Fenómeno de Subsidencia

FENÓMENO DE SUBSIDENCIA

INDICE

RESUMEN INTRODUCCIÓN JUSTIFICACIÓN MARCO CONCEPTUAL MARCO TEÓRICO CAUSAS DE LA SUBSIDENCIA SUBSIDENCIA EN TÚNELES DAÑOS A EDIFICACIONES POR SUBSIDENCIA SUBSIDENCIA POR EL DESCENSO DEL NIVEL FREÁTICO INFLUENCIA DE LAS CONDICIONES HIDROGEOLÓGICAS. CONSECUENCIAS MÉTODOS PARA REDUCIR LA SUBSIDENCIA. PREDICCIÓN EJEMPLOS

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I.

RESUMEN La subsidencia del terreno es un riesgo natural que afecta a amplias zonas del territorio causando importantes daños económicos y una gran alarma social. La subsidencia del terreno puede deberse a numerosas causas como la disolución de materiales profundos, la construcción de obras subterráneas o de galerías mineras, la erosión del terreno en profundidad, el flujo lateral del suelo, la compactación de los materiales que constituyen el terreno o la actividad tectónica. Todas estas causas se manifiestan en la superficie del terreno mediante deformaciones verticales que pueden variar desde pocos milímetros hasta varios metros durante periodos que varían desde minutos hasta años.

II.

INTRODUCCIÓN El término genérico de subsidencia hace referencia al hundimiento paulatino de la corteza terrestre, continental o submarina. La subsidencia terrestre, en la cual se centra el presente trabajo, es un fenómeno que implica el asentamiento de la superficie terrestre en un área extensa debido a varios factores, que pueden ser naturales o causados por el impacto de una gran variedad de actividades humanas (Corapcioglu, 1984). La subsidencia en geología describe el progresivo hundimiento de una superficie, generalmente de la litosfera, bien sea por el movimiento relativo de las placas tectónicas que incluyen tanto la convergencia de las mismas como su divergencia o, en una escala menor, por el asentamiento del terreno en las cuencas sedimentarias (a menudo acelerado por la acción humana, como es el caso de las cuencas petroleras) o por el cese de la actividad volcánica en áreas reducidas en torno a los volcanes propiamente dichos, como sucede en el caso de los atolones. En el caso de la subsidencia, el nivel del mar, como es lógico, sube. El opuesto de la subsidencia es el levantamiento, el cual resulta en un incremento de la altitud de la superficie sólida de nuestro planeta y, en consecuencia, en un descenso del nivel del mar. En meteorología, subsidencia se refiere al movimiento descendente de aire frío de las capas superiores, descenso explicado, precisamente, por el aumento de densidad del aire al enfriarse. enfr iarse. En oceanografía, se denomina subsidencia al hundimiento de las aguas oceánicas en la zona costera continental (generalmente en las costas orientales de los continentes) donde las corrientes marinas de este a oeste (ecuatorial y otras) acumulan una gran cantidad de agua que es succionada por la acción del fondo submarino en dirección contraria (de oeste a este) siguiendo el movimiento de rotación terrestre. En otras palabras, lo mismo

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que sucede en la atmósfera, en la l a zona intertropical, la corriente ecuatorial se produce como una respuesta, por inercia, a dicho movimiento de rotación terrestre. En realidad, esta es una explicación relativamente simple porque, como se puede ver en el artículo sobre las corrientes oceánicas, la compensación de las aguas en sentido contrario al movimiento de rotación de la Tierra, no solo se realiza por el fondo del océano en la propia zona ecuatorial sino en la superficie, tanto a pequeña escala (que da origen a las contracorrientes ecuatoriales) como a una escala mucho mayor, como es el caso de las corrientes de oeste a este (corriente del Golfo en el Atlántico y corriente de Kuro Shivo en el Pacífico en lo que respecta al hemisferio Norte y la corriente circumpolar en el Hemisferio sur). Se denomina convergencia de placas tectónicas al choque entre dos placas que se mueven en direcciones opuestas y que dan origen al levantamiento de una placa (generalmente, la continental) y al hundimiento en el manto de la otra placa (generalmente, la placa oceánica). La subsidencia se forma, evidentemente, en la placa submarina, formando lo que se conoce con el nombre de fosa oceánica y en este caso, la subsidencia o hundimiento recibe el nombre de subducción. La fosa sudamericana en la costa del Océano Pacífico (Fosa de Perú-Chile) constituye un buen ejemplo, con una profundidad superior a los 8.000 m bajo el nivel del mar. La más profunda de las fosas oceánicas es la de las islas Marianas, con algo más de 11.000 metros de profundidad. La subsidencia es un fenómeno geológico que no suele ocasionar víctimas mortales, aunque los daños materiales que causa pueden llegar a ser cuantiosos. Es de gran importancia en zonas urbanas, donde los perjuicios ocasionados pueden llegar a ser ilimitados, suponiendo un riesgo importante para edificaciones, canales, conducciones, vías de comunicación, así como todo tipo de construcciones asentadas sobre el terreno que se deforma.

III.

JUSTIFICACIÓN La subsidencia del suelo es un fenómeno natural el cual se caracteriza por el descenso del suelo y presenta diferentes irregularidades como el daño y agrietamientos en zonas rurales. Es un fenómeno en el cual repercuten diferentes orígenes, impactos económicos inversión en la mejora de las edificaciones, la explotación de aguas subterráneas, impactos ambientales ya que se ha visto un gran cambio negativo y también debido a la contaminación. Esta investigación se generará un conocimiento más amplio sobre el problema socio- ambiental de la subsidencia del suelo, que influye que este

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problema sea tan común, y que riesgos próximos se pueden visualizar en un futuro. Que amenaza pueden afectar a los habitantes, sus infraestructuras y sus sistemas, ya que se han detectado deformaciones en el terreno debido a la compactación, también a la desecación de los humedales y a los efectos que produce la extracción del agua subterránea. Por último, se podrá determinar o conocer más enfocada mente y detalladamente las principales causas por las cuales se desencadena este fenómeno natural en los suelos.

IV.

MARCO CONCEPTUAL TÚNEL Es una obra subterránea lineal, horizontal, pero que, en algunos casos, por motivos especiales, tiene un ángulo superior a 30º con respecto a la superficie terrestre, dependiendo de las dificultades que se presenten a nivel geotécnico y de topografía. El objetivo principal es ser un medio de comunicación entre dos puntos, para realizar el transporte de personas, materiales, entre otros. El desarrollo en la construcción de túneles y nuevas técnicas de perforación llegaron a la conclusión de que la meta para llevar a cabo este proceso es perturbar lo mínimo posible las condiciones del terreno excavado, ya que al comenzar la excavación de un túnel, el terreno se encuentra en un estado de equilibrio, a lo largo del avance de la excavación, este estado de equilibrio se ve alterado y se produce una descompresión del terreno, por este motivo, será necesario adoptar métodos constructivos que permitan evitar y limitar al máximo los efectos de dicha descompresión en la zona de la excavación. Esta descompresión del terreno va acompañada de un efecto de dilatación y de una pérdida irremediable de sus características geo mecánicas, de tal forma, que en un terreno descomprimido, la estabilidad del conjunto sólo puede ser asegurada mediante la ejecución de un sostenimiento del terreno. La geometría básica del túnel es un arco continuo, debido a que el túnel debe soportar una tremenda presión por todos lados, el arco es una f orma ideal, ya que por estática se puede establecer las fuerzas que interactúan para producir el equilibrio en las estructuras, como túneles y puentes:   

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La tensión, que se expande o tira, el material De compresión, lo que reduce o aprieta el material Esquila, lo que hace que las piezas de un material se deslice un pasado otro en direcciones opuestas De torsión, que tuerce un material

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El túnel debe oponerse a estas fuerzas con materiales fuertes, tales como mampostería, acero, hierro y hormigón

Con el fin de permanecer estático, el túnel debe estar en la capacidad de soportar las cargas que les impone. Carga muerta se refiere al peso de la propia estructura, mientras que la carga viva se refiere al peso de los vehículos y las personas que se mueven a través del túnel.

