UNIVERSIDAD NACIONAL SAN

ANTONIO ABAD DEL CUSCO

EDISON S. MATTOS OJEDA

ING. GEOLOGO

Estudios Preliminares para el

Diseño de Túneles

Estudios Preliminares

• En etapas de factibilidad e ingeniería básica, deben hacerse una serie de estudios geológicos y geotécnicos.

• Geología del Trazado del túnel.

• Condiciones de aguas subterráneas.

• Sectorización geotécnica.

• Estabilidad

• Geotecnia de portales.

• Geotecnia para obras anexas.

Trazado del Túnel

• Para la definición del trazado de un túnel, deben considerarse diversas características geológicas:

• Tipos de roca y sus propiedades.

• Orientación de discontinuidades respecto al eje del túnel, influye en la dificultad para la de excavación y sus condiciones de estabilidad.

• Condiciones favorables es que discontinuidades manteen hacia el sentido de avance de la excavación.

• Presencia de fallas, su orientación y espesor.

Mapa Geológico Trazado

Aguas Subterráneas

• Roca puede contener agua en su matriz o en las fracturas, a diversas condiciones de presión que dependen de la profundidad.

• Rocas muy fracturadas o permeables, como areniscas o calizas son especialmente importantes. También pueden haber bolsones de gravas o rocas más permeables.

• Antes de la construcción se debe determinar la ubicación y cantidades de agua. Los costos suben al menos 20% por necesidad de soporte impermeable y drenaje.

• Ante flujos altos, puede bajarse el nivel general del agua o tratar el suelo (ej: congelamiento).

Sectorización Geotécnica

• A partir de una sección en que se proyecta la geología de superficie, más información de sondajes y ensayos de laboratorio, se asigna una clasificación de macizo rocoso o calidad de roca a los distintos sectores a lo largo del túnel (o porcentajes dentro de cada uno).

• Luego se suman en km los sectores de igual calidad, determinando % de calidades de roca.

Sectorización Geotécnica

• Usualmente se usa el índice Q o la

clasificación ISRM de resistencias

estimadas de roca (R0 a R6)

Sectorización GeotécnicaUnidad Geológica Clase (%)

R5 R4 R3 R2 R1

Tobas, tufitas y volcarenitas con intercalaciones de lavas y brechas (Tia) 10 50 35 5 0

Volcarenitas y tobas de lapilli de fina estratificación (Tia3) 5 40 45 10 0

Tobas ignimbríticas (Tia4) 10 60 25 5 0

Tobas intracaldera (Tiem) 15 60 20 5 0

Remoción en masa, composición incierta (Qrm) 0 0 0 20 80

Granitoides (Mg) 5 40 40 15 0

Fallas 0 0 35 40 25

Sectorización Geotécnica

• La sectorización geotécnica permite:

• Identificar métodos de excavación más

apropiados y su % del trazado.

• Identificar tipos de fortificación y su diseño.

• Estimar costos de la obra.

• Seleccionar zonas donde se requieran

prospecciones adicionales.

Excavación de Túneles• En suelo, excavación es manual o mecánica,

seguida rápidamente por soporte para mitigar las

deformaciones y prevenir colapsos.

• En roca, se puede usar tronadura controlada,

cortadores rotatorios o TBM

Tunnel Boring Machines (TBM)

• Grandes cabezas rotatorias de hasta 12 m de

diámetro, armadas con discos o puntas, rotan a 2-

10 rpm. Avance hasta 30 m/día.

TBM

TBM

• Efectividad (y conveniencia económica) de la TBM depende de las condiciones de la roca. Rocas de UCS > 150MPa tienden a ser muy problemáticas.

• Abrasividad de la roca es importante ya que gasta rápidamente los discos. La abrasividad depende del contenido de cuarzo, tamaño del grano, resistencia y porosidad de la roca.

• Niveles de stresses sobre la roca son comparables a las de tronaduras.

• Ventajas son la generación de paredes suaves con poca sobre-excavación, lo que reduce necesidades de soporte.

Portales

• Localización de portales debe considerar la

topografía de superficie de manera que sea factible

la construcción.

• Además se deben analizar los impactos en la

estabilidad de las laderas al realizar los cortes.

• Calidad de roca es usualmente menor por estar

cercano a la superficie.

• Usualmente se requieren estudios a escala de

mayor detalle, incluyendo levantamiento

estructural (discontinuidades) y un sondaje.

Obras Anexas

• Conjuntamente con el estudio del túnel,

usualmente hay que hacer estudios

geotécnicos de obras anexas como caminos

de acceso, puentes, sifones, túneles

auxiliares (ventanas), etc.

• Estos estudios pueden ser en suelo o en

roca, ya sea en superficie o subterráneos.

Casos Especiales:

a) Cambio de roca a suelo• El paso del túnel de roca a suelo debe ser previsto

y medidas especiales deben ser tomadas. Puede ser conveniente variar el trazado para evitar esta situación.

• Cambio drástico en condiciones y métodos de excavación y soporte.

• Suelo puede estar saturado e inundar el túnel al pasar el contacto.

• El contacto usualmente es una superficie de erosión, generalmente irregular y por la tanto difícil de predecir en su localización exacta.

b) Túneles Parietales

• Excavados subparalelos y a poca distancia de una

pared o ladera rocosa en superficie. Falta de

continuidad del macizo provoca anomalías en las

condiciones de esfuerzos.

• Propiedades de la roca e inclinación de la ladera

inciden directamente en estabilidad del túnel. En

algunos casos puede convenir reemplazar la roca

con materiales artificiales en vez de soportarla.

c) Túneles en Rocas Blandas y Zonas

de Falla• Requiere soporte inmediato. Suelo tiende a

deformarse rápidamente, pudiendo producir deformación de las paredes y asentamientos.

• Estabilidad depende de la resistencia del material y condiciones hidrogeológicas. Suelos gruesos pueden ´fluir´dentro del túnel.

• Otro problema es el “squeezing”, por deformación lenta (creep) y plástica del material, común en arcillas, lutitas y granitos, esquistos o gneisses altamente meteorizados.

• En suelos expansivos, hay que dejar que se expanda antes de poner el revestimiento.

Investigación de Sitio

• Geología de superficie.

• Sondajes en portales, a lo largo del túnel y zonas aledañas. Incluir ensayos de permeabilidad y piezómetros.

• Geofísica

• Muestras sacadas en cota del túnel.

• Información debe ser tal de poder generar perfiles a lo largo del túnel con tipos de roca, estructuras, calidad geotécnica (ej: Q) y condiciones hidrogeológicas.

• Condiciones de temperatura y posible presencia de gases en la excavación deben ser examinadas.

Prospecciones Geofísicas

• Métodos sísmicos

• Métodos eléctricos