EL CONOCIMIENTO: FACTOR FUNDAMENTAL DE ÉXITO EN EL PROYECTO DE UN TÚNEL“Desafiando la topografía para conectar a todo un país”.

Ing. Germán Pardo A.Presidente - ACTOS

ACTOS IS AFFILIATE MEMBER OF ITA

“La Ingeniería es el arte de transformar ideas simples en cosas útiles.

G. Pardo A.

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PROGRAMA

I. GENERALIDADES

II. SITUACIÓN ACTUAL EN COLOMBIA

III. LA IMPORTANCIA DELAPROVECHAMIENTO DEL ESPACIOSUBTERRÁNEO EN COLOMBIA

IV. CONCEPTOS FUNDAMENTALESMÍNIMOS REQUERIDOS PARA ELDISEÑO DE UN TÚNEL

V. ETAPA DE CONSTRUCCIÓN DE UNTÚNEL

VI. CONCLUSIONES Y REFLEXIONES

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I.GENERALIDADES

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¿Qué es una obra pública?

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▸ Es aquella que desarrolla el ESTADO y que tiene un fin social.

▸ Son financiadas con fondos públicos (recaudados mediantelos impuestos y tributos) y no tienen afán de lucro (es decir, suobjetivo no es generar ganancias financieras, sino prestar unservicio útil a la comunidad).

▸ Las obras publicas pueden ser administradas por el estadodirectamente o a través de un contrato de -CONCESIÓN-

▸ Contrato de concesión: Es definido en el Art. 32 inciso 4 de la Ley80/93 y celebrado por el Estado con el objeto de otorgar a unapersona llamada concesionario la prestación, operación,explotación, organización o gestión, total o parcial, de una obra obien, destinados al servicio o uso público; así como tambiéntodas aquellas actividades necesarias para la adecuadaprestación o funcionamiento de la obra o servicio.

7

8

Las obras públicas por su naturaleza requieren de lo siguiente:

1. Los diseños se conciban con los más altos estándares de la buena práctica dela ingeniería.

2. Con principios éticos y de transparencia.

3. Deben incluir los más altos estándares de especificaciones y normas, tantoNacionales como Internacionales.

4. Los mayores factores de seguridad posibles, deben ser las más durables yeconómicamente viables.

5. Que resuelvan los problemas de la comunidad sin representar peligro a la vidade las personas y bienes.

6. Ser construidas en plazos razonables y con el menor costo evaluado.

7. Garantizar la mayor eficiencia energética y de esta manera lograr el menorimpacto ambiental.

EL PAPEL Y LA RESPONSABILIDAD DE LOS DISEÑADORES EN LAS OBRAS PÚBLICAS

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DEFINICIÓN: DISEÑO

▸ Es un bien inmaterial que plasma demanera ordenada, científica y prácticauna idea.

▸ Es el resultado final de un proceso cuyoobjetivo es buscar una solución idónea acierta problemática particular;empleando metodologías, técnicas,normas y principios, que garanticen suconstrucción y operación sin poner enpeligro la vida , con costos razonables, entiempos justos y afectando en lo mínimoel medio ambiente.

▸ Es la expresión de una idea que solucionade forma innovadora un problemaconcreto y sirve de guía para llevarlo a lapráctica , es decir, construirlo y evaluarlo. 10

▸ Fase I. Pre factibilidad o Ingeniería Conceptual: Es la fase en la cual se comprende elproblema o necesidad específica, se conciben diferentes alternativas de solución, quese evalúan bajo criterios técnicos, económicos, ambientales y sociales, y se presentanresultados dando un orden de prelación a las alternativas analizadas.

▸ Fase 2. Factibilidad ó Ingeniería Básica: Los estudios de Fase 2 buscan definir laalternativa a la cual se le elaborarán diseños detallados, para lo cual es necesarioprofundizar en los aspectos técnicos, ambientales, sociales, económicos y financierosde las alternativas viables económicamente estudiadas en la Fase 1. Desde luego, laalternativa seleccionada no llegará a nivel de diseños detallados en esta fase; sinembargo, amplía la información de forma suficiente que permita tomar decisionesrespecto a descartar, aplazar o adelantar la fase de diseños detallados y la posteriorconstrucción de la obra.

▸ Fase 3. Estudios y Diseños Definitivos o Ingeniería de Detalle: Fase en la cual seadelantan los diseños detallados suficientes y necesarios, no sólo desde el punto devista de diseño geométrico, sino también desde el punto de vista geotécnico,geomorfológico, de suelos, estructural, hidrológico, hidráulico, ambiental, social ydemás aspectos técnicos que permitan materializar y construir la alternativaseleccionada.

FASES DE LOS DISEÑOS: Ley de Infraestructura 1682 de 2013

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¿CÓMO SE FORMULA UN BUEN DISEÑO?

▸ Un buen diseño es aquel en el que seestablece un diagnóstico (investigación)del problema y se evalúan las alternativaspara enfrentarlo en torno a aspectoscomo: especificaciones técnicas, impactosocio-ambiental, plazos de ejecución,costos de la alternativa, beneficios; y elmás importante: los criterios de diseño.

