FALSOS TUNELES PREFABRICADOS EN L. A. V. MADRID - VALLADOLID Marcus LINDON Ingeniero de Caminos TIERRA ARMADA Departamento Técnico marcus_l@tierra-armada.com

Christian Panturoiu Ingeniero Civil TIERRA ARMADA Departamento Comercial christian_p@tierra-armada.com

Resumen En el Nuevo Acceso Ferroviario al Norte y Noroeste de España (Madrid – Segovia – Valladolid / Medina del Campo) se han construido dos falsos túneles con bóvedas triarticuladas prefabricadas en el tramo Cantoblanco – Tres Cantos. Esta comunicación trata del estudio paramétrico que se realizó según los criterios acordados con la Dirección de Obra para este tipo de estructuras, referentes a distintos aspectos geotécnicos que influyen en la interacción suelo-estructura, tales como los parámetros geomecánicos de los materiales implicados, terreno natural y relleno compactado, el ángulo de rozamiento tierras - bóveda y las condiciones de asimetría extrínsecas relacionadas con la geometría de los perfiles transversales e intrínsecas debidas a la propia variabilidad del relleno. Palabras Clave: falso túnel, bóveda triarticulada, pico de flauta, directriz, antifunicular, clave, interacción suelo-estructura, parámetro geomecánico, ángulo de rozamiento, condiciones de asimetría. 1. Introducción Se trata del falso túnel del Colegio entre los PK 205+450 y 206+000 de 550m de longitud, de trazado recto, con un tramo central sobre pantallas, con terminación en dos picos de flauta de 7,5 y 12,5m, y del falso túnel del Goloso Norte entre los PK 202+400 y 202+740 de 340m de longitud, de trazado curvo con un radio de 1375m, resuelto con piezas de ancho variable, con terminación en dos picos de flauta iguales de 12,5m. La sección transversal es la misma es los dos falsos túneles: luz interior de 11,70m, flecha interior de 6,70m y espesor constante de 0,35m. El desarrollo de la directriz es de 20,56m. La geometría es parabólica y se supone antifunicular de las cargas de tierra, que llegan hasta los 7,00m sobre la clave de la bóveda. 2. Condicionantes del estudio paramétrico La presente NOTA TÉCNICA se refiere a la evaluación del comportamiento geotécnico de los terrenos presentes, desde la perspectiva del establecimiento de las bases de cálculo de la interacción suelo - estructura, de la determinación y definición de los parámetros geomecánicos básicos de cálculo asignables a los distintos materiales que intervienen, la repercusión del agua en el fenómeno, etc. Así, ante la necesidad de abordar un cálculo suficientemente preciso y representativo de la realidad de este tipo de estructuras, inmersas en una obra de tierra, se plantea la utilización de un método numérico para modelizar de modo fehaciente la interacción suelo - estructura. Para lo cual, resulta imprescindible establecer los valores de los parámetros geomecánicos característicos de los distintos materiales implicados. Así, por un lado había que contar con el terreno natural en el que se inscribe la obra, a la que, localizada en la zona Norte de Madrid, se corresponde con las formaciones Miocenas gruesas típicas de Madrid y su entorno: arenas de miga y toscos. Por otro lado, el resto del material implicado en la interacción corresponde a los rellenos compactados, que constituirán la futura restitución del terreno original. Desde el punto de vista de los terrenos naturales, los depósitos Miocenos corresponden en general a unos suelos de tipo “granular”, con frecuencia mixtos, de alta compacidad. Como quiera que la posible mayor trascendencia que pueden representar en el problema a analizar es relativamente limitada, de acuerdo a su respuesta deformacional no inmediata a las bóvedas, se determina que un módulo de deformación del orden de 1.500 – 2.000 kg/cm2 puede ser

