El eje 'Caterpillar' ahorra carbono y espacio en las instalaciones de HS2 en el oeste de Londres

May 26, 2023

Se está realizando la excavación del primer “pozo de oruga” del Reino Unido para una estructura clave en High Speed ​​2 en Londres.

La estación Old Oak Common del oeste de Londres se convertirá en uno de los centros de transporte más importantes del país cuando se inaugure. Contará con 14 andenes: seis para trenes de Alta Velocidad 2 (HS2) y ocho para otros servicios ferroviarios.

La construcción está avanzando para que pueda estar lista cuando se complete la Fase 1 de HS2 en algún momento entre 2029 y 2032.

En este momento, también avanza la excavación de una estructura subterránea clave para los trenes que se acercan y salen de la estación. Conocido como Victoria Road Crossover Box (VRCB), se encuentra a unos cientos de metros al oeste de la estación y se cree que es un diseño pionero en el Reino Unido.

Permitirá que los trenes HS2 cambien de vía cuando se acerquen o salgan de la estación Old Oak Common. Dos pistas, una para cada dirección, discurrirán en diagonal a través del VRCB y se cruzarán entre sí.

Visto desde arriba, el diseño de VRCB se asemeja a la forma de una oruga con cinco llamadas "burbujas", lo que lo convierte en el primer pozo de oruga excavado en el Reino Unido.

Design House, formada por Arup, Typsa y Strabag, es el ingeniero de diseño de VRCB y Skanska Costain Strabag Joint Venture (SCS JV) es el contratista principal y realiza el trabajo como parte de su contrato de £3.800 millones en HS2, que incluye la construcción de los túneles del proyecto. en Londres. El subcontratista Züblin construye el muro pantalla.

VRCB proporcionará flexibilidad adicional, ya que permitirá a los trenes cambiar de vía si se cierra una de las perforaciones para el túnel Northolt de 13,5 km de largo al oeste de la caja o los túneles gemelos de revestimiento de hormigón proyectado (SCL) de 360 ​​m hacia el este hasta la estación Old Oak Common. para mantenimiento.

La estructura ayuda a enfriar y ventilar los túneles, ya que la caja permanecerá abierta al cielo permitiendo que el aire circule y la temperatura ambiente los enfríe. También se utilizará para el lanzamiento de una de las dos tuneladoras (TBM) utilizadas para impulsar la sección este de 5,5 km del túnel Northolt.

La directora de grandes proyectos de Arup, Kate Hall, afirma que la excavación con pozos de oruga se ha utilizado anteriormente en Hong Kong, Singapur y Brasil. En Hong Kong se excavó un pozo en forma de oruga de 500 m de largo con 15 “burbujas” para la construcción del enlace de la carretera submarina de Tuen Mun a Chek Lap Kok. En Brasil, uno con cinco burbujas fue excavado en la estación Brooklin, en São Paulo, durante la construcción de la Línea 5 del Metro.

Hall dice que VRCB es “muy similar en dimensiones y definición geométrica” al de São Paulo.

Precisa que los pozos de oruga se han utilizado predominantemente como estructuras temporales de pozos de lanzamiento de TBM, a diferencia de VRCB, que será una estructura permanente "que requerirá un nivel diferente de confiabilidad y diseño".

El diseño de referencia de HS2 implicó la construcción de una caja rectangular de 250 m por 33 m con un muro pantalla continuo de hormigón armado de 47,5 m de profundidad y 1,8 m de espesor. Contaba con tres niveles de puntales (16 en cada nivel) y 250 pilotes de tensión de 1,8 m de diámetro que se extendían hasta 40 m de profundidad.

En la etapa inicial del diseño, se llevó a cabo un proceso de selección de opciones para identificar posibles mejoras al diseño de referencia.

"Había más de 30 conceptos diferentes para el diseño de VRCB, aunque rápidamente nos centramos en varias variaciones del diseño de oruga, ya que encontramos ventajas significativas sobre la caja rectangular más tradicional", dice Hall.

“La belleza de esta estructura de oruga es su resistencia a la presión lateral principalmente mediante fuerzas circulares horizontales desarrolladas por la forma arqueada de los paneles de pared diafragma.

"Esto evita un sistema de puntal muy espaciado, necesario para una disposición convencional de pared de diafragma recta de forma rectangular".

La belleza de esta estructura de oruga es su resistencia a la presión lateral principalmente mediante fuerzas circulares horizontales.

Las fuerzas circulares se transfieren a los elementos de contrafuerte donde cada burbuja se conecta con su vecina. Los contrafuertes discurren verticalmente y se apoyan en puntales superiores e intermedios, así como en muros transversales bajo la losa base.

Hall dice que este diseño genera fuerzas de compresión sobre el hormigón armado, la forma más eficiente de trabajar con este material.

Después de varias rondas de optimización, el diseño final presenta una caja cruzada considerablemente más pequeña que el diseño de referencia. VRCB tiene 128 m de largo, 35 m de ancho, 25,5 m de profundidad y consta de cinco burbujas.

El muro pantalla perimetral está compuesto por 168 paneles de 1,85 m de ancho y 35 m de fondo.

Los contrafuertes verticales tienen 1,5 m de ancho y alcanzan una profundidad de unos 34 m. Tienen forma de Y con dos jaulas de refuerzo de alas a los lados y una jaula de refuerzo de contrafuerte principal en el medio.

