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Oct 17, 2023

Innovaciones de diseño y construcción para el Proyecto Pawtucket

Figura 1: Mapa del área del proyecto por Irwan S. Halim, Vojtech Ernst Gall y Stephane

Figura 1 – Mapa del área del proyecto

Por Irwan S. Halim, Vojtech Ernst Gall y Stephane Polycarpe

El Proyecto del Túnel de Pawtucket es la primera fase del Programa de Desbordamiento de Alcantarillado Combinado (CSO) Fase III de la Comisión de la Bahía de Narragansett (NBC) diseñado para reducir los CSO de las comunidades de Pawtucket y Central Falls en Rhode Island. Las Fases I y II del programa se concentraron en el área de Providence y se completaron en 2008 y 2015, respectivamente.

Se planea que el Túnel Pawtucket tenga un diámetro interior terminado mínimo de 30 pies y una longitud de aproximadamente 11,700 pies. El túnel será un túnel de roca con una profundidad para invertir que oscilará entre 115 y 155 pies. El túnel se excavará usando una tuneladora y revestido al mismo tiempo con segmentos de hormigón prefabricado con juntas. Este proyecto se está implementando utilizando un proceso de entrega de diseño y construcción. El contratista de diseño y construcción consiste en una empresa conjunta de CBNA y Barletta (CBNA-Barletta JV); también conocido como CB3A. El diseñador principal es AECOM. GEI Consultants está ayudando a AECOM con ingeniería geotécnica y soporte de campo. Los subconsultores de diseño incluyen Gall Zeidler Consultants, Mueser Rutledge Consulting Engineers y BETA Group.

La construcción del Proyecto del Túnel de Pawtucket incluye un túnel principal de transporte y almacenamiento; un eje de lanzamiento y un eje de recepción de una máquina perforadora de túneles (TBM); estación de bombeo de túnel; pozos de caída y ventilación y accesos de conexión. La excavación del túnel se realizará con una TBM híbrida, capaz de operar en un modo de balance de presión de tierra (EPB) de cara presurizada abierta o cerrada si las condiciones lo justifican.

A medida que avanza la tuneladora, el túnel se revestirá con dovelas prefabricadas de hormigón armado con fibra de acero. La ubicación del proyecto se muestra en la Figura 1 a continuación. El Pozo de Lanzamiento de la TBM tiene 60 pies de diámetro y aproximadamente 150 pies de profundidad y está ubicado cerca del Pozo de la Estación de Bombeo del Túnel (TPS) alineado con el túnel. Durante la fase de diseño de licitación como un concepto técnico alternativo (ATC), el TPS y los pozos de lanzamiento se reubicaron para evitar una zona de cizallamiento conocida y se acercaron. El eje de lanzamiento se conectará al eje TPS con un túnel de cabecera de succión de 10 pies de diámetro. Se proporciona un túnel de cola de TBM, así como un túnel de inicio de TBM preexcavado. Hay cuatro ubicaciones de pozos de descenso adicionales en la alineación del túnel. El eje receptor tiene 36 pies de diámetro y 130 pies de profundidad.

La longitud total del túnel se construirá en el lecho rocoso siliciclástico de la formación Rhode Island cubierta por depósitos de labranza glacial y otros materiales de relleno y se ubicará debajo del nivel freático. Se adoptó un sistema de anillo cónico universal de siete segmentos como se muestra en la Figura 2. El anillo de revestimiento del túnel es de 14 pulg. de espesor, 30 pies, 2 pulgadas. de diámetro interno y 6 pies, 7 pulgadas. de longitud, y consta de cuatro segmentos regulares de geometría rectangular, dos segmentos de contrallave de geometría trapezoidal derecha y un segmento de llave en forma de cuña. Todos los segmentos estarán escalonados para evitar la creación de uniones cruciformes que podrían causar fugas y problemas estructurales debido a la concentración de esfuerzos. Como el segmento clave no siempre se puede instalar en la corona del túnel, la tuneladora deberá poder mantener los segmentos en su lugar durante el ensamblaje del anillo utilizando un sistema de rodillos de soporte y erectores. La longitud del anillo se seleccionó equilibrando los factores de constructibilidad (facilidad de transporte, montaje y capacidad para negociar curvas) y los factores de utilidad (limitar el número de juntas para reducir las fugas y el costo de producción y aumentar la tasa de avance del túnel).

