Estudio geotécnico del Aeropuerto Kansai

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En este documento se analiza el estudio geotécnico realizado en la segunda fase de la construcción del aeropuerto internacional de Kansai en Osaka, Japón. De esta manera, se hace una descripción del terreno en el que se sitúa el aeropuerto, se analizan los problemas que surgieron durante la construcción y se describen las diversas soluciones que se dieron a dichos problemas y que concluyeron en el éxito de la construcción.

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Índice 1.

Introducción .................................................................................................................4

2.

Descripción del terreno .................................................................................................6

3.

Procedimiento de construcción......................................................................................7 3.1.

Mejora de la capa de arcilla del Holoceno ...............................................................7

3.2.

Construcción del dique marino ............................................................................. 13

3.3.

Relleno interior ................................................................................................... 16

4.

Control del asentamiento durante la construcción ........................................................ 19

5.

Control del asentamiento de la capa de arcilla del Pleistoceno....................................... 21

6.

Conclusiones............................................................................................................... 23

7.

Referencias................................................................................................................. 24

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1. Introducción Uno de los problemas más habituales en cuanto a un aeropuerto es la contaminación acústica a sus alrededores. Justamente para evitar ese problema, se planteó la construcción del aeropuerto internacional de Kansai sobre una isla artificial a 5 kilómetros de la costa, en la bahía de Osaka.

Ilustración 1 - Vista aérea del Aeropuerto Internacional de Kansai

El proyecto se realizó en dos fases; en la primera fase se construyeron los accesos, la terminal y una pista de 3500m. En la segunda, se construyó una segunda terminal y una segunda pista de 4000m. Esto fue porque con sólo una terminal y una pista el aeropuerto estaba saturado en las horas pico de operación, debido sobre todo a los vuelos de carga. Así, en 2007 (el año de apertura de la segunda fase) se registraron 129.000 vuelos, un 11% más respecto a las cifras del año anterior.

Ilustración 2 - Plano del aeropuerto

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La ejecución del proyecto de construcción de ambas fases supuso un coste total, a 2008, de 20 mil millones de dólares (unos 15 mil millones de euros). Esto incluye la recuperación de tierras, las dos pistas de aterrizaje, las terminales y las instalaciones. En este informe se analiza de forma general cómo se construyó la isla de 545 hectáreas en la que se construyó la segunda fase del proyecto, tomando como referencia principal el informe de Furudoi, T. (Kansai International Airport Land Development Co., Ltd., Japan).

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2. Descripción del terreno En la localización del aeropuerto, la profundidad del agua es de aproximadamente 18 m. A partir de este punto, se encuentran diversas capas de arcilla y arena. A medida que nos alejamos de la costa, las diversas capas de terreno bajo el fondo marino aumentan su grosor y su profundidad. De esta manera, las dos fases de construcción del Aeropuerto Internacional de Kansai tienen diferentes grosores y profundidades para cada una de las capas. En el siguiente esquema se muestra la composición del terreno:

Ilustración 3 - Composición del terreno

Tal y como se puede apreciar en el esquema anterior, para la segunda fase de construcción el suelo por debajo de los 20 m de agua está formado por las siguientes capas: ● Capa blanda de arcilla del Holoceno (25 m aproximadamente). ● Capa de arena y arcilla del Pleistoceno superior (180 m aproximadamente). ● Capa de arena y arcilla del Pleistoceno inferior (entre 300 y 500 m). El Holoceno es una época geológica del período Cuaternario que empieza con el fin de la última glaciación. La arcilla correspondiente a la capa del Holoceno es particularmente débil y gruesa, de manera que requiere ser mejorada para minimizar el asentamiento desigual residual que se dará cuando el aeropuerto opere normalmente, y para asegurar la estabilidad durante la construcción de la isla. Por su parte, el Pleistoceno es la época geológica del período Cuaternario que comienza hace 2,59 millones de años y finaliza aproximadamente 10.000 años a.C., con el inicio del Holoceno. Tecnológicamente, es difícil mejorar las capas de arcilla del Pleistoceno. Por esta razón se

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dejan estas dos capas tal cual están y se predice, mediante test de laboratorio, el asentamiento resultante.

