Excavación profunda en la zona urbana de Monterrey

Ubaldo A. Fuentes M. Euro Estudios S.A de C.V., Departamento de Geotecnia.

Juan J. Schmitter M. Asesor geotecnista.

En el número 411 de la Av. Constitución, en Monterrey, sobre la margen izquierda del río Santa Catarina y al poniente de su cruce con la Av. José M. Pino Suárez, se construye un edificio de 26 niveles (casi 100 m), con cuatro niveles de sótanos para estacionamiento. La excavación de 14 m de profundidad se realizó a cielo abierto en una secuencia de suelos aluviales gruesos que sobreyacen en dos estratos de arcilla residual y un basamento de roca lutita. El sistema de retención fue mediante una pantalla discontinua de pilas de concreto apuntaladas con dos niveles de anclas de tensión. En este artículo se comentan los detalles técnicos del sistema de retención, los resultados de los análisis del comportamiento teórico, el procedimiento seguido para llevar a cabo la excavación y los resultados de la instrumentación colocada.

ANTECEDENTES

Usos del espacio subterráneo

El aprovechamiento de espacios subterráneos en los grandes centros urbanos del mundo ha recibido un notable respaldo de organizaciones internacionales como ITACUS (uno de los comités permanentes de la Asociación Internacional de Túneles, ITA), que los promueve para usos relacionados con transporte, drenaje, almacenaje, infraestructura, estacionamientos, etc. Sobre el particular, cabe comentar que a partir del año 2009 la ciudad de Monterrey inicia la construcción de grandes edificios con 100 o más metros de altura, los cuales requieren espacios subterráneos para estacionamiento y para sus propias instalaciones operacionales.

Riesgos asociados a las excavaciones en zonas urbanas

Los riesgos que se tienen cuando se realiza una excavación en una zona urbana están asociados principalmente al entorno en el que aquella se ejecuta; para evaluarlos deben tomarse en cuenta, entre otros, los siguientes factores:

  • Normas, reglamentos y restricciones sociales aplicables.
  • Dimensiones, disposición arquitectónica y estructural de los edificios y construcciones vecinas, incluyendo su cimentación. Características y flujo vehicular de las vialidades colindantes. Ubicación detallada y características de las instalaciones urbanas circundantes.
  • Estratigrafía y propiedades geotécnicas del subsuelo, presencia de agua subterránea o en cuerpos de agua vecinos.
  • Condiciones climáticas durante el tiempo en que se realice la excavación.

El desconocimiento y consecuente desatención de alguno de los factores mencionados puede dar lugar a desafortunados contratiempos durante la ejecución de la obra. En el mejor de los escenarios, tales contratiempos pueden ocasionar pequeños derrumbes de material hacia el interior de la excavación y desplazamientos poco relevantes del entorno, sin mayores afectaciones a la estabilidad e integridad de las estructuras e instalaciones vecinas. Por el contrario, en casos extremos, los efectos pueden ser devastadores, con eventual pérdida de vidas humanas y cuantiosos daños económicos.

DATOS GENERALES DEL PROYECTO

Ubicación

El predio en el que se realizó la excavación se localiza en el número 411 de la Av. Constitución, en la ciudad de Monterrey (véase figura 1).

Descripción

El edificio que se construye alcanzará una altura máxima de 106 m con respecto al nivel de banqueta (véase figura 2); tendrá 10 niveles de estacionamiento –cuatro subterráneos y seis por arriba del nivel de banqueta–, encima de los cuales tendrá un nivel de área comercial, nueve niveles para uso como hotel, seguidos de otros 10 niveles para oficinas.

Edificios, vialidades y río vecino

El predio donde se construye la Torre 411 colinda al norte con la calle Ponciano Arriaga, de poco movimiento vehicular, y al sur con los carriles laterales de la Av. Constitución, con intenso movimiento vehicular, ubicados sobre la margen izquierda del río Santa Catarina. La colindancia oriente es una estación central de bomberos con planta baja y primer piso, sin sótano, cimentada sobre zapatas; la del poniente es un edificio de oficinas de ocho pisos (casi 20 m) y dos niveles de sótanos, desplantados a una profundidad de casi 5 m, la cual tiene una amplia plaza frontal sobreelevada cerca de 3 m sobre el nivel de banqueta y con tres niveles de sótanos, desplantados a casi 7 m de profundidad. Cabe mencionar que, por disposiciones reglamentarias, se han dejado dos franjas libres de construcción, de aproximadamente 2 m de ancho, en las colindancias al oriente y al poniente.

