Acción del sostenimiento 1 05 -

Ho rmigón p royectndo 1 06

Bzdoms 115

Cerchas 120

Geízeralidades 18

Trazado erz almdo 19 -

Tratamientos especiales 122

Bibliopnfza 125

Sección ti'arzsuersd 20

Elementos de segzzli-in'ríd 23

Bibliogrnftn 2 5

Generalidades 128

Medidas de coíz vergencin 129

Medida de asientos szqei-ficiales 130

Extensónzet~-i.os e incli~zómetros 131

Células de cnrga y de p resió~z 133

Reconociwzierz tos previos 29

Geo flsicn 33

Sondeos 38

-

Represe?ztn.cióiz de datos e i~zteipetncióz de resuhados 134

Bibliopafza 135

Iíztl'oducción 138

I7rzpel"wz eabi/izaciÓn 138

D~qenaje lorzgitudimd 140

Revestimiento 141

EIJin7;)e 144

Elementos laterales 146

Bibliografta 147

Fonn tdaciÓ?z eldstica 66

¡Wétodo de las cwruas carncteristicas 68

Método de lns reaccioizes /%pemtdticas 69

fifétodo de los ele~~zentosfE~~itos 71

0t140s ~nétodos I Z zl~néricos 7 5

-

Estabilidad de las boqztillas del ttinel 150

Posición del em boquille 154 - Arquitectura de las bocas del tzirzel 1 55

Bibliografzn 1 57

Geízeralidades 80

Excavación mediante pe-foraciórz y uoladzirn 81

Excavación ~nechzica 92

Exti'ncción del esc0mbi.o 96

- Control de ld excmmióíz 1 60

Control de soste7zimie?zto '161 Elección del sistema de excavnción 97 -

Coízt~ol de la inzper~7zeabilizació~z 31 del revestimiento 1 62

Bi bliopfzn 163

Fases de la excavación 99

Bi bliografza 101

I~ztroon'l~cciÓ?~ 166

Protecciones persolzahs 166

Protecciorzes colectivas 166

Precazrcioms en las labores del tzinel 168

Generalidades 172

Zorzas de alunzbmio erz los túneles 172

Pnránzentos bdsicos en el cdlculo de la ihzinacihz 173

Equipos de alum brzdo 178

E7izplazanzie7zto 11 localizació~z de las ~z~minarzl-2~ 179

Co7zdicio~es de servicio de una instalación de ilz~mirzacióíz 180

Tipos de ve?ztilación 184

Almzce de la verztilación ízatural 186

Dete~rzirzacióiz de las necesidades de aire fresco 186

Diser'io del sistema de verztilación 191

Introdz~cción 196

Chteiios de elección de enui~os 197

Instalacioms de gestión del trd$co 198

Eqzlipos de lzrclja contra incendios 199

Otros equipos de explotación y seguridad 200

Bibliograja 201

Patologias de thzeles 204

Métodos de estt~dio 205

Métodos de repaiaciórz 209

Mrínterzinziento sistemáticos 210

El Departamento de Transportes y Obras Públicas del GOBIERNO VASCO, dentro de

las actividades de planeamiento de infraestructuras viarias, ha considerado

conveniente la redacción de un Manual de Criterios Técnicos relacionados con el

Proyecto, Construcción y Explotación de los Túneles de Carretera. Este manual

puede facilitar y dar uniformidad de criterio al proyecto y la ejecución de nuevos

túneles en el País Vasco, que en los próximos años será necesario construir, por

exigencia de la accidentada topografía de la zona, con objeto de dotar al territorio

de una red de carreteras y autopistas de calidad.

La redacción del Manual ha sido encargada a GEOCONSULT, Ingenieros Consul-

tores S.A., que lo ha llevado a cabo e

trabajo puede considerarse continuación y adaptación como libro de consult

estudio anterior, titulado "Criterio para Proyecto de Túneles de

por INTECSA en 1989 bajo encargo igualmente del Departam

Obras Públicas del GOBIERNO VASCO.

En el presente Manual se ha tratado de recoger el e

relación con el proyecto y ejecución d

amplio y abarca contribuciones de varias ramas de I

Mecánica de Rocas al Trazado de Obras Lineales

los Métodos de Excavación.

El conjunto del Manual se ha dividido en 15 c

que pueden considerarse agrupados en cu

PROYECTO, trataría de los temas r

capitulos 2 al 5 : trazado, definición de

caracterización del macizo rocoso y

La segunda parte se refire a LA EJECUCI

ocupa de los aspectos tecnológicos o p

túneles de carretera: métodos de

(fundamentalmente hormigón proyect

bilización, drenaje, etc. También se

específicos del control de calidad de

trabajadores en las obras subterráneas.

La tercera parte está dedicada a LAS INSTALACIONES, ocupando los capitulas 12, 13

y 14 y trataría de los tres temas principales relacionados con los túneles de carretera:

la iluminación, la ventilación y la seguridad y control.

Por último, se ha incluido un capítulo, el número 16, dedicado al MANTENIMIENTO,

en su aspecto únicamente técnico, es decir, patología de túneles y reparación de

los mismos.

Dentro del amplio abanico de los túneles, en el presente Manual se ha tratado de

reunir únicamente la información relativa a los llamados túneles de montaña, es

decir, túneles generalmente interurbanos de carretera o autopista en terrenos

rocosos, excavados en el interior del macizo rocoso. Así pues, no se consideran aquí

los aspectos constructivos de los falsos túneles urbanos, excavados al abrigo de

pantallas, o túneles subfluviales mediante cajones, o túneles excavados en mina en

terrenos sueltos, ya que el diseño y construcción de estos túneles requieren un

tratamiento más específico que se sale de los objetivos de este Manual.

El tratamiento que se ha dado a cada tema tiene la adecuada amplitud

como para dar una idea suficientemente detallada del estado

actual de la técnica de construcción de túneles, aunque sin

profundizar tanto que haga farragosa su lectura. De esta

forma, en el apartado de cálculos, por ejemplo, no se

ha descendido hasta el nivel de formulación ma-

temática, sino únicamente se ha descrito la

Tilosofía de cada método y sus posibilidades.

El diseño geométrico del túnel es de gran importancia, tanto desde el punto de vista del usuario de la carretera, como desde el punto de vista de la construcción y del mantenimiento del túnel. Generalmente el trazado en planta y alzado del túnel dependen del trazado del resto de la carretera y de las características de ésta, con la que tiene que mantener una cierta homogeneidad, y suele ser más bien un parámetro de entrada al diseño del túnel que un resultado de éste. Por el contrario, el diseño de la sección tipo suele obedecer más a aspectos propios del túnel (geología, método constructivo, instalaciones, etc.), que a datos generales de la carretera, por lo que se puede independizar del resto de la misma. El diseño geométrico se basa generalmente en la experiencia de túneles anteriores, a partir de los que se han obtenido una serie de recomendaciones de tipo general, que son las que se incluyen en este capítulo. No obstante, cada caso concreto puede tener unas particularidades que condicionen una determinada solución, que puede llegar a ser, incluso, contraria a las recomendaciones generales.

El trazado en planta generalmente viene deter- minado por la traza general de la carretera y normalmente no puede variarse de forma sustancial. Si es posible, deberán tenerse en cuenta los factores geológico-geotécnicos existentes y se procurarán evitar los puntos o zonas conflictivas: fallas, zonas alteradas, emboquilles complicados, etc. Para la serie de aspectos concretos del trazado en planta señalados a continuación, se han establecido unas recomendaciones en base a la experiencia de túneles anteriores '":

3:Ql lkL~S.- Se recomienda que el trazado de la aproximación al túnel sea tal, que la boca de éste sea visible por el conductor 15 segundos antes de llegar hasta ella, en cualquier circunstancia. Es decir, si V es la velocidad de proyecto de la carretera en Kmlh, la boquilla debe ser visible desde una distancia mínima dada por la expresión: L= 4.17V donde L está dado en metros. Por otra parte, para evitar el deslumbramiento debido a la luz del día en túneles largos, es conveniente disponer una curva cerca de las bocas de salida con objeto que desde dentro del túnel no sea visible el exterior.

EI\!LACES D54TGG @ E L i ú i d ~ ~ . - Se procurarán evitar los enlaces, tanto entradas como salidas, dentro del túnel. Si son inevitables, se reforzará la iluminación en dichas zonas. Las bifurcaciones se señalizarán antes del túnel para que cada vehículo entre ya a éste por el carril correspondiente a la salida que vaya a tomar y, de este modo, evitar, en lo posible, los cambios de carril dentro del túnel.

E:i:LA,CZI; ?3Y;Ofl;Oc; AL TL'WEL.- Se recomienda una distancia mínima de 300 metros entre las boquillas de un túnel y cualquier entrada, salida, peaje, etc. existente en la carretera.

?i'i3"3ii.i3/.2 E!\J LAS C U R V A S . - Dentro del túnel se debe mantener una distancia de visibilidad mínima superior a la distancia de parada en caso de una incidencia. El Centro de Estudios de Túneles de Francia (CETU) ha elaborado un modelo que relaciona la

Distancia de visibiliáud en un

túnel en curva

velocidad de proyecto, la pendiente del trazado y el radio de curvatura mínimo admisible. En la

figura 2.1 se observa que en una curva de radio R, la distancia de visibilidad d

depende de la distancia del observador

Hastial

\ r

CASO DE CURVA A IZQUIERDA CASO DE CURVA A DERECHA

al hastial del túnel e. La expresión correspondiente es: R- @

8e despreciando el término en e2. E l valor de e dependerá de las anchuras de arcenes y aceras adoptadas para la sección tipo del túnel, y es distinto según sea la curva a derecha o a izquierda (véase figura 2.1). Por su parte, la distancia de

parada se da en la tabla 2.1 en función de la velocidad del vehículo en Km/h. Se debe corregir dicho valor según la pendiente conforme a lo indicado en la tabla 2.2. Se puede partir de un radio dado y obtener la velocidad máxima admisible en el túnel o, a la inversa, para una velocidad de proyecto fija, calcular el radio mínimo dentro del túnel.

DISTANCIA DE PARADA EN RECTA Y CON EL SUELO SECO 35 55 ,;5 110 125 120 1-iO - - - - - - -

VELOCIDAD ( IKm I h ) -6% -4% -2% O +2% +4% +6% - - - - - - -

40 I I 1 O -1 -1 -1 - -- -- - - - -

Una primera condición para el trazado en alzado de un túnel es el drenaje de las aguas que afloran al mismo procedentes del terreno. Se debe asegurar una pendiente mínima de un 0.2% a un 0.4 % (según el CETU) para evacuar las aguas. Asimismo, deben evitarse los acuerdos cóncavos que produzcan puntos bajos, pues se necesitaría en ellos disponer un bombeo para impedir la acumulación de agua. Por otra parte, se recomienda que las rampas no sean superiores al 2% en túneles cortos (menores de 400 m), ni superiores al 1 .S% en túneles largos por las razones que se indican a continuación:

La emisión de gases contaminantes de los vehículos aumenta con la inclinación de la rampa y se hace excesiva a partir de un 2% de pendiente.

