La Catedral de la Cd. de México Rescate

Catedral y Sagrario
de la Ciudad de México
Mexico city’s Cathedral and Sagrario Church
Corrección Geométrica y Endurecimiento del Subsuelo
Geometrical Correction and Soil Hardening
Enrique Santoyo Villa
Efraín Ovando Shelley
CONACULTA
DIRECCIÓN GENERAL DE
SITIOS Y MONUMENTOS
DEL PATRIMONIO CULTURAL
25Años
1989-2002
Seis Años Después
Six Years After2008

Impreso en México, 2008
Printed in Mexico, 2008
Autores: Enrique Santoyo Villa y Efraín Ovando Shelley
COPYRIGHT MÉXICO 2008
TGC Ingeniería
TGC Geotecnia
Adolfo Prieto No. 1238
Col. del Valle
03100 México D.F.
Tel. 5559-9055
www.tgc.com.mx
tgc@tgc.com.mx
Éste es un resumen del informe
geotécnico final de los trabajos
realizados en el subsuelo de la
Catedral.
Aclaración:
This is a sumary of the final report
of the work performed in the
Cathedral´s subsoil.
Note:
Luis M. Zúñiga M.
Rubén Torres O.
Diseño gráfico y editorial:
Ilustración de portada: Antonio Calderón Echevarría
Prohibida la reproducción parcial o total por ningun
medio sin la autorización escrita de TGC Ingenieria,
TGC Geotecnia.
Partial or total reproduction by any means is forbidden
with out the written consent of TGC Ingeniería,
TGC Geotencia
Fotográfia:VictorY.TakahashiF.
Vista Nocturna de la Cupula
Central de la Catedral

Contenido
Introducción
Las Estructuras y sus Cimentaciones
Intervenciones en las Cimentaciones
Características del Subsuelo
Hundimiento Regional
Diagnóstico Geotécnico
Soluciones Estudiadas
Subexcavación en la Catedral y en el Sagrario
Corrección Geométrica Alcanzada
Subexcavación en la Torre Inclinada de Pisa
Revalidación de la Inyección de Mortero
Endurecimiento del subsuelo
Comportamiento observado
Comentarios Finales
Difusión Geotécnica del Proyecto
Aspectos Arqueológicos
Cronología General de la Catedral y del Sagrario
Alarifes, maestros mayores, arquitectos e ingenieros
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
A.
B.
C.
Introduction
Description of Foundations
Interventions in the Foundations
Characteristics of the Subsoil
Regional Subsidence
Geotechnical Diagnosis
Solutions Analyzed
Underexcavation at the Cathedral and the Sagrario
Geometrical Correction Achieved
Underexcavation at the Leaning Tower of Pisa
Assessment of Mortar Grouting
Hardening of the Subsoil
Observed Behavior
Final Remarks
Geotechnical Dissemination of the Project
Archaeological Aspects
General Chronological Account of the Cathedral and
of the Sagrario Church
Masons, master builders, architects and engineers
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
A.
B.
C.
Contents
Catedral y Sagrario de la Ciudad de México
Mexico city’s Cathedral and Sagrario
Corrección Geométrica y Endurecimiento del Subsuelo
Geometrical Correction and Soil Hardening
1989-2002

Catedral y Sagrario de la Ciudad de México
Mexico city’s Cathedral and Sagrario Church

INTRODUCCIÓN
CONACULTA
INTRODUCTION
La construcción de la Catedral de México sobre suelos extraordinariamente blandos fue un reto formidable en 1573,
año en que comienza la obra. Sus creadores aprovecharon la experiencia que los aztecas habían obtenido con la
edificación del Templo Mayor en donde las etapas constructivas superpuestas obedecían a la tradición mesoamericana
de sobreponer pirámides nuevas sobre las antiguas durante las fiestas del Fuego Nuevo pero también satisfacían la
necesidad práctica de sobreponer etapas constructivas a sus edificaciones con el fin implícito de ocultar las
deformaciones que se producían en ellas. El alarife Claudio de Arciniega concibió una cimentación notable para la
Catedral pero aún así, los hundimientos que se produjeron durante el levantamiento del templo obligaron a los otros
maestros constructores que lo sucedieron, a integrar ingenios arquitectónicos para disimular los desajustes. En 1630
Juan Gómez de Trasmonte levantó las bóvedas y el crucero. A Luis Gómez de Trasmonte se le encomendó en 1656
construir la cúpula central. Tuvo dudas sobre la capacidad de carga de las columnas del crucero y propuso
ensancharlas pero no se realizó esa ampliación. Lorenzo Rodríguez construyó el Sagrario a partir de 1749 y adoptó el
mismo sistema de cimentación, aunque con menor calidad. La construcción de las torres la inició en 1780 Damián Ortiz
de Castro quien decidió reparar la capilla de San Miguel, hoy de los Ángeles, para que ésta sostuviera a la torre
poniente. La Catedral se concluyó en 1813 bajo la dirección de Manuel Tolsá, quien armonizó el edificio y embelleció la
cúpula. El dilatado proceso de construcción tomó 240 años.
La Catedral y el Sagrario se conservan hasta el presente gracias a las reparaciones y trabajos de conservación y
restauración de las que ha sido objeto a lo largo de más de 300 años. La complejidad de las intervenciones ha ido en
aumento con el paso del tiempo debido al daño estructural acumulado, al desplome y a la creciente velocidad con la que
aumentan los hundimientos diferenciales. Han pasado más de seis años desde la conclusión del proyecto para la
Corrección Geométrica de la Catedral y el Sagrario Metropolitanos y del Endurecimiento del Subsuelo y es muy
satisfactorio afirmar que los dos procedimientos empleados consecutivamente, la subexcavación y el endurecimiento
selectivo del subsuelo, mejoraron muy favorablemente el comportamiento del conjunto religioso, según se ha podido
verificar con mediciones de campo cuyos últimos resultados se muestran en este documento.
El alto grado de dificultad de los trabajos en la Catedral ameritó que las autoridades consultaran a Colegios y
Academias de Arquitectos e Ingenieros e incluso en noviembre de 1992 se conformó una Comisión Internacional de
Consultores para revisar el proyecto de subexcavación la cual fue encabezada por el Dr. Michelle Jamiolkowsky,
Presidente del Comité para la Salvaguarda de la Torre de Pisa; en esa comisión participaron los Doctores John Burland,
del Imperial College de Londres y Giorgio Macchi de la Universidad de Pavía, ambos miembros del Comité de la Torre
de Pisa. El grupo de expertos internacionales se complementó con los Doctores Gholamreza Mesri de la Universidad
de Illinois, Pietro de Porchelinis de Cimentaciones Especiales Rodio y Miha Tmazevic del Instituto de Pruebas de
Eslovenia; durante las juntas de trabajo los acompañaron distinguidos técnicos mexicanos encabezados por el Dr.
Emilio Rosenblueth, junto con los Doctores Daniel Reséndiz, GabrielAuvinet, Miguel Romo, LuisArnal y JesúsAguirre;
así como los Ingenieros Neftalí Rodríguez, Oscar de Buen, Juan Manuel Orozco y Juan Schmitter. Después de
examinar minuciosamente la documentación técnica del proyecto e inspeccionar los trabajos realizados en la Catedral
y en el templo de San Antonio Abad, aprobaron el proyecto y recomendaron aceptar la subexcavación y aplicar la
versión geotécnica del Método Observacional para verificar en cada etapa los beneficios del proceso.
Posteriormente, en agosto de 1998 se constituyó la Segunda Comisión de Consultores, encabezada por el Dr. Daniel
Reséndiz y con la participación de los Doctores GabrielAuvinet, Manuel Mendoza y Sergio Covarrubias y los Ingenieros
Oscar de Buen, y Neftalí Rodríguez. El objetivo fue revisar la información recopilada sobre la inyección de morteros del
Palacio de BellasArtes, las pruebas de inyección del ex-lago Texcoco y los resultados de la inyección experimental en el
atrio poniente de la Catedral. Esta Comisión aprobó la inyección de morteros para el endurecimiento del subsuelo, lo
cual es de suma importancia, porque esta técnica preventiva podrá hacer innecesaria la aplicación de otra etapa de
subexcavación; la otra gran ventaja de la inyección es que se podrá aplicar en el futuro con facilidad y a costo razonable.
Reconocimientos. Se extienden agradecimientos alArq. Sergio Zaldívar, Director del Proyecto desde 1989 a 2000 y al
Dr. Xavier Cortés Rocha que lo dirigió después. También se agradece su apoyo a los miembros del Comité Técnico:
Doctores Fernando López Carmona, Roberto Meli, Enrique Tamez, a los Ingenieros Enrique Santoyo, Hilario Prieto y al
Dr. Jorge Díaz Padilla, Secretario del Comité. Así como: al Dr. Efraín Ovando Shelley y a los ingenieros Roberto
Sánchez yArturo RamírezAbraham.
Constructing Mexico City's Metropolitan Cathedral on extraordinarily soft soil was a formidable challenge back in 1573,
when the building was started. Its creators took advantage of the experience gained by theAztecs during construction of
their Major Temple. In the case of theAztecs, to the Mesoamerican tradition of superimposing new pyramids over the old
ones during the festivities of the New Fire, they incorporated the practical need of adding successive construction stages
to their buildings with the implicit purpose of concealing damage produce by differential settlements. Master builder
Claudio de Arciniega conceived an outstanding foundation for the Cathedral but even so settlements occurred during
the construction of the massive building compelled the succeeding architects to incorporate architectural ingenuity to
mask misalignments. In 1630, Juan Gómez de Trasmonte erected the vaults and the transept. Luis Gómez de
Trasmonte was appointed in 1656 to build the main dome. He was uncertain about the load bearing capacity of the
transept columns and his suggestion of enlarging them was not followed. Lorenzo Rodríguez constructed the Sagrario
(parish church) starting in 1749 and he adopted a similar foundation system, but with a lesser quality. Damián Ortiz de
Castro decided to repair the San Miguel chapel so it could bear the weight of the western bell tower and also began
constructing the campaniles in 1780. Manuel Tolsá completed the Cathedral in 1813 after harmonizing the building and
embellishing the dome.The long-lasting construction process took 240 years.
The Cathedral and the Sagrario church have survived up to now thanks to restorations that have taken place over more
than 300 years. Interventions have been increasingly complex due to the accumulation of structural damage and
inclination, and the exposure to ever higher differential settlement rates. It is more than seven years now since the end of
the Project for the Geometrical Correction of the Cathedral and the Sagrario Church and for hardening its subsoil. It is
very satisfactory to be able to state that, as verified with field measurements, the behavior of the religious complex
improved very favorably after the successive application of underexcavation and selective soil hardening.
Authorities responsible of the project decided to consult architectural and engineering learned societies in view of the
high degree of difficulty of the work described here and an international committee for overlooking the underexcavation
project was created, headed by Prof. Michele Jamiolkowsky, president of Committee for the Safeguard of the Tower of
Pisa. Prof. John B. Burland from Imperial College, London, and Prof. Giorgio Macchi from the University of Pavia, both
members of the committee for the Italian tower joined the team, together with Prof. Gholamreza Mesri from University of
Illinois, Dr. Pietro de Porchelinis from Cimentaciones Especiales Rodio and Dr. Miha Tomazevic from the Institute of
Tests in Eslovenia. Distinguished Mexican experts, Dr. Emilio Rosenblueth and Dr. Daniel Reséndiz, were also
members of the committee, together with doctors Gabriel Auvinet, Miguel Romo, Luis Arnal and Jesús Aguirre
Cárdenas; other expert engineers joined the committee: Neftalí Rodríguez, Òscar de Buen. Juan Manuel Orozco and
Juan Scmitter. After a thorough critical review of technical documents which included a close examination of the results
obtained with underexcavation trials performed at the San Antonio Abad Church and after inspecting the work being
done at the Cathedral, the international committee approved the project and recommended that underexcavation be
applied, using the geotechnical version of the Observational Method to control and verify each step in the process.
Thereafater, in August 1998, a second committee was formed, headed by Dr. Daniel Reséndiz. Other participating
members were Dr. Gabriel Auvinet, Dr. Sergio Covarrubias and Dr. Manuel Mendoza, geotechnical consultants, as well
as Mr. Oscar de Buen and Mr. Neftalí Rodríguez, structural engineers. The Second Committee's task was to examine
information about the injection of mortars at the Palace of Fine Arts as well as the results of mortar injection trials at
former Texcoco Lake and at the Cathedral's west atrium. The Committee approved mortar injections for hardening
selectively the subsoil. This was a most important decision because the use of this technique may very possibly avoid
the need to perform another underexcavation stage in the future; another advantage is that injection of mortars can be
reapplied in the future at a very reasonable cost.
Acknowledgements. Sergio Zaldívar, architect, headed the project since it began in 1989 until 2000; Dr. Xavier Cortés
Rocha took over the direction of the project afterwards. Member of the Technical Committee that overlooked the
development of the project are duly acknowledged: Dr. Fernando López Carmona, Dr. Roberto Meli, Dr. Enrique Tamez,
Ing. Enrique Santoyo Villa, Ing. Hilario Prieto. Dr. Jorge Díaz Padilla acted as secretary for the committee and as
consultants, Dr. Efraín Ovando Shelley, Ing. Roberto Sánchez and Ing.Arturo RamírezAbraham.