Figura 2: geometría del revestimiento del túnel

El bloque de teclas en forma de cuña a menudo se diseña como una pieza de tamaño más pequeño que otros segmentos porque los segmentos más pequeños son fáciles de manejar. Últimamente, un gran segmento clave se está volviendo más aceptado en la industria. Nuestro diseño adoptó segmentos de tamaño similar. Las longitudes de cuerda en la línea central son de aproximadamente 14,1 pies para los segmentos regulares, 14,0 pies para los segmentos de contrallave y 14,3 pies para el segmento de llave. Es ventajoso hacer todos los segmentos del tamaño más similar posible debido a razones estructurales y de constructibilidad. Las juntas longitudinales espaciadas uniformemente dentro del anillo conducen a una mayor capacidad de carga y reducen las distorsiones del anillo. El segmento clave más grande también puede reducir el tamaño de los segmentos regulares (y por lo tanto el número de juntas longitudinales). Los segmentos no se atornillarán entre sí en las juntas longitudinales. Esto ayudará a aumentar la tasa de avance del túnel porque se eliminan algunos pernos. Los anillos se conectarán entre sí en las uniones de los anillos mediante 14 pasadores equidistantes (SOF FAST 110). Además, se especificaron 14 pares de conectores de corte igualmente espaciados, es decir, biconos de corte con un núcleo de acero (Optimas Sofrasar F500), en las juntas anulares para fines de centrado y recuperación de corte en las aberturas del túnel, como se describe más adelante.

Para fines de impermeabilización, se especificó originalmente un perfil de junta de compresión de monómero de etileno propileno dieno (EPDM) (Datwyler M389 33 "Doha"), sin embargo, el contratista optó por utilizar una junta alternativa Algaher DV9 IS. Se prevé que la junta de compresión resistirá hasta 25 bares de presión hidrostática en el escenario de compresión de diseño y desplazamiento permisible, que fue suficiente para soportar la presión máxima prevista del agua subterránea de 5 bares. Los segmentos típicos estarán reforzados con fibras de acero (no menos de 60 libras por yarda cúbica de Dramix 4D 80/60). La resistencia mínima requerida a los 28 días adoptada para el diseño fue f_c^'=6,500 psi de la resistencia a la compresión característica y f_150^'D=700 psi de resistencia residual a la flexión con un desplazamiento de apertura de la boca de grieta (CMOD) de 3,5 mm. El grosor del segmento se seleccionó para soportar todos los casos de carga y condiciones de servicio a corto y largo plazo. Para lograr la vida útil deseada de 100 años, el grosor del segmento seleccionado (14 pulgadas) incluye hasta 2,35 pulgadas de capa de concreto de sacrificio para proteger el revestimiento del túnel de la degradación del concreto debido al gas de sulfuro de hidrógeno (H2S) del agua CSO. El revestimiento del túnel se diseñó donde la pérdida de la capa de sacrificio no afecta la integridad estructural de 100 años del sistema de revestimiento.

Figura 3: Verificaciones del diseño del revestimiento del túnel

Para demostrar la idoneidad del diseño del revestimiento del túnel adoptado, se evaluaron la tensión y la deformación del revestimiento del túnel mediante análisis numéricos bidimensionales (2-D), como se muestra en la Figura 3. Se seleccionó un total de cinco secciones de análisis como representativas de las variaciones. en profundidades de sobrecarga y condiciones anticipadas del suelo y del agua subterránea. Entre las cinco secciones de análisis, se encontró que la sección que se cortó en la Estación 118+00 rige el diseño debido a la presencia de una capa de lutita grafitada blanda y débil intensamente fracturada que atravesaba la alineación del túnel. La capa de esquisto grafítico es una capa subhorizontal de aproximadamente 20 pies de espesor incrustada dentro del lecho rocoso. Durante la fase de diseño de la licitación como ATC, la alineación vertical del túnel se elevó 25 pies, lo que resultó en una reducción del espesor del revestimiento de 15 a 14 pulgadas y la eliminación del requisito de segmentos reforzados híbridos (fibra y barras de refuerzo). para la zona de lutitas grafitadas.

