Por Adriano Dornfeld Saldanha - Gerente Comercial del Segmento de Túneles en MC

Stuttgart 21 (o simplemente S21) es uno de los mayores proyectos de ingeniería realizados en Europa, con varias obras realizadas en y alrededor de la ciudad alemana de Stuttgart, que tiene, entre muchos objetivos, el objetivo de optimizar la infraestructura local de transporte. Una de las características más llamativas del proyecto es la previsión de conexiones entre la ciudad, hogar de fabricantes de automóviles consolidados como Mercedes Benz y Porsche, y rutas de trenes transcontinentales conectadas a los rincones más remotos de Europa. Cuando se complete el S21, Stuttgart se convertirá en uno de los centros ferroviarios más importantes y modernos del continente, así como en un centro industrial aún más relevante.

En el segundo semestre de 2019, el S21 alcanzó un nuevo hito: la finalización de la perforación de los túneles ferroviarios Filder y Albvorland, con derecho a la ceremonia oficial y la presencia de ciudadanos, trabajadores, ingenieros, autoridades y políticos. El fin de la perforación supuso la conclusión de un trabajo de casi cinco años en el que colaboradores de diferentes sectores ayudaron a realizar etapas cruciales de uno de los proyectos de infraestructura más monumentales de la actualidad.

MEGAPROYECTO ALEMÁN

Con un presupuesto estimado de 8.000 millones de euros, las obras de transporte y desarrollo urbano del S21 tienen como objetivo, entre otros objetivos, transformar la región de Stuttgart en un centro ferroviario internacional para el transporte de mercancías y personas. El proyecto prevé la construcción de 100 km de vías compatibles con trenes de alta velocidad. El tramo contará con un sistema de gestión de tráfico inteligente y tres estaciones construidas dentro de los estándares más modernos jamás establecidos para edificios ferroviarios. La expansión de la infraestructura ferroviaria debería estimular no solo la actividad industrial, sino también el desarrollo de la región central de Stuttgart.

La expectativa es que el área central de la ciudad, donde se ubican los grandes edificios residenciales y de oficinas de alta gama, se expandirá en un 40% con nuevas construcciones en las cercanías de la línea ferroviaria que ahora da servicio a la región. La empresa responsable del proyecto es el concesionario Deutsche Bahn. El gobierno federal alemán, el gobierno de la provincia de Baden-Württemberg, la autoridad de tránsito de Stuttgart, la administración municipal, la concesionaria del aeropuerto Flughafen Stuttgart GmbH y la Unión Europea son los financiadores del S21.

Además de los túneles Filder y Albvorland, el S21 también incluye varios otros subproyectos, que incluyen: el anillo ferroviario de Stuttgart, la nueva línea ferroviaria Stuttgart-Ulm, que tendrá varios túneles, y el descenso de la estación central de trenes de la ciudad. Los dos primeros proyectos cuentan con una gran implicación de MC.

ALTA DEMANDA EN DESARROLLO TECNOLÓGICO

La perforación de los túneles Filder y Albvorland se realizó con una TBM (Tunnel Boring Machine - tuneladora, utilizada para excavar túneles de sección circular, apreciada por su versatilidad, seguridad y eficiencia en varios tipos de suelos y rocas) del tipo EPB (Equilibrio de la presión de la tierra: tipo de tuneladora que utiliza un método en el que el material excavado se utiliza para soportar la fachada del túnel, mientras se acondiciona con espuma o barro y otros aditivos para hacerlo maleable y transportable; el material ingresa a la máquina a través de un tornillo sin fin que permite que la presión en la cara de la tuneladora se mantenga equilibrada, sin el uso de barro). Las condiciones geológicas del suelo no permitieron que las líneas de ferrocarril Filder se colocaran en una sola cavidad, como en la mayoría de los túneles.

Los ingenieros tuvieron que cavar dos túneles simples, uno para cada ruta. Cada uno tiene 10,87 m de diámetro, con una profundidad que varía entre 20 y 220 m por debajo de la línea del suelo. La longitud total del Filder es de 9.468 m, lo que lo convierte en el túnel más largo del S21. Cuando esté terminado, también será el túnel ferroviario individual más grande de Alemania y la tercera estructura subterránea más larga del país.

El túnel de Albvorland se construyó utilizando técnicas similares a las del Filder. También hay dos túneles simples, cada uno de 10,87 m de diámetro. La extensión es cercana a los 8.000 my la profundidad varía entre 8 y 63 m. El tercer túnel más largo de la S21 es el Bossler, construido en la región del Jura, precisamente en la ciudad de Aichelberg, y tiene una longitud total de 8.806 metros. También hay dos túneles simples, con 10,87 m de diámetro y una profundidad máxima de 280 m. Bossler forma parte del ferrocarril que une Wendlingen con Ulm y, cuando esté listo, será una de las obras de ingeniería más complejas de Alemania debido a los desafíos que impuso a sus constructores.

