Estudios de subsidencia para excavaciones subterráneas en la primera línea del Metro de Bogotá (PLMB) priorizado en el tramo III

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(1)ESTUDIOS DE SUBSIDENCIA PARA EXCAVACIONES SUBTERRÁNEAS EN LA PRIMERA LÍNEA DEL METRO DE BOGOTÁ (PLMB) PRIORIZADO EN EL TRAMO III.. LEIDY DALLAM LOPEZ TUNJO ANAMARIA GOMEZ COLMENARES. UNIVERSIDAD CATOLICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL ALTERNATIVA TRABAJO DE GRADO BOGOTA 2014 1.

(2) ESTUDIOS DE SUBSIDENCIA PARA EXCAVACIONES SUBTERRÁNEAS EN LA PRIMERA LÍNEA DEL METRO DE BOGOTÁ (PLMB) PRIORIZADO EN EL TRAMO III.. LEIDY DALLAM LOPEZ TUNJO ANAMARIA GOMEZ COLMENARES. Trabajo de Grado para Optar al Título de Ingeniero Civil. Director Juan Carlos ruge Cárdenas Ingeniero Civil. UNIVERSIDAD CATOLICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL ALTERNATIVA TRABAJO DE GRADO BOGOTA 2014 2.

(3) 3.

(4) NOTA DE ACEPTACION. _______________________________ _______________________________ _______________________________ _______________________________ _______________________________. _______________________________ Firma del presidente del jurado. _______________________________ Firma del jurado. _______________________________ Firma del jurado. Bogotá, 23, octubre, 2014. 4.

(5) A Dios por permitimos estar con nuestras familias, padres y hermanos que han mostrado su apoyo incondicional a lo largo de nuestras vidas.. 5.

(6) CONTENIDO pág. INTRODUCCIÓN. 11. 1. GENERALIDADES 1.1 ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN 1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1.3 OBJETIVOS 1.3.1 Objetivo General. 1.3.2 Objetivos Específicos.. 12 13 15 17 17 17. 2. MARCO REFERENCIAL 2.1 MARCO CONCEPTUAL 2.1.1 Túnel 2.1.2 Sistema constructivo en Tramo Subterráneo 2.1.2.1 Método Cut and Cover (Cielo Abierto- Muros Pantalla) 2.1.2.2 Métodos Tradicionales 2.1.2.3 Métodos con Maquinas Tuneladoras TBM 2.1.3 Consolidación de Suelos 2.1.4 Subsidencia 2.1.4.1 Métodos de Medida de la Subsidencia 2.1.4.1 Métodos para Reducir la Subsidencia 2.1.5 Subsidencia de Túneles 2.1.5.1 Características del Macizo Rocoso. 2.1.5.2 Condiciones Ambientales 2.1.5.3 Daños a Edificaciones por Subsidencia 2.1.6 Subsidencia por el Descenso del Nivel Freático 2.1.6.1 Influencia de las Condiciones Hidrogeológicas 2.2 MARCO TEÓRICO 2.2.1 Reseña Histórica. 2.2.1.1 Metro de Londres 2.2.12 Metro de Madrid 2.2.1.3 Metro de Ciudad de México 2.2.1.4 Metro de Paris 2.2.1.5 Metro Sao Paulo 2.2.1.6 Metro de Santiago de Chile 2.2.2 Primera Línea del Metro de Bogotá (PMLB) 2.2.2.1 Historia 2.2.2.2 Financiación 2.2.2.3 Clasificación de suelos en Bogotá. 2.2.2.4 Secciones Funcionales de la PLMB. 2.2.3 Fase III (Estación San Victorino-Estación Plaza de Lourdes) 2.2.3.1 Geotecnia. 18 18 18 19 20 21 25 28 29 30 33 33 33 34 35 37 38 39 39 40 42 43 44 46 46 47 53 55 55 59 63 63. 6.

(7) pág. 2.2.3.2 Nivel Freático 2.2.3.3 Geotecnia de los Depósitos Aluviales 2.2.3.4 Secciones Geotécnicas Tipo 2.2.3.5 Subsidencia Regional 2.2.3.7 Como se Llevara A Cabo La Construcción Del Tramo III. 64 64 64 70 72. 3. METODOLOGIA 3.1 FASE I (REGISTRO FOTOGRÁFICO) 3.2 FASE II (RECOPILACIÓN DE INFORMACIÓN) 3.4 FASE III (PLAN DE AUSCULTAMIENTO) 3.4.1 Control de Auscultamiento. 3.4.1.1 Control Hidrológico de Suelos 3.4.1.2 Deformaciones y Desplazamientos del Terreno en Superficie (Subsidencia) 3.4.1.3 Deformaciones y Desplazamiento del Terreno en Profundidad 3.4.1.4 Control de Movimientos en Edificaciones y Estructuras Próximas. 76 76 83 86 86 86. 4. ANÁLISIS DE INFORMACIÓN. 89. 5. CONCLUSIONES. 94. BIBLIOGRAFIA. 96. 7. 87 87 87.

(8) LISTA DE FIGURAS pág. Figura 1. Estática de Tunel Figura 2. Componentes de un Túnel Figura 3. Tuneladora Tipo Topo Figura 4. Tuneladora Tipo Escudo Figura 5. Consolidación Primaria (unidimensional). Figura 6. Subsidencia por Obras Subterráneas Figura 7. Descenso del Nivel del Terreno por la Presión de las Estructuras. Figura 8. Subsidencia por Extracción de Agua en Acuíferos Confinados. Figura 9. Diferentes Metros Alrededor del Mundo. Figura 10. Construcción Metro de LONDRES 1863 Figura 11. Metro de Londres. Actualidad. Figura 12. Primera Línea del Metro de Madrid (España) Figura 13. Metro de la Ciudad de México (México). Figura 14. Metro de Paris (Francia) Figura 15. Construcción metro de Paris (Francia) 1774 Figura 16. Metro de Sao Pablo (Brasil). Figura 17. Metro de Santiago de Chile (Chile). Figura 18. Análisis de Movilidad Figura 19. Propuesta Primera Línea del Metro de Bogotá. Figura 20. Modificaciones para los Estudios del Metro Figura 21. Planta General del Trazado. Distribución por Tramos. Figura 22. Estratificación de los Suelos en Bogotá. Figura 23. Material Encontrado y características de las Estaciones Figura 24. Sección Construida con Tuneladora. Diámetro Interior de 10m Figura 25. Sección Construida con Pantalla Continúa Figura 26. Plano de la Distribución de los Diferentes Tipos de Estaciones Figura 27. Perfil Geotécnico, Tramo III y Primer Tercio del Tramo IV. Figura 28. Estratificación con Especificaciones del Tramo I y II Figura 29. Tipo de Material Tramo III y primer tercio del tramo IV Figura 30. Estratificación con Especificaciones del Tramo III y Primer Tercio Tramo IV Figura 31. Estratificación con Especificaciones a Finales del Tramo IV Figura 32. Grado de Asentamiento en el Tramo III. Figura 33. Trazado de la PLMB. y sitios provisionales de tuneladora. Figura 34. Trazado, Tipología y Separación de Estaciones. Figura 35. Carrera 10 con Calle 12 - Iglesia San Juan de Dios Figura 36. Carrera 10 Con Calle 14 - Sede Judicial Hernando Morales Molina Figura 37. Carrera 10 con Calle 16 - Seguros Bolívar Figura 38. Carrera 10 con Calle 17 - Contraloría General de la Nación Figura 39. Carrera 10 con Calle 26 - Hotel Tequendama Figura 40. Carrera 13 con Calle 32 8. 19 20 26 27 29 34 35 38 40 41 41 43 44 45 45 46 47 47 49 51 53 55 59 60 61 62 63 65 66 del 67 69 71 73 74 76 77 77 78 78 79.

(9) pág. Figura 41. Carrera13 con Calle 37 – Ecopetrol Figura 42. Carrera 13 con Calle 38 - Edificio Tipyel. Figura 43. Carrera 13 con Calle 40 - Edificio UGI Figura 44. Carrera 13 con Calle 42 – Compensar Figura 45. Carrera13 con Calle 46 - Universidad Piloto Figura 46. Carrera 13 con Calle 47- Universidad Católica Sede 4 Figura 47. Carrera 13 con Calle 51 - Iglesia de Chiquinquira y Universidad Santo Tomas Figura 48. Carrera 13 con Calle 63 - Iglesia de Lourdes Figura 49. Esquema General Edificio UGI. Bogotá (Carrea 13 con Calle 40). Figura 50. Edificio UGI. Núcleo Central y Pilotaje Figura 51. Piezómetro Abierto. Figura 52. Paraguas de Micro Pilotes. Figura 53. Instalación de paraguas de micro pilotes. Figura 54. Jet Grouting. Figura 55. Protección de Túneles y/o Infraestructura de Servicio. Figura 56. Combinación de Sistemas de Impermeabilización Figura 57. Uso de Membranas Proyectadas. Figura 58. Uso de mantas sintéticas de PVC.. 9. 79 80 80 81 81 82 82 83 84 85 86 89 90 90 91 92 92 93.