Los cuatro puntales rectangulares de hormigón en la parte superior que conectan la parte superior de cada contrafuerte tienen 2 m de ancho por 1,5 m de profundidad, mientras que los cuatro puntales intermedios (12,65 m bajo tierra) tienen 2,25 m de ancho por 2,25 m de profundidad. Todos los accesorios tienen aproximadamente 32 m de largo.

Se eliminó el riesgo de congestión del sitio debido a los accesorios.

Las burbujas de los extremos son aproximadamente 9 m más largas que las internas y tendrán una losa de base de 2 m de espesor, el doble del espesor de la losa de base para las burbujas internas. El subagente de SCS JV, Jan Schumacher, dice que la razón de las losas de base más gruesas de las burbujas exteriores es que estarán más sometidas a cargas dinámicas más altas porque tienen que adaptarse a las aberturas del túnel.

El perfil de ruptura de las aberturas del túnel de forma ovoide tiene aproximadamente 12,2 m de ancho y 10,7 m de alto.

La primera tuneladora para el túnel Northolt se lanzará desde el interior de la burbuja más occidental.

Un túnel SCL de 50 m conectará la burbuja más occidental con el pozo auxiliar de Victoria Road, donde se lanzará la segunda tuneladora una vez ensamblada en VRCB.

Este pozo tiene un diámetro interno de 25 m y proporcionará ventilación y acceso de emergencia a los túneles cuando HS2 esté en funcionamiento.

La parte delantera de la segunda tuneladora se elevará directamente al pozo auxiliar, mientras que las otras partes se elevarán a la caja de cruce y se empujarán a través del túnel SCL.

La burbuja más oriental estará conectada a la estación Old Oak Common mediante dos túneles SCL de 360 ​​m de largo con una altura máxima de 12 m y un ancho de 14 m.

Sobre las aberturas del túnel en la estructura de orugas se construyeron collarines de hormigón a una altura de 2,25 m. Su ancho varía siendo el máximo de 4,5 m. Ayudarán con la distribución de las tensiones circulares alrededor de las aberturas del túnel.

La forma en que se distribuyen las fuerzas circulares horizontales en esta estructura ha permitido una reducción del 49% en la longitud del VRCB en comparación con el diseño original. El número de pilotes de tensión se redujo en un 69 % a 77, debido a la menor huella de la caja y a la introducción de un sistema de drenaje debajo de la losa que reduce las fuerzas de levantamiento y las presiones de levantamiento del suelo.

El menor número de pilotes y la menor huella resultante del cambio de diseño contribuyeron significativamente a una reducción en el volumen de concreto necesario para VRCB de 100.000 m3 a 57.000 m3.

Schumacher añade que debido a que se necesitaron menos materiales, la huella de carbono de esta parte del proyecto se redujo con una reducción del 42% en el carbono incorporado a 40.490t CO2e.

En términos de construcción, el volumen de excavación del pozo de oruga fue de 183.000 m3, mucho menos que los 300.000 m3 que se hubieran necesitado para la caja de cruce rectangular en el diseño de referencia.

Otro beneficio de tener una estructura más pequeña es que libera más terreno para futuros desarrollos.

Hall dice que también se mejoró la seguridad del sitio. “Se eliminó el riesgo de congestión del sitio debido a los puntales y el equipo de excavación pudo trabajar sin restricciones. La eliminación de los niveles de apuntalamiento también permitirá un seguimiento rápido de todas las actividades relacionadas”, añade.

SCS inició los trabajos permanentes en el lugar en enero de 2021. Schumacher dice que el equipo comenzó instalando los 77 pilotes de tensión, que tienen 1,2 m de diámetro y 40 m de profundidad. La construcción del muro pantalla comenzó en agosto de 2021.

El mayor desafío técnico para el equipo del proyecto ha sido la geometría del muro pantalla.

“Lo que supone un reto es principalmente la construcción del muro pantalla. No todos los ángulos son de 90° como lo serían normalmente”, dice Schumacher.

El trabajo en el muro pantalla comenzó con la instalación de una plataforma de trabajo y paredes guía, seguido de la construcción de los paneles del muro pantalla.

Los muros pantalla se excavaron en una serie de “mordiscos” utilizando una cuchara hidráulica. Se necesitaron tres mordidas para cada panel con el suelo sostenido por lechada de bentonita.

Luego se insertaron jaulas de acero y la lechada de bentonita se reemplazó por hormigón.

Las jaulas de refuerzo para los ocho contrafuertes se fabricaron en un sitio frente a VRCB. Para cada contrafuerte se utilizaron aproximadamente 87 toneladas de acero y 500 m3 de hormigón.

La construcción de los muros pantalla se completó hace un año y siguió la construcción de las vigas de coronación.

Los trabajos de excavación comenzaron poco después y han avanzado bien, ya que están en London Clay, lo que hace que la excavación sea relativamente fácil. La instalación de los puntales intermedios finalizó en mayo.

Las burbujas de los extremos se excavarán a 25,5 m bajo tierra y las interiores a 24,5 m. Se dio prioridad a la excavación de la burbuja más occidental, que será entregada a los equipos de excavación este otoño. Ahora que esta burbuja ha sido completamente excavada, se ha iniciado la construcción de su losa base.

La burbuja adyacente a ésta también alcanzó el nivel de formación de losa base cuando NCE visitó el sitio.

Moviéndose hacia el este, las otras burbujas fueron excavadas a 23 m, 22 m y 18 m bajo tierra respectivamente a finales de julio.

Se espera que el trabajo en el sitio finalice en 2026. Schumacher dice que los beneficios del diseño de oruga "superan cualquier dificultad de construcción" y cree que en el futuro se podrían construir estructuras similares en otras partes del Reino Unido.

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