CARACTERÍSTICAS GEOTÉCNICAS DEL SUBSUELO

Estratigrafía y propiedades

La estratigrafía se inicia con una secuencia de suelos aluviales constituidos por gravas y boleos empacados en limo arenoso y arena gruesa, desde el nivel de banqueta hasta una profundidad media de 13.2 m. Le subyacen dos estratos de origen residual, el primero desde los 13.2 m hasta los 18.5 m, que corresponde a una arcilla de baja plasticidad de consistencia media a firme, seguido de un estrato de gravas mal graduadas que se extiende hasta 21.0 m de profundidad. Finalmente, aparece roca lutita alterada desde los 21.0 m, que mejora su calidad hasta la profundidad máxima explorada de 39.5 m. El nivel freático se detectó a una profundidad promedio de 10.0 m.

En la tabla 1 se muestran las propiedades índices y porcentajes granulométricos de los materiales encontrados.

Estratigrafía

Las propiedades mecánicas que fueron utilizadas en los análisis del proceso constructivo de la excavación se muestran en la tabla 2.

Las propiedades mecánicas del suelo φ y c mostradas en la tabla 2 se determinaron tanto en campo mediante un phicómetro como en laboratorio mediante cámara triaxial.

El módulo de elasticidad considerado para el estrato E-01 fue de 387 kg/cm2 y para el estrato E-02 de 110 kg/cm2. Estos valores fueron determinados en campo mediante un presiómetro Menard.

Concepto de cimentación

Tomando en cuenta tanto la estratigrafía y propiedades geotécnicas del subsuelo del sitio como las características arquitectónicas y estructurales de la Torre 411, se consideró razonable procurarle una cimentación mediante pilas empotradas en el estrato rocoso de lutita, que se inicia aproximadamente a los 21 metros de profundidad.

EXCAVACIÓN

Dimensiones

En planta, la excavación realizada se inscribe en un rectángulo de 71 m de largo por 36 de ancho, y su profundidad promedio es del orden de 14 m (véase figura 3). Se aprecia que en su lado sur tiene un leve ajuste geométrico que le genera burdamente una forma de “C”.

En la figura 4 se presenta un corte arquitectónico de los cuatro niveles de sótanos para estacionamiento del inmueble.

Sistema de retención

Descripción

Con el requerimiento de excavar con el método más rápido y seguro, se seleccionó un sistema de retención perimetral mediante una pantalla discontinua (jaula) de pilas de concreto reforzado coladas in situ de diámetro variable –predominantemente de 1.0 m– desplantadas a una profundidad media de 23.0 m. Las pilas perimetrales de las colindancias norte, sur y oriente se retuvieron mediante dos niveles de anclaje a tensión: el primero a una profundidad promedio de 3.50 m y el segundo a una profundidad de 7.50 m, ambos respecto al nivel de banqueta. Para el caso de las pilas del lindero poniente, se instalaron las anclas a 6.0 m y 9.0 m de profundidad. Las anclas fueron diseñadas para una capacidad a tensión de entre 90 y 100 t. El diseño del primer nivel de anclaje requirió una longitud de anclaje de 18 m, y el segundo una longitud de 23 m. La longitud libre en ambos niveles de anclas fue de 10 m. Adicionalmente, en el espacio entre pilas se consideró un soporte inicial mediante concreto lanzado y posteriormente se construyó el muro perimetral definitivo mediante la misma técnica. En la figura 5 se muestra el sistema de retención aplicado a la excavación.

Análisis geotécnicos

Los análisis del proceso de excavación se realizaron con ayuda de los programas de cómputo PLAXIS 2D y PLAXIS 3D, basados en elementos finitos. En el modelo 2D, se simuló el comportamiento del suelo mediante el modelo constitutivo Mohr-Coulomb; las pilas de concreto se simularon mediante elementos placa y las anclas con elementos anchor node to node y anchor fixed extreme. Para el caso del modelo 3D, se utilizaron las mismas características, con la variante de que las pilas se simularon mediante elementos embeded beam.

Instrumentación de control

Con el objetivo de registrar los desplazamientos horizontales durante la ejecución de la excavación y construcción de la estructura de retención, se instaló un sistema de instrumentación mediante cuatro inclinómetros INC, dos piezómetros abiertos tipo Casagrande PZA (véase figura 6) y un sensor de verticalidad biaxial instalado en una de las columnas del edificio que colinda con el poniente de la excavación. Las mediciones comenzaron desde el inicio de la excavación y finalizaron al término del colado de la losa del segundo nivel de estacionamiento.

Como era de esperarse, en las cuatro colindancias los desplazamientos de mayor magnitud se presentaron en el fondo de la excavación, y justamente ocurrieron toda vez que ésta alcanzó los niveles de proyecto establecidos. A manera de ejemplo, en la figura 7 se presentan los desplazamientos registrados en el inclinómetro INC-Poniente, que por cierto quedó embebido en una de las pilas del sistema de retención.

