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Túneles

E l túnel de Manquehue I forma parte de laAutopista Nororiente que permitirá conec-

tar el valle de Chacabuco y Chicureo desde laRuta 5 Norte, con la ciudad de Santiago en lascomunas de Huechuraba y Vitacura.

Esta autopista Nororiente se transformaráen la quinta autopista urbana de Santiago y enuna de las principales vías de la Región Metro-politana. Permitirá unir los sectores Oriente yNorte de la capital en aproximadamente 10 mi-nutos, beneficiando a unas 500 mil personas alconectar ambas zonas de manera rápida, per-mitiendo un desarrollo integral de la capital.

El trazado de la autopista se ha subdivididoen tres grandes sectores, de acuerdo con con-diciones topográficas, constructivas, urbanísti-cas y de uso del suelo:

• Sector Enlace Centenario: El EnlaceCentenario se configura como uno de los nu-dos viales más importantes del contrato deconcesión Autopista Nororiente. Se emplazaal costado Norte del Río Mapocho y resuelvela conexión de todos los movimientos entreAmérico Vespucio, Costanera Norte, Nororien-te y la vialidad local. En la Fig. 1 se muestrauna reconstrucción de cómo quedará este en-lace.

• Sector Oriente: Este tramo concentra lasobras más relevantes del proyecto. Abarca lascomunas de Vitacura, Huechuraba y Colina, eincluye el enlace El Llano. Dada las caracterís-ticas topográficas, el proyecto ha contempladoen este tramo una velocidad de diseño de 80km/h, resolviendo la conectividad oriente-po-niente a través de un trazado de montaña con

una importante presencia de túneles, viaduc-tos y estructuras que dan continuidad a la au-topista salvando los accidentes topográficos.

• Sector Poniente: El sector poniente deltrazado está diseñado para una velocidad de90 km/h y se caracteriza por atravesar la zonade los desarrollos inmobiliarios del valle de Chi-cureo y los sectores agrícolas de las comunasde Colina y Lampa. Se extiende desde el de-nominado enlace Avenida del Valle y terminaen la intersección con la Ruta 5 Norte. Estesector ha sido recientemente inaugurado, elpasado 06/02/08, por el ministro de Obras Pú-blicas de Chile, Sergio Bitar.

Los túneles de la autopista NororienteEn esta autopista concretamente en el SectorOriente, se han construido los siguientes túneles:

• Túnel de Montegordo, de 1609 m exca-vados en mina que alcanzará una longi-tud final de 1700 m.

• Túneles de Manquehue II, de 732 y 805m respectivamente.

• Túnel de Manquehue I, inicialmente pre-visto como un túnel artificial de 140 m delongitud y que finalmente ha sido cons-truido como túnel en mina.

Túnel de Manquehue I: ¿en mina ofalso túnel?El inicio desde el enlace Centenario de la Auto-pista Nororiente, se encuentra en un territoriode alta sensibilidad ambiental pues afecta elParque Metropolitano de Santiago. Además sucercanía al citado enlace, hace que ambas cal-zadas discurran paralelas sin apenas medianaentre ellas.

Estos hechos junto con el escaso recubri-miento, unos 45 m sobre el eje, en vertical;hace que en un inicio este túnel se plantearacomo túnel artificial, que posteriormente casirestituía el terreno natural. En la Fig. 2 semuestra esta solución inicial.

En este artículo se exponen lascaracterísticas técnicas yconstructivas del túnel deManquehue I, de 157 m de longitudy 23 m de anchura -uno de los másancho del mundo-, y uno de los trestúneles construidos en la autopistaNororiente de acceso a Santiago deChile. La ingeniería del proyecto hasido realizada por Geocontrol y sufilial chilena, y la construcción porlas empresas del grupo Sacyr,Cavosa y Sacyr Chile.

El túnel de Manquehue I,un reto para la ingeniería tunelera

Palabras clave: AUTOPISTA, AVANCE, CARRIL,EMBOQUILLE, EXCAVACIÓN, MINA,RECUBRIMIENTO, REVESTIMIENTO,SECCIÓN, SOSTENIMIENTO TÚNEL.

