UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA FACULTAD DE INGENIERA

CUESTIONARIO

1. CRITERIOS PARA LA CONSTRUCCIN DE TNELES.

Para hacer un buen proyecto de una construccin de un tnel, tiene que tenerse en cuenta mucho el diseo geomtrico.

Este tipo de operacin obliga a la toma de ciertas precauciones para garantizar a los usuarios un recorrido a travs del tnel dentro de las mejores condiciones de seguridad.

SENTIDOS DE CIRCULACIN VEHICULAR

Una galera.

Operar con dos carriles de circulacin para ambos sentidos. Ser reconocido como sentido bidireccional.

Doble galera.

Operar con dos o tres carriles de circulacin en un solo sentido. Ser reconocido como sentido unidireccional.

ALINEAMIENTOS

Los alineamientos tanto horizontal como vertical dentro de un tnel mantendrn las mismas especificaciones de curvatura vertical y curvatura horizontal que las de los tramos en superficie.

Alineamientos y ayudas

Desde el punto de vista del perfil longitudinal, un tnel vehicular puede ser construido con cualquier pendiente, pero se hace necesario advertir que de acuerdo a la longitud, pendientes longitudinales del orden del 3,0 % y un poco menores, comienzan a ser difciles de manejar en el problema de resolver la evacuacin de aire viciado.

ILUMINACIN

Un tiempo de adaptacin de 2,5 segundos ofrece condiciones muy razonables entre niveles de iluminacin de gran intensidad en el exterior, del orden de 8000 candelas por metro cuadrado a 120 candelas por metro cuadrado dentro de una primera zona de transicin y otros 2.5 segundos para pasar de esta zona de transicin a una zona de intensidad mnima recomendable de 10 candelas por metro cuadrado dentro del cuerpo central del tnel.

Estas cantidades de iluminacin estn previstas para las horas diurnas y pueden ser reducidas a la mitad durante las horas nocturnas.

La disposicin de las lmparas de iluminacin es conveniente hacerla sobre la bveda del tnel, a 45 de la vertical, sobre ambos costados.

VENTILACIN

Se ha observado como efectivamente la operacin vehicular dentro de la galera de un tnel es un factor de demasiada importancia para su mayor seguridad. Esta observacin forzosamente concluir en recomendaciones muy precisas sobre la velocidad de operacin.

Una concentracin de monxido de carbono admisible dentro de una galera es de 150 a 250 partes por milln. Los requerimientos para otros tipos de gases no venenosos, producidos por los vehculos tipo diesel, por ejemplo, tambin deben ser evaluados pero son mucho ms amplias, por lo que se consideran cubiertas dentro de las primeras.

Sea cual sea el sistema de ventilacin (longitudinal, transversal y/o mixta) que se instale para atender la evacuacin de aire viciado, la velocidad del mismo dentro de la galera de circulacin vehicular deber mantenerse dentro de rangos razonables, limitndola a 10 12 metros por segundo

La ejecucin de tneles en suelos, usa sistemas como:

a.- Escudos

b.- Precorte mecnico

c.- Prebveda de jet grouting

d.- Congelacin

e.- Hormign proyectado de forma similar a los tneles en roca

MTODOS CONSTRUCTIVOS

Excavacin con mquinas integrales (TBM)

Casi todos los grandes tneles ejecutados en la ltima dcada estn siendo construidos en su mayor parte por medio de mquinas integrales (Tunnel Boring Machines), capaces de excavar el tnel a seccin completa con rendimientos realmente elevados que permiten reducir los largos plazos requeridos para la construccin de estas grandes obras. En la figura se ilustra la evolucin del empleo de este tipo de mquinas en las ltimas dcadas.

Evolucin del empleo de TBMs en Suiza.

Excavacin mediante el nuevo Mtodo Austraco (2.A.T.M.)

Bajo las siglas de N.A.T.M. (New Austrian Tunnelling Method) se halla uno de los mtodos de diseo y ejecucin de tneles en roca ms extendidos y de mayor xito en todo el mundo dentro del mbito de la ingeniera civil.

Se debe puntualizar que no se trata de un "mtodo", propiamente dicho, sino ms bien de una "filosofa de actuacin", llegando a decir Bieniawski en 1989 que "the word - method- in the english translation is unfortunate, as it has led to some misunderstanding.

Se basa en la integracin del terreno que rodea a la excavacin en el anillo estructural autoportante formado entorno a la cavidad. Dicho mtodo pretende relajar el estado tensional del macizo rocoso entorno al tnel, permitiendo su deformacin hasta un punto de equilibrio en que el sostenimiento controla dicha deformacin. Esto se consigue mediante tcnicas de auscultacin y medida de convergencias, para controlar las deformaciones en todo momento y evitar que estas sean excesivas, por lo que se puede realizar el tnel con un costo mnimo y una mxima seguridad.

La gran baza del mtodo es su adaptabilidad a diferentes secciones, as como a condiciones geomecnicas variables, gracias al abanico de posibilidades que da el poder aplicar diferentes tipos de sostenimientos en funcin de las medidas de convergencia.

Estas ventajas lo han llevado a ser el principal mtodo de excavacin de las galeras transversales de los tneles de gran longitud modernos, as como de sus galeras de acceso.

El mtodo se basa en veinte principios fundamentales, siendo cinco los ms importantes:

- Utilizar la propia roca como elemento resistente frente a los incrementos locales de tensin que se producen durante la excavacin.

- Utilizar mtodos de excavacin que minimicen el dao producido al macizo, con gunitados de proteccin nada ms excavar.

- Instrumentar las deformaciones en funcin del tiempo, con ayuda de clasificaciones geomecnicas y ensayos de laboratorio.

- Colocar sostenimientos iniciales flexibles, protegiendo el macizo de meteorizaciones, descompresiones, etc, con la velocidad adecuada, para evitar el comienzo de daos.

- Colocar el revestimiento definitivo, si es necesario, tambin flexible, minimizando as los momentos flectores, aadiendo resistencia adicional con cerchas o bulones, pero no con secciones rgidas.

Esquema tridimensional que representa las tareas de colocacin de los distintos sostenimientos en la excavacin de un tnel por el NATM.

Comparativa entre la excavacin mediante TBM y mediante mtodos de frente abierto (2ATM) en los grandes tneles ferroviarios

En cuanto a seguridad

Los tneles de frente abierto y gran seccin (30 m2 o mayores) son, desgraciadamente, una fuente constante de hundimientos y colapsos de frente y contorno, tanto en suelos como en roca. El informe de la HSE (Health & Safety Executive) inglesa, a raz del hundimiento de los tneles NATM de Londres, incluye ms de 39 catstrofes y colapsos, adems de otros 71 que no detalla. Uno de los autores de ese informe, Mr. John Anderson, ha comunicado al autor que en estos momentos se estudian ms de 157 colapsos debidos al trabajo con frente abierto en tneles, tan slo en rocas blandas. De hecho, en Espaa, importantes compaas aseguradoras se han negado ya, el 4 de Agosto de este ao 2000, a asegurar varios tneles proyectados con el NATM por el gran nmero de hundimientos, colapsos y accidentes que acarrean los mtodos de frente abierto

Velocidad de construccin de tneles en roca:

En la tabla 3.4 se comparan los avances medios de una serie de tneles famosos construidos con TBM y con otros construidos mediante frente abierto (NATM bsicamente). A pesar de que el presente estudio no se centra en los tneles carreteros, se ha credo conveniente incluirlos en la comparativa de rendimientos, debido a que los mtodos de excavacin son muy similares.

2. Mtodos de perforaciones

Los mtodos de excavacin en tneles en roca son:

a.- Perforacin y voladura mediante explosivos

b.- Excavacin mecnica mediante tuneladoras o topos (TBM) y las mquinas de ataque puntual (rozdoras o martillos de impacto)

MTODO DE PERFORACIN Y VOLADURA

Es el ms utilizado para tneles en roca

Es aplicado cuando la roca es muy abrasiva, y muy resistente o se encuentra en estado masivo.

Se usan en tneles muy pequeos o de forma accidental rendimientos son inferiores al de los jumbos y requieren mucha mano de obra.

3. Estudio que se debe realizar para hacer perforaciones

TOPOGRAFA DE TNELES

Los tneles son obras subterrneas destinadas, normalmente, a establecer comunicacin a travs de un monte, por debajo de un curso de agua o salvando otro tipo de obstculos, para permitir el transporte, almacenar determinados productos o albergar conducciones.

Tnel de El Serrallo. Granada

Proyecto del tnel.

Antes de que se pueda plantear el diseo del tnel con un mnimo de detalle, ser necesario recopilar o generar toda la informacin relevante sobre el terreno afectado por el proyecto. Al menos, esta informacin supone:

Plano topogrfico a escala suficientemente grande y totalmente actualizado. Si no se dispone de esta informacin, ser necesario realizar un levantamiento topogrfico de la zona.

Estudio geolgico y geotcnico: El conocimiento de los terrenos que va a atravesar el tnel es fundamental. Se realizarn los sondeos y los ensayos que sea preciso para caracterizar y plasmar en planos y secciones la estructura geolgica del terreno.

El proyecto, como en cualquier obra de ingeniera, consiste en estudiar distintas alternativas y seleccionar la ms adecuada, aplicando criterios tcnicos, econmicos, medioambientales, etc. La solucin elegida debe quedar perfectamente definida, mediante:

Los puntos de entrada y de salida y los enlaces con los tramos anterior y posterior de la obra (carretera, ferrocarril, etc.)

El trazado en planta, con las distintas alineaciones que lo conforman. Se indicarn longitudes, radios de curvatura, etc.

El perfil longitudinal, tanto del terreno (denominado perfil por montera) como de la rasante (figura 10.10). Se indicarn las pendientes, acuerdos parablicos, cotas, etc. Se indicarn todas las obras subterrneas con las que se cruce o a las que pueda afectar el tnel proyectado.

Secciones: se indicarn las dimensiones, elementos, revestimiento, etc. en los distintos tramos del tnel. Se indicar el procedimiento constructivo a aplicar en cada uno de ellos.

Perfil longitudinal.

La perforacin del tnel puede realizarse excavando desde uno de sus extremos, nicamente, o desde los dos, simultneamente.

En ocasiones, con el fin de disponer de ms puntos de ataque y aumentar la velocidad de excavacin, se perforan pozos o rampas que terminan en puntos intermedios de la rasante. A partir de estos puntos se perfora en direccin a los extremos del tnel.

Como hemos indicado, las caractersticas de la obra dependern de la configuracin topogrfica del terreno y del estudio geolgico/geotcnico del mismo. El proyecto de un tnel, como cualquier proyecto de ingeniera, se plasma en una serie de documentos: Memoria, Planos, Pliego de condiciones, Presupuesto, etc.

Excavacin con varios puntos de ataque.

Replanteo del eje del tnel.

Una vez realizados los trabajos de enlace entre bocas y el paso por montera, y antes de comenzar la excavacin, se marca, siguiendo la alineacin del eje del tnel, un mnimo de tres puntos en cada uno de los extremos. Estas referencias se eligen de forma que no se vean afectadas por los trabajos de excavacin y se sealan de forma permanente.

Estacionando un instrumento topogrfico en el punto central y visando al siguiente, tendremos materializada la alineacin inicial del tnel y podremos comenzar el tnel; el eje X se marca mediante una cuerda tendida entre los hastiales y corresponde a una rasante sobreelevada

Replanteo del eje.

Secciones: abscisas y ordenadas.

4. Como se elige secciones del tnel

El anlisis de los problemas aerodinmicos en tneles se remonta a los aos 60 del siglo pasado, con ocasin de la construccin de la lnea de alta velocidad entre Tokio y Osaka. Se constat que al entrar el tren en el tnel a una determinada velocidad, los viajeros pueden sentir molestias en los odos a causa del incremento de presin que se produce en el interior del tren. Este hecho pas a ser el principal criterio a tener en cuenta a la hora de disear la seccin transversal de los tneles ferroviarios.

Recientemente se ha descubierto que para longitudes de tnel superiores a 5-10 km, la friccin tren-aire-tnel absorbe gran parte de la potencia del tren y la velocidad disminuye enormemente si el dimetro del tnel es demasiado pequeo.

Se recomienda dirigir los criterios de diseo de la seccin transversal de los tneles largos hacia la reduccin de la resistencia, por ser ms restrictivo que el criterio de confort y con el objeto de mantener en lo posible la velocidad, lo que adems permitir el paso de cargas de mayor glibo.

Principales fenmenos que se producen al pasar un tren por un tnel

Entrada en el tnel: Ondas compresivas y expansivas

En el proceso de la entrada del tren en el tnel se genera una onda compleja compresiva-expansiva-compresiva que se transmite a la velocidad del sonido a lo largo del tnel y se refleja cambiando de carcter en el portal del tnel opuesto al de entrada.

La mxima presin alcanzada depende de:

- El coeficiente de bloqueo: relacin entre la seccin transversal del tren y la del tnel. Cuanto menor es el coeficiente de bloqueo, menor es el incremento de presin que se produce en el interior del tnel.

- La velocidad del tren: A mayor velocidad, mayor incremento de presin.

- Longitud del tren: Cuanto mayor es la longitud del tren y la rugosidad de su superficie, mayor es la resistencia al avance y la potencia necesaria para mantener la velocidad en el interior del tnel.

- La forma de la cabeza de la locomotora: Influye en menor medida, pero resulta importante disear las cabezas de las locomotoras optimizando su resistencia aerodinmica.

TNEL DE VIENTO DE BAJAS VELOCIDADES

En ingeniera, un tnel de viento o tnel aerodinmico es una instalacin de investigacin en el que se obtienen flujos de aire rectilneo y uniforme a una velocidad determinada en la cmara de ensayos, se desarrolla para asistir a los estudios de los efectos del movimiento del aire alrededor de los objetos slidos. El primer tnel de viento fue construido por Wenham en 1871 y posteriormente otros investigadores como Reynolds, Tsiolkovsky, Lilienthal, Langley, Prandtl, von Karman, entre otros, utilizaron estos tneles en sus trabajos experimentales introduciendo mejoras en su diseo.

Un tnel de viento es un dispositivo bastante simple.

La mayora de los diseos tienen seis componentes o secciones caractersticas como son las zonas de admisin, de estabilizacin, de contraccin, de prueba o de ensayo, el difusor y la unidad de potencia o ventilador. Estas partes se muestran en la Figura, El diseo total, crea un flujo de aire a alta velocidad y de baja turbulencia, que es dirigido a travs de la seccin de prueba y permite que en los procesos de investigacin se midan las interacciones, que producen el conjunto flujo de airemodelo, como las fuerzas resultantes, los coeficientes aerodinmicos, los efectos de turbulencia, entre otros.

Partes caractersticas de un tnel de viento de tipo abierto.

5. Importancia geo mecnica del macizo rocoso

La descripcin y clasificacin fsica y mecnica de un macizo rocoso es de gran importancia debido a la gran cantidad de obras que sobre estos se desarrollan, por tal motivo se hace necesario realizar una serie de estudios y pruebas con el fin de conocer las caractersticas del material sobre el cual se planea la obra de ingeniera. Tales estudios se complementan con estudios geolgicos locales y en algunos casos regionales segn sea la magnitud del proyecto, detallando en aspectos de tipo estructural (fallas, pliegues, formaciones, etc.).

El afloramiento presenta dos paquetes de areniscas sobre los cuales basamos nuestro estudio, por tal motivo se realizaron pruebas de laboratorio para cada uno de estos paquetes, complementados con estudios petrogrficos sobre una seccin delgada de uno de los paquetes de arenisca y sobre muestras macro, con el fin de obtener los resultados ms acertados sobre tal macizo.

Se debe tener en cuenta:

Localizacin del rea de estudio

Estudio de la geologa local

Propiedades fsicas y mecnicas de los materiales rocosos

Caracterizacin de la matriz rocosa

IDENTIFICACIN

Segn la clasificacin de la roca para usos geotcnicos, la matriz rocosa del rea de estudio es de acuerdo al estudio realizado; si presenta alto grado de meteorizacin o no, o tambin puede presentar matriz arcillo arenosa de grano fino a grano grueso; con intercalaciones de cemento ferruginoso.

METEORIZACIN

La meteorizacin se puede presentar en la roca, se clasifica como decolorada, aclarando que los minerales constituyentes no han sufrido cambios en su estructura qumica, pero si algo en la fsica evidenciado en una matriz de poca consistencia.

RESISTENCIA

Se realizan ensayos y Segn estos realizados en laboratorio y tomando en cuenta el promedio de los valores obtenidos la resistencia a compresin simple.

Cuestionario de tneles.