utilizable. A su vez, cabe asignarle una densidad aparente de 2,1 kg/cm3, que en cualquier caso no tiene una repercusión significativa en los resultados. Como parámetros de resistencia al corte, la cohesión sería de 5 t/m2, y un ángulo de rozamiento de 35º. Parámetros todos ellos muy habituales en este tipo de terrenos madrileños. Por lo que se refiere a los valores de los parámetros asignables al relleno compactado (terraplén), la labor resulta más enjundiosa, y además los valores elegidos tienen una repercusión fundamental en los resultados obtenidos. Así, se ha contado con que el relleno general deberá ejecutarse con un suelo que al menos cumpla las prescripciones del Pliego resistencia al corte y densidad aparente (que, por otro lado, tienen una decididamente menor influencia en los resultados obtenidos). A su vez, y con objeto de representar mejor en la medida de lo posible la realidad proyectada, se diferencian dos anillos o coronas (R1 y R2) circundantes al perímetro de las bóvedas, de espesores respectivos de 50 cm y 150 cm, pues de acuerdo a la práctica habitual, y las condiciones que señalan los propios fabricantes para su empleo, en esas distancias debe limitarse la intensidad de la compactación en las proximidades de la obra de fábrica, con objeto de no dañarlas estructuralmente. Y consecuentemente, a cada una de esas coronas se le asigna un módulo de deformación inferior al del relleno general R3, compactado con menos condicionantes. Como resultado de este conjunto de reflexiones y consideraciones, se adoptan inicialmente una serie de valores de los parámetros geotécnicos básicos de los materiales implicados, que quedan recogidos en la tabla I. Tabla I. Parámetros geomecánicos básicos

Material Tipo Densidad Aparente

Módulo E (kg/cm2)

Coef. Poisson υ

Cohesión C (t/m2)

Rozamiento ϕ(º)

R1 1,85 250 0,35 0,0 28 R2 1,95 270 0,35 0,0 29 R3 2,00 300 0,35 0,0 30 M 2,10 2.000 0,30 5,0 35

Leyenda: R1: relleno anejo bóveda (50cm) R2: relleno intermedio (150cm) R3: relleno general M: sustrato mioceno Por lo que respecta a otro parámetro esencial, cual es el valor del coeficiente de rozamiento tierras – bóvedas, que se genera en el intradós correspondiente, si bien es también una hipótesis conservadora considerar un valor nulo (que indudablemente está del lado de la seguridad), sí que se estima que conviene no ser optimista, pues ejerce un efecto bastante favorable desde el punto de vista de los esfuerzos que solicitan las secciones estructurales de las bóvedas (aumenta el axil). Por lo cual, se considera recomendable adoptar un rango bajo, del orden de 1/3 del ángulo de rozamiento interno del relleno general (es decir, de unos 10º - 12º); y además, comprobar la sensibilidad frente a su variación, en particular efectuando los cálculos de contraste con un valor nulo. Tras las consideraciones a las que se ha hecho antes referencia, se ha llegado finalmente a plantear para el contraste complementario (en una segunda etapa), una gama de valores característicos de los distintos materiales implicados en la cuestión que quedan recogidos en la tabla II adjunta. Tabla II. Parámetros geomecánicos complementarios

Material Tipo Densidad Aparente

Módulo E (kg/cm2)

Coef. Poisson υ

Cohesión C (t/m2)

Rozamiento ϕ(º)

R1 1,85 300 0,35 0,0 29 R2 2,00 350 0,35 0,0 30 R3 2,10 450 0,35 0,0 31 M 2,00 2.000 0,30 5,0 35

Leyenda: R1: relleno anejo bóveda (50cm) R2: relleno intermedio (150cm) R3: relleno general M: sustrato mioceno