CONACULTA
1989
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
Jun
Nov
May
Oct Oct
Nov
Jun
Jul
Sep
Nov
Jan
Jun
Sep
Sep
Aug
May
Jul
Nov-Dec
Oct
Feb
2001
2002
Injection of the curia’s office
Nov
Jan Jan
Monitoring the behaviour
Monitoring the behaviour
Jan
Selective
hardening
(1.4 effective
years)
The vaults of the Cathedral evidence damagesApril
Development of the geotechnical study
April
JanFeb
Drawing up of the detailed
project for the Cathedral
Experimental underexcavation of
at San Antonio Abad
Dec
Construction of the
shafts (2.1 years)
Aug
Experimental underexcavation
Consultants meet for the first time
Aug
Underexcavation
process
(4.5 years) Execution of the
field works
(7.6 years)
3
4,220 m of
underexcavated
soil
April
Underexcavation is interrupted
Electrinic instrumentation is placed
3
585 nuclei, 5,189 m
of injected mortar
Injection test at Texcoco Lake
Injection test at the west atrium
Consultants meet for the second time
Subsoil grouting (1 year)
Monitoring of the behavior (8 months)
Grouting of the western bell tower
Grouting of the northwest corner
Cronología de los Trabajos Geotécnicos
Chronology of the Geothechnical Works1.
La traza de la Catedral data de 1573, sobre un plano
de Claudio de Arciniega. A principios del siglo XVII
construye las bóvedas Juan Miguel de Agüero. Las
torres de José Damián Ortiz de Castro fueron
concluidas en 1791.
Manuel Tolsá termina la obra en 1813, incorporando
balaustradas y remates. El Sagrario es obra de
Lorenzo Rodríguez; se inició en 1749 para
concluirse en 1767.
The layout of the Cathedral dates back to 1573 and it
is based on a plan made by Claudio de Arciniega. At
the beginning of the 17th century, Juan Miguel de
Agüero erects the vaults. The bell towers designed
by Damián Ortiz de Castro were completed in 1791.
Manuel Tolsá finished the works in 1813,
incorporating balaustrades and pinnacles. The
Sagrario church is the work of Lorenzo Rodríguez; it
was started in 1749 and completed in 1767.
Catedral y Sagrario de la
Ciudad de México
Mexico City´s Metropolitan
Cathedral and Sagrario Church
Museo Nacional de Arquitectura
INBA
Instituto Nacional
de
Bellas Artes
Dibujo de Mayolo Ramírez Ruiz, (1985-1986)
Art rendering by Mayolo Ramírez Ruiz (1985-1986)
Se advierte daño en las bóvedas de CatedralAbril
Elaboración del estudio geotécnico
Abril
May
Ene
Elaboración del proyecto
ejecutivo de Catedral
Subexcavación experimental
en San Antonio Abad
Oct
Construcción de
las lumbreras
(2.1 años efectivos)
Realización de los
trabajos de campo
(7.6 años efectivos)
Nov
Ago
Subexcavación experimental
Abril
Suspensión de la subexcavación
Prueba de inyección en Texcoco
Prueba de inyección en el atrio poniente
Sep
Jun
Sep
Inyección para el endurecimiento
del subsuelo
3
4,220 m
de suelo
extraído
1ª Reunión de consultores
Ago 2ª Reunión de consultores
Inyección en la Torre Poniente
Inyección en la esquina nororiente
Observación del comportamiento
May
Nov-Dic
Colocación de la instrumentación electrónicaFeb
Inyección en la oficina de la Curia
Nov
Ene
Ene
Proceso del
endurecimiento
(1.4 años
efectivos)
Proceso de
subexcavación
(4.5 años
efectivos)
3
585 núcleos con 5189 m
de mortero inyectado
Jun
Nov
Feb
Oct
Dic
Jun
Ago
Jul
Nov
Ene
Sep
Jul
Oct
Ene
1989
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002

A partir de junio de 1989 se inició la exploración del
subsuelo pero antes se empezó por recopilar la
información geotécnica de la zona. Destacan los
trabajos realizados por el Dr. Leonardo Zeevaert en
1943 para el Pasaje Catedral, los asentamientos de la
Catedral calculados por los profesores Raúl Marsal y
Marcos Mazari de 1953 a 1955 así como los sondeos
para las líneas del Metro, ejecutados entre 1967 y
1983. Con esa base se programó la ejecución de 21
sondeos de exploración con cono eléctrico y
posteriormente se realizaron otros 24 que se explican
en el Capítulo 4.
Una vez definida la estratigrafía y zonificado el
subsuelo, se llevaron a cabo dos sondeos profundos
para la extracción de muestras inalteradas, utilizando
muestreadores acordes a las características de cada
estrato. Las muestras permitieron determinar sus
propiedades mecánicas, con énfasis en su
deformabilidad. Los sondeos practicados también
permitieron definir las configuraciones de las
superficies de contactos estratigráficos que sirvieron
para las decisiones técnicas; las más significativas
fueron entre el relleno y la costra superficial y entre la
costra superficial y la arcilla, la cual profundiza entre 9
y 22 m debajo de la superficie actual.
Mediciones del nivel freático y piezométricas. La
configuración del nivel freático es variable, está más
alta hacia norte y se abate al suroriente; el colector
Semiprofundo que pasa frente a la Catedral influye en
este nivel. En 1940 se demostró que había flujo de
agua de oriente a poniente y el gradiente actual
señala que se mantiene ese flujo. Otro dato relevante
es que el nivel freático en 1953 estaba a 2.8 m y
actualmente se localiza a 7.2 m. En cuanto a la
piezometría, se observó que hasta unos 20 m de
profundidad existe una tendencia hacia el equilibrio
hidrostático y a partir de los 26.7 m se registra pérdida
de presión.
Mediciones topográficas y estructurales. Se
realizó una intensa campaña de mediciones para
determinar las dimensiones e inclinaciones de los
elementos estructurales; las alturas diferenciales de
las columnas y la configuración del piso de feligresía
fueron las más ilustrativas, junto con los
levantamientos topográficos del piso de feligresía
realizados en 1907, 1927 y 1936.
Predicciones del comportamiento futuro. La
deformabilidad de las arcillas, junto con las pérdidas
de presión del agua intersticial que podrán ocurrir
permitió predecir los hundimientos futuros, lo cual se
describe en el Capítulo 6. Se pudo establecer que el
incremento de los desplomes pondrían a la Catedral
en riesgo de sufrir daños severos ante un sismo de la
intensidad de los ocurridos en 1985; el elemento más
.
vulnerable sería la torre poniente con su inclinación de
2.7 % en dirección casi oeste.
Soluciones estudiadas. En el Capítulo 7 se
describen las técnicas que se consideró se hubieran
podido aplicar para atender la problemática de la
Catedral y Sagrario; de su evaluación resultó que la
subexcavación de las cimentaciones de la Catedral y
Sagrario ofrecía las mejores perspectivas.
Subexcavación. En 1962, el ingeniero italiano
Fernando Terracina propuso practicar horadaciones
para corregir la inclinación de la Torre de Pisa. No vio
culminado su objetivo, pero su propuesta se
desarrolló y aplicó en numerosos edificios de la
ciudad de México e incluso se acuñó el tecnicismo de
subexcavación. Para demostrar su viabilidad en la
Catedral Metropolitana se experimentó primero en la
iglesia de San Antonio Abad, entre mayo de 1990 y
febrero de 1991. Este método tiene por objeto
acelerar el descenso de las zonas duras del subsuelo
con respecto a las blandas, lo cual se logra
extrayendo, de manera controlada, a través de
perforaciones horizontales o inclinadas, el suelo en
que se apoya la cimentación. Los trabajos
preparatorios para la subexcavación en la Catedral se
iniciaron en octubre de 1991 y la subexcavación se
ejecutó entre agosto de 1993 y junio de 1998. La meta
que se fijó fue disminuir los hundimientos
diferenciales que se habían acumulado a lo largo del
último siglo.
Endurecimiento del subsuelo. Desde el inicio del
proyecto se tenía conciencia de que el hundimiento
regional actuaría nuevamente cuando se terminaran
los trabajos de subexcavación y que, por tanto, estos
últimos se tendrían que repetir con el paso de los
años. Para alejar ese momento, se analizaron varias
opciones preventivas. Se evalúo recurrir a
inyecciones de lechadas de cemento a alta presión
(jet grout) o al empleo de usar columnas de arena; sin
embargo, el caso histórico del Palacio de Bellas Artes
resultó decisivo para optar por el endurecimiento de
las arcillas mediante la inyección de mortero por
fracturamiento hidráulico. Para demostrar su
viabilidad se llevó a cabo un programa de pruebas de
campo en las arcillas del antiguo lago de Texcoco. El
éxito de las mismas justificó ejecutar un tramo
experimental en el atrio poniente de la Catedral y por
sus resultados se decidió elaborar el proyecto de
endurecimiento del subsuelo de los dos templos. La
Fig. 1 ilustra la cronología de todos los trabajos
geotécnicos.
Exploration of the subsoil began in 1989 and
preliminary work started by gathering information from
previous geotechnical studies in the zone, most
notably a 1943 study by Leonardo Zeevaert for a
commercial gallery (pasaje Catedral) and a report of
settlements recorded in the vicinity by R. Marsal and
M. Mazari (1953-1955), as well as results from
geotechnical soundings performed for the
construction of the subway between 1967 and 1983.
On the basis of that information, the exploratory
program initially included 21 CPT soundings; 24
additional CPT tests were performed later, as
explained in Chapter 4.
Once the stratigraphical characteristics at the site
were known, two deep continuous boreholes were
performed to extract high quality samples. The
samplers used were changed as required, according
to the characteristics of the soils found. The samples
were then tested to determine their mechanical
properties with emphasis on their deformability.
Results from soundings were also used to define the
shape of stratigraphical contact surfaces, a concept
that aided decision making during the process. The
most significant of these surfaces were the contacts
between the upper fills and the natural desiccated
crust as well as the contact between that same crust
and the first clay formation which is located between 9
and 22 m deep.
Phreatic level and piezometric measurements.
Phreatic levels in the zone are variable: higher in the
north and lower in the south, due to the influence of a
neighboring sewage collector. Measurements done in
1940 showed that water flowed west to east and
present gradients demonstrate that water is still
flowing that way.Another relevant piece of information
is that the phreatic level was 2.8 m deep in 1953 and
that it now stands at a depth of 7.2 m. Pore pressures
follow a nearly hydrostatic distribution down to about
20 m and that pore pressure depletion becomes
significant below 26.7 m.
Topograhical and structural measurements. The
dimensions and inclinations of structural elements
were determined within a thorough campaign of
measurements from which differences in column
heights were noted and the configuration of the
parishioners' floor level was obtained. Data from
topographical surveys performed in 1907, 1927 and
1936 were also recovered.
Predictions of future behavior. Future settlements
were estimated taking into account the deformability
of clayey soils as well as estimates of expected pore
pressure depletion rates, as explained in Chapter 6. It
was established that increments in tilts could bring
about severe damage to the Cathedral, should an
earthquake similar to the 1985 event occur again. The
most vulnerable element was the west tower which
had tilted 2.7 % towards the west at the onset of this
project.
Solutions studied. Chapter 7 presents a description
of the solutions that were analyzed to solve the
problems in the Cathedral and the Sagrario Church.
As a result of those analyses, it was determined that
underexcavation of the foundations was the best
option.
Underexcavation. Fernando Terracina, an Italian
engineer suggested in 1962 to perform small
boreholes to correct the inclination of the Tower of
Pisa. His project was never carried out but his
proposal was developed and applied in numerous
buildings in Mexico City where the term
underexcavation was first coined. A large scale
experiment was performed at the San Antonio Abad
Church between May 1990 and February 1991 to
show its feasibility as a solution for the Metropolitan
Cathedral. The method accelerates the descent of
hard areas with respect to softer ones by performing
horizontal or slightly inclined borings from which
material is extracted under controlled conditions from
the soil that supports the foundations. Preparatory
work in the Cathedral began in October 1991 and
underexcavation was performed between August
1993 and June 1998. The goal was to reduce
differential settlements that had accumulated over the
last century.
Subsoil hardeninng. Responsible engineers were
conscious from the onset of the project that regional
subsidence would act again at the end of
underexcavation and that the latter would have to be
repeated with the passing of time. Several preventive
options were analyzed to lengthen that moment. High
pressure injection of cement mortars (jet grout) and
sand columns were evaluated but the case of mortar
injections with hydraulic fracturing turned out to be
decisive when studying the case of the Palace of Fine
Arts (Palacio de las Bellas Artes). Field trials were
carried out successfully to prove its feasibility which in
turn justified the execution of test injections in the
Cathedral's west atrium from which a project followed
to harden the subsoil of both temples. Fig. 1 is the
chronology of all the geotechnical work.