(10) LISTA DE CUADROS pág. Cuadro 1. Tipos de Subsidencias Cuadro 2. Técnicas Topográficas Clásicas. Cuadro 3. Clasificación de daños visibles a paredes con referencia a la factibilidad de reparación. Burland (1995). Cuadro 4. Descripción de las Estaciones Establecidas para la PLMB. 10. 30 31 36 48.

(11) INTRODUCCIÓN Bogotá ha presentado un aumento en la cantidad de vehículos que circulan por la ciudad y a su vez un aumento de personas que usan el transporte público, creando así un colapso en la malla vial, el cual podemos evidenciar día a día. Los últimos alcaldes electos por la ciudadanía han intentado dar soluciones a este problema, con la construcción y rehabilitación de vías, control del flujo vehicular entre otras soluciones que no han dado los resultados esperados; visto esto y al problema actual que está pasando la ciudad, “se ha planeado la construcción del metro de Bogotá el cual constara de 27.5 kilómetros que inicia en el Portal de las Américas hasta el centro de la ciudad y tomara el borde oriental hasta la Calle 127”1. Este proyecto planeado por la alcaldía de Bogotá, fue la base para el inicio de este trabajo de grado para así obtener el título de ingenieros civiles, ya que una obra subterránea de esta magnitud puede desestabilizar y provocar un hundimiento progresivo del terreno y causar problemas en el las construcciones asentadas sobre la zona afectada, a este fenómeno se le conoce como subsidencia, el tema central de este trabajo. La subsidencia en una zona se puede presentar por diversas causas antrópicas o naturales, en cualquier caso este fenómeno llega a causar grandes daños económicos y en la infraestructura lo que trae consigo una alarma social. Gran parte de la ciudad de Bogotá se encuentra sobre suelos arcillosos, característica que es proclive al hundimiento y en donde la extracción del recurso hídrico presente en el subsuelo de la ciudad es uno de los principales factores que interfieren en este fenómeno. Este trabajo se enfocara en la subsidencia que se puede presentar a causa de la construcción de obras subterráneas y en el cual se debe tener en cuenta el hundimiento progresivo que se presenta en la ciudad, ya que si no se controla este fenómeno o no se realizan los estudios previos de manera exhaustiva puede causar la deformación o el colapso de la estructura construida como es el metro de Bogotá, acarreando consigo grandes pérdidas materiales y humanas.. 1. UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA. Suelos arcillosos de Bogotá, proclives al hundimiento [en línea]. Bogotá: La Universidad citado 10 agosto, 2014. Disponible en Internet: <URL: http://www.agenciade noticias.unal.edu.co/ndetalle/article/suelos-arcillosos-de-bogota-proclives-al-hundimiento.html>.. 11.

(12) 1. GENERALIDADES La subsidencia es un término que hace referencia al hundimiento a largo plazo de la corteza terrestre, ya sea continental o submarina. El presente trabajo se enfocara en el fenómeno presente en el casco urbano de la ciudad de Bogotá, esto implica un constante asentamiento de la superficie terrestre en una gran área de la ciudad, este fenómeno se puede presentar por dos clases de factores naturales o antrópicos. Este es un fenómeno que a pesar de que se desarrolla en un gran área afectada no suele ocasionar victimas mortales, sin embargo cuando se presenta en grandes ciudades por causas antrópicas los daños materiales puede llegar a ser cuantiosos, por esta razón este fenómeno es de gran importancia en estas zonas donde puede originar daños en cualquier infraestructura asentada sobre el terreno que se deforma. Este fenómeno se puede clasificar de acuerdo al mecanismo que lo provoca (Scott, 1979), como son las actividades extractivas de mineral en galerías subterráneas, la construcción de túneles, la extracción de fluidos (agua, petróleo o gas) acumulados en reservorios subterráneos, el descenso de nivel freático por estiajes prolongados, la disolución natural del terreno y lavado de materiales por efecto del agua, los procesos morfotectónicos y de sedimentación o los procesos de consolidación de suelos blandos u orgánicos2. La subsidencia en Bogotá se presenta por dos razones, en primer lugar está la extracción de fluidos, causado por la necesidad de recurso hídrico por parte de las comunidades aledañas a la ciudad, las cuales buscan un sustento a través de perforaciones subterráneas, interviniendo en el flujo natural del agua, lo que a su vez provoca un descenso del nivel freático; en segundo lugar se encuentran los procesos de consolidación del suelo, debido a que Bogotá es una ciudad en desarrollo las construcciones y el aumento de la población aumenta las cargas que se imponen sobre él. Teniendo en cuenta la ubicación de la ciudad y el tipo de suelo sobre el cual se encuentra, estas dos causas influyen en el constante hundimiento del suelo, por lo tanto, este ha sido un tema que ha generado gran interés a lo largo de los años, en donde se analizan los mecanismos para controlar este impacto. La construcción de la primera línea del metro de Bogotá, será un proyecto que deberá tener principal enfoque en el hundimiento progresivo del suelo, por lo tanto encontrar la forma de que esta no se vuelva una causa más que influya en este fenómeno. Los mecanismos de deformación de los cuales se basa este trabajo están asociado a la extracción de agua y la influencia de la construcción de una obra subterránea. En primer lugar el proceso en el cual el agua contenida en los poros fluye a través del suelo saturado, partiendo de una condición hidrostática determinada por la posición inicial del nivel freático y hacia una condición final en 2. TOMAS, Roberto; HERRERA, Gerardo; DELGADO, José y PEÑA, Fernando. Subsidencia del terreno. En: Enseñanzas de las Ciencias de la Tierra. Junio – agosto, 2009. vol. 17, no. 3, p. 299.. 12.

(13) que el flujo de agua se detiene al alcanzar nuevamente el equilibrio hidrostático, en el cual se presenta un cierre gradual de los huecos rellenos por el fluido extraído. En segundo lugar las obras subterráneas consiste en el hundimiento de la superficie del terreno con motivo de la deformación y/o colapso generado por la construcción de túneles al intentar ocupar el suelo el vacío generado los terrenos circundantes, tema el cual se profundizara más adelante ya que este el enfoque principal de este trabajo. La construcción de la primera línea del metro de Bogotá beneficiara a la población de la ciudad, sin embargo es de especial cuidado el daño que puede causar a las estructuras superficiales ya que la deformación que se puede presentar en el terreno se transmite a la estructuras, lo que puede afectar la estabilidad de estas. Actualmente, se considera este fenómeno a la hora de llevar a cabo un proyecto estructural, sin embargo, la línea del metro está proyectada para que se construya por debajo de varios edificios históricos para la ciudad, en especial el tramo III del proyecto, la zona en la cual se prioriza este trabajo, debido a su alto nivel de complejidad, tanto a nivel constructivo como a nivel social. Este trabajo consta de tres etapas. En la primera etapa, el trabajo hace una descripción de lo que es la subsidencia, enfocándose en las dos causas que influyen en el desarrollo de este fenómeno, como son la disminución del nivel freático y la construcción de obras subterráneas, relacionando la teoría descrita con el caso actual de la ciudad de Bogotá; En la segunda etapa, se hace una reseña de algunos casos importantes de subsidencia ocurrida en diferentes partes del mundo, resaltando las características más importantes como son el medio en el cual se origina, el tiempo en el cual ocurre y los hundimientos generados; La tercera etapa, está enfocado en la subsidencia a causa de obras subterráneas, con la construcción de la primera línea del metro de Bogotá PLMB y priorizados en la etapa III, se busca hacer un análisis detallado de las zonas de mayor riesgo teniendo en cuenta el tipo de suelo y las estructuras superficiales que se podrían ver afectadas, además se muestra la información recopilada para dar a conocer de manera clara la magnitud de este proyecto y las consecuencias que puede traer el control deficiente por parte del consorcio encargado de la obra. 1.1 ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN “La subsidencia en Bogotá es un tema que se ha discutido a los largo de 20 años en diferentes foros de geotecnia, en donde se ha resaltado la disminución significativa del nivel freático a causa de la extracción de este recurso en los municipios aledaños a la ciudad, esta situación junto al tipo de suelo de Bogotá el cual se constituye de depósitos de arcilla, influye en el fenómeno de la subsidencia. 13.

