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RETOS PARA EL DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES EN COLOMBIA

Bogotá, 29 de Agosto, 2014

HECTOR SALAZAR BONILLA INGENIERO CIVIL, M.Sc., Ph.D. EN TUNELES

Contenido 1. Introducción

2. Estudios y Diseños para túneles 3. Construcción de túneles 4. Manejo de riesgos en Túneles 5. Inventario de Túneles por Construir

6. Conclusiones. Retos en diseño y construcción de túneles, Bogotá Agosto 29 de 2014

1. Introducción

Retos en diseño y construcción de túneles, Bogotá Agosto 29 de 2014

1. Introducción EL CAMBIO CLIMATICO LLEGO PARA QUEDARSE LA NUEVA INFRAESTRUCTURA DE COLOMBIA DEBE CONSIDERAR EL CAMBIO CLIMATICO QUE CONLLEVA UNA MAYOR DINAMICA GEOMORFOLOGICA. SE DEBEN DISEÑAR Y CONSTRUIR OBRAS QUE EVITEN LAS GRANDES INESTABILIDADES SUPERFICIALES, LAS FORMACIONES GEOLOGICAS DE ALTA DEGRADABILIDAD Y LOS SECTORES CON GRANDES MOVIMIENTOS EN MASA Y COLUVIONES POTENCIALMENTE INESTABLES. LAS ZONAS PROTEGIDAS AMBIENTALMENTE DEBERAN SER CONSERVADAS CON EL USO DE OBRAS QUE DISMINUYAN SUSTANCIALMENTE EL IMPACTO AMBIENTAL.

LOS TÚNELES SON UNA SOLUCION AMBIENTAL. Retos en diseño y construcción de túneles, Bogotá Agosto 29 de 2014

1. Introducción Un túnel es un «Sistema Complejo»

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1. Introducción Un túnel es un «Sistema de Riesgos Complejos»

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2. Estudios y Diseños para túneles Según la Asociación Mundial de Túneles -ITA, los estudios y diseños de túneles incluye en general:  La determinación de la distribución geométrica de las estructuras subterráneas, es decir el alineamiento horizontal y vertical de los túneles, la localización y la dirección del eje de las cavernas, galerías, nichos, pozos y la selección del sistema de túnel.  La definición de la forma y tamaño del perfil (sección transversal del túnel), incluyendo la tipología de túneles bidireccionales o unidireccionales.  La selección de la tecnología de construcción y tipo de excavación (Convencional o tuneladora - TBM, excavación a sección completa o en varias secciones), secuencia de las etapas de excavación a lo largo del eje del túnel), las medidas de soporte temporal o definitivo, así como de las medidas auxiliares de construcción tales como drenajes, o mejoramiento del terreno Retos en diseño y construcción de túneles, Bogotá Agosto 29 de 2014

2. Estudios y Diseños para túneles

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2. Estudios y Diseños para túneles

Diseño y construcción de túneles, Bogotá Marzo 12 de 2014

2. Estudios y Diseños para túneles 2.1. ESTUDIO CONCEPTUAL (FASE 0)  El alcance del diseño conceptual es evaluar, seleccionar o confirmar el alineamiento del túnel y suministrar al cliente la información necesaria para el proceso de toma de decisiones de planeación o estratégicas.  Los aspectos relacionados con el alineamiento particular del túnel, su sección transversal y método de construcción son resaltados e investigados de manera conceptual. Retos en diseño y construcción de túneles, Bogotá Agosto 29 de 2014

2. Estudios y Diseños para túneles 2.2. PREFACTIBILIDAD (FASE I)

 Se refina el diseño conceptual del alineamiento del túnel con base en un detallado estudio geológico, geotécnico e hidrogeológico. Se elabora un Diagnostico de Impacto Ambiental. Se focaliza el estudio en los aspectos legales de los recursos de agua, forestales, sociales, prediales, ambientales.  El objetivo es obtener la aprobación de las autoridades competentes para construir el túnel. Retos en diseño y construcción de túneles, Bogotá Agosto 29 de 2014

2. Estudios y Diseños para túneles

2.3. FACTIBILIDAD (FASE II - DISEÑO BASICO)

 El objetivo de esta Fase de diseño es detallar los trabajos con el fin de que sea factible tener el presupuesto de cada actividad del trabajo.  Se elaboran los documentos contractuales, planos, especificaciones, cantidades de obra y presupuesto.