3. Procedimiento de construcción La segunda fase de construcción del Aeropuerto Internacional de Kansai empezó en Julio de 1999. Esta fase siguió el siguiente procedimiento: 1. Mejora de la capa de arcilla del Holoceno 2. Construcción del dique marino 3. Recuperación del terreno En esta segunda fase se necesitaron 250 millones de m 3 de tierra para las fases de construcción del dique marino y recuperación del terreno. Además, para poder mantener un ritmo rápido de ejecución en la construcción, era importante asegurar un abastecimiento de tierra constante y rápido en la fase de recuperación del terreno. Seguidamente, se explican cada una de las fases de la segunda fase de constru cción del Aeropuerto de Kansai.

3.1. Mejora de la capa de arcilla del Holoceno Como se ha descrito anteriormente, la arcilla correspondiente a la capa del Holoceno era particularmente débil, de manera que requería mejoras de sus características. El procedimiento a seguir fue el siguiente:

Capa de arena Primeramente, se extendió una capa de arena con una proporción de finos menor al 10 % de 1,5 m de grosor sobre la capa de arcilla del Holoceno. Esta capa de arena permite que el agua descargada de la capa de arcilla se reparta y disperse la carga causada por la construcción del dique marino y del proceso de recuperación del terreno. Para extender esta capa de arena, dos métodos fueron utilizados: el método de bombeo y el método de tubo de Tremie. Mediante el método de bombeo, la arena es bombeada desde la barcaza hasta la posición donde debe situarse y se esparce mediante un equipo de distribución. En el método de tubo de Tremie, la arena es bombeada de forma continua a través de una tubería de acero llamada Tremie. El extremo superior de esta tubería tiene forma de embudo y el inferior se mantiene sumergido en la arena sin contacto directo con el agua. Básicamente, la arena se desliza hacia el fondo desplazando el agua hacia la superficie. El

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progreso de esta operación debe ser controlado observando el volumen de arena colocado y la altura alcanzada en el tubo. A continuación se presenta el esquema de funcionamiento de los dos métodos:

Ilustración 4 - Funcionamiento de los métodos de bombeo y de Tremie

Como no había suficiente arena de este tipo (proporción de finos menor al 10%) cerca del lugar de la construcción, se utilizaron distintos tipos de sustitutos: arena importada directamente de China y Corea y un agregado de piedra machacada. Este agregado se dispuso en la capa superior ya que su tamaño de grano era superior al resto de la arena y se utilizó como cojín para la fase de relleno. Para crear una capa totalmente uniforme de arena, se controló el grosor de la capa mediante herramientas de última tecnología como RTK-GPS (navegación cinética satelital en tiempo real) y varios sondeos a tiempo real. Al final se necesitaron 15 millones de metros cúbicos de arena para cubrir toda el área necesaria.

Mejora de las características del suelo Después de extender la capa de arena inicial, se utilizaron varios métodos para mejorar las características del fondo marino. En la siguiente imagen se puede ver el método que se utilizó en cada una de las distintas zonas:

Ilustración 5 - Métodos utilizados para la mejora del suelo

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Método de drenaje mediante arena (SD) Este método se utilizó en toda el área de la isla, al igual que en la primera fase. Consistió en consolidar el suelo introduciendo drenes de arena de 40 cm de diámetro en la capa de arcilla del Holoceno. Mediante un estudio de consolidación basado en la solución de Barron 1 se determinó que los drenes tenían que estar dispuestos cada 2,5 x 2,5 metros, menos en el área justo debajo del dique marino, donde tenían que estar dispuestos cada 2,5 x 1,6 metros. Esta menor distancia entre drenes es debida a que se necesitaba una consolidación más rápida en el área bajo el dique, ya que la construcción del dique iba antes que la fase de relleno. De esta manera, se optimizaba el tiempo de construcción. Por otra parte, y mediante elementos finitos, se determinó que la consolidación de drenes separados 2,5 x 1,6 m era la misma que para una configuración de 2,0 x 2,0 m. Sin embargo, como las barcazas que transportaban los drenes ya establecían una distancia fija entre ellos de 2,5 m, se escogió la primera configuración. De esta forma, también se optimizaba el tiempo y se simplificaba la construcción. La situación correcta de los drenes se supervisó mediante un sistema de control de posicionamiento enlazado a RTK-GPS. Las dos configuraciones escogidas se muestran en la siguiente figura:

Ilustración 6 - Distribución de los drenes según la ubicación de su construcción

Las barcazas de “sand piling” tenían capacidad para instalar simultáneamente 6 pilotes con una distancia de 2,5 m entre ellos.

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La solución de Barron es una solución analítica para la consolidación de suelos. Esta solución combina el drenaje vertical y horizontal mediante un producto de las contribuciones del drenaje radial y vertical, calculadas de forma desacoplada.

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Ilustración 7 - Barcaza de drenes de arena

Como se ha explicado anteriormente, las capas del fondo marino aumentaban su grosor a medida que se alejaban de la costa. Por ello, los drenes de la segunda fase de construcción fueron más largos que los de la primera. Además, podían aparecer discontinuidades o deformaciones en los drenes de arena debidas al asentamiento de la capa de arcilla del Holoceno. Por ello, y con tal de asegurar la correcta consolidación, se hicieron los drenes de manera que alcanzaran la capa de arena situada debajo de la capa de arcilla del Holoceno. Para asegurar que alcanzaran dicha capa, se utilizaron test de evaluación de la resistencia a penetración, pues la penetración en esta capa de arena sería diferente (menor) que en la de arcilla del Holoceno. Se utilizaron 8 barcazas de drenes de arena lo que resultó, en 16 meses (desde Agosto de 1999) en 1,2 millones de drenes de arena colocados.

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Método de drenaje mediante drenes plásticos (MPD) Este método se utilizó para acortar el tiempo de trabajo y reducir la cantidad de arena marina necesaria. La condición principal era obtener el mismo grado de consolidación que con el método anterior. De esta manera, las dos configuraciones consideradas fueron configuraciones equivalentes a las dos obtenidas con el método de drenaje con arena:

Ilustración 8 - Distribución de pilotes para MPD

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Sin embargo, se determinó que la configuración rectangular no cumplía con los criterios de consolidación, por lo que se decidió utilizar la configuración en rombo. Con este método, los drenes también debían alcanzar la capa de arena por debajo de la capa de arcilla del Holoceno. Así mismo, se determinó su posición utilizando también un sistema de control de posicionamiento enlazado a RTK-GPS. Así, se colocaron 82.000 tuberías de drenaje plásticas en 9 meses (desde Octubre de 1999) utilizando una única barcaza MPD.

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Método de pilotes de arena compactada (SCP) Este método se utilizó bajo el dique marino tipo de cajón estanco para la disipación de olas vertical, tal y como se visualiza en el esquema. El método SCP ha sido desarrollado y frecuentemente utilizado en muchos proyectos de construcción en Japón. Consiste en introducir arena en el suelo mediante una tubería y compactarla. Así, se obtiene un pilote de arena compactada en un suelo blando. El principal concepto de este método, en suelo arenoso, es aumentar la densidad del suelo insertando una cantidad de material granular (usualmente arena) en el mismo. Por otro lado, si se practica este método en un suelo arcilloso, el concepto principal es el refuerzo del suelo mediante la combinación de pilotes de arena compactada y la arcilla alrededor. De esta manera, se diferencia del método de drenaje con arena (SD) ya que en éste, su principal función es sólo drenar. Los pilotes utilizados eran de 2 m de diámetro, separados 2,1 m en las dos direcciones. Además, también se debía garantizar que alcanzaban la capa de arena situada debajo de la capa de arcilla del Holoceno. La colocación de estos pilotes supuso una elevación del lecho marino, que subió 6 m de promedio. Este hecho se mejoró con el método de drenaje con arena con pilotes de 1,2 m de diámetro. La colocación se puede visualizar en el siguiente esquema:

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Ilustración 9 - Método de pilotes de arena compactada

De esta manera, se colocaron 1750 pilotes mediante una barcaza de pilotes de arena compactada en 2 meses y medio (desde Septiembre de 1999).