(14) presente”3. Al igual que en Bogotá, varios países en el mundo presentan este fenómeno por actividades antrópicas ya sea por la extracción del recurso hídrico o por la construcción de obras subterráneas. Por lo tanto se va a mostrar ejemplos para estos dos casos. En primer lugar tenemos los casos en el que la disminución progresiva del nivel freático ha sido causa del hundimiento en grandes extensiones de tierra, por ejemplo en “el Valle de Santa Clara en Estados Unidos entre los años 1910 a 1995 el nivel freático disminuyo hasta 84 metros por el uso del agua subterránea, el hundimiento fue de gran magnitud y permanente, sin embargo, actualmente se sigue utilizando agua subterránea como recurso y los niveles de los acuíferos están controlados de manera que se mantienen a umbrales superiores a los que causaron el hundimiento”4; “En el 2010 en España se presentó subsidencia en las zonas donde se encuentra el rio Guadiana y sobre los acuíferos por escasez de agua y la sobreexplotación de esta con fines agrícolas lo que ha influenciado en la modificación del cauce del rio y esto provoco que los acuíferos queden apartados del rio con poco abastecimiento de agua”5; La ciudad de México es un ejemplo que se asemeja al caso de la Sabana de Bogotá, ya que gran parte de esta ciudad se ha desarrollado sobre los restos de un antiguo lago, en los inicios el hundimiento se presentó por “el asentamiento de los estratos de suelo a causa de la presión que genero las edificaciones y así el suelo se fue consolidando pero con el paso del tiempo y el aumento de la demanda del consumo de agua potable, la ciudad se vio en la necesidad de extraer agua de los acuíferos lo que aumento la subsidencia y trajo problemas para controlar este fenómeno, entre los edificios actuales y los históricos”6; En la ciudad de Murcia en España, “por la explotación de acuíferos, especialmente en la época de sequía, desde 1993, el descenso del nivel freático disminuyo a 15 m, lo que causo un gran hundimiento del terreno y afecto a más de 100 edificios”7. En segundo lugar, tenemos la subsidencia causada por obras subterráneas, como es el caso del proyecto del Metro de Bogotá. Ejemplos de este podemos resaltar el Metro de la Ciudad de Madrid, que presento diversos problemas económicos y sociales que causo la postergación de este proyecto durante muchos años.. 3. UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA. Suelos arcillosos de Bogotá, proclives al hundimiento [en línea]. Bogotá: La Universidad citado 10 agosto, 2014. Disponible en Internet: <URL: http://www.agenciadenoticias. unal.edu.co/ndetalle/article/suelos-arcillosos-de-bogota-proclives-al-hundimiento.html>. 4 ARTALEJO, Ana. Subsidencia Ejemplos [en línea]. Bogotá: Wikispaces citado 10 agosto, 2014. Disponible en Internet: <URL: http://cuadernodegeologoanaartalejo.wikispaces.com/file/view/Presentaci%C3%B3n% 20final> 5 TOMAS; HERRERA; DELGADO y PEÑA, Op. cit., p. 299. 6 Ibíd., p. 301. 7 ESCARIO, V.; GARCÍA GONZALES, J.M.a; MOYA, J.F.; OTEO, C.S. y SAGASETA, C. Problemas geotécnicos en torno a la ampliación de la red del metro de Madrid. En: Revista de Obras Públicas. Enero – febrero, 1981. no. 3188, p. 7.. 14.

(15) En 1968, para la ampliación del metro se realizaron reconocimientos más detallados del suelo, lo que dio como resultado una estratificación más clara y que permitió ver que gran parte de los estratos están compuestos por arcillas fuertemente expansivas, las cuales al igual que en Bogotá, son propensos a grandes cambios en la presencia de actividades antrópicas o fenómenos naturales. Este análisis permitió mejorar las características constructivas entre las redes antiguas y nuevas, mejorando el revestimiento de la primera línea con hormigón; En Caracas, la situación es similar a la de Bogotá a nivel social, por la demanda de usuarios del servicio público y el aumento del flujo automovilístico, la ciudad de Caracas se vio en la necesidad de construir cuatro líneas de metro para poder controlar la cantidad de usuarios que estaban accediendo a este medio de transporte. Caracas tiene la ventaja de tener estratos de sueños uniformes a lo largo de la ciudad y estables por su gran contenido de arenas, sin embargo el peso que ejerce las edificaciones, es un problema que la ciudad debe estar controlando y monitoreando para mitigar el hundimiento en las diferentes zonas de la ciudad8.. El mundo es un ejemplo y prueba de lo que puede pasar si no se toman las medidas necesarias para analizar la subsidencia, cuyas consecuencias pueden generar grandes impactos a nivel económico y social. Como ingenieros civiles es nuestro deber mitigar esos errores, ya que la subsidencia no es un fenómeno que se pueda detener, la naturaleza sigue su curso y las actividades antrópicas aceleran este proceso y realizando los análisis pertinentes y detallados antes de cualquier proyecto de infraestructura permitirá minimizar las consecuencias que se podrían dar en un futuro. La subsidencia es un fenómeno que puede desencadenar varios problemas en la infraestructura de una ciudad. Por lo tanto este proyecto permitirá entender la importancia de este fenómeno en la Ingeniería Civil, enfocándose en la subsidencia que se presenta junto a la construcción de obras subterráneas como es el caso de la primeria línea del Metro de Bogotá, teniendo en cuenta el tipo de suelo y el hundimiento ya presente. 1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA A lo largo del tiempo se han presentado en diferentes países hundimientos de gran extensión de suelo, perjudicando zonas urbanas que son la más afectadas debido a las diferentes infraestructuras existentes perjudicando así a los edificios, instalaciones y pavimentos, este fenómeno se conoce como subsidencia causado por hundimientos de la superficie terrestre debido a la extracción de fluidos de fuentes subterráneas, la construcción de túneles, descenso del nivel freático, disolución natural del terreno y lavado de materiales por efecto del agua, excavaciones profundas entre otros. Estos cambios en la superficie pueden variar a velocidades tanto en segundos como en periodos largos (años). 8. ESPINOZA CHAVARRÍA, Donald Agustín. Análisis de subsidencia producida por la excavación de túneles de la línea 4 del metro de Caracas, aplicando el método de los elementos finitos. Caracas: Universidad Central de Venezuela. Facultad de Ingeniería. Modalidad Trabajo de Grado, 2005. p. 3.. 15.

(16) Una de las principales ciudades donde se ha identificado este fenómeno es en Bogotá, el hundimiento continuo ha originado situaciones que amenazan a la población debido que ha tenido un desarrollo en terrenos que están conformados por suelos blandos de origen lacustre, como también presenta bajo nivel freático y suelo saturado en algunas zonas, pero lo que más influye en este comportamiento es que la ciudad se encuentra en una zona sísmica. Además lo que más preocupa y es una de las principales causas de la subsidencia en Bogotá son las excavaciones subterráneas como las extracciones de aguas que ocasionan hundimientos en las edificaciones aledañas. “Durante años las diferentes administraciones de Bogotá han pensado en apostarles a grandes proyectos que contribuya en el desarrollo de la infraestructura de la capital. Uno de los proyectos más ambiciosos que se presenta en la capital dentro del ámbito de movilidad es la construcción de la primera Línea del Metro en Bogotá. La capital alberga a 7.776.845 habitantes”9 según el último estudio de la Alcaldía de Bogotá la necesidad del metro es urgente debido a que en el “En el 2018, Bogotá colapsará sin un sistema de transporte masivo subterráneo”10 y los sistemas de transporte que tenemos no tienen la capacidad para transportar a miles de habitantes. Debemos entender que al ser una obra compleja requiere mayor elaboración en los estudios geológicos, debido a que es la base para establecer los cimientos en la construcción del metro, ya que recopila información detallada sobre las propiedades y características de los suelos y la identificación de escenarios potencialmente riesgosos. Para ello se han dispuestos monitoreo geotécnicos este con el fin de ajustar diseños durante la construcción y para controlar y verificar la afectación que se pueda tener dentro del ámbito ambiental y en las construcciones aledañas, en algunos estudios afirman que en “Evaluaciones hechas por varias entidades prueban que hay sectores que se deprimen hasta 7.5 centímetros por año. Obras como el futuro metro deberán tener en cuenta este fenómeno”11. El tramo III de la PLMB es de especial cuidado debido a la calidad del suelo y a las edificaciones aledañas, ya que la zona es de patrimonio histórico, la base de este proyecto se enfocará en saber si es posible estimar de manera teórica la subsidencia causada por la construcción de la PLMB en el tramo III.. DANE. Proyecciones de la población CD-ROM. Bogotá: El DANE, 2013. Estimaciones De Población 1985 - 2005 Y Proyecciones De Población 2005 - 2020 Total Departamental Por Área. 10 ALCALDIA MAYOR DE BOGOTÁ. El metro de Bogotá [en línea]. Bogotá: La Alcaldía citado 20 agosto, 2014. Disponible en Internet: <URL: www.metrodebogota.gov.co>. 11 UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA. Suelos arcillosos de Bogotá, proclives al hundimiento [en línea]. Bogotá: La Universidad citado 10 agosto, 2014. Disponible en Internet: <URL: http://www.agenciadenoticias. unal.edu.co/ndetalle/article/suelos-arcillosos-de-bogota-proclives-al-hundi miento.html>. 9. 16.