- Bernardo GONZÁLEZ, Sacyr ChileGuillermo GARCÍA, Sacyr Chile

Juan Francisco GARCÍA, Sacyr ChileLisardo FERNÁNDEZ CavosaMauricio AHUMADA, Cavosa

Christián QUIROGA, Geocontrol ChileManuel DE CABO, Geocontrol

José Miguel GALERA, Geocontrol

mm [Figura 1].- Enlace Centenario.

El acceso Nororiente a Santiago de Chile

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Túneles

Sin embargo posteriormente se analizó laconveniencia de excavar este túnel en mina.

El cambio de pasar de un falso túnel a túnelen mina, ha supuesto minimizar los volúmenesde excavación en unos 400.000 m3, así comoen aproximadamente 150.000 m3 de rellenos.Esta disminución conlleva mejoras medioam-bientales adicionales.

Por último, otra mejora medioambiental havenido como consecuencia de evitar el núme-ro de voladuras necesarias a cielo abierto, re-diciéndose estas al sector de los portales y mi-tigando de forma muy efectiva las negativas re-percusiones ambientales de las voladuras.

La excavación de un túnel de 21,5 m deanchura útil supone un reto, en especial consi-derando que el recubrimiento máximo sobre laclave apenas supera los tres diámetros.

De hecho el túnel Manquehue I, con unaanchura de excavación de 23,01 m y una sec-ción de excavación de 204,4 m2 se convertiráen uno de los túneles carreteros más anchosdel mundo; quedando por delante de numero-sos túneles de tres y cuatro carriles existentes.

En la Tabla I se muestran algunos ejemplosde túneles a nivel mundial, que por su anchu-ra, han constituido o constituirán un reto, a laingeniería tunelera.

Datos del proyectoLos datos principales relativos al proyecto, seresumen a continuación:

a) Datos funcionales y geométricosCuando finalmente se decidió acometer laconstrucción de Manquehue I en mina, el Mi-nisterio de Obras Públicas recordó la necesi-dad de mantener la funcionalidad vial, sin nin-gún tipo de merma para la explotación de laAutopista. Esto ha supuesto mantener la si-guiente sección funcional: cuatro carriles decirculación de 3,5 m; dos arcenes exterioresde 1,5 m; dos arcenes interiores de 1,2 m; me-diana de 0,6 m; dos aceras de 0,75 m; lo que

supone una anchura útil de 21,5 m, tal comose ilustra en la Fig. 3, donde se muestra lasección funcional del Túnel de Manquehue I.

Así mismo en la Fig. 4 se muestra la plantadel Túnel que discurre entre los pk 1+505 y1+662, lo que supone una longitud, sin falsostúneles de 157 m.

b) Marco geológicoEl Túnel de Manquehue I se localiza dentro delos Cordones Precordilleranos Nororientales dela Cuenca de Santiago; dentro de la cadenamontañosa de Manquehue que posee una di-rectriz estructural aproximada Norte-Sur.

La unidad geológica principal corresponde a

mm [Figura 2].- Túnel de Manquehue I. Solución falso Túnel.

mm [TABLA I].-Algunos túnelescarreterosanchos en elmundo.

mm [Figura 3].- Sección funcional.

m [Figura 4].- Túnelde Manquehue I.Solución túnel enmina.

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secuencias estratificadas de materiales volcáni-cos y volcano sedimentarios pertenecientes a laFormación Abanico. Dentro de esta formaciónintruyen stocks, diques y cuellos volcánicos denaturaleza andesítica, granodiorítica y dacítica.

En el relieve donde se excava este túnel sehan intersectado las lavas andesíticas de estaformación, en diversos grados de meteorización,y un dique porfídico que conforma este relieve.

La tectónica regional de la zona de estudiose caracteriza por coladas en disposición mo-noclinal a ondulada en pliegues abiertos degran longitud de onda, e inclinación hacia elEste de unos 20º, con dirección NNE a NE.