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2. Estudios y Diseños para túneles 2.4. DISEÑO PARA CONSTRUCCION (FASE III) • El alcance es detallar los trabajos descritos en los documentos de licitación de tal forma que puedan ser construidos de una manera económica, estructuralmente segura, bien dimensionada y funcional. • Se elaboran planos de construcción y planos de taller. Se ajustan los presupuestos y cantidades finales. • Este diseño se ajusta durante construcción con los datos reales de terreno, monitoreo y evaluación de su comportamiento. (DTR). Retos en diseño y construcción de túneles, Bogotá Agosto 29 de 2014

2. Estudios y Diseños para túneles Fase de diseño

Estimaci ón de costos

Diseño Conceptual Selecci ón de Corredor

Selecci ón del trazado

Comparación de cos tos relativos

Fase 0 1º Estimaci ón costos

Diseño de

Prefactibilidad

Fase 1

Objetivos

Métodos

1. Estimación preliminar de riesgos geotécnicos 2. Estimación preliminar de costos y programación de construcción

Estudio de oficina  Documentos de proyecto disponibles  Antecedentes geológicos y mapas

1. Ajuste de estimación de riesgos geotécnicos 2. Ajuste de estimación preliminar de costos programación de construcción 1. Evaluación geotécnica y comparación de corredores de trazado 2. Evaluación de la arquitectura geológica general y de los tipos básicos del subsuelo 3. Análisis de riesgos geotécnicos de los trazados seleccionados 1. Elaboración de un modelo geotécnico preliminar, evaluación general del comportamiento del subsuelo y métodos de construcción 2. Evaluación de las condiciones de agua subterránea y la interacción agua – construcción de túneles 3. Evaluación geotécnica de la rezaga excavada (posibilidades de reciclaje) y de los botaderos

 Imagenes aéreas y satelitales  Mapas topográficos  Reconocimiento (mapeo) de terreno

 Reconocimiento general de los corredores de trazado  Estudio selectivo de afloramientos (definición de tipos básicos de Subsuelo y estimaci ón de campo de propiedades mecánicas, ej. GSI)  Mapeo geológico de áreas escogidas selectivamente e investigación selectiva del subsuelo (si es apropiado, perfiles geofísicos, sondajes con extracción testigos)  Evaluación estadística y probabilística básica de la información  Adquisición de información hidrogeológica e hidrológica (mapeo monitoreo) y registro

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2. Estudios y Diseños para túneles Fase de diseño

Diseño de Factibilidad

Procedimien Estimación tos legales de costos Evaluación de Impacto Ambiental y

Fase 2 Fase de diseño

Objetivos 1. Evaluación detallada de la arquitectura geológica

2º estimación de costos

Emisión Decreto de Trazado del Túnel

2. Caracterización del macizo en términos geotécnicos, hidráulicos e hidrogeológicos 3. Definición de tipos de subsuelo relevantes y evaluación de su distribución Evaluación de factores de influencia (tensiones, agua subterránea, cinemática) 4. Estimación del comportamiento de los tipos de subsuelo Estimación del comportamiento del sistema subsuelo/Soporte/Excavación 5. Análisis de riesgo geotécnico asociado a los métodos de construcción

Procedimien Estimación tos legales de costos 3º estimaDiseño de ción de Licitación costos Proceso de / Diseño de Detalle evaluación de ofertas Cálculo de Costos Definitivo

Objetivos 1. Evaluación detallada de los plazos y costos de construcción (rendimientos de excavación, métodos y secuencias de excavación, fortificación) y contrato de construcción

Métodos  Mapeo geológico general de áreas del proyecto, escala al menos 1:5.000  Mapeo geológico de detalle en sectores de portales o accesos intermedios,escala al menos 1:1.000  Especificación, ejecución y evaluación de investigaciones subsuperficiales (apiques, sondeos, pozos, túneles piloto, perfiles geosísmicos); ensayos in situ - y de laboratorio  Continuación de las investigaciones hidrológicas e hidrogeológicas  Elaboración de modelos 3D (geología, geotecnia, condiciones de agua subterránea); modelos analíticos y numéricos, como también, probabilísticos

Métodos  Revisi ón , mayor detalle y actualización de los modelos  Aplicación de métodos estad ísticos y probabilísticas mejorados

Fase 3

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2. Estudios y Diseños para túneles

Fase de diseño

Diseño Final / Construcción

Fase DTR

Procedi mien Estimaci ón tos lega les de costos

Procedi miento de adjudicaci ón

Monitoreo de costos

Objetivos

M étodos

1. Pron óstico de corto plazo para optimizaci ón de la construcci ón basada en un a continu a actualizaci ón del modelo Del subsuelo pronosticado , en funci ón de las condiciones reales

 Adquisición de información geol ógico geot écnica y de construcción (mapeo del frente, consumo de explosivo, rendimiento de avance, capacidad de perforaci ón , etc.)  Monitoreo geot écnico y de deformaciones y su evaluaci ón  Evaluaci ón del comportamiento del sistema  Extracción de testigos, pruebas, ejecución de ensayos de laboratorio e in -situ, si necesario  Investigación anticipada a la excavación , si necesario (geofísica, sondeos exploratorios, etc.)

