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Excavaciones profundas y agua subterránea

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  • Excavaciones profundas y agua subterránea
  • **En colaboración con Anna Jurado.

Sobre el blog

Estanislao Pujades
Licenciado en Geología y Doctor por la Universidad Politécnica de Cataluña. Actualmente investigador postdoctoral en “Helmholtz Centre for Environmental Research” (Alemania)
Minsait
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Datos recientes de las Naciones Unidas indican que la mitad de la población mundial vivía en áreas urbanas en 2014 y se prevé que esta proporción alcance el 66% en 2050 (UN, 2014). Por lo tanto, las ciudades de todo el mundo se enfrentan al desafío de construir nuevas infraestructuras para facilitar la movilidad, pero estas nuevas infraestructuras no pueden construirse en la superficie debido a que esta ya está ocupada. Esta situación lleva al desarrollo vertical de las zonas urbanas donde las nuevas infraestructuras deben ser subterráneas y más profundas que las construidas anteriormente.

Existen diferentes métodos para la construcción de infraestructuras subterráneas y en cada caso, se escoge aquel o aquellos que mejor se adaptan a las características de la construcción y al área en la que se desarrolla. Por ejemplo, en el caso de túneles, estos se pueden construir usando tuneladoras (TBM), con el método "cut and cover" o utilizando métodos tradicionales (e.g., método belga) o secuenciales (e.g., nuevo método austriacos) (Pulido et al., 2018 ). Entre los métodos existentes para construir infraestructuras subterráneas, el método "cut and cover" es uno de los más utilizados, especialmente si la construcción se realiza en una zona urbana y requiere excavar a gran profundidad (Konda, 2001). Este método se adopta con frecuencia para la construcción de estaciones en proyectos ferroviarios (Zhou et al., 2013; Di et al., 2016), de pozos de montaje, desmontaje y mantenimiento cuando se perforan túneles TBMs (Culí et al., 2016) u otro tipo de infraestructuras como párquines subterráneos (Pappa y Benardos, 2007). Este método consiste en excavar bajo la protección de muros de contención verticales (Gulhati y Datta, 2005) que pueden estar formados, entre otros, por paneles de acero, pilotes de hormigón o pantallas de hormigón armado (de ahora en adelante se utiliza “pantalla” para referirse a los muros de contención verticales). La principal ventaja de este método es que las pantallas son verticales reduciendo el espacio ocupado por la construcción, lo que es importante en entornos urbanos. Los pasos principales del método "cut and cover" son: 1) construir las pantallas, 2) excavar hasta la profundidad deseada, 3) construir la infraestructura y 4) llenar el espacio entre la parte superior de la construcción y la superficie (Gulhati y Datta, 2005; Mouratidis, 2008) (pasos 1, 3, 4 y 5 en la Figura 1).

Figura 1. Pasos del método “cut and cover” para excavar por debajo del nivel freático (modificado de Pujades et al., 2012).

La construcción de nuevas infraestructuras subterráneas urbanas se realiza, generalmente, por debajo del nivel piezométrico porque 1) deben ser más profundas que otras estructuras pre-existentes y 2) muchas zonas urbanas están ubicadas cerca de grandes cuerpos de aguas superficiales (ríos, lagos o en zonas costeras) donde el agua subterránea se encuentra relativamente cerca de la superficie.

La presencia de agua subterránea y su interacción con el proceso de construcción deben considerarse adecuadamente para evitar accidentes y dificultades inesperadas (Pujades et al., 2012), especialmente durante en excavaciones profundas. Al excavar bajo el nivel piezométrico, las pantallas se combinan generalmente con pozos de bombeo (paso 2 en la Figura 1). Las pantallas evitan la entrada lateral de agua subterránea a la excavación, mientras que los pozos de bombeo permiten excavar en condiciones secas y estables. El bombeo reduce el nivel piezométrico dentro de la excavación y la presión del agua en el fondo de esta, lo que evita que se alcancen condiciones inestables y que se produzca sifonamiento o levantamiento de fondo (Calin et al., 2017). El sifonamiento o levantamiento de fondo ocurre cuando la presión de agua excede el peso del suelo. Estos fenómenos tienen consecuencias negativas para el desarrollo de la excavación, la integridad de edificios cercanos y la seguridad de los trabajadores, por esta razón, los pozos de bombeo y las pantallas deben diseñarse cuidadosamente para alcanzar la presión de agua requerida en el fondo de la excavación. Sin embargo, a pesar de que el sistema de drenaje esté diseñado adecuadamente, pueden darse condiciones de inestabilidad si las pantallas tienen defectos. Los defectos, que provocan entre otras cosas que la presión de agua sea mayor a la esperada, son relativamente comunes y pueden dar lugar a inundaciones (de la excavación), socavones, inestabilidades y/o grandes deformaciones del suelo (las consecuencias de los defectos dependen de su ubicación relativa con respecto al fondo de la excavación). Además, independientemente de la ubicación de los defectos, estos aumentan el grado de conectividad hidráulica entre la excavación y el acuífero circundante. Por lo tanto, el bombeo de agua subterránea y sus impactos asociados, como los asientos, aumentan cuando existen defectos en las pantallas. Los impactos ocasionados por el drenaje son importantes, especialmente en zonas urbanas, y deben ser estimados con anterioridad. Los principales impactos ocasionados por el drenaje son la reducción del nivel piezométrico y los asientos en superficie. El asiento de la superficie del terreno es el impacto más temido, especialmente en zonas urbanas, ya que pueden afectar a la integridad de edificios cercanos (Forth, 2004). Como consecuencia, los sistemas de drenaje se diseñan para minimizar el bombeo/drenaje. La forma más sencilla consiste en alargar las pantallas, más de lo que se requiere estructuralmente, hasta alcanzar formaciones impermeables profundas. Sin embargo, esta decisión es controvertida ya que el alargamiento excesivo de las pantallas puede reducir la eficiencia global de la construcción. Además, cuando se elimina el bombeo alargando las pantallas, la seguridad depende exclusivamente de su capacidad de impermeabilidad y, como han constatado numerosos autores, es relativamente común que estas tengan defectos (Bruce et al., 1989).

