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Publicación basada en el blog “Metro station Pankrac – Modelling and analysis in midas GTS NX” desarrollado por Pavlína Sehnalová y Martina Urbánková, ingenieras geotecnistas en METROPROJEKT Praha a.s.
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El metro de Praga es el sistema de transporte urbano de mayor relevancia en la capital de la Republica Checa, está conformado por tres líneas operativas con 61 estaciones las cuales conforman una red de 65.2 Km. Debido a su alta demanda, aproximadamente 600 millones de pasajeros al año, este sistema de metro es el quinto con mayor tráfico de pasajeros en el continente europeo.
En los años 60 se aceptó la idea de construir un tranvía subterráneo y el 9 de agosto de 1967 se inició la construcción del actual edificio conformando la primera estación, Hlavní Nádrazí. En ese mismo año el gobierno decidió construir un verdadero sistema de metro, en lugar de un tranvía subterráneo. La primera sección de la línea C comenzó a operar el 9 de mayo de 1974 entre la estación Sokolovská (actualmente la estación Florenc) y la estación Kacerov. En 1978 se inauguró la primera sección de la línea A y la línea B en 1985, formando un triángulo con tres puntos de intersección. Recientemente se aprobó la construcción de la línea D, diseñada para conectar el centro de la ciudad, con el sur de Praga; esta línea constará de 10 estaciones y tendrá una longitud de 10.6 km.
Figura 1. Red del metro de Praga
La nueva linea contará con la estación Pankrac, la cual fue diseñada en bóveda con plataformas laterales (Figura 2), su ingreso será a través de túneles en los que se implementaran escaleras mecánicas.
La estación se localizará por debajo del cruce de las calles Na Strži, Na Pankráci y Budějovická (Figura 3), en la parte Norte el nivel máximo de excavación será de 33 metros por debajo del nivel del terreno natural mientras que en la parte Sur la estación se ubicará a tan solo 4 metros por debajo de los túneles existentes de la línea C.
Figura 2. Estación Pankrac
Figura 3. Ubicación de la estación Pankrac
Angel Antonio De la Torre Carmona
Geología complicada
Las condiciones geológicas locales en el área de la estación Pankrac son extremadamente complejas. En la parte norte de la estación, se encuentran formaciones silúricas antiguas y jóvenes. La parte sur está compuesta por una formación Ordovícica joven. Estas dos unidades casi homogéneas están divididas por capas inclinadas de diabasa, adicionalmente, el área está conformada por zonas de fallas masivas. En la Figura 4 se puede observar un núcleo de muy baja calidad debido a las superficies de falla. El nivel freático se ubica entre 5 y 8 m de profundidad.
Figura 4. Núcleo de pozo J179.
Debido a las condiciones geológicas encontradas en el sitio, se requiere mejorar la calidad del lecho rocoso garantizando con ello una excavación segura y exitosa. Este mejoramiento se realizó mediante inyección de lechada, la cual, permite rellenar las finas fisuras en el macizo, mejorando significativamente la estabilidad de todo el lecho rocoso. Para verificar la eficacia de este método, se perforaron dos pozos de prueba ubicados en las inmediaciones de la nueva estación. Al mismo tiempo, se realizaron una serie de pruebas presiométricas (PMT) para determinar los parámetros de deformación del macizo rocoso antes y después de la inyección de lechada en la roca.
Aunque se confirmó la efectividad del mejoramiento, el rango de parámetros de deformación del macizo rocoso fue muy amplio, en consecuencia y con el objetivo de diseñar responsablemente la estación utilizando el Método de Elementos Finitos, se aplicó el método LHS (Latin Hypecube Sampling) a los datos de entrada del macizo rocoso inyectado.
Modelos de elementos finitos de la estación Pankrac
Para la evaluación estática preliminar y para demostrar el efecto de la inyección en roca, se creó el modelo 3D de la parte sur de la estación. El modelo incluye condiciones geológicas simplificadas y la línea C del metro existente. Para simplificar y acortar el tiempo de cálculo, el modelo se subdividió en tres partes independientes A, B, C.
Modelo A: el pozo de acceso con el túnel piloto. Desde el interior del túnel piloto se realizó la inyección de roca en las inmediaciones de la línea C. Posteriormente se ensanchó este túnel en la parte superior y en todo el perfil de la nueva sala de transferencia, como se observa a continuación.
Figura 5.1. Modelo A
Modelo B: inyección de lechada y excavación de toda la estación Pankrac.
Figura 5.2. Modelo B
Modelo C: Excavación de la nueva sala de transferencia.
Figura 5.3. Modelo C
Inicialmente en los tres modelos se realizaron los análisis sin considerar la inyección de la lechada. Posteriormente, se realizaron 20 análisis para cada modelo con variaciones en la inyección, realizando un total de 63 modelos. Se comparó el desplazamiento vertical en cinco puntos del revestimiento de la nueva estación y los túneles del metro existente, para realizar esta comparativa se simulo la secuencia constructiva de la excavación real.
Figura 6.1. Desplazamiento de la línea C sin mejoramiento
Figura 6.2 Desplazamiento de la línea C con mejoramiento
El estado actual de las obras de construcción
En junio del 2019 se inició la construcción de la línea D. El proyecto comenzó con una investigación geológica, dentro de la prospección se realizaron varios pozos y túneles piloto, los cuales, pasaron a formar parte de esta nueva línea.
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Figura 7.1, 7.2, 7.3. Fotos de la investigación geológica.
Conclusión
La estación Pankrac fue un desafío para los ingenieros estructuristas y geotécnicos debido a las condiciones geológicas complejas y a la cercanía de la línea C existente. En este proyecto fue necesario generar un diseño especial que considerará todos los aspectos que influían en la eficiencia de la nueva línea D.
Para el diseño preliminar se crearon una serie de modelos de elementos finitos con fines de verificación, se examinó el comportamiento del macizo rocoso y los efectos en la línea del metro existente debido a los trabajos de excavación. Con base en estos modelos se realizó un análisis de sensibilidad; la evaluación estadística final demostró la necesidad de mejorar la calidad de la roca mediante la inyección de lechada, haciendo posible y segura la excavación minimizando el impacto en la línea existente.
El software midas GTS NX ha demostrado ser una herramienta indispensable y poderosa en el modelado numérico 3D para soluciones de diseño complejas. Dada la complejidad del proyecto su implementación es imprescindible.
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