A
A
La Catedral y los templos aztecas que la subyacen
The Cathedral and the underlying Aztec temples
A
Actual
At present
1500
(Ahuizótl)
1420-1447
(Chimalpopoca, Izcóatl, Moctezuma I)N :
El punto A es el mismo
en las diferentes fechas
ota
Note:
Point A is the same
along the vertical
Dimensiones y pesos de Catedral y Sagrario
Dimensions and weights of the Cathedral and the Sagrario
Incrementos de dimensiones de fustes y muros durante
la construcción
Enlargement of column shafts and walls during construction
0 10 20 30 m
N
Peso / Weight: 30,000 t
2
Presión / Pressure: 13.2 t/m
Peso / Weight: 127,000 t
2
Presión / Pressure: 16.6 t/m
1 2 3 4 5
Escala gráfica
Graphic scale
1
85 cm
.0 0
-
.0 5
-1.0 m
F
E
D
B
A
12
11
10
C
9
8
7
6
5
3
4
2
.0
m
0
0fe
ncia
en
el
ln
R
e
re
p
i
to
a
l
m
n
de
l
co
u
a
N
Pedraplén
Rock fill
70 m
Línea 2 del Metro
Line 2 of the Metro
2.5 m
Planta / Plan view
Vista lateral / Side view
Pilotes
Piles
Pedraplén
Rock fill
3.5 m
3.5 m
60.0 m
Contratrabes
Inverted beams
Criptas
Crypts
2.1 m
Pedraplén
Rock fill
Estacones
Short wood piles
Vista frontal / Front view
N
Contratrabes:
Ancho 2.5 m
Peralte 3.5 m
Colector semiprofundo 5 de Mayo
Semi-deep “5 de Mayo” sewage collector
10.6 a 15.9 m
1.0 m
2.0 m
Pedraplén
Rock fill
Pirámide
Pyramid
Pilotes de madera
Wood piles
Criptas
Crypts
140 m
CONACULTA
Descripción de las Cimentaciones
Description of the Foundations2.
0.
00
m
R
ef
rr
d
to
th
p
i
th
e
e
e
ln
f
h
c
lu
o
t
e
o
m
ns
Inverted beams:
Width: 2.5 m
Height: 3.5 m

La Catedral Metropolitana fue construida sobre parte
del terreno del Centro Ceremonial Azteca y bajo su
cimentación quedaron restos de algunas de las
estructuras de ese monumento prehispánico, Fig. 2.
La Catedral consta de cinco naves: la central, que está
limitada por 16 columnas y dividida por el coro; las dos
procesionales, que corren a lo largo del templo, y las
dos laterales de capillas, que están confinadas por los
muros perimetrales y perpendiculares. La cúpula
central de 65 m de altura gravita sobre cuatro
columnas. Las dos enormes y pesadas torres de
campanario tienen 60 m de altura. El templo tiene
126.67 m de longitud y 60.40 de ancho, la altura media
en la nave central es de unos 25 m, su peso total es de
127,000 t y la presión media que transmite al subsuelo
2
es de unas 16.6 t/m . El Sagrario es un templo con
planta de cruz griega, cuyos muros en las cuatro
esquinas soportan las bóvedas y constituyen el
soporte de la bóveda; su cúpula descansa sobre las
cuatro columnas centrales. Ocupa un área de 47.7 m
por lado, su peso es de aproximadamente 30,000 t y la
presión media que transmite al subsuelo es del orden
2
de 13.2 t/m .
Etapas de la construcción de la Catedral. La
construcción de la Catedral Metropolitana se inició en
1573, partiendo del ábside, bajo la dirección del alarife
Claudio de Arciniega, quien había participado en las
obras de la iglesia de SanAgustín y por ello conocía los
problemas del subsuelo. Se continuó con las bóvedas,
que se concluyeron hacia 1667; la portada quedó
terminada en 1675. Damián Ortiz de Castro finalizó las
torres en 1792. Manuel Tolsá le dio perfil a la cúpula,
vinculó todo el conjunto con balaustradas y pináculos
que lo singularizan y completó la obra de Catedral en
1813.
La superficie del terreno se reforzó mediante la hinca
de unos 22,500 pilotes cortos de madera y encima de
ellos se colocó una plataforma de mampostería que
ocupa 140 m de largo y 70 de ancho. Estas
dimensiones son mayores que las que finalmente
ocupó la Catedral pues originalmente se había
concebido como un templo de siete naves y cuatro
torres, una en cada esquina. El espesor de este
pedraplén, que en promedio es de unos 90 cm,
aumenta hacia el sur lo cual evidencia que los
primeros constructores lo engrosaron en esa zona
para compensar los hundimientos diferenciales que
comenzaron a manifestarse desde las primeras
etapas de su construcción. Sobre la plataforma se
construyó una retícula de contratrabes, también de
mampostería, de 3.5 m de alto, 2.5 m de ancho y hasta
127 m de largo, que recibe a los muros, pilastras y
columnas, como se ilustra en la Fig. 2. El plano
superior del pedraplén coincidía con el nivel de la
Plaza Mayor y por encima de éste se elevaba 3.5 m la
retícula de contratrabes. La Catedral se sobreelevó,
The Metropolitan Cathedral was built on part of the
land covered originally by the Aztec Ceremonial
Precinct. Remains of structures corresponding to this
pre-Hispanic site can still be seen under its
foundation, Fig. 2. The Cathedral has five naves: the
central one bounded by 16 columns and divided by the
choir; the two processional aisles running along the
length of the church; and the two lateral ones occupied
by chapels, that are in turn confined by the peripheral
and perpendicular walls. The great central dome, 65 m
high, is supported by four columns. The two huge and
heavy towers are 60 m in height. The church is 60.40
m wide, about 25 m high along the central nave and
126.67 m long with a total weight of 12,700 kN and an
average contact pressure of about 166 kPa.
The adjacent Sagrario is a church with a Greek cross
layout whose walls at the four corners provide support
to the vault; its dome rests on four columns. It covers a
square area of 47.7 m by side, weighs about 3,000 kN
and the average contact pressure is about 132 kPa,
Fig. 2.
Construction stages of the Cathedral. Construction
of the Metropolitan Cathedral started in 1573 at the
apse, under the direction of Master Builder Claudio de
Arciniega, who had participated in the building of San
Agustín Church and thus knew of the problems
brought about by the underlying soft clays. The vaults
were erected next and were completed around 1667
and the façade in 1675. Damián Ortiz de Castro
finalized the towers in 1791 whereas Manuel Tolsá
profiled the dome and joined the complex with a
balustrade and pinnacles as a characteristic
architectural feature. He completed the building in
1813.
The subsoil was initially reinforced by driving about
22,500 wooden stakes, 3 to 4 m in length. On top of
them a masonry platform was built over an area of 140
by 70 m. This area is larger than the one actually
occupied by the Cathedral because it was originally
conceived as a seven nave temple with four towers,
one in each corner. The platform is 90 cm thick on
average but it is thicker towards the south which
suggests that the first builders added thickness at that
particular zone to compensate differential settlements
that became apparent since the earliest stages of its
construction. A grid of inverted beams was built on top
of the platform with masonry as well, 3.5 m in height,
2.5 m wide and as much as 127 m long, to receive the
walls, pilasters and columns, as illustrated in Fig. 2.
The top part of the platform had the same level as the
Plaza Mayor (Main Square) and the grid of beams was
3.5 m above this elevation which clearly indicates that
Master Builder Arciniega expected large-magnitude
settlements to occur.
porque el alarife Arciniega seguramente ya esperaba
que se presentaran hundimientos de gran magnitud.
Alrededor de la Catedral se construyeron otros
edificios religiosos. El más notable es la iglesia del
Sagrario, construida directamente sobre la pirámide
del dios sol, Tonatiuh. Para la construcción del
Sagrario, Lorenzo Rodríguez utilizó el mismo método
de cimentación que en la Catedral, reforzando al
suelo con estacones de madera pero de menor
diámetro. Encima de ellos también se construyó un
pedraplén de mampostería de baja calidad. El
Sagrario se desplantó parcialmente sobre el
pedraplén de la Catedral y su muro poniente es
común a ambas estructuras. La construcción del
Sagrario se llevó a cabo entre 1749 y 1768.
Posteriormente se construyó al norponiente la Curia y
la Capilla de las Ánimas y muchos años después al
nororiente se levantó el Seminario, demolido en 1938.
Asentamientos durante la construcción. La
compresibilidad diferencial de los estratos de arcilla
del subsuelo, originada por la consolidación inducida
por los templos y estructuras aztecas preexistentes
en el sitio, causó asentamientos diferenciales desde
el inicio de la construcción. Estas deformaciones
acarrearon desajuste estructural, el cual se
compensó durante la construcción modificando la
altura de las columnas y muros para nivelar el
arranque de las bóvedas. Se recurrió también a
artificios arquitectónicos para disimular el efecto
visual de los asentamientos, como darle a las cornisas
alturas variables y utilizar en las dos torres bloques de
cantera que gradualmente disminuyen de espesor. El
análisis de los detalles geométricos del monumento
permitió demostrar que durante la construcción de la
Catedral, antes de completar las bóvedas, la columna
C-9 acumuló un hundimiento diferencial máximo de
85 cm con respecto al plinto de la pilastra C-3 que
limita al ábside de planta poligonal.
Entorno de la Catedral. En 1968 se construyó, a 16
m de profundidad, el Colector Semiprofundo 5 de
Mayo, que corre a lo largo de las fachadas sur de la
Catedral y del Sagrario. Como se mencionó antes, las
mediciones piezométricas demuestran que este túnel
drena parte del agua del subsuelo, sobre todo de la
zona suroriente del Sagrario. También en 1968 se
inició la construcción de la Línea 2 del Metro, que
funciona igualmente como otro dren en los lados norte
y oriente de los templos.
Other religious buildings were built around the
Cathedral. The most remarkable structure is the
parish church known as the Sagrario, built on top of
the pyramid of the Aztec sun god, Tonatiuh. For the
construction of the Sagrario, Lorenzo Rodríguez used
the same foundation system as in the Cathedral,
reinforcing the soil with short woodpiles having a
smaller diameter. On top of them a masonry platform
was built but with lesser quality materials. The
Sagrario was partially founded on the Cathedral's
foundation platform and its western wall is common to
both structures. The construction of the Sagrario
stretched from 1749 to 1768. The Bishopric was built
later, as well as All Souls Chapel (Capilla de las
Ánimas) and the Seminary which was demolished in
1938.
Settlements during construction. Consolidation of
the subsoil induced by Aztec temples and structures
pre-existing at the site produced differentials in
compressibility of the subsoil clay strata which in turn,
caused differential settlements since the beginning of
the construction. These deformations brought about
structural misalignment that was compensated as
construction progressed by modifying the heights of
columns and walls in order to level the springing of the
vaults. Architectural contrivances as the introduction
of variable heights in the cornices and wedged
quarried blocks at the two towers were used to
disguise some of the visual effects of settlements.
After analyzing the geometrical details of the
monument it was demonstrated that during
construction of the Cathedral, and prior to the
completion of the vaults, column C-9 accumulated a
maximum differential settlement of 85 cm with respect
to the plinth of pilaster C-3 in the polygon that forms
the apse.
Cathedral surroundings. In 1968 the semi-deep
sewage collector "5 de Mayo" was built at a depth of 16
m along the southern facade of the Cathedral and of
the adjoining Sagrario. It has been inferred from
Piezometric measurements that the collector is
permeable and that water seeps into it from the
subsoil, particularly at the southeastern zone of the
Sagrario. Construction of Line 2 of the subway system
(Metro) also started in 1968 and its cut-and-cover
tunnel also acts as a drain at the north and east sides
of both churches.