DESAFÍOS GEOLÓGICOS

Los desafíos de construir estos túneles fueron muchos. El Filder, por ejemplo, fue perforado en gran parte de su longitud a lo largo de una formación de roca sedimentaria con un alto contenido de anhídrido. Este tipo de formación rocosa es común en muchas partes del mundo y es muy frecuente en las mesetas al sur de Stuttgart. El anhídrido plantea un desafío adicional para la construcción de túneles porque, en contacto con el agua, se expande en más del 60%, lo que genera una enorme presión sobre la estructura del túnel.

La presión es tan fuerte que puede dañar el túnel o causar movimientos ascendentes del suelo, en los casos en que el túnel resiste, con el potencial de inutilizar completamente los edificios en la superficie. La perforación del Filder en la sección de anhídrido se realizó con la tuneladora en modo abierto, es decir, sin el anillo de acero que protege al equipo del contacto con el suelo. Había una protección mínima justo detrás del cabezal de afeitado.

En las zonas rocosas, debido al anhídrido, se prohibió estrictamente el uso de inyecciones de consolidación de suelos diluidas en agua. La técnica correcta requiere la inyección de lechadas especiales para estabilizar el suelo, seguida del montaje de las duelas de hormigón. Deutsche Bahn ha solicitado el desarrollo de una lechada específica para perforar el Filder. Tenía que ser una solución que eliminara el riesgo de presión en el túnel y desplazamiento del suelo.

SOLUCIÓN DESARROLLADA PARA S21

El consorcio ATCOST 21, responsable de la construcción del Filder, solicitó el desarrollo de una lechada especial para permitir la perforación de forma segura. La lechada tendría que depender de geopolímeros en la formulación. Los geopolímeros son aleaciones químicas inorgánicas que se conectan entre sí de manera similar a las moléculas de cemento. Pero contiene aluminosilicatos que, en ambiente alcalino, dan lugar a polímeros inorgánicos. La lechada especialmente desarrollada para ATCOST 21 tiene, entre sus características, el hecho de ser un producto 2 en 1: se puede utilizar como práctica lechada monocomponente, según la aplicación, o bien como bicomponente, componiendo una Mortero aún más potente y reactivo cuando se mezcla con un aditivo. En la capa base se utilizó la versión más reactiva del compuesto.

La lechada se reforzó con agregado inerte, obtenido de las rocas de la región, y se agregaron escoria de alto horno y cenizas volantes, que interactúan con el aditivo, haciendo que la mezcla sea aún más resistente una vez endurecida. La lechada desarrollada también contiene compuestos de fosfato, que interactúan con la roca anhidra evitando su expansión. La eficacia de estos compuestos quedó demostrada en varias pruebas realizadas por MC y la constructora PORR Bau GmbH, que patentó la tecnología para su uso en otros proyectos. El producto se distingue por ser inmune a los sulfatos y extremadamente resistente.

EFICACIA PROBADA

La complejidad técnica de perforar el Filder y la amplia cobertura dada por los medios con cada avance del S21 hicieron que ATCOST 21 verificara dos veces que la solución propuesta funcionaría. El consorcio solicitó al Departamento de Edificación de la Universidad de Aquisgrán que llevara a cabo una investigación geológica independiente en la excavación, para determinar las reacciones reales del anhídrido que se producirían en la capa base del túnel a partir de la inyección de lechada.

La empresa de ingeniería Brameshuber & Uebachs Ingenieure GmbH llevó a cabo los análisis ambientales solicitados por la investigación. El Departamento de Tecnología de Materiales de Construcción de la Universidad de Bochum analizó los aspectos técnicos de la capa base formada con la lechada dentro de los criterios más rigurosos establecidos actualmente para este método de construcción. Las pruebas tardaron más de dos años en completarse, lo que demuestra el rigor técnico de los concesionarios responsables. Solo se admitieron ensayos realizados a gran escala y en suelo de excavación. Fue solo después de que se hizo todo esto que Deutsche Bahn autorizó el uso de la solución en los túneles S21.

Pero no pasó mucho tiempo antes de que los ingenieros demostraran el rendimiento superior de la lechada en su versión aditiva para la composición de las capas base de perforación. Incluso con agregado granular mezclado con la masa, el aditivo reactivo podría incorporarse a la lechada sin mayores problemas, desde la instalación de una unidad de mezcla auxiliar en la tuneladora. Con eso, la ejecución de la capa base se produjo sin complicaciones y de acuerdo con las estrictas especificaciones del proyecto. El uso de agregados no reactivos aumentó en gran medida la trabajabilidad de la lechada, lo que, a su vez, permitió que la perforación fluyera de manera coordinada en cada etapa. La nueva lechada de inyección de dos componentes ha demostrado ser flexible y eficiente en los túneles S21 y, desde entonces, se ha adoptado cada vez más en proyectos similares a nivel mundial.

