo de la línea de Metro vaya por otra ruta cercana, semiparalela, y con menos tráfico, para que la construcción de una Estación tipo Trinchera C&C no implique mucha alteración al tráfico.

Procedimientos de Construcción de las Estaciones tipo Trinchera C&C

Propuesta de Método de Construcción

Por lo general, las Estaciones tipo Trinchera cuestan menos y toman menos tiempo en construirse, que las Estaciones tipo Caverna; sin embargo, el problema es que la interrupción del tráfico en superficie es mayor. Para mitigar este problema, es necesario dar incentivos al constructor, cosa que parece no se hizo para la construcción de la L2 del Metro. Por tanto, se presenta a continuación una propuesta de procedimiento constructivo.

Para esta propuesta (Figura 14), se asume que el ancho de la avenida, entre veredas peatonales, es de 28m, que hay 3 carriles por sentido más una berma central. Al respecto, cabe mencionar que:

• En el trazo de la L4, a lo largo de la Av. Faucett, Av. La Marina, Av. Sanchez Carrión y Av. Javier Prado, el mínimo ancho entre veredas es de 28m.
• En cuanto al trazo de la L3, a lo largo de la Panamericana Norte el ancho es mucho mayor que 28m; a lo largo de la Av. Tacna y Garcilaso de la Vega el ancho es de 28m; en la Av. Arequipa es de solo 25m de ancho; y en la Av. Benavides es de solo 22m.

La propuesta de construcción mostrada en la Figura 14, se ha dividido esquemáticamente, en 10 etapas. De la etapa 2 a 6, hay 5 carriles habilitados, 2 por sentido, y otro adicional en la zona más cercana a la construcción, para los vehículos perteneciente a los residentes de la manzana y para los buses públicos. De la etapa 7 a 8, están ya habilitados los 6 carriles, pero la berma central permanece cerrada. De la etapa 7 a 9, se inicia la excavación desde dentro de la estación, y se evacua el desmonte por rampas longitudinales ubicadas a los extremos de la estación, y también permanece un hueco abierto en la losa superior de 3.6m de ancho. Se estima que la situación con 5 carriles habilitados podría durar 6 a 8 meses, y la situación con los 6 carriles habilitados, pero con la berma central cerrada, podría durar unos 4 a 6 meses, aproximadamente.

Conclusiones

• Las Estaciones tipo Trinchera C&C tiene las siguientes ventajas/desventajas, respecto a las Estaciones tipo Caverna:
• Es menos costoso y toma menos tiempo en construirse, que las estaciones tipo caverna.
• Afecta más la interrupción del tráfico vehicular, durante la construcción, que las estaciones tipo caverna. Sin embargo, esto se podría mitigar con la presencia de más frentes de trabajo para la construcción de muros-pantalla; y con la construcción de estaciones más angostas a lo proyectado, mediante la reubicación de las escaleras de acceso, en un lote vecino o en las veredas, y no, dentro de la estructura entre muros-pantalla.
• Es posible construirse más superficialmente y, por tanto, tiene más facilidad para el acceso peatonal, que la estación tipo caverna, que suelen requerir más profundad.
• Tiene la desventaja que deben reubicarse las líneas de servicios (agua, alcantarillado, luz, etc.); mientras que esto se minimiza en las estaciones tipo caverna. Este es un punto muy importante a ser evaluado por el equipo de la PMO.
• El 1er nivel subterráneo de las estaciones tipo Trinchera C & C podría usarse para pases viales inferiores (esto puede ser una ventaja en viales importantes), aparcamientos subterráneos, aparcamientos de bicicletas (que podría generar ingresos no operacionales), etc, lo que no es posible en las estaciones en caverna.