3 La velocidad de los vehículos pesados se reduce excesivamente en rampas superiores a esos valores, lo que obligaría a diseñar carriles adicionales para vehículos lentos con el consiguiente aumento de coste. La experiencia demuestra que cuanto mayor es la rampa, mayor es la probabilidad de que se produzca una avería de un vehículo, que quedaría inmovilizado, provocando reducción de la capacidad y riesgo de colisión.

Las pendientes descendentes son, por el contrario, beneficiosas por las razones contrarias a las anteriores, aunque en caso de incendio son perjudiciales por el efecto chimenea. En general se aceptan las mismas limitaciones que para el caso de carretera al aire libre. La tabla 2.3 recoge las limitaciones de rampas y pendientes en función de la longitud del túnel, propuestas por la Comunidad de los Pirineos.

Para los acuerdos verticales la condición de visibilidad es la misma que a cielo abierto, por lo que pueden emplearse los mismos criterios en cuanto a las limitaciones de Kv. En túneles bidireccionales no son recomendables los acuerdos convexos por la perdida de trazado, y en ningún tipo de túnel son recomendables los acuerdos cóncavos a causa del drenaje, tal y como se ha indicado anteriormente. En general es conveniente evitar los acuerdos verticales, o en su defecto, diseñarlos con un parámetro Kv amplio. En la tabla 2.4 se muestran los valores máximos propuestos por la Comunidad de los Pirineos.

En el dimensionamiento de la sección transversal de un túnel entran en juego diversos factores: anchura necesaria para la circulación del tráfico, gálibo necesario para la circulación de los vehículos, anchura de las aceras, necesidades geométricas de las instalaciones y equipamientos del túnel y, por último, la propia construcción del túnel.

salvo los carriles adicionales para vehículos lentos, que son de 3.00 metros. Normalmente ANCHURA DE LA CP,LZADA

no se emplean carriles más estrechos de dichos valores salvo circunstancias excepcionales:

La anchura de los carriles es generalmente de 3.50 metros,

carretera de montaña con poco tráfico y prácticamente sin vehículos pesados, en cuyo caso podrían ser válidos carriles de 3.00 metros. El número de carriles debe ser el mismo que en la carretera al aire libre, dependiendo del tipo de vía, de la intensidad del tráfico y del nivel de servicio de la vía. Los túneles de carretera generalmente tienen dos carriles y en ciertas circunstancias tres. Si fueran necesarios cuatro carriles es preferible la opción de dos túneles paralelos de dos carriles

Pel-fZles tipo elz túneles(1)

Pe~ifiles tipo e n túneles(1l.l

Perftles tipo en túneles(lll;)

cada uno, ya que las dificultades constructivas crecen aproximadamente con el cuadrado de la anchura del túnel. Los tres carriles se utilizan en túneles unidireccionales con mucho tráfico (en áreas urbanas), o en túneles bidireccionales con rampa superior a un 2%, en que existe un carril

para vehículos lentos. La anchura del arcén viene impuesta por el efecto pared, que limita la capacidad de la vía, y por la posibilidad de existencia de vehículos averiados en el lado derecho de la circulación. En túneles se diseñan arcenes entre O y 2 metros, según el tipo de carretera y el nivel de servicio. El arcén derecho de 2.50 metros que es habitual a cielo abierto se considera excesivo para el caso de un túnel. El CETU (1) ha propuesto un catálogo de doce perfiles tipo de dos carriles a emplear según diversos casos. En las figuras 2.2, 2.3 y 2.4 se incluyen estos perfiles y las características de la carretera donde son aconsejables cada uno de ellos. En ciertas ocasiones, en túneles bidireccionales, se ha dispuesto una mediana central entre los dos carriles, materializada o no con una barrera rígida. La solución

de barrera rígida central no parece adecuada, mientras que la solución de separar los dos carriles con pintura una distancia de unos 50 cm (caso del Túnel del Cadí), sí parece dar buen resultado.

máxima permitida de los vehículos, aunque en autopista/autovía la norma 3.1 1C señala un

3,q::aCj c\? % ~ y ~ ~ ~ . j i .

gálibo mínimo de 4.75 metros en calzada y 4.50 metros en arcenes y aceras montables. Se suele utilizar el perfil tipo de la figura 2.5, con variación lineal en el arcén entre 4.75 y 4.50 m. Se recomienda además disponer de una reserva de gálibo de 10 cm para prever futuros refuerzos del firme y otros 10 cm por seguridad en caso de falso techo

(necesario en el caso de venti- r-7--------- ---------- ; -7 lación transversal).

El gálibo mínimo en España es de 4.50 metros, que es la altura

Para dimensionar la sección 4.50 m 3.501-1- t ipo es necesario tener en

recomendable

cuenta el peralte en curvas y el bombeo en rectas, que suele

1 z m

82 1 ' * ig oscilar entre un 1 % y un 5%,

tzinel Vo % < x < 4 2 aunque en ocasiones es mayor.

barreras rígidas, flexibles u otro medio. En el resto de los túneles la circulación de peatones se limita a los usuarios de vehículos averiados y a los empleados de mantenimiento. En tal caso la acera deberá permitir el paso de un hombre caminando, que requiere una anchura mínima de 75 cm. Existen túneles sin aceras, pero la experiencia demuestra su utilidad. Además, con las secciones de túnel modernas de hastiales curvos, las aceras vienen obligadas por el gálibo en altura, por lo que no suponen un sobrecoste adicional. Por otra parte, la anchura de la acera junto con la del arcén influye en el efecto pared y en la visibilidad en las curvas. Para que el efecto pared no reduzca la capacidad de la carretera, la anchura mínima de arcén-tacera debe ser de 1.80 metros. En cuanto a la visibilidad, véase el apartado 2.2 y la figura 2.1 El bordillo puede ser rebasable o no. En general la tendencia actual es hacia los bordillos rebasables, de altura inferior a 15 cm, para reducir el efecto pared, permitir un sobreancho en caso de vehículos averiados o distracción del conductor y también para permitir la circulación de los vehículos de mantenimiento del túnel. No obstante, en tal caso, hay que tener en cuenta que las instalaciones (señalización, semáforos,.) no pueden colocarse sobre la acera y que es necesario un gálibo mínimo sobre acera de al menos 3.50 metros.

z - 3 ' ~ ' i~ L-L A C Z F K

\-.IA?,LACID~!E: La ubicación de las instalaciones se debe tener en cuenta al dimensionar la sección tipo. La mayor influencia es la debida a la ventilación. Si se trata

En túneles accesibles a los peatones de forma habitual, la

de ventilación longitudinal se debe dejar sitio suficiente en la bóveda para los ventiladores, teniendo en cuenta que su diámetro llega hasta los 1.50 metros. Con ventilación transversal o semitransversal debe disponerse un falso techo y una sección suficiente para los caudales de aire fresco y viciado que se requieran (véase el capítulo 14 sobre Ventilación). La iluminación no necesita apenas sitio, y además es conveniente colocarla por encima de la altura de gálibo. La señalización vertical se suele colocar sobre las aceras o por encima del gálibo de vehículos en el caso de paneles luminosos. Por otra parte, las canalizaciones para cables y otras instalaciones se suelen colocar bajo la acera o adheridas al hastial en bandejas porta-ca bles.

anchura de la acera será como mínimo de 1.50 metros y estará aislada de la calzada con

En general, cuando se dimensiona la sección tipo del túnel, no se conocen las dimensiones exactas de los elementos de las instalaciones, por lo que es conveniente diseñar la sección de forma amplia, del lado de la seguridad. Muchas veces son las instalaciones las que se adaptan a la sección tipo del túnel y no a la inversa En la figura 2.6 se muestra una sección de túnel con la disposición habitual de todos los elementos de ventilación, iluminación y seguridad.

T C T O R DE IiKEI'lDIOS

BANDEJA PORTACABLES , I

sección transversal está obligada a ser circular. Existen, no obstante, tuneladoras con r v f \ \ \ A ~ ! h j 3-i T W ~ V E L

varias cabezas cortantes que dan secciones ovaladas.

Si el túnel se excava con máquina tuneladora (topo), la

Con explosivos o rozadora puede conseguirse cualquier sección tipo aunque, por estabilidad, siempre son aconsejables las secciones circulares o policéntricas redondeadas. En túneles de dos carriles se suele usar una sección de radio único, mientras que para anchuras mayores se tiende a secciones de tres centros para optimizar mejor el volumen de excavación. En túneles revestidos con anillo de hormigón hay que tener en cuenta que los encofrados son rectos por lo que, si el túnel es de planta curva, se produce una pérdida de anchura útil que viene dada por la siguiente expresión:

JT-E a = R - R donde: 4

R es el radio de la curva, L es la longitud del encofrado y a es la pérdida de anchura. Para radios pequeños dicho valor puede llegar a ser de hasta 5 - 10 cm. Por último, hay que considerar que debido a las tolerancias usuales en la obra civil, puede haber errores de hasta 5 cm en la posición de cualquier elemento del túnel.

En el diseño geométrico de los túneles es necesario también tener en cuenta ciertas recomendaciones relativas a la seguridad de los usuarios, especialmente en túneles largos (mayores de 1000 metros) de autopista o autovía. Las recomendaciones en uso hoy en día pueden resumirse en los puntos que siguen:

C I R C U L A C I ~ N DE PEATONES.- Como se ha explicado anteriormente, es conveniente la existencia de una acera de anchura mínima 75 cm. para la circulación de usuarios de vehículos averiados.

EVACiJACiOF\! DE FEATONES.- En el caso de que la circuiación quede detenida dentro del túnel, hay que prever un posible

escape para peatones. En el caso de un túnel único deberá hacerse necesariamente por las aceras del mismo; para túneles dobles unidireccionales, se recomienda construir

Revestmento galerías de unión entre ambos, cada 300-400 metros, de dimensiones mínimas 1.40 x 2.60 metros. En caso de incendio, este diseño permite a los peatones abandonar el túnel lleno de humo y escapar por el otro tubo. En la 1 1 figura 2.7 se muestra una sección tipo para esta galería.

habilitar galerías de conexión entre tubos para vehículos cada 800-1000 metros, de dimensiones mínimas 4.0 x

Firme U- 100 3.5 metros. Un ejemplo de sección tipo se muestra en la

peatonal I I t. 3.0 (I figura 2.8.

