El movimiento de tierras en obras lineales es una actividad compleja que está sujeta al flujo de trabajo, información disponible y otros aleatorios (1). El movimiento de tierras supone una de las tareas más costosas en toda obra lineal (2), y a la complejidad de diferentes maquinarias disponibles, principios de gestión de proyectos propios de cada obra (3) (4) se une la necesidad de optimizar y reducir el impacto medioambiental (22), especialmente relacionados con la gestión de los residuos tipificados en la legislación vigente (25). Por tanto, la decisión y planificación de la fase de movimiento de tierras en este tipo de obras tiene un enorme impacto en el conjunto completo del proyecto (5).

El método de planificación lineal de actividades tiene la capacidad de proporcionar información visual de actividades de trabajo (8), pero no proporciona información sobre actividades de extracción, localización y distribución de los recursos a ser transportados a las ubicaciones requeridas, ni tampoco aporta información sobre la gestión tiempo-espacio durante la construcción. De forma adicional, ninguna de las metodologías actuales considera ni clasifica el material en función de la normativa y legislación actual (6).

La asignación de volúmenes de materiales que deben ser transportados desde los puntos kilométricos (Pk’s) de los centros de producción (desmontes y préstamos) a los Pk’s de los centros de consumo (terraplenes y vertederos) es un problema complejo, cuya resolución se basa en metodologías tradicionales (diagrama de masas) y otras avanzadas, apoyadas en técnicas de optimización de procesos (9). Las primeras ofrecen la compensación longitudinal de los materiales indicando distancias medias de transporte, y las segundas optimizan de forma más precisa las operaciones de movimiento de tierras (10) (11) (12). Sin embargo, ninguna de ellas tiene en cuenta la relación entre la disponibilidad de materiales y su tipología.

En este artículo se presenta como novedad en dicho campo el Método iCOM (Método inteligente de Compensación Optimizada de Masas), diseñado y desarrollado por Yago Villar, con la colaboración y supervisión de Bernardo Llamas, autores del presente artículo. Se trata de una metodología de planificación y optimización del movimiento de tierras en obras lineales, basada en un modelo matemático apoyado en criterios concretos y su aplicación mediante herramientas informáticas (Figura 1). Estos criterios atienden fundamentalmente a las exigencias de normativa vigente en España (13), en cuanto al tipo de materiales permitidos para la realización de rellenos (terraplenes, explanadas, etc.). Esto supone una innovación en la forma de calcular los movimientos de tierras, ya que permite la definición de los mismos discriminando todos y cada uno de los diferentes materiales presentes en las excavaciones y su uso adecuado en cada tipo de relleno.

Esta novedosa metodología se ha aplicado con éxito en más de veinte obras lineales, permitiendo el cálculo de compensación de tierras de una forma óptima, atendiendo a criterios de tipología, calidad, distancia y disponibilidad de los materiales en el flujo de trabajo de la obra. De esta forma se consigue calcular la compensación de tierras de una manera más eficiente, tanto desde el punto de vista técnico, económico y medioambiental.

Para la optimización del movimiento de tierras en obras lineales debemos partir de la información que nos proporciona el proyecto de construcción, en concreto:

Una vez analizada dicha información, el Método iCOM propone seguir la siguiente metodología de cálculo, descrita en los siguientes apartados.

Para calcular la compensación optimizada del movimiento de tierras en la obra: «Autovía Ruta de la Plata A-66. Benavente- Zamora» se aplicó el Método iCOM descrito a lo largo de este artículo.

Se trata de la construcción de un tramo perteneciente a la autovía A-66, ejecutada durante los años 2013 a 2015. Al ser una obra demasiado extensa (50 km) nos centraremos en el segundo tramo de la misma, que discurre entre las localidades de Santovenia del Esla y Fontanillas de Castro, en la provincial de Zamora (Figura 4).

Analizando los datos de partida obtenidos del proyecto de construcción observamos que el tramo discurre entre los entre los Pk’s 6 + 400 y 17 + 744, con un volumen de desmonte de 1.167.305 m³ y 1.131.994 m³ de rellenos, repartidos entre el tronco, un área de servicio y dos enlaces. A lo largo del tramo se disponen once estructuras, todas ellas vadeables, entre las que destacamos 6 pasos superiores, 3 pasos inferiores y 2 viaductos de 300 y 200 metros de longitud, respectivamente (Tabla 3).