SISTEMA CONSTRUCTIVO EN TRAMO SUBTERRÁNEO La excavación de túneles ha ido evolucionando con el tiempo dando paso a nuevos sistemas y métodos desarrollados regionalmente en función de las características geomecánicas de los materiales existentes. Así, por ejemplo, en cuanto a túneles ejecutados por fases, se pueden diferenciar el Nuevo Método Austriaco de Construcción de Túneles (NATM), el Método Alemán, y el Método Belga, en los que la sección completa se divide en secciones más pequeñas, que se excavan y estabilizan para dar lugar a la sección completa posteriormente

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Debido a que la construcción de la PLMB es 100% subterránea, se pueden encontrar diferentes materiales, por ejemplo, arcillas blandas de alta plasticidad, arenas y gravas con permeabilidad alta, depósitos coluviales con rocas de gran tamaño, esto acompañado de niveles piezométricos cercanos a la superficie. La construcción de túneles debe tener en cuenta la estratigrafía probable, condiciones hidrogeológicas, geotécnicas entre otros para desarrollar el posible trazado del metro, para así garantizar seguridad en la obra, evitar fenómenos de subsidencia, deformaciones del túnel ya sentamientos en superficie. Para la realización del túnel se tiene en cuenta dos métodos

MÉTODO CUT AND COVER (CIELO ABIERTO- MUROS PANTALLA) Es una excavación en trinchera que se hace a cielo abierto mediante muros de pantalla, funciona para túneles de profundidad menor de 15 metros. El ancho de la trinchera entre las pantallas varía de 12-15 metros.

A. PROCESO DE CONSTRUCCIÓN: Construcción de muros pantalla, cumple la función de contención de tierras y limita el desplazamiento del terreno durante la excavación. Se retira el material hasta los niveles de apuntalamiento con anclajes o vigas de concreto armado se va avanzando hasta alcanzar la profundidad, esto depende del diseño definitivo, y después se funde la solera del túnel. Se hace un tratamiento en la solera del túnel para evitar sifonamiento o levantamiento. Para la construcción de la sección del túnel, se hace mediante un encofrado convencional, es decir, se apoya en la contra bóveda, y luego se funde todos los elementos del túnel. Se rellena hasta la superficie y se realiza los acabados de la superficie del terreno y redes de servicio y se hace la debida permeabilización. B. VENTAJAS Reduce es costo, plazo y seguridad. En cuanto a subsidencia si se hace el debido procedimiento  

se evita este fenómeno e impedimento de las “barrigas” a 

las pantallas. Disminuye la afectación de niveles freáticos en el terreno, así permitiendo un control de las subsidencias.

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Aprovechamiento de espacios generados por la clave del túnel y la superficie, para crear espacios comerciales, aparcamiento o estaciones de buses.

C. DESVENTAJAS Interferencia con redes de servicio públicos e interrupción del tráfico en la zona de trabajo. Requiere sistemas de estabilización en el fondo de la excavación para evitar levantamiento. Se genera subsidencia por el abatimiento de niveles de agua. Para evitar fallas en la profundidad de la excavación debido al no control de las subpresiones es necesario utilizar micropiltotes de anclaje lo que genera mayor costo y los rendimientos de la ejecución disminuyen. Para evitar asentamientos en las pantallas se necesitará tratamientos en el terreno en caso de suelos arenosos saturados. y así evitar pérdidas de material por el flujo de agua.

MÉTODOS TRADICIONALES. Estos métodos son los más utilizados en la construcción de líneas de metro a nivel mundial debido a su mayor rendimiento y operación más segura.

MÉTODO BELGA. Excavación de galería en la clave y ensancharla poco a poco, y apuntalando el frente permitiendo fundir toda la bóveda.

A. Proceso constructivo: Excavación desde la superficie mediante rampas o pozos verticales Se hace la construcción de la bóveda por módulos con el fin de evitar la inestabilidad del terreno. Estas longitudes de avance se van apuntalando por medio de tablas de madera o perfiles metálicos, los avances no deben ser superiores a 2.5 metros. Para la construcción de la sección central, se excava el material dejando un resguardo en los hastiales para contrarrestar el empuje de tierras, este resguarde es de 1 a 1.5 m.

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Se construye por módulos los hastiales de los dos costados simultáneamente con la bóveda, las excavaciones de módulos son de 2.5 metros de longitud. Se finaliza con la excavación y fundición de la sección ultima del túnel (solera).

MÉTODO ALEMÁN. Método que se emplea en cavernas y túneles de grandes luces y en donde el terreno es inestable.

A. Proceso constructivo Excavación desde la superficie mediante rampas o pozos verticales Se construye los hastiales del túnel por secciones excavando los módulos de 2.5 metros de longitud y se apuntalan con tablas o perfiles metálicos para poder fundir con concreto. Hay que tener en cuenta que si la altura del hastial es importante, es decir 5 metro o más la galería se excava en dos fases. Se construye la bóveda del túnel por secciones excavando los módulos de 2.5 metros de longitud y se apuntalan con tablas o perfiles metálicos para poder fundir con concreto. Par permitir la construcción de la bóveda primero se hace la excavación por la clave de la galería. Para el anillo de la bóveda se funde los hastiales primero para después se construye los anillos sobre los estribos de los hastiales. El avance de los módulos se construye simultáneamente con la bóveda, en el cual forman costillas con un ancho de 2m. Se excava la sección inferior del túnel para formar la contrabóveda. Y por último se excava la parte restante y se funde para formar solera.

NUEVO MÉTODO AUSTRIACO (NATM). Su principal objetivo es la resistencia del terreno como sistema de sostenimiento, hoy en día, la aplicación del NATM está generalizada en casi todos los proyectos de realización de túneles

A. Proceso constructivo: Excavación desde la superficie mediante rampas o pozos verticales

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La construcción de la bóveda es total, es decir, no hay secciones, las excavaciones son con explosivos. Se recubre la sección excavada por medio de concreto reforzado de 15 a 20 cm de espesor. Se hace una medición para deformación del túnel. La contra bóveda y los hastiales se hace con el método tradicional.

B. Ventajas. Debido a que son métodos por secciones a medida que se avanza este permite adaptarse a diferentes terrenos y así poder controlar la estabilidad. Disminuye impacto ambiental. Construcción flexible, debido a que trabajan varios frentes. Si hay una adecuada construcción se evita problemas de subsidencias.

C. Desventajas Se presenta impermeabilidad, debido a las presencias de juntas de construcción, afectando entonces, el acabado superficial de la obra. Este método requiere mano especializada lo que eleva el costo dela obra. Las medidas de seguridad deben ser altas debido a que son excavaciones de alto riesgo y por ende se deben implementar medidas estrictas.

D. Principios básicos: Los estados adversos de tensión y deformación en el terreno, se deberán corregir mediante un método de sostenimiento apropiado para cada tipo de terreno. En casos desfavorables, la ejecución de una contrabóveda aportará el arco resistente deseado, obteniéndose así, unas propiedades estáticas similares a las de un tubo. El tipo de sostenimiento se irá optimizando de acuerdo con las deformaciones máximas admisibles que presente el terreno. Deberá llevarse un seguimiento exhaustivo de las mediciones generales de control

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(convergencias), realizando constantes ensayos de optimización del sostenimiento. Como consecuencia de todo ello, la correcta utilización del NATM supone:  

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Ejecución de procedimientos de excavación cuidadosos. Elección de la mejor sección de excavación posible, permitiendo además su adaptación a las condiciones específicas mecánicas de la roca y la distribución de tensiones. El sistema de excavación deberá de adaptarse a las propiedades del terreno encontrado. La estabilidad del frente sin sostenimiento, la elección correcta de la voladura y la longitud del avance, juegan un importante papel para elegir el método operacional más factible y económico.

Los principios específicos del NATM son: 

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El sistema está concebido como una estructura combinada, consistente en una formación del terreno alrededor de la excavación, y varios métodos de sostenimiento, tales como, hormigón proyectado, refuerzos y armados, bulones, cerchas, etc. El estado tridimensional de la tensión y los esfuerzos son compatibles con las propiedades geomecánicas del terreno. Necesidad de realización de ensayos sobre muestras del terreno tanto “in situ” como en el laboratorio. En todo

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momento se deberán tener en cuenta los valores geomecánicos del terreno, su variabilidad a largo plazo así como los efectos producidos por las filtraciones de agua existentes. En algunas ocasiones será importante que la propia estructura del soporte tenga una suficiente elasticidad, por lo que en dichos casos ciertas zonas del revestimiento se deberán realizar con un sostenimiento ligero. La ejecución del sostenimiento y la colocación de los bulones de anclaje se realizarán en el momento apropiado, con el fin de formar una estructura combinada con el terreno circundante próximo. El periodo de excavación sin sostenimiento, así como la ejecución de una contrabóveda, se considerará en función de la distribución de las presiones del terreno, y teniendo en cuenta las características geológicas del mismo, además de los tiempos de las operaciones de excavación.