1000 metros es recomendable diseñar un l

sobreancho del túnel que permita alojar / / 1 I Y \\ camiones averiados. Puede hacerse coincidir con las galerías para evacuación de vehículos, con el fin de que el sobreancho facilite el giro de O S vehículos del túnel hacia a galería y viceversa. Las dimensiones recomendadas son las que aparecen en la figura 2.9 ( 'l . Di-naje//

l l 1 l

Apartadero

Tubos para instalacioned

N Ir-- , r ? , > *q- D E S E G U R ; D , C , D , - LOS nichos

albergan diversas instalaciones de seguridad: poste SOS, extintores, hidrantes, etc.; se suelen disponer cada 100-1 50 metros. Un esquema típico es el de las figuras 2.1 0 y 2.1 1"'. En la figura 2.12 se muestra un esquema en planta de un túnel de autopista (dos tubos paralelos unidireccionales), indicando la situación de cada uno de los elementos de seguridad descritos. Se ha adoptado un módulo de 150 m, de forma que en cada módulo hay un nicho de seguridad, cada dos módulos hay, además, una galería de conexión entre tubos para peatones, y cada cuatro módulos hay nicho, apartadero y galería de conexión para vehículos. Lógicamente, la disposición y distancia entre elementos dependerán de cada caso particular, y en concreto de la longitud del túnel.

A - HASTIALES CURVOS Panel de señalización

Situación de infiaestructti ra

de seguridad en un túnel

Puesto teléfonico o intercomunicador

L 2.00 min. j

de nicho

L..-.

'\ Conducción para incendio,

B - HASTIALES RECTOS Panel de serialización de nicho

Puesto teiéfonico o intercomunicador

ESQUEMA DE SlTUAClON DE INFRAESTRUCTURAS DE SEGURIDAD

150 150 150 150 150 , 150 150 150 , 150 150 /150 150 /I /I /I /l /I 4 /I /j' /i NICHOS 1 'f

/N/ /N/ m I N I r Ñ l r Ñ l h \

l b C A L Z A D A IZQUIERDA \zarda DE APARTADERO l

(1) Centre dlEtudes des Tunnels (CETU): "Dossier Pilote des Tunnels. 2 - Geométrie", CETU, 1990.

(2) Centre dlEtudes des Tunnels (CETU): " Profil en Long dans les Tunnels Routiers", CETU, 1993.

' GALERIAS ' 1 1

i I

GALERIAS PEATONALES

I PEATONALES ENTRE TUNELES

I 1 DEVEHICULOS i

1 I , , ENTRE TUNELES

\: ,

1 ALL LADA DEREEHA ZONALE APAnTADERo ' ,

/ N / / N / / N / j N / / N / I N / / N / j N /

1 GALERIA DE COMUNICACION 1

' I

Para el Proyecto de un túnel es de importancia capital el conocimiento del terreno por el cual va a discurrir el mismo. De las características de la roca dependerá el método de excavación, la cuantía de sostenimiento a colocar, las medidas de impermeabilización que se empleen; incluso el trazado puede verse condicionado en ocasiones por las características geológicas de los materiales atravesados. 2 Los objetivos básicos que debe cumplir un estudio geológico previo a la construcción

de un túnel son los siguientes: 3 Definir las características físicas del terreno que va a ser atravesado: litología,

estructura, presencia de agua,. .. Definir los parámetros que caracterizan el terreno: resistencia a compresión simple, cohesión, rozamiento, permeabilidad,. . .

L Definir la aptitud del terreno en orden a la construcción de un túnel, generalmente en base a la experiencia, y ofrecer criterios básicos a utilizar por el diseñador: método constructivo, sostenimiento, medidas especiales,. . .

- Expresar el grado de incertidumbre que se mantiene después del estudio, en función del grado de definición de éste, en relación con todo lo anterior.

Un estudio geológico completo consta o puede constar de varios métodos de investigación. En general resulta conveniente empezar siempre con los más económicos para obtener una idea general del problema, y pasar luego a los métodos más precisos y más costosos para despejar las incertidumbres que hayan podido plantearse. La tabla 3.1 ofrece una panorámica completa de todos los medios de investigación usados habitualmente, junto con la información que se extrae de cada uno de ellos. Dado que el ámbito del presente manual se reduce a los túneles de carretera excavados en roca, en la redacción de este capítulo nos hemos limitado a este caso. Los túneles en suelos requieren un tratamiento bastante diferente y tienen una tecnología propia.

EXCAVACIÓN Y AUSCULTACIÓN Compoitnriziento riel inacizo rocoso n escaln red

Dedmción de parimetios de la laca p o ~ retmarzilisis de los resultados de /a nrucultncrón

F p r 1 iJq4 econocimientos previos 1

publicada y no publicada, de la zona de estudio. Ésta permite disponer de gran cantidad de datos aprovechando el trabajo realizado con anterioridad por otros profesionales. La geología a gran escala de todo el país está publicada por el Instituto Tecnológico Geominero de España (ITGE) en su plano geológico a escala 1 :50.000, Serie Magna, que ofrece datos de estratigrafía, tectónica, historia geológica, petrología, hidrogeología y otros. El estudio de esta publicación permite conocer bastantes datos primarios de interés: litología de los terrenos atravesados por el túnel, fallas o pliegues de importancia, periodo geológico al que corresponden los materiales, etc. El ITGE tiene otras publicaciones que pueden resultar interesantes según los casos, entre

A¡\~,~\;LIs¡s DE LA LITERATURA EXISTENTE La primera aproximación que se debe hacer en todo estudio geológico es la recopilación de toda la información que se pueda conseguir,

ellas está el Mapa Geotécnico General a escala 1 :200.000, aunque no suele aportar muchos datos debido a la pequeña escala a que está realizado. También está disponible el Mapa Hidrogeológico de España, a escala 1:200.000, que ofrece información sobre formaciones porosas, fisuradas y karstificadas, aforos, consumos de agua, inventario de puntos de agua, niveles freáticos y flujos subterráneos de agua, etc. En el ámbito del País Vasco, el EVE (Ente Vasco de la Energía) ha desarrollado unos estudios de gran interés, y tiene publicado el plano geológico del País Vasco a escala 1:25.000. Por otra parte, si en las proximidades del túnel en proyecto existen otras obras civiles o explotaciones mineras de importancia, es muy probable que existan estudios geológicos relacionados con ellas, que pueden localizarse, por ejemplo, en la copia del Proyecto Constructivo correspondiente que normalmente debe estar disponible en el archivo del Ministerio de Obras Públicas, Transportes y Medio Ambiente, Diputaciones Forales, o el organismo competente

tectónicos, estratigráficos y geomorfológicos con bastante más claridad que si son observados in-situ desde el suelo. Para interpretar adecuadamente las fotos aéreas es necesaria cierta experiencia por parte del geólogo, que debe completar con el reconocimiento sobre el terreno de la zona de estudio. Existen técnicas especiales tales como infrarrojos, fotos en color, oblicuas o investigación con radar, pero el sistema más usado es el de las fotografías verticales en blanco y negro tradicionales, ya que los otros sistemas sólo aportan datos de interés en contadas ocasiones. En librerías especializadas pueden encontrarse fotografías de la totalidad del territorio español, pero tienen el inconveniente de que suelen ser antiguas. Son preferibles las fotos recientes que se hayan obtenido como parte del Proyecto de Túnel, en concreto para elaborar la cartografía, que es un paso previo de cualquier proyecto de carreteras.

F O I O G R A F ~ A S A C R E A S LOS pares de fotografías aéreas estudiadas estereoscópicamente

en consideración la geomorfología de la zona, la hidrogeología superficial y el estudio de afloramientos rocosos. Dentro de la hidrogeología deben estudiarse los siguientes aspectos: surgencias de agua, redes de drenaje superficial, indicios superficiales de karstificación y presencia de vegetación. El estudio de los afloramientos es muy importante, ya que permite caracterizar la roca superficialmente, y tener una idea de cómo se puede encontrar en profundidad. Debe determinarse, por un lado, la litología exacta del afloramiento, y por otro, la caracterización de las juntas presentes en el macizo rocoso. Los parámetros que deben ser determinados para cada familia de juntas observada son los que a continuación se describen:

son de mucha utilidad para los estudios geológicos. Permiten observar accidentes

RECONOCIMIENTOS SUPERFICIALES

TIPO Y NUMERO DE FAF\RILIAS.- Se debe determinar en primer lugar el número de familias de juntas presentes en el macizo (generalmente tres), y el origen de cada una: si se trata de una diaclasa, de la estratificación o de algún tipo de esquistosidad.

O R ! E N T A C I ~ N . - La orientación de una junta se describe mediante el buzamiento y la dirección de buzamiento, o bien mediante el rumbo y el buzamiento. El significado de cada parámetro se puede observar en la figura 3.1. La orientación de una junta se mide con la brújula de geólogo. Como generalmente es variable de unas zonas a otras, y para

LOS reconocimientos sobre el terreno completan la información que es posible obtener directamente, sin medios auxiliares. El estudio tomará

corregir errores de medida, se deben efectuar un número alto de lecturas, en el mismo afloramiento y en otros próximos. Los datos de cada medida se representan en un diagrama estereográfico (figura 3.2), y, mediante una técnica estadística, se obtiene un valor representativo para el buzamiento y

dirección de buzamiento de cada una de las familias de juntas presentes en el macizo, que es simplemente el centro de gravedad de los polos más cercanos. Esta

Direccion de buzamiento operación se puede realizar manualmente con ayuda

de una plantilla o bien mediante ordenador y algún programa comercial.

Rumbo=i) ESPACIAMIENTO. - El espaciamiento es la distancia ~uzamiento=p existente entre dos juntas de una misma familia, que Direccion de Buzamiento=a teóricamente son dos planos paralelos, y debe medirse

[-l en la dirección perpendicular a dicho plano. En el campo se mide con cinta métrica, corrigiendo el valor

Hemisferio Discontinuidad (K)

estereográjca de juntas

según el ángulo relativo entre los planos en cuestión y el plano según el cual se ha medido (figura 3.3). Es conveniente medir en varios puntos y obtener el espaciamiento medio, pues puede variar de unas zonas a otras.

PERSISTENCIA.- La persistencia es la distancia a lo largo del plano que contiene la junta que está realmente ocupada por ésta. Mide la continuidad de la junta dentro de su plano. Suele ser del orden de varios metros, por lo que su medición puede resultar complicada. En muchas ocasiones la junta es persistente en toda la zona que aflora, pero no es posible conocer lo que sucede, más allá, en el interior del macizo rocoso.