CONACULTA
Intervenciones en las Cimentaciones
Modifications to the Foundation3.
Segunda intervención 1972 (Ing. M. Gonzalez Flores)
Second modification (ing. M. González Flores)
Primera intervención 1940 (Arq. M. Ortiz Monasterio)
First modification (Arq. M. Ortiz Monasterio)
Norte
North
Sur
South
Pilote largo / Long pile
Pilote que penetró
Penetrating pile
Pilote corto
Short pile
Interpretación esquemática del estado de los pilotes de control
Schematic interpretation of the status of the control piles
Pilote de punta
Point-bearing piles
Capa Dura / Hard layer
30
40
50
20
10
FAS
FAI
Costra
Superficial
Superficial
Crust
Relleno
Fill
Profundidad/,mDepth
0
Pedraplén
Rock fill
NÚMERO TOTAL DE PILOTES /
390TOTAL NUMBER OF PILES =
N
0 10 20 30 m
Escala gráfica
Graphic scale
Ubicación definitiva de los pilotes de control
Final location of the control piles
Celdas de
madera
defromables
Wooden
deformable cells
Losa
Slab
Marco de
control
Reaction
frame
Pilote
Pile
Pilote de control tipo PICOSA
Control pile of the PICOSA type
NOTAS:
- También existen
verticales
- Estas viguetas se
el
A, B, 6 y 7 y E, F, 6 y 7
elementos
de concreto reforzado
que funcionan como
estribos
instalarón en
espacio entre los ejes
NOTES:
- Vertical reinforcement
elements operate as stirrups
- These beams were installed
at the space between axes
A, B, 6 y 7 and E, F, 6 7
Nivel sótano
Basement level
Control
Arcilla
Clay
Arena Sand
Arcilla
Clay
Arcilla
Clay
Limo arenoso
Sandy silt
Pilote en
segmentos
de 1 m de
longitud
Pile driven
in 1-m long
segments
Acero de refuerzo en paquete
Bundled reinforcing steel
Mortero / Mortar
Traslape o soldadura
Overlapping or welding
Tubo de lámina
Steel sheet pipe
Acero de refuerzo
en el hueco central
Reinforcing steel
at the central hole
1.0 m
1.0 m
C C
Corte / Cross
section C-C’ Segmentos
de pilotes
Pile
segments
0.4 y 0.45 m
Losa
Slab
2.5 m
Criptas
Crypts
Trabes
remachadas
Bolted
beaams
Plataforma
de asiento
Supporting
platform
Sección / Cross section A-A’
0.30 m
3.5 m
Propuesta de refuerzo
de las contratrabes de mampostería
Proposal for the reinforcement
of the inverted masonry foundation beams
Trabe remachada
Bolted beam
Trabe remachada
Bolted beam
Trabe remachada
Bolted beam
Losa de concreto
armado de 0.30 m
de espesor
0.30-m thick reinforced
concrete slab
A A
NÚMERO TOTAL DE PILOTES /
280TOTAL NUMBER OF PILES =
Proyecto de la recimentación (Reproducido del plano
No. 30 del de la SPN )estudio de 1972
Underpinning project (reproduced from drawing
No. 30 of the study made by the SPN in 1972)
Losa de refuerzo
de la cimentación
ejes A, B, 6 y 7
(1940)
Foundation
reinforcing slab
A, B, 6 y 7
Losa de refuerzo
de la cimentación
ejes E, F, 6 y 7
(1940)
Foundation reinforcing
slab E, F, 6 y 7
Junta en la losa
de feligresía
Joint at the slab of
the parish (1940)
6
7
A B
E F
0.4-0.45 m

En 1929, la Comisión Técnica y de Conservación de la
Catedral encomendó a los arquitectos Manuel Ortiz
Monasterio y Manuel Cortina García hacer una
evaluación estructural de la Catedral, porque los
hundimientos le habían generado alarmantes daños;
la primera medida que tomaron fue demoler en 1938
el Seminario para descargar la zona oriente.
Primera intervención en la Catedral. Los
arquitectos Ortiz Monasterio y Cortina García
decidieron vaciar la tierra de relleno de las celdas de la
retícula de contratrabes de la Catedral, con lo cual la
presión media de contacto disminuyó de 14.3 a 10.8
2
t/m , lo que representó un decremento del 25 %. El
proyecto incluyó recubrir las contratrabes de
mampostería con concreto reforzado. Años después
se decidió aprovechar los espacios abiertos en la
cimentación para instalar ahí criptas, lo cual obligó a
conformar los pasillos de acceso y para ello se
abrieron vanos en las contratrabes, las cuales fueron
reforzadas en los pasos con viguetas de acero.
También se proyectó que el piso de las criptas fuera
una losa de concreto de unos 50 cm de espesor que
sólo se construyó en los lados oriente y poniente del
crucero, Fig. 3. Finalmente, se sustituyó el piso de
madera del nivel de feligresía por una losa de
concreto armado en la que se dejó una junta a lo largo
del eje de columnas del lado poniente.
Primera intervención en el Sagrario. En la década
de 1940 se intentó recimentar el Sagrario mediante
pilotes de madera de 25 cm de diámetro. Asimismo,
se reforzó el piso de feligresía con una losa de
concreto apoyada en una retícula de trabes de acero.
Posteriormente, entre 1960 y 1964 se intentó otro
procedimiento de recimentación con pilotes de
concreto hincados en tramos de un metro. En las
celdas bajo el Sagrario se pueden ver muchas puntas
de los pilotes que no pudieron ser hincados.
Segunda intervención en la Catedral y el Sagrario.
En 1972, la Secretaría del Patrimonio Nacional
encomendó al Ing. Manuel González Flores estudiar
el hundimiento de la Catedral. Recomendó la
instalación de pilotes de control para “reducir el
trabajo de la cimentación en un 25 % y ajustar el
descenso de los edificios respecto al terreno
circundante y uniformar los hundimientos
diferenciales dentro de las mismas estructuras”.
Propuso colocar 280 pilotes en la Catedral,
distribuidos con mayor densidad en la parte sur. Para
el Sagrario no precisó cuántos pilotes se requerían.
Pero las dificultades para instalarlos le obligaron a
colocarlos donde fue posible e incrementar su número
a 390 en la Catedral. Por su parte, en el Sagrario
instaló 129 pilotes, Fig. 3.
Clasificación de los pilotes de la recimentación. La
excelente bitácora de obra del hincado de pilotes
permitió clasificarlos en confiables e ineficaces; los
primeros son los que están desplantados sobre la
Primera Capa Dura, condición indispensable para
trabajar como pilotes de control. Los segundos son de
cuatro tipos: a) los cortos, porque no se apoyan en esa
Capa y por ello trabajan como pilotes de fricción; b) los
largos, inclinados o rotos, porque su longitud es
mayor que la profundidad de la Capa Dura; c) los
innecesarios porque se ubicaron donde no hacen falta
y d) los pilotes largos y de fricción instalados en el
exterior y que factiblemente desde ahí atravesaron la
Primera Capa Dura debido a la técnica de perforación
previa que se utilizó en el atrio. El análisis estadístico
del conjunto de pilotes realizado en 1989 demuestra
que sólo el 27 % de los pilotes de la Catedral se les
puede definir como confiables y para el Sagrario se
reduce al 11 %.
Comentarios. Los trabajos descritos en los párrafos
anteriores tienen en común que fueron concebidos sin
conocimiento confiable de las características y
comportamiento del subsuelo. En la primera
intervención, la extracción de la tierra para uniformar
los asentamientos resultó muy limitada pues la
expansión de la arcilla subyacente, pronto quedó
compensada por el hundimiento regional; más aún, el
peso de las criptas es casi equivalente al de la tierra
retirada y además se debilitaron las contratrabes.
En cuanto a los pilotes de control, partiendo de que
únicamente son confiables 103 pilotes de la Catedral
y 14 del Sagrario y aceptando que soportaran cada
uno 100 t de, se dispone de una capacidad de carga
total del orden de 11,700 t que, comparada con el peso
aproximado del conjunto de 157,000 t, resulta ser sólo
del 7.5 %, que corresponde a un tercio de la hipótesis
inicial, lo cual es insuficiente para modificar el
comportamiento de las cimentaciones de los templos.
Es conveniente aclarar que los pilotes de control han
sido útiles para recimentar edificios modernos cuya
rigidez es indispensable para permitir las acciones del
mantenimiento de estos pilotes, que implica hacer
descender los marcos de soporte y el eventual recorte
de los pilotes. Pero en el caso de la Catedral y
Sagrario sus grandes dimensiones y flexibilidad
estructural, hacen que la idoneidad de estos pilotes
para controlar del hundimiento diferencial a largo
plazo resulta imperceptible.
In 1929, the Technical and Conservation Commission
for the Cathedral appointed architects Manuel Ortiz
Monasterio and Manuel Cortina García to make a
structural evaluation of the Cathedral because
settlements had caused alarming damages. As a first
measure, it was decided to demolish the seminary, to
unload the east zone.
First intervention in the Cathedral. Architects Ortiz
Monasterio and Cortina García decided to empty the
earth fills from the cells of the inverted beam grid
supporting the Cathedral with which the average
contact pressure decreased from 143 kPa to 108 kPa,
i.e. a reduction of 25 %. The project also considered
the reinforcement of the masonry inverted beam grid
with reinforced concrete. A few years later crypts were
installed in the empty cells and gaps were opened
through the beams to form access aisles. The
masonry elements were reinforced with structural
steel beams that were supported by a concrete slab
with an approximated thickness of 50 cm (Fig. 3) that
was only built at the east and west sides of the
transept. Finally, the wooden floor at the parish level
was replaced by a reinforced concrete slab with a
construction joint left along the western side column
axis.
First intervention at the Sagrario church. An
attempt to underpin the Sagrario Church took place in
the forties, with 25-cm diameter woodpiles. In
addition, the parish floor was reinforced with a
concrete slab supported by a grid of steel beams.
Subsequently, between 1960 and 1964 another
underpinning system was tried at the using concrete
piles driven in one meter lengths. Many of the top parts
of such piles can be observed at the cells under the
Sagrario; it is evident that a large amount of them
could not be driven.
Second intervention in the Cathedral and the
Sagrario. In 1972, the Secretaría del Patrimonio
Nacional (SPN) commissioned Mr. Manuel González
Flores to study settlements in the Cathedral. He
recommended the installation of control piles to
“reduce load demands on the foundation in about 25
%, to adjust the descent of the building with respect its
surroundings and to achieve a uniform distribution of
settlements”. His proposal was to install 280 piles in
the Cathedral, mainly in its southern part (Fig. 3) and
he did not specify the exact number of piles needed in
the Sagrario. Practical difficulties forced him to install
them where possible and, hence to increase its
number to 390 at the Cathedral; 129 piles were
installed at the Sagrario.
Classification of the foundation piles. The piles
were classified as reliable and as inefficient on the
basis of data reported in the project logbook. The
former have their tips properly supported by the First
Hard Layer. The latter may be separated into four
groups: a) short piles whose tips do not reach the First
Hard Layer and work as friction piles; b) long, inclined
or broken piles were those whose reported lengths
were larger than the depth required to reach the First
Hard Layer; c) those installed where they were not
actually required, unnecessary piles; d) long friction
piles installed in the outer edge that, given the
technique used to drive them, may have punctured the
First Hard Layer from the atria. A statistical analysis
made in 1989 concluded that only 27 % of the piles are
properly supported by the First Hard Layer, and at the
Sagrario only 11 % of the piles fulfill such condition.
Comments. Work described in the former paragraphs
was conceived without having a proper knowledge of
the characteristics of the subsoil and its behavior. In
the first intervention the benefits of removing soil to
uniform settlements turned out to be quite limited
because regional settlement soon compensated it
and, the weight of the soil removed was nearly the
same as the weight of the crypts; furthermore, in
building the crypts, the inverted beams were
weakened.
Regarding the control piles, assuming that only 103 of
those installed at the Cathedral and 14 of those placed
in the Sagrario are reliable and considering that their
individual bearing capacity was 100 t, it follows that a
total bearing capacity of only 11,700 t is available, a
third of the capacity originally expected and only 7.5 %
of the total weight of the complex, 157,000 t, which is
obviously insufficient to modify the behavior of the
foundation of each of the churches.
Control piles have proven to be useful for
underpinning rigid modern buildings that can allow
continued maintenance operation for these piles
which imply the temporary removal of the reaction
frames and eventually, the trimming of the pile caps.
The large dimensions and structural flexibility of the
Cathedral and the Sagrario contribute to deeming as
imperceptible the capabilities of control piles for
controlling settlements in the long term.