Comportamiento teórico esperado

De los distintos modelos realizados para la zona poniente del sistema de retención, se obtuvieron los desplazamientos horizontales teóricos. Del modelo 2D se obtuvieron los desplazamientos en el elemento placa, mientras que del modelo 3D se obtuvieron de uno de los elementos embeded beam. En ambos modelos se obtuvo el desplazamiento máximo al nivel máximo de excavación, aproximadamente a 14.0 m de profundidad; sin embargo, se observa una dispersión importante, mientras que en el modelo 3D se obtiene un desplazamiento máximo de 12.0 mm, y en el modelo 2D se obtuvo un desplazamiento de 38.0 mm. En la figura 8 se presentan las gráficas comparativas de los desplazamientos. Las abreviaturas indican lo siguiente: 2D es la gráfica de desplazamientos horizontales obtenida del modelo en dos dimensiones y 3D del modelo en tres dimensiones; NME es el nivel máximo de excavación y NDCE es el nivel de desplante del cajón de cimentación del edificio colindante al poniente.

Comparativa de desplazamientos

En la figura 9 se presentan las gráficas comparativas de los desplazamientos horizontales teóricos vs. medidos en campo sobre una de las pilas del sistema de retención del lindero poniente. La pila es de 1.0 m de diámetro y está desplantada a 23.0 m de profundidad. El primer nivel de anclas se ubicó a 6.0 m respecto al nivel de terreno natural, y el segundo a 9.0 m de profundidad. El desplazamiento teórico se obtuvo del modelo numérico 3D y el desplazamiento real se midió directamente en el INC-Poniente. En las gráficas comparativas se observa una similitud en las deformaciones y magnitudes de desplazamientos a partir de los 9.0 m de profundidad. Sin embargo, desde el nivel del terreno natural hasta 6.0 m de profundidad existen diferencias importantes. Se debe comentar que, en el modelo numérico, los desplazamientos negativos se producen por efecto de la tensión aplicada sobre las anclas. Este comportamiento se observó durante el tensado de las anclas; sin embargo, conforme avanzó la excavación, los desplazamientos reales indican que posiblemente existió una pérdida de tensión en las anclas que produjo un “efecto de relajamiento” en el terreno, por lo cual los desplazamientos se producen en el sentido positivo (hacia la excavación). Debido a lo anterior, es importante tener en cuenta este efecto durante el análisis y modelado numérico.

Aspectos constructivos

Pilas

Tanto las pilas del sistema de retención (diámetros 100, 120, 160 y 200 cm) como las de cimentación (diámetros 100, 120, 160 y 180 cm) fueron preexcavadas, con ayuda de una máquina perforadora, hasta una profundidad que garantizase que quedaran empotradas, por lo menos dos diámetros de pila, dentro del estrato de roca que se inicia en promedio a 21 m de profundidad. Como la mayor parte de las pilas tuvieron 100 cm de diámetro, la profundidad predominante fue de 23 m.

Para estabilizar las paredes de las perforaciones se utilizaron ademes metálicos recuperables y adicionalmente, en casos puntuales de la colindancia sur, se realizaron inyecciones previas para estabilizar los suelos granulares sueltos superficiales. Al final de la perforación se colocaba el acero de refuerzo y se efectuaba el colado en sitio de la pila correspondiente.

Las pilas del sistema de retención (casi un centenar), ubicadas en la periferia de la excavación, fueron perforadas desde la superficie original del terreno, y su nivel del colado llegó prácticamente hasta ahí. Cabe añadir que varias de aquellas, además de formar parte del sistema de retención, también formaron parte de las pilas de cimentación.

Por su parte, las pilas de cimentación (algo más de medio centenar) ubicadas en el núcleo central de la excavación fueron construidas cuando aquella se encontraba a casi 8 metros de profundidad con respecto al nivel de banqueta, es decir, a casi 2 metros por arriba del nivel freático.

Excavación

Con el objetivo de controlar el alivio de esfuerzos durante la ejecución de la excavación, se limitaron los avances mediante módulos. El primer paso fue formar la rampa de acceso para vehículos y maquinaria (véase figura 10), y conforme se avanzó, se realizaba simultáneamente la construcción de las anclas y el muro perimetral de concreto lanzado.

Posteriormente, se realizó el avance de la excavación de poniente a oriente y de la misma forma se construyó el sistema de retención. El último paso de la secuencia de las excavaciones consistió en retirar el material del frente oriente (véase figura 11). El proceso constructivo de este lindero fue similar al de las otras colindancias; se limitaron los avances de la excavación, y posteriormente se procedió con la construcción de las anclas y el muro perimetral de concreto lanzado.

En la figura 12 se observa un aspecto de la excavación, cuando ya se había llegado al fondo en el lado poniente.

Soporte inicial entre pilas

Esta parte del sistema de retención se resolvió mediante una capa de concreto lanzado de 7.0 cm de espesor, colocada en el espacio entre pilas, el cual tuvo un papel preponderante en el adecuado control de caídos locales del suelo granular y actuó como soporte inicial complementario, para dar el tiempo suficiente de construir el muro perimetral definitivo.

