El Nuevo Método Austriaco de tunelería (NATM) ha sido desarrollado como un método de tunelería empírico científico. Durante los últimos 40 años ha sido constantemente modificado para tomar ventaja de los últimos métodos, materiales y equipos de excavación y estabilización.
El Nuevo Método Austriaco (NATM) fue desarrollado por los profesores L.V. Rabcewicz y L. Müller durante los años 1957 y 1965, llegando a ser patentado en Austria en 1958.
Uno de sus puntos de partida fue la clasificación geomecánica del macizo rocoso de Lauffer (1958) que establece siete categorías de roca a partir de la relación entre tiempo de estabilidad de la excavación y la luz o dimensión libre sin sostener, comprobándose que un aumento de la anchura del túnel significa una reducción en el tiempo de colocación del sostenimiento. Siendo el tiempo de estabilidad de la excavación una de las bases del NATM.
NATM es un método flexible de construcción que ofrece gran seguridad y mejora la economía y eficiencia, mediante la integración del comportamiento de la masa rocosa, el registro de deformaciones de la excavación durante su construcción y la aplicación del soporte apropiado a tiempo.
De lo anterior, se deriva que el concepto de que el terreno que circunda una excavación subterránea se convierte en un componente estructural que soporta cargas mediante la activación del cuerpo anular de soporte.
Se trata de conseguir que la roca sea el principal elemento del sostenimiento, realizando la excavación y su sostenimiento de tal forma que el macizo rocoso y el sostenimiento (reducido ahora a su mínima expresión) puedan deformarse para que el nivel tensional que corresponde al equilibrio sea el más bajo posible. Esta filosofía constructiva implica un buen conocimiento del macizo rocoso, la utilización de sostenimientos deformables (y por tanto flexibles) y su optimización mediante medidas de control.
El concepto del NATM es actuar el macizo rocoso y/o suelo circundante a la excavación de modo que este se comporte como un miembro portante de carga, así como influenciar el proceso de reacomodo de esfuerzos, dependiente del tiempo de forma tal que el nuevo estado secundario de equilibrio pueda ser alcanzado con requerimiento de soporte mínimos.
El NATM se encuentra enmarcado dentro de los métodos observacionales de daños que involucra la instrumentación e interpretación de los registros de deformación (monitoreo) efectuado durante la construcción siendo en esencia un diseño realizado de acuerdo con el avance.
Reseña histórica complementada a Chile:
La innovación no siempre se observa a simple vista. En algunas ocasiones actúa a varios metros de profundidad, por ejemplo, permitiendo la construcción de un túnel sin alterar el normal desarrollo de una ciudad. Esto ocurre en la aplicación en nuestro país del New Austrian Tunnelling Method - Nuevo Método Austríaco de Túneles (NATM), un método de diseño y construcción surgido en Europa en la segunda mitad del siglo XX y que consiste en una excavación secuencial de segmentos parciales de la sección transversal de un túnel, seguida cíclicamente de la instalación inmediata de un revestimiento primario temporal que combina el uso de hormigón proyectado reforzado con mallas o fibras metálicas, pernos de anclaje, marcos metálicos y/o barras de refuerzo, otorgando al terreno un confinamiento suficiente para que éste pueda participar activamente en la función portante. Desde sus inicios el NATM destacó por innovación y por permitir el desarrollo de nuevos proyectos que se caracterizan por su economía, flexibilidad y rapidez. En Chile la aplicación del NATM comenzó en los 90, y en la actualidad hay dos proyectos emblemáticos que utilizan este método: Metro Línea 4 (Santiago) y Camino La Pólvora (Valparaíso). Y ahora se incorpora las líneas 3 y 6 del Metro de Santiago, pues se ha destacado la rapidez del método, pero siempre quedara la disyuntiva que se plantea en el objetivo del presente trabajo de título, porque no usar sistema TBM o incluso un complemento de ambos, siendo que sus características de desarrollo difieren mucho, pero sus avances son a veces muy parecidos, incluso TBM superando en rangos considerables de metros por día.
La relación entre Metro S.A. y el método NATM lleva sus años, ya en 1994 se aplicó por primera vez esta metodología para la construcción de un túnel bajo el Parque Bustamante. Aunque en aquella oportunidad se cumplieron las expectativas, en los posteriores proyectos la ejecución del NATM fue evolucionando. Los diseños y procedimientos han tenido un acelerado avance, por ejemplo, hoy se construyen, en subterráneo no sólo las interestaciones sino también las propias estaciones, con secciones del orden de los 160 metros cuadrados. La estrategia que se ha seguido en la Línea 4 y en otros proyectos (Cummings, El Parrón, La Cisterna, Patronato y Cerro Blanco) consiste en partir de un sitio expropiado previamente. A continuación, se construye un pique lateral que más tarde servirá de acceso a la estación propiamente tal, pero que durante la faena es el punto de partida de una galería de acceso ortogonal al eje del trazado. Por el pique se extrae el material de la excavación tanto de la galería de acceso como del propio túnel estación.