Túneles Interestaciones Construidos por los Métodos NATM y TBM

Método NATM

De acuerdo a la Ref.4:

• La Etapa 1A de la Línea 2 del Metro de Lima y Callao fue construido por el método NATM, en el 2016; habiéndose excavado en 10 meses un total de 4,2 km de túnel, avanzando desde 10 frentes ubicados en todos los pozos de ventilación intermedios (que en este caso son 6); lo que dio un rendimiento medio acumulado de excavación y sostenimiento de unos 420 m/mes para los 10 frentes juntos.
• Para el tramo 1-A de la L2, el rendimiento medio total del túnel acabado en cada frente (excavación + revestimiento primario + impermeabilización + revestimiento secundario) varía en función de las dificultades del mismo y la longitud de pase de avance finalmente considerado, habiendo estado comprendido entre 28 y 47 m/mes en los tramos de túnel ya finalizados completamente.
• Para la L2, el comportamiento del terreno durante la excavación y revestimiento de los túneles ha sido instrumentado y ha mostrado que los desplazamientos inducidos en el terreno han sido menores de lo esperado en todos los casos:
• Las convergencias horizontales en el túnel han estado en el rango del propio error de lectura variando entre + 1 mm.
• Los descensos de la clave han mostrado valores máximos de unos 5 mm.
• La subsidencia en la superficie no ha llegado en ningún caso a los 10 mm, valor de referencia para la determinación de daños a otras estructuras; siendo lo normal registrar valores de 3 a 4 mm en los tramos excavados en gravas.

Por lo tanto, en el Informe de la Ref.4, se propone para los futuros túneles interestaciones de la RBML, construir de la siguiente forma, para mejorar el rendimiento obtenido en el tramo 1-A de la L2:

1. Excavación del frente de avance del túnel a sección completa.
2. El sostenimiento estaría formado por concreto lanzado, marcos metálicos.
3. El concreto lanzado del revestimiento primario estaría reforzado con fibras de acero.
4. La Impermeabilización sería mediante una membrana de resinas proyectadas entre el revestimiento primario y secundario.
5. El revestimiento final se plantea con concreto lanzado. Esto es raramente usado para el revestimiento secundario, pero que es posible con la ayuda de robots. Los revestimientos primario y secundario trabajarán de forma conjunta y solidaria de cara al diseño del refuerzo del concreto frente a la carga estática del terreno a largo plazo y a la carga sísmica; para lo cual la impermeabilización mediante resinas proyectadas se considera necesaria dado que mejora la adherencia entre ambos revestimientos.

Según el Informe de la Ref.4, el procedimiento constructivo propuesto se usó en el metro de Santiago, obteniéndose un rendimiento de 100m/mes, por cada frente de trabajo.

Para la Tesis de la Ref.11, se obtuvo información sobre el método NATM de la misma empresa Metro (la PMO del Metro de Santiago), referente a valores y rendimiento de sus proyectos; y sobre la TBM, se obtuvo información de una empresa del rubro a través de presupuestos y caracterizaciones de su producto. La comparación se centró en los costos de inversión y de excavación de ambos métodos, llegando a obtener altos costos de inversión para la TBM, pero bajos de excavación; y nulos costos de inversión para la NATM (¿querrá decir bajos costos?) y altos costos de excavación. Por ello se concluye que la TBM presenta mayores beneficios económicos, pero es menos versátil que el método NATM. Por tanto, recomiendan para el Metro de Santiago, el uso de la TBM para tramos que posean entre 7 y 10 Km.

Método TBM

De acuerdo a la Ref.12, los rendimientos para el Conglomerado de Lima, fueron:

Rendimiento TBM grava – bolones – cantos rodados (Herrenknecht)

Para un frente de ataque, la TBM requiere un terreno de 8000 m2, pero si hay 2 TBMs trabajando en 2 frentes de ataque, con base en el mismo sitio, entonces se requiere del orden de 15000 m2. Cada campamento tiene un diseño único considerando que las áreas libres de estos son dispuestas de acuerdo a la ubicación de los pozos de ataque y el número de TBMs a ser montadas.

En 20 meses, la TBM podría avanzar 7000 m de túneles; mientras que, en 20 meses, un frente de trabajo con el método NATM, avanzaría optimistamente, 1400 m de túneles. Por tanto, la TBM requiere un frente de ataque, y por el método de construcción NATM, se requeriría 5 frentes de ataque para igualar el rendimiento.

Conclusiones

• Es un error que el MTC condicione a que la mayoría de los túneles interestación se construyan con el método NATM, más aún, si lo que se pretende es minimizar la interrupción al tráfico, ya que el requerimiento del orden de 5 veces los frentes de trabajo requeridos por la TBM, alteraría más el tráfico vehicular. Es preferible dar flexibilidad a los postores constructores, con la meta de tener terminado los túneles lo más antes posible y con la mínima alteración del tráfico en superficie.
• Para situaciones de tener que pasar debajo o muy cerca de edificaciones, o debajo del rio, la mayor seguridad que ofrece la TBM podría ser una ventaja importante.