Manejo de percances

Muy pocos fueron los percances que se presentaron durante la instalación de las casi 150 anclas del sistema de retención para contrarrestar los empujes del terreno y estructuras vecinas, durante la ejecución de la excavación. Entre los más notorios se cuenta el de un ancla del paredón sur que atravesó accidentalmente un colector de la Av. Constituyentes, el que tuvo que ser reparado y se tuvo que instalar una nueva ancla de reemplazo ajustando su inclinación para librar el citado colector.

En otra ancla del paredón poniente se alcanzó a tocar un elemento estructural de la cimentación profunda del edificio vecino, lo cual obligó a detener el proceso y cambiar la inclinación horizontal de su ancla de reemplazo, para evitarlo.

En el proceso de excavación, uno de los eventos más preocupantes se suscitó sobre la colindancia poniente, durante la conformación de un espacio para construir una cisterna en esa colindancia. Para tal fin, se procedió a excavar un área de aproximadamente 80 m2 a paño de la pared poniente con una profundidad promedio de 2.70 m por debajo del nivel máximo de excavación contemplado en el proyecto. Estas excavaciones provocaron un incremento súbito en los desplazamientos registrados en el INC-Poniente (véase figura 13) en un periodo de aproximadamente 15 días. Al percatarse de este comportamiento, se procedió a revisar la integridad del sistema de retención y a verificar la existencia de desplazamientos en superficie. Debido a la celeridad con la que se presentaban los desplazamientos medidos, se tomó la decisión de rellenar la excavación realizada para alojar la citada cisterna poniente y buscar un procedimiento alterno seguro para su construcción. A partir de que se rellenó la excavación para alojar la cisterna poniente, la gráfica de desplazamientos vs. tiempo acusó estabilidad. Congruentemente se modificó el proyecto arquitectónico-estructural para la construcción tanto de la citada cisterna poniente como de la oriente.

Conclusiones

La utilización del espacio subterráneo para fines de estacionamiento es un recurso que ha sido aprovechado en las grandes ciudades del mundo y de México, especialmente bajo edificios de regular o gran altura.

Con los avances de la tecnología, es ahora posible tener un acceso seguro al subsuelo conservando la estabilidad de las instalaciones urbanas, vialidades y edificios vecinos.

En el ejemplo de excavación segura en suelos granulares que aquí se presenta, se ha utilizado una ataguía discontinua formada por pilas de concreto reforzado (jaula), cada una de las cuales fue anclada al terreno vecino conforme se iba profundizando la excavación. De manera complementaria, los espacios libres entre pilas fueron soportados temporal y definitivamente mediante muros de concreto lanzado.

Parte importante del proceso constructivo fue el seguimiento del comportamiento de la ataguía perimetral, mediante mediciones continuas del desplazamiento horizontal del terreno, realizado con inclinómetros instalados para tal fin. Ello permitió en su momento realizar acciones correctivas que ayudaron a conservar la estabilidad de la ataguía y por ende de las estructuras vecinas.

Cabe mencionar que, gracias a los métodos computacionales de análisis basados en el elemento finito, fue posible modelar con razonable certeza el comportamiento esperado de la excavación, y ajustar o añadir los elementos de construcción necesarios para evitar desagradables sorpresas. Conviene señalar que para este problema los modelos numéricos en 3D reprodujeron de forma apropiada y más aproximada el comportamiento esfuerzo-deformación de la masa de suelo y de los elementos estructurales que conforman el sistema de retención. No obstante, hay efectos en el sistema que no fueron determinados de forma acertada en los modelos realizados.

Finalmente, como una relevante conclusión de la experiencia relatada, se destaca que además de los avanzados procedimientos de construcción ahora disponibles, el racional uso del trinomio diseño, construcción y observación permite realizar obras con menor porcentaje de riesgo.

Este trabajo, con el título “Excavación en suelos granulares gruesos de la ciudad de Monterrey para alojar cuatro niveles de sótanos bajo una torre de 26 pisos” fue presentado en la XXX Reunión Nacional de Ingeniería Geotécnica, del 16 al 19 de marzo de 2021 en la Ciudad de México.

Agradecimientos

Se agradece a los ingenieros José Purón Mier y Terán y Alejando Abia Guerrero el apoyo recibido para la elaboración del presente artículo.

El pasado 18 de febrero de 2022, los directivos de las empresas propietarias del edificio inauguraron su magno proyecto Torre 411. Desde su concepción formal, el proyecto en cuestión tardó seis años en materializarse; el 38% de ese lapso se requirió para su diseño, el 17% para la excavación de su infraestructura, el 10% para la construcción de ésta y el 35% para su superestructura.


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