El reto más importante en la etapa de estudios y diseños de túneles es invertir los recursos necesarios para conocer y acotar los riesgos geológicos, geotécnicos, hidrogeológicos, ambientales, etc, definiendo costos reales y plazos reales de construcción. Retos en diseño y construcción de túneles, Bogotá Agosto 29 de 2014

2. Estudios y Diseños para túneles 2.1. ESTUDIO CONCEPTUAL (FASE 0) (0,1%) 2.2. PREFACTIBILIDAD (FASE I) (0,2% - 0,5%) 2.3. FACTIBILIDAD (FASE II – DISEÑO BASICO) (0,5% - 1,0%) 2.4. DISEÑO PARA CONSTRUCCION (FASE III) (1,0% - 2,0%) 1,8% - 3,6% DEL COSTO DE CONSTRUCCION Retos en diseño y construcción de túneles, Bogotá Agosto 29 de 2014

3. Construcción de Túneles 3.1. Cut and Cover (Corte y Cobertura)

3.2. Construcción convencional (NATM) 3.3. Excavación entre pantallas

3.4. Construcción con tuneladoras - TBM (Tunnel Boring Machine)

- Escudo (Shield) - EPB (Earth Pressure Boring Machine) Retos en diseño y construcción de túneles, Bogotá Agosto 29 de 2014

3. Construcción de túneles 3.1. Cut and Cover (Corte y Cobertura)

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3. Construcción de túneles 3.1. Cut and Cover (Corte y Cobertura)

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3. Construcción de Túneles 3.2. Construcción convencional (NATM) - Túneles de Metro (Santiago, Barcelona)

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3. Construcción de Túneles 3.2. Construcción convencional (NATM) - Túneles Bogotá - Villavicencio

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TUNELES LARGOS SOLUCION AMBIENTAL 3. Construcción deUNA Túneles

SEGUNDA CALZADA BOGOTA - VILLAVICENCIO TUNEL 6 A 4.2 KM

QUEBRADA NARANJAL

QUEBRADA MARCELITA

LIMONCITOS

TUNEL 7 2008 0.2 TúnelesOCTUBRE LargosDEcomo una Ambiental KMSolución Consorcio EDL - CEI

MONTERREDONDO

3. Construcción de Túneles

SEGUNDA CALZADA BOGOTA - VILLAVICENCIO

TUNEL DE

QDA BLANCA OCTUBRE DE 2008

Consorcio EDL - CEI

TUNELES LARGOS SOLUCION AMBIENTAL 3. Construcción deUNA Túneles QDA BLANCA

SEGUNDA CALZADA BOGOTA - VILLAVICENCIO

TUNEL 10 TUNEL 11

TUNEL 12

TUNEL 13 QDA SECA

Consorcio EDL - CEI

2008 una Solución Ambiental TúnelesOCTUBRE LargosDEcomo GUAYABETAL

3. Construcción de Túneles 3.3. Construcción entre pantallas - Túneles de estación (Madrid)

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3. Construcción de Túneles 5.4. Construcción con tuneladoras - Túneles inter estación

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3. Construcción de Túneles 3.4. Construcción con tuneladoras (Metro de Barcelona)

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3. Construcción de Túneles El reto en la construcción de túneles es el uso de modernas y adecuadas tecnologías de excavación y soporte, uso de materiales modernos que garanticen seguridad, estabilidad y durabilidad de las obras, amigables con el medio ambiente y que permitan una etapa de operación y mantenimiento económica.