(17) 1.3 OBJETIVOS 1.3.1 Objetivo General. Estudiar los fenómenos de la subsidencia y las implicaciones que puede generar en diferentes edificaciones en el Tramo III para la construcción de la primera línea del metro de Bogotá PLMB. 1.3.2 Objetivos Específicos. Recopilación de información relacionada con la identificación de las causas que conllevan a la subsidencia en la construcción de este tipo de estructuras. Analizar las consecuencias de las obras subterráneas en diferentes construcciones sobre el Tramo III de la Primera Línea del Metro de Bogotá PLMB. Estimar de manera teórica la subsidencia en determinados sitios del Tramo III. Buscar alternativas para mitigar el impacto de la subsidencia en Bogotá.. 17.

(18) 2. MARCO REFERENCIAL 2.1 MARCO CONCEPTUAL 2.1.1 Túnel. Es una obra subterránea lineal, horizontal, pero que en algunos casos, por motivos especiales, tiene un ángulo superior a 30º con respecto a la superficie terrestre, dependiendo de las dificultades que se presenten a nivel geotécnico y de topografía. El objetivo principal es ser un medio de comunicación entre dos puntos, para realizar el transporte de personas, materiales, entre otros. El desarrollo en la construcción de túneles y nuevas técnicas de perforación llegaron a la conclusión de que la meta para llevar a cabo este proceso es perturbar lo mínimo posible las condiciones del terreno excavado, ya que al comenzar la excavación de un túnel, el terreno se encuentra en un estado de equilibrio, a lo largo del avance de la excavación, este estado de equilibrio se ve alterado y se produce una descompresión del terreno, por este motivo, será necesario adoptar métodos constructivos que permitan evitar y limitar al máximo los efectos de dicha descompresión en la zona de la excavación. Esta descompresión del terreno va acompañada de un efecto de dilatación y de una pérdida irremediable de sus características geomecánicas, de tal forma, que en un terreno descomprimido, la estabilidad del conjunto sólo puede ser asegurada mediante la ejecución de un sostenimiento del terreno12.. La geometría básica del túnel es un arco continuo. Debido a que los túneles debe soportar una tremenda presión por todos lados, el arco es una forma ideal, ya que por estática se puede establecer las fuerzas que interactúan para producir el equilibrio en las estructuras, como túneles y puentes: La tensión, que se expande, o tira, el material De compresión, lo que reduce, o aprieta el material Esquila, lo que hace que las piezas de un material se deslice un pasado otro en direcciones opuestas De torsión, que tuerce un material El túnel debe oponerse a estas fuerzas con materiales fuertes, tales como mampostería, acero, hierro y hormigón (véase la Figura 1).. 12. REY SABÍN, Alberto; PARDO FERNÁNDEZ, Gabriel y HURTADO AGRA, Raúl. Túneles y Obras Subterráneas. Madrid: Sika S.A.U, 2010. p. 103.. 18.

(19) Figura 1. Estática de Tunel. Fuente. ARANCIBIA, Fernando. Construcción de Túneles en línea. Bogotá: Ingeniería y Construcción citado 20 agosto, 2014. Disponible en Internet: <URL: http://facingyconst.blogspot.com/2011/02/construccion-de-tuneles.html> Con el fin de permanecer estático, el túnel debe estar en la capacidad de soportar las cargas que les impone. Carga muerta se refiere al peso de la propia estructura, mientras que la carga viva se refiere al peso de los vehículos y las personas que se mueven a través del túnel. 2.1.2 Sistema constructivo en Tramo Subterráneo. La excavación de túneles ha ido evolucionando con el tiempo dando paso a nuevos sistemas y métodos desarrollados regionalmente en función de las características geomecánicas de los materiales existentes. Así por ejemplo, en cuanto a túneles ejecutados por fases, se pueden diferenciar el Nuevo Método Austriaco de Construcción de Túneles (NATM), el Método Alemán, y el Método Belga, en los que la sección completa se divide en secciones más pequeñas, que se excavan y estabilizan para dar lugar a la sección completa posteriormente (véase la Figura 2).. 19.

(20) Figura 2. Componentes de un Túnel. Fuente. Debido a que la construcción de la PLMB es 100% subterránea, se pueden encontrar diferentes materiales, por ejemplo, arcillas blandas de alta plasticidad, arenas y gravas con permeabilidad alta, depósitos coluviales con rocas de gran tamaño, esto acompañado de niveles piezométricos cercanos a la superficie. La construcción de túneles debe tener en cuenta la estratigrafía probable, condiciones hidrogeológicas, geotécnicas entre otros para desarrollar el posible trazado del metro, para así garantizar seguridad en la obra, evitar fenómenos de subsidencia, deformaciones del túnel ya sentamientos en superficie. Para la realización del túnel se tiene en cuenta dos métodos: Método Cut and Cover. Métodos tradicionales. Métodos con máquinas Tuneladoras. TBM. 2.1.2.1 Método Cut and Cover (Cielo Abierto- Muros Pantalla). Es una excavación en trinchera que se hace a cielo abierto mediante muros de pantalla, funciona para túneles de profundidad menor de 15 metros. El ancho de la trinchera entre las pantallas varía de 12-15 metros. Proceso de Construcción: Construcción de muros pantalla, cumple la función de contención de tierras y limita el desplazamiento del terreno durante la excavación. Se retira el material hasta los niveles de apuntalamiento con anclajes o vigas de concreto armado se va avanzando hasta alcanzar la profundidad, esto depende del diseño definitivo, y después se funde la solera del túnel.. 20.

(21) Se hace un tratamiento en la solera del túnel para evitar sifonamiento o levantamiento. Para la construcción de la sección del túnel, se hace mediante un encofrado convencional, es decir, se apoya en la contra bóveda, y luego se funde todos los elementos del túnel. Se rellena hasta la superficie y se realiza los acabados de la superficie del terreno y redes de servicio y se hace la debida permeabilización. Ventajas: Reduce es costo, plazo y seguridad En cuanto a subsidencia si se hace el debido procedimiento se evita este fenómeno e impedimento de las “barrigas” a las pantallas Disminuye la afectación de niveles freáticos en el terreno, así permitiendo un control de las subsidencias. Aprovechamiento de espacios generados por la clave del túnel y la superficie, para crear espacios comerciales, aparcamiento o estaciones de buses. Desventajas: Interferencia con redes de servicio públicos e interrupción del tráfico en la zona de trabajo. Requiere sistemas de estabilización en el fondo de la excavación para evitar levantamiento. Se genera subsidencia por el abatimiento de niveles de agua. Para evitar fallas en la profundidad de la excavación debido al no control de las subpresiones es necesario utilizar micropiltotes de anclaje lo que genera mayor costo y los rendimientos de la ejecución disminuyen. Para evitar asentamientos en las pantallas se necesitará tratamientos en el terreno en caso de suelos arenosos saturados. y así evitar pérdidas de material por el flujo de agua. 2.1.2.2 Métodos Tradicionales. Estos métodos son los más utilizados en la construcción de líneas de metro a nivel mundial debido a su mayor rendimiento y operación más segura.. 21.