El análisis se realizó por etapas para evaluar las fuerzas de revestimiento y las deformaciones bajo diversas condiciones de carga que se esperan durante la construcción y durante su vida de diseño. Estos incluyen la variación de los niveles anticipados de agua subterránea, la deshidratación del agua subterránea durante la construcción y el cruce de una zona de falla intensamente fracturada. El análisis mostró que el revestimiento del túnel podrá soportar las cargas anticipadas y cumplir con el requisito de distorsión del anillo para todas estas condiciones. Se realizó un análisis sísmico para evaluar los efectos de las ondas sísmicas que se propagan verticalmente y perpendicularmente al eje del túnel. Se realizó un análisis de trasiego transversal para cuantificar las deformaciones de trasiego y sus efectos en el revestimiento del túnel. El análisis se realizó utilizando el mismo modelo FLAC recortado alrededor de la apertura del túnel para incluir los materiales rocosos solo sin los materiales de la capa superior del suelo.

El diseño del segmento se comparó con los escenarios de carga de la construcción temporal, incluido el desmolde y el manejo de una resistencia mínima del concreto de 1800 psi, el almacenamiento y el transporte, el montaje y los arietes de empuje de la tuneladora empujando contra los segmentos, durante el relleno y las inyecciones de contacto, y para la carga y el segmento del pórtico de la tuneladora. alimentador inmediatamente detrás del erector.

El diseño de la junta del segmento consistió en verificar la capacidad del sistema de pasadores circunferenciales para mantener los segmentos juntos durante el montaje y mantener la compresión de la junta para sellar adecuadamente la presión hidrostática de diseño.

El Túnel de Pawtucket está conectado a cuatro pozos de descenso por túneles a lo largo de su alineación, tres de los túneles se muestran esquemáticamente en la Figura 4 anterior. Se planea construir dos túneles mediante métodos de excavación secuencial (SEM) y el tercero se construirá mediante microtunelización

Figura 4: Accesos que se conectan al túnel perforado

Los accesos del túnel SEM se construirán a partir del túnel principal mediante perforación y voladura, como se muestra en la Figura 5, con excavación hacia afuera, hacia la base de las estructuras del pozo de caída. El tercer socavón construido con microtúneles comenzará desde la ubicación del pozo de caída y se conectará al túnel principal. La conexión final entre el revestimiento del túnel principal y los socavones se logrará mediante la instalación de un collar de hormigón colado in situ (CIP) monolítico alrededor de los cortes del segmento, como se muestra en la figura.

Figura 5: SEM del socavón del corte del anillo del túnel con el collar final de hormigón colado en el lugar y el revestimiento del socavón.

En las ubicaciones de socavón en el túnel, se cortarán y quitarán segmentos. En estos lugares, el túnel requiere refuerzos adicionales para soportar las fuerzas temporales debido a la apertura de la pared del túnel en estos lugares. En lugar de diseñar el marco de arriostramiento externo habitual en estos lugares, la abertura se sostendrá temporalmente mediante anillos de segmento modificados instalados durante la construcción del túnel. Estos anillos tienen refuerzo adicional y elementos de corte incluidos dentro de los segmentos del túnel especialmente diseñados e instalados a lo largo de los cuatro anillos inmediatamente adyacentes a la abertura. Mientras que el diseño de revestimiento estándar a lo largo de la alineación es hormigón reforzado con fibra de acero puro (SFRC) con dos pasadores de corte instalados en cada plataforma de empuje, los segmentos especialmente reforzados cuentan con una jaula de barras de refuerzo pesadas además del SFRC, así como dos pasadores de corte de alta capacidad adicionales. conos por junta de anillo de segmento instalada en el medio de las almohadillas de empuje entre los pasadores de corte. La geometría de los segmentos especialmente reforzados es equivalente a la de los segmentos típicos. Se desarrolló un modelo de elementos finitos (FE) por etapas para el análisis estructural del revestimiento y el collar en las ubicaciones de los túneles de TBM que considera todos los problemas críticos de diseño, por ejemplo, las presiones del suelo in situ, las cargas de agua subterránea temporales y permanentes, la acción de soporte (o la falta de ella) de la fricción entre los anillos, la durabilidad del hormigón de revestimiento y las no linealidades de todos los materiales involucrados. Una imagen del modelo se muestra en la Figura 6 a continuación.