qc
NAF
SCE
FAS
FAI
Nivel Freático / Phreatic level
Sondeo de cono eléctrico / CPT sounding
Formación Arcillosa Superior / Upper Clay Formation
Formación Arcillosa Inferior / Lower clay Formation
2
Resistencia de punta / Point-penetration resistance (kg/cm )
Nota:
-Los tres sondeos de cono eléctrico realizados frente
a la Catedral, muestran un perfil estratigráfico en el cual
al centro se presenta mayor resistencia del suelo y menor
hacia ambos lados. Esta situación ha provocado que la
Catedral se incline hacia el poniente y el Sagrario hacia
el oriente.
Note:
-The three CPT soundings advanced in front of the Cathedal
evidence a stratigraphical profile with a higher penetration
resistance at the center and lower toward both sides. This
situation has made the Cathedral to lean to the west and the
Sagrario to the east.
Estratigrafía ilustrativa del sitio y desniveles de la superficie
Illustrative stratigraphy of the site and differential settlement at the surface
Presión de poro, u /
2
Pore-Water pressure, u (kg/cm )
SCE-1
Tubo de observaciòn
Observation pipe
Mediciones en la EP-1 /
Measurements at EP-1
Predicción 1 /
Prediction 1
Predicción 2 /
Prediction 2
Estratigrafía
Stratigraphy
CONDICIONES PIEZOMÉTRICAS
PIEZOMETRIC CONDITIONS
0
10
20
30
Relleno / Fill
Costra superficial
Superficial crust
FAS
FAI
Capa dura / Hard layer
Depósitos
Profundos
Deep
deposits
40
50
60
Profundidad,m
0 50 100
1 1 12 2 23 3 34 4 45 5 5
D
C
AA A
B
b ca
NAF
Presión hidrostática
(Mayo 90)
Presión
hidrostática
de referencia
+ +
+
+ +
+
+ +
+
+ +
+
+ +
Predicciones del abatimiento piezométrico
Predictions of the piezometric drawdown
Superficie superior de las arcillas FAS, deformada por el
peso de las antiguas pirámides y de la Catedral
Top surface of the FAS clays as deformed by the
weight of the old pyramids and of the Cathedral
N
Elevación /
Elevation
2214 msnm
Elevación / Elevation
2224 msnm
Elevación /
Elevation
2215 msnm
El suelo blando se hunde más que el suelo duro
The soft soil subsides more than the hard soil
El abatimiento piezométrico produce
presiones adicionales en el suelo
The piezometric drawdown induces
additional pressures in the subsoil
FAS: Formación Arcillosa Superior
Upper Clay Formation
FAI: Formación Arcillosa Inferior
Lower Clay Formation
Zona /Zone 1 Suelo blando / Soft soil
Zona / Zone 2 Suelo intermedio /
Intermediate soil
Zona / Zone 3 Suelo duro por la precarga
de las pirámides / Hard soil
due to the preloading of the
pyramids
Zona /
Zone 1
Zona /
Zone 2 Zona /
Zone 3
FAS
FAI
Pirámide / PyramidRelleno / Fill
10
20
30
40
50
60
Curva de igual resistencia media con
2
el cono eléctrico, en kg/cm
Equal penetration resistance contour from
2
CPT tests, in kg/cm
Zona de baja resistencia /
Zone of low penetration resistance
10
Resistencia media en la
Formación Arcillosa Superior
Average penetration resistance
at the Upper Clay Formation
N
0 10 20 30
Escala gráfica
Graphic scale
19
1817
1615
14
14
31
15
12
11
10
12
11
12
11
10
11
12
13
11 12
105
6 7 8 9
9
8
13
16
16
17
15 14
13
15
14
13
11
21
10
21
13
5 6 7 8
9
10
9
8
7
6
5
5
678
910
Simbología / Symbols
CONACULTA
Características del Subsuelo
Subsoil Characteristics4.
Poniente
West
Oriente
East
H=0.70 m
H=1.25 m
0 0 0
20 20 20
NAF
40 40 40
6060 60
Depósitos
profundos
Capa Dura
o t a up rf ci lC s r s e i a
Relleno
FAI
FAS
Profundidad/Depth,m
0 0 050 50 50
SCE-2 qc
qc qcSCE-1 SCE-6
100 100 100
Celda
instrumentada
Instrumented
cell
Cono eléctrico
Electric cone
ßpÎ¬±¯
qc
Deep
deposits
Hard layer
e ia u
Sup rfic l cr st
Fill
msnm: Metros sobre nivel del mar

La información geológica, geotécnica e histórica del
sitio permitio ratificar que la Catedral está sobre la isla
natural que habitaron los aztecas, la cual era sólo una
pequeña elevación sobre el lago, y que hubo un
manantial denominado por los aztecas Toxpálatl, el
cual se hallaba en lo que hoy es el atrio poniente de la
Catedral. El programa de exploración geotécnica
mencionado en el Capítulo 1 permitió conocer
detalladamente la estratigrafía bajo la Catedral y el
Sagrario y para determinar las propiedades del
subsuelo, principalmente su compresibilidad. En la
etapa de estudios previos, en 1989, se ejecutaron 21
sondeos verticales con cono eléctrico y dos de
muestreo inalterado continuo. Para la construcción de
las 32 lumbreras se efectuaron otros 29 sondeos de
cono eléctrico.
El cono eléctrico es un dispositivo que se hinca dentro
del terreno con una velocidad de penetración
constante. Arriba de su punta cónica se coloca una
celda electrónica con la que mide la resistencia del
suelo a la penetración de la punta. Esta oposición
depende de dos factores: a) la resistencia del suelo al
esfuerzo cortante y b) la compresibilidad del suelo. La
resistencia medida con el cono eléctrico se
correlaciona con ambos parámetros.
Corte estratigráfico ilustrativo. Los tres sondeos de
cono eléctrico realizados frente a la Catedral y el
Sagrario permitieron elaborar el corte estratigráfico
que se muestra en la Fig. 4. En esta ilustración se
advierte que en la colindancia entre ambos templos el
suelo presenta mayor resistencia ya que es el punto
que ha recibido la mayor carga de templos aztecas, de
relleno arqueológico, del templo de Tonatiuh y de las
dos pesadas estructuras coloniales. En cambio, hacia
ambos extremos del corte se observa que la
resistencia se reduce a casi la mitad. Esta situación ha
provocado que la parte sur de la Catedral se incline
hacia el poniente y el Sagrario, hacia el oriente; este
patrón de deformaciones explica las grietas históricas
de lado poniente de la Catedral y de lado oriente del
Sagrario. En la misma figura también se muestran los
espesores y profundidades de los estratos más
significativos de la secuencia de suelos del sitio.
Deformaciones en el subsuelo. Con la información
de los sondeos de cono eléctrico se pudo definir la
profundidad del contacto entre la costra natural y las
arcillas blandas, superficie originalmente plana que,
debido a la consolidación inducida por las pirámides
aztecas, sufrió depresiones de hasta 10 m, las cuales
se observan en la . 4. Por eso, antes de la
construcción de los templos coloniales, el sitio se
niveló con rellenos para configurar un nuevo plano
inicial. Las pruebas de laboratorio (pruebas de
consolidación unidimensional) demostraron que las
cargas aplicadas por las antiguas construcciones
prehispánicas fueron en algunas zonas eliminadas y
en otras, incrementadas posteriormente por el peso
de la Catedral y del Sagrario. Esta compleja historia
de cargas dio origen a la heterogeneidad en las
condiciones y propiedades del subsuelo que se
detectó con los ensayes de campo y de laboratorio.
Mediciones de la presión de agua en el suelo en
1990. Para completar el conocimiento de las
condiciones del subsuelo del sitio, se midieron las
presiones del agua intersticial a diferentes
profundidades y para ello se instaló la estación
piezométrica EP-1 localizada en el atrio sur de la
Catedral, con siete celdas hasta 63 m de profundidad.
En la Fig. 4 se observa que entre 0 y 20 m de
profundidad existe una tendencia hacia la condición
hidrostática; a partir de esta última profundidad
comienza a registrarse pérdida de presión de poro del
2
orden de 1.8 kg/cm en la Primera Capa Dura a 38 m
2
de profundidad y de 2.0 kg/cm en los Depósitos
Profundos a 53 m de profundidad.
Estimaciones de la presión de agua en el futuro.
Considerando que la extracción de agua del subsuelo
inevitablemente continuará indefinidamente y que por
ello la distribución de presiones en el agua intersticial
medidas en la estación piezométrica EP-1
descenderán lentamente, se puede inferir que se
formará un manto de agua colgado, alimentado por la
infiltración de lluvia y por fugas de tuberías de agua y
drenaje. Aceptando como válidas estas hipótesis, se
pueden definir dos predicciones de la variación
piezométrica que condicionarán el hundimiento que
sufrirán la Catedral y Sagrario, Fig. 4.
Predicción 1. Es factible imaginar un nivel colgado de
"agua atrapada" entre 6 y 25 m de profundidad y una
distribución hidrostática por debajo de éste. Esta
conjetura implica un abatimiento de la presión
2
hidráulica con un valor menor de 1.8 kg/cm en la
FormaciónArcillosa Superior.
Predicción 2. Se podría también considerar que se
formarán dos niveles de agua colgados, uno entre 6 y
13 m y otro entre 16 y 38 m. Este pronóstico implica
que la presión hidrostática tenga abatimientos en
2
esas profundidades de 0.8 y 1.8 g/cm ,
respectivamente. Además, partir de los 45 m de
profundidad, se tendría una distribución hidrostática.
Geological, geotechnical and historical information of
the site ratified that that the Cathedral was erected on
a natural islet which was only a small promontory with
a spring known to the Aztecs as Toxpálatl, that existed
under what is presently the west atrium. The
geotechnical exploratory program mentioned in
Chapter 1 was carried out to define in detail the
underlying stratigraphy of the Cathedral and the
Sagrario and to determine the subsoil properties,
particularly, the compressibility of the materials.
Preliminary studies performed in 1989 included 21
cone penetration tests (CPT tests) as well as two
borings with continuous undisturbed sampling. In the
course of the construction of 32 shafts in 1993, 29
additional CPTtests were made.
In a CPT test a conical tip is driven into the ground at a
constant penetration rate. An electronic cell is fitted
above the tip to measure soil penetration resistance.
This resistance depends on two factors: a) the
shearing strength of the soil itself and b) soil
compressibility. Tip penetration resistance is
correlated to both factors.
Il l u s t r at i v e s t r at i g r ap h i c al p r o f i l e. The
stratigraphical profile shown in Fig. 4 was produced
from the results of three CPT borings performed in
front of the Cathedral and of the Sagrario. As seen
there, the soil at the boundary between both churches
is stronger because it corresponds to the zone that
has received the heaviest load transmitted by the
Aztec temples, by an archaeological fill, and by the two
heavy Colonial structures. Towards both ends of the
profile penetration resistance reduces almost by a
half. This condition induced the tilting of the southern
part of the Cathedral towards the west whereas the
Sagrario is inclined to the east. This deformation
pattern explains the formation of historical fissures at
the west side of the Cathedral and at the east of the
Sagrario. The same figure also shows the thickness
and depth of the most relevant strata found in the soil
sequence at the site.
Subsoil deformations. The depth of the contact
between the natural shallow crust and the soft clays
was defined from information derived from the CPT
tests. That surface was originally flat but as a result of
the consolidation induced by the Aztec pyramids it
underwent depressions as deep as 10 m, as sown Fig.
4. This is why the site was leveled with artificial fills to
shape a new initial plane before the construction of the
Colonial churches.
Laboratory tests (one-dimensional consolidation
tests) demonstrated that the loads applied by the
former pre-Hispanic constructions were removed at
some parts, although in other areas they were
subsequently increased by the weight of the Cathedral
and of the Sagrario. This complex load history brought
about the heterogeneity in the conditions and
properties of the subsoil that was detected in the field
and laboratory tests, as illustrated schematically in
Fig. 4.
Pore pressure measurements in 1990. Pore-water
pressures at seven depths were measured in
piezometric station EP-1 installed at the southern
atrium of the Cathedral, to complement the
knowledge of subsoil conditions at the site down to a
depth of 63 m. It can be observed in Fig. 4 that
between 0 and 20 m in depth, pore pressure is nearly
hydrostatic; beyond this last depth a pressure loss of
about 180 kPa was noted at the First Hard Layer, 38 m
deep, and of 200 kPa at the Deep Deposits, 53 m
deep.
Estimates of future water pressure trends.
Considering that, unavoidably, water extraction from
the subsoil will continue indefinitely, pore pressure
distribution recorded at piezometric station EP-1 can
be expected to slowly decrease in the future and that
pore water may eventually define a hung aquifer
formed by the infiltration of rainwater and by seepage
from potable water and sewage mains. With these
hypotheses two predictions of the piezometric
variation were established, (Fig.4):
Prediction 1. It is feasible to imagine a suspended
body of "trapped water" located between 6 and 25 m
in depth as well as a hydrostatic distribution
underlying the former. This assumption implies a
decrease of the hydraulic pressure down to a value of
180 kPa at the Upper Clay Formation.
Prediction 2. It can also be assumed that two hung
water levels will be formed, one of them between 6
and 13 m in depth and the other from 16 to 38 m. This
implies pore pressure drops at such depths of 80 and
180 kPa, respectively. Furthermore, beyond a depth
of 45 m a hydrostatic distribution may also be
reached.