(22) Método Belga. Excavación de galería en la clave y ensancharla poco a poco, y apuntalando el frente permitiendo fundir toda la bóveda. Proceso constructivo: Excavación desde la superficie mediante rampas o pozos verticales Se hace la construcción de la bóveda por módulos con el fin de evitar la inestabilidad del terreno. Estas longitudes de avance se van apuntalando por medio de tablas de madera o perfiles metálicos, los avances no deben ser superiores a 2.5 metros. Para la construcción de la sección central, se excava el material dejando un resguardo en los hastiales para contrarrestar el empuje de tierras, este resguarde es de 1 a 1.5 m. Se construye por módulos los hastiales de los dos costados simultáneamente con la bóveda, la excavación de módulos son de 2.5 metros de longitud. Se finaliza con la excavación y fundición de la sección ultima del túnel (solera). Método alemán. Método que se emplea en cavernas y túneles de grandes luces y en donde el terreno es inestable. Proceso constructivo: Excavación desde la superficie mediante rampas o pozos verticales Se construye los hastiales del túnel por secciones excavando los módulos de 2.5 metros de longitud y se apuntalan con tablas o perfiles metálicos para poder fundir con concreto. Hay que tener en cuenta que si la altura del hastial es importante, es decir 5 metro o más la galería se excava en dos fases. Se construye la bóveda del túnel por secciones excavando los módulos de 2.5 metros de longitud y se apuntalan con tablas o perfiles metálicos para poder fundir con concreto. Par permitir la construcción de la bóveda primero se hace la excavación por la clave de la galería. Para el anillo de la bóveda se funde los hastiales primero para después se construye los anillos sobre los estribos de los hastiales. El avance de los módulos se construye simultáneamente con la bóveda, en el cual forman costillas con un ancho de 2m. Se excava la sección inferior del túnel para formar la contrabóveda.. 22.

(23)  Y por último se excava la parte restante y se funde para formar solera. Nuevo Método Austriaco (NATM). Su principal objetivo es la resistencia del terreno como sistema de sostenimiento, hoy en día, la aplicación del NATM está generalizada en casi todos los proyectos de realización de túneles Proceso constructivo: Excavación desde la superficie mediante rampas o pozos verticales La construcción de la bóveda es total, es decir, no hay secciones, las excavaciones son con explosivos. Se recubre la sección excavada por medio de concreto reforzado de 15 a 20 cm de espesor. Se hace una medición para deformación del túnel. La contra bóveda y los hastiales se hace con el método tradicional. Ventajas. Debido a que son métodos por secciones a medida que se avanza este permite adaptarse a diferentes terrenos y así poder controlar la estabilidad. Disminuye impacto ambiental. Construcción flexible, debido a que trabajan varios frentes. Si hay una adecuada construcción se evita problemas de subsidencias. Desventajas Se presenta impermeabilidad, debido a las presencia de juntas de construcción, afectando entonces, el acabado superficial de la obra. Estos métodos requiere mano especializada lo que eleva el costos dela obra. Las medidas de seguridad deben ser altas debido a que son excavaciones de alto riesgo y por ende se deben implementar medidas estrictas.. 23.

(24) Principios básicos: Los estados adversos de tensión y deformación en el terreno, se deberán corregir mediante un método de sostenimiento apropiado para cada tipo de terreno. En casos desfavorables, la ejecución de una contrabóveda aportará el arco resistente deseado, obteniéndose así, unas propiedades estáticas similares a las de un tubo. El tipo de sostenimiento se irá optimizando de acuerdo con las deformaciones máximas admisibles que presente el terreno. Deberá llevarse un seguimiento exhaustivo de las mediciones generales de control (convergencias), realizando constantes ensayos de optimización del sostenimiento. Como consecuencia de todo ello, la correcta utilización del NATM supone: Ejecución de procedimientos de excavación cuidadosos. Elección de la mejor sección de excavación posible, permitiendo además su adaptación a las condiciones específicas mecánicas de la roca y la distribución de tensiones. El sistema de excavación deberá de adaptarse a las propiedades del terreno encontrado. La estabilidad del frente sin sostenimiento, la elección correcta de la voladura y la longitud del avance, juegan un importante papel para elegir el método operacional más factible y económico. Los principios específicos del NATM son: El sistema está concebido como una estructura combinada, consistente en una formación del terreno alrededor de la excavación, y varios métodos de sostenimiento, tales como, hormigón proyectado, refuerzos y armados, bulones, cerchas, etc. El estado tridimensional de la tensión y los esfuerzos son compatibles con las propiedades geomecánicas del terreno. Necesidad de realización de ensayos sobre muestras del terreno tanto “in situ” como en el laboratorio. En todo momento se deberán tener en cuenta los valores geomecánicos del terreno, su variabilidad a largo plazo así como los efectos producidos por las filtraciones de agua existentes. En algunas ocasiones será importante que la propia estructura del soporte tenga una suficiente elasticidad, por lo que en dichos casos ciertas zonas del revestimiento se deberán realizar con un sostenimiento ligero.. 24.

(25) La ejecución del sostenimiento y la colocación de los bulones de anclaje se realizarán en el momento apropiado, con el fin de formar una estructura combinada con el terreno circundante próximo. El periodo de excavación sin sostenimiento, así como la ejecución de una contrabóveda, se considerará en función de la distribución de las presiones del terreno, y teniendo en cuenta las características geológicas del mismo, además de los tiempos de las operaciones de excavación. Las constantes mediciones e inspecciones visuales del terreno, así como los diferentes tipos y secciones de sostenimiento, caracterizan el NATM. El revestimiento definitivo se dimensionará de acuerdo con los cambios de presión resultantes de la alteración del terreno13.. 2.1.2.3 Métodos con Maquinas Tuneladoras TBM. Es una máquina capaz de excavar túneles a sección completa, a la vez que colabora en la colocación de un sostenimiento si este es necesario, ya sea en forma provisional o definitiva. La excavación se realiza normalmente mediante una cabeza giratoria equipada con elementos de corte y accionada por motores hidráulicos. Los rendimientos conseguidos con tuneladoras de cabeza giratoria son elevadísimos si se comparan con otros métodos de excavación de túneles, pero su uso no es rentable hasta una longitud mínima de túnel a excavar: hace falta amortizar el precio de la máquina y eclipsar el tiempo que se tarda en diseñarla, fabricarla, transportarla y montarla (que puede llegar a los dos años). Además, los túneles a excavar con tuneladora tienen que tener radios de curvatura elevados porque las máquinas no aceptan curvas cerradas, y la sección tiene que ser circular en túneles excavados con cabeza giratoria. Tipos de Tuneladora. Topos: Los topos son tuneladoras diseñadas para excavar rocas duras o medianas, sin demasiadas necesidades de sostenimiento. Su diferencia fundamental con los escudos es que no están dotados de un cilindro de acero tras la rueda de corte que realiza la función de entibación provisional. La fuerza de empuje se transmite a la cabeza de corte mediante cilindros (cilindros de empuje). La reacción producida se transmite al hastial del túnel mediante los grippers (fuerza de anclaje). Los grippers también compensan el par producido por la cabeza de corte, que se transmite a éstos a través de la viga principal. Cuando se ha terminado un ciclo de avance, se necesita reposicionar las zapatas de agarre (grippers), para la cual se apoya la viga principal en el apoyo trasero. Una. 13. REY SABÍN; PARDO FERNÁNDEZ y HURTADO AGRA, Op. cit., p. 15-16.. 25.

(26) vez anclados los grippers en su nuevo emplazamiento, se libera el apoyo trasero y se inicia un nuevo ciclo de avance14.. Figura 3. Tuneladora Tipo Topo. Fuente. WIKIPEDIA. Tuneladora tipo topo en línea. Bogotá: Wikipedia citado 20 agosto, 2014. Disponible en Internet: <URL: http://es.wikipedia.org/wiki/ Tuneladora#mediaviewer/File:Tunnel_Boring_Machine_(Yucca_Mt).jpg> Escudos. Los escudos son tuneladoras diseñadas por excavar rocas blandas o suelos, terrenos que necesitan sistemáticamente la colocación de un sostenimiento. A diferencia de los topos, los escudos cuentan con una carcasa metálica exterior (que da el nombre a este tipo de máquina) que sostiene provisionalmente el terreno desde el frente de avance hasta algo más allá de donde se coloca el sostenimiento definitivo, normalmente consistente en anillos formados por unas 7 dovelas. De este modo, se garantiza en todo momento la estabilidad del túnel. A menudo están preparadas para avanzar bajo el nivel freático. Si se trata de una tuneladora de cabeza giratoria, suele estar equipada con picas, rastreles o "rippers" (elementos que arrancan los suelos) y cortadores (elementos que rompen por identación la roca). También dispone de una serie de aperturas, frecuentemente regulables, por donde el material arrancado pasa a una cámara situada tras la rueda de corte y desde donde se transporta posteriormente hacia el exterior de la máquina. Tras esta cámara se alojan los motores y el puesto de mando de la máquina, espacios completamente protegidos por la carcasa metálica. Seguidamente está todo el sistema de perforación: primero los cilindros perimetrales (con un recorrido entre 1,20 y 1,50 m). Estos gatos perimetrales se apoyan contra el último anillo colocado de dovelas del revestimiento definitivo del túnel. Cuando UNIVERSIDAD DE SUCRE. Clasificación y tipos de máquinas de movimiento y excavación en línea. Sincelejo: La Universidad citado 20 agosto, 2014. Disponible en Internet: <URL: https://vagosdeunisucre.files.wordpress.com/2013/12/primera-clase-de-maquinarias-movimiento-detierras.pdf> 14. 26.

