La realidad física del subsuelo no puede observarse directamente y podría ser incierta. Por lo tanto, todo proyecto de construcción que requiera grandes excavaciones revelará dificultades y riesgos. Una investigación de sitio completa entrega indicios sobre las condiciones probables del subsuelo y permite manejar los riesgos de manera proactiva. Esto es fundamental para asegurar un buen comienzo del proyecto, con menores probabilidades de encontrarse con sorpresas indeseadas.
Estas sorpresas indeseadas pueden ser muy graves. La inestabilidad del terreno puede generar consecuencias económicas y sociales, desde daños a los equipos y retrasos en el proyecto hasta impactos negativos sobre la salud o la seguridad de los trabajadores. Antes y durante la etapa de diseño del proyecto, es esencial aplicar un método gradual de investigación de sitio que permita contar con un conocimiento detallado del entorno geológico e hidrogeológico.
Los proyectos de construcción subterránea enfrentan distintos retos, dependiendo de la ubicación y las condiciones geotécnicas. Cuando el proyecto considera la construcción de túneles, es necesario conocer la resistencia del suelo y determinar su probable comportamiento futuro, para desarrollar un diseño adecuado.
Sin embargo, los análisis de estabilidad y el diseño de los sistemas de sostenimiento de las estructuras subterráneas son procesos de alta complejidad que requieren estudios minuciosos y la participación de especialistas.
Una compleja variedad de inestabilidades
Para la construcción de túneles, tanto en roca como en tierra, se debe investigar una gama compleja de posibles causas de inestabilidad.
En el caso de los túneles en roca, hay tres variables críticas para el análisis de estabilidad: la resistencia del macizo rocoso, los esfuerzos a los que está sometido y el agua. A profundidades moderadas, la estabilidad del macizo rocoso depende generalmente de los tipos de fallas y fracturas de la roca. A profundidades mayores, el comportamiento de la roca generalmente depende de los esfuerzos presentes. La presencia de presión de agua dentro de las fracturas de la roca aumenta los esfuerzos y la inestabilidad de la roca.
Dependiendo del grado de fracturas y esfuerzos en el macizo rocoso, podrían presentarse los siguientes tipos de inestabilidades en las obras subterráneas:
- inestabilidades controladas estructuralmente causadas por discontinuidades preexistentes (estratificación, fracturas y fallas),
- inestabilidades causadas por el fracturamiento o el desplazamiento debido a los esfuerzos a los que está sometida la roca, y
- una combinación de mecanismos generados por esfuerzos y discontinuidades preexistentes.
Ante tal variedad de posibles inestabilidades, es importante desarrollar un programa de investigación geotécnica e hidrogeológica para obtener los datos que permitan determinar y evaluar las inestabilidades, de manera de apoyar el diseño y asegurar la estabilidad de las estructuras.
En el primer tipo de inestabilidades (controladas estructuralmente), la intersección de discontinuidades preexistentes genera bloques que podrían caer o deslizarse si coinciden con los límites de la excavación. El movimiento de estos bloques de roca depende en alto grado de su geometría y de los coeficientes de fricción de sus superficies.
Los tipos segundo y tercero de inestabilidad son controlados por los sistemas de fracturas inducidos por esfuerzos en la roca y por los movimientos asociados a estos. Las excavaciones subterráneas afectan el equilibrio de los esfuerzos existentes y generan una nueva distribución de los esfuerzos. Dependiendo de la geometría de las excavaciones y las características de los esfuerzos existentes o recién generados, la magnitud y la distribución de los esfuerzos varían a lo largo de la excavación. Cuando la nueva distribución de esfuerzos supera el límite de fracturamiento de la roca intacta, se generarán nuevas fracturas. Cuando las fracturas de la roca inducidas por los esfuerzos se entrecruzan con los límites de la excavación o con fallas preexistentes, podrían formarse nuevos bloques sujetos a desplazamiento.
Analizar los datos en profundidad da valiosos resultados
Un estudio de gabinete es el primer paso en cualquier programa de investigación de sitio. Este se debería centrar en identificar los posibles problemas geotécnicos, hidrogeológicos y de contaminación del suelo que podrían ocurrir, y comprende la revisión de la bibliografía y de los datos existentes. Si se hace correctamente, los datos reunidos en esta etapa pueden tener un impacto positivo importante en la duración y en los costos de la investigación de sitio final.
En última instancia, la investigación de sitio debe identificar las unidades de roca y suelo que es probable encontrar durante la excavación, sus características geotécnicas e hidrogeológicas, la magnitud y orientación del campo de esfuerzos in situ, el nivel y presión del agua subterránea en profundidad, y la calidad del suelo y de las aguas subterráneas.
Cuando se diseña la investigación de sitio para una obra subterránea, es importante ser consciente de las limitaciones de lo que se puede ensayar y comprender a cabalidad. Dado que no se puede ensayar todo el volumen de terreno que rodeará una futura excavación, se ensaya una serie de pequeñas muestras reunidas en la investigación de sitio, y luego se extrapolan los resultados sobre la base de correlaciones empíricas y modelos de clasificación.
Tampoco se puede medir directamente la magnitud u orientación del campo de esfuerzos in situ. Por esto, se miden otras propiedades que permiten inferir la configuración del campo de esfuerzos sobre la base de supuestos. Se usa el mismo razonamiento para obtener otras propiedades de los materiales que no se pueden medir directamente. Los ensayos de laboratorio deben ser lo suficientemente amplios para que se pueda inferir la resistencia de la roca a partir del campo de esfuerzos esperado en el horizonte del túnel.
También hay que ser conscientes de que la investigación de sitio puede alterar el mismo material que queremos analizar. Por ejemplo, las perturbaciones a las que se somete la roca durante las mediciones de los esfuerzos pueden afectar la validez de los resultados. Esto significa que se debe pensar cuidadosamente cómo minimizar este impacto en la etapa de planificación.
También se debe considerar atentamente cómo muestrear el suelo sin alterarlo para obtener resultados de calidad. Esto incluye conservar el contenido de humedad del suelo al obtener las muestras, el que idealmente debería permanecer intacto en todo el proceso. Los ensayos de resistencia del suelo también deben considerar si las pruebas se deben llevar a cabo en condiciones drenadas o no drenadas. Hacer mediciones in situ puede ayudar a subsanar los efectos negativos derivados de la extrapolación y el muestreo, utilizando instrumentos como el cono de penetración, el piezocono y el presiómetro.
Nuevas herramientas que mejoran nuestra «visión subterránea»
El rápido desarrollo de métodos no destructivos, el escaneo de testigos, o core scanning, y las nuevas tecnologías digitales potenciarán considerablemente nuestra habilidad para «ver» debajo de la superficie y entender las condiciones del terreno. Las tecnologías como la tomografía sísmica, tomografía eléctrica (o resistividad eléctrica), la tecnología avanzada de imágenes hiperespectrales y los métodos de visualización 3D tienen un gran potencial. Los métodos de tomografía cubren un volumen de tierra mucho mayor al que puede ser expuesto a través de sondajes, con la ventaja de que no alteran las unidades de suelo y roca. Sus resultados permiten caracterizar el terreno, tanto cualitativa como cuantitativamente. Adicionalmente, el escaneo de testigos y la toma de imágenes de sondajes a través de métodos geofísicos, como el televisor acústico y el registro sónico, son herramientas útiles que ayudan a interpretar las condiciones que se encuentran en los testigos recuperados, así como en las paredes de los pozos y en el suelo adyacente.
Incorporar estos avances tecnológicos aumentará nuestro entendimiento de las condiciones geotécnicas e hidrogeológicas de un sitio, aunque el conocimiento de lo que hay bajo nuestros pies todavía tendrá limitaciones. Una etapa de investigación de sitio bien diseñada constituye una inversión importante para manejar el riesgo de lo desconocido, y es un paso vital para que un proyecto de construcción subterránea llegue a buen puerto.
Sobre los autores
Les McQueen es Principal y trabaja en la oficina de WSP en Sídney (Australia). Tiene más de 38 años de experiencia en mecánica de rocas, diseño de soporte de túneles e ingeniería geológica para proyectos civiles y mineros. Les ha sido consultor sobre túneles para transporte, hidroelectricidad y servicios desde las etapas de planificación de factibilidad, licitación y diseño de detalle hasta la etapa de construcción (tuneladora, rozadora, o perforación y voladura) en proyectos en Australia, Hong Kong y Filipinas.
Mahdi Zoorabadi es Ingeniero Geotécnico Senior y trabaja en la oficina de WSP en Newcastle (Australia). En la consultoría sobre control del terreno e ingeniería de rocas, Mahdi se especializa en ensayos de roca, medición de esfuerzo de la roca, estudios de aguas subterráneas, modelamiento numérico, estabilidad de taludes de roca, diseño de soportes primarios y secundarios para estructuras subterráneas. Mahdi tiene amplia experiencia en modelamiento numérico y ha sido consultor en ingeniería de rocas en proyectos civiles y mineros durante más de 18 años. Ha participado activamente en labores de investigación mediante su colaboración como profesor adjunto senior en la Escuela de Ingeniería de Minas de la Universidad de Nueva Gales del Sur.
* Este trabajo fue realizado por profesionales de Golder que se unieron a WSP en una adquisición completada en 2021.