RUGOSIDAD.- La rugosidad mide la facilidad que presenta una junta al deslizamiento a favor de su plano. Numéricamente ésta se representa por la cohesión y el ángulo de rozamiento, que se obtienen mediante ensayos de laboratorio. En los recono- cimientos de campo, no obstante, se puede establecer una clasificación cualitativa. La clasificación se establece en nueve grupos con dos criterios: la rugosidad a pequeña escala (centímetros) y a mediana escala (metros). A pequeña escala la junta puede ser: rugosa, suave o lisa, y a media escala puede ser: escalonada, ondulada o plana. En la figura 3.4 se muestra la clasificación. Barton ha elaborado una expresión que permite calcular el ángulo de rozamiento de la junta a partir de su rugosidad:

JCS 9, = JRC . lag,, -

0, +%

di'icontinuidades I Sr = sm * Sen a

RUGOSA I

SUAVE II A

/' - LlSA

111 /

ESCALONADA

RUGOSA

IV

SUAVE v /

LlSA VI

ONDULADA

PeijGles de rugosidad para

el cálculo de JRC

RUGOSA VI1 , --. / \

SUAVE Vlll

LlSA IX

PLANA

o 5 1 o 0 cm. ESCALA

PERFILES TIPICOS DE RUGOSIDAD

l

donde, $,: Ángulo de rozamiento de pico JRC: Joint Roughness Coefficient, que se obtiene de la rugosidad observada en la figura 3.5. JCS: Joint Wall Compression Strenght, que es la resistencia a compresión simple de las paredes de roca junto a la discontinuidad. o": Tensión normal efectiva (sin contar la presión de agua) que actúa perpendicu- larmente al plano de la junta. gr: Ángulo de rozamiento residual, se puede tomar como 30".

T E 2 1 ; : 1 ~ ~ 1 - Indica la descomposición \ - L

sufrida por la parte de roca que está en contacto con la junta. Se utiliza una escala de seis valores con los siguientes significados:

1 .- Roca sana, no alterada.

2.- Ligeramente alterada.

3.- Moderadamente alterada.

4.- Altamente alterada.

5.- Completamente alterada. 6.- Suelo residual.

,- \ 3 r 7 i ~ -.;A - La apertura es la distancia entre las paredes de roca, o bien, la anchura de la junta medida perpendicularmente a su plano. Oscila entre cero (completamente cerrada) y varios centímetros.

;:i~:,\ s - Se debe indicar la descripcrón litológica o mineralógica del material que rellena la junta, si existe. Los rellenos más habituales son:

Ningún relleno.

o Mineralizaciones: calcita, cuarzo, pirita, etc. Arcilla.

Limo.

Arena o grava.

e Roca descompuesta, con diversos grados de alteración.

'F:SEi'\rC1L\ ? E c,.- Se indica de forma

cualitativa el estado de la junta en relación con el agua que aflora por la misma: seca, húmeda, goteos, flujo continuo de agua, etc. También se puede indicar si el relleno ha sido lavado por la fluencia de agua. Si el flujo es alto puede estimarse el caudal en litros por minuto y por metro de junta.

J RC

0-2

Tipos de ondas

m Algunos métodos geofísicos tienen una serie de ventajas que hacen que su uso, en los estudios geológico-geotécnicos para túneles, se hayan generalizado. En primer lugar, se trata de métodos relativamente económicos, por lo que pueden utilizarse con cierta amplitud. Por otra parte, tanto la obtención de datos en campo como la interpretación de los resultados, se puede llevar a cabo en poco tiempo; y, por último, son métodos no destructivos, por lo que no deterioran la zona donde son utilizados. Tienen los inconvenientes de una precisión menor que los sondeos, y que, para su interpretación, son necesarios conocimientos específicos y una experiencia adecuada. Existen actualmente disponibles un número importante de métodos geofísicos: eléctricos, térmicos, radioactivos, gravimétricos, magnéticos, sísmicos, etc. Desde superficie se usa principalmente la sísmica de refracción y desde el interior de los sondeos, y a lo largo de los mismos, se pueden realizar diversas testificaciones geofísicas, diagrafías o logs, de las distintas propiedades físicas del macizo rocoso como: densidad, resistencia elécrica, velocidad sónica ... El resto de los métodos superficiales tienen interés únicamente para problemas concretos y para ciertas técnicas de exploración de yacimientos minerales, petrolíferos y aguas subterráneas, por lo que no son objeto de estudio en estas páginas.

ondas es función del tipo de material, de su estructura, composición, densidad, contenido de agua, etc., por lo que la sísmica proporciona bastante información acerca de las características del terreno. Cuando una onda pasa de un material a otro distinto, se produce el fenómeno denominado refracción, que se manifiesta como consecuencia de las diferentes velocidades de propagación de la onda en cada material. La refracción consiste en la desviación del tren de ondas un cierto ángulo, función de la relación entre ambas velocidades. Las ondas sísmicas son la forma en que se transmite la energía de tipo elástico o tensodeformacional a través del terreno. Existen dos tipos principales de ondas, dependiendo de la relación entre la dirección de vibración de las partículas y la dirección

sís!ii,!?rc~ DE R E F T - ' \ ? C C I ~ ~ N

de propagación de la onda (véase figura 3.6):

C N D A S L:~~\!S;TUD!R\IALES.- primarias o P. Son aquéllas en las que las partículas vibran en la misma dirección de la propagación de la onda. Son ondas de compresión, su velocidad es mayor que los demás tipos de ondas y pueden transmitirse por los líquidos.

ONDAS IRANSiIEII5ALES.- secundarias o S. Las partículas vibran perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda. Son ondas de cortante, su velocidad es menor y no se transmiten en medio líquido.

Existen también ondas superficiales, que se forman a lo largo de los contactos, por ejemplo en la superficie del terreno (ondas L).

La sísmica de refracción se basa en el estudio de la propagación de las ondas sísmicas en el terreno. La velocidad de propagación de estas

obtención de ztn peirfZl sísmico

Ripa bilidad de un terreno en función de la

velocidad sísmica

La relación aproximada entre la velocidad de las ondas P y S es la siguiente, válida para Coeficiente de Poisson u = 0.25: Vp = 1.732 Vs El equipo necesario para efectuar una investigación sísmica incluye la fuente de energía, los detectores y el equipo de grabación de los datos. La fuente de energía es el mecanismo que produce la onda, y puede ser un martillo, unas pesas que se dejan caer desde una cierta altura o incluso explosivos. La onda se detecta mediante los aparatos denominados geófonos, que transforman el movimiento en -una señal eléctrica. La señal se recoge y almacena en un sismógrafo. Los geófonos se sitúan a lo largo de una línea recta llamada perfil sísmico. Los perfiles suelen ser de unos 100 metros de longitud, colocándose los geófonos a intervalos regulares cada 10 metros aproximadamente (ver figura 3.7). La longitud del perfil debe

Maza Geófonos 1

W 1 7 5 1 , , , , , , , , , , , I 1 7 S W 144 168 192

DISTANCIA (M)

VELOCIDAD SlSMlCA EN r n l s g

m - L__ 0

RIPABLE CON UN ivlARGlNAL O RIPABLE RIPABLE SOLAMENTE TRACTOR POR DOS TRACTORES TRAS ROTURA POR

EN TANDEM EXPLOSIVOS

ser de unas tres veces la máxima profundidad que se va a investigar con objeto de poder recibir las ondas refractadas. Con los perfiles normales de 100 metros se explora el terreno hasta una profundidad de unos 30 metros. A partir de los registros sismo- gráficos obtenidos, se pueden determinar las velocidades de propagación Vp y Vs de las distintas capas del terreno así como las profundidades de los contactos entre distintos materiales. Para su determinación existen varios métodos (Método de los Frentes de Onda, Método Más-Menos,. . .) que se utilizan con ayuda informática. En la figura 3.8 se muestra un perfil típico obtenido con sísmica de refracción. A partir de la velocidad Vp puede estimarse la ripabil idad de un terreno (figura 3.9), asi como su grado de alteración y fracturación (figura 3.10) mediante la compa- ración con los valores considerados típicos para cada t ipo de roca. También se pueden obtener el módulo de elasticidad y el coeficiente de Poisson dinámicos de la roca mediante las expresiones:

siendo y la densidad de la roca.

I Velocidad (m / S) MATERIAL I

d

SUELOS Suelo suaerficial Loess 1 Aluvial suelto Coluvial suelto

Aluvial firme 1 Coluvial firme Arcillas Morrenas alaciales (Comoactas) 1 Residual

ROCAS SEDIMENTARIAS Areniscas 1 Lutitas

Blanda

Cristalina Anhidrita. Yeso. Sales

ROCAS METAMORFICAS I Pizarras Esauistos 1 Gneis Marmol Cuarcitas 1 ROCAS IGNEAS Granito

Velocidades tQicas de propagación

según materiales

Granodiorita

1 Gabro Diabasa

Basalto

NOTAS: (1) Las velocidades en suelos son para material seco ( 2 ) Las velocidades en roca decrecen con la alteración y la fracturacion de esta

En el proyecto de túneles de carretera, la aplicación más habitual de la sísmica de refracción es el estudio de las boquillas, ya que determina las profundidades de la roca sana y alterada y permite establecer el punto más conveniente para el emboquille del túnel. Para el estudio de las características de la roca a profundidades grandes, pueden emplearse alguno de los métodos descritos a continuación, que necesitan la perforación previa de uno o varios sondeos:

3P-iiOLL.- LOS geófonos se colocan en la superficie y la energía, habitualmente mediante explosivos, se produce en el interior del sondeo a profundidades variables.

D U ~ & N - ~ D L E . - ES el sistema contrario, la energía se suministra en la superficie y el geófono se sitúa a una cierta profundidad en el taladro por medio de una sonda.

C % G ~ S - H O L E . - Se utiliza cuando se tienen varios sondeos a lo largo de la traza de un túnel. En uno de ellos se produce la onda y en los otros se colocan geófonos a profundidades similares. Esto se repite a varias profundidades para captar las velocidades sísmicas en cada estrato del macizo.

geofísica de un sondeo, permite medir las propiedades físicas del terreno atravesado por dicho sondeo. Para ello se introduce una sonda o torpedo en el taladro, que lleva en su interior los aparatos geofísicos correspondientes. En el exterior se dispone una polea calibrada para poder conocer la profundidad exacta a que está la sonda y un sistema electrónico, normalmente un ordenador personal portátil, que recoge y almacena la información que le envía la sonda.

Como resultado final se representa la magnitud medida en función de la profundidad a lo largo del sondeo, y se correlaciona con la testificación geológica que se ha efectuado del mismo (figura 3.1 1).