La clasificación de Lauffer de 1958 refleja perfectamente el uso combinado de cerchas, pernos y hormigón proyectado en la construcción de túneles en roca. Esta clasificación está, por otra parte, muy vinculada al surgimiento del Nuevo Método Austriaco (NATM) en Centroeuropa. Su utilización requiere, sin embargo, la experiencia directa en obra y es poco práctica en las fases de proyecto y anteproyecto.
Método NATM:
Considerado por algunos como una clasificación geomecánica más, toca hablar ya del Nuevo Método Austríaco de Construcción de Túneles, también conocido por las siglas NATM (New Austrian Tunnelling Method).
En primer lugar, se debe puntualizar que no se trata de un “método “, propiamente dicho, sino más bien de una “filosofía de actuación “, llegando a decir el propio Bieniawsky en 1989 que “the word method in the english translation is unfortunate, as it has led to some misunderstanding”.
En segundo lugar, hay que decir que lo de “Nuevo” es porque ya existía un Método Austríaco de construcción de túneles, como existen también el Método Alemán, el belga o el inglés, aunque el tema del nombre daría para mucho, ya que este método recibe diferentes nombres dependiendo de cuándo, dónde y quién lo use.
A lo que vamos, desarrollado y patentado (Patentschrift Nr. 165573, Österreichisches Patentamt) por Rabcewickz, Müller y Pacher entre 1948 y 1964, el método está basado en la clasificación geomecánica de Lauffer y en los trabajos teóricos de Fenner y Kastner (también austríacos), y consiste, en esencia, en comparar las curvas características del terreno con los resultados de la instrumentación in situ y estudiar cuál es el sostenimiento que puede funcionar mejor en cada caso.
A partir de este estudio se desarrollaron veinte principios fundamentales, siendo cinco los más importantes:
Utilizar la propia roca como elemento resistente frente a los incrementos locales de tensión que se producen durante la excavación.
Utilizar métodos de excavación que minimicen el daño producido al macizo, con HORMIGONADOS de protección nada más excavar.
Instrumentar las deformaciones en función del tiempo, con ayuda de clasificaciones geomecánicas y ensayos de laboratorio.
Colocar sostenimientos iniciales flexibles, protegiendo el macizo de meteorizaciones, descompresiones, descohesiones, etc., con la velocidad adecuada, para evitar el comienzo de daños.
Ventajas del método:
Es económico, un revestimiento flexible casi siempre es más barato que uno rígido.
Altera poco el terreno, lo cual viene bien a largo plazo.
Su adaptabilidad a condiciones geológicas variadas, especialmente en condiciones difíciles.
Reducción en los presupuestos de obra.
Disminución de la probabilidad de accidentes en el frente de trabajo, por causa de rocas o derrumbes.
Económicamente mucho más rentable comparado con otros métodos de tunelería.
Desventajas del método:
Exige un cuidado continuo, saber hacerlo bien, estar pendiente en todo momento a la instrumentación y usarlo dónde toca, y eso suele excluir a los suelos blandos.
El nuevo método austriaco ha dado magníficos resultados en materiales rocosos en que las deformaciones antes de la rotura pueden ser relativamente grandes. En suelos estas deformaduras antes de la rotura, son más pequeñas y hay mayor riesgo de utilizar esta filosofía.
El NATM tiene dificultades en zonas urbanas a poca profundidad donde la subsidencia, que el método provoca, lo hace inviable.
Como pasa siempre, el método tiene defensores y detractores y, por extraño que pueda parecer, todos tienen razón, el problema no es el método, sino usarlo mal, aunque según algunos esto no sea más que una mala excusa.
Puede que no existan las verdades absolutas, pero en cuestiones relacionadas con el terreno y la geotecnia, “lo barato sale caro” se aproxima mucho. Aceptar la oferta más barata sabiendo que no es la opción correcta no es ético, y menos todavía en suelos blandos en entornos urbanos, en los que tanto el riesgo como los posibles daños son muy elevados.
En cuanto al sostenimiento de la excavación: como en la mayoría de las excavaciones subterráneas destinadas a uso civil, se suele colocar un revestimiento que asegure la estabilidad de la excavación. Normalmente, el revestimiento se coloca una vez que la excavación ya ha sido estabilizada por el sostenimiento primario; por ello, el revestimiento final no se suele colocar en primera instancia. En esta situación la función estructural del revestimiento se limita a ofrecer un margen de seguridad adicional a la obra, en el caso de que el terreno o el sostenimiento se deterioren, o para hacer frente a fenómenos de carga diferidos en el tiempo.