(27) finaliza el recorrido de los cilindros de avance, se coloca un nuevo anillo de dovelas (en el interior de la carcasa, que se extiende algo más allá, de forma que el túnel siempre está sostenido) y se empieza un nuevo ciclo de excavación. Una inyección de mortero o grasa es necesaria para llenar el vacío de 7 a 9 cm de grueso entre las dovelas y el terreno excavado15.. Figura 4. Tuneladora Tipo Escudo. Fuente. BIOCEANICO. Tecnología en línea. Bogotá: La Empresa citado 20 agosto, 2014. Disponible en Internet: <URL: http://www.bioceanicoaconc agua.com/tecnología> Se distinguen dos grandes grupos de escudos, de entre los que se distinguen las tipologías que se explicitan a continuación: Escudos de frente abierto: se usan cuando el frente del túnel es estable. El sistema de excavación puede ser manual, mediante brazo fresador, con un brazo excavador o con una cabeza giratoria. En algunos casos, se puede colaborar con la estabilidad del frente una vez acabado cada ciclo con unos paneles a modo de reja. Con este tipo de máquina, si la cabeza no es giratoria, es posible trabajar con secciones no circulares. Escudos de frente cerrado: se usan cuando el frente del túnel es marcadamente inestable, por ejemplo en terrenos no cohesivos, saturados de agua, etc. La sección excavada ha de ser circular. tiene varios tipos: Escudos con cierre mecánico: la entrada y salida de material en el cuarto de tierras se regula mediante dos puertas de apertura controlada hidráulicamente. La máquina tiene limitaciones con presencia de agua. Escudos presurizados con aire comprimido: prácticamente no se usan. UNIVERSIDAD DE SUCRE. Clasificación y tipos de máquinas de movimiento y excavación en línea. Sincelejo: La Universidad citado 20 agosto, 2014. Disponible en Internet: <URL: https://vagosdeunisucre.files.wordpress.com/2013/12/primera-clase-de-maquinarias-movimiento-detierras.pdf>. 15. 27.

(28) Escudos de bentonita o hidroescudos: con la inyección de bentonita se consigue estabilizar el terreno por sus propiedades tixotrópicas y facilitar el transporte de material mediante bombeo. Escudos de balance de presión de tierras o EPBs: el material es extraído del cuarto de tierras mediante un tornillo de Arquímedes. Variando la fuerza de empuje de avance y la velocidad de extracción del tornillo, se consigue controlar la presión de balance de las tierras, para que ésta garantice la estabilidad del frente y se minimicen los asentamientos en superficie. Para facilitar la evacuación de productos poco plásticos con tornillos, a menudo se han de inyectar productos químicos por aumentar la plasticidad de los terrenos. Hoy en día, las EPB son la tecnología predominante en cuando a excavación de túneles bajo nivel freático16.. 2.1.3 Consolidación de Suelos. Es la reducción de volumen de los suelos finos cohesivos (arcillas y limos plásticos), la cual es provocada por la presencia de cargas sobre la superficie del suelo y ocurre en el transcurso de un tiempo generalmente largo. Esta consolidación produce asientos, es decir, hundimientos verticales, en el caso que estas se producen en gran magnitud, las construcciones pueden llegar a fallar, perdiendo su estabilidad. Al observar los depósitos de material muy suaves situados en el fondo de una masa de agua, por ejemplo un lago, se nota que el suelo reduce su volumen conforme pasa el tiempo y aumentan las cargas sobre el suelo, se les llama proceso de consolidación. Frecuentemente ocurre que durante el proceso de consolidación permanece esencialmente igual la posición relativa de las partículas sólidas sobre un mismo plano horizontal, por lo tanto la consolidación solo se da en el plano vertical, a esto se le conoce como consolidación unidimensional. La consolidación de un suelo es un proceso lento, puede durar meses y hasta años. Es un proceso asintótico, es decir, que al comienzo es más veloz, y se va haciendo cada vez más lento, hasta que el suelo llega a una nueva situación de equilibro en la que ya no se mueve. El no tomar en cuenta este posible movimiento del suelo al proyectar una estructura sobre él puede llevar a consecuencias catastróficas tales como la inclinación, fisuración e incluso el colapso de la misma. En muchos casos es necesario pre-consolidar el suelo antes de proceder a la construcción de una obra importante, como puede ser, por ejemplo, un edificio o una carretera. La preconsolidación se hace el terreno con un peso semejante o mayor que el que deberá. UNIVERSIDAD DE SUCRE. Clasificación y tipos de máquinas de movimiento y excavación en línea. Sincelejo: La Universidad citado 20 agosto, 2014. Disponible en Internet: <URL: https://vagosdeunisucre.files.wordpress.com/2013/12/primera-clase-de-maquinarias-movimiento-detierras.pdf>. 16. 28.

(29) soportar una vez construida la obra, para esto se deposita en la zona interesada una cantidad de tierra con el peso equivalente de la obra17.. Figura 5. Consolidación Primaria (unidimensional).. Fuente. WIKIPEDIA. Consolidación Primaria (unidimensional) en línea. Bogotá: Wikipedia citado 20 agosto, 2014. Disponible en Internet: <URL: http://es.wikipedia.org/wiki/Consolidaci%C3%B3n_de_suelos#mediaviewer/File:Co nsolidation_spring_analogy.jpg>. 2.1.4 Subsidencia. Es el asentamiento de una zona normalmente llana que experimenta un descenso lento y progresivo del terreno sin que se produzca un movimiento horizontal, causado por la consolidación del suelo. Cuando la deformación y el hundimiento son localizados y de dimensiones reducidas hablamos de un asentamiento, y si se da de manera muy rápida, de colapso. Los hundimientos pueden tener causas naturales (presencia de discontinuidades, disolución, oxidación, compactación, desecación, etc.) o por acciones antrópicas (extracción de recursos geológicos, humidificación excesiva de las arcillas, aumento de la carga, etc.). Este fenómeno geológico es un riesgo natural que afecta a amplias zonas del territorio causando importantes daños económicos y una gran alarma social, sin embargo no suele ocasionar victimas mortales. Es de gran importancia en zonas urbanas, donde los perjuicios ocasionados pueden llegar a ser ilimitados, suponiendo un riesgo importante para edificaciones, canales, conducciones, vías de comunicación, así como todo tipo de construcciones asentadas sobre el terreno que se deforma. La subsidencia del terreno es únicamente la manifestación en superficie de una serie de mecanismos subsuperficiales de deformación. Prokopovich (1979) define desde un punto de vista genético dos tipos de subsidencia: endógena y exógena. El primero de estos términos hace referencia a aquellos movimientos de la superficie terrestre asociados a procesos geológicos internos, tales como pliegues, fallas, vulcanismo, etc. El segundo se refiere a los procesos de deformación superficial relacionados con la compactación natural o antrópica de los suelos. MECANICA DE SUELOS. Teoría de la consolidación de suelos en línea. Caracas: La Empresa citado 20 agosto, 2014. Disponible en Internet: <URL: http://mecanicadesuelos.forovenezuela.net /t43-teoria-de-laconsolidacion> 17. 29.

(30) La subsidencia puede también clasificarse en función de los mecanismos que la desencadenan (Scott, 1979). Las actividades extractivas de mineral en galerías subterráneas, la construcción de túneles, la extracción de fluidos (agua, petróleo o gas) acumulados en reservorios subterráneos, el descenso de nivel freático por estiajes prolongados, la disolución natural del terreno y lavado de materiales por efecto del agua, los procesos morfotectónicos y de sedimentación o los procesos de consolidación de suelos blandos u orgánicos, son algunas de las causas de los procesos de subsidencia (González Vallejo et al., 2002)18.. En el Cuadro 1 se muestra un esquema de los diferentes tipos de subsidencia existentes. Cuadro 1. Tipos de Subsidencias En Sal POR DISOLUCION En Yeso SUBTERRANEA En Rocas POR CONSTRUCCION DE OBRAS SUBTERRANEAS O GALERIAS MINERAS. POR EROSION SUBTERRANEA (TUBIFICACIÓN O PINING) Rocas Salinas POR FLUJO LATERAL Arcillas Por Carga Por Drenaje POR COMPACTACIÓN Por Vibración Por Extracción de Fluidos Por Hidrocompactación TECTONICA Fuente. TOMAS, Roberto; HERRERA, Gerardo; DELGADO, José y PEÑA, Fernando. Subsidencia del terreno. En: Enseñanzas de las Ciencias de la Tierra. Junio – agosto, 2009. vol. 17, no. 3, p. 296. 2.1.4.1 Métodos de Medida de la Subsidencia. Los métodos de medida de las deformaciones del terreno pueden servir para estimar distintas magnitudes de la deformación estudiada como, por ejemplo, los desplazamientos relativos entre dos cuerpos, los movimientos absolutos, las inclinaciones, los desplazamientos en una dirección, los movimientos en profundidad, etc. Considerando la descripción que establece para la Ingeniería Cartográfica, podemos diferenciar cuatro métodos de medida de las deformaciones de la superficie terrestre: métodos topográficos convencionales, métodos geodésicos, métodos fotogramétricos y métodos de teledetección. Sin embargo para este proyecto el enfoque va a ser los métodos topográficos los cuales son usados actualmente. 18. TOMAS; HERRERA; DELGADO y PEÑA, Op. cit., p. 295.. 30.