Uno de los mosaicos de referencia
colocados en 1906 en el Centro Histórico.
One of the reference mosaics placed in
1906 at the Historic Center.
TICA
CONACULTA
Hundimiento Regional
Regional Subsidence5.
Asentamiento regional de la referencia TICA de la Catedral
Regional subsidence of Tica reference at the Cathedral
Tangente Inferior
del Calendario Azteca
Lower Tangent of
the Aztec Calendar
(TICA)
Relleno Artificial / Artificial Fill
Suelo blando / Soft soil
Costra Superficial Natural / Natural Superficial Crust
Capa Dura / Hard Layer
Formación Arcillosa Inferior
Depósitos Profundos
Deep Deposits
Arcillas limosas profundas
Deep silty clays
Arenas limosas / Silty sands
Limos arenosos / Sandy silts
Limos / Silt
Arenas volcánicas /
Volcanics Sand
Tobas volcánicas / Volcanics Tuff
40.0
60.0
80.0
100.4
3.4 cm/año
(39%)
Materiales
compresibles
Compressible
materials
Bancos de nivel profundos exentos
de fricción negativa /
Deep bench marks negative
friction free
NAF
0
50
100
150
Profundidad/Depth,m
200
(1)
(5)
HUNDIMIENTOS / SETTLEMENTS
2005
9.2 cm/año
0
(2)
3.9 cm/año
(54%)
1.7 cm/año
(18%)
3.3 cm/año
(46%)
1.3 cm/año
(14%)
0
Oriente
East
Poniente
West
1992
7.2 cm/año
2003
8.7 cm/año
2.5 cm/año
(29%)
1.3 cm/año
(15%)
1.5 cm/año
(17%)
(3)
4.9 cm/año
(58%)
1.3 cm/año
(15%)
(4)
2004
7.8 cm/año
1.6 cm/año
(21%)
1.2 cm/año
(15%)
3.4 cm/año
(44%)
1.6 cm/año
(21%)
Distribución de hundimientos anuales entre 1991 y 2007 en la Catedral
Annual settlement distribution between 1991 and 2007
(6)
2006
7.5 cm/año
1.5 cm/año
(20%)
1.1 cm/año
(15%)
4.1 cm/año
(54%)
0.8 cm/año
(11%)
(7)
2007
6.1 cm/año
2.0 cm/año
(33%)
0.6 cm/año
(10%)
2.0 cm/año
(33%)
1.5 cm/año
(24%)
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
El banco de 60 m dejó de funcionar en 1999
Medidos entre marzo 23 de 1991 y mayo 4 de 1992
Medidos entre julio 14 de 2002 y agosto 15 de 2003
Medidos entre agosto 15 de 2003 y julio 20 de 2004
Medidos entre julio 20 de 2004 y septiembre 1 de 2005
Medidos entre septiembre 1 de 2005 y septiembre 27 de 2006
Medidos entre septiembre 27 de 2006 y octubre 26 de 2007
Banco No. 251 Atzacoalco; referencia
fundamental para todas las nivelaciones
topográficas de la ciudad de México
Atzacoalco bench mark: basic reference
for all topographic levelings in Mexico City.
Referencias topográficas / Topographic references
cm/año = cm/year
2235
2234
2233
Elevación/Elevation,m
2232
2231
1965
1975
1970
1980
1985
1990
1995
2000
2005
Tiempo, años / Time, years
7.7
7.5
5.1
Promedio / Average
7.1 cm/año
10.5
Sep-86
6.4 Sep-90
1.6
9.2
16-feb-93 11.111.7
23-Sep-94
04-Sep-96
14-Ene-99
9.1
10.4
12.0
Ene-00
Nivelaciones / Levelings TGC
Nivelaciones / Levelings HIPLAC
Nivelaciones / Levelings GAVM
2010
8.5
5.6
Sep-2007
Nota:
Los números indican la velocidad
de hundimiento en cm/año; los
que tienen asterisco (*) son valores
promedio también en cm/año
Note:
Numbers indicate the settlement rate
in cm/year; asterisks(*) indicate
everage values also expressed
in cm/year
1880
1900
1920
1940
1960
1980
2000
2020
Tiempo, años / Time, years
2241
2240
2239
2238
2237
2236
2235
Elevación/Elevation,m
2234
2233
2232
2231
2.7
2.2*
1.4 5.6
8.7* 15.7
40.3
28.5*
16.5
7.7
7.7
7.1*
5.1
6.4
1.6
9.2 11.7
12.0
9.1
8.5 5.6

El fenómeno del hundimiento regional que daña a la
ciudad de México se explica de la siguiente manera: el
bombeo produce una disminución de la presión de
agua dentro del acuífero, el cual tiene dos grandes
características: a) está constituido por materiales muy
permeables como arenas, limos arenosos o gravas, y
b) está confinado por arcillas de muy baja
permeabilidad. Al disminuir la presión del agua en el
acuífero, también ocurre una disminución gradual de
la presión del agua que se encuentra en los poros o
intersticios estructurales de los materiales arcillosos.
Dependiendo del espesor y de la permeabilidad de la
arcilla, un cambio en la presión del agua en el acuífero
produce cambios diferidos en la presión del agua de
los poros de los materiales poco permeables que
pueden tardar incluso décadas en alcanzar un nuevo
estado de equilibrio. Junto con esta alteración, se
establece un flujo lento descendente de agua, desde
la arcilla hasta el acuífero.
Cuando las arcillas están saturadas, como ocurre con
buena aproximación para el caso de la ciudad de
México, el volumen de agua que expulsan es
proporcional al hundimiento que manifiesta la
superficie. Los cambios de presión que experimenta
el agua de los poros de la arcilla incrementan los
esfuerzos que actúan efectivamente sobre la fase
sólida del suelo. De ahí que ocurra la compresión de
ésta y por ello el proceso de bombeo equivale a
sobrecargar efectivamente al suelo, como respuesta
a la disminución de las presiones de poro. El
fenómeno de deformación vertical tiene dos
componentes que se desarrollan simultáneamente: a)
la consolidación primaria o salida del agua intersticial,
la cual predomina por algunos unos años, y b) la
deformación secundaria, que actúa durante muchas
décadas.
Hundimientos medidos. En 1860, Javier Cavallari
hizo la primera nivelación entre lo que creyó era un
afloramiento fijo de roca basáltica ubicado en el atrio
de la iglesia de Atzacoalco y la Catedral. La segunda
nivelación también fue de Cavallari y la tercera la hizo
en 1892 el Ing. Roberto Gayol, desde el mismo
afloramiento de roca a la Tangente Inferior del
Calendario Azteca (TICA) que estuvo adosado a la
torre poniente de la Catedral. Posteriormente, se
confirmó que el afloramiento de roca era un bloque
suelto y por ello no era confiable. En 1937 se
instalaron otro Bancos de Referencia y desde 1959 se
construyó el Banco No. 251 como la referencia de
nivel para los trabajos topográficos en la ciudad de
México. La Comisión Nacional de Aguas lo define
como Monumento Atzacoalco y se localiza a cerca de
un kilómetro de distancia al suroeste de la iglesia de
ese nombre, en la acera poniente de la calle de Cabo
Finisterre, en un afloramiento confiable de roca, Fig.
5.
Los efectos del hundimiento regional en la Catedral se
pueden ilustrar con los asentamientos de la referencia
histórica TICA. Como se aprecia en la Fig. 5, esta
referencia se hundió más de 8 m durante el siglo XX y
aproximadamente 2.7 m en los últimos 35 años. En la
gráfica se destacan los valores más significativos de
la velocidad del hundimiento anual. Puede notarse
que entre 1965 y 1990 el hundimiento siguió una ley
aproximadamente lineal con una velocidad de 7.1
cm/año. En la nivelación de 1991 esta velocidad se
redujo a sólo 1.6 cm/año y posteriormente, por
influencia de los trabajos de subexcavación, se
incrementó temporalmente a 10 cm/año entre 1991 y
2000. Entre los años 2006 y 2007 se han medido 7.5 y
6.1 cm/año respectivamente.
Distribución de hundimientos en el subsuelo. En
el atrio de la Catedral se instalaron bancos de nivel
profundo a 40, 60, 80 y 100.4 m de profundidad para
dos fines: a) verificar el hundimiento regional y b)
determinar cómo se distribuyen los hundimientos en
el subsuelo. Esos bancos están integrados por una
tubería doble concéntrica. La interior es la de
referencia; por ello es continua y se desplanta a la
profundidad elegida. La tubería exterior, conformada
por tramos compresibles, absorbe axialmente las
deformaciones verticales que sufre el suelo entre la
superficie y la profundidad de desplante del banco y
por ello este instrumento es insensible a la fricción
negativa. El tubo interior permanece libre, es decir, no
queda sometido al pandeo que afecta a los bancos
tradicionales de tubo exterior rígido. Las fuerzas de
fricción que afectan al tubo interior quedan, de hecho,
eliminadas.
En la Fig. 5 se aprecian tanto los valores de los
asentamientos medidos en los bancos de nivel como
la contribución en porcentaje de los principales
estratos compresibles. En 1991, cuando no se había
trabajado en el subsuelo de la Catedral, la Formación
Arcillosa Superior aportaba el 54 %, la Inferior y las
Arcillas Limosas Profundas el 46 % y el hundimiento
era nulo por abajo de 80 m; esta distribución de
asentamientos inquietó porque indica que la vieja
hipótesis de que el origen del hundimiento regional
era la consolidación de las arcillas de la Formación
Arcillosa Superior está rebasada. Pero la medición de
2007causa alarma porque demuestra que la
Formación Arcillosa Superior se asienta el 11 % y que
debajo de ella ocurre el 89 % y que el hundimiento que
ocurre por abajo del banco de 100 m de profundidad
contribuye con 54 %.
Regional subsidence, which induces damages in
Mexico City, can be explained as follows: groundwater
extraction reduces water pressure within the aquifer
which has two major characteristics: a) it is constituted
by pervious materials such as sand, sandy silt or
gravel; and b) it is confined by low-permeability clays.
As water pressure in the aquifer decreases, a gradual
reduction of the pressure in the water filling the pores
or structural voids of the clays also occurs. Depending
on the thickness and the permeability of the clay, a
change in water pressure in the aquifer produces
deferred changes in the pore-water pressure of the
low-permeability materials that may last even decades
before reaching a new state of equilibrium. In addition
to this change, water will flow downwards very slowly
from the clay into the aquifer.
When the clays are saturated, as it is approximately
the case in Mexico City, the volume of water expelled
is proportional to sinking observed at the ground
surface. Pressure changes undergone by the pore-
water pressure in the clay increase the stresses acting
effectively in the solid phase of the soil. The
compression of the latter follows and it is because of
this that the pumping process is equivalent to an
effective surcharge of the soil, in response to the
reduction of pore pressures. Regional subsidence in
the city has two components that develop
simultaneously: a) primary consolidation through
which interstitial water is expelled from the soil voids
and predominates for some years; and b) secondary
consolidation, a slower deformation process that
persists for several decades.
Recorded settlements. In 1860 Javier Cavallari
performed the first leveling between the Cathedral and
what he thought was a fixed basalt outcrop at the
atrium of the Atzacoalco Church. Cavallari also made
the second leveling and the third one was carried out
by Roberto Gayol in 1892, from the same rock out crop
to the lower tangent of the Aztec Calendar (TICA) that
used to be attached to the Cathedral's west tower. It
was later established that the outcrop was in fact a
loose block and, hence, not a reliable reference.
Another benchmark was installed in 1937and a newer
one exists since 1959, Benchmark No. 251, which
became there after the basic reference for
topographic jobs in Mexico City. The Comisión
Nacional de Aguas calls it the Monumento Atzacoalco
and it is located about one kilometer from the church in
southwest direction, in the Cabo Finisterre Street, and
on top of a reliable rock outcrop, Fig. 5.
The effects of regional subsidence can be illustrated
by analyzing the development of settlements at the
TICA historical reference. As shown in Fig. 5, this
reference settled more than 8 m during the 20th
century, and approximately 2.6 m over the last 35
years. The graph highlights the most significant values
of yearly settlement rates. Between 1965 and 1990
subsidence varied almost linearly, approximately at a
rate of 7.1 cm/year. In the leveling made in 1991, this
rate had decreased to only 1.6 cm/year and
subsequently, because of the effects of
underexcavation at the Cathedral, it increased to 10
cm/year from 1991 to 2000. Rates of 7.5 and 6.1
cm/year have been measured during 2006 and 2007,
respectively.
Settlement distribution within the soil. Deep bench
marks, 40, 60, 80 and 100 m deep, were installed in
the Cathedral's atrium with a twofold purpose: a) to
measure total settlements, and b) to determine the
distribution of settlements within the subsoil. These
benchmarks are constructed with twin concentric
pipes. The internal one act as a reference mark and
therefore it is continuous and rests at the selected
depth. The external pipe is compressible and, hence, it
absorbs axially the vertical deformations undergone
by the soil between the surface and the depth of the
benchmark. The inner tube remains free, i.e. it is not
affected by buckling as are conventional bench marks
built with rigid outer pipes. Friction forces acting
against the inner pipe are in fact eliminated.
Settlements measured at the deep benchmarks are
shown Fig. 5 as well as the contribution in percentage
of the major compressible strata to total settlements.
In 1991 before geotechnical work in the Cathedral
began, the Upper Clay Formation contributed with 54
%, the Lower Clay Formation and the deep silty clays
of the former third lake, with 46 %; settlements below
80 m were nil. At the time those data were disquieting
because they proved wrong the ancient hypothesis
that considered that the compression of the
uppermost clays was the sole contributor to regional
subsidence. The measurements of 2007 are even
more alarming because they show that the Upper Clay
Formation contributed with 11 %; 89 % took place
below those clays and 54 % is occurring below 100 m.