LOG " 9 PCB'S (PPNI

ELEVO 20 ,O 7 5 ioc

Ejemplos de diagdf;as

A continuación se describe separadamente cada una de las diagrafías que se emplean más habitualmente. .-. - r -S'S--: 3ci, r i x - 3 C L - Se mide la resistencia eléctrica entre un electrodo colocado en superficie y otro situado en la sonda, para lo cual el sondeo se debe rellenar con un fluido conductor. Otra posibilidad es transmitir una corriente eléctrica entre la superficie y la sonda, y medir la resistencia entre otros dos electrodos situados también en la sonda Este log permite identificar distintas Iitologías y fijar contactos entre diversos materiales. También puede localizar zonas porosas y permeables, que conducen mejor la corriente eléctrica. -.--- -U S z 3 iri,o: rz3c a - , ~ zs - El Potencial Espontáneo o SP mide la diferencia de potencial eléctrico entre un electrodo colocado en el interior de la sonda y otro en la superficie. Permite distinguir distintas Iitologías, localizar contactos y detectar zonas permeables.

- -- i*;IL:CcaC \' z - _ : : i e =? A=, a = , S~~ - En la sonda se dispone un sistema que produce una corriente eléctrica alterna de alta frecuencia. Ésta produce a su alrededor un campo magnético variable, que se transmite por la roca, y genera en ésta corrientes secundarias también variables. Éstas a su vez crean un campo magnético secundario que es registrado por un sensor situado también dentro de la sonda. Se detectan con este método las zonas permeables y fracturadas, así como los contactos entre distintas Iitologías. C C 7 : - i i/.' c -, _, ,- ,, ,,,) - Con este método se mide la radiactividad natural del macizo

con un sistema sensible a los rayos gamma colocado en la sonda. Su alcance es de unos pocos centímetros. Permite distinguir la Iitología en formaciones sedimentarias, ya que las arcillas y pizarras tienen un contenido alto de minerales radiactivos, mientras que las calizas y areniscas lo tienen normalmente bajo. Pueden existir perturbaciones debidas a intrusiones volcánicas o sedimentos graníticos.

--- qc \:;--?S*. - En la sonda se coloca una fuente radiactiva de neutrones rápidos. Los neutrones chocan con los átomos de hidrógeno de la roca y son decelerados, siendo absorbidos por otros núcleos atómicos del terreno. En esta absorción se desprende un rayo gamma, que es detectado por un sensor situado en la sonda. Dado que la mayor parte de los átomos de hidrógeno del terreno corresponden a la molécula de agua (HzO), este log permite distinguir las zonas con distintos contenidos de agua.

~ ~ 2 , ~ s s ~ s , ~ / t l l ; ~ - s ~ p t ,# A - E l log gamma-gamma proporciona una medida de la densidad de la roca por el siguiente sistema: una fuente radiactiva de rayos gamma colocada en la sonda emite esta radiación, que es parcialmente reflejada por el terreno proporcionalmente a la densidad de éste, y captada por un sensor que está en la sonda.

~ 3 5 53,\iicc.- En la sonda se sitúan un emisor y un receptor de ondas acústicas o sonoras, y se mide el tiempo transcurrido entre la emisión y la recepción y, por tanto, la velocidad sónica o de propagación de las ondas de compresión sonoras por el material. Es necesario que el sondeo se llene de agua o lodo de perforación. Permite distinguir distintas litologías y porosidades, y con otros datos tales como la densidad, se pueden calcular los parámetros elásticos dinámicos de la roca.

J~;- t.i ET?S 2:- -/-IAJ'C.- En este log simplemente se mide el diámetro del taladro a lo largo de su longitud, que se puede correlacionar con la resistencia de la roca o su tendencia a desmoronarse.

LO^ T E R M I C O . - El sondeo debe estar lleno de un fluido, generalmente agua, y se deja en reposo para que la temperatura del agua se equilibre con la del terreno circundante. Entonces se mide la temperatura a lo largo de la longitud del taladro por medio de un termómetro alojado en la sonda. El registro de temperaturas teóricamente debe ser creciente con la profundidad, a un gradiente de un grado cada 40 metros, aproximadamente. Las temperaturas anómalas indican normalmente entrada o salida del fluido del taladro, señalando zonas con una cierta circulación de agua.

71 ~ ' P I G R ~ A ~ iDADE5 Los sondeos mecánicos son el método más utilizado para la investigación geológica de los túneles, pues proporciona una información directa del material rocoso que se encuentra en profundidad. La campaña de sondeos debe ser cuidadosamente preparada con objeto de optimizar al máximo el número y la longitud de los mismos. Antes de planificar la campaña de sondeos se debe realizar el estudio geológico de superficie que permita tener una idea aproximada de la roca que se va a encontrar, y dónde pueden localizarse los puntos potencialmente más complicados. Los objetivos de una campaña de sondeos previa al proyecto de un túnel deben ser los siguientes:

- Estudiar las boquillas: litología, profundidad de la roca sana, presencia de agua, etc. Detectar las distintas litologías presentes en el túnel, y de cada una, obtener muestras para ser analizadas en el laboratorio. Analizar las zonas donde potencialmente puedan existir fallas o roca de peores características.

Los sondeos pueden ser verticales, horizontales o inclinados. Lo normal es que sean verti- cales, empleándose los otros para fines especiales. El método usual de perforación es a

QQQ

1 - BOCA DE DIAMANTE 4 - ANILLO DE CALIBRADO 7 - TUBO EXTERIOR 2 - ANILLO SEPARADOR 5 - TUBO DE EXTENSION 8 - COJINETE DE BOLAS

rotación con corona de diamantes o widia, que permite obtener un testigo continuo del terreno atra- vesado. En las zonas donde no sea necesario obtener testigo en toda la longitud del sondeo, puede em- plearse la perforación a rotación con tricono o a percusión. Para obtener testigo de roca se emplea general- mente una corona de doble tubo como la de la figura 3.12, siendo los diámetros de perforación y de testigo más frecuen- temente usados los que figuran en la tabla 3.2.

Columna sondeo

I ESll i lcAClO~ Una vez obtenido el testigo de un sondeo, es necesario proceder a EIl la testificación del mismo, es decir, extraer de él una serie de datos geofísicos y representarlos en función de la 1 - ima profundidad. Es conveniente acompañar la testificación con unas fotografías en color del testigo colocado en las cajas portatestigo. La figura 3.1 3 es una columna típica de un sondeo, tal y como se suelen representar habitualmente los datos, y la figura 3.14 es la

de un f o t o correspondiente del testigo

l I -1

FECHA REVÉS MANIO. a W = ENSAYO g DTA

BATER Long. 3 R. Q. D. Fracturas Grado de 130 cm. Alteración Tipo Diam.

N.F. Recup. 2 m) Diam. Prof. (%) , LITOLO. DESCRIPCION

255075 2 4 8 1 6 111 I I I IVV 1 1 1 1 0 1 l l l l

99,s TUBO PVC

70 - N.F. nin -

ierie de transición 2a I = 240" 125"-35" 11 = 80"-90'

PROYECCION ESTEREOGRAFICA

POLOS DE DlSCONTlNUlDADES

N

,brasivid media

1.A.d.i lurabilid

alta 99.459

Los datos deben ser tomados por un geólogo con experiencia y de forma minuciosa. A continuación se resumen las características del terreno que se obtienen más frecuentemente:

I N F O R M A C I ~ N GENERAL.- Se indicará el número de sondeo, el lugar y la fecha de realización y las coordenadas del emplazamiento. También la inclinación del sondeo si no es vertical, y el tipo de corona y el diámetro de perforación a lo largo del mismo.

L ITOLOG~A. -S~ incluirá una descripción litológica de los terrenos atravesados, separando los diversos materiales e indicando la profundidad de cada contacto. También se suele incluir una columna con la descripción gráfica, mediante diferentes tramas, de las distintas litologías.

?ZCU?ERA.C~&~J DE TESTIGG Y R Q 2 . - La recuperación de testigo es la relación en tanto por ciento entre la longitud del testigo y la longitud del taladro. Cuando el sondeo está bien ejecutado se aproxima normalmente al 100%, y se representa por tramos homogéneos. El RQD (Rock Quality Designation) se define como la relación en tanto por ciento entre la suma de longitudes de los trozos de testigo mayores de 10 cm y la longitud total del taladro. Se representa también por tramos homogéneos habitualmente de forma gráfica (véase figura 3.13).

*- ,, .rT3 b,,&~r$i\!.- jD De cada junta se obtienen sus características representativas, ya analizadas en el apartado 3.2.3. En un sondeo es posible medir el buzamiento, tipo de junta, espaciamiento, rugosidad, alteración, apertura y relleno. Habitualmente no es posible conocer la dirección de buzamiento, a no ser que el sondeo esté orientado: en tal caso al testigo se le hace una marca antes de sacarlo indicando la dirección norte. Otro parámetro que se obtiene, y que da una idea del grado de fracturación del macizo rocoso, es el número de juntas cada 30 cm de testigo. Se representa en escala logarítmica.

.~,tis~r;,r,iCr\i.- Se representa el grado de alteración de la roca a lo largo del sondeo según una escala de I a VI (véase el capítulo 3.2.3). El I representa la roca sana y el VI corresponde a suelo residual.

N ? h j E i FRSAT!CO.- Se debe medir el nivel freático en sucesivos días después de la perforación del sondeo, hasta que se estabilice. Esto se puede hacer mediante un piezómetro. El tipo de piezómetro más común es una sonda que se introduce por el taladro y detecta eléctricamente la presencia de agua.

i i t l i s ; e s ~ ~ ~ s ? ENSAYOS.- Deben indicarse las profundidades a las que se han extraído muestras del testigo, su tipo, y los resultados de los ensayos de laboratorio efectuados sobre ellas.

Ensayos in-sita

permeabilidad in-situ del macizo rocoso, aunque más bien de forma cualitativa que cuantitativa. El mecanismo del ensayo se muestra en la figura 3.1 5: en el sondeo ya perforado se selecciona la zona a ensayar, que se aisla del resto mediante dos obturadores. Mediante una bomba se inyecta agua en la zona de ensayo a una presión

Q = Caudal (I/min) Sondeo P = Presión (Icp/cm2)

Obturador

Filtraciones

ensayo Lugeon I

Ensayo 1 Lugeon

El aspecto de la curva indica el fenómeno que se produce en el macizo como consecuencia de la circulación de agua: flujo laminar, atoramiento de las juntas, destaponamiento, etc. En la figura 3.17 se muestran gráficas típicas de distintos ensayos Lugeon junto con su interpretaciód5).