Figura 6 – Modelo de conexiones de socavón: a) collar de socavón; b) vista isométrica del anillo de revestimiento segmentario.

El análisis estructural indica que, como se esperaba, el caso más crítico para el diseño es la carga temporal de los segmentos inmediatamente después del corte y remoción del revestimiento y antes de la instalación del collarín de concreto CIP. Específicamente, el análisis indica que las tensiones de tracción son demasiado altas para ser soportadas solo por fibras de acero y esto resultó en el requisito de refuerzo adicional de barras de refuerzo circunferenciales y conos de corte en estos segmentos especiales.

CB3A seleccionó una tuneladora híbrida Herrenknecht. El equipo del proyecto con Herrenknecht acordó una tuneladora híbrida con capacidades de modo EPB abierto/cerrado que presenta la ventaja de controlar la gestión del estiércol, minimizar el mantenimiento y optimizar el tiempo de producción. La entrega de TBM se completó a fines de junio de 2022.

La TBM de 33,8 pies de diámetro de perforación tiene un escudo de 46 pies de largo y un respaldo de 300 pies de largo, compuesto por cuatro pórticos para suministrar energía al escudo y conectar los servicios públicos y la logística.

El escudo se compone de tres secciones principales con una articulación activa. Esto le permitirá lograr la curvatura mínima requerida de 1,000 pies de radio. La estructura y los sellos están diseñados para 72 psi (5 bar) de presión.

El cabezal de corte de 33,8 pies de diámetro está diseñado para rocas duras y protegido contra el desgaste. Está equipado con sesenta y cuatro de 19 pulgadas. cortadores de disco para una alta eficiencia y fiabilidad en las condiciones previstas.

La máquina está equipada con una cinta transportadora en modo abierto y un transportador de tornillo en modo EPB para mover el estiércol desde la cámara de corte hasta el transportador de estiércol del túnel que transportará el material al pozo. La cara se puede cerrar en menos de 10 minutos si es necesario.

El modo dual tiene un beneficio real en el proyecto porque reducirá significativamente la necesidad de perforar con sonda y aplicar lechada previa que requeriría una tuneladora de modo abierto simple. La TBM seleccionada se muestra en la Figura 7.

Figura 7 – TBM en la fábrica de Herrenknecht en enero de 2022

La tuneladora se lanzará y operará desde el eje de lanzamiento ubicado en el sitio principal en el extremo sur del proyecto. Tiene 62 pies de diámetro y 155 pies de profundidad, excavado dentro de la porción de suelo dentro de un muro de soporte de excavación hecho de pilotes secantes y en la roca usando el método de perforación y voladura. Cuando la excavación del pozo alcanza el nivel del túnel a una profundidad de 120 pies, SEM excavó un túnel de inicio de 230 pies de largo y un túnel de cola de 60 pies de largo en dos etapas, cabecera superior y banco. Luego se completó el resto del eje después de que se excavaron el túnel de inicio y el túnel de cola. Se rellenó el fondo del pozo y se mantuvo una zanja debajo del fondo del túnel para instalar la parte inferior del transportador vertical como se muestra en la Figura 8.

Figura 8: instalación del pozo de lanzamiento durante la operación de TBM

La tuneladora fue premontada en superficie. La máquina de 1.665 toneladas se entregó en 82 paquetes. El preensamblaje en la superficie hizo posible bajar al pozo secciones ensambladas de la tuneladora más grandes con un peso de hasta 375 toneladas, como se muestra en la Figura 9.

Figura 9: escudo frontal de la tuneladora de 375 toneladas bajado con la grúa sobre orugas de 600 toneladas en el pozo de lanzamiento

El sitio principal está configurado para brindar el apoyo logístico necesario a la operación de TBM. Una grúa sobre orugas de 350 toneladas de capacidad maneja los segmentos y los servicios dentro del pozo de lanzamiento. Hay espacio suficiente en la parte superior del eje para almacenar hasta 60 anillos, más de una semana de producción anticipada de tuneladora.

El lodo de la tuneladora se transporta desde la tuneladora mediante una cadena de transportadores a una velocidad de 1.250 toneladas por hora. El estiércol se levanta en el pozo usando un transportador de cangilones verticales como se muestra en la Figura 10.