Por otra parte, como quiera que ante el problema suscitado resulta de la máxima trascendencia tener muy en cuenta las posibles condiciones de asimetría en las que se encuentra inmersa la obra de fábrica correspondiente, pues ello debe repercutir con la mayor probabilidad en la asimetría de las solicitaciones que soporta (y a su vez, en los esfuerzos actuantes en su sección estructural, esenciales en lo que respecta a su comportamiento y trabajo como “antifunicular” de las cargas propiamente dicho), se estimó que era imprescindible introducir esas eventuales condiciones en los cálculos, para que sus resultados fuesen realistas. Así, desde esta perspectiva tan trascendente, se ha considerado que puede haber distintos motivos que originen posibles condiciones de asimetría, que según el carácter de su origen, se clasifican del siguiente modo: -Intrínsecos: La heterogeneidad propia de los materiales empleados, así como la variabilidad de los mismos. Las diferencias en el producto resultante de la compactación, tanto en densidades obtenidas, como en el estado de humedad correspondiente. -Extrínsecos: La variación transversal del terreno natural y su geometría. La acción diferencial de las eventuales aguas infiltradas. Desde la primera perspectiva, esa heterogeneidad de los materiales presentes y de su estado como producto obtenido tras la puesta en obra y compactación subsiguiente, cabe tenerla en cuenta en los cálculos para la modelización de su respuesta geomecánica como una variación del módulo de deformación asignable al material presente a uno u otro lado de la bóveda, según un porcentaje del valor básico en sentido creciente o decreciente. Lo que equivale a introducir unos coeficientes, mayoradores o minoradores, que aplicados al valor de base asignado al relleno compactado (R3), permitan establecer los módulos de cálculo a ambos lados del eje de la bóveda (derecha, izquierda). A este respecto, en principio no es fácil establecer un determinado criterio en términos de los módulos de deformación atribuibles, pues no hay nada suficientemente regulado al respecto en los pliegos al uso, referente a cuantificar las condiciones de heterogeneidad o variabilidad estadística de los resultados del “muestreo” efectuado para el control de calidad (valores medios exigibles, desviación típica, etc.). Como mucho, se cita en algún caso que el 60% al menos de los valores de la densidad – humedad del producto compactado deberá quedar comprendido en la zona habilitada al respecto de los diagramas correspondientes, y que del resto, las densidades obtenidas no podrán ser inferiores a la exigida en más de 30 kg/m3. En este caso en estudio, donde precisamente no se ha observado la presencia de agua freática en el terreno, parece que, si se adoptan las medidas oportunas, el eventual efecto del agua sólo debería ser tenido en cuenta como condición muy “accidental”. Por lo cual, desde ese punto de vista se estima que, si se ejecutan adecuadamente las medidas previstas (anillo perimetral de arena permeable sin finos, con los oportunos drenes de evacuación final), a la vista de los materiales que se van a emplear en la restitución, y de la no presencia de niveles freáticos en el subsuelo natural, no resulta creíble la generación de empujes de agua sobre las bóvedas. No obstante, aunque también del lado también conservador, sí que se considera como hipótesis plausible a esos efectos el estimar que, por motivo de infiltraciones locales, podría originarse un deterioro específico de las condiciones del relleno compactado en algún caso, alcanzando globalmente hasta una variación lateral que, en los valores de los módulos de deformación asignables, llegaría hasta el 40% de disminución respecto al valor de base correspondiente supuesto. Finalmente, cabe indicar que la diferente geometría de la excavación realizada en el sustrato mioceno que conforma la sección transversal en la que se implantan las bóvedas en cada caso, que en principio supone otra posible “fuente” de solicitaciones asimétricas de la misma, se introduce directamente como dato inicial de cálculo, y por tanto su repercusión también está ya implícita en los resultados obtenidos del mismo. Así pues, se propone la realización de dos grupos de cálculo: el primero, para condiciones de “servicio”, basado en los parámetros geomecánicos de la tabla I, estableciendo “asimetrías” laterales en los módulos de deformación básicos (R3) del rango del ±15% y ±25%; alcanzando como solicitación “accidental” una disminución de hasta el 40%. Y una vez comprobada la suficiencia de las secciones estructurales propuestas, se pasaría al segundo grupo, basado en la tabla II de características geomecánicas, con objeto de comprobar que, como suele ser habitual en los casos más frecuentes, la mayor “rigidez” de la interacción produce condiciones de solicitación más favorables.

En cualquier caso, es muy importante resaltar que ante las distintas “combinaciones” de solicitaciones resultantes de las hipótesis y metodologías planteadas, los “coeficientes de seguridad” a tener en cuenta desde el punto de vista de la resistencia estructural serán ponderadamente distintos según el grado de probabilidad asignable a aquellas. A todo ello, deberá añadirse, en su caso, el efecto derivado del desfase admitido en la ejecución del relleno a un lado u otro de la bóveda. Así como, si ha lugar, tener en cuenta una sobrecarga externa del orden de 1 t/m2, actuante de modo simétrico y asimétrico; y si se estima que es probable que en futuro el terreno restituido sobre la bóveda pueda soportar tránsito de vehículos, también debería calcularse el efecto de una carga móvil puntual. 3. Cálculos realizados Los perfiles seleccionados para el estudio son: P.K. 205+529 – zapatas (con altura de tierras sobre clave de 6,97 m) P.K. 205+529 – pantallas (con altura de tierras sobre clave de 1,51 m) P.K. 205+820 (con altura de tierras sobre clave de 1,50 m) P.K. 205+940 (con altura de tierras sobre clave de 6,64 m) Resultan 32 cálculos, 8 cálculos por cada perfil, cambiando el módulo del relleno a la izquierda y a la derecha y el ángulo de fricción relleno - estructura. Tabla III. Propiedades de los materiales para cada perfil

PROPIEDADES RELLENO IZQUIERDO PROPIEDADES RELLENO DERECHO

γ (ton/m3)

E (ton/m2) υ ϕ (º) δ (º)

γ (ton/m3)

E (ton/m2) υ ϕ (º) δ (º)

2,00 2550 0,35 30 10 2,00 3000 0,35 30 10 2,00 3000 0,35 30 10 2,00 2550 0,35 30 10 2,00 2550 0,35 30 1 2,00 3000 0,35 30 1 2,00 3000 0,35 30 1 2,00 2550 0,35 30 1 2,00 2250 0,35 30 10 2,00 3000 0,35 30 10 2,00 3000 0,35 30 10 2,00 2250 0,35 30 10 2,00 1800 0,35 30 10 2,00 3000 0,35 30 10 2,00 3000 0,35 30 10 2,00 1800 0,35 30 10

Se ha supuesto el relleno elástico. La cohesión del relleno se ha tomado nula en todos los casos. El coeficiente de rozamiento relleno – estructura (δ) se toma de 10º y se repite con 1º para los valores de módulo que suponen una disminución del 15%. La carga de compactación es de 1,50 ton/m2. El desfase de tongadas en construcción se toma de 1,00 m. Se aplica una sobrecarga de tráfico de 1,00 Ton/m2 en todo el ancho de la malla y en la mitad más desfavorable, según la configuración del relleno asimétrico. A continuación se muestran los esfuerzos mayorados más desfavorables de cada cálculo y de cada perfil, en construcción y a estado final, así como la apertura de fisura correspondiente a los esfuerzos de servicio para ambas situaciones. La armadura dispuesta en una sección de 2,50m de anchura y 0,35m de canto ha sido de 21 barras de 16mm, separadas a 11,90 cm en la cara interior (vista), que es la que resiste los momentos positivos que traccionan el intradós. La resistencia característica de hormigón corresponde a HA-30.

Fig 1.- PK 205+529 Hsc=6.97 m Tabla IV. PK 205+529 Hsc=6.97 m

RELLENO COEFICIENTES DE SEGURIDAD Y APERTURA DE FISURA

Eizq (ton/m2)

Eder (ton/m2) δ (º) Hipótesis Nd

(ton/m) Md

(m.ton/m) C. S. Rotura Apertura de fisura (mm)

construccion 23,73 20,40 1,85 0,230 2550 3000 10 final 169,49 12,76 3,08 no fisura construccion 23,38 20,29 1,86 0,230 3000 2550 10 final 168,77 12,95 3,06 no fisura construccion 28,15 23,72 1,59 0,280 2550 3000 1 final 170,28 14,59 2,85 no fisura construccion 28,74 22,91 1,67 0,270 3000 2550 1 final 168,17 15,19 2,81 no fisura construccion 23,74 20,71 1,82 0,230 2250 3000 10 final 169,70 12,64 3,09 no fisura construccion 23,25 20,30 1,85 0,230 3000 2250 10 final 168,74 12,73 3,09 no fisura construccion 23,95 21,18 1,77 0,240 1800 3000 10 final 170,37 12,15 3,15 no fisura construccion 23,16 20,29 1,85 0,230 3000 1800 10 final 168,54 12,34 3,14 no fisura

Fig 2.- PK 205+529 Hsc=1.51 m Tabla V. PK 205+529 Hsc=1.51 m

RELLENO COEFICIENTES DE SEGURIDAD Y APERTURA DE FISURA

Eizq (ton/m2)

Eder (ton/m2) δ (º) Hipótesis Nd

(ton/m) Md

(m.ton/m) C. S. Rotura Apertura de fisura (mm)

construccion 22,75 20,74 1,80 0,240 2550 3000 10 final 50,73 18,49 2,46 0,150 construccion 22,64 20,37 1,83 0,230 3000 2550 10 final 51,49 18,72 2,43 0,140 construccion 28,03 23,56 1,61 0,280 2550 3000 1 final 51,09 21,93 1,98 0,210 construccion 20,75 23,04 1,58 0,280 3000 2550 1 final 50,65 22,78 1,89 0,220 construccion 22,90 20,63 1,82 0,230 2250 3000 10 final 54,74 15,05 3,26 0,150 construccion 22,58 20,47 1,83 0,230 3000 2250 10 final 51,50 18,78 2,42 0,140 construccion 20,99 21,01 1,76 0,240 1800 3000 10 final 52,04 19,22 2,36 0,150 construccion 22,64 20,37 1,83 0,230 3000 1800 10 final 51,49 18,72 2,43 0,140

Fig 3.- PK 205+820 Hsc=1.50 m

Tabla VI. PK 205+820 Hsc=1.50 m

RELLENO COEFICIENTES DE SEGURIDAD Y APERTURA DE FISURA

Eizq (ton/m2)

Eder (ton/m2) δ (º) Hipótesis Nd

(ton/m) Md

(m.ton/m) C. S. Rotura Apertura de fisura (mm)

construccion 23,59 19,81 1,91 0,220 2550 3000 10 final 54,42 21,27 2,09 0,190 construccion 23,17 20,45 1,83 0,230 3000 2550 10 final 54,82 21,40 2,09 0,190 construccion 28,06 23,42 1,62 0,270 2550 3000 1 final 51,30 25,47 1,65 0,270 construccion 28,31 22,70 1,68 0,260 3000 2550 1 final 51,65 25,14 1,68 0,260 construccion 23,47 20,48 1,83 0,230 2250 3000 10 final 54,00 21,71 2,04 0,190 construccion 22,94 20,71 1,80 0,240 3000 2250 10 final 54,94 21,58 2,06 0,190 construccion 23,77 20,42 1,85 0,230 1800 3000 10 final 53,70 21,95 2,01 0,200 construccion 22,97 20,64 1,82 0,230 3000 1800 10 final 55,17 21,92 2,03 0,200

Fig 4.- PK 205+940 Hsc=6.64 m

Tabla VII. PK 205+940 Hsc=6.64 m

RELLENO COEFICIENTES DE SEGURIDAD Y APERTURA DE FISURA

Eizq (ton/m2)

Eder (ton/m2) δ (º) Hipótesis Nd

(ton/m) Md

(m.ton/m) C. S. Rotura Apertura de fisura (mm)

construccion 23,72 20,82 1,80 0,240 2550 3000 10 final 165,51 11,95 3,21 no fisura construccion 23,31 20,74 1,80 0,240 3000 2550 10 final 162,68 11,43 3,32 no fisura construccion 28,35 23,38 1,62 0,270 2550 3000 1 final 162,06 14,23 2,96 no fisura construccion 21,02 21,95 1,67 0,260 3000 2550 1 final 162,59 13,70 3,02 no fisura construccion 23,73 21,26 1,76 0,240 2250 3000 10 final 165,60 11,96 3,21 no fisura construccion 23,21 20,66 1,82 0,230 3000 2250 10 final 163,05 10,91 3,39 no fisura construccion 23,92 21,47 1,74 0,250 1800 3000 10 final 165,51 11,54 3,27 no fisura construccion 23,04 20,90 1,79 0,240 3000 1800 10 final 163,31 10,16 3,50 no fisura

Fig 5.- Montaje del falso túnel del Colegio con apoyo sobre pantallas

Fig 6.- Pico de flauta del falso túnel del Goloso Norte (lado Madrid)

Fig 7.- Montaje del falso túnel del Colegio

Fig 8.- Montaje del falso túnel del Colegio

Fig 9.- Relleno de tierras del falso túnel del Colegio

Fig 10.- Ejecución de la viga de atado del falso túnel del Colegio