4 b Entre 46 y 76 cm.

dada, midiéndose el caudal que es necesario aportar para mantener la presión fija. Dicho caudal es la cantidad de agua que se filtra a la roca, normal- mente a través de las juntas, ya que la matriz rocosa es mucho más impermeable que estas. El ensayo se repite para presiones crecientes entre O y 1 0 Kplcmz y luego para presiones decre- cientes nuevamente hasta O Kplcmz. Se representa en un gráfico presión1 caudal ( f igura 3.16), indicando con flechas el camino seguido en el ensayo.

Ens con célula triaxal I

fuerzas que van a actuar sobre el sostenimiento son las debidas precisamente a la relajación de dichas tensiones naturales. En terrenos sueltos suele admitirse que el estado

MEDIDA DE TENSIOl\lES NATURALES DE LA ROCA

tensional es litostático, es decir, debido al peso del terreno. En tal caso las tensiones en

El estado tensional inicial del macizo

un punto dado son las siguientes:

rocoso es uno de los factores determinantes de la estabilidad de un túnel, pues las

Tensión vertical:

Tensión horizontal:

Tensiónes tangenciales:

Z,, = o siendo, y: Peso específico del terreno H: Profundidad del punto u: Coeficiente de Poisson de la roca (en torno a 0,3)

No obstante, en los macizos rocosos las tensiones suelen ser bastante distintas de las litostáticas. Ello se debe a que la roca mantiene ciertas tensiones residuales debido a su historia geológica: fallas, pliegues, erosiones, sedimentaciones, etc. que incrementan o relajan tensiones y por lo tanto modifican el estado tensional de la roca. Se han desarrollado ciertos métodos que permiten evaluar, de una forma relativamente aproximada, las tensiones de la roca a gran profundidad, aprovechando los sondeos perforados en el macizo. Los métodos más utilizados son los que se describen a continuación:

O V E K C O R I N G . - El proceso del ensayo Overcoring se muestra en la figura 3.18. En el fondo de un sondeo se efectúa un taladro coaxial de menor diámetro, en cuyo interior se introduce y se fija a la roca mediante una resina una célula triaxial, que es capaz de medir deformaciones en la dirección radial y longitudinal.

A continuación se perfora un anillo en torno a la célula, la roca se expande, y se miden estas deformaciones. Las tensiones se calculan aplicando la teoría elástica conocidos el módulo de elasticidad y el coeficiente de Poisson de la roca. Estos pará- metros pueden obtenerse en laboratorio mediante el ensayo de Compresión Simple. Otra posibilidad es extraer el testigo con la célula y aplicar una presión radial uniforme que equi- libre la deformación producida. Dicha presión debe coincidir con la tensión del macizo rocoso perpen- dicularmente al eje del sondeo.

Existe otro método más antiguo pero más simple, llamado " DoorStopperU, cuyo

Ensayo Hat-/dck

mecanismo aparece en la figura 3.19. En el fondo de un sondeo se fija con resina un medidor de deformaciones radiales. Se efectúa una perforación de un anillo como en el caso anterior y se deja a la roca deformarse. Esta deformación se mide y mediante las

ecuaciones de la Elasticidad puede obtenerse la tensión del macizo rocoso perpendicular al eje del taladro, es decir, la o, supuesto que el sondeo es vertical.

FLAT-JACK (GATO PLANO) . - E l procedimiento del ensayo se

Colocación del dispositivo muestra en la figura 3.20. Con m S -@g//& una sierra radial se perfora una

U /

ranura en una pared de roca, midiéndose la deformación producida entre unos puntos de medida previamente fijados al terreno.

A continuación se introduce un gato plano en la ranura y se da presión hasta equilibrar las deformaciones. La tensión de la roca en la dirección perpendicular a la ranura coincidirá con la presión del gato. Este ensayo es habitual efectuarlo en galerías de reconocimiento, en cuyo caso puede realizarse con orientaciones diversas en el frente y en los hastiales. Existe también la

posibilidad de llevarlo a cabo en un sondeo mediante una sonda especialmente conce- bida para este uso.

FRACIURACI~N H ~ L ~ R A U L ~ C A . - Es una determinación indi- recta y menos precisa que las anteriores, pero a cambio puede realizarse a grandes profundidades de forma fácil. Un tramo de sondeo se aisla con dos obturadores y se introduce entre ambos agua a presión hasta romper la roca. Después se sigue mi- diendo la presión del agua conforme la fractura se va ampliando.

OTROS ENSAYOS IN-SITU

ENSAYO DE PLACA DE CARGA.- Existen otros ensayos in-situ que se emplean en ocasiones y que ofrecen una información

valiosa, pero que no se utilizan, salvo en ocasiones especiales, por su coste o complejidad. Se efectúa en el interior de una galería de reconocimiento excavada en el macizo rocoso. Mediante unos gatos se ejerce una presión sobre las paredes de la galería (figura 3.21), midiéndose las deformaciones con unos extensómetros. Del resultado puede deducirse el módulo de elasticidad del terreno, que será tanto más representativo cuanto mayores sean las dimensiones de la placa.

El inconveniente de este ensayo es la necesidad de realizar la excavación de una galería y, por tanto, el elevado coste de su realización.

reconocimiento se talla una probeta aislando el p lano de discont inuidad que se quiere

Columna de transmisión ensayar (figura 3.22). Se aplica una carga normal de esfuerzos y otra transversal hasta la rotura.

Repitiendo el ensayo con distintas tensiones normales se deduce la cohesión y el ángulo de rozamiento de la junta. La complejidad y coste de este ensayo hace que no se utilice habitualmente para el caso de los

de caqp")

-. -~i~,a,yc - * a 5;";ESiS , B ~ T ~ C G . - También llamado dilatómetro. Consiste en un aparato que se introduce en un sondeo hasta una profundidad dada (figura 3.23). Mediante una

MANOMETROS

NIVEL -

m/ i o h r n n a de transrnmon ,de apoyos

Plano de corte ' Bentonita

bomba se introduce agua a presión, midiéndose la deformación radial que sufre el taladro. La relación entre ambas es el módulo presiométrico, del cual puede deducirse el módulo de elasticidad de la roca. Se ha empleado en ocasiones, pero t iene el inconveniente de una elevada dispersión y de que

- PRESIOMETRO - ofrece valores superiores a los reales, ya que al comprimirse la roca en todas las direcciones ésta tiene un mejor comportamiento resistente que en el caso, por ejemplo, del ensayo a compresión simple.

extraídas por lo general de los sondeos.

rr'swms DE Í D E I \ ~ T ~ ; ~ C A ~ I U \ !

Lii. f,/'iipiA DE&$,l>,A,.-

Es el procedimiento que aporta más datos en relación con la composición mineralógica y petrográfica de la roca. De una muestra se talla una lámina con un espesor de fracciones de milímetro y ésta se examina con un microscopio petrográfico con luz normal y polarizada, obteniendo las correspondientes microfotografías. Las características que se pueden obtener son: la determinación de los minerales presentes en la roca, la determinación de los tamaños de grano, de las microfracturaciones y de posibles alteraciones, y el análisis de la matriz que envuelve los granos, etc.

Se describen a continuación los ensayos más

Gcb!S!i3.A->, tiLibf.EDAC \: l@POSIL;r?D.- Todos estos ensayos se llevan a cabo de forma similar, operando con el peso aparente, seco o saturado de la muestra y con su volumen. La muestra se satura introduciéndola en agua contenida en un recipiente en el que se ha practicado un vacío por un período de al menos una hora. Para secar la muestra se introduce en una estufa a una temperatura de 105°C hasta que su peso se estabiliza. Los pesos se miden con la balanza y los volúmenes introduciendo la muestra en agua o mediante un calibre si se talla previamente con forma regular. Con todo ello se obtienen los resultados operando tal como se indica en la tabla 3.3.

comúnmente utilizados para la identificación y descripción de las muestras de roca,

GRUPO PARÁMETRO OBTENCIÓN

tienen por objeto obtener las características resistentes y deformacionales de las rocas, que generalmente luego se emplean en los cálculos de estabilidad. En laboratorio obtendremos siempre unos parámetros válidos para la roca sana (la muestra ensayada es un especimen de roca sana), pero que deberán ser convenientemente reducidos para ser aplicados al macizo rocoso, que contiene, además de roca sana, varias familias de fracturas con rellenos más deformables y menos resistentes.

VE L O C ~ D A D s&\~IcA. - Este ensayo consiste en medir la velocidad de propagación de las ondas sísmicas a través de una muestra de roca. Para ello se utiliza un transmisor y uno o varios receptores adheridos a la misma. Con un osciloscopio puede controlarse y medirse la propagación de la onda, obteniéndose las velocidades de las ondas P y S: Vp y Vs.

Ensayo de compresión

simple

Ensayo

De ellas pueden deducirse el módulo de elasticidad dinámico y el coeficiente de Poisson de la roca sana con las mismas expresiones que aparecen en el apartado 3.3.2.

RESISTEi\jCib, ,A, C ~ ! W P \ E S I ~ I \ ~ SiivIIE.- Sobre una muestra cilíndrica, de altura como mínimo igual a 2 veces el diámetro, se aplica una fuerza axial P (véase figura 3.24), hasta la

rotura. Midiendo las deformaciones longitudinal y transversal se puede dibujar la curva tensión-deformación, obteniendo el módulo de elasticidad E y el Coeficiente de Poisson v, y por supuesto la resistencia a compresión simple Rc.

RESISTENCiA A !R~.C.:!~N.- Puede ensayarse una muestra

a tracción directamente aunque, debido a las dificultades para poder aplicar la carga, suele emplearse el método indirecto conocido como Ensayo Brasileño (figura 3.25). Consiste en romper una probeta cilíndrica similar a las empleadas para el ensayo de compresión simple, pero cargándola transversalmente. La resistencia a tracción se calcula mediante la fórmula que aparece en la figura.

i-!N5AY3 TR!AXIAL.- El ensayo triaxial consiste en cargar una muestra cilíndrica de roca con una cierta presión lateral o3 aumentando la presión axial o longitudinal ol hasta la rotura. Ésto se repite con otras muestras similares para distintas 03, un mínimo de tres veces, dibujándose el círculo de Mohr en rotura en un diagrama 0-7 (ver la figura 3.26). La curva tangente a todos los círculos de rotura es la que define la resistencia de la roca. En suelos esta curva se aproxima a la Iínea recta, definiéndose la cohesión como la ordenada de la Iínea de rotura para o igual a cero, y el ángulo de rozamiento interno como la pendiente de la recta. En rocas la curva que se suele obtener no es una recta sino una curva del estilo de la que aparece en la figura 3.26, pero también se emplean los términos de cohesión y de ángulo de rozamiento.