Figura 10 – Sistema de transportadores de estiércol en túnel y pozo

En la superficie, un apilador radial deja caer el lodo en una pila de acopio que acumula 15,000 yardas cúbicas, la cantidad semanal promedio anticipada excavada por la tuneladora.

El resto de la instalación en superficie se compone de planta de inyección, distribución eléctrica, planta de tratamiento de agua, oficinas, almacén de material y taller. El sitio de lanzamiento principal se muestra en la Figura 11.

Figura 11 – Imagen aérea del sitio principal durante el montaje de la tuneladora

A principios de septiembre de 2022, la tuneladora se instaló en el túnel de inicio y se puso en marcha en la segunda quincena del mes. Para minimizar la longitud de excavación del túnel de inicio, inicialmente solo se instalan tres pórticos, el cuarto pórtico con servicios no esenciales se bajará en el túnel una vez que la tuneladora haya avanzado. El transporte de segmentos en el túnel se realiza mediante dos vehículos multiservicio (VMS) que se muestran en la Figura 12 que pueden contener un anillo completo compuesto por siete segmentos y un conjunto de servicios temporales que se instalarán en el túnel para proporcionar fluidos, ventilación y potencia a la tuneladora.

Figura 12 – Multiservicio Vehicular (VMS) para el transporte de tramos en túnel

La construcción de túneles se inició en septiembre de 2022 y debe completarse a fines de 2023.

VP – Ingeniería de Túneles y SubterráneosAECOM

El Dr. Halim es el ingeniero jefe de túneles de agua de AECOM y tiene más de 31 años de experiencia en proyectos geotécnicos y subterráneos en EE. UU., Canadá y el extranjero. Ha brindado servicios de ingeniería y diseño para las principales agencias de agua/aguas residuales, así como agencias de tránsito en toda América del Norte. La experiencia de Irwan incluye el diseño y la construcción de túneles excavados y excavados tanto en suelo blando como en roca dura; excavaciones impulsadas por TBM, de perforación y voladura y SEM; Análisis de interacción suelo/roca-estructura; e ingeniería de cimentaciones. Las experiencias pasadas de Irwan incluyen grandes SEM, grandes túneles impulsados ​​por TBM y excavación de túneles a través de condiciones de terreno complejas y mixtas.

Ingeniero sénior de túnelesGall Zeidler ConsultantsNueva York, NY

Biografía: Dr. Vojtech Ernst Gall ha estado involucrado en proyectos nacionales e internacionales de túneles ferroviarios, de carreteras, mineros e hidroeléctricos que van desde túneles profundos en ambientes alpinos hasta túneles poco profundos en entornos urbanos densos. Tiene experiencia tanto con TBM como con construcción NATM/SEM para proyectos de pequeña y gran escala. Los intereses particulares del Dr. Gall radican en el diseño y la planificación asistidos por computación de túneles impulsados ​​por TBM, que van desde la planificación y gestión de proyectos con tecnología BIM hasta el modelado numérico y estructural. Además de su experiencia técnica, el Dr. Gall ha participado activamente en la organización de numerosos eventos y seminarios técnicos. El Dr. Gall es presidente del grupo de miembros jóvenes de la Asociación de Construcción Subterránea de la Sociedad de Minería, Metalurgia y Exploración (UCA of SME), es presidente del grupo de trabajo de UCA of SME "Modelado de información en túneles" y es un miembro activo colaborador del Grupo de Trabajo 22 de la Asociación Internacional de Construcción de Túneles (ITA) "Modelado de información en la construcción de túneles".

Gerente de IngenieríaCBNA

Stephane Polycarpe tiene más de 33 años en todo el mundo y experiencia multidisciplinar en la construcción de túneles y en las principales obras civiles iniciadas en el Túnel del Canal. Su conocimiento en tuneladoras cubre la variedad de cámaras de aire, balance de presión de tierra (EPB) y máquinas de escudo de mezcla de lechada, así como máquinas de roca dura. Su experiencia en túneles en terrenos blandos, duros y mixtos incluye bóveda de dosel y lechada, encabezados de madera, congelación del suelo, perforación y voladura, excavaciones SEM en suelo/roca y tiene experiencia en el desmantelamiento de túneles. En 2020, Stephane se unió a CBNA. como Gerente de Ingeniería para el proyecto del Túnel de Pawtucket.