CONACULTA
Hundimientos Diferenciales Pasados, Presentes y Futuros
Past, Present and Future Differential Senttlements6.
Curvas de nivel de hundimientos anuales (mm/año).
Mediciones del 7 Enero 1991 al 2 Septiembre 1991
Contours of equal settlement rates (mm/year).
Measurements from January 7, 1991 to September 2, 1991
10 20 30 m
Escala gráfica
Graphic scale
0
N
-18
-16
-14-12-10
-8
-6
-2
0.0
-4
-4
-6
-18-61
-12-10
-8
-14
0.0
-26
-6
-4
-2
2
2
0.0
-8
-2
.0 0
2
-2
0.0
-4
-6-8
-10-12
2-
0.0
2
-2
0.0
4
2
0.0
-2
-4
-6
-16- 41
-12
-10
-8
-6
-4
-12
0.0
-2
Comportamiento inicial / Initial behavior
-25
Curvas de igual
hundimiento en cm
Contours of equal
setlement, in cm
.00
C3
57
75
52
25
25
25
25
-25
-25
2-
5
-25
-75
-152
-1752-25
-275
-325
-25
-745
3 5- 7
-325
-352
-275
-275
-225
5
-22
-751-125
-125
-125
-57
-75
5
-7
-
71
5
Predicción 1 / Prediction 1
Estimación de los asentamientos futuros
inducidos por el hundimiento regional, en cm
Estimate of future settlements,
in cm, induced by regional subsidence
Predicción 2 / Prediction 2
57
0.0
C3
25
-25
5-2
-57
-215
75
-1
-527
5
-22
0 10 20 m
-4252-45
25
75
25
25
25
-25
-25
-25
200
-75
2
-1
5
- 75
3
-375
2- 75
-
5
22
-225-225
-175
5
-17
3-
25
-325
-75-152
0 10 20 m
Escala gráfica
Graphic scale
0.0
50
100
150
153
Octubre / October 1907
Configuración elaborada con datos de la SPN
Contours prepared with data from SPN
Evolución de los asentamientos diferenciales pasados
cmEvolution of past differential settlements,
25 Enero / Janury 25, 1989
Configuración elaborada con datos de PICOSA
Contours prepared with data from PICOSA
0.0
05
100
150
200
240
Escala gráfica
Graphic scale
-25
Curvas de igual
hundimiento en cm
Contours of equal
setlement, in cm
Curia

Los asentamientos acumulados en la Catedral a
través de 419 años, desde el inicio de la construcción
hasta finales del año de 1989, generaron un
hundimiento diferencial acumulado de 2.42 m entre el
ábside y la torre poniente, que corresponde a los
puntos de las pilastras B-11 y C-3 en la Fig. 6. Su
desarrollo debe interpretarse como la suma de dos
factores: a) la consolidación provocada por el peso de
los templos aztecas preexistentes y de las estructuras
coloniales, y b) el hundimiento regional de la ciudad.
Este último ha sido determinante en la generación de
hundimientos diferenciales durante los últimos 150
años; principalmente a él se debe que la torre
poniente se haya hundido 87 cm entre 1907 y 1989, tal
como se muestra en la Fig. 6, como se deduce de la
diferencia de niveles entre el perno de latón instalado
en 1907, probablemente por el Ing. Roberto Gayol, y
el perno correspondiente del plinto de la pilastra C-3
del ábside, adoptado como la referencia cero desde
ese entonces.
Para verificar la influencia del hundimiento regional en
los diferenciales de asentamiento en las estructuras,
se realizaron durante la etapa de estudios previos
varias nivelaciones topográficas de precisión en la
Catedral y en el Sagrario. Las nivelaciones
topográficas se hicieron en el plano de los plintos de
las columnas de la Catedral, sobre los pernos antes
mencionados, lo cual permitió dar continuidad a las
nivelaciones de esta superficie que se han venido
realizando desde 1907. En la Fig. 6 se presentan las
velocidades de hundimiento anual obtenidas a partir
de las mediciones que se efectuaron en el periodo
comprendido entre el 7 de enero y el 2 de septiembre
de 1991, que fue el lapso del que se dispuso para
efectuar las observaciones antes del comienzo de los
trabajos de subexcavación. Esta figura permite
interpretar las deformaciones geométricas que
sufrieron esos templos en ese tiempo y representa las
tendencias de hundimientos que se hubieran
mantenido de no haberse efectuado el proyecto de
subexcavación de la Catedral. Anualmente, por
ejemplo, la torre poniente se hundía 12 mm con
respecto a la parte central de la nave, la esquina
suroriente del Sagrario se asentaba 16 mm en
relación con su parte central y el hundimiento de la
Curia era de 26 mm, con referencia el perno de la
pilastra C-3.
Estimación de los asentamientos iniciales. Los
asentamientos que indujeron las pirámides aztecas
en la zona donde posteriormente se construirían la
Catedral y el Sagrario, se estimaron a partir del
espesor probable que tenían los suelos bajo los dos
templos antes de que se construyeran las estructuras
prehispánicas. La metodología empleada para definir
la condición inicial del subsuelo es la misma que
emplearon los profesores Mazari, Marsal y Alberro*
para reconstruir, en 1984, la historia de esfuerzos y
deformaciones del Templo Mayor. Para el caso de la
Catedral las cargas estimadas, las áreas sometidas a
esfuerzos, los espesores de los materiales
deformables y las compresibilidades que se infirió
tenían los suelos en ese entonces, se obtuvieron
deformaciones que varían entre 7 y 13 m, las cuales
coinciden razonablemente bien con las
profundidades a las que se detectó el espesor de
rellenos que se dedujeron a partir de los sondeos de
cono eléctrico realizados.
Predicción de asentamientos diferenciales
futuros. La predicción de los asentamientos futuros
se realizó empleando procedimientos y métodos
tradicionales de la mecánica de suelos. Este
pronóstico, que se llevó a cabo suponiendo que los
templos se dejarían como estaban en 1989, permitió
obtener un panorama de las consecuencias que se
tendrían de no intervenirlos. Los asentamientos
futuros de la Catedral y del Sagrario, como se
mencionó en el Capítulo 4, dependen de cómo
evolucionarán las presiones del agua de los poros de
los materiales arcillosos. Se consideraron las dos
predicciones sobre las futuras condiciones
hidráulicas en el subsuelo que podrían prevalecer,
Fig. 4. La predicción 2 conduce a estimaciones más
pesimistas de los hundimientos diferenciales futuros
pues el diferencial acumulado en la torre poniente
hubiera llegado a 3.2 m. Por otra parte, para el
Sagrario, el diferencial medio entre la zona central y
las esquinas hubiera sido de 1.2 m, manteniendo el
punto C-3 como referencia cero. Las configuraciones
de asentamientos calculados se presentan en la Fig.
6, en la cual se aprecia que los hundimientos máximos
ocurrirían en la torre poniente y los menores, en la
parte central del Sagrario.
De los resultados anteriores, se concluyó que de
presentarse un sismo como el de 1985, las
distorsiones que tenían las estructuras, sumadas a
las futuras inducidas por el hundimiento regional,
hubieran generado una condición de esfuerzos que
habría puesto en gran riesgo la estabilidad de los
templos, en particular la de la torre poniente. Por ello,
se hizo necesario disminuir la magnitud de los
hundimientos diferenciales.
* Mazari, M. Marsal, R.J. y Alberro, J. (1984). Los
asentamientos del Templo Mayor analizados por la
mecánica de suelos. Publicación Interna del Instituto
de Ingeniería. UNAM.
Accumulated settlements in the Cathedral over 419
years, from the beginning of construction until the end
of 1989, generated a differential settlement of 2.42 m
between the apse and the western tower
corresponding to the pilasters marked as B-11 and C-3
in Fig. 6. Development of deformations should be
interpreted as the sum of two factors: a) consolidation
induced by the weight of the pre-existing Aztec
temples and of the subsequent Colonial structure; and
b) regional subsidence of the city. The latter has been
the most important factor for the development of
differential settlements during the last 150 years;
between 1907 and 1989 it induced a differential
settlement of 87 cm in the west tower with respect to a
brass bolt probably installed by Roberto Gayol in 1907
at the plinth of pilaster C-3 at the apse, which has ever
since been considered as the zero reference, as seen
in Fig. 6.
In order to detect the effect of the regional subsidence
in the development of differential settlements at the
structures, several precision topographic surveys
were carried out at the Cathedral and the Sagrario
during the stage of preliminary studies. Topographic
levelings were performed at the plane of the plinth of
the columns supporting the Cathedral therefore
allowing continuity in the measurements of this
surface that have been carried out since 1907.
Fig. 6 shows recorded annual settlement rates
obtained from measurements made in the period
comprised between January 7 and September 2,
1991, the time available to execute the surveys before
underexcavation. From the figure it is possible to infer
the geometric deformations suffered by both churches
during that time and it represents the trends that would
have been observed, had underexcavation not been
carried out.As an example, the western tower used to
settle 12 mm a year with respect to the central part of
the nave; the southeastern corner of the Sagrario was
settling 16 mm with respect to its central part, and the
vertical deformation of the museum building was of 26
mm taking as a the bolt in pilaster C-3.
Estimation of initial settlements. Settlements
induced by the Aztec pyramids at the zone where the
Cathedral and the Sagrario were subsequently built
were estimated assuming the probable thickness that
the soil strata had under both churches prior to the
construction of the pre-Hispanic structures. The
method applied to define the initial subsoil condition is
similar to that used by professors Mazari, Marsal, and
Alberro* to reconstruct in 1984 the stress and strain
history of the subsoil under the Great Aztec Temple.
Deformations ranging from 7 to 13 m were obtained for
the estimated loads, loaded areas, the thickness of
deformable materials, and compressibility parameters
at that time. These deformation values agree
reasonably well with those deduced from the results of
CPTtests performed at the site.
Prediction of future differential settlements. A
forecast of long-term settlements was carried out
using traditional soil mechanics procedures and
methods. This prediction was made assuming that the
churches would be left as they were in 1989, providing
a panorama of the consequences that would have
been faced, had they not been treated. As mentioned
before, future settlements at the Cathedral and the
Sagrario depend on the evolution of the pore-water
pressures in the clay deposits.
Two hypotheses were assumed for the future
hydraulic conditions likely to prevail in the subsoil, Fig.
4. Prediction 2 leads to more pessimistic estimates of
future differential settlements because the differential
cumulative movement at the western bell tower could
have reached 3.2 m. On the other hand, in the case of
the Sagrario, the average differential settlement
between the central zone and the corners could be of
1.2 m, retaining point C-3 as the zero reference. Fig. 6
presents configurations of estimated future
settlements and it can be observed that maximum
values could occur at the western bell tower whereas
the smallest movements would develop at the central
part of the Sagrario.
From the results presented above, it was concluded
that a large magnitude earthquake such as the one
that occurred in 1985 could induce a stress condition
that could be seriously risky to the stability of the
churches, particularly that of the western tower. Hence
it was necessary to reduce the magnitude of
differential settlements.
* Mazari, M. Marsal, R.J. y Alberro, J. (1984). Los
asentamientos del Templo Mayor analizados por la
mecánica de suelos. Mexico: Internal Report.
Instituto de Ingeniería. UNAM.