▸ Una vez se define la alternativa aimplementar, se debe hacer unajustificación del porqué fue asumida yporqué fueron desechadas las demás.

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II.SITUACIÓN ACTUAL EN COLOMBIA

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• Los estudios y diseños los plantea elEstado.

• En caso de OBRA PÚBLICA se deberíaestar a Fase III, DISEÑO PARACONSTRUCCIÓN, ya que se debe tener unpresupuesto muy acertado, plazos biendefinidos, estudio de impacto ambientalaprobado, predios disponibles yfinanciación definida. Del análisistécnico se debe definir el tipo decontrato.

• En caso de CONCESIÓN, el Estado entregauna estructuración con Diseños a Fase Io II, e indica al proponente que deberáanalizar integralmente el proyecto yasumir todos los riesgos.

¿QUÉ SE DEBE HACER?

▸ Para Obra Pública, hacer una exhaustivoanálisis de diseños, cantidades de obra,plazos, y riesgos.

▸ En el caso de las Concesiones:A. Verificar los diseños recibidos,

contratar un diseñador para queanalice los diseños a Fase II , parapresentar la oferta y proponer lasactividades que se considerennecesarias para ajustarlosadecuadamente y llevarlos a Fase III.

B. Analizar, plazos, costos, riesgos, ydiseñar el Modelo Financiero

C. Antes de iniciar la construcción sedeberán ejecutar todas lasinvestigaciones geotécnicasrecomendadas.

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¿QUÉ SE ESTÁ OBSERVANDO?

▸ Para Obras Públicas los diseños no tienenla calidad esperada, y no se estánrevisando para la oferta , de maneraadecuada, o no se evidencian las fallasdurante los procesos licitatorios.

▸ Para las Concesiones esta ocurriendo unfenómeno muy particular, elconcesionario que es un grupo técnico-financiero-jurídico y recién creado delegaen sus posibles contratistas laresponsabilidad del diseño a Fase III, queincluye investigación , diseño,presupuestos y pretende que sucontratista ya sea socio del grupo oexterno, asuma las mismasresponsabilidades y riesgos que el grupoconcesionario. 15

PREMISAS:

I. El estado debe considerar que la Obra Pública,indistintamente del tipo de contrato para suejecución, es un bien público, por lo tanto no debehaber ningún tipo de diferencia en criterios, normas, osistemas constructivos , entre obra pública yconcesión. La única diferencia esta asociada al tiempoen que el estado la recibe para operar. En obra públicacuando se termina la obra y en concesión cuando secumplen los plazos de retorno de la inversión.

II. El cliente, el supervisor y el concesionario deben tenercomo premisa, que la obra será utilizada por sereshumanos que confían plenamente, no puede haberriesgos por mala práctica de la ingeniería. Es laresponsabilidad social, es la vida humana.

III.LA IMPORTANCIA DEL APROVECHAMIENTO DEL ESPACIO SUBTERRÁNEO EN COLOMBIA

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¿POR QUÉ DISEÑAR Y CONSTRUIR TÚNELES?

▸ Es la longitud más corta para comunicar dospuntos.

▸ Es la obra de ingeniería que optimiza las víasde comunicación, mejora y facilita laexplotación minera subterránea, viabiliza losproyectos de generación eléctrica, facilita laconstrucción de acueductos y alcantarillados,genera espacios de seguridad y convivencia.

▸ Minimiza los impactos medioambientales:preserva el valor medioambiental del paisaje,minimiza los volúmenes de movimiento demateriales de excavación, evita grandesinversiones en compra de predios y molestiaspor reasentamientos.

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AlpTransit Gotthard AG. Tomado de:

http://houseofswitzerland.org/swissstories/environment/construction-world-s-longest-environmentally-friendly-tunnel ,el 14/09/17.

¿POR QUÉ DISEÑAR Y CONSTRUIR TÚNELES?

▸ La ingeniería subterránea proporcionafactores de seguridad más controlables yfuncionan de manera excelente ante laactividad sísmica.

▸ Los túneles se convierten en las estructurasmás seguras para: transporte, minería,almacenamiento y transporte de agua,acueductos, alcantarillados, generación deenergía, seguridad nacional, recuperación delespacio público.

▸ La falta de espacio en las grandes ciudadesobligará a diseñar y construir sistemassubterráneos.

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Plan de Renovación urbana de río Manzanares, Madrid. Tomado de:

http://www.madrid.es/portales/munimadrid/es/Inicio/Actualidad/Noticias/Una-playa-para-Madrid, el 13/09/17.

TÚNELES Vs. CARRETERAS A CIELO ABIERTO.▸ El volumen de excavación de un túnel es

controlable y minimiza la utilización debotaderos y zonas de préstamo; en unacarretera a cielo abierto se presentan grandesafectaciones a la biodiversidad, impactandolos flujos naturales de agua.

▸ La construcción de carreteras obliga aimplementar obras de contención yestabilización de taludes de magnitudesimportantes que usualmente secomplementan con sistemas deperforaciones para drenaje, colocación deanclajes y lanzado de concreto neumático enlos taludes de la montaña.

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Sur del César.

Tomado de: https://www.elheraldo.co/cesar/ruta-del-sol-esta-generando-fuertes-danos-ambientales-secretario-de-

medio-ambiente-del-cesar el 13/09/17

20

➢ Por cada kilómetroconstruido de túnelse ahorranaproximadamente3 km de carretera a cielo abierto.

21

➢ 1 Km de vía congeología compleja,muy escarpadapuede requerir demovimientos detierra cercanos a los𝟔𝟎.𝟎𝟎𝟎 𝒎𝟑⁄𝒌𝒎

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➢ Obras de estabilización detaludes complejas ycostosas, obras hidráulicasimportantes, puentes, yobras de arte en general.En carreteras onduladas sepuede considerar 𝟐𝟓.𝟎𝟎𝟎𝒎𝟑⁄𝒌𝒎 y en carreteras detopografía plana, alrededorde 𝟏𝟓.𝟎𝟎𝟎 𝒎𝟑⁄𝒌𝒎. Engeneral cada km de túnelahorra en promedio 3 kmde vía.

ESTADÍSTICAS▸ Un túnel carretero de sección promedio 𝟖𝟎

𝒎𝟐 supone excavaciones de 𝟖𝟎.𝟎𝟎𝟎𝒎𝟑⁄𝒌𝒎 que al aplicar el factor de 3 , nosdaría 𝟏𝟖𝟎.𝟎𝟎𝟎 𝒎𝟑 de excavaciónequivalente de carretera.

▸ El factor más importante al analizar estáasociado con los costos de operación ymantenimiento para 𝑻𝑷𝑫>𝟑.𝟎𝟎𝟎𝑽𝒆𝒉í𝒄𝒖𝒍𝒐𝒔, los costos de la vía superan 5veces en promedio los de los túneles. Elprograma usualmente empleado para laevaluación de costos de proyectos esHDM4.

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Derrumbes desastrozos en Japón.Tomado de: Dave Petley el 12/07/18

▸De a cuerdo con la Agencia Nacional de Infraestructura-ANI, se proyectala construcción de 103 túneles entre la 1, 2, 3y 4 generación, de los cuales74 pertenecen a proyectos 4G.

▸En la actualidad hay 28 túneles en construcción, 46 en estudios ydiseños y 29 en operación. La ANI destacó que la región donde mástúneles se construyen es el corredor vial Bogotá – Villavicencio, dondequedarán 25 túneles en el segundo (18) y tercer tramo (7).

▸El Instituto Nacional de Vías – INVIAS indicó que en el cruce de laCordillera Central se están ejecutando actualmente 22 túneles, con unainversión aproximada de $1.5 Billones. De estos, 21 tienen un avance enpromedio de 75% y una longitud de más de 20 km en total. Igualmente enel corredor Buga- Buenaventura se adelanta la ejecución de un túnel de226 m con un avance del 98%. En este corredor se entregaron ya 17infraestructuras subterráneas.

▸Entre las dos entidades se suma una totalidad de 51 túneles enconstrucción, 28 concesionados por parte de la ANI y 23 por parte delINVIAS.

TÚNELES EN COLOMBIA ANI- INVIAS

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27

➢CÁLCULO VOLÚMENES DE SOPORTE Y REVESTIMIENTO TÚNELES 4G (9M km)Perímetro Promedio: 25m2

Espesor C.N (m)

0.05 0.10 0.15

Volumen por Metro

lineal (m3/ml)

1.25 2.5 3.75

Volumen total (m3)

112.500 225.000 337.500

➢Sí el revestimiento tiene un espesor de 0.30 m y el consumo es de 7.5 m3/ml da un total de 675.000 m3.

➢Sumando el valor del revestimiento más el valor del soporte nos da más de 1.000.000 m3 que equivale a 8 M de sacos de cemento de 50 kilos.

➢En el año 2017 la producción del cemento en Colombia fue de 5.3 M de toneladas y el concreto 3 M de m3.

IV.CONCEPTOS FUNDAMENTALES MÍNIMOS REQUERIDOS PARA EL DISEÑO DE UN TÚNEL

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ASPECTOS DE IMPORTANCIA EN EL DISEÑO

Los aspectos a contemplar y de importancia decisivaen el diseño de una obra subterránea son de diversaíndole; y son los listados a continuación:

1. Objetivo del proyecto subterráneo.

2. Estudios previos (información secundaria disponible).

3. Investigación geológica y geotécnica del macizo.

4. Criterios de diseño.

5. Evaluación y diagnóstico de las alternativas de diseño.

6. Geometría del proyecto: trazado y sección tipo.

7. Dimensionamiento y cálculo de la propuesta estructural, elsostenimiento, impermeabilización y revestimiento.

8. El sistema constructivo, los plazos de ejecución y presupuesto.

9. Sistemas electromecánicos (eléctricos, iluminación, deteccióny extinción de incendios, ITS- Automatización, centro de controlde operaciones, comunicaciones y control, y ventilación) .

10.Costos de O&M.

11. Evaluación del impacto socio-ambiental. 29

INFORMACIÓN DISPONIBLE PARA EL DISEÑADOR▸ Información de referencia: extrapolación

de datos de superficie.

▸ Medidas indirectas: geofísica, sísmica,sondeos eléctricos.

▸ Sondeos mecánicos, ensayos delaboratorio.

▸ Experiencias de otros proyectos.

▸ Estudio hidrogeológico.

▸ Modelo geológico.

▸ Modelo geotécnico.

▸ Condiciones de operación (TPD, seccióntransversal uso, unidireccional, uni obidireccional, velocidad de diseño, vidaútil, entre otros).

30

Caracterización de macizo rocoso. Tomado de: Presentaciones Ing. Álvaro de la Cruz Correa Arroyave PhD

Mecánica de Rocas, el 13/09/17.

31

INFORMACIÓN PRODUCIDA POR EL DISEÑADOR

Avance túnel. Tomado de: Ruta del Cacao, el 13/09/17.

32

INFORMACIÓN PRODUCIDA POR EL DISEÑADOR

Avance túnel. Tomado de: Ruta del Cacao, el 13/09/17.

33

INFORMACIÓN PRODUCIDA POR EL DISEÑADOR

Modelación Phase 2 V 5.0 –RS, Túnel de la Paz Tomado de: Proyecto vial Bucaramanga, Barrancabermeja, Yondó BBY, Geotúneles, el 13/09/17.

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INFORMACIÓN PRODUCIDA POR EL DISEÑADOR

Sección por eje de galería. Tomado de: Ruta del Cacao, el 13/09/17.

▸ Revisión: Comprobar que se han realizado los pasos de la planificación, resolver losproblemas. Comparación de la propuesta de diseño con los requisitos exigidos para el mismo,esta comparación permite identificar mejoras que puedan realizarse.▹ Evaluar el cumplimiento de los requisitos de entrada.▹ requisitos funcionales y de desempeño,▹ los requisitos legales y reglamentarios aplicables▹ la información proveniente de diseños previos similares.▹ La información de referencia suministrada.▹ Verificar que sea factible la compra de materiales, equipos o herramientas, plazos de

entrega, modo de entrega.

▸ Verificación: Luego de revisar los requisitos, éstos deben verificarse con documentos comoplanos, formatos con especificaciones técnicas, dibujos, fotografías, prototipos; y compararpara que no existan ambigüedades ni contradicciones.▹ Se trata de corroborar mediante registro que los resultados del diseño cumplen los

elementos de entrada y que se ha cumplido lo planificado. La verificación compruebaque lo planificado asegurará que los resultados cumplen con el diseño y desarrollo.Deben mantenerse registros de los resultados de la verificación y de cualquier acciónque sea necesaria.

▸ Validación: La validación no se da en el momento justo de terminar el diseño, sino pasado untiempo prudencial que permita evaluar realmente los posibles inconvenientes del diseño.Nuevamente se requiere registro.

PASOS PARA VERIFICAR EL DISEÑO

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EL MAYOR RETO PARA UN DISEÑADOR DE TÚNELES▸ El diseño de un túnel a nivel de ingeniería no coincide

exactamente con la filosofía del diseño común,existen una gran cantidad de hechos y variables, asícomo también, la complejidad de entender el modeloestructural.

▸ Los elementos de soporte que se definen estaráninfluenciados posteriormente por la realidad delterreno encontrado, es por ello que si bien es ciertoque los elementos de soporte se basan en cálculoshechos con parámetros reales y metodologíascomprobadas científicamente, el terreno que aportalas cargas no siempre se comporta como fue previsto.

▸ Hay una variable fundamental adicional que es elsistema constructivo. La tardía colocación delsostenimiento así el terreno aporte las condicionesprevistas en el diseño, consecuentemente generaraproblemas , hasta fallas catastróficas.

▸ No instrumentar el túnel es uno de los mayoreserrores en esta área.

36Proyecto Segundo Centenario, Túnel de la Línea.Foto Archivo Personal, Ing. Germán Pardo A.

LA SECCIÓN TRANSVERSAL DE EXCAVACIÓN▸ Una mala construcción genera irregulares y

deficientes y secciones transversales, que noconcuerdan con las premisas de diseño.

▸ El comportamiento de un túnel a los esfuerzos queesta sometido depende de la geometría de la seccióntransversal.

▸ Entre mas diferente sea la geometría de la sección deexcavación a la estimada en el diseño, mayores seránlos riesgos de deformaciones inaceptables a medianoy largo plazo.

▸ Las secciones irregulares generan zonas de esfuerzosindeseables y concentración de momentos noprevistos, estos esfuerzos no contemplados podránllevar al túnel a un colapso durante su operación, masaún si se tiene en cuenta que el revestimiento enmuchos casos no se diseñó para soportar cargasdiferentes a su propio peso.

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SECCIONES IDEALES Vs. REALES

Tomado de: PresentacionesIng. Álvaro de la Cruz Correa Arroyave PhD Mecánica de Rocas , el 13/09/17.

INTERACCIÓN TERRENO –SOSTENIMIENTOCURVA CARACTERÍSTICA DEL TERRENO

38Túneles- Método de las curvas características, Curva del sostenimiento -EQUILIBRIO.

Tomada de: Isabel Reig ETSICCP – UPM, el 15/09/17.

INTERACCIÓN TERRENO –SOSTENIMIENTOCURVA CARACTERÍSTICA DEL TERRENO

39Túneles- Método de las curvas características, Curva del sostenimiento -EQUILIBRIO.

Tomada de: Cálculo del sostenimiento de un túnel, Método de convergencia o curvas característicasPORTALES, el 15/09/17.

Rotura del C.N.

Equilibrio

Desplazamiento

previo, 𝑢

Presión, P

Desplazamiento, u

Presión en

el frente

INTERACCIÓN TERRENO –SOSTENIMIENTOCURVA CARACTERÍSTICA DE UN ELEMENTO DE SOSTENIMIENTO▸ El sostenimiento normalmente se diseña para

que trabaje dentro de la zona elástica, su líneacaracterística por ende será una línea recta.

▸ La pendiente de la curva es la rigidez, K .

▸ Los elementos de sostenimiento usualmenteinstalados son:concreto lanzado, pernos y arcos.

▸ El elemento mas rígido es el concreto lanzado,este alcanza mas rápido la mayor presión deconfinamiento y la menor deformación .

▸ Los pernos tienen una rigidez menor casi el 50%del C.N.

▸ Los arcos metálicos dependiendo del áreatransversal, su inercia y dimensiones , tienendiferentes rigideces, en general muy bajas enrelación con C.N. y pernos; además trabajandiferente antes y después de aplicar el C.N.

40

Curva característica de un elemento de Sostenimiento.Tomada de: Manual de túneles y obras subterráneas Tomo I. Madrid 2011

López Jimeno, Carlos Pág. 826, el 15/09/17.

𝑷𝒓𝒆𝒔𝒊ó𝒏𝒅𝒆𝒍𝑺𝒐𝒔𝒕𝒆𝒏𝒊𝒎

𝒊𝒆𝒏𝒕𝒐

𝝈𝟏

INTERACCIÓN TERRENO –SOSTENIMIENTO¿SE DEBE MODIFICAR EL SOPORTE?▸ ¿Qué pasa cuando se modifica el

espesor de C.N. o la resistencia acompresión?

▸ ¿Qué pasa si se modifica la longitud delos pernos?

▸ ¿Qué sucede cuando se cambia el tipode arco metálico?

41Proyecto Segundo Centenario, Túnel de la Línea.Foto Archivo Personal, Ing. Germán Pardo A.

RELACIONES ENTRE EL MÓDULO DE ELASTICIDAD Y COEFICIENTE DE POISSON, DENSIDAD MÓDULO DE RIGIDEZ Y RESISTENCIA DE LAS ROCAS, ( SEGÚN JUDD Y HUBBER).

42JUDD Y HUBBER.

CONSTANTES ELÁSTICAS DE LAS ROCAS CON CARGA CERO

43

COEFICIENTE DE POISSON

𝒗 =𝑬

𝟐𝒙 𝑮− 𝟏

𝑫ó𝒏𝒅𝒆:𝒗 = 𝑪𝒐𝒆𝒇𝒊𝒄𝒊𝒆𝒏𝒕𝒆 𝒅𝒆 𝑷𝒐𝒊𝒔𝒔𝒐𝒏𝑬 = 𝑴ó𝒅𝒖𝒍𝒐 𝒅𝒆 𝒀𝒐𝒖𝒏𝒈𝐆 = 𝑴ó𝒅𝒖𝒍𝒐 𝒅𝒆 𝒓𝒊𝒈𝒊𝒅𝒆𝒛

VALORES TÍPICOS

ACERO: 0,27-0,30HORMIGÓN: 0,20ARENISCA: 0,20-0,28LIMOLITA: 0,21LUTITAS: 0,10BASALTO: 0,23CONGLOMERADO: 0,25

FÓRMULA DISEÑOS DE ELEMENTOS: C.N.

44

Por unidad de longitud

¿POR QUÉ AFECTA TANTO LA DISMINUCIÓN DEL ESPESOR DEL CONCRETO NEUMÁTICO?

45

▸ INERCIA DEL CONCRETO NEUMÁTICO

𝑰 =𝟏

𝟏𝟐𝒃 𝒅 𝟑

Dónde:𝑰 = 𝑰𝒏𝒆𝒓𝒄𝒊𝒂, 𝒄𝒎𝟒

𝐝 = 𝑬𝒔𝒑𝒆𝒔𝒐𝒓, 𝒄𝒎𝒃 = 𝑨𝒏𝒄𝒉𝒐, 𝒄𝒎

Si el espesor son 2 capas de 𝑫𝟐,

𝑰 = 𝟐𝟏

𝟏𝟐𝒃 ( Τ𝒅 𝟐)

𝟑

𝑰 = 𝒃𝒅𝟑

𝟒𝟖Cuatro veces menos

b

d

d/2

b

FÓRMULA DISEÑOS DE ELEMENTOS: ARCOS

46

ÁREAS E INERCIAS: ARCOS

47

Tabla. Resumen .Tomada de: Manual de túneles y obras subterráneas

Tomo II. Madrid 2011 López Jimeno, Carlos , el 15/09/17.

HEB

THN 21

CERCHATE-95

CARACTERÍSTICAS: ARCOS

48

Tabla. Características técnicas Cercha TE-95. Tomada de: http://www.dfdurofelguera.com/catalogo_tedesa/prod/prod_cat/cercha-r/cercha-r.pdf, el 15/09/17.

Tabla. Perfil Europeo HEB. Tomada de: Manual de túneles y obras subterráneas Tomo II. Madrid 2011 López Jimeno, Carlos , el 15/09/17.

Tabla. Perfil de Entibación THN 21. Tomada de: Manual de túneles y obras subterráneas Tomo II. Madrid 2011 López Jimeno, Carlos , el 15/09/17.

HEB

THN 21

CERCHATE-95

FÓRMULA DISEÑOS DE ELEMENTOS: PERNOS

49

Perno DSI. Tomado de: Catálogo de

ProductosPara Minería y Túneles, el

13/09/17.

INTERACCIÓN TERRENO –SOSTENIMIENTOCURVA CARACTERÍSTICA DE UN ELEMENTO DESOSTENIMIENTO

50

𝑷𝒓𝒆𝒔𝒊ó𝒏𝒅𝒆𝒍𝑺𝒐𝒔𝒕𝒆𝒏𝒊𝒎

𝒊𝒆𝒏𝒕𝒐

𝝈𝟏

Curva característica de un elemento de Sostenimiento.Tomada de: Manual de túneles y obras subterráneas Tomo I. Madrid 2011 López Jimeno, Carlos

Pág. 826, el 15/09/17.

DISEÑO DEL REVESTIMIENTO▸ El revestimiento es una delgada estructura de

concreto que trata de conformar un arco y debeoptimizar la forma final del túnel, este puedesufrir grietas separación, saturación, presenciade cavidades, daños en la membrana deimpermeabilización, falta de espesor, incidenciade esfuerzos residuales por degradación delsoporte, incendios, impactos, afectación porcondiciones hidrogeológicas, aguascontaminadas de minerales o agentes quedegraden acero y concreto, sismos, debe serdiseñado adecuadamente verificandocondiciones reales de comportamiento.

▸ Debe diseñarse evaluando su comportamientoEl revestimiento debe diseñarse para cumplircon el propósito de usar el túnel y garantizar laseguridad, la durabilidad y minimizar lasreparaciones a largo plazo.

▸ Debe tenerse en cuenta que un revestimientoes extremadamente difícil de reparar con eltúnel en operación. 51

Túnel No. 10I (1500 m) Corredor vial Buga-Buenaventura

Túnel No. 2D (294 m) Corredor vial Buga-Buenaventura

CARACTERÍSTICAS DE RESISTENCIA DEL REVESTIMIENTO

1. Mejorar la seguridad de toda la estructura parafactores inciertos como la heterogeneidadgeológica y la calidad no uniforme de lossoportes de los túneles.

2. Proporcionar la fuerza de restricción necesariapara estabilizar los túneles donde eldesplazamiento pueda reactivarse en eltiempo.

3. Para incluir un factor de seguridad adicionaldespués de la terminación del revestimientodel túnel o fuerzas que podrían ser inducidaspor la presión del agua o cargas adicionales.

4. Mejorar la durabilidad estructural frente a lasvariaciones en las cargas externas, el deteriorode los soportes del túnel o el terrenocircundante después de poner el túnel enservicio.

52

Túnel No. 2D (294 m) Corredor vial

Buga-Buenaventura

▸ El revestimiento debe diseñarse para lograr la función y calidad requeridas para cumplir conel propósito y el uso esperado del túnel. Existen dos filosofías para diseñar el revestimiento deltúnel:

1. DEFINIR QUE EL REVESTIMIENTO NO SOPORTARÁ CARGAS DIFERENTES A SU PROPIO PESO.▹ Para la mayoría de los túneles con cobertura importante, el revestimiento se instala

después de que el desplazamiento del terreno se ha detenido completamente con laayuda del soporte del túnel. En estos casos el revestimiento generalmente estádestinado a servir sin función mecánica en el supuesto de que ninguna carga externaactúe sobre él.

2. CASOS IMPLICAN UNA FUNCIÓN MECÁNICA EN EL DISEÑO DEL REVESTIMIENTO.▹ Para cambios en las condiciones del túnel, como terraplén o corte, o cargas adicionales

que actúan sobre el revestimiento debido a túneles paralelos o estructuras en lasproximidades del túnel.

▹Para revestimientos sometidos a desplazamiento continuo en suelos pobres y/o rocasexpansivas.

▹Para revestimiento sometido a presión hidráulica externa.▹Cuando el revestimiento está diseñado para realizar funciones mecánicas, es necesario

mejorar la capacidad de carga del revestimiento a través del uso de concreto reforzado oconcreto reforzado con fibra de acero o sintéticas , y la instalación de solera curva pararevestir el revestimiento cerrado contra cargas externas.

FILOSOFÍA PARA DISEÑO DEL REVESTIMIENTO

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V.ETAPA DE CONSTRUCCIÓN DE UN TÚNEL

54

INTERACCIÓN DEL DISEÑO-SISTEMA CONSTRUCTIVO

▸ Los túneles son las estructuras deingeniería donde la relación diseño-sistema constructivo define el éxito ofracaso de la obra.

▸ Una metodología de construcción puedevolver inviable un proyecto y la falta deexperiencia en el proceso constructivopuede condicionar de manera negativaun diseño.

▸ No definir claramente como enfrentar unproblema, y no conocer solucionessimilares en otros proyectosnormalmente llevan a generarsoluciones que parecen lógicas pero querealmente no son las que se requieren.

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Esquema Sistema Constructivo. Tomado de: Presentaciones Ing. Álvaro de la Cruz Correa Arroyave PhD

Mecánica de Rocas , el 13/09/17.

INTERACCIÓN DISEÑADOR-INGENIERO DE FRENTE

▸ ¿Cuáles son los conceptos básicos dediseño del soporte?

▸ R/ El soporte es el conjunto de elementosindividualmente resistentes que actuandoen conjunto aportando una tensiónperpendicular al perímetro excavado, lepermiten al terreno trabajar triaxialmentepara en un punto previamente determinadolograr la estabilización y el equilibrio concierto factor de seguridad.

▸ El diseñador define como estabilizar eltúnel, las características del soporte y eltiempo máximo en que debe ser colocado.Asimismo, exige su continuo monitoreopara verificar su adecuadocomportamiento. 56

Esquema Sistema Constructivo. Tomado de: Presentaciones Ing. Álvaro de la Cruz Correa Arroyave PhD

Mecánica de Rocas , el 13/09/17.

La organización de un frente de túnel no es solamente programar la excavación y elsoporte, se requiere una memoria de construcción , de la siguiente manera:

▸ MEMORIA DE CONSTRUCCIÓN:

1. Etapa previa: accesos, interferencias, licencias y permisos, visitas con autoridades dela zona, cliente, supervisor, ambientales, materialización topografía, comprobacióninformación geológica o geotécnica, investigación geotécnica adicional, calculo decantidades de obra, análisis de instalaciones provisionales, organigrama, plan dereuniones de obra.

2. Definir instalaciones, eléctricas, hidráulicas, explosivos, instalaciones auxiliares(ventilación, aire comprimido, campamentos, oficinas, combustibles, concretos,acopio de materiales, etc.)

3. Desarrollo de los trabajos: equipos, selección maquinaria, procedimiento constructivode acuerdo con previsión de diseño, ciclos de excavación y soporte, tratamientos yactividades especiales, exploración al avance, medición de gases, instrumentacióngeotécnica, mapeo geológico, calidad de materiales, cronograma, zonas de disposiciónde materiales, horario de trabajo, reparaciones, refuerzos adicionales.

4. Control de plazos , costos e imprevistos.

¿QUÉ ES LO FUNDAMENTAL PARA EL INGENIERO CONSTRUCTOR DE TÚNEL?

57

58

CLIENTE

ORGANIGRAMA

TÚNEL

TOMA DE DECISIONES

▸ ¿Cuáles son las previsiones del diseño?

▸ ¿Qué puedo modificar?

▸ ¿Cuáles son los riesgos?

▸ ¿Tengo suficientes materiales parasoporte?

▸ Una decisión tardía, ¡PUEDE GENERARPROBLEMAS GRAVES!

▸ Medidas de contingencia: siempre hayque pensar en los trabajadores, lospeligros, el exceso de confianza es elenemigo.

▸ No soportar el terreno adecuadamente,ocasionará colapso del frente. 59

DERRUMBES

▪ Recuperar un derrumbe de un túnelpor mal soporte se puede demorar 45días y cuesta mucho dinero.

▪ ¿Vale la pena arriesgarse a avanzar unmetro sin soporte , que se demora unturno de 12 horas; a perder casi 10millones de pesos diarios, 90 metrosde avance y poner en peligro la vidade los trabajadores?.

60

DEFORMACIÓN UNITARIA EN RELACIÓN CON LA DISTANCIA DEL FRENTE

Tomada de: Documentos maestría AETOS., el 15/09/17.

FRENTE DESPUES DE UN DERRUMBE

61Túnel Chingaza, Presa. Foto Archivo Personal, Ing. Germán Pardo A.

ASÍ SE VE UNA ZONA DE DERRUMBE DESPUÉS DE 45 DÍAS

62

Túnel en Venezuela,Foto Cortesia Obresca.

ARCOS PSICOLÓGICOS

El mejor ingeniero de túneles no es el que superó un derrumbe,

¡ES QUIEN LO EVITÓ!

RIESGOS PRESENTES EN UN PROYECTO DE

TÚNELES▸ Los inherentes a la ingeniería.

▸ Interpretación de la informaciónparticularmente la geología.

▸ La construcción de túneles es la ramade la ingeniería en donde la malapráctica de la ingeniería conlleva alfracaso, esto se ejemplifica así:ahorrar dinero no colocando elsoporte, avanzando más de loprevisto, modificando el diseño, nohaciendo investigaciones deexploración, empleando materiales demala calidad, olvidar la importanciadel agua de infiltración, entre otros.

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Grafica: Impacto del diseño en la ejecución de las obras del túnel.Fuente: Banco Mundial, 2001.

CO

STO

S TO

TALE

S

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Gráfica: Distribución de Riesgos por tipo de contrato.Fuente: Banco Mundial , 2001.

DISTRIBUCIÓN DE RIESGOS POR TIPO DE CONTRATO

TÚNEL VIAL COSTOS DE EXCAVACIÓN Y SOPORTE- RENDIMIENTOS (𝑨=𝟖𝟎𝒎𝟐)

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TERRENO TIPO VALOR EN USD (ml) RENDIMIENTO (m/día)

I 4.500 6

II 6.500 4

III 21.000 2

IV 40.000 1.5

V 80.000 0.50- 0.75

ÉXITO DE UN TÚNEL

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ÉXITO EN LA CONSTRUCCIÓN DE UN TÚNEL

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EFICIENCIA ENERGÉTICA,¿POR QUÉ ES IMPORTANTE?

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¿CUÁNDO EL PROYECTO NO TERMINA,QUIÉNES FRACASAN? R/ TODOS

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LA SIMPLEZA DE LA INGENIERÍA

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Shāh Abbās Arch DAM. IRÁN CONSTRUIDA HACE 700 AÑO, ALTURA 60 mLA MAS ANGOSTA CRESTA EN EL MUNDO: 1 m.TUNEL DE CONTROL ECOLÓGICO: ALTURA 8 m ANCHO 4 m

TÚNEL DE EUPALINO:MÉTODO DE CONSTRUCCIÓN

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Es un túnel de 1.036 m de largo enSamos, Grecia, construido en el sigloVI a. C. para servir como acueducto.El túnel se excavó manualmente enroca caliza, con una seccióncuadrada de 1,75 m x 1,75 m y conuna pendiente de 0.4%.

LA SIMPLEZA Y BELLEZA DE LA INGENIERÍA SUBTERRÁNEAEN COLOMBIA

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TÚNEL DE LA QUIEBRA FINALIZO : 14 de julio de 1929DISEÑO: TESIS ING ALEJANDRO LOPEZ, 1898.LONGITUD: 3500 m.

IV.CONCLUSIONES Y REFLEXIONES

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▸ El túnel más barato no es el que se hace más rápido, es el que sesoporta mejor.

▸ El exceso de confianza es el peor aliado de la ingeniería de túneles.

▸ La instrumentación geotécnica es nuestro mejor aliado y es laherramienta que nos garantiza la tranquilidad, el éxito y la confianzapara avanzar.

▸ Conocer los criterios de diseño son la garantía del éxito en laconstrucción del túnel, los cambios sin verificar los cálculos yconsideraciones de diseño, casi siempre conducen al fracaso.

▸ El agua en el frente esta avisando problemas, y advierte que se debehacer algo.

▸ Nuestro mejor aliado para soportar un túnel es el concreto lanzado.

▸ Esperamos nunca oír esto en un túnel:

¡Se lo dije!

¡Se lo advertí!

CONCLUSIONES Y REFLEXIONES

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CONCLUSIONES Y REFLEXIONES

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“ EL DIABLO ENTRA POR LOS BOLSILLOS”

PAPA FRANCISCO, MEDELLÍN, 2017.

Papa Francisco en Medellín.Tomado de:

http://caracol.com.co/emisora/2017/03/10/medellin/1489160392_011912.html, el 13/09/17.

Se consideraron los siguientes textos y artículos para la estructuración de la ponencia:

▸ Diseño geotécnico de túneles Enrique Tamez González, José Luis Rangel Núñez, ErnestoHolguín.

▸ Control of tunnelling contracts Joseph A Huse, Freshfields, London and Paris

▸ Dimensioning of tunnelling linings with regard to constructional procedure. Dr. G. Lombardi

▸ Manual de túneles y obras subterráneas Tomo I y II. Madrid 2011 López Jimeno, Carlos

▸ Hoek, 2000. Practical Rock Engineering (PDF, www.rocscience.com, Hoek´s corner).

▸ Análisis falla de Usaquén, Germán Pardo. Jornadas de Geotecnia, 2002.

▸ BUILDING MASS RAPID TRANSPORT SYSTEMS ABOVE GROUND OR BELOW GROUND?. HanAdmiraal ITACUS, 2017.

▸ Requerimientos de seguridad al interior de un túnel. ACTOS, Noviembre 2016.

AGRADECIMIENTOS

▸ Ing. Enrique Silva Monteil, Vicepresidente ACTOS.

▸ Ing. Pedro Sola, Junta Directiva AETOS.

▸ Ing. Paola Castillo, ACTOS-NGT.

▸ Ing. Francisco Caicedo, SDIC LTDA.

▸ Fernando Pardo, DYF PUBLICIDAD.

REFERENCIAS

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GRACIAS

▸ PREGUNTAS.

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