En la Fig. 5 se muestra el perfil geotécnicopor el hastial Oriente del túnel. Dada la anchuradel túnel, se realizaron tres perfiles (uno por has-tial y otro por el eje) y una planta estructural.

Durante el estudio fotogeológico realizado y laejecución de la cartografía geológica se han de-tectado numerosas lineaciones y fracturas en lazona de estudio, cuya orientación ha sido anali-zada mediante un histograma de frecuencias ydiagramas tipo rosa de los vientos.

Además se realizaron estaciones geomecáni-cas a lo largo del trazado, para estudiar las jun-tas a escala de afloramiento.

A partir del análisis de estas juntas se de-tecta la existencia de seis familias; dos perte-necientes a la estratificación y cuatro a la frac-turación.

El trazado proyectado se encuentra situado,según la Norma Sismorresistente NCh 433,dentro de la Zona Sísmica 2, como correspon-de a su posición en el interior de la Región Me-tropolitana. La aceleración efectiva máxima ob-tenida es: A0 = 0,3 g.

En la dirección E-W cabe esperar un régi-men de tensiones superior a la carga litoestáti-ca, habiéndose adoptado un valor de:

En el caso de la dirección N – S, se ha con-siderado un valor intermedio con un coeficientede reparto de tensiones de:

La presencia de agua en la excavación seráde ligeramente húmedo, con escasa presenciade agua en la excavación desde húmedo a go-teos persistentes, en las zonas de fractura.

c) Datos geotécnicosLos terrenos han sido minuciosamente caracte-rizados para obtener los parámetros resistentesy deformacionales que representen de manerareal su comportamiento tensodeformacional.

A este respecto se han realizado, para untúnel de 157 m, los siguientes trabajos:

n 3 sondeos mecánicos, a añadir a un son-deo anterior existente que totalizan 145 mde sondeo.

n 3 perfiles longitudinales de tomografíaeléctrica de 200 m de longitud cada uno.

n 4 perfiles de sísmica de refracción en am-bos portales.

n Ensayos de laboratorio.

Como resultado geomecánico de estos tra-bajos, en la Tabla II se muestran los paráme-tros mecánicos considerados en los cálculosde dimensionados de los sostenimientos.

d) Método constructivoEl método constructivo fue el NMA, mientras del

diseño del sostenimiento, se basó en el DiseñoEstructural Activo (DEA).

El sistema de excavación, que fue mixto (me-cánico y voladura) se realizó en avance y destro-za, ejecutándose esta última en dos fases porbataches. En la Fig. 6 se muestra el sosteni-miento tipo 3, donde se pueden observar las di-mensiones de las fases de excavación.

Se diseñaron tres sostenimientos: el primerosin cerchas metálicas para RMR superiores a50 puntos; el segundo, mixto para terrenos conuna calidad comprendida entre 50 y 40 puntos;y el tercero, a base sólo de cerchas, para RMRinferiores a 40 puntos y emboquilles. En la TablaIII se observa en detalle, las principales caracte-rísticas de los sostenimientos. Los bulones en la

€

K H

V0 0 8= =

σσ

,

€

K H

V0 1 8= =

σσ

,

mm [Figura 5].- Perfil constructivo del hastial Poniente.

m [Figura 6].-Fasesconstructivas ysostenimientotipo 3.

m [TABLA II].-Propiedades delos terrenosaplicadas en larealización delos cálculos.

m [TABLA III].-Secciones Tipode Proyecto enel Túnel deManquehue I.

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sección I poseen una longitud de 6 m y son deanclaje repartido con lechada, mientras que enla sección II se han considerado bulones de an-claje repartido por fricción, de 4 m de longitud.

e) Revestimiento y acabadosEl revestimiento del túnel se ha previsto conhormigón proyectado por vía húmeda.

El túnel se remata con impermeabilizaciónrestringida a las zonas con presencia de agua.No obstante, se ha dimensionado un colector de300 mm con arquetas cada 50 m para la capta-ción de agua y de líquidos vertidos a la calzada,a través arquetas situadas en la zona de arcén.