Además, hay que tener en cuenta que el temor a los asientos es en algunas ocasiones infundado ya que algunos autores afirman que los asientos por bombeo son más pequeños y menos diferenciales (=menos peligrosos para la integridad de los edificios) que los esperados (es decir, que los calculados con las ecuaciones tradicionales), especialmente cuando el suelo está pre-consolidado (Pujades et al., 2017).

De cualquier modo, en caso de realizar un bombeo, existen técnicas para mitigar sus impactos. Estas medidas consisten básicamente en retornar el agua subterránea bombeada al acuífero mediante sistemas de recarga artificial. La recarga artificial se realiza comúnmente (en el contexto de las construcciones subterráneas) a través de pozos profundos de inyección ubicados fuera de la excavación (Zeng et al., 2019). Su eficiencia depende de la distribución espacial de los pozos de recarga y de los métodos utilizados para resolver los problemas derivados de su colmatación. Finalmente, otro hecho a tener en cuenta durante las excavaciones profundas es la desviación de las pantallas. La mayoría de los estudios publicados apenas consideran la influencia de las fluctuaciones del agua subterránea, y solo algunos autores han demostrado que el drenaje puede producir desviaciones importantes en las pantallas, que además, provocan deformaciones del suelo (es decir, asientos superficiales).

Durante los últimos años, numerosos autores han investigado los diferentes aspectos relacionados con la interacción entre el agua subterránea y excavaciones profundas en zonas urbanas. Los principales hallazgos de las investigaciones realizadas durante los últimos cinco años han sido recopilados en un artículo de revisión titulado “Deep excavations below the water table. A short review”. Este artíulo incluye y analiza investigaciones centradas en la estabilidad del fondo de la excavación, el comportamiento de las pantallas, los impactos producidos por el bombeo y las medidas correctoras para evitarlos.

Referencias:

  • Bruce, D. A., DePaoli, B., Mascardi, C., & Mongilardi, E. (1989, May). Monitoring and Quality Control of a 100 Meter Deep Diaphragm Wall. In DFI International Conference on Piling and Deep Foundations, London, May (pp. 15-18).
  • Calin, N., Cristian, R., Ioan, B., 2017. Dewatering system of a deep of excavation in urban area–Bucharest case study. Procedia engineering, vol. 209, p. 210-215.
  • Culí, L., Pujades, E., Vázquez-Suñé, E., & Jurado, A. (2016). Modelling of the EPB TBM shield tunnelling advance as a tool for geological characterization. Tunnelling and Underground Space Technology, 56, 12-21.
  • Di, H., Zhou, S., Xiao, J., Gong, Q., & Luo, Z. (2016). Investigation of the long-term settlement of a cut-and-cover metro tunnel in a soft deposit. Engineering geology, 204, 33-40.
  • Forth, R.A., 2004. Groundwater and geotechnical aspects of deep excavations in Hong Kong. Engineering Geology. 72, 253–260
  • Gulhati, S.K., Datta, M., 2005. Geotechnical Engineering. McGraw-Hill, New Delhi.
  • Konda, T. Shield tunneling method. Civil Engineering, Japan Society of Civil Engineers, 2001, vol. 39, p. 23-27.
  • Mouratidis, A. (2008). The “cut-and-cover” and “cover-and-cut” techniques in highway engineering. Ejge, 13, 3.
  • Pappa, M., & Benardos, A. (2007, September). Comparative evaluation of alternative methods for the construction of underground car parks. In Proceedings of the 11th ACUUS International Conference Underground Space: Expanding the Frontiers (pp. 10-13).
  • Pulido, D., Darido, G., Munoz-Raskin, R., & Moody, J. (Eds.). (2018). The Urban Rail Development Handbook. The World Bank.
  • Pujades, E., Carrera, J., Vázquez-Suñé, E., Jurado, A., Vilarrasa, V., & Mascuñano-Salvador, E. (2012). Hydraulic characterization of diaphragm walls for cut and cover tunnelling. Engineering geology, 125, 1-10.
  • Pujades, E., De Simone, S., Carrera, J., Vázquez-Suñé, E., & Jurado, A. (2017). Settlements around pumping wells: Analysis of influential factors and a simple calculation procedure. Journal of Hydrology, 548, 225-236.
  • UN - United Nations, Department of Economic and Social Affairs. 2014 World Urbanization Prospects. The 2014 Revision. ISB N 978 - 92-1-151517- 6.
  • Zeng, C. F., Zheng, G., Xue, X. L., & Mei, G. X. (2019). Combined recharge: A method to prevent ground settlement induced by redevelopment of recharge wells. Journal of Hydrology, 568, 1-11.
  • Zhou, X. J., Wang, J. H., & Hu, H. Y. (2013). Design of enclosure for subway station foundation pit in southward extension line of Chengdu metro line one. In Advanced Materials Research (Vol. 671, pp. 1122-1125). Trans Tech Publications.

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