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4. Manejo de riesgos en Túneles 4.1. Riesgos de Diseño

4.2. Riesgos de Construcción 4.3. Riesgos de Operación 4.4. Manejo contractual de riesgos

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4. Manejo de Riesgos en Túneles 4.4. Manejo Contractual de Riesgos La construcción de túneles es muy diferente a cualquier otro tipo de construcción debido a su naturaleza inherente: incertidumbre en las condiciones del subsuelo, condiciones imprevistas, dependencia de los medios y métodos, y al alto riesgo de construcción asociado con este tipo de obras. Es muy importante un diseño detallado y el manejo de contratistas con muy buena experiencia en construcción en túneles y obras subterráneas. Las condiciones del contrato para Túneles deben ser flexibles y permitir la aprobación y la certificación de cambios y/o variaciones en los trabajos dentro de un tiempo muy corto. Con respecto a la posibilidad que existe de encontrar condiciones distintas, el contrato debe basarse en las mediciones de lo realizado. Esto ayuda al enfrentar condiciones cambiantes, aún en el caso de que no existan provisiones pertinentes para todas las posibles consecuencias que podrían no haberse incluido en el momento de la adjudicación del contrato. Retos en Diseño y construcción de túneles, Bogotá Agosto 29 de 2014

4. Manejo de Riesgos en Túneles 4.4. Manejo Contractual de Riesgos Muchas de las reclamaciones en la construcción de túneles tienen que ver con las condiciones imprevistas. Por esta razón es recomendable establecer un mecanismo de activación viable por medio de la cláusula de Condiciones Diferentes in Situ (CDS) y culminando con el uso del Informe Básico de Geotecnia (IBG) y el Informe de Datos de Geotecnia (IDG) Asignación /distribución del riesgo

La distribución del riesgo entre cliente y contratista tendrá una relación directa con la contingencia del contratista como parte de su propuesta. Es importante tener un mecanismo de distribución del riesgo que sea amable y equitativo y que pueda constituir una contingencia razonable para el contratista y una reserva de fondos suficiente, de parte del cliente, para poder manejar las condiciones imprevistas. Contingencia del Contratista /Reserva del cliente Con un formato apropiado del contrato y una equitativa distribución de riesgos entre el cliente y el contratista, se verá reducida la contingencia del contratista, que es parte del precio de la propuesta. De igual manera, la reserva del cliente será usada sólo si se encuentran ciertas condiciones, lo que resulta, sobretodo, en menores costos para el cliente.

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4. Manejo de Riesgos en Túneles 4.4. Manejo Contractual de Riesgos Los siguientes procesos mejoran las prácticas de contratación en túneles. Precalificación de los contratistas Esto involucra la calificación técnica y financiera de los potenciales proponentes para asegurar su capacidad para desarrollar el trabajo de manera efectiva y económica, así como con una gran calidad.

Comité de solución de controversias – Panel de Expertos El proceso para la solución de controversias ha sido empleado en ciertas áreas de la industria de la túneles por muchos años. En este proceso se escoge un comité de miembros independientes, experimentados e imparciales para oír y resolver las controversias. Cláusula para condiciones diferentes en el sitio La cláusula para las condiciones diferentes en el sitio (CDS) se establece como una medida para distribuir el riesgo entre el cliente y el contratista en relación a las condiciones del terreno. A cambio de propuestas económicas más bajas, el cliente asume una parte del riesgo debido a las condiciones del terreno. Retos en Diseño y construcción de túneles, Bogotá Agosto 29 de 2014

4. Manejo de Riesgos en Túneles 4.4. Manejo Contractual de Riesgos Documentos en garantía de la propuesta En este proceso los documentos que componen la oferta del contratista seleccionado son depositados en garantía, es decir, mantenidos en confidencialidad por un tercero, y facturados sólo contra el cumplimiento de una condición.. Asociación En los últimos años se ha introducido en los contratos de túneles cláusulas de asociación. La meta de este proceso es minimizar las disputas y prevenir que ellas se crezcan en tiempo y valor resolviéndolas al nivel más bajo posible dentro de la organización del proyecto. Con el ánimo de establecer una relación gana-gana entre los participantes del proyecto, se debe incluir al cliente, al contratista, al interventor y al director de la construcción. Ingeniería de valor Para estimular aproximaciones innovadoras dentro de las limitaciones de los requerimientos contractuales, los clientes tienden a incluir una cláusula de ingeniería de valor dentro del contrato, flexibilizando los criterios de diseño en aquellos sitios no críticos o cumpliendo la intención de un diseño más eficiente mediante aproximaciones creativas que promuevan una mayor eficiencia de la obra. Los ahorros alcanzados por la ingeniería de valor se distribuyen entre el cliente y el contratista.