Siguiendo la metodología descrita en el apartado 3.2 del presente trabajo, obtenemos los siguientes resultados particularizados para esta obra (Tablas 4, 5 y 6).

A continuación calculamos los centros de gravedad de cada subárea tal y como se muestra en la Tabla 7.

El siguiente paso consiste en repartir los tipos de materiales de excavación y de rellenos correspondientes a cada subárea, de la forma que muestra la Figura 5, en la que a modo de ejemplo hemos tomado las 6 primeras subáreas.

El tipo de compensación que utilizaremos será la descrita como de izquierda a derecha con cierre (por defecto), es decir, con préstamos definidos como préstamo 6 y préstamo 7 ubicados en los Pk’s 8 + 500 y 16 + 000, respectivamente, y a 4 km de distancia del tronco cada uno. Como vertedero se utilizará el propio préstamo 6.

De acuerdo con la metodología de compensación de tierras optimizada y considerando la particularización de la obra que nos ocupa, se han obtenido los siguientes resultados reflejados en los informes y diagramas que se describen a continuación.

Como se puede observar en la Figura 6 se representan los 23 movimientos de tierras que habría que realizar en las subáreas mencionadas, sobre un total de 118 movimientos en el conjunto total del tramo.

La hoja de cálculo permite obtener diagrama de masas compensado (Figura 7), en el que se ha recogido el tipo de material en cada subárea según la normativa vigente y su volume correspondiente.

Asimismo, una vez realizada la compensación podemos obtener las vinculaciones entre las subáreas que relacionan los movimientos de tierra desde el origen a su destino, como se representa en el siguiente diagrama de vinculación de subareas compensadas (Figura 8).

Para finalizar el cálculo de la compensación obtenemos como resultado una distancia media de transporte calculada en base a los centros de gravedad de cada subárea, el volumen total de tierras a transportar, tal y como se describe en la Tabla 8.

Podemos concluir entonces la compensación de tierras optimizada del tramo objeto de estudio con el dato de la distancia media de transporte, que será el resultado de dividir la suma de todos los momentos de transporte (m³ × km) resultants de todos los movimientos de tierras entre el volume total de material a transportar:

De la misma manera obtenemos la distancia media a vertedero y la distancia media a préstamo arrojando unos valores de 4,367 km y 5,126 km, respectivamente.

Dentro de una obra lineal el movimiento de tierras supone un significativo esfuerzo, no sólo en el aspecto técnico, sino que también en la planificación del proyecto y, especialmente en el control de costes, dos de las tres limitaciones de cualquier proyecto, y que tienen especial incidencia en el consumo de recursos.

El Método iCOM consigue de una manera simple y precisa el máximo aprovechamiento de los materiales existents en la traza, reduciendo al mínimo la necesidad de vertederos o préstamos de tierra, disminuyendo el volumen de residuos generados. Se ha cumplido estrictamente con los criterios de calidad exigidos en la normativa vigente y, además, se han reducido las distancias de transporte y el plazo de ejecución, lo que supone una reducción del coste y, por lo tanto, una mejora económica en el resultado final de la obra.

El cálculo de la compensación de tierras en las obras lineales estudiadas mediante la utilización del Método iCOM arroja las siguientes conclusiones:

La aplicación de este novedoso método se recoge mediante el caso de estudio en la autovía de la Plata A-66, tramo Benavente-Zamora, donde se ha aplicado esta metodología en 118 movimientos de tierra. Si comparamos la suma momentos de transporte obtenida con el Método iCOM (550.189,47 m³ · km) con la calculada mediante los métodos tradicionales (626.665,81 m³ · km), obtenemos una diferencia de 76.476,34 m³ · km, lo que supone, en este caso, un ahorro del 12,2 % en cuanto al movimiento de tierras.

Como futuras líneas de trabajo está el dar acceso a esta metodología, a través de una aplicación web o app, a cualquier usuario, sin necesidad de disponer de programas topográficos complejos y caros que requieren una formación muy específica.