CONACULTA
Soluciones estudiadas
Solutions Analyzed7.
1500 Pilotes de fricción negativa
Negative skin friction piles
240 Grandes pilas
Large diameter drilled shafts
Otras soluciones analizadas
Other solutions analized
Línea 2 del Metro (cajón)
Line 2 of the metro “subway” (cut and cover)
0 10 20 30 m
N
Escala gráfica
Graphic scale32
31 30
29 28
27
26
25
24
23
22
21 20 19 18 17
16
15
14
13
12
1110987654321
33
34
35
36 37 38
39
40
41
42
43
44
45
46
Catedral
2
Área interior = 17,000 m
2
Interior area = 17,000 m
Colector semiprofundo / Semi-deep sewage collector
Perímetro de la pantalla
flexible /
= 490 m
-7
Permeabilidad / = 10 cm/seg
Perimeter of the
cut-off wall
Permeability
Pozo de absorción
Absorption well
Localización de los pozos de absorción y de la pantalla flexible
Location of the absorption wells and of the cut-off wall
Poniente
West
Oriente
East
Poniente / West Oriente / East
0
20
40
60
80
Profundidad/Depth,m
NAF
Q1
Q2
Q3
Qb
QI
Relleno artificial / Artificial fill
Capa Dura / Hard layer
Suelo blando / Soft soil Pantalla
perimetral
Peripheral
cut-off wall
Formación Arcillosa Inferior
Depósitos Profundos / Deep deposits
Arcillas limosas profundas / Deep silty clays
3
Evaluación del gasto de pérdida (Q = 147 m /día) de agua por el fondot
Evaluation of the flow rates lost at the bottom of the area confined
3
by the cut-off wall (Q = 147 m /day)t
0.6 m
Torre
Tower
ß ÕdG˜ß Ð ³
Corte / Cross section
ß¥•@(î:
La Torre de Pisa
The Leaning Tower of Pisa
58.4 m
Proyección de la
base de la Torre
Projection of
the tower base
Trinchera
Trench
Perforaciones
Borings
Planta / Plan view
0 10 20 m
Escala gráfica
Graphic scale
Esquema para la propuesto por F. Terracina en 1962subexcavación
Underexcavation draft proposed by F. Terracina in 1962
Esquina norponiente del Palacio Nacional: sitio
de mayor velocidad de hundimiento en el entorno
Northwest corner of the National Palace: Site with
the highest settlement rate in the neighborhood
Cathedral
Trinchera
Trench
Perforaciones
Borings

Con el propósito de reducir los hundimientos
diferenciales históricos y aminorar los diferenciales
futuros, se plantearon y analizaron las siguientes
cinco soluciones posibles que se podrían adoptar.
Pilotes apoyados en la Capa Dura. Su objetivo es
uniformizar el hundimiento de la estructura junto con
la masa de suelo bajo su cimentación, mediante la
colocación de unos 1,500 pilotes para la Catedral que,
apoyados de punta en la Primera Capa Dura,
soportarían el peso de la Catedral y por fricción
negativa tomarían el peso total de la tierra bajo su
cimentación. Esto daría la rigidez necesaria al
conjunto estructura-suelo para tolerar el hundimiento
de la Formación Arcillosa Superior. Esta solución
provocaría la emersión del templo, como ocurre en la
Columna de la Independencia y el Monumento a la
Revolución, ambos apoyados sobre pilotes de
madera apoyados en la Capa Dura.
Pilas apoyadas en los Depósitos Profundos. Con
esta solución, el hundimiento de la estructura se
independizaría de los hundimientos de las dos
formaciones arcillosas, las pilas se apoyarían en los
Depósitos Profundos y conectarían a la cimentación
mediante dispositivos mecánicos que permitirían
mover la estructura para corregir los desplomos
existentes e impedir que éstos se incrementaran en el
futuro. Conceptualmente estos elementos serían
similares a los pilotes de control descritos en el
Capítulo 3. Se requieren unas 240 grandes pilas para
soportar el peso de la Catedral y de la fricción negativa
que se genera cuando el suelo desciende debido al
hundimiento regional.
Subexcavación de las arcillas blandas. Esta
técnica se describió brevemente en el Capítulo 1.
Para el caso de la Catedral conceptualmente
consistiría en horadar túneles de 10 cm de diámetro
en la arcilla blanda, que por deformación o falla
plástica se cerrarían. Las aperturas y cierres
sucesivos de las horadaciones inducirían
paulatinamente los hundimientos los correctivos
hasta las magnitudes de asentamiento que se fijarían
acorde a las deformaciones estructurales que se
deberían corregir y por ello se le identificó como el
proyecto para la Corrección Geométrica de la
Catedral y Sagrario.
Restitución de la presión del agua intersticial.
Reconociendo que el origen del hundimiento regional
es hidrológico, se estudió la recarga artificial de aguas
en los estratos permeables del subsuelo. Se analizó la
breve experiencia con esta técnica en el Palacio
Nacional. Para los templos podrían requerirse 46
pozos de infiltración de agua a presión y la
construcción de una pantalla impermeable que
confinaría el perímetro de ambos templos. Se estimó
que se controlaría el 69 % de los hundimientos y que
l a s i n y e c c i o n e s d e a g u a c o n t i n u a r a n
permanentemente pues, de suspenderse, los
hundimientos que se hubieran evitado
irremediablemente se volverían a presentar, Fig. 7.
Recimentación con micropilotes. Se analizó el
empleo de los llamados "pali radice" o micropilotes de
pequeño diámetro en un conjunto de elementos
verticales e inclinados y que entrelazados forman un
bloque duro para transmitir las cargas a la Capa Dura
o los Depósitos Profundos. Esta solución requeriría
de un enorme número de esos elementos que no era
posible colocar.
Comparación de las soluciones. Las cinco
opciones fueron expuestas a los colegios de
arquitectos e ingenieros, así como a especialistas en
mecánica de suelos. Con las opiniones levantadas se
procedió a evaluarlas calificando los factores más
importantes: objetivos estructurales identificados,
seguridad de cada técnica, certidumbre de éxito,
interferencia en la funcionalidad de los templos,
tiempo de realización, presupuestos de ejecución y
probables imprevistos.
Resultó que la Subexcavación con el objetivo de la
Corrección Geométrica de la Catedral y Sagrario fue
la que mejor satisfizo la expectativa de intervención
de esos templos. Sin embargo, varios de los
especialistas consultados externaron dudas sobre la
aplicabilidad de esa técnica a las estructuras de
mampostería, ya que los ejemplos mostrados eran de
edificios de estructura de concreto armado.
Subexcavación experimental. Para superar las
incertidumbres y demostrar la viabilidad de la técnica
fue necesario realizar una subexcavación
experimental en una estructura de mampostería. Para
ello se eligió el templo de San Antonio Abad cuya
arquitectura se asemeja a la de Catedral al grado que
se podría decir que es un modelo a escala. Se
excavaron tres lumbreras de acceso hasta los suelos
arcillosos blandos a 10 m de profundidad y se practicó
la subexcavación, induciéndole movimientos de
cuerpo rígido y de torsión, con los cuales se verificó la
precisión con que se pudieron inducir esos
movimientos. El experimento fue presentado a los
miembros Comisión Internacional de Consultores,
inspeccionaron la prueba y aceptaron su validez
como prueba para proceder a la subexcavación de la
Catedral y Sagrario.
The following five possible solutions for correcting
historic differential settlements and to reduce future
differentials were studied:
Piles supported on the Hard Layer. Their aim was to
uniform settlements of the foundation and the soil
mass under the Cathedral by driving 1500 point-
bearing piles to the First Hard Layer, capable of
supporting through negative skin friction the
surrounding ground and the Cathedral itself. This
solution would increase the stiffness of the soil and the
structure enabling them to tolerate the sinking of the
Upper Clay Layer. It would also induce the apparent
emergence of the religious structure with respect to
the surrounding ground level, as it occurred, for
instance, at the monuments of the Independence and
the Revolution, both founded on wooden point bearing
piles supported by the First Hard Layer.
Piers supported by the Deep Deposits. With this
solution, the settlement of the structure would not
depend on the sinking of the two clay formations. Pier
tips would be supported by the Deep Deposits and
would be connected to the foundation by means of
mechanical devices to correct existing tilts and to
avoid the accumulation of further tilting in the future.
Conceptually, these elements would be similar to the
control piles described in Chapter 3; 240 piers are
needed to carry all the weight of the Cathedral and
down drag generated when soil settles due to the
regional subsidence.
Underexcavation in soft clays. This technique was
briefly described in Chapter 1. For the Cathedral it
would mean, conceptually, to excavate 10 cm
diameter tunnels that would close due to plastic
deformation or failure of the soft clays; successive
opening and closure of the tunnels would gradually
induce corrective settlements until reaching the
deformation targets fixed according to structural
considerations. This is why the project was named the
Geometrical Correction for the Cathedral and the
Sagrario Church.
Pore-water recharge. Since the origin of regional
subsidence is hydrological, the artificial recharge of
water into permeable subsoil strata was studied. The
brief experience gained with this technique at the
National Palace was analyzed. For implementing it at
the temples, 46 injection wells would be required, as
well as the construction of an impervious cutoff wall
along the perimeter of both temples. Estimates
showed that this would control 69 % of the settlements
provided water injections remained permanently;
otherwise settlements would inevitably accumulate
again, Fig. 7.
Underpinning with micropiles. "Pali radice" or
inclined and vertical small-diameter micro-piles were
also studied. Intertwined inside the clays, these
elements create hard blocks that transfer loads to the
deeper strata. This solution would require an
enormous amount of such elements and therefore,
impossible to install.
Comparing the solutions. Analyses of the five
options were presented to associations of architects
and engineers as well as to soil mechanics specialists.
The solutions were evaluated on the basis of the
opinions gathered thence, with reference to the most
important factors: structural goals, interference for the
usage of the temples, time of execution, budget, and
probable contingencies.
It was concluded that intervening the temples applying
the Underexcavation Method was the solution that
best fulfilled the expectations for achieving the
Geometrical Correction for the Cathedral and the
Sagrario Church. Some of the specialists had doubts
about the applicability of that technique to masonry
structures, since the examples they examined were
only related to reinforced concrete structures.
Experimental underexcavation. Underexcavation
trials in a masonry structure whose architecture is
similar to the Cathedral's and can be considered as a
scale model of it, were performed at the temple of San
Antonio Abad. Trials were aimed at overcoming
uncertainties associated then to the technique and to
prove its feasibility. Underexcavation was performed
from the bottom of three access shafts, 10 m deep; it
induced rigid body movements and torsions and it was
also demonstrated that the process could be precisely
controlled. The experiment was presented to the
members of the International Consultants Committee
who examined the trial and accepted its validity to go
on with underexcavation at the Cathedral and the
Sagrario Church.

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