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4. Manejo de Riesgos en Túneles 4.4. Manejo Contractual de Riesgos Presentación de toda la geotecnia Una presentación completa de la información geotécnica reduce el riesgo tanto para el cliente como para el contratista y, de paso, los costos del proyecto. Por esta razón es importante que los clientes inviertan en un programa geológico, hidrogeológico y geotécnico exhaustivo. La información debe incluirse en los documentos del contrato. La intención de la presentación de la información geotécnica es la de repartir y asignar los riesgos de construcción, entre el cliente y el contratista. El Informe de Datos Geotécnicos (IDG) contiene todos los datos primarios. En el Informe Resumido del Diseño Geotécnico (IRDG) debe mostrarse la interpretación que hace el ingeniero de diseño de los datos, el comportamiento anticipado del terreno, y la identificación de las condiciones que afectan el diseño y que pueden impactar en la construcción. El Informe Básico de Geotecnia (IBG) establece cuantitativamente los valores de las condiciones, seleccionadas anticipadamente, que tienen gran impacto en la construcción. Estos valores se establecen a través de interpretaciones técnicas de los datos y consideraciones financieras de la distribución y asignación del riesgo.

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5. Inventario de Túneles por Construir TÚNELES VIALES LARGOS EN COLOMBIA -

TÚNEL DEL TOYO (10.0 km) EN LICITACIÓN AUTOPISTAS DE LA PROSPERIDAD TÚNEL DE LA LÍNEA (8.8 km) EN CONSTRUCCIÓN SEGUNDO TÚNEL DE LA LINEA (8.6 A 11.5 km) POR LICITAR TÚNEL DE ORIENTE (8.2 km) EN CONSTRUCCIÓN TÚNEL LOBOGUERRERO (5.4 km) EN LICITACIÓN TÚNEL PARQUE VIAL DEL RIO MEDELLIN (5.3 km) EN DISEÑO TÚNEL DE SAN JERONIMO (4.6 km) EN OPERACIÓN TÚNEL DE BUENAVISTA (4.5 km) EN OPERACIÓN SEGUNDO TÚNEL BUENAVISTA (4.7 km) EN LICITACION TÚNEL DE LA QUIEBRA (4.5 km) EN LICITACIÓN AUTOPISTAS DE LA PROSPERIDAD - SEGUNDO TUNEL DE SUMAPAZ (4.0 km) EN DISEÑO - TÚNEL CRESTA DE GALLO (3.2 km) EN LICITACIÓN - SEGUDO TÚNEL DE BOQUERON (3.2 km) EN LICITACION Retos en diseño y construcción de túneles, Bogotá Agosto 29 de 2014

5. Inventario de Túneles por Construir TOTAL TUNELES CARRETEROS 4G

189

200799

1

400

1

300

Túnel central hidroeléctrica Tatama

Hidroelectrico

Proyecto hidroelectrico Río Negro

1

8050

Túnel central hidroelectrica Río Negro

Hidroelectrico

Proyecto pequeñas centrales hidroelectrica LUZMA I y LUZMA II

1

1900

Túnel pequeñas centrales hidroeléctrica LUZMA I y LUZMA II

Hidroelectrico

Proyecto pescadero Ituango

8

2294

Túnel central hidroeléctrica Pescadero Ituango

Hidroelectrico

Proyecto PORCE IV

4

987

Túnel central hidroeléctrica PORCE IV

Hidroelectrico

TOTAL TUNELES HIDRAULICOS

16

13931

Alto de la linea

1

24600

Túnel Férreo de La Línea

Ferreo

TOTAL TUNELES FERREOS

1

24600

Metro de Bogotá

1

29950

Túnel para metro de Bogotá

Metro

TOTAL TUNELES DE METRO

1

29950

TOTAL TUNELES

207

269280

Proyecto hidroelectrico Tatama

Carreteras

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5. Conclusiones 1.

Para el diseño y construcción de túneles los estudios geológicos,

geotécnicos e hidrogeológicos deben ser por Fases, detallados y exhaustivos para controlar y disminuir los riesgos de construcción, de sobrecostos y de mayores plazos de ejecución. 2.

La inversión en estudios y diseños detallados de túneles, que deberían estar entre el 1,8% y 3,6% del valor de obra, conllevarían a un ahorro

durante construcción mayor a 10 veces. 3.

La información de los estudios y diseños debe ser parte del contrato. El Contrato debe permitir flexibilidad para las condiciones cambiantes

del terreno. Retos en Diseño y construcción de túneles, Bogotá Agosto 29 de 2014

5. Conclusiones 4. La experiencia del constructor, la participación de ingenieros especialistas del cliente y la interventoria determina la capacidad de tomar decisiones rápidas, para un construcción segura y económica. 5. En los próximos 10 años se planea la construcción en Colombia de más de 200 túneles con una longitud mayor a 270 km.

6. Se espera una inversión estimada, solo en túneles, de aproximadamente 15 billones de pesos colombianos para lo cual se necesitará la participación de miles de profesionales con excelente preparación y experiencia. Retos en Diseño y construcción de túneles, Bogotá Agosto 29 de 2014