Recomendaciones

A lo largo del artículo se ha venido emitiendo las conclusiones, por lo que a continuación se emiten las recomendaciones:

• Se recomienda definir e iniciar cuanto antes, el programa de Investigación Geotécnica Especial (IGE) descrito en la Ref.5, con el fin de sectorizar y precisar las propiedades mecánicas del Conglomerado de Lima.
• Se recomienda diseñar conservadoramente y construir cuanto antes, 2 o 3 Estaciones Caverna Piloto (ECP), intensamente monitoreados durante la construcción, de tal manera de poder calibrar la información obtenida con la IGE propuesta en la Ref.5. Estas ECP no debieran estar en la ruta crítica de la programación del proyecto que se quiera implementar, debido a que la falta de experiencia en Lima con este tipo de estaciones, no permite acotar adecuadamente el tiempo de construcción, por el momento.
• Una vez que se tenga suficiente experiencia con las ECP, y que se haya llegado a resultados satisfactorios con la IGE, recién se podrá acotar mejor el tiempo y costo de construcción de las Estaciones tipo Caverna, y su comparación con las Estaciones tipo Trinchera, con la que ya se tiene experiencia. Por tanto, se aconseja al MTC que mientras tanto, no condicione el tipo de estaciones a construirse, y que más bien, se deje asesorar por la PMO seleccionada.
• Se recomienda planificar la construcción de los túneles principalmente con TBM, e incorporar NATM/SEM en otros frentes para ayudar a cumplir el cronograma, en caso la TBM se retrase, o en caso se tenga problemas con la disposición de terreno para ataque de la TBM.
• Se aconseja al MTC que no condicione a que la mayoría de los túneles interestación se construyan por el método NATM; sino más bien, dar flexibilidad a los postores, con la meta de tener terminado los túneles lo más antes posible y según los equipos que disponga.

Referencias

1. https://www.facebook.com/watch/live/?mibextid=rS40aB7S9Ucbxw6v&ref=watch_permalink&v=875016608139047
2. Proyectos Integrales para la Concesión de la Línea 3 de la RBML – Estudio de Preinversión a nivel de Factibilidad, Abril 2020 – INGEROP – PW – Bustren – Alpha Consult – Metropolitana Milanese.
3. Proyectos Integrales para la Concesión de la Línea 4 de la RBML – Estudio de Preinversión a nivel de Factibilidad, Febrero 2020 – Euroestudios – Geocontrol Andina – Geocontrol – Tec Cuatro – Consultoria Kapak – Logit Eng – Qursor.
4. Propuesta de cambio del método constructivo de túneles de TBM a método de Santiago para la L4 de la RBML – Proinversión 2017, Consorcio L4L.
5. Propuesta de Investigación Geotécnica para el Metro de Lima y Datos Preliminares, Jorge Coll, Revista COOVIAS, Julio 2024.
6. Slurry Walls as Structural Systems, 2nd Ed., Petros P. Xanthakos, McGraw-Hill, Inc., 1994.
7. Face stability in slurry and EPB shield tunneling, G. Anagnostou, K. Kovari, Ed. Balkema, 1996
8. Design and Construction of Tunnels – Analysis and Controlled Deformation in Rock and Soils (ADECO-RS), Pietro Lunardi, Ed. Springer, 2008.
9. Comparación del Costo y Plazo en la Construcción de Estaciones Subterráneas tipo Cut and Cover y Caverna en la Provincia Constitucional del Callao. Tesis para optar el título profesional de Ingeniero civil. Autor: Pedro Miguel Conto Jaramillo, PUCP 2019.
10. Building an Urban Tunneling Industry from the Ground Up, A. Gomes, M. Böfer, P. Muñoz, Metro de Santiago, Santiago, Chile, 2006.
11. Comparación Técnico-Económica entre los Métodos NATM YTBM para la Construcción de Túneles en el Metro de Santiago, Carlos García, Memoria para obtener el Título de Ingeniero Civil en Obras Civiles. Santiago – Chile, 2014.
12. Desarrollo de Soluciones Mecanizadas para Obras Subterráneas: TBM Multimodo y Tendencias en otros Sectores, Herrenknecht, Abril 2024.