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Las constantes mediciones e inspecciones visuales del terreno, así como los diferentes tipos y secciones de sostenimiento, caracterizan el NATM. El revestimiento definitivo se dimensionará de acuerdo con los cambios de presión resultantes de la alteración del terreno

MÉTODOS CON MAQUINAS TUNELADORAS TBM. Es una máquina capaz de excavar túneles a sección completa, a la vez que colabora en la colocación de un sostenimiento si este es necesario, ya sea en forma provisional o definitiva. La excavación se realiza normalmente mediante una cabeza giratoria equipada con elementos de corte y accionada por motores hidráulicos. Los rendimientos conseguidos con tuneladoras de cabeza giratoria son elevadísimos si se comparan con otros métodos de excavación de túneles, pero su uso no es rentable hasta una longitud mínima de túnel a excavar: hace falta amortizar el precio de la máquina y eclipsar el tiempo que se tarda en diseñarla, fabricarla, transportarla y montarla (que puede llegar a los dos años). Además, los túneles a excavar con tuneladora tienen que tener radios de curvatura elevados porque las máquinas no aceptan curvas cerradas, y la sección tiene que ser circular en túneles excavados con cabeza giratoria.

A. Tipos de Tuneladora. Topos: Los topos son tuneladoras diseñadas para excavar rocas duras o medianas, sin demasiadas necesidades de sostenimiento. Su diferencia fundamental con los escudos es que no están dotados de un cilindro de acero tras la rueda de corte que realiza la función de entibación provisional.La fuerza de empuje se transmite a la cabeza de corte mediante cilindros (cilindros de empuje). La reacción producida se transmite al hastial del túnel mediante los grippers (fuerza de anclaje). Los grippers también compensan el par producido por la cabeza de corte, que se transmite a éstos a través de la viga principal. Cuando se ha terminado un ciclo de avance, se necesita reposicionar las zapatas de agarre (grippers), para la cual se apoya la viga principal en el apoyo trasero. Una vez anclados los grippers en su nuevo emplazamiento, se libera el apoyo trasero y se inicia un nuevo ciclo de avance Escudos. Los escudos son tuneladoras diseñadas por excavar rocas blandas o suelos, terrenos que necesitan sistemáticamente la colocación de un sostenimiento. A diferencia de los topos, los escudos cuentan con una carcasa metálica exterior (que da el nombre a este tipo de máquina) que 

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sostiene provisionalmente el terreno desde el frente de avance hasta algo más allá de donde se coloca el sostenimiento definitivo, normalmente consistente en anillos formados por unas 7 dovelas. De este modo, se garantiza en todo momento la estabilidad del túnel. A menudo están preparadas para avanzar bajo el nivel freático. Si se trata de una tuneladora de cabeza giratoria, suele estar equipada con picas, rastreles o "rippers" (elementos que arrancan los suelos) y cortadores (elementos que rompen por identación la roca). También dispone de una serie de aperturas, frecuentemente regulables, por donde el material arrancado pasa a una cámara situada tras la rueda de corte y desde donde se transporta posteriormente hacia el exterior de la máquina. Tras esta cámara se alojan los motores y el puesto de mando de la máquina, espacios completamente protegidos por la carcasa metálica. Seguidamente está todo el sistema de perforación: primero los cilindros perimetrales (con un recorrido entre 1,20 y 1,50 m). Estos gatos perimetrales se apoyan contra el último anillo colocado de dovelas del revestimiento definitivo del túnel. Cuando finaliza el recorrido de los cilindros de avance, se coloca un nuevo anillo de dovelas (en el interior de la carcasa, que se extiende algo más allá, de forma que el túnel siempre está sostenido) y se empieza un nuevo ciclo de excavación. Una inyección de mortero o grasa es necesaria para llenar el vacío de 7 a 9 cm de grueso entre las dovelas y el terreno excavado Se distinguen dos grandes grupos de escudos, de entre los que se distinguen las tipologías que se explicitan a continuación: 

Escudos de frente abierto: se usan cuando el frente del túnel es estable. El sistema de excavación puede ser manual, mediante brazo fresador, con un brazo excavador o con una cabeza giratoria. En algunos casos, se puede colaborar con la estabilidad del frente una vez acabado cada ciclo con unos paneles a modo de reja. Con este tipo de máquina, si la cabeza no es giratoria, es posible trabajar con secciones no circulares.

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Escudos de frente cerrado: se usan cuando el frente del túnel es marcadamente inestable, por ejemplo en terrenos no cohesivos, saturados de agua, etc. La sección excavada ha de ser circular. tiene varios tipos:

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Escudos con cierre mecánico: la entrada y salida de material en el cuarto de tierras se regula mediante dos puertas de apertura controlada hidráulicamente. La máquina tiene limitaciones con presencia de agua.

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Escudos presurizados prácticamente no se usan.

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Escudos de bentonita o hidroescudos: con la inyección de bentonita se consigue estabilizar el terreno por sus propiedades tixotrópicas y facilitar el transporte de material mediante bombeo.

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Escudos de balance de presión de tierras o EPBs: el material es extraído del cuarto de tierras mediante un tornillo de Arquímedes. Variando la fuerza de empuje de avance y la velocidad de extracción del tornillo, se consigue controlar la presión de balance de las tierras, para que ésta garantice la estabilidad del frente y se minimicen los asentamientos en superficie. Para facilitar la evacuación de productos poco plásticos con tornillos, a menudo se han de inyectar productos químicos por aumentar la plasticidad de los terrenos. Hoy en día, las EPB son la tecnología predominante en cuando a excavación de túneles bajo nivel freático

con

aire

comprimido:

CONSOLIDACIÓN DE SUELOS. Es la reducción de volumen de los suelos finos cohesivos (arcillas y limos plásticos), la cual es provocada por la presencia de cargas sobre la superficie del suelo y ocurre en el transcurso de un tiempo generalmente largo. Esta consolidación produce asientos, es decir, hundimientos verticales, en el caso que estas se producen en gran magnitud, las construcciones pueden llegar a fallar, perdiendo su estabilidad. Al observar los depósitos de material muy suaves situados en el fondo de una masa de agua, por ejemplo un lago, se nota que el suelo reduce su volumen conforme pasa el tiempo y aumentan las cargas sobre el suelo, se les llama proceso de consolidación. Frecuentemente ocurre que durante el proceso de consolidación permanece esencialmente igual la posición relativa de las partículas sólidas sobre un mismo plano horizontal, por lo tanto la consolidación solo se da en el plano vertical, a esto se le conoce como consolidación unidimensional.

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La consolidación de un suelo es un proceso lento, puede durar meses y hasta años. Es un proceso asintótico, es decir, que al comienzo es más veloz, y se va haciendo cada vez más lento, hasta que el suelo llega a una nueva situación de equilibro en la que ya no se mueve. El no tomar en cuenta este posible movimiento del suelo al proyectar una estructura sobre él puede llevar a consecuencias catastróficas tales como la inclinación, fisuración e incluso el colapso de la misma. En muchos casos es necesario pre-consolidar el suelo antes de proceder a la construcción de una obra importante, como puede ser, por ejemplo, un edificio o una carretera. La pre-consolidación se hace el terreno con un peso semejante o mayor que el que deberá soportar una vez construida la obra, para esto se deposita en la zona interesada una cantidad de tierra con el peso equivalente de la obra.

Consolidación Primaria (unidimensional)

V.

MARCO TEÓRICO 1. SUBSIDENCIA La subsidencia es, junto con la contaminación de los acuíferos subterráneos, uno de los problemas principales de la minería subterránea. Consiste en el movimiento de una superficie cuya componente vertical de desplazamiento es claramente predominante sobre su componente horizontal. Es el asentamiento de una zona normalmente llana que experimenta un descenso lento y progresivo del terreno sin que se produzca un movimiento horizontal, causado por la consolidación del suelo. Cuando la deformación y el hundimiento son localizados y de dimensiones reducidas hablamos de un asentamiento, y si se da de manera muy rápida, de colapso. Los hundimientos pueden tener causas naturales (presencia de discontinuidades, disolución, oxidación, compactación, desecación, etc.) o

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por acciones antrópicas (extracción de recursos geológicos, humidificación excesiva de las arcillas, aumento de la carga, etc.). Este fenómeno geológico es un riesgo natural que afecta a amplias zonas del territorio causando importantes daños económicos y una gran alarma social, sin embargo, no suele ocasionar victimas mortales. Es de gran importancia en zonas urbanas, donde los perjuicios ocasionados pueden llegar a ser ilimitados, suponiendo un riesgo importante para edificaciones, canales, conducciones, vías de comunicación, así como todo tipo de construcciones asentadas sobre el terreno que se deforma. La subsidencia del terreno es únicamente la manifestación en superficie de una serie de mecanismos subsuperficiales de deformación. Prokopovich (1979) define desde un punto de vista genético dos tipos de subsidencia: endógena y exógena. El primero de estos términos hace referencia a aquellos movimientos de la superficie terrestre asociados a procesos geológicos internos, tales como pliegues, fallas, vulcanismo, etc. El segundo se refiere a los procesos de deformación superficial relacionados con la compactación natural o antrópica de los suelos. La subsidencia se debe principalmente a dos procesos: la karstificación y aparición de estructuras halocinéticas. La karstificación es un fenómeno que se produce en el terreno por la presencia de yeso y calizas que pueden dar lugar al efecto de disolución. Esto puede favorecer la aparición de espacios vacíos, oquedades que no se detectan y que pueden hundirse de forma brusca causando graves daños y pérdidas en el terreno circundante. Las estructuras halocinéticas son formaciones geológicas producidas por el desplazamiento de rocas salinas que pueden alterar los materiales de su alrededor levantándolos, formando domos; o perforándolos, originando diapiros. La subsidencia puede también clasificarse en función de los mecanismos que la desencadenan (Scott, 1979). Las actividades extractivas de mi neral en galerías subterráneas, la construcción de túneles, la extracción de fluidos (agua, petróleo o gas) acumulados en reservorios subterráneos, el descenso de nivel freático por estiajes prolongados, la disolución natural del terreno y lavado de materiales por efecto del agua, los procesos morfotectónicos y de sedimentación o los procesos de consolidación de suelos blandos u orgánicos, son algunas de las causas de los procesos de subsidencia (González Vallejo et al., 2002)

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2. DIFERENCIAS ENTRE DEFINICIONES Hay diferencias entre subsidencias y colapsos 

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3.

Subsidencias: descensos lentos y paulatinos de la superficie del terreno. Colapsos o hundimientos: movimiento vertical repentino del suelo.

TIPOS DE SUBSIDENCIAS Podemos clasificar los distintos tipos de subsidencia según dos puntos de vista:

a. "GENÉTICO" O GENERAL: 

Subsidencia exógena: se refiere a los procesos de deformación superficial relacionados con la compactación natural o antrópica de los suelos.

Subsidencia endógena: hace referencia a aquellos movimientos de la superficie terrestre asociados a procesos geológicos internos, tales como pliegues, fallas, vulcanismo, etc.

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b. SEGÚN EL MECANISMO DESENCADENANTE i. Por disolución subterránea en sal, yeso o rocas carbonáticas: debido a la gran solubilidad de estos materiales en agua en determinadas condiciones, pueden llegar a formar sistemas de huecos interconectados, y que, en circunstancias extremas, provocan el hundimiento del terreno en determinadas zonas. ii. Minera, por obras mineras o construcción de galerías subterráneas: consiste en el hundimiento de la superficie del terreno con motivo de la deformación y/o colapso de galerías generadas para la extracción de minerales o la construcción de túneles respectivamente cuando los terrenos colindantes intentan ocupar el suelo el vacío generado.

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iii. Por erosión subterránea: también conocido como "turificación" o "pipián", se produce por un proceso mecánico de arrastre de partículas de suelo causado por el flujo de agua subterránea. El agua, en su recorrido horizontal por el terreno, moviliza partículas de suelo generando una serie de canales que pueden desencadenar colapsos del terreno. iv. Por flujo lateral: En torno a diversas formaciones evaporíticas se producen fenómenos de subsidencia asociados a la actividad dialítica. Este tipo de fenómenos de flujo lateral se ha observado en materiales arcillosos intercalados entre materiales más competentes como pizarras. v. Por compactación: Se divide a su vez según la causa de este proceso Vibraciones: Las vibraciones producidas por los terremotos, explosiones u otras causas pueden causar la densificación de terrenos granulares sueltos por reajuste de partículas al alcanzar este una estructura más compacta. Carga: La acumulación natural sucesiva de sedimentos o determinados tipos de cimentaciones pueden ocasionar la consolidación del terreno como consecuencia del peso que ejercen los sedimentos o las construcciones. Esta subsidencia se produce por una reducción gradual de los huecos del suelo. Extracción de fluidos: Puede causar importantes valores de subsidencia como consecuencia del cierre gradual de los huecos rellenos por el fluido extraído. Este tipo de hundimiento afecta a grandes ciudades como México DF, Valle de san Joaquín (EEUU), Tokio (Japón), Pekín (China), etc. Hidrocompactación: Este fenómeno consiste en el asentamiento que se produce en determinados tipos de suelos, con un bajo contenido de humedad y situados sobre el nivel freático, al ser saturados. La presencia de agua puede causar dos tipos de efectos en este tipo de suelos, la disolución de los enlaces entre partículas o la pérdida de las tensiones capilares que en ambos casos

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sostienen las partículas de suelo para configurar su estructura.

Tectónica: Los descensos de la superficie terrestre producidos por las fallas producen un efecto conocido como subsidencia tectónica. Este tipo de subsidencia es, en general, muy lenta y de pequeña magnitud (de pocos mm o décimas de mm al año) frente a otros tipos de subsidencia.

Bombeo de pozos: Se da cuando se bombea de los pozos el agua a mayor velocidad de lo que pueden reemplazarla los procesos de recarga natural. Sobre todo, en zonas con estratos potentes de sedimentos no consolidados, donde la presión del agua al extraerle disminuye, y el peso de la sobrecarga se trasmite al sedimento, compactando los granos y hundiendo el terreno. Un cuadro resumen sobre los tipos de subsidencias basándonos en Tomas Roberto; Herrera, Gerardo; Delgado, José y Peña, Fernando en su libro: Enseñanzas de las Ciencias de la Tierra. En Sal En Yeso

POR DISOLUCION SUBTERRANEA

En Rocas

POR CONSTRUCCION DE OBRAS SUBTERRANEAS O GALERIAS MINERAS. POR EROSION SUBTERRANEA (TUBIFICACIÓN O PINING) POR FLUJO LATERAL

Rocas Salinas Arcillas Por Carga Por Drenaje Por Vibración

POR COMPACTACIÓN

Por Extracción de Fluidos Por Hidrocompactación

TECTONICA

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4.

MÉTODOS DE MEDIDA DE LA SUBSIDENCIA. Los métodos de medida de las deformaciones del terreno pueden servir para estimar distintas magnitudes de la deformación estudiada como, por ejemplo, los desplazamientos relativos entre dos cuerpos, los movimientos absolutos, las inclinaciones, los desplazamientos en una dirección, los movimientos en profundidad, etc. Considerando la descripción que establece para la Ingeniería Cartográfica, podemos diferenciar cuatro métodos de medida de las deformaciones de la superficie terrestre: métodos topográficos convencionales, métodos geodésicos, métodos fotogramétricos y métodos de teledetección. Sin embargo, para este proyecto el enfoque va a ser los métodos topográficos los cuales son usados actualmente Métodos topográficos convencionales: Bajo este término se engloban todas aquellas técnicas propias de la Cartografía clásica terrestre. Hasta hace relativamente poco tiempo constituían el único sistema válido y eficaz para llevar a cabo la medida de deformaciones de la superficie terrestre sin cometer grandes errores Estas son las técnicas topográficas clásicas

METODO Nivelació trigonométrica o por endientes Nivelación geometrica o por alturas Nivelación geometrica de precisión Triangulación topografica

USO Variación de la altitud

Variación de la altitud ± 1mm/km Variación de la altitud ± 0.1mm/km Desplazamiento de 5-10mm

Poligonal

Desplazamiento

Distanciómetro electroóptico (MED) Desplazamiento

PRECISIÓN 20mm

de 5-10mm de 7mm±1-5ppm

Su fundamento se basa en la medida de las variaciones de las coordenadas de una serie de puntos durante un determinado intervalo de tiempo. Para ello se han de repetir las medidas de las coordenadas (-X, -Y, -Z) de los puntos de control, varias veces, en diferentes instantes, para así determinar si se ha producido o no variación en cualquiera de las tres direcciones del sistema de referencia. Las lecturas estos puntos de control suele realizarse desde unos puntos de coordenadas conocidas denominados bases topográficas que han de permanecer fijas durante todo el periodo de lectura.

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Los métodos topográficos pueden clasificarse en dos grandes grupos, altimétricos y planimétricos. Otro método utilizado en el estudio de fenómenos de inestabilidad de laderas es el de medición de distancias reales, cuya finalidad es determinar la variación de la distancia existente entre el punto de control y la base de referencia

Métodos geodésicos. La Geodesia permite determinar las coordenadas de la proyección de los puntos sobre la superficie terrestre, así como la altura sobre el nivel del mar (geoide) o de forma más precisa a una superficie arbitraria que sirve de fundamento para el cálculo de los puntos geodésicos, que recibe el nombre de elipsoide de referencia. Los Sistemas de Posicionamiento Global (Global Positioning Systems, GPS), la Determinación de Órbitas y Radioposicionamiento Integrado por Satélite (Determination d’Orbites et RadioPositionnement Intégrés par Satellite, DORIS) y la Telemetría de Láser por Scanner (Scanner Laser Ranging,SLR) constituyen las principales técnicas geodésicas empleadas en el estudio de las deformaciones de la superficie terrestre. Métodos fotogramétricos. La fotogrametría es una técnica consistente en la obtención de las tres dimensiones de una escena a partir de pares de fotografías de la misma, denominados fotogramas, tomadas bajo distintos ángulos. Existen tres métodos fotogramétricos. El primero de ellos es la fotogrametría terrestre, en la que, como su nombre indica, los pares de fotogramas se obtienen desde tierra estacionando el instrumental a distancias inferiores a 200 metros de la zona a restituir, proporcionando una precisión de hasta 40 mm. Este sistema es más apropiado para el estudio de fenómenos de pequeña envergadura que ocupan áreas reducidas. La fotogrametría aérea constituye el segundo método fotogramétrico. A diferencia del anterior, la cámara se sitúa sobre una plataforma aérea (avión o helicóptero), siendo la altura de vuelo inferior a 500 metros. La precisión obtenida con la fotogrametría aérea es de unos 100 mm, barriendo amplias áreas. El procesado de las imágenes permite construir un modelo digital del terreno (MDT) de la zona de interés. La comparación de los MDTs obtenidos en diferentes intervalos de tiempo a través de la fotogrametría, permite comparar los cambios superficiales que se han producido en la zona. La principal ventaja de la fotogrametría es que permite obtener una visión global de la zona deformada y no sólo de algunos puntos de la misma, tal y como ocurre con otros métodos

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de control de deformaciones. La fotogrametría satélite se basa en los mismos principios que la aérea. La diferencia estriba en que las imágenes estereoscópicas son adquiridas desde una plataforma espacial. Hasta el momento las precisiones conseguidas son bajas. No obstante, la mejora de las imágenes de satélite introducida por una nueva generación de satélites en el mercado como el SPOT V y el ASTER, capaces de adquirir dos imágenes en una misma órbita, ha hecho que la fotogrametría de satélite pueda llegar a competir con la fotogrametría aérea, permitiendo la fotointerpretación manual o la correlación automática de los pares.

VI.

CAUSAS DE LA SUBSIDENCIA 6.1. NATURALES a. LICUEFACCIÓN Consiste en la pérdida de consistencia del suelo, de manera temporal, debido a una redistribución de las partículas del terreno y del agua que contiene. Suele deberse a movimientos sísmicos y actividad antrópica. La licuefacción tiene lugar en los suelos no consolidados, no cohesivos o fácilmente disgregables y saturados en agua. El sedimento cae hacia abajo por su propio peso y el agua de saturación tiende a salir como una fuente surgente, comportándose como material licuado, cuyo resultado es la producción de un desplazamiento o falla del terreno. Hay varios tipos de desplazamientos asociados a la licuefacción: 



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Flujos de tierra: los materiales del suelo se desplazan rápidamente cuesta abajo en un estado licuado, a veces causando coladas de barro o avalanchas. Flujo lateral: es el desplazamiento limitado de las capas superficiales del suelo a favor de pendientes suaves o hacia superficies libres, como márgenes de ríos. Flotación: objetos enterrados menos pesados que el suelo licuado desplazado, como tanques, buzones o tuberías de gravedad, ascienden a través del suelo y flotan en la superficie.

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

Pérdida de resistencia de soporte: reducción de la capacidad de soporte de los cimientos debido al debilitamiento del material del suelo subyacente o colindante que puede hacer que las estructuras se hundan.

Los factores que aumentan la probabilidad de que el terreno se comporte como un líquido son varios: 





Distribución del tamaño de los granos: La arena uniformemente graduada, con granos pocos finos o muy gruesos (arena limpia) tiene mayor probabilidad de licuarse y es posible que se vuelva más densa. Las arenas limosas y gravas también son susceptibles a la licuefacción bajo cargas muy severas. Profundidad de las aguas subterráneas: Puede ocurrir licuefacción si existe agua subterránea. Mientras menor sea la profundidad, menor será el peso del recubrimiento del suelo y el potencial de que ocurra densificación. Por lo tanto, mayor será la probabilidad de que ocurra licuefacción. Densidad: La licuefacción ocurre principalmente en suelos sueltos, saturados y no cohesivos. Se produce una acumulación gradual de la presión de poros dentro del depósito de suelo, en deterioro de los esfuerzos efectivos, tal que, si el número de aplicaciones de carga resulta suficiente, los esfuerzos efectivos se anulan, quedando el suelo licuado y transformado en un pantano.

Después del proceso y cuando las presiones de poros se han disipado el suelo volverá a su condición hidrostática sufriendo densificación por reacomodo de su estructura (el pantano se vuelve tierra firme y se asienta). Si el suelo es denso, habrá menos posibilidad de que se produzca la licuefacción. 

Peso del recubrimiento y profundidad del suelo: Las tensiones entre partículas aumentan a medida que se incrementa la presión del recubrimiento. Mientras mayor sea la tensión entre las partículas, menor será la probabilidad de que ocurra la licuefacción. Por lo general, la licuefacción ocurre a profundidades menores de 30 pies (9 metros); rara vez ocurre a profundidades mayores de 50 pies (15 metros).

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



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Amplitud y duración de la vibración del terreno: La capacidad del suelo para resistir una vibración sin causar fallas depende de la intensidad del movimiento del terreno, incluida tanto su amplitud como su duración. Los movimientos más fuertes tienen mayor probabilidad de causar fallas. La licuefacción de suelos bajo condiciones de tensión provocadas por un terremoto puede ocurrir, ya sea cerca del epicentro durante terremotos pequeños o moderados, o a cierta distancia en caso de terremotos moderados a severo. Edad del depósito: Los suelos débiles y no cohesivos por lo general son jóvenes. Con el tiempo, actúan dos factores para incrementar la resistencia de un suelo típico: la compactación (que cambia la relación de vacíos) y varios procesos químicos (que actúan para cementar los granos del suelo). Origen del suelo: El suelo depositado por procesos fluviales se sedimenta fácilmente y sus granos tienen poca probabilidad de compactarse. Similar a lo que sucede en los rellenos artificiales no compactados, generalmente por debajo del nivel del agua, pueden tener deficiencias similares. Una práctica común de décadas pasadas era la colocación de los rellenos hidráulicamente. Todos ellos se licuarán con facilidad. Por otro lado, los sedimentos depositados glacialmente, particularmente aquellos sobre los cuales ha pasado un glaciar, generalmente ya son bastante densos y tienen menor probabilidad de licuarse.

Acciones ante la licuefacción: Evitar áreas donde pueda ocurrir la licuefacción y el flujo lateral. Estabilizar el material licuable. Colocar los cimientos por debajo del material licuable. Agregar peso a la estructura para lograr una flotabilidad neutral. Usar material flexible al movimiento. b. COLAPSOS 

  

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Se entiende por procesos de colapso o hundimiento la caída de las masas de rocas suprayacentes a una cavidad subterránea de origen natural o antrópico, con o sin resultados visibles en la superficie.

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Estos desprendimientos suelen deberse a la superación del límite de resistencia de las capas superiores, pero también pueden estar causados por reajustes isostáticos, por la pérdida de la humedad subterránea, ya que el agua favorece la resistencia a la presión de los materiales; por movimientos tectónicos o por cambios en la superficie, como la construcción de estructuras (edificaciones, cimientos, etc.) o enterramientos repentinos por aluviones o coladas de barro. Las cavidades de origen natural suelen estar en formaciones carbonáticas de tipo kárstico en las cuales los colapsos se suelen producir por la disolución de las rocas hasta el punto de que estas terminan por desprenderse rellenando la cavidad. Si estas se sitúan cerca de la superficie, se pueden formar dolinas. También son importantes las cavidades en formaciones evaporíticas, que al ser más solubles que el carbonato, crean hundimientos más lentos y no suelen producir colapsos en las cavidades por este motivo. Por último, cabe destacar las cavidades en formaciones volcánicas producidas por la solidificación diferencial de las lavas, que suelen tener formas tubulares. Estas pueden suponer un riesgo durante la construcción de edificios ya que los cimientos pueden abrir planos de rotura por los que colapse.

c. VARIACIONES EN EL NIVEL FREÁTICO O EN LÍQUIDOS SUBTERRÁNEOS Durante la sedimentación, y durante el proceso de litificación el agua queda atrapada entre las partículas de las capas sólidas (poros), produciendo la cementación de algunos componentes o la disolución de otros. En ocasiones, esta agua puede llegar a ser tan abundante como para considerar a la capa como un sólido en suspensión. Lo normal es que a medida que la sedimentación de capas evoluciona, la presión en el interior, produzca la compresibilidad de la roca y la reducción de los poros, por lo que el líquido contenido aumenta drásticamente su presión y tiende a ser desalojado hacia zonas con menor presión. Pero si existe una capa impermeable al líquido, este se acumula produciendo una sobreresistencia a la presión de las capas de materiales. Debido a esfuerzos tectónicos, planos de rotura o fallas, es posible que el líquido sea desalojado eliminando la resistencia de origen hídrico de la capa y produciendo su compresión, con lo que

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se reducirá su volumen y se producirá el fenómeno de la subsidencia. Otro caso es que la extracción de recursos hídricos o de hidrocarburos acelere enormemente este proceso o sea su detonante, lo cual causa graves riesgos a las construcciones superficiales en una zona más o menos extensa alrededor.

d. ARCILLAS EXPANSIVAS Algunas rocas de carácter limoso como las arcillas sufren una importante variación de volumen al cambiar de un estado hidratado a uno deshidratado. Esta variación es claramente apreciable en las zonas húmedas que cuando se resecan producen un cuarteamiento de la capa arcillosa al disminuir dramáticamente su volumen. Este mismo principio es aplicable en las capas de arcillas que, al hidratarse, aumentan de volumen y producen una ascensión de todo el terreno que puede llegar a ser muy importante. Cuando el nivel freático baja o las arcillas se deshidratan reducen su volumen y el terreno desciende rápidamente. Por lo tanto, dichos terrenos suelen estar sujetos a ciclos de ascensión y depresión según el régimen de lluvias, lo que conlleva un importante riesgo para los cimientos de las construcciones superiores.

e. GASIFICACIÓN En ocasiones grandes cantidades de metano quedan atrapadas en el interior de la tierra al no poder salir a la superficie debido a la existencia de capas muy compactas que actúan de trampa. Estos depósitos suelen provenir de formaciones de origen orgánico como petróleo o carbón. Este gas suele estar a una gran presión, lo que permite su salida de forma muy rápida y en ocasiones violenta a través de fallas o diaclasas. Otro tipo de salida de grandes depósitos de gas metano es aquella que se produce cuando el gas está atrapado debajo del permafrost de las tundras que, al fundirse este, sale produciendo la subsidencia del terreno y campos de dolinas. Por último, cabe destacar la importancia de los incendios de carbón subterráneo que se producen en las zonas de turba o pantanosas al deshidratarse. De este modo el oxígeno penetra y comienza a reaccionar de forma espontánea con el carbón

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produciéndose su gasificación en CO2 que sale a la superficie formando dolinas o grietas.

f. MOVIMIENTOS ISOSTÁTICOS SOBRE PRESIÓN La presencia de la astenosfera, una capa fluida y viscosa bajo la corteza, permite que la acumulación excesiva de material en determinadas zonas de la misma se vea compensadas por un desalojo de material desde la astenosfera hacia las zonas de menor presión. Esto da lugar al hundimiento de ciertas zonas de la corteza (subsidencia). Al mismo tiempo, cuando el material que ejercí a el sobrepeso desaparece, la corteza tiende a recuperar su posición inicial, sufriendo una elevación continua y progresiva. Son los movimientos isostáticos. La subsidencia es la única explicación posible a la acumulación de Km. de espesores de sedimentos en las grandes cuencas sedimentarias que dieron lugar a las grandes cordilleras actuales. Por otra parte, la erosión de estas cordilleras, y, por tanto, la descarga de peso que ello representa, produce una elevación constante en estas cordilleras, que altera el balance de la erosión. Un ejemplo más claro de los reajustes isostáticos son las elevaciones actuales que sufren algunas regiones que estuvieron cubiertas por glaciares durante la última glaciación. Se produjo una subsidencia, debido al peso del hielo, y ahora, una vez desaparecido, están recuperando su posición.

g. PROCESOS RELACIONADOS CON EL KARST: El agua se infiltra a través de las grietas existentes en la roca y percola hacia abajo, mientras se disuelve la roca y crea agujeros cada vez mayores

DISOLUCIÓN CaC03 + arcilla + H2O + CO2  Ca(HCO3)2 + residuos arcillosos SEDIMENTACIÓN Ca(HCO3)2  CO2 + H2O + CaC03 Desde el aire un paisaje kárstico tiene una imagen del terreno salpicado por picaduras debida a los hundimientos. Los procesos geomecánicos asociados al karst son 3:

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Los asientos: lapiaz cubierto con distintas zonas de capacidad de carga (mat. carbonatados y arcillas) Las subsidencias: es una deformación de mayor envergadura que los asientos Hundimientos: movimientos bruscos en la vertical, más o menos puntual, de una porción del terreno









“A” muestra una construcción sobre una caverna que

más tarde colapsa. 

“B” una pesada estructura descansa sobre roca sólida,

pero es parcialmente soportada por suelo arcilloso residual blando. 

“C” la casa está situada sobre un relleno poroso en un

lugar donde el drenaje superficial y subterráneo desplaza el suelo de apoyo 

“D” muestra un área de karst donde la precipitación es

absorbida por conductos del subsuelo, pero una fuerte precipitación no llega a ser drenada lo suficientemente rápido

h. HIDROCOMPACTACIÓN: Subsidencia producida por la adición de agua. La tensión superficial de láminas finas de agua tiende a juntar más los granos del terreno. Suelos susceptibles a la hidro compactación: los de grano fino y porosos

i. SUELOS HELADOS (PERMAFROST): Son suelos que están cerca de las regiones polares que, excepto en las capas superficiales, permanecen constantemente helados.

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El deshielo durante el breve verano polar permite que las capas superficiales licúen, fluyan y subsidian bajo el peso de estructuras

6.2. INDUCIDO POR EL HOMBRE j. CIMENTACIONES La acumulación natural sucesiva de sedimentos o determinados tipos de cimentaciones pueden ocasionar la consolidación del terreno como consecuencia del peso que ejercen los sedimentos o las construcciones. Esta subsidencia se produce por una reducción gradual de los huecos del suelo. k. LA SUBSIDENCIA MINERA Ocurre cuando grandes huecos subterráneos han sido creados por el hombre. Las subsidencias más frecuentes aparecen asociadas a la explotación de yacimientos estratificados subhorizontales (carbón y evaporitas) y depósitos metálicos con disposición vertical.

l. LA EXTRACCIÓN DE FLUIDOS Causa también subsidencia por ser otro medio de soporte en la superficie del terreno. Los fluidos atrapados en los pequeños poros de la roca también proporcionan soporte. Cuando se suprime el soporte se produce la compactación de las capas de roca sedimentaria de manera que no soporta el peso del material suprayacente

El esquema muestra que la extracción de fluidos causa subsidencia por eliminación de los fluidos soporte, permitiendo que los granos minerales se junten.

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m. LOS RELLENOS ANTRÓPICOS Compuestos por suelo, roca y escombros son también propensos a subsidencias durante los temblores y terremotos. La subsidencia ocurre cuando los terrenos no están bien compactados.

VII.

SUBSIDENCIA EN TÚNELES Los túneles son estructuras subterráneas caracterizadas por estar rodeadas de un macizo rocoso, esta condición hace que la influencia geológica sea mayor que en cualquier otro tipo de construcción. Bajo el punto de vista geológico y geotécnico los principales factores a considerar en un túnel son los siguientes:

Características del Macizo Rocoso. Tipo y distribución de las rocas: litología, petrología, mineralogía, estratigrafía. Propiedades de la roca matriz: resistencia, deformabilidad y durabilidad. Propiedades del macizo rocoso. Orientación de la estructura y sus discontinuidades principales con respecto al eje del túnel. Espesor y competencia de los recubrimientos. 



 



Condiciones Ambientales. Presiones intersticiales y régimen hidrogeológico. Temperatura. Gases. Estabilidad de laderas. Alteraciones de acuíferos.     

El conocimiento de cada uno de los citados factores básicos precisa de adecuados reconocimientos del terreno o investigaciones in situ cuyos resultados constituirán la principal fuente de información que permitirá abordar el estudio geológico- geotécnico del túnel y el diseño de la excavación. La excavación de terreno en una obra subterránea introduce una clara alteración en el estado tensional inicial del mismo, con tendencia de producir tracciones horizontales en clave, de compresión entre a superficie y la clave del túnel. Lo anterior tiene como consecuencia la

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inducción de un campo de deformaciones sobre el terreno, que tiende a cerrarse en torno a la excavación. Esto significa que existirán movimientos de la superficie, vertical (asiento) y horizontal, aunque este tipo de movimiento muchas veces se omite, este es el fenómeno que se conoce como Subsidencia y es de gran importancia en los túneles urbanos por la repercusión de estos movimientos no uniformes en los edificios que se encuentras sobre la superficie. Al movimiento que se presenta en la superficie es de especial cuidado ya que en la superficie o cerca a esta se encuentra las cimentaciones de los edificios próximos, a la zona en la que se realiza el proyecto. No existe forma de predecir el comportamiento de las construcciones frente a la alteración de la superficie en la que se encuentra, la construcción de un túnel como se mencionó anteriormente afecta a las estructuras que se encuentran sobre la superficie y la presión que ejercen estas alteran los movimientos del suelo alrededor del túnel. Subsidencia en obras subterráneas

VIII.

DAÑOS A EDIFICACIONES POR SUBSIDENCIA En áreas urbanas la subsidencia del terreno puede afectar a estructuras existentes tanto a nivel superficial como a nivel subterráneo. La predicción de la deformación inducida por la excavación de túneles los riesgos de daños por asentamiento es una parte esencial de la planificación, diseño y construcción de túneles en ambientes urbanos. Existen métodos de diseño que son utilizados para evaluar los daños que se pueden dar hacia las construcciones para proyectos de túneles (véase la Figura 8). El método consta de tres etapas, el asentamiento preliminar, es la etapa en la cual no se considera la presencia de la edificación y se evalúan los asentamientos de campo, Rankin (1988) provee pautas de cómo el asentamiento máximo y la pendiente máxima del edificio afecta el daño potencial, cuando esta relación es menos a 10mm el daño en un edificación es despreciable; La segunda etapa de asentamiento, la

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construcción esta representadas como una viga elástica, de esta manera se puede obtener la magnitud de los esfuerzos; Finalmente esta una evaluación detallada, en donde se tiene en cuenta la edificación y construcción del túnel, esto incluye un detalle tridimecional de la construcción del túnel y la orientación de la edificación con respecto al túnel, adicional a esto se debe tener en cuenta la interacción entre el suelo y la estructura, ya que este es un factor clave de cómo la influencia del edificio reduce la deformación

IX.

SUBSIDENCIA POR EL DESCENSO DEL NIVEL FREÁTICO. La extracción de fluidos ha provocado grandes daños alrededor del mundo y según Corapcioglu y Brtsaert (1977), el fenómeno más corriente de extracción de fluidos es cuando se extrae recurso hídrico de los acuíferos. La extracción de agua del subsuelo destaca entre todas las causas por su importancia y significación, asimismo, las zonas de subsidencia importante corresponden al bombeo desde acuíferos confinados. La bajada del nivel piezométricos en el terreno reduce la presión intersticial del agua en los poros del suelo y, como consecuencia, aumenta la presión efectiva, que en un suelo saturado es igual a la presión total menos la presión del agua. La compactación es el resultado del lento escape del agua en los poros del estrato cuya tensión efectiva aumenta, pues se ve acompañado por una transferencia gradual de tensión desde el agua de los poros a la estructura granular del suelo. La presión efectiva aumenta y la compactación en el estrato que contiene al agua comienza a ocurrir tan rápidamente como el agua pueda moverse. El ajuste del incremento de tensión aplicado se puede llevar años, e incluso décadas, en capas gruesas, de grano fino y drenaje lento, mientras que será rápido en los acuíferos de grano grueso. El valor de la deformación dependerá de la magnitud del incremento de tensión efectiva que se produce, de la compresibilidad y el espesor de los estratos, del tiempo durante el que se aplican las tensiones, de la velocidad de aplicación y del tipo de tensión. Por lo tanto, gran parte de la compactación ocurre en los estratos arcillosos de grano fino (acuitardos), que son los más compresibles pero que tienen baja permeabilidad. La salida del agua, al disminuir la presión en los poros, y el incremento de presión efectiva son lentos y dependientes del tiempo, aunque la compactación última es grande. Parte de este descenso no puede recuperarse con nuevos aportes de agua, lo que provoca una disminución permanente en el volumen de suelo.

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La presencia de aguas subterráneas en el terreno condiciona la ejecución de cualquier obra civil. En el caso de la construcción de túneles, el problema se manifiesta por existencia de un flujo de agua hacia el interior de la excavación. La naturaleza y magnitud del caudal de agua dependerá de las condiciones geológicas del suelo, de la presencia de algún tipo de fracturas, de la permeabilidad del macizo y de la presión hidrostática. El flujo del agua se transmite a través de la formación acuífera, el túnel se comporta como un dren que canaliza el agua de los acuíferos interceptados, la construcción de este provoca que el suelo se desestabilice, lo que trae consigo la perdida de resistencia como consecuencia de la descompresión, se produce la abertura de discontinuidades que son aprovechadas por el flujo subterráneo para que el agua pueda abrirse camino. Existen otros casos, en la excavación del túnel se requiere la ejecución de rebajamientos del nivel freático, en donde se extrae agua y para esto existen dos maneras: los pozos de bombeo y los well point, esto causara que al realizar la construcción del túnel el nivel freático no se vea afectado y así llevar a cabo las obras en condiciones drenadas, que facilite la ejecución del proyecto. En la práctica no es fácil evaluar los caudales de drenaje y las presiones hidrostáticas a lo largo del trazado, particularmente en formaciones rocosas fisuradas. El agua plantea problemas, tanto en la fase de ejecución como en el periodo de servicio, siendo necesario en el diseño del túnel establecer métodos de rebajamiento, los caudales de agotamiento y las formas de recogerlo y evacuarlos hacia el exterior .

X.

INFLUENCIA DE LAS CONDICIONES HIDROGEOLÓGICAS. La excavación de un túnel puede originar una serie de acciones inducidas sobre el terreno que pueden llegar a modificar las condiciones naturales, en las que el agua juega un papel muy destacado. Estas modificaciones

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pueden afectar a la estabilidad del macizo y a las medidas de sostenimiento a aplicar para la construcción del túnel. A continuación se muestra las consecuencias más relevantes: Perdida de la resistencia del macizo rocoso que rodea la excavación. Aumento de las presiones entre las fallas, sobre el sostenimiento y revestimiento. Incremento de la subpresion sobre el material de fondo o en el frente de la excavación, que puede dar lugar a fenómenos de sifonamiento en materiales arenosos, tubificaciones, etc. Formación de cavidades y colapsos. Problemas de asentamiento de cimentaciones próximas o subsidencia en superficie.



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XI.

CONSECUENCIAS Las subsidencias pueden originar multitud de consecuencias negativas para la sociedad ya que provocan pérdidas graves en el terreno, en la edificación y, por lo tanto, en la economía. Al producirse una subsidencia pueden darse dos situaciones, que haya tenido lugar en una zona abierta y sin construcciones o en una zona urbana. En el primer caso, los daños serían prácticamente inexistentes y las pérdidas, de haberlas, serían agrícolas o ganaderas, probablemente. Sin embargo, si hay edificios encima del terreno que se hunde, estos pueden sufrir desplomes o hundimientos parciales y, en consecuencia, serios agrietamientos que ponen en peligro su estabilidad llegando, en el caso extremo, a su derrumbamiento completo. En el mejor de los casos, siempre dan lugar a una pérdida económica grave debido a su el coste de las reparaciones oportunas o de la reconstrucción si es necesaria. Y, si desgraciadamente el edificio no es evacuado con antelación, podrían perderse vidas humanas. Las subsidencias también provocan otras pérdidas de carácter infraestructural: 

En los sistemas de drenaje que afecta al agua de los acuíferos que dan lugar a los pozos y a los cursos naturales de agua.

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

En los conductos que transportan el petróleo, el gas y la gasolina por lo que puede ser un problema de peligro para la ciudad.

Otras consecuencias:     

XII.

Destrucción física y daños en casas Invasión del agua sobre las tierras bajas adyacentes al mar Cambios en el gradiente que afecta al flujo de agua Colapsos en tuberías de pozos de petróleo y agua Pérdidas y filtraciones de acuíferos

MÉTODOS PARA REDUCIR LA SUBSIDENCIA. Pueden distinguirse diferentes procedimientos: Refuerzo de cimientos de las estructuras próximas, recalzando con micro pilotes, llevando a estos hasta una zona que no se prevean movimientos. Este sistema se ha utilizado, a veces, a posteriori, una vez introducidos los daños. Ejecución de paredes continuas de protección, situadas entre el edificio y el túnel, que pueden ser realizadas con pantallas continuas (ancladas o no), pilotes tangentes, jet-grouting, etc. Refuerzos del terreno mediante inyecciones en la zona de la bóveda, mediante “paraguas” de jet-gruting, reforzado el frente con bulones de fibra de vidrio, etc. Compensación de asientos mediante inyecciones de compensación, creando un bulbo que empuje el terreno y compense los asientos. Esta operación debe iniciarse un poco antes de llegar el túnel y realizarse en varias fases para compensar los movimientos que se vallan produciendo. Esta técnica se ha utilizado en diversos metros (Baltimore, Washington, Caracas, Londres, etc.) y las inyecciones pueden hacerse desde superficie o desde pozos verticales.

XIII.

PREDICCIÓN En los últimos tiempos, las necesidades crecientes de mayores perforaciones y cavidades subterráneas, tanto en el ámbito minero como en el de la obra civil, han supuesto un agravamiento del problema de los hundimientos de la superficie del terreno. Esto, s i no se toman necesarias

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medidas de control, se traduce en un incremento de los posibles daños y, en general, de los costes de perforación. Como ya se ha comentado, el vacío creado por una gran extracción subterránea de material motiva el desplazamiento de la masa de roca situada en los alrededores de la perforación. Esto deriva, inicialmente, en los problemas de sustentación de la propia excavación y se refleja en la subsidencia de la superficie del terreno, fenómeno peligroso para las estructuras de la superficie e interiores, ya que estas deformaciones pueden producir daños en dichas estructuras (edificios, obras lineales e instalaciones en general), que no están pensadas en muchos casos para soportar estos efectos. Las medidas de control de este fenómeno pueden agruparse en tres etapas: Predicción. Prevención. Protección.

  

La eficacia de las medidas preventivas y protectoras depende en gran medida de la exactitud con que se realice la predicción y la deter minación de los distintos parámetros o magnitudes que caracterizan la subsidencia y que permitirán evaluar los posibles daños causados en las estructuras situadas en la superficie. Sin embargo, la subsidencia es un riesgo geomorfológico complicado de evaluar. Requiere un estudio exhaustivo del terreno, en el cual hay que identificar tanto procesos naturales como artificiales capaces de generar colapsos y hundimientos. La información obtenida debe ser plasmada en mapas de peligrosidad y riesgo y, posteriormente, y teniendo presentes los mapas realizados, deberá efectuarse una correcta planificación y uso del territorio, evitando, en la medida de lo posible construir en zonas de alto riesgo. Una opción que en ocasiones resulta aconsejable es la detección de cavidades subterráneas (más susceptibles de sufrir un hundimiento, debido sobre todo a los procesos de karstificación), empleando para ello métodos geofísicos y sondeos. Entre los métodos geofísicos podemos citar la gravimetría y el geo-radar. Mientras que el primero es empleado para discernir la densidad de una posible zona de riesgo mediante el uso de potenciales gravimétricos, el geo-radar es una técnica de prospección que consiste en el análisis de las reflexiones de las ondas electromagnéticas que se producen cuando hay variaciones en el terreno.

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Por otro lado, en el segundo grupo encontramos los sondeos eléctricos y los mecánicos. Tanto los unos como los otros tienen como fin la prospección vertical del terreno a estudiar, con la diferencia de que mientras que los mecánicos toman muestras de las estructuras, los eléctricos analizan las formaciones mediante descargas eléctricas. Ambos tipos necesitan perforar la superficie hasta la zona donde se desea hacer la prospección. La ventaja de los métodos geofísicos sobre los sondeos es que no son procesos que dañen las estructuras, haciéndolos más recomendables para el análisis del subsuelo en zonas de alto riesgo. En ocasiones puede ser preciso efectuar diversas medidas correctoras, pudiendo destacar el relleno de cavidades mediante cemento u hormigón generalmente; o la inyección de fluidos en el subsuelo, con el fin de reforzar las estructuras internas de la superficie.

XIV. EJEMPLOS a. SUBSIDENCIA EN (TURMENISTÁN)

EL

DESIERTO

DE

KARAKUM

En el desierto de Karakum (Turmenistán) hay una subsidencia bastante llamativa. El cráter posee unos 50 metros de diámetro y más de 20 de profundidad, es tan llamativo debido a que su interior está ardiendo. Vulgarmente se le conoce como “La Puerta al Infierno”, por parecerse a una puerta en llamas.

Se formó por accidente cuando, en 1970, un equipo de geólogos perforaba el terreno en busca de yacimientos de gas natural. Por desgracia, debajo del terreno que exploraban había una cueva, lo que provocó el hundimiento del suelo y con ello la perdida de todo el campamento que se encontraba encima de éste. Viendo que, en efecto, había gas en su interior decidieron dejar el equipo en el agujero. Después, optaron por quemar el gas tóxico que comenzaba a emanar del hoyo hasta que se consumiese por completo. Por desgracia para ellos el gas sigue prendiendo en la actualidad y no se sabe cuántos años más podrá seguir ardiendo.

b. VALLE DE SANTA CLARA El Valle de Santa Clara es el primer lugar de Estados Unidos donde se dio la subsidencia en el terreno por retirada excesiva de

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aguas subterráneas (Tolman y Palando, 1940). También fue el primer lugar donde se emprendió un remedio y la subsidencia fue eficazmente parada. A finales de 1880 la mayoría de pozos en la zona comprendida entre el centro de San José y Alviso, a lo largo del noroeste y noreste de la bahía de Alviso, eran artesianos. Es decir, el agua fluía sin necesidad de ser bombeada. Las condiciones artesianas se debían a la hidrogeología del valle. La zona presentaba esas características ya que los niveles en los pozos artesianos se habían elevado por encima de la superficie del terreno tocando acuíferos confinados que tenían conexiones permeables a las zonas de recarga de mayor elevación en los flancos del valle, pero estaban cubiertos por capas de rocas poco permeables. En 1920 la mayor parte del valle de Santa Clara estaba cubierta de cultivo que se regaba por bombeo sin tener en cuenta que el agua subterránea se estaba utilizando más rápido de lo que podía ser repuesta. Como resultado, los niveles de agua estaban bajando y los pozos artesianos eran cada vez más escasos.

Diez años más tarde, el nivel de agua en el centro de San José había caído 80 m por debajo del nivel de la superficie del ter reno, y en 1964 el nivel de agua había caído a un mínimo histórico de 235 pies. Las tierras colindantes con la bahía de San Francisco se hundieron de 2 a 8 pies en 1969. En el norte del Valle de Santa Clara se produjo la subsidencia sustancial como resultado de aquella sobreexplotación de agua subterránea. Hubo hundimientos detectables en la superficie del terreno (más de 0.1 pies) que se dieron lugar en la mayor parte de la zona. Sin embargo, el hundimiento más notable se produjo en San José. Allí, la superficie del terreno se redujo a unos 98m sobre el nivel del mar en 1910 y a 84 m en 1995. La subsidencia en el valle de Santa Clara fue causada por la disminución de las presiones de un pozo artesiano y el consiguiente aumento de la carga efectiva sobre los sedimentos que contienen el agua. Los sedimentos se encontraban a una presión cada vez mayor y la superficie acabó por hundirse. La mayoría de la compactación de sedimentos se produjo en depósitos de arcilla que son más compresibles, aunque poco

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permeables, lo que retrasa y suaviza la compactación del acuíf ero en relación con las variaciones del nivel del agua. Al apreciar la magnitud del problema se tomaron ciertas medidas para tratar de frenar la subsidencia y evitar que se repitiese: 



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El extremo sur de la bahía se rodeó de diques para evitar el movimiento hacia la tierra de agua salada, y el control de inundaciones. Se dictaminó que los canales de flujo debían de mantenerse muy por encima de los alrededores de la tierra con el fin de proporcionar un gradiente de flujo a la bahía. Se construyeron presas para captar los flujos de tormenta y recargar las aguas subterráneas a través de lechos de ríos.

Aunque el hundimiento fue detenido brevemente durante la Segunda Guerra Mundial, las medidas resultaron insuficientes y el hundimiento se aceleró. En 1965 hubo una recuperación sustancial de la recarga de las aguas subterráneas y, desde 1969, ha habido poco hundimiento adicional. Desde 1969, a pesar de la recuperación del nivel del agua, una pequeña cantidad de compactación adicional residual provocó que el hundimiento se acentuase un poco más. El hundimiento total fue grande y permanente, pero, aunque actualmente se siga utilizando el agua subterránea como recurso, los niveles de los acuíferos están controlados de manera que se mantienen a umbrales superiores a los que causaron el hundimiento.

c. SUBSIDENCIAS EN ESPAÑA En el 2010 se han producido subsidencias en España, sobre todo en el río Guadiana por la escasez de agua y la sobreexplotación de la que queda. Esto es así ya que la cuenca alta del río ocupa una extensión de 16.130 km2 que comprende el área de drenaje del río Guadiana hasta el embalse de El Vicario (Ciudad Real), por lo que tiene que repartir el agua por muchas zonas del país. Los hundimientos se producen mayormente sobre los acuíferos por causa de la sequía de los últimos años. La explotación de las aguas subterráneas para fines de regadío ha supuesto importantes modificaciones en el cauce del río. Esto ha provocado que los acuíferos queden apartados del río y tengan falta de abastecimiento de agua.

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Fenómeno de Subsidencia

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