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Túneles Excavados en Rocas Blandas -Aplicaciones en Manizales- III- PARTE CONCLUSORIA Por Gonzalo Duque Escobar, I. Civil y Eugenio Duque Escobar, Geólogo; Especialistas en Geotecnia
"ESTUDIO DE FACTIBILIDAD PARA LA RECUPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE LA CUENCA DEL RÍO CHINCHINÁ" Aguas de Manizales & INGENIERÍA DE SANEAMIENTO AMBIENTAL – INGESAM Empresa Consultora
Manizales, 20 de julio de 2006 |
Estudio de cinco conducciones para aguas residuales entre varias subcuencas del Olivares y el Río Chinchiná, en el sector urbano de Manizales-Villamaría y otras microcuencas vecinas.
III- PARTE CONCLUSORIA Túneles de primera opción Pg 49 Costos y rendimientos provisionales #9; Pg 52 Prospección y recomendaciones Pg 54 Complementos y estrategias Pg 56 Agradecimientos Pg 57
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Túneles de primera opción.
Se sugieren los túneles a partir de las siguientes opciones:
Túnel Manizales: 1850m de longitud y 150 m de techo máximo; aunque la alternativa que aparentemente no cruza fallas surge uniendo los portales Sierramorena y Panamericana, se optará por el trazo desde el Barrio Estrada desplazando ligeramente el alineamiento que así deberá cruzar en medio de dos trazos de fallas cartografiadas, y como consecuencia de la fotointerpretación y valoración morfotectónica de la superficie del terreno, en el sector de Fundadores y la Renault, donde se ha considerado conveniente salvar las depresiones a lado y lado de la Avenida Santander y a los costados del alineamiento del túnel. Además, el acceso para la construcción del portal de entrada, está frente al Barrio Estrada. Se agrega que el túnel tendrá un desvío cerca del portal de salida, hacia la quebrada Marmato. En Marmato y Olivares se contemplaron escombreras con posibilidades de beneficio social, aplicando el concepto de lo que se ha logrado en Villa Carmenza (rellenos que han permitido el desarrollo de instalaciones deportivas y de recreación).
En los sectores vecinos a los portales por el lado de la Q. Marmato y la Q. Olivares, se contemplaron escombreras con posibilidades de beneficio social, aplicando el concepto de lo que se ha logrado en Villa Carmenza.
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Figura 3a. Perfiles longitudinales del túnel Manizales, de S a N. Arriba la Alternativa desde Estrada y abajo, desde Sierramorena. La profundidad máxima del túnel es de 150 m, lo que supone un esfuerzo del orden de 30 kg/cm2. Este valor es varias veces inferior a la resistencia de la roca y por eso la presión no le causa plastificación al túnel, al tiempo que confina convenientemente el macizo rocoso. La zona más crítica de un túnel está en los portales, justamente por falta de presión suficiente para confinar los bloques sueltos de la roca. |
Queda entonces la alternativa Sierramorena-Panamericana, como segunda opción para el túnel Manizales, la que debe entra en caso de proseguir con la prospección.
Si por cualquier motivo se presenta ruptura o taponamiento en el Túnel Manizales, y las fugas aparecen en las zonas de los portales, gracias a las condiciones propicias del entorno inmediato se pueden administrar debidamente los flujos. Además de la planeación preventiva para el uso y manejo del suelo, e deberá prever esta circunstancia al construir las obras en el portal de salida, aprovechando la disposición adecuada del alineamiento desviado hacia la Q. Marmato. Igualmente en la vecindad del portal de acceso en la Q. Olivares
En términos de amenaza sísmica y por deslizamientos, el antecedente de estabilidad del sistema de canales de CHEC, excavado sobre la F. Manizales, con tramos sin recubrimiento alguno en concreto u otro material, y con más de 60 años en servicio, al igual que el de los túneles de conducción de la CHC del Río Sanfrancisco construidos hace algunas décadas en conglomerados aluviales y de inferior calidad, resulta ser un referente válido. Para el diseño sismorresistente es suficiente aplicar el espectro de la Norma NSR-98.
Túnel Santa Helena: 180 m de longitud y 40m de techo máximo; se sugiere desplazar el portal de salida un poco hacia el sur para continuar por la margen izquierda, puesto que de pasar la Q. Olivares, la conducción cae en Villa Julia y entra en terreno inestable. Se sugieren obras para prevenir la socavación fluvial, por el fuerte control estructural de la Q Olivares antes y después de los dos portales, cerca de ellos.
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Figura 3b. Perfiles longitudinales de los túneles Santa Helena y La Avanzada vistos en sentido E-W. La profundidad máxima de estos túneles es del orden de 40m, lo que supone un esfuerzo de unos 8 kg/cm2. En caso de sismo, esta presión se incrementa a unos 10 kg/cm2 Este valor es superado por la resistencia de la roca en Santa Helena pero difícilmente en La Avanzada, donde se puede dar la plastificación del túnel si el refuerzo de la estructura resulta insuficiente. La zona más crítica de ambos túneles está en los portales, y ambos requieren recubrimiento y soporte a medida que se excava. |
Se debe prever una obra de vertimiento a la Q Olivares antes y después del túnel, para verter el flujo en caso de una eventual falla de la conducción.
La tubería deberá satisfacer las normas de la Zona C para el diseño sismorresistente, que son las del NSR-98; no obstante, se sugiere aplicar el Factor de Amplificación Topográfica al espectro de diseño, en virtud del uso del suelo y circunstancias geotécnicas del entorno.
Túnel La Avanzada: 240m de longitud y 35m de techo máximo; es viable la obra si las condiciones antrópicas en el portal del costado oriental se mitigan. Además se recomienda desplazar el portal occidental corriéndolo al sur, para facilitar el acceso a la obra.
En caso de falla del sistema de conducción, las circunstancias pueden ser críticas en el portal de salida, dado que la ocupación antrópica es intensa. Se deben construir las obras de vertimiento en caso de falla, y preparar adecuadamente los taludes vecinos a los dos portales, dado que esta conducción subterránea, entre las demás, está en la zona más desfavorable por razones de ocupación humana y en la unidad litológica menos competente entre las tres estudiadas. La tubería deberá satisfacer las normas de la Zona C para el diseño sismorresistente, que son las del NSR-98; no obstante, se sugiere aplicar el Factor de Amplificación Topográfica al espectro de diseño.
Túnel El Tablazo: 830m de longitud y 150 m de techo máximo; se sugiere tal cual se presenta. Este túnel y su conducción complementaria en caso de resultar económicamente viable extender el sistema hacia el sector del Rosario. Según los planes de desarrollo de varias épocas y diferentes administraciones, sistemáticamente identifican la aptitud del sector occidental del territorio para la expansión de la zona industrial y recreacional de Manizales, y la necesidad de no presionar más las laderas orientales vecinas a la ciudad. También han considerado siempre la necesidad de densificar el actual espacio urbano para las demás funciones urbanas, como la residencial, comercial y de servicios.
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Figura 3c. Perfil longitudinal del Túnel El Tablazo, visto en sentido NW-SE. La profundidad máxima de este túnel es del orden de 150m, lo que supone un esfuerzo de unos 30 kg/cm2, una cuantía que puede ser soportada por la roca intacta cuya resistencia es superior y posiblemente suficiente. En caso de sismo, esta presión se incrementa a unos 40 kg/cm2 y la relación entre la resistencia de la roca y la presión se sepultura puede caer a valores no recomendables, que son los inferiores a 5. Se recomienda autosoporte, recubrimiento inmediato para prevenir la alteración rápida de los materiales bituminosos y refuerzo adicional en caso de fracturamiento. |
Debe hacerse el manejo de aguas de escorrentía hacia el portal de La Turbina, y de resolverse o salvarse el fenómeno de los sedimentos de la cárcava del Tablazo, también puede aprovecharse el potencial gravitacional en el otro lado, el del portal de salida hacia el sector del Rosario, para la generación hidráulica (Ver Figura 2h). Los sedimentos aportados por la Cárcava del Tablazo, imponen previsiones en el desarrollo de este proyecto energético adicional y en la ruta para la conducción, que en cualquier caso es viable.
La tubería deberá satisfacer las normas de la Zona C para el diseño sismorresistente, que son las del NSR-98; no obstante, se sugiere aplicar el Factor de Amplificación Topográfica al espectro de diseño, por lo menos en la zona del portal de salida y construir obras de vertimiento para eventual caso de falla en la conducción (Ver Figura 1h).
Túnel La Francia: 2500m; no parece recomendable dado que cruza tres fallas: la primera en el sector de entrada con la calle 22, y dos más en la base inferior del escarpe de Chipre, lugar deprimido que ya es de poca carga. Lo anterior significa que en esta zona vecina al portal de salida, el macizo rocoso estaría fracturado y posiblemente constituido por coluviones; todo esto en un terreno inclinado y en ambiente húmedo, no ofrece condiciones adecuadas de estabilidad a largo plazo.
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Figura 3d. El mayor costo de soportar un túnel en roca blanda, se compensa con el menor costo de excavarlo. Casabianca admite excavación manual, pero La F. Manizales, excavación con taladro y voladura. Figura adaptada de una lectura intitulada y que cita como fuente esta: Geological Society of London. Tunnels for Roads and Molorways. 1972. |
Costos y rendimientos provisionales.
Con base en información confiable, suministrada por la firma Ingeniería y Contratos Limitada de Medellín, el costo por metro lineal de una galería en conglomerados, con entibado de madera y tecnología de minas auríferas excavadas en aluvión, y cuyas dimensiones son de 1,8m en altura por 1,4m de base, puede ser $3 a 4 millones. Para esa obra el rendimiento estimado es de 2 a 3m por día.
Si los túneles tuvieran este diámetro, entonces, por las longitudes, los tiempos y costos sin elementos de recubrimiento y soporte, ni adecuación de portales, los que incluyen excavación y entibado, como se muestra en la tabla adjunta, serían los mayores de la Tabla 3a.
Los costos estimados y rendimientos en el túnel piloto de La Línea, entre Cajamarca (Tolima) y Calarcá (Quindío), según información suministrada para el Ingeniero Luis Ernesto Sanz de Ingesam, son de $9´610.000 por metro lineal y de11,8 m por día. Esta obra de 8580m de longitud cuyo diámetro es de 4,4m, está programada para 730 días (24 meses) y la proporción de costos es la siguiente:
Costo excavación $76´600.000.000 (92,9%)
Interventoría y diseño $5´500.000.000 (6,7%)
Adquisición de predios $300.000.000 (0,4%)
Costo total estimado $82´450.000.000
Si aplicamos el costo del Túnel de La Línea a nuestro caso, entonces el costo directo de excavación de nuestros túneles sería de unos $2´000.000, por metro lineal. Con base en este y admitiendo que es posible que el tener un costo más similar al del Túnel de la Línea y que el rendimiento de la obra puede ser de unos 5 m por día, se presenta un escenario bajo de costos y rendimientos, el dado entre paréntesis, en Tabla 3a.
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RESUMEN DE LOS TÚNELES Nombre y longitud aproximada, tiempo estimados de la obra, y rango de costos directos de excavación. |
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Túneles |
Longitud y portales de entrada y salida |
Tiempo de Excavación con dos frentes |
Geología dominante |
Costo directo de excavación estimado en pesos del 2006 |
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Manizales |
1850 m entre Sierramorena y La Panamericana |
31 meses (12,3 meses) |
F. Manizales y posiblemente el C Quebradagrande |
$5550 millones ($3700 millones) |
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El Tablazo |
830 m entre El Aventino y La Turbina |
14 meses (5,5 meses) |
C. Quebradagrande |
$2490 millones ($1660 millones) |
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Santa Helena |
180 m entre los portales oriental y occidental |
3 meses (1,2 meses) |
C Quebradagrande |
$540 millones ($360 millones) |
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La Avanzada |
240 m entre los portales occidental este y oriental |
4 meses (1,6 meses) |
F. Casabianca |
$720 millones ($480 millones) |
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Total |
3100 m |
$9300 millones ($6200 millones) |
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Tabla 3a. Estimación de costos directos de excavación y tiempos para la obra, en dos escenarios: Alto y (Bajo)
Es evidente que el tiempo estimado para los túneles más largos, El Túnel Manizales y el Túnel El Tablazo, demandan métodos más eficaces para que pasen de 2 metros por día, a 5 metros por día. Así el tiempo de construcción se reducirá notablemente.
Las obras en los portales se estiman del orden de $1000 millones cada una, mas o menos $500 millones. Estas dependen de si se requiere anclar pantallas, además del perfilado y de los canales colectores; no incluyen de ser necesario en algún portal, el costo de un falso túnel. Se deberán incluir en estas los diseños para evacuar flujos en caso de daños por sismo u otros eventos.
Para estimar la relación de costos aproximados entre la excavación y los otros insumos en túneles, vale mencionar las que presenta el Profesor Fernando Fujimura de la Universidad de Sao Paulo, Brasil, en su conferencia sobre Excavaciones Subterráneas, presentada en el Congreso Suramericano de Mecánica de Rocas, con el título "Reservatorio Subterráneo De Agua Tratada…" recogiendo las experiencia en costos de obras para el abastecimiento de grandes centros urbanos; es esta:
Excavación: 74,8%
Soporte: 10,1%
Revestimiento definitivo: 5,9%
Estructura de concreto: 7,2%
Equipamiento electromecánico: 2%
Otro costo de interés, el de Las perforaciones exploratorias que podrán tener un costo del orden de los $250 mil por metro lineal en conglomerado, necesarias para obtener la información geotécnica de diseño, y también para construir drenajes previos que serán inversiones opcionales que se definirán después de la prospección en detalle, caso por caso y túnel por túnel.
Actividades de Prospección y recomendaciones
Mediante perforaciones profundas que superen la mitad de la longitud de los túneles y con recuperación de muestras sólo en la zona de influencia de respectivo alineamiento, para todos los túneles se hace necesario obtener los parámetros geomecánicos de las rocas. Esta información es fundamental para el diseño de ademes y estructuras de soporte. Las perforaciones podrán alcanzar una longitud equivalente a la longitud del túnel, cuando la litología de las primeras muestre complicaciones cuya previa definición resulte necesaria.
Túnel Manizales:
La incertidumbre litológica sobre la continuidad de la Formación Manizales, tiene relevancia por las circunstancias estructurales del orden tectónico, únicamente. En un escenario en el cual aparezca uno o dos bloques levantados entre Fundadores y Cervantes, el correspondiente fallamiento cortaría transversalmente el alineamiento del túnel. La geoeléctrica no procede con ventajas para el caso, pues el mayor contraste que advierte, el del NAF, poca información sobre cambios estructurales entrega. La sísmica de refracción informaría sólo del contacto entre la F. Casabianca y otra más densa abajo, que requeriría calibración previa para saber si la que subyace es la F. Manizales o el C Quebradagrande. Los rellenos y la ceniza generan ruido en la información geofísica, pero salvable. La gravimetría de detalle soportada en la base topográfica existente y una altimetrita de precisión, complementarían el anterior método.
Las perforaciones previas para el diseño pueden superar los 1000 m y dependiendo de los resultados, llegar a los 1500 m. Puede considerarse la conveniencia de perforaciones subhorizontales opcionales para drenar el macizo rocoso por abajo del túnel, buscando mejorar las condiciones menos favorables en el extremo sur, las que podrían disponerse transversalmente desde la Quebrada Marmato. Estas perforaciones igualmente aportarían valiosa información adicional y permitirían una decisión más precisa en caso de contemplarse la alternativa desde Sierramorena. La permeabilidad primaria de esta formación, es deficiente por el grado de consolidación y la mediana cementación de su matriz.
El accidentado perfil longitudinal, los usos del suelo y la cobertura edificada, dificultan y condicionan las actividades de prospección geoeléctrica y de sísmica de refracción. Contrariamente la situación, distribución y estado de las vías facilita el acceso al lugar, aunque el corredor de estudio corta los principales flujos de transporte urbano.
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Figura 3e. Los métodos geofísicos, de escalas de costos intermedios, pueden hacer el puente entre las muy costosas perforaciones exploratorias, y la geología de campo más económica pero más limitada. En algunos casos la brecha entre A y B se cierra, ya por la información existente, ya por las limitaciones de la geofísica. Fuente, G. Duque. Manual de Geología para Ingenieros. |
Túnel El Tablazo:
La calidad y estado del macizo rocoso requieren perforación exploratoria para precisar el estado de la roca en el cruce del alineamiento morfoestructural (falla) en su parte media, el agua infiltrada, el RQD, la actitud de las discontinuidades y en especial las rocas carbonosas o grafitosas, condicionantes de obras adicionales inmediatas y medidas de protección de la obra a corto y largo plazo. La geoeléctrica no ofrece ventajas para conocer el NAF en este caso porque el C. Quebradagrande es de porosidad secundaria.
El perfil longitudinal quebrado, el estado deficitario del talud del portal de entrada, el cruce de una falla en el sector medio, y el acceso por la escasez de vías, son las mayores dificultad para las actividades de prospección, que se ven favorecidas por el uso del suelo en actividades agrarias, aunque el corredor de estudio corta la vía Manizales Chinchiná.
Las perforaciones previas para el diseño pueden superar los 500m. Es relevante la conveniencia de perforaciones subhorizontales para drenar el macizo, dado el problema de la alta susceptibilidad de las rocas carbonosas a la humedad, además del efecto positivo que se le aporta a la resistencia, cuando la roca se drena.
La presión de sepultura, que en caso de sismo puede llegar a 40 kg/cm2 en la parte intermedia del túnel, puede ser insuficiente para mantener la relación 1 a 5, con la resistencia a la compresión inconfinada de la roca, de este sector del túnel. El recubrimiento el soporte inmediato de la roca, como el refuerzo en zonas críticas como esta y las que resulten fracturadas, son necesarias.
Túnel Santa Helena:
Las perforaciones previas para el diseño pueden superar los 90 m. Una única perforación posiblemente puede resolver las variables deseadas sobre el NAF, la cobertura y la calidad del macizo rocoso que subyace la F. Casabianca. Dependiendo de ella solamente se procedería a una segunda. Un perfil de sísmica de refracción para el basamento que está próximo y que es el C Quebradagrande, resultaría conveniente antes de la perforación inicial.
El uso residencial del suelo en viviendas de bajo porte para este pequeño túnel no es limitante, ya que su profundidad es del orden de los 40 m. La baja densidad de vivienda urbana y el acceso vial son sus fortalezas.
Túnel La Avanzada:
En este túnel, los portales son en el suelo residual de naturaleza conglomerática, la que hacia adentro se cualifica como Formación Casabianca, sin descartar una eventual presencia del C. Quebradagrande. Las perforaciones requeridas para el diseño pueden superar los 150 m. Un par de perforaciones posiblemente pueden darle mayor resolución a las variables deseadas: éstas se relacionan con el NAF, la cobertura de suelos residuales y sobretodo la calidad y naturaleza del macizo rocoso que se espera y que probablemente sería de la F. Casabianca.
El uso residencial del suelo es la mayor limitante, a la que se suma el factor de inseguridad. La baja densidad de vivienda urbana es una fortaleza de este subproyecto. Se sugiere desviar el portal occidental un poco hacia el sur para facilitar el acceso a la obra.
Complementos y estrategias
La generación de escombros, la necesidad de construir un ambiente de seguridad para las obras y una actitud favorable al proyecto, pasa por la extensión de los beneficios sociales, los nombres de los túneles y sus portales, las obras complementarias y las oportunidades para vincular otros socios estatales y privados.
Los nombres de los túneles, tales como Manizales, El Tablazo… y el de los portales, que aluden al del espacio vital de cada comunidad, deben responder a un propósito y a un motivo: los íconos de la ciudad siempre están en otras partes no marginadas. Pero una obra cumbre de la ingeniería local, como ésta, aunque esté en los extramuros, puede ser motivo de orgullo para los moradores del lugar, si se le da el sentido adecuado, si se hace con el ambiente y la estética amigables, y si se articula al imaginario colectivo mediante procesos educativos que le permitan a los moradores vecinos su comprensión.
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Figura 3f. Cuando no existen referentes, es porque tampoco hay propósitos colectivos. Los íconos referentes fortalecen los procesos porque facilitan la organización de la comunidad. Imágenes tomadas de Internet. |
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Con el proyecto, el río y la cañada ya no serán las cloacas, sino los espacios limpios que podrán ser compartidos por masas humanas que pueden transformarse en verdaderas comunidades "empoderadas" de su ambiente, siempre y cuando se les facilite los procesos, se les facilite el espacio público y se le complemente con los recursos que demandan.
Y en este caso para el equipamiento que alivie las enormes limitaciones de seguridad e infraestructura, se puede hacer de las escombreras medios de soporte para obras como pequeños polideportivos y rutas, para el bienestar, el esparcimiento, la integración y la socialización, de las comunidades de Sierramorena y Estrada, urgidas de acceso hacia y desde la vía a Neira, entre otras.
Esto procedería también en el portal de salida sobre la Panamericana.
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Figura. Sector de Villa Carmenza: construida la escombrera, la comunidad encuentra en este espacio de recuperación ambiental, escenarios para socializar mediante la recreación y el deporte. Los escombros del Túnel Manizales, deben servir para similares fines y tener buen destino. |
Tomando como ejemplo las obras que se observan en Villa Carmenza, y que sirven de paso y para la recreación a los moradores del Barrio Nevado y El Paraíso, los residuos de las excavaciones y obras de construcción complementarias, servirían para modelar el terreno de Olivares, salvar este obstáculo y construir una ruta de paso y de recreación ambiental o deportiva, en asocio con el municipio.
Agradecimientos
Este trabajo se hizo con el concurso de varias Instituciones y personas tanto para las labores de campo como para las de oficina. En primera instancia a Aguas de Manizales por preocuparse en los asuntos ambientales asociados a la calidad del agua, y a INGESAM por brindarle su experiencia a la Ciudad en esta materia. También al Doctor Manuel García López, eminente Profesor y Maestro, por su orientación y confianza depositada en nosotros, al proponernos para esta tarea. A los ingenieros Gustavo Navia y Jairo Suárez por habernos ocupado y entregado el soporte demandado para esta tarea, al Ingeniero Luis Ernesto Sanz, de muy valioso desempeño, quien aportando su experiencia y buen sentido y apoyado por su asistente, el Ingeniero Gerardo Andrés España, se tomó el trabajo de estudiar en detalle las opciones geométricas sobre las cuales hemos hecho la evaluación geológica y geotécnica del sistema de túneles que aquí se presenta.
IV- BIBLIOGRAFÍA
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III- FIN DE LA PARTE CONCLUSORIA
Vulnerabilidad de conducciones sobre laderas inestables
E-mail:
y Eugenio Duque EscobarWebs:
Manual de Geología para Ingenieros
Mecánica de los Suelos Guía Astronómica