Principios del NATM:
Antes de efectuar una excavación a través de un macizo rocoso, la roca se encuentra sometida a un esfuerzo primario, como resultado del peso por gravedad de la masa rocosa de cobertura y/o por los movimientos tectónicos de la corteza terrestre.
Cuando se está efectuando la excavación, existe la posibilidad de encontrar espacios vacíos donde no deben existir esfuerzos; consecuentemente, la roca que encierra a una excavación puede encontrarse bajo la acción de grandes esfuerzos secundarios que son significativamente altos en comparación con los esfuerzos primarios; esto debido a que en la mayoría de las rocas no sólo se cumplen condiciones de elasticidad sino también existen condiciones de plasticidad y viscosidad.
Inmediatamente después de efectuarse una excavación a través de un cuerpo rocoso, en la zona circundante a ésta, se inicia un proceso de reacomodo de esfuerzos con movimientos que tienen relación directa con esta variación de esfuerzos. Mientras la roca está en movimiento, los esfuerzos alrededor de la excavación son redistribuidos. Este fenómeno se observa constantemente en trabajos mineros, siendo virtualmente imposible prevenir la cantidad de roca en movimiento, así como la presión que ejerce sobre la pared rocosa de la excavación; sin embargo, cuanto más se permitan movimientos, mayor será la liberación de presión. Esta liberación de presión es requerida para amortiguar movimientos adicionales.
La parte más importante de la estructura de un túnel es la masa rocosa circundante.
Debe mantenerse la resistencia original de la roca tanto como sea posible porque este es el elemento resistente fundamental.
Debe prevenirse la desintegración de la roca (loosening) tanto como sea posible porque ella conduce a una considerable pérdida de resistencia.
Debe evitarse el estado de esfuerzos uniaxial o biaxial. Esto quiere decir que se debe buscar el confinamiento de la roca.
El objetivo es crear una zona de soporte alrededor de la abertura excavada y prevenir la desintegración en el máximo grado posible.
El revestimiento debe ser colocado a tiempo, SEGÚN clasificación Lauffer. El revestimiento debe ser colocado a tiempo, ni demasiado pronto ni demasiado tarde, y la resistencia del soporte debe ser dosificada de acuerdo con las necesidades. Elementos de soporte que ejercen una función sin llegar a extremos de cargas no deseables.
Elementos iniciales de soporte deben colocarse en un periodo crítico durante la relajación de la roca de forma que se le atribuya la eficacia correspondiente a cada elemento de sostenimiento.
El objetivo del NATM es optimizar el soporte de la apertura excavada. De allí que, el sistema de soporte necesita ser flexible y adaptable a las condiciones del terreno encontradas. La curva de Pacher-Fenner es una importante herramienta para la adecuada y precisa instalación del soporte. Los resultados del revestimiento siendo colocado demasiado temprano o demasiado tarde, o usando un revestimiento que en exceso o pobre.
7. Identificar la correcta estimación del factor de tiempo para el sostenimiento de cada tipo de roca es crítica.
La investigación geomecánica de las formaciones rocosas, así como su verificación y comparación, de desplazamientos y deformaciones durante la construcción del túnel debe ser constante.
El shotcrete debe estar completamente adherido a la superficie de la roca.
El revestimiento inicial debe ser relativamente delgado y flexible para permitir una disminución gradual del esfuerzo de flexión, causado por las deformaciones iniciales.
Si se necesitara más sostenimiento en la línea del shotcrete, se debe reforzar con pernos de roca, mallas o vigas de acero; en lugar de incrementar al ancho del shotcrete.
Desde el punto de vista del diseño estructural, el túnel puede considerarse estáticamente como un tubo cargado por la roca circundante con la interacción de los elementos de sostenimiento (como un tubo de pared gruesa, consistente en un anillo fundamental de roca y el soporte revestimiento (teoría elastoplástica)). Como un tubo puede actuar solo sí es continuo, es importante que se considere todo el contorno de la excavación (incluso el piso).
El revestimiento inicial del túnel es esencial. Si la estructura de la roca en el piso no es capaz de soportar la carga, deberá instalarse un arco de concreto en el piso en el debido tiempo. La excavación y la primera etapa de soporte, frecuentemente conocida como soporte temporal, tiene que considerarse como parte del sistema total del túnel, porque ella tiene una influencia significativa sobre la acción del soporte final. En realidad, el soporte temporal es el principal elemento de control de las deformaciones y permite alcanzar equilibrios definitivos.