En lo referente a acabados se han puestolos siguientes elementos:

n Solera no estructural.n Acera montable de hormigón.n Barrera de seguridad.n New Jersey en mediana.n Revestimiento hasta luminaria con pane-

les reflectantes.

Las instalaciones de seguridad son:n Cámaras de televisión.n Extintores.n Sistemas de postes SOS.n Iluminación.n Control de tráfico, con sistema de comu-

nicación entre túnel y el centro de controlde la Autopista Nororiente.

n Suministro de energía eléctrica, redun-dante con grupos electrógenos y SAI.

Desarrollo de las ObrasLas obras de excavación del túnel de Manque-hue I se iniciaron en el 27 de septiembre de2007, habiéndose calado, en avance, el pasa-do 31 de enero. En la Tabla IV se muestran losavances de esos cuatro meses, un promedioobtenido de 2,1 m/día.

Hay que considerar que los trabajos se inte-rrumpieron entre el 18 de diciembre de 2006 yel 22 de enero. Previamente, entre agosto yseptiembre de 2007, se realizaron los trabajosde excavación del portal Norte, desde dondese iniciaron los trabajos, y se ejecutó el para-guas pesado de emboquille. Como ya se ha in-dicado el 31 de enero se produjo el cale del tú-nel en avance, estando previsto finalizar la des-troza para el mes de febrero. En la Foto 1 semuestra un momento del cale del túnel.

Los rendimientos incluidos en la tabla ante-rior hay que interpretarlos como excelentes, ha-bida cuenta que por la elevada sensibilidadambiental del tramo, sólo han estado permiti-dos los trabajos en horario diurno.

a) EmboquillesLos emboquilles del túnel han sido objeto de unminucioso diseño para minimizar la altura dedesmonte, tal como se ha mostrado en la Fig. 4..

En las Fotos 2 y 3 se muestran ambos

portales, mientras que en la Foto 4 se mues-tra un detalle del fuerte esviaje existente entreel túnel y el talud frontal para optimizar la ge-ometría de los desmontes minimizando la al-tura de estos. En cada portal se han dispues-to dos perfiles de control topográfico para vi-gilar posibles deslizamientos de los taludes. Elmovimiento registrado ha sido inferior al milí-metro.

En ambas bocas se ha construido un para-guas pesado de micropilotes de 15 m de lon-

m [TABLA IV].- Avances en el Túnel deManquehue I.

m [Foto 1].- Caledel túnel deManquehue I,el 31 de enero2008.

m [Foto 2].-Panorámicageneral delemboquilleNorte.

m [Foto 3].-Panorámicageneral delemboquilleSur.

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gitud para el portal Norte y Sur, solidarizadoscon una viga de atado.

b) Terrenos atravesadosLa litología en la mayor parte del túnel excava-do es de composición andesítica con texturaporfídica, con una gama de colores que vandel gris claro al gris oscuro, y marrón oscuroen zonas con una mayor meteorización. Lastexturas varían de grano medio a fino.

El índice geomecánico RMR de la roca ex-cavada en destroza ha arrojado valores de unaroca de calidad buena oscilando entre 49 y 56puntos, con un valor medio de 56 puntos.

Desde el Portal Norte la litología encontradaes de composición andesítica con textura porfí-dica con una gama de colores que van del grisclaro a marrón oscuro en zonas con una mayormeteorización. La textura es de grano medio.

En la excavación en avance en el PortalNorte se ha alcanzado un RMR de una rocade calidad media oscilando entre 47 y 49 pun-tos, con un valor medio de 49 puntos.

Por su parte, la litología del túnel excavadoen avance desde el Portal Sur, únicamente 2 m,es de composición andesítica, de un color ma-rrón oscuro producto de la alta meteorizaciónexistente, con presencia de óxidos y arcilla en-tre las juntas. La textura es de grano medio.

El RMR de la roca excavada en avance des-de Portal Sur ha arrojado valores de una roca decalidad mala con un valor medio de 43 puntos.