ENSAYO DE CORTE DIRECTG DE UIVA 1 U P T A . - En el

ensayo de corte directo se trata de medir los parámetros de resistencia al corte de una junta de la roca. Para ello se tallan varias probetas de forma que se aisle una porción de la junta que

una junta se quiere ensayar (véase figura 3.27). Se aplica una carga

normal a la junta (o) y se va aumentando la carga transversal (7) hasta la rotura. En un gráfico se representa el punto obtenido; y este proceso se repite como mínimo en tres ocasiones para distintos valores de o. Los puntos del gráfico definen la recta de rotura de la junta, en la que puede obtenerse la cohesión y el ángulo de rozamiento de la discontinuidad, del mismo modo que en el apartado anterior.

-7 l l I

Ensayo no 3

Ensayo no 1 1

q = Angulo de rozamiento C = Cohesión

quiere estimar la resistencia que va a presentar la roca frente a la excavación mecánica o frente a la perforación. Cuando la roca es muy abrasiva no es rentable la excavación mecánica y ha de emplearse el sistema de perforación y voladura.

ENSAYO DE LOS ANGELES.- ES un ensayo de abrasión que se realiza introduciendo unas muestras de roca y un elemento abrasivo (bolas de acero) en un tambor rotatorio durante 500 revoluciones. Posteriormente se pesa la fracción de la muestra cuyo tamaño se ha mantenido superior a 1.7 milímetros y se expresa en tanto por ciento con respecto al peso inicial.

ENSAYO CERCHAR.- Una muestra de roca se raya con una broca de acero endurecido que termina en una punta cónica. La broca se carga con una carga de 7 l<p y se desplaza sobre la superficie de la roca 1 cm. Con un micrómetro se mide el plano producido en la punta de la broca debido al desgaste provocado por la roca, y se expresa en décimas de milímetro. Este ensayo se utiliza para estimar la aptitud de la roca para ser excavada mediante rozadora.

(1) Whittaker B.N. & Frith R.C.: "Tunnelling. Design, Stability and Construction", The lnstitution of Mining and Metallurgy, 1990.

(2) Bouvard-Lecoanet A., Colombet G. y Esteulle F.: "Ouvrages Souterrains. Conception, Realisation, Entretien " , Presses de I'école nationale des Ponts et C haussees, 1988.

(3) Brown E.T. (Editor): " Rock Characterization, Testing and Monitoring " , Pergamon Press, 1 98 1 .

(4) Hoek E. & Brown E.T.: "Underground Excavations in Rock", lnstitution of Mining and Metallurgy, 1980.

(5) Jimenez Salas J.A. et al: "Geotecnia y Cimientos II", Ed. Rueda, 1981.

(6) Wittke W.: " Rock Mechanics", Springer-Verlag, 1990.

(7) Herget G.: " Stresses in Rock", Balkema, 1988.

(8) Cornejo L.: "Excavación mecánica de túneles", Ed. Rueda, 1988.

(9) Instituto Tecnológico Geominero de España (ITGE): "Plano Geológico de España, escala 1/50.000, Serie Magna", ITGE.

Las clasificaciones geomecánicas tienen por objeto caracterizar un determinado macizo rocoso en función de una serie de parámetros a los que se les asigna un cierto valor. Por medio de la clasificación se llega a calcular un índice característico de la roca, que permite describir numéricamente la calidad de la misma. Es una herramienta muy útil en el diseño y construcción de obras subterráneas, pero debe ser usada con cuidado para su correcta aplicación, pues exige conocimientos y experiencia por parte de quien la utiliza. Las clasificaciones pueden ser usadas en la etapa de Proyecto y también durante la Obra. En la etapa de Proyecto, permiten estimar el sostenimiento necesario en base a las propuestas del autor de cada sistema de clasificación, mientras que durante la Obra, permiten evaluar la calidad del terreno que se va atravesando conforme avanza la excavación del túnel y aplicar el sostenimiento correcto en cada caso. En los esquemas que siguen se muestran las actividades concretas a efectuar en las dos etapas que se han considerado:

ETAPA DE PROYECTO.- Las actividades típicas que se realizan durante el Proyecto en relación con las Clasificaciones Geomecánicas son las siguientes:

Efectuar el Estudio Geológico de la traza por donde va a discurrir el túnel. Evaluar litologías, resistencia de la roca, estado de las juntas y presencia de agua.

3 Dividir el perfil longitudinal del tílnel en tramos de características similares. r- Calcular el índice de clasificación de cada tramo. Es conveniente el uso de al

menos dos sistemas de clasificación, los más habituales son el de Bieniawski y el de Barton.

o Asignar a cada tramo un sostenimiento, en función del índice de calidad obtenido de las propuestas del sistema de clasificación y de la propia experiencia del proyectista.

ETAPA DE OBRA.- Durante la Obra las Clasificaciones Geomecánicas se usan según se explica a continuación:

a Es necesario tener previstos varios tipos de sostenimiento y los criterios para aplicar cada uno de ellos. Generalmente éstos deberán venir incluidos en el Proyecto Constructivo del túnel. En cada avance calcular en el frente el índice de calidad de la roca. Para ello es conveniente usar unos estadillos que se rellenan en el propio tajo. En función del índice de calidad obtenido y de otros criterios que pudiera haber definidos, aplicar el tipo de sostenimiento correspondiente.

A lo largo de los años se han desarrollado y usado varios sistemas de clasificación. Los más antiguos fueron los de Terzaghi, Protodyakonov y Lauffer. Hoy en día básicamente se usan dos sistemas, el de Bieniawski o RMR y el de Barton o sistema-Q.

El sistema de clasificación Rock Mass Rating o sistema RMR fue desarrollado por Z.T. Bieniawski (2) durante los años 1972- 73, y ha sido modificado en 1976 y 1979, en base a más de 300 casos reales de túneles, cavernas, taludes y cimentaciones. Actualmente se usa la edición de 1989, que coincide sustancialmente con la de 1979. Para determinar el índice RMR de calidad de la roca se hace uso de los seis parámetros del terreno siguientes:

La resistencia a compresión simple del material El RQD (Rock Quality Designation)

e El espaciamiento de las discontinuidades El estado de las discontinuidades La presencia de agua La orientación de las discontinuidades

El RMR se obtiene como suma de unas puntuaciones que corresponden a los valores de cada uno de los seis parámetros enumerados (tabla 4.1). El valor del RMR oscila entre O y 100, y es mayor cuanto mejor es la calidad de la roca. Bieniawski distingue cinco tipos o clases de roca según el valor del RMR:

CLASE 1: RMR>80, Roca muy buena CLASE 11: 80<RMR<60, Roca buena CLASE 111: 60<RMR<40, Roca media CLASE IV: 40<RMR<20, Roca mala CLASE V: RMR<2O, Roca muy mala

En las tablas 4.2 a 4.5 adjuntas se indican los criterios de valoración utilizados para los distintos parámetros. Hay que hacer las siguientes consideraciones:

RESISTENCIA DE LA ROCA.- Tiene una valoración máxima de 15 puntos, y puede utilizarse como criterio el resultado del Ensayo de Resistencia a Compresión Simple o bien el Ensayo de Carga Puntual (Point Load).

RQD.- Tiene una valoración máxima de 20 puntos. Se denomina RQD de un cierto tramo de un sondeo a la relación en tanto por ciento entre la suma de las longitudes de los trozos de testigo mayores de 10 cm y la longitud total del sondeo.

S E P A R A ( ¿ I ~ ~ \ ~ E B ~ T R E DISCGNT~NUIDADES.- Tiene una valoración máxima de 20 puntos. El parámetro considerado es la separación en metros entre juntas de la familia principal de diaclasas de la roca.

ESTADO DE L A S DICCOi\ITIF\IUIDADES.- Es el parámetro que más influye, con una valoración máxima de 30 puntos. Pueden aplicarse los criterios generales de la tabla 4.2 o bien aplicar la tabla 4.3, en la que el estado de las diaclasas se descompone en otros cinco parámetros: persistencia, apertura, rugosidad, relleno y alteración de la junta.

PRESENCIA DE AGUA.- La valoración máxima es de 15 puntos. La tabla 4.2 ofrece tres posibles criterios de valoración: estado general, caudal cada 10 metros de túnel y relación entre la presión del agua y la tensión principal mayor en la roca.

O R I E N T A C I ~ N D E LAS DISCONTINUIDADCS. - Este parámetro tiene una valoración negativa, y oscila para túneles entre O y -12 puntos. En función del buzamiento de la familia de diaclasas y de su rumbo, en relación con el eje del túnel (paralelo o perpendicular), se establece una clasificación de la discontinuidad en cinco tipos: desde Muy Favorable hasta Muy Desfavorable. Según el tipo, se aplica la puntuación especificada en la tabla 4.5 de acuerdo a la valoración de la tabla 4.3. Para cada clase de roca, Bieniawski propone una cuantía de sostenimiento y un método de excavación (véase tabla 4.6). Esta tabla es aplicable a túneles excavados en roca

mediante perforación y voladura, con anchura o vano comprendido entre 5 y10 metros. Por último creemos de utilidad indicar algunas correlaciones que algunos autores han elaborado entre el RMR y otros parámetros, citadas igualmente por Bieniawski ('),(*):

CARGA SOBRE EL SOSTENIMIENTO PARAMETROS m Y s DE HOEK Y BROWN

RMR - 100

RMR- 100

RMR- 100

m=mi e l 4

RMR- 100

p: carga sobre el sostenimiento Roca excavada mecánicamente Roca excavada mediante voladura

y: peso específico de la roca m, S: Parámetros del criterio de rotura de Hoek & ~ r o w n ' ~ '

b: anchura del túnel mi: Parámetro m de la roca intacta, obtenido en laboratorio

MODULO DE DEFORMACION CORRELACIÓN CON LA CLASIFICACIÓN DE BARTON

E, = 2 RMR-100 (para R M R > ~ ~ ) RMR=9.0 lnQi-44 (Según B~enlawski, 1976)

RMR- 10 RMR=10.5 lnQi-42 (Según Abad et al, 1983)

(i, = 10 40 (para RMR<85) RM R= 'l 3.5 1 nQi-43 (Según Rutledge, 1978)

Em: Módulo de deformac~ón en GPa Según d~versos a~tores"','~'

TIEI\NO D E ESTASILIDAD.- En la figura 4.1 se observa el tiempo máximo de estabilidad de la excavación sin sostener, en función de la calidad de la roca (RMR) y del vano existente (normalmente la anchura del túnel).