(31) Métodos topográficos convencionales: Bajo este término se engloban todas aquellas técnicas propias de la Cartografía clásica terrestre. Hasta hace relativamente poco tiempo constituían el único sistema válido y eficaz para llevar a cabo la medida de deformaciones de la superficie terrestre sin cometer grandes errores19.. Cuadro 2. Técnicas Topográficas Clásicas. METODO USO PRECISIÓN Nivelació trigonométrica o por Variación de la altitud 20mm pendientes Nivelación geometrica o por alturas Variación de la altitud ± 1mm/km Nivelación geometrica de precisión Variación de la altitud ± 0.1mm/km Triangulación topografica Desplazamiento de 5-10mm blancos móviles Poligonal Desplazamiento de 5-10mm blancos móviles Distanciómetro electroóptico (MED) Desplazamiento de 7mm±1-5ppm blancos móviles Fuente. TOMÁS, Roberto; DELGADO, José y LÓPEZ SÁNCHEZ, Juan Manuel. Técnicas de ingeniería cartográfica empleadas en el estudio de subsidencia y movimientos de ladera: principales características y análisis comparativo en línea. Alicante: Escuela Politécnica Superior de Alicante citado 2 septiembre, 2014. Disponible en Internet: <URL: http://www.academia.edu/3676185/T% C3%A9cnicas _de_ingenier%C3%ADa_cartogr%C3%A1fica_empleadas_en_el_estudio_de_sub sidencia_y_movimientos_de_ladera_principales_caracter%C3%ADsticas_y_an%C 3%A1lisis_comparativo> Su fundamento se basa en la medida de las variaciones de las coordenadas de una serie de puntos durante un determinado intervalo de tiempo. Para ello se han de repetir las medidas de las coordenadas (-X, -Y, -Z) de los puntos de control, varias veces, en diferentes instantes, para así determinar si se ha producido o no variación en cualquiera de las tres direcciones del sistema de referencia. Las lecturas estos puntos de control suele realizarse desde unos puntos de coordenadas conocidas denominados bases topográficas que han de permanecer fijas durante todo el periodo de lectura. Los métodos topográficos pueden clasificarse en dos grandes grupos, altimétricos y planimétricos. Otro método utilizado en el estudio de fenómenos de inestabilidad. 19. TOMÁS, Roberto; DELGADO, José y LÓPEZ SÁNCHEZ, Juan Manuel. Técnicas de ingeniería cartográfica empleadas en el estudio de subsidencia y movimientos de ladera: principales características y análisis comparativo en línea. Alicante: Escuela Politécnica Superior de Alicante citado 2 septiembre, 2014. Disponible en Internet: <URL: http://www.academia.edu/3676185/T% C3%A9cnicas_de_ingenier%C3 %ADa_cartogr%C3%A1fica_empleadas_en_el_estudio_de_subsidencia_y_movimientos_de_ladera_principal es_caracter%C3%ADsticas_y_an%C3%A1lisis_comparativo>. 31.

(32) de laderas es el de medición de distancias reales, cuya finalidad es determinar la variación de la distancia existente entre el punto de control y la base de referencia. Métodos geodésicos. La Geodesia permite determinar las coordenadas de la proyección de los puntos sobre la superficie terrestre, así como la altura sobre el nivel del mar (geoide) o de forma más precisa a una superficie arbitraria que sirve de fundamento para el cálculo de los puntos geodésicos, que recibe el nombre de elipsoide de referencia. Los Sistemas de Posicionamiento Global (Global Positioning Systems, GPS), la Determinación de Órbitas y Radioposicionamiento Integrado por Satélite (Determination d’Orbites et Radio-Positionnement Intégrés par Satellite, DORIS) y la Telemetría de Láser por Scanner (Scanner Laser Ranging,SLR) constituyen las principales técnicas geodésicas empleadas en el estudio de las deformaciones de la superficie terrestre. Métodos fotogramétricos. La fotogrametría es una técnica consistente en la obtención de las tres dimensiones de una escena a partir de pares de fotografías de la misma, denominados fotogramas, tomadas bajo distintos ángulos. Existen tres métodos fotogramétricos. El primero de ellos es la fotogrametría terrestre, en la que, como su nombre indica, los pares de fotogramas se obtienen desde tierra estacionando el instrumental a distancias inferiores a 200 metros de la zona a restituir, proporcionando una precisión de hasta 40 mm. Este sistema es más apropiado para el estudio de fenómenos de pequeña envergadura que ocupan áreas reducidas. La fotogrametría aérea constituye el segundo método fotogramétrico. A diferencia del anterior, la cámara se sitúa sobre una plataforma aérea (avión o helicóptero), siendo la altura de vuelo inferior a 500 metros. La precisión obtenida con la fotogrametría aérea es de unos 100 mm, barriendo amplias áreas. El procesado de las imágenes permite construir un modelo digital del terreno (MDT) de la zona de interés. La comparación de los MDTs obtenidos en diferentes intervalos de tiempo a través de la fotogrametría, permite comparar los cambios superficiales que se han producido en la zona. La principal ventaja de la fotogrametría es que permite obtener una visión global de la zona deformada y no sólo de algunos puntos de la misma, tal y como ocurre con otros métodos de control de deformaciones. La fotogrametría satélite se basa en los mismos principios que la aérea. La diferencia estriba en que las imágenes estereoscópicas son adquiridas desde una plataforma espacial. Hasta el momento las precisiones conseguidas son bajas. No obstante, la mejora de las imágenes de satélite introducida por una nueva generación de satélites en el mercado como el SPOT V y el ASTER, capaces de adquirir dos imágenes en una misma órbita, ha hecho que la fotogrametría de satélite pueda llegar a competir con la fotogrametría aérea, permitiendo la fotointerpretación manual o la correlación automática de los pares20.. 20. TOMÁS, Roberto; DELGADO, José y LÓPEZ SÁNCHEZ, Juan Manuel. Técnicas de ingeniería cartográfica empleadas en el estudio de subsidencia y movimientos de ladera: principales características y análisis comparativo en línea. Alicante: Escuela Politécnica Superior de Alicante citado 2 septiembre, 2014. Disponible en Internet: <URL: http://www.academia.edu/3676185/T% C3%A9cnicas_de_ingenier%C3%Ada _cartogr%C3%A1fica_empleadas_en_el_estudio_de_subsidencia_y_movimientos_de_ladera_principales_car acter%C3%ADsticas_y_an%C3%A1lisis_comparativo>. 32.

(33) 2.1.4.1 Métodos para Reducir la Subsidencia. Pueden distinguirse diferentes procedimientos: Refuerzo de cimientos de las estructuras próximas, recalzando con micro pilotes, llevando a estos hasta una zona que no se prevean movimientos. Este sistema se ha utilizado, a veces, a posteriori, una vez introducidos los daños. Ejecución de paredes continuas de protección, situadas entre el edificio y el túnel, que pueden ser realizadas con pantallas continuas (ancladas o no), pilotes tangentes, jet-grouting, etc. Refuerzos del terreno mediante inyecciones en la zona de la bóveda, mediante “paraguas” de jet-gruting, reforzado el frente con bulones de fibra de vidrio, etc. Compensación de asientos mediante inyecciones de compensación, creando un bulbo que empuje el terreno y compense los asientos. Esta operación debe iniciarse un poco antes de llegar el túnel y realizarse en varias fases para compensar los movimientos que se vallan produciendo. Esta técnica se ha utilizado en diversos metros (Baltimore, Washington, Caracas, Londres, etc.) y las inyecciones pueden hacerse desde superficie o desde pozos verticales. Cambios del proceso constructivo, introduciendo mejoras o adecuando el diseño, inyectando huecos entre sostenimiento y terreno, acortando el plazo de apertura de galerías, disminuyendo el área del frente que se abre de una sola vez, rigidizando sostenimientos relativos, etc21.. 2.1.5 Subsidencia de Túneles. Los túneles son estructuras subterráneas caracterizadas por estar rodeadas de un macizo rocoso, esta condición hace que la influencia geológica sea mayor que en cualquier otro tipo de construcción. Bajo el punto de vista geológico y geotécnico los principales factores a considerar en un túnel son los siguientes: 2.1.5.1 Características del Macizo Rocoso. Tipo y distribución de las rocas: litología, petrología, mineralogía, estratigrafía. Propiedades de la roca matriz: resistencia, deformabilidad y durabilidad. Propiedades del macizo rocoso. Orientación de la estructura y sus discontinuidades principales con respecto al eje del túnel. Espesor y competencia de los recubrimientos.. GUIJARRO, Emilio. Deformaciones en Túneles Convergencia Subsidencia en línea. Bogotá: Scribd citado 25 agosto, 2014. Disponible en Internet: <URL: http://es.scribd.com/doc/136450479/Deformaciones-enTuneles-Convergencia-Subsidencia> 21. 33.

(34) 2.1.5.2 Condiciones Ambientales. Presiones intersticiales y régimen hidrogeológico. Temperatura. Gases. Estabilidad de laderas. Alteraciones de acuíferos. El conocimiento de cada uno de los citados factores básicos precisa de adecuados reconocimientos del terreno o investigaciones in situ cuyos resultados constituirán la principal fuente de información que permitirá abordar el estudio geológicogeotécnico del túnel y el diseño de la excavación. La excavación de terreno en una obra subterránea introduce una clara alteración en el estado tensional inicial del mismo, con tendencia de producir tracciones horizontales en clave, de compresión entre a superficie y la clave del túnel. Lo anterior tiene como consecuencia la inducción de un campo de deformaciones sobre el terreno, que tiende a cerrarse en torno a la excavación. Esto significa que existirán movimientos de la superficie, vertical (asiento) y horizontal, aunque este tipo de movimiento muchas veces se omite, este es el fenómeno que se conoce como Subsidencia y es de gran importancia en los túneles urbanos por la repercusión de estos movimientos no uniformes en los edificios que se encuentras sobre la superficie. Al movimiento que se presenta en la superficie es de especial cuidado ya que en la superficie o cerca a esta se encuentra las cimentaciones de los edificios próximos, a la zona en la que se realiza el proyecto. No existe forma de predecir el comportamiento de las construcciones frente a la alteración de la superficie en la que se encuentra, la construcción de un túnel como se mencionó anteriormente afecta a las estructuras que se encuentran sobre la superficie y la presión que ejercen estas alteran los movimientos del suelo alrededor del túnel (véase la Figura 6). Figura 6. Subsidencia por Obras Subterráneas. Fuente. TOMAS, Roberto; HERRERA, Gerardo; DELGADO, José y PEÑA, Fernando. Subsidencia del terreno. En: Enseñanzas de las Ciencias de la Tierra. Junio – agosto, 2009. vol. 17, no. 3, p. 296.. 34.

(35) 2.1.5.3 Daños a Edificaciones por Subsidencia. En áreas urbanas la subsidencia del terreno puede afectar a estructuras existentes tanto a nivel superficial como a nivel subterráneo. La predicción de la deformación inducida por la excavación de túneles los riesgos de daños por asentamiento es una parte esencial de la planificación, diseño y construcción de túneles en ambientes urbanos. Existen métodos de diseño que son utilizados para evaluar los daños que se pueden dar hacia las construcciones para proyectos de túneles (véase la Figura 8). El método consta de tres etapas, el asentamiento preliminar, es la etapa en la cual no se considera la presencia de la edificación y se evalúan los asentamientos de campo, Rankin (1988) provee pautas de cómo el asentamiento máximo y la pendiente máxima del edificio afecta el daño potencial, cuando esta relación es menos a 10mm el daño en un edificación es despreciable; La segunda etapa de asentamiento, la construcción esta representadas como una viga elástica, de esta manera se puede obtener la magnitud de los esfuerzos; Finalmente esta una evaluación detallada, en donde se tiene en cuenta la edificación y construcción del túnel, esto incluye un detalle tridimecional de la construcción del túnel y la orientación de la edificación con respecto al túnel, adicional a esto se debe tener en cuenta la interacción entre el suelo y la estructura, ya que este es un factor clave de cómo la influencia del edificio reduce la deformación22.. Figura 7. Descenso del Nivel del Terreno por la Presión de las Estructuras.. Fuente. TOMAS, Roberto; HERRERA, Gerardo; DELGADO, José y PEÑA, Fernando. Subsidencia del terreno. En: Enseñanzas de las Ciencias de la Tierra. Junio – agosto, 2009. vol. 17, no. 3, p. 297.. 22. ESPINOZA CHAVARRÍA, Op. cit., p. 10.. 35.

(36) Categoría del daño: Burland (1977) distingue tres criterios donde se consideran los daños a edificios: Apariencia visual. Funcionamiento de servicios. Estabilidad. Ellos concluyen que la apariencia visual de un edificio podría ser afectada cuando los elementos estructurales muestran desviaciones verticales y horizontalmente, es necesario aclarar que un daño visual es difícil de cuantificar y depende de un criterio subjetivo. Sin embargo Burland propone un sistema de categorías de daños basados en aligerar la reparación (véase el Cuadro 3). Cuadro 3. Clasificación de daños visibles a paredes con referencia a la factibilidad de reparación. Burland (1995).. Fuente. ESPINOZA CHAVARRÍA, Donald Agustín. Análisis de subsidencia producida por la excavación de túneles de la línea 4 del metro de Caracas, aplicando el método de los elementos finitos. Caracas: Universidad Central de Venezuela. Facultad de Ingeniería. Modalidad Trabajo de Grado, 2005. p. 31. En el Cuadro 3 anterior el ancho de las grietas se toma como un indicador opcional en lugar de ser una medida directa cuyo énfasis está basado sobre la facilidad de. 36.

(37) reparación. El grado de severidad dado en la tabla solo aplica a edificaciones domesticas estándar y edificios. 2.1.6 Subsidencia por el Descenso del Nivel Freático. La extracción de fluidos ha provocado grandes daños alrededor del mundo y según Corapcioglu y Brtsaert (1977), el fenómeno más corriente de extracción de fluidos es cuando se extrae recurso hídrico de los acuíferos. La extracción de agua del subsuelo destaca entre todas las causas por su importancia y significación, asimismo, las zonas de subsidencia importante corresponden al bombeo desde acuíferos confinados. La bajada del nivel piezométricos en el terreno reduce la presión intersticial del agua en los poros del suelo y, como consecuencia, aumenta la presión efectiva, que en un suelo saturado es igual a la presión total menos la presión del agua (véase la Figura 8). La compactación es el resultado del lento escape del agua en los poros del estrato cuya tensión efectiva aumenta, pues se ve acompañado por una transferencia gradual de tensión desde el agua de los poros a la estructura granular del suelo. La presión efectiva aumenta y la compactación en el estrato que contiene al agua comienza a ocurrir tan rápidamente como el agua pueda moverse. El ajuste del incremento de tensión aplicado se puede llevar años, e incluso décadas, en capas gruesas, de grano fino y drenaje lento, mientras que será rápido en los acuíferos de grano grueso. El valor de la deformación dependerá de la magnitud del incremento de tensión efectiva que se produce, de la compresibilidad y el espesor de los estratos, del tiempo durante el que se aplican las tensiones, de la velocidad de aplicación y del tipo de tensión. Por lo tanto, gran parte de la compactación ocurre en los estratos arcillosos de grano fino (acuitardos), que son los más compresibles pero que tienen baja permeabilidad. La salida del agua, al disminuir la presión en los poros, y el incremento de presión efectiva son lentos y dependientes del tiempo, aunque la compactación última es grande. Parte de este descenso no puede recuperarse con nuevos aportes de agua, lo que provoca una disminución permanente en el volumen de suelo23.. 23. VÁZQUEZ CARRETERO, Narciso-Jesús. Cálculo de la subsidencia unidimensional debida a los descensos del nivel Piezométrico. Aplicación al casco urbano de Murcia y a los efectos sobre sus edificios. Sevilla: Universidad de Sevilla. Departamento de Mecánica de Medios Continuos, Teoría de Estructuras e Ingeniería del Terreno. Modalidad Tesis Doctoral, 2001.p. 6.. 37.