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Método de Mezcla Profunda (DM) El método de Mezcla Profunda se utilizó en el área donde se requería una cierta estabilidad de los cimientos del suelo, es decir, en las compuertas de acero insertas en el dique, que servían de pasajes para las operaciones de las barcazas. En este método las barcazas de mezcla profunda crean columnas de arcilla del Holoceno mezclada con cemento, de manera que se mejoran sus características. Estas columnas se conectaron unas con otras formando una especie de estructura subterránea de tipo pared o de tipo cuadrícula, como se expone a continuación:

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Ilustración 10 - Patrones de mejora del método de mezcla profunda

Se utilizaron 2 barcazas de mezcla profunda que, en 7 meses (desde Agosto de 1999), mejoraron 330.000 metros cúbicos de suelo.

3.2. Construcción del dique marino El dique marino se construyó antes de la fase de relleno interior para proteger el resto de la construcción de las olas. El perímetro total que tenía que cubrir el dique fue de 13 km, con una anchura media en la base de 300 metros. El dique empezó a construirse en Diciembre de 1999 en el área donde la mejora del suelo ya se había completado, y finalizó su construcción en Agosto de 2002 excepto por tres pasajes de navegación para las operaciones de las barcazas en el sur y en el norte de la isla del aeropuerto. Dependiendo de la orientación, el uso del suelo y la programación de la construcción de cada parte del dique, se utilizaron distintos materiales para su construcción. De esta manera, se distinguen 3 tipos de diques, cada una en una zona diferente del mismo. ● Dique de escollera ● Dique de tipo cajón estanco para disipación de olas vertical ● Dique de tipo mampara celular con refuerzo de acero

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La distribución de los diferentes tipos se muestra en el siguiente esquema:

Ilustración 11 - Plano del dique marino

Al final, el 90% del recorrido del dique se construyó a base de escollera. Esto fue debido a la flexibilidad estructural que aportaba (capacidad para soportar asentamientos desiguales), su relativo bajo coste y su bajo efecto negativo en el hábitat marino de alrededor. La composición de este tipo de dique se muestra en la siguiente figura:

Ilustración 12 - Sección transversal del dique a base de acumulación de escombros de roca

De esta manera, se utilizan escombros de roca de desecho, armadura de piedras, bloques de hormigón superior, bloques de disipación de olas y hormigón para la cumbre. En cuanto al 10% restante, se reparte entre los otros dos tipos de dique utilizados.

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El dique de tipo cajón estanco para disipación de olas vertical está formado por una pared frontal con rendijas, una cámara de agua y una pared trasera impermeable. De esta manera, este tipo de dique reduce las olas reflectantes. La sección típica de este tipo de dique se muestra a continuación:

Ilustración 13 - Sección transversal de dique tipo cajón estanco para disipación de olas vertical

El dique de tipo mampara celular con refuerzos de acero se utilizó en la zona dedicada a los pasajes para la operación de las barcazas. Estos pasajes se cierran con urgencia justo antes de la finalización de la fase de recuperación del terreno. La sección típica de este tipo de dique se muestra a continuación:

Ilustración 14 - Sección transversal de dique tipo mampara celular con incrustaciones de acero

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3.3. Relleno interior A causa de la gran cantidad de terreno que se tenía que depositar, se esperaba un gran asentamiento de la capa de arcilla del Holoceno durante la construcción, a parte de un asentamiento a largo plazo de la capa de arcilla del Pleistoceno, una vez el aeropuerto estuviera operativo. La fase de recuperación del terreno se ejecutó en tres fases: vertido de suelo, amontonamiento del suelo y construcción multicapa. 

Vertido de suelo Consistió en verter uniformemente finas capas de suelo en el fondo marino para asegurarse que el asentamiento fuera uniforme. Se fueron añadiendo capas hasta que la profundidad con respecto al nivel del mar fuera de 6 metros, distancia suficiente para que los barcos pudieran seguir navegando en él.

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Acopio del suelo El amontonamiento de suelo se llevó a cabo en dos fases. Primeramente, se vertió suelo mediante las llamadas barcazas open-hopper2, hasta una profundidad de 3 metros sobre el nivel del mar (profundidad última con la que las barcazas reclaimer3 pueden navegar).

Ilustración 15 - Barcaza open-hopper

Una vez se completaba este proceso en un área determinada, se empleaba una barcaza reclaimer acompañada por una barcaza hopper para terminar de verter el suelo hasta la superficie deseada, tal y como muestra la siguiente imagen.

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Una barcaza hopper es un tipo de buque no autopropulsado diseñado para transportar materiales tales como rocas, arenas y tierra para su vertimiento en el mar. Las open-hopper se abren para verter el material sobre la superficie deseada. 3 Una barcaza reclaimer es un buque que d escarga material proveniente de una barcaza hopper y lo esparce sobre una superficie a través de una cañería.

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Ilustración 16 - Barcazas para el amontonamiento del suelo

Como la barcaza hopper no puede navegar en aguas menos profundas de 6 metros, se tuvo que hacer todo el proceso en bloques, es decir, primero se vertía suelo hasta una profundidad de 3 metros con las barcazas open-hopper y, cuando acababa, se terminaba con la barcaza reclaimer y la barcaza hopper. La siguiente imagen muestra una sección donde se ven claramente los bloques que se hicieron y en qué orden se construyeron:

Ilustración 17 - Proceso de amontonamiento del suelo

Los bloques 1, 3 y 5 se llevaron a cabo mediante barcazas open-hopper y los bloques 2, 4 y 6 mediante las barcazas reclaimer y las hopper. De este modo se fue ganando terreno al mar.

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Construcción multicapa Esta fase se utilizó en las zonas donde tenían que operar las aeronaves u otras zonas donde se requerían mejores características en el terreno. El suelo era amontonado temporalmente por barcazas reclaimer y eran camiones los que lo distribuían a lo largo de la zona. Para asegurar una buena compactación, se utilizaron rodillos vibrantes pesados. La siguiente figura muestra esquemáticamente el procedimiento:

Ilustración 18 - Procedimiento multicapa

Para asegurar una buena eficiencia en la compactación se diseñaron las capas de 60 cm de grosor, todas ellas compactadas. Al finalizar el proceso se hicieron varios test al terreno para verificar sus características. Se realizaron test que usaban métodos automatizados de radio escaneo, medidas de la densidad del suelo y test de consolidación placas de carga. Con esto se obtuvo la densidad del suelo, la cantidad de agua, el módulo elástico y el módulo de balasto.

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4. Control del asentamiento durante la construcción Uno de los aspectos más importantes a la hora de construir sobre un suelo blando es el control del asentamiento. Para un proyecto de estas características, se precisaba monitorizar el asentamiento del fondo marino durante todas las fases de la construcción. Para ello se utilizaron dos tipos de sistemas: 

Placas de asentamiento

Este sistema es uno de los sistemas más comunes para medir el asentamiento. Consta de una placa que se coloca en la superficie que se quiere estudiar y de unos cilindros superiores:

Ilustración 19 - Placas de asentamiento

El asentamiento del fondo marino se obtiene midiendo la profundidad de agua en el cilindro o la altura de la parte superior del cilindro, y con ello calcular el incremento de presión de agua. Esta medición la realizaba un buzo mediante un medidor de presión de agua, una vez por semana. Estas placas se colocaron justo encima de las primeras capas de arena añadidas, justo después de mejorar el suelo. De esta forma se pudo saber a tiempo real el asentamiento debido a la fase de recuperación del terreno. Aunque este método es muy extendido, tiene algunos problemas. Por ejemplo, el mal tiempo impedía muchas veces la medición semanal. Otro inconveniente importante era el obstáculo que representaba para las barcazas.

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Dispositivo de medida de presión hidráulica con transmisor magnético

Este método se utilizó mayoritariamente en el área de recuperación del terreno. Este sistema mide el incremento de la presión del agua debido al asentamiento cada dos horas, y lo transmite por vía magnética a una base de datos que los procesa. La ventaja principal es que se puede instalar en cualquier lugar del fondo marino sin que

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resulte un obstáculo para las embarcaciones y, además, permite la medida del asentamiento continuada sin ningún tipo de restricción.

Estos equipos se distribuyeron tal y como muestra la imagen:

Ilustración 20 - Distribución de los equipos de medida

Se optó por colocar 34 estaciones de control debajo del área donde se construiría el dique marino con 2 o 3 placas de asentamiento cada una. En el área destinada a recuperación del terreno se colocaron 37 dispositivos magnéticos distribuidos cada 350m x 250m y, además, 17 placas de asentamiento.

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5. Control del asentamiento de la capa de arcilla del Pleistoceno La capa de arcilla del Pleistoceno se encuentra a una profundidad desde 25 m hasta 180 m aproximadamente. Dado que tecnológicamente es muy difícil mejorar las características de un terreno en unas profundidades tan grandes, se tuvo que determinar el asentamiento de esta capa y tenerlo en cuenta en el proyecto para que el aeropuerto pudiera seguir operativo.

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Medida del asentamiento

La medida del asentamiento se sigue gracias a los sistemas que se colocaron para medir el asentamiento durante la construcción.

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Predicción del asentamiento

Para conocer las características de la capa de arcilla del Pleistoceno, se hicieron un total de 65 exploraciones previas a la construcción. En estas exploraciones se estudiaron las profundidades de 100m, 200m y 400m. Para asegurar la calidad de las muestras y la optimización del trabajo, el método que se usó fue el método de cables de perforación. De todas las muestras obtenidas se hicieron test en el laboratorio y test geológicos. Una vez se obtuvo la información necesaria acerca de esta capa, se calculó el asentamiento mediante el programa FCAP (“Finite-element Consolidation Analysis Program”). El FCAP predice el asentamiento mediante un análisis de elementos finitos unidireccional con una condición de contorno, que en este caso fue la presión de agua de poro. El análisis se desarrolló asumiendo que el comportamiento de las capas de arcilla era elástico-viscoelástico (al igual que en la primera fase donde, al cabo de 10 años, las predicciones y el asentamiento son muy parecidos).

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Las predicciones y los resultados experimentales fueron:

Ilustración 21 - Predicciones y resultados del asentamiento del suelo

El FCAP predijo un asentamiento de 8 metros de la capa del Holoceno y 10 metros de la capa del Pleistoceno al cabo de 50 años después de la apertura de la nueva pista.

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6. Conclusiones En este proyecto, los objetivos principales fueron minimizar el tiempo de construcción, así como el coste, y además garantizar un mínimo asentamiento desigual.

De esta manera, en el desarrollo de la isla artificial de anchura uniforme correspondiente a la segunda fase del proyecto, el problema principal fue el asentamiento del suelo bajo la zona. Por ello, se llevó a cabo un control de precisión sobre el mismo. A cada paso del proyecto, como la planificación, el diseño y la ejecución, las medidas con respecto al asentamiento fueron consideradas para mantener y sostener las instalaciones del aeropuerto. Como resultado, se redujo al mínimo el asentamiento desigual después de la apertura de la nueva pista.

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7. Referencias Kurunoi, T. (2005). Second Phase Construction Project of Kansai International Airport. Osaka.

Santalla Blanco, L. (2010). Hormigonado con tubo Tremie. Recuperado de http://teoriadeconstruccion.net

Wang, Y., Xie, K. & Zhu, J. (2011). An Analytical Solution for Consolidation of Transversely Isotropic Soft Ground with Double Radial Drainages and a Vertical Drainage. China. Recuperado de http://www.ejge.com

Kitazume, M. (2005). Outline of the Sand Compaction Pile Method. A.A. Balkema Publishers, The Sand Compaction Pile Method. (pp. 01-08). Reino Unido. Taylor & Francis Group.

Kansai International Airport Land Company, ltd. (2014). Ground Condition of the Seabed. Recuperado de http://www.kiac.co.jp/en/index.html

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