- -

HORA DIA SEMANA MES ANO 10 ANOS

1 hora 10 1 O2 1 O3 1 0' 1 0'

TIEMPO DE ESTABILIDAD HORAS

El Sistema-Q o Clasificación de Barton fue desarrollado en Noruega en 1974 por Barton, Lien y Lunde, del Instituto Geotécnico Noruego '3'. Se basó su desarrollo en el análisis de cientos de casos de túneles construidos principalmente en Escandinavia. Actualmente se denomina Nuevo Método Noruego de túneles al diseño de las excavaciones basándose directamente en los trabajos de Barton. La Clasificación de Barton asigna a cada terreno un índice de calidad Q, tanto mayor cuanto mejor es la calidad de la roca. Su variación no es lineal como la del RMR, sino exponencial, y oscila entre Q=0.001 para terrenos muy malos y Q=1000 para terrenos muy buenos. El valor de Q se obtiene de la siguiente expresión:

RQD Jr Jw Q = - - - Jn Ja SRF

donde cada parámetro representa lo siguiente: RQD es el índice Rock Quality Designation, es decir, la relación en tanto por ciento entre la suma de longitudes de testigo de un sondeo mayores de 10 cm y la longitud total. Barton indica que basta tomar el RQD en incrementos de 5 en 5, y que como mínimo tomar RQD=I 0. J, varía entre 0.5 y 20, y depende del número de familias de juntas que hay en el macizo. J, varía entre 1 y 4, y depende de la rugosidad de las juntas. J, varía entre 0.75 y 20, y depende del grado de alteración de las paredes de las juntas de la roca.

J, varía entre 0.05 y 1, dependiendo de la presencia de agua en el túnel. SRF son las iniciales de Stress Reduction Factor, y depende del estado tensional de la roca que atraviesa el túnel. Para la obtención de cada uno de los cinco últimos parámetros, Barton aporta unas tablas donde se obtienen los valores correspondientes en función de descripciones generales del macizo rocoso (tabla 4.7, tabla 4.8, tabla 4.9, tabla 4.1 0 y tabla 4.12).

NOTAS: (1) Para boquillas tomar 2.Jn (2) Para intersecc~ones tomar 3.Jn

(1) Datos de la familia principal.

(2) Sumar 1 .O si el espaciamiento entre juntas es mayor de 3 metros.

(3) Jr=0.5 para juntas planas con espejo de falla en alineaciones con orientación favorable.

NOTAS:

(1) Datos de la familia principal.

(2) Recubrimientos discontinuos de las paredes, de espesor entre 1 -2mm. o menos.

(3) Recubrimientos continuos de las paredes, de espesor <5mm.

Una vez obtenido el valor de Q, en las tablas 4.13 - 4.1 7 Barton propone el sostenimiento a emplear. Para ello es necesario un nuevo parámetro dependiente de las dimensiones del túnel, llamado Dimensión Equivalente. La dimensión equivalente se obtiene como cociente entre el vano o altura del túnel (el mayor de ambos valores) y un factor denominado Excavation Support Ratio (ESR). El ESR se obtiene de la tabla 4.1 1 en función del tipo de excavación.

NOTAS:

(1) Los índices tercero a sexto son estimaciones groseras. Se puede aumentar J, si hay medidas de drenaje

(2) No se considera formación de hielo.

NOTAS:

(1) Túneles hidráulicos para centrales hidroeléctricas; se excluyen conducciones forzadas a alta presión.

(2) Se toma la dimensión equivalente igual al máximo del vano o la altura dividido por ESR.

Las tablas 4.1 3 - 4.1 7 van acompañadas de unas notas aclaratorias; en ellas se definen 38 categorías de sostenimiento, en función principalmente de Q y de la Dimensión Equivalente. La figura 4.2 permite conocer en qué categoría de sostenimiento nos situamos.

Categortas del sostenimiento

(Ba rto n) 1

CATEGORIAS DEL SOSTENIMIENTO

n Muy Extrem. Exc. 1 Excep. mala 1 Extrem. mala / Muy mala / Mala iMedia Buena buena/ buena buena/

E

0,001 0,Ol 0,l 0,4 1 4 10 40 100 400 1000

lndice Q

NOTAS :

(1) Rc: Resistencia a compresión simple, R t : Resistencia a tracción.

(2) 03: Tensión principal mayor del macizo (de compresión).

(3) Considerar SRF un 25-50% si las zonas débiles influyen, pero no intersectan la excavación.

(4) Para campos tensionales anisótropos, reducir 0,8 Rc y 0,8 R t para 5<oI/03<1 0 ó 0,6 Rt si ~ , / c T ~ > I 0.

(5) SRT=2.5-5 si la cobertera es menor que la anchura del túnel.

Más re~ientemente'~), Barton ha publicado la figura 4.3, en donde se muestra de una manera más intuitiva el sostenimiento que es necesario colocar según los valores de Q y de la Dimensión Equivalente. Aparecen nueve zonas en el gráfico, correspondiendo la número 1 a la zona en la que no es necesario sostenimiento, la número 2 al soste- nimiento más ligero y así sucesivamente hasta la número 9, en la que es necesario el sostenimiento más potente. Hay que señalar que esta última edición proporciona sostenimientos algo diferentes de la edición de 1974. Por último, existen unas expresiones que ligan el índice Q con el máximo vano sin sostener y con la presión que ejerce la roca sobre el sostenimiento '*), '3':

M A X I M O VANO SIN SOSTENER PRESION SOBRE LA CLAVE

Máx. Vano = 2 . €SR Qo4 Con tres o más familias de juntas

PRESION SOBRE LOS SiASTIALES Con menos de tres familias de juntas

Expresiones iguales a las anteriores, pero modificando

el valor de Q con los siguientes criterios: P = 2 -\IJn

- si Q>10, tomar 5 Q - si O.l<Q<lOr tomar 2.5 Q 3Jr 'fl - si QeO. 1 , tomar Q

NOTA (para las tablas 4.13 a 4.17): Claves para identificar el sostenimiento:

sb: Bulonado puntual.

B: Bulonado sistemático, espaciado entre bulones en metros.

(utg): Bulones pasivos inyectados.

(tg): Bulones activos inyectados.

S: Hormigón proyectado, espesor en centímetros.

(mr): Con mallazo.

clm: Malla de gallinero

CCA: Anillo de hormigón encofrado, espesor en centímetros.

(sr): Armado con acero.

C L A S E S D E R O C A

1 Excep. 1 Extt-em. 1 Muy 1 Mala 1 1 f3uena1z$ 1 [ " ;$1 mala mala mala e s w s W I 1

CCA : HORMIGON DE REVESTIMIENTO

Sfr : HORMIGON PROYECTADO CON FIBRA

B : BULONADO SISTEMATICO

Sb : BULONADO PUNTUAL

S : HORMIGON PROYECTADO

RRS : CERCHAS + HORMIGON PROYECTADO

Calidad del macizo rocoso

Jn Ja SRF

Se explican brevemente a continuación las características de otros sistemas de clasificación geomecánica, pero sin entrar en el contenido concreto de las mismas ya que hoy en día son poco utilizados.

tipo 6 son arenas y gravas, el tipo 7 y 8 son arcillas, y el tipo 9 son terrenos expansivos. Para cada uno de ellos da una carga de roca sobre el revestimiento del túnel en función de las dimensiones de éste, de la profundidad y de la densidad de la roca.

CLASIFICACI~I\? DE TERZAGil l La Clasificación de Terzaghi fue propuesta por este autor

llamado coeficiente de resistencia a partir del cual se definen las cargas que actúan sobre el revestimiento. El valor de f se obtiene en rocas a partir de la resistencia a compresión simple y en suelos a partir de la cohesión y el ángulo de rozamiento.

en 1964. Clasifica los terrenos en 9 tipos: los tipos 1 al 5 son diversas calidades de roca, el

CLASIFICACIÓN DE PROTODYAKONOV ES una clasificación que fue usada en los países

a partir de características generales. En un ábaco se muestra el tiempo de estabilidad de

del Este de Europa. Se basa en clasificar los terrenos asignándoles un parámetro " f "

CLASIFICACI~F\J DE LAUITEF:

la excavación sin sostener en función de la clase de terreno y del vano máximo del túnel.

Se definen siete clases de terreno, denominadas A, B..., G,

parámetro se proponen unos ciertos sistemas de sostenimiento. Hoy en día no se utiliza esta clasificación, aunque el RQD sigue siendo uno de los principales parámetros de caracterización de los macizos rocosos.

CLASIFICACIÓI~I RQD Fue propuesta por Deere y se basa en clasificar el terreno

RSR (Rock Structure Rating). El RSR se obtiene como suma de tres parámetros: RSR = A + B + C, y tiene un valor comprendido entre O y 100, al igual que el RMR. El parámetro A tiene un valor máximo de 30 puntos, y depende de la litología y de la estructura del macizo rocoso. El parámetro B tiene un valor máximo de 50 puntos, y es función de la orientación de las juntas con respecto al eje del túnel y de la separación entre diaclasas de la misma familia. Por último, el parámetro C tiene un valor máximo de 20 puntos, y depende de la presencia de agua y del estado de las diaclasas. El autor propone unas tablas de doble entrada en donde se obtienen los tres valores A, B y C. Posteriormente aporta unas expresiones para calcular la carga de la roca sobre el revestimiento en función del RSR y de las dimensiones del túnel.

únicamente por el valor del Rock Quality Designation o RQD. Según el valor de este

c~~sirrr¿,wCm R S R Fue definida por Wickham et al en 1972, y es el antecesor

conociendo únicamente datos superficiales. Además de los parámetros que incluye el sistema RMR, se usan: la historia tectónica del macizo, la durabilidad de la roca, el método de excavación y el tiempo que va a estar el túnel sin sostener.

inmediato del sistema RMR. Se basa en obtener un índice de calidad de la roca llamado

CLASIFICACIÓN DE GONZÁLEZ VALLEJO Propuesta por este autor español en 1983, esta clasificación es una adaptación de la Clasificación de Bieniawski para ser aplicada

(1) Moreno Tallón, Elías: "Las Clasificaciones Geomecánicas de las Rocas, aplicadas a las Obras Subterráneas", Cuadernos EPTISA, no 1, 1981.

(2) Bieniawski, Z.T.: " Engineering Rock Mass Classifications", John Wiley & Sons, Inc., 1989.

(3) Barton N., Lien R. & Lunde J.: "Engineering Classification of Rock Masses for the Design of Tunnel Support". Rock Mechanics, Springer Verlag, vol. 6, 1974.

(4) Hoek & Brown: "Underground Excavations in Rock", lnstitution of Metalurgy, 1980.

(5) Barton, N. Et al: "Norwegian Method of Tunnelling". World Tunnelling. Julio-Agosto, 1992.

Los cálculos de los túneles tienen por objeto comprobar el dimensionamiento del sostenimiento y revestimiento de los mismos, así como verificar la estabilidad de cada una de las fases constructivas. Al igual que en el resto de las aplicaciