Introducción: El desafío oculto del agua en obras subterráneas
La construcción de infraestructuras subterráneas como túneles y lumbreras es un pilar fundamental en el desarrollo urbano y la mejora de sistemas de drenaje. Sin embargo, uno de los desafíos más críticos y a menudo subestimados en estos proyectos es la presencia de agua subterránea. Ya sea en forma de acuíferos, acuítardos, o simplemente agua colgada, su comportamiento, cantidad y calidad pueden influir drásticamente en la ejecución de la obra. Las fallas en el control de estas presiones y flujos pueden acarrear consecuencias graves: desde retrasos y sobrecostos significativos, hasta inundaciones de las excavaciones. Especialmente las que comprometen la seguridad del personal y la integridad misma de la infraestructura.
Un ejemplo palpable de esta problemática se evidenció en el tramo VI del Túnel Emisor Oriente (TEO) en México. Un proyecto diseñado para reforzar el sistema de drenaje de la Ciudad de México y su zona metropolitana. Las filtraciones y el ingreso de agua subterránea se convirtieron en un obstáculo importante. Subrayando la necesidad imperante de contar con una caracterización adecuada del sitio y una instrumentación geotécnica avanzada para monitorear y gestionar eficazmente el recurso hídrico.
La problemática: Gestión del riesgo hidrogeológico en proyectos subterráneos
La gestión del agua subterránea en ingeniería civil es un factor crítico que impacta directamente la seguridad, el cronograma y el presupuesto de proyectos. La falta de un conocimiento exhaustivo sobre la hidrogeología del subsuelo puede llevar a problemas inesperados durante la construcción. Tal es el caso,el incremento de las presiones de poro, que a su vez pueden desestabilizar las excavaciones y las estructuras circundantes. Los niveles freáticos elevados, la presencia de acuíferos someros o confinados, y la permeabilidad de los diferentes estratos son elementos. Si no son correctamente caracterizados y monitoreados, pueden generar inundaciones, derrumbes y la necesidad de costosas intervenciones correctivas.
En regiones de alta vulnerabilidad geológica y sísmica, la problemática se agrava. Las variaciones en las presiones de poro pueden ser inducidas no solo por la construcción, sino también por eventos naturales. Lo mismo que exige una comprensión dinámica del sistema agua-suelo. La ausencia de información precisa y de un sistema de monitoreo adecuado conduce a diseños conservadores y, en última instancia, a un uso ineficiente de los recursos o, peor aún, a fallas estructurales. Esta investigación surge de la necesidad de establecer un marco metodológico para una gestión proactiva del agua en obras subterráneas. Minimizando los riesgos y optimizando los procesos constructivos.
Metodología: Abordaje integral para el control hidrogeológico
La metodología empleada en esta investigación se estructuró en varias etapas interconectadas, diseñadas para caracterizar exhaustivamente el sitio de estudio y desarrollar recomendaciones para el manejo de agua en obras subterráneas, centrándose en túneles y lumbreras.
La fase inicial consistió en una exhaustiva recopilación de información y una caracterización multidisciplinaria del subsuelo. Se realizó una revisión detallada de estudios topográficos, geológicos, geofísicos, hidrogeológicos, geotécnicos, hidráulicos y de calidad del agua existentes, con el fin de obtener una “radiografía integral” de la zona de interés. Esta información fue complementada con la determinación de los tipos y la ubicación óptima de la instrumentación geotécnica necesaria, incluyendo pozos de observación, piezómetros abiertos (tipo Casagrande) y piezómetros eléctricos de cuerda vibrante. La selección y disposición de estos instrumentos se planificó cuidadosamente para permitir un monitoreo continuo y representativo de las presiones de poro y los niveles piezométricos en los diferentes estratos del subsuelo a lo largo del tiempo.
Intrumentación geotécnica
Posteriormente, se llevó a cabo la implementación de la instrumentación geotécnica y el monitoreo. Los pozos de observación y piezómetros fueron instalados en puntos estratégicos a lo largo del trazado de las obras, considerando tanto su ubicación en planta (cercanos a la estructura, pero sin interferir con ella) como en perfil (en puntos clave de los estratos permeables, en el eje y rasante del túnel, o debajo de las losas de lumbreras). Se estableció un protocolo para la recolección periódica de datos de niveles piezométricos y presiones de poro. Estos datos fueron procesados y analizados para generar perfiles piezométricos y mapas de isopiezas, permitiendo comprender el comportamiento hidráulico del subsuelo en respuesta a las excavaciones y otros factores.
Finalmente, con base en los datos de monitoreo y la caracterización integral, se desarrollaron y validaron recomendaciones para el abatimiento de las presiones de poro y la reducción del flujo de agua. Esto incluyó el estudio de técnicas como el uso de pozos profundos con ademes ciegos y sellos de bentonita para trabajar en seco, extrayendo agua de acuíferos específicos. Se diseñaron y propusieron políticas y procedimientos para el control eficiente de los niveles piezométricos y el flujo subterráneo, buscando optimizar los procesos constructivos, prevenir fallas por subpresión y minimizar riesgos operacionales, económicos y ambientales, como la afectación a la calidad del agua o el abatimiento excesivo del nivel freático regional.
Alcances
El estudio se delimitó a la aplicación de conocimientos y experiencia en instrumentación geotécnica para la medición y el monitoreo del comportamiento y magnitud de las presiones y niveles de agua del subsuelo en diferentes estratos a lo largo del tiempo. Se aplicaron soluciones ingenieriles y mejoras a los procesos de instrumentación, incluyendo la definición de tipos de instrumentos (pozos de observación, piezómetros abiertos y eléctricos) y criterios generales para su ubicación tanto en perfil como en planta. Se abordó el caso específico del tramo VI del Túnel Emisor Oriente (TEO) para ilustrar la aplicación de estas metodologías y proponer recomendaciones para abatir las presiones de poro y el flujo de agua.
Resultados Clave
Los resultados obtenidos de esta investigación subrayan la importancia de una planificación y ejecución meticulosas en la gestión del agua subterránea en obras de ingeniería.
- Importancia de la Caracterización Integral: Se enfatiza que el conocimiento preciso de la geología, hidrogeología, geofísica y geotecnia del subsuelo es fundamental para prever y mitigar problemas asociados al agua. Esto incluye la identificación de acuíferos, acuítardos y estratos permeables, así como la evaluación de los niveles freáticos y las presiones de poro.
- Selección y Ubicación de Instrumentos: Se definieron y aplicaron criterios para la selección de instrumentos geotécnicos, destacando los pozos de observación, piezómetros eléctricos de cuerda vibrante y piezómetros abiertos tipo Casagrande. Se propuso un diagrama de flujo para guiar esta selección, y se establecieron combinaciones conceptuales para la ubicación de los instrumentos tanto en perfil (clave, eje, rasante del túnel, debajo de losas de lumbreras, zonas permeables) como en planta (cercanos a la estructura sin interferir con interconexiones). La información piezométrica, incluyendo perfiles de niveles piezométricos y distribución de presiones, es crucial para entender el comportamiento hidráulico del sitio.
- Control de Presiones de Poro y Flujo de Agua: La investigación abordó las estrategias para abatir las presiones piezométricas y reducir el flujo de agua, reconociendo que la sobrepresión del agua puede causar fallas de fondo por subpresión en las obras subterráneas. Se mencionan métodos como el uso de pozos profundos con ademes ciegos y sellos de bentonita para trabajar en seco, extrayendo agua selectivamente de acuíferos específicos. La información de la instrumentación hidráulica es vital para diseñar y operar sistemas de bombeo y drenaje eficientes.
Conclusión
Esta investigación destaca el valor estratégico de la instrumentación geotécnica avanzada en obras subterráneas ubicadas en subsuelos saturados y regiones vulnerables. El manejo eficiente del agua subterránea es clave para garantizar seguridad, rentabilidad y calidad constructiva. Al ofrecer una guía sobre caracterización del terreno, selección de instrumentos y estrategias de mitigación, el estudio proporciona herramientas prácticas a profesionales del sector. Controlar presiones de poro y flujos de agua minimiza riesgos y sobrecostos, además de preservar la integridad estructural y la seguridad del personal. En un contexto donde las infraestructuras subterráneas son cada vez más complejas, esta tecnología deja de ser un gasto y se convierte en inversión esencial para el éxito técnico y la resiliencia de los proyectos.
Referencias bibliográficas
- Custodio E, et al. (1983). Hidrología Subterránea, Barcelona, España. Ediciones Omega, S.A.
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- Dunnicliff, J. (1993). Geotechnical Instrumentation for Monitoring Field Performance, New York., A Wiley- Interscience Publication.
- González Ramírez, S. (2014). Memorias del IV Congreso Mexicano de Ingeniería de Túneles y Obras Subterráneas. Análisis geohidrológico para el control de flujo del agua del subsuelo en la construcción de la obra civil y subterránea (lumbreras y túneles de interconexión), para la planta de bombeo “El Caracol”, ubicada en el municipio de Ecatepec, Estado de México. AMITOS.
Autor: Serafín González Ramírez. Máster en Geotecnia y Cimentaciones
