Investigación para el diseño de obras subterráneas

Investigación para el diseño de obras subterráneas

Ingeniería de Diseño
2012
Investigación para el diseño de obras subterráneas
Dentro de las obras de ingeniería de un proyecto, las obras subterráneas presentan una
incertidumbre especial, ya que el conocimiento de las condiciones del sitio donde se
desarrollarán es parcial. Por esta característica, no existe una certeza absoluta en las
propiedades de los materiales (suelo o rocas) donde se construirán las obras, lo cual a su
vez provoca dificultades en la estimación de los costos y tiempos del proceso
constructivo.
Para un proyecto hidroeléctrico, el éxito en la construcción del túnel de conducción es
esencial, por eso con antelación se debe tener un conocimiento adecuado de la zona
donde se desarrollará la obra. La parte inicial del proceso consiste en la planificación de la
investigación, lo cual incluye perforaciones, geofísica, cartografiado geológico de
superficie, caracterización del macizo rocoso, ensayos geotécnicos, todo ello para generar
un modelo geológico y geotécnico que permita diseñar la obra acorde a las variables del
medio.
La etapa de investigación del túnel de conducción del PHED contempló la realización de
10 perforaciones a lo largo del alineamiento del túnel (11 km de longitud), separadas en
promedio 1 km cada una. La profundidad de las perforaciones varió según la necesidad
en cada caso de alcanzar la profundidad del túnel de conducción. Las perforaciones
brindan información de la estratigrafía del área, fallas geológicas, hidrogeología
(acuíferos, nivel freático, permeabilidad), además de los resultados obtenidos de las
pruebas geotécnicas que se le realicen a las muestras (núcleos) recuperadas en la
perforación. Asimismo, los estudios geofísicos (sísmica y sondeos eléctricos verticales),
permiten definir estructuras como fallas geológicas, estratigrafía y propiedades
hidrogeológicas a lo largo de la línea de túnel.
El modelo geológico contiene la interpretación de las estructuras geológicas que se van a
encontrar a lo largo del túnel en los diferentes escenarios de cobertura y zonas
problemáticas, es un insumo para el modelado geotécnico y por ende, el diseño de la
obra.
Ingeniería de Diseño
2012
El modelado geotécnico consiste en caracterizar el macizo rocoso en cuanto a sus
propiedades de resistencia y deformación, permite realizar los análisis de esfuerzos y
deformaciones, cuyos resultados son a su vez los datos de entrada principales para el
diseño tanto geotécnico como estructural del túnel.
El diseño geotécnico permite estimar la cantidad y calidad del soporte temporal requerido,
la cantidad de agua que se deberá evacuar durante la excavación, los tiempos de
colocación del soporte que facilitan un proceso de excavación seguro, así como hacer una
estimación de las presiones que ejercerá el macizo rocoso sobre la excavación a largo
plazo, y a su vez realizar el diseño estructural del revestimiento definitivo.
Para efectos de la construcción de obras en general, es vital un diseño ya que ayuda a
que la planificación sea más detallada, haya mayor prevención de problemas
constructivos y con ello generar un ambiente seguro para el personal que labora.
Una de las principales estructuras geológicas que requieren más detalle y una
investigación exhaustiva son las zonas de fallas. Una falla geológica es una superficie o
zona en la corteza terrestre a lo largo de la cual un lado o bloque se ha movido en
relación con el otro en el plano de ruptura. El área de deformación (roca triturada,
cizallada y fracturada) que genera una falla es variable y depende en gran parte de la
extensión de la misma. En fin, en el contexto de diseño y construcción de obras, la roca
existente en zonas de falla, presenta características geomecánicas de menor calidad que
requieren soportes y métodos de excavación especiales.
La galería de investigación en Colinas, una exploración de la Falla
Chánguena
A lo largo del alineamiento del túnel de conducción, se identificaron varias fallas que lo
atraviesan de manera transversal, entre ellas la Falla Chánguena y la Falla Térraba.
Caracterizar de manera más precisa las propiedades geológicas y geotécnicas del
material y la respuesta del macizo bajo un escenario de excavación resulta una necesidad
en los diseños de la obra. Es por ello que se busca un sitio que reúna las condiciones
Ingeniería de Diseño
2012
para obtener la información, concluyendo que el sector de Colinas de Buenos Aires era
apto, puesto que se ubica en el trazo de la Falla Chánguena, hay facilidad de accesos y
disponibilidad de servicios básicos que facilitarían la realización de una galería
exploratoria, a la cual se ingresaría por una “ventana de acceso”.
Debido a los altos costos que implica excavar una obra subterránea, al definir la longitud y
características de esta ventana de acceso, se buscó optimizar un diseño de tal manera
que contemplara la menor longitud con la menor pendiente posible de acuerdo con la
topografía del área. La ventana de acceso tiene una longitud aproximada de 660 m, con
una inclinación descendente de 13%, la sección transversal de la excavación cuya forma
es de tipo “baúl”, de 6 m de altura y 6 m de ancho.
Para desarrollar esta exploración, la Secretaría Técnica Nacional Ambiental otorgó un
permiso específico para construir la ventana de acceso, necesaria para acceder a la zona
de falla, además de un permiso para construir la galería para la investigación de los 1000
metros de la falla Chánguena en tramo de la línea de túnel.
Desde el inicio de esta investigación subterránea, personal de casi todas las áreas del PH
El Diquís han laborado como equipo, ya que una obra de esta complejidad requiere del
apoyo técnico de diversas áreas.
La recolección de información geológica y geotécnica la realizan dos cuadrillas, una por
cada área. En el área de geología se cuenta con una cuadrilla encargada de describir el
frente de excavación a diario (topes), clasificar el tipo de roca y el estado del macizo,
medir fracturas, buzamiento de la roca, planos de falla y monitorear el agua subterránea
(caudal de salida, olor, color) en la ventana de acceso. Toda la información se integra y se
interpreta para establecer parámetros reales del macizo en zonas de falla o de baja
calidad.
En geotecnia, la cuadrilla realiza labores de monitoreo de las deformaciones de la
excavación (medición de convergencias) las cuales permiten observar el comportamiento
diario de la excavación y su grado de deformación a través del tiempo. Este monitoreo es
fundamental en toda obra subterránea, ya que la información obtenida permite realizar
Ingeniería de Diseño
2012
recomendaciones sobre los tipos de soporte que se deben utilizar, buscando siempre
mantener la estabilidad de la excavación y la seguridad del personal. Otra labor realizada
por parte de la cuadrilla de geotecnia es la recuperación de muestras de roca, las cuales
son sometidas a diferentes ensayos (de campo y de laboratorio) para determinar su
resistencia. Además, la investigación geotécnica contempla la realización de ensayos de
placa rígida mediante los cuales se determina el comportamiento de las deformaciones
del macizo rocoso ante diferentes presiones. Estos ensayos se realizan por medio de
gatas hidráulicas y medidores de deformación en nichos o gavetas excavadas en las
paredes de la excavación.
Para la construcción de esta obra, el personal con que se cuenta es de 10 tuneleros, de
los cuales la mayoría posee más de una década de experiencia. En su labor, tienen la
colaboración de los auxiliares y peones provenientes de la zona, quienes con el proceso
de capacitación que reciben, varios tienen proyección de convertirse en futuros tuneleros.
Actualmente la obra cuenta con cuatro cuadrillas de construcción que están distribuidas
con las siguientes funciones: dos cuadrillas encomendadas a la excavación; una de patio,
que es la encargada de la logística de los materiales y requerimientos de la excavación; y
una con rol cambiado o de horario inverso, que trabaja cuando el personal bisemanal está
de salida larga. La cuadrilla de rol cambiado tiene la tarea de colocar concreto en el piso y
de hacer la “perforación al avance”, esta perforación consiste en una prospección previa
al avance en la ventana o galería, para determinar las condiciones del macizo en el tramo
próximo a excavar así como obtener datos hidrogeológicos como barreras, caudales y
presiones de agua. Estas perforaciones poseen entre 30 m y 40 m de longitud y
mantienen la misma dirección de la excavación. Esta práctica es una norma de seguridad
que aplica en todas las obras subterráneas que el ICE desarrolla.
En setiembre del 2011, se inició la excavación del portal, y casi dos meses después, el 1
de noviembre del mismo año se efectuó el avance del primer metro de excavación en la
ventana de acceso, esta se ubica entre 200 m y 250 m de la zona de falla, a pesar de no
estar ubicada en la zona de falla propiamente, se ha observado que la zona de afectación
ha disminuido la calidad del macizo, dando lugar a zonas de cizalla, sectores con una
Ingeniería de Diseño
2012
relación de fracturación alta que aunado a la litología (areniscas finas y lutitas), hace que
las condiciones constructivas sean difíciles. Ante este escenario el proceso de excavación
ha sido principalmente mecanizado y no mediante el uso de explosivos, lo cual se refleja
en un avance menor a lo planeado por el área de construcción.
Aparte de la condición y del tipo de material presente, un elemento que agrega más
complejidad a una obra subterránea es el agua. Hasta el momento la cantidad ha sido
poca y fácilmente manejable; no obstante, desde ya se están tomando las medidas para
cuando haya que enfrentarse a un mayor volumen de agua. Para ello, aproximadamente
cada 120 m de la ventana se construye un nicho de bombeo. Estos nichos de bombeo
funcionarían sincronizados en serie, donde un nicho enviaría el agua al siguiente y así
sucesivamente hasta sacar el agua a la superficie.
Esta ventana de acceso y la galería de exploración son de las obras de exploración más
importantes en la actualidad del Proyecto Hidroeléctrico El Diquís.