El tiempo de instalación de este último soporte es muy importante, especialmente en condiciones geológicas adversas. Las interpretaciones de las medidas geomecánicas deben corroborarse con los estudios que se realizaron previamente. La decisión para un adecuado mecanismo de soporte y secuencia de construcción se debe ajustar a las medidas geotécnicas obtenidas durante la construcción del túnel. La estabilidad debería lograrse en esencia mediante el soporte preliminar. El revestimiento interno sirve entonces para aumentar la seguridad. Las técnicas de soporte que se van a emplear para asegurar la estabilidad definitiva deben protegerse para actuar durante el largo plazo.
Las distintas fases de construcción del túnel requieren especial cuidado. La distribución de esfuerzos debe minimizarse. Para mantener la capacidad de carga del anillo formado por la roca circundante, se recomienda una excavación total. Subdividir la sección causa redistribuciones de carga y debe ser usado solo cuando es absolutamente necesario. (Excavaciones muy largas, condiciones de terreno muy pobres, etc.)
La secuencia de construcción y soporte son críticas para la seguridad de la estructura final de sostenimiento del túnel.
Para prevenir concentración de esfuerzos que destruyen la roca, deben evitarse las esquinas y preferirse las secciones de contornos redondeados.
El revestimiento de concreto debe permanecer relativamente delgado para evitar esfuerzos de flexión. La interacción entre el revestimiento interior de concreto y el revestimiento inicial de shotcrete debe permitir cierto deslizamiento de fricción, para evitar el esfuerzo cortante. La instalación de una membrana impermeable entre el concreto y el shotcrete facilita las cosas. Si se espera el deterioro de los miembros de soporte primario debido al agua, una membrana impermeable debe ser instalada entre el revestimiento inicial de shotcrete y el revestimiento final de concreto.
Si existen flujos de agua subterránea es necesario considerar medidas de drenaje.
El sostenimiento o fortificación en el método NATM, consiste en sostenimientos flexibles o activos, que tienen un comportamiento activo en el soporte. La tendencia actual para terrenos de calidad media, media baja a baja es el empleo preferente del hormigón proyectado o shotcrete. El NATM fue inicialmente una forma de tratar el sostenimiento de rocas competentes, en túneles profundos, con “anillos flexibles” admitiendo sensibles deformaciones (hasta su estabilización) del conjunto de rocas anillo. Al extender estos conceptos a túneles poco profundos, se presentaron dificultades porque estas deformaciones pueden ser de larga estabilización debido a los cambios en el estado de equilibrio tensional del macizo, lo que, como mínimo, puede afectar al calibre del diseño. Se ha estimado en estos casos, criterios diferentes en la interpretación y vigilancia del terreno en la adopción de anillos más rígidos.
El diseño de estos sostenimientos depende esencialmente de los esfuerzos inducidos, generados al realizar la abertura en el macizo rocoso, por lo que haremos uso de ellos para el cálculo de la carga que debemos soportar, las dimensiones del sostenimiento y la elección de los mismos.
En el NATM la formación perimetral de la roca o terreno se integra dentro del arco resistente total. De esta manera, el terreno forma parte en sí mismo de la estructura.
Sostenimiento del frente:
Uno de los aspectos principales del NATM consiste en la aplicación de medidas de sostenimiento después de cada avance del frente. Las medidas de sostenimiento se aplicarán mientras se produce la deformación e inestabilidad típica posterior a la excavación en la dirección longitudinal de avance del túnel, con el fin de conseguir su efectividad durante la restricción tensional. Las cerchas metálicas son colocadas en caso de que exista peligro de desprendimientos de rocas antes de que el hormigón proyectado se haya endurecido suficientemente. En el caso de que se produzcan roturas en el techo incluso antes que se haya aplicado el hormigón proyectado, se requieren medidas de sostenimiento por delante del frente. Dependiendo de las condiciones del terreno, se emplea el revestimiento provisional del techo o paraguas, placas de acero, pernos inyectados, etc.
En el caso de que el macizo rocoso esté intensamente fracturado y se prevean movimientos a lo largo de los planos de estratificación, la estabilidad del frente puede ser mejorada empleando pernos de acción rápida tales como Swellex. Si se desarrollan altas presiones en la roca del frente, se emplearán pernos de rosca continua que permiten reajustar la placa del reparto en cada etapa de avance.
Otro método utilizado para mejorar la estabilidad del frente consiste en adaptar la secuencia de construcción. El frente puede irse dejando inclinado, formando como un machón. Igualmente, el avance del frente de excavación puede ser limitado. Finalmente, se pueden considerar diversas combinaciones de medidas de estabilización.