En la Fig. 7 se muestra un levantamientogeotécnico realizado en el avance del pk1+500, mientras que en la Fig. 8 se muestra ellevantamiento geomecánico realizado en ladestroza del pk 1+557.

c) Secciones tipo aplicadasLas secciones tipo del sostenimiento se han idoaplicando según las necesidades del terreno. En

la Tabla V se presentan las secciones tipo apli-cadas desde el inicio de la excavación del túnel.

La excavación se ha realizado mediantemétodos mecánicos y con voladura con nago-lita, disminuyendo la longitud del pase en lasección tipo 1 a 2,5 m frente a los 3 m previs-tos en Proyecto.

En las Fotos 5 y 6 se muestran dos as-pectos de la excavación en avance, mientrasque en las Fotos 7 y 8 se han incluido dosfotos correspondientes a la ejecución de ladestroza.

m [Figura 7].-Levantamientogeotécnico delfrente en elavance del pk 1-500.

m [Figura 8].-Levantamientogeotécnico delfrente en ladestroza del pk1+557.

m [Foto 4].- Taludfrontal esviado,en el PortalNorte, paraminimizar la alturade los taludes.

mm [Fotos 5y 6].- Dos aspectos de los trabajos de la excavación en avance.

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AuscultaciónSe han colocado nueve estaciones de conver-gencias en el interior del túnel, realizándose lalectura de convergencias y la nivelación declave en las estaciones colocadas.

En la Tabla VI se indica la ubicación de lasestaciones colocadas en el túnel. Las estacio-nes PC-1, PC-2 y PC-3 se reinstalaron enavance y se colocaron nuevas en destroza.Las lecturas realizadas indican que las estacio-nes se encuentran estabilizadas, habiéndosealcanzado un movimiento acumulado máximoque no llega a 6 mm.

En la Fig. 8 se muestra la evolución de lasestaciones de convergencia, donde puedeapreciarse que los mayores movimientos sehan obtenido al excavar la destroza.

En la Tabla VII se muestran las lecturastopográficas realizadas en la clave del Túnelde Manquehue I.

Las lecturas realizadas indican que losmovimientos registrados son de escasamagnitud, siendo el mayor movimiento re-gistrado, de 1 cm.

Desviaciones respecto al proyectoEn la Tabla VIII se comparan las seccionestipo previstas en el proyecto con las realmen-te ejecutadas en obra; y en la Fig. 9 puede

apreciarse que el comportamiento del terre-no ha sido algo mejor al previsto.

ConclusionesDe los trabajos de ingeniería básica y de deta-lle, y de la construcción del túnel de Manque-hue I, pueden obtenerse las siguientes conclu-siones:

n El túnel de Manquehue I se ha diseñado,en mina, minimizando el impacto ambien-tal en un área sensible como es el ParqueMetropolitano de Santiago.

n Su construcción ha constituido un retopues a pesar de su corta longitud, 157 m;es uno de los túneles carreteros más an-chos del mundo, con 23 m de anchurade excavación y 204 m2 de sección. Todoello con un recubrimiento que no superanunca los tres diámetros sobre clave.

n Su construcción puede considerarse unéxito, alcanzándose en el avance, una ve-locidad de excavación de 2,1 m/día; conlo que la excavación del túnel se habrácompletado en cinco meses. n

mm [Fotos 7 y 8].- Dos momentos de la excavación, en dos fases, de la destroza. Obsérvese las imponentes dimensiones de la excavación.

m [TABLA VI].- Localización de las estaciones en el túnel deManquehue I.

m [TABLA V].- Secciones Tipo de sostenimiento aplicadas en eltúnel de Manhueque I .

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m [TABLA VII].- Lecturas topográficas realizadas en la clave en eltúnel de Manquehue I.

m [TABLA VIII].- Comparación de las longitudes de las secciones tipode Proyecto y las aplicadas en la excavación realizada en el túnel.

m [Figura 9].-Curva de convergencia, representativadel comportamiento del terreno.