PROPIEDADES DE AJUSTE OPTIMIZADAS

La experiencia adquirida en el desarrollo de la lechada especial añadida al túnel Filder ayudó a optimizar la versión convencional del producto, que se utilizó con gran éxito en la perforación de Albvorland, entre Wendlingen y Kirchheim unter Teck. En esta sección en particular, las condiciones del suelo permitieron que TBM se moviera más rápido que en el túnel Filder. La inyección de lechada, por lo tanto, necesitaba ser más rápida. Era necesario optimizar las propiedades de la lechada monocomponente a utilizar en estas condiciones.

La solución encontrada fue el desarrollo de un modificador de viscosidad, que se añadió directamente a la boquilla de la línea de inyección de TBM. Las pruebas en el S21 también indicaron que el producto podría eliminar la aparición de hundimientos en la lechada, además de optimizar el proceso de acomodación y secado. La versión personalizada de la lechada se aplicó de forma continua en toda la longitud de 8.000 m de Albvorland.

EFICIENCIA EN ACONDICIONAMIENTO DE SUELOS

A lo largo del recorrido del túnel Filder, además del predominio de rocas con alto contenido en anhídridos, el suelo a perforar intercalan tramos de perfil sedimentario y arenoso, con partes de arcilla densa y roca dura, la combinación perfecta para el desgaste rápido. de herramientas de corte TBM. Este escenario demandó especial atención por parte de los ingenieros con respecto al acondicionamiento del suelo. Un desafío similar surgió al perforar el túnel de Albvorland. Sin embargo, en este túnel había un riesgo adicional: Albvorland, en un punto determinado, se cruzaría con una importante ruta de transporte, la autopista A8, a solo 8 m por debajo del nivel del suelo, compuesta mayoritariamente por arcilla y roca.

En el túnel de Bossler, parte de la línea férrea Stuttgart-Ulm, cerca de Al-baufstieg, uno de los tramos tenía un perfil de suelo inestable, con predominio de fallas y con puntos de contacto con el nivel freático, por donde se infiltraba el agua. el tunel. En estas condiciones, los ingenieros se vieron obligados a utilizar una tuneladora tipo EPB. La coraza se encargaría de mantener estable el suelo a medida que avanza la perforación, hasta que se instalen mecánicamente las duelas de hormigón en las paredes del túnel, estabilizando la estructura y el suelo encima de ella.

Mientras TBM excavaba, en el exterior del arnés, a través de una serie de líneas de tubos inyectores, entró en funcionamiento la denominada tecnología Ground Pressure Balance (EPB), fundamental en términos de seguridad en la construcción de túneles subterráneos en zonas. Densamente poblados o en formaciones geológicas con alta inestabilidad. En este equipo, en el túnel de la línea férrea Stuttgart-Ulm, se utilizó la línea de agentes acondicionadores de suelos y un generador de espuma (Cell Tube), que proporciona la formación de una espuma estable en cuanto a las dimensiones de las burbujas. De esta forma presenta un alto desempeño en términos de consumo, requiriendo menos mantenimiento en la tuneladora y permitiendo una continuidad de perforación más constante.

LUBRICACIÓN IDEAL

El agente acondicionador de suelos más utilizado en las obras del S21 fue Foam Liquid. No agresivo con el medio ambiente, forma una espuma concentrada, que se degrada biológica y rápidamente. El producto también tiene un aditivo que mejora el rendimiento de consolidación en suelos con mayor prevalencia de arcilla, donde la probabilidad de que la arcilla pegajosa se adhiera a las herramientas de corte (efecto taponamiento) es grande.

Así, al hacer más eficiente el avance y reducir la acumulación de arcilla en las cuchillas de corte, el producto también ahorra energía, reduciendo el torque del equipo, contribuyendo al buen avance de la velocidad de trabajo y a mantener el proyecto dentro del presupuesto. visto el futuro.

ADITIVO SUPERPLASTIFICANTE DE ALTO RENDIMIENTO PARA CUBIERTOS DE HORMIGÓN

Las duelas de hormigón prefabricado que componen las paredes del túnel Bossler fueron fabricadas por la empresa de hormigón SEMPER BETON GmbH & Co. KG, parte del consorcio ARGE PTS Bosslertunnel, con aditivos superplastificantes de alto rendimiento. Estos aditivos se basan en la más moderna tecnología de ésteres de policarboxilato, que actúan en la formulación del hormigón para garantizar superficies de alta calidad, reducir la necesidad de agua en el mecanizado y mantener funcional y económico el proceso de fabricación de las piezas.

EN RESUMEN...

En el mega proyecto Stuttgart 21 se utilizaron una serie de tecnologías y sistemas de productos de MC, desde soluciones para la consolidación de suelos, pasando por aditivos superplastificantes para la producción de duelas prefabricadas, hasta sistemas de inyección para impermeabilización de estructuras y modernas lechadas sin cemento. la lechada de relleno (capa de consolidación que separa la duela de hormigón del suelo). Estas tecnologías y sistemas demostraron ser fundamentales para el éxito del proyecto y para la satisfacción del cliente con los resultados, permitiendo superar muchos desafíos y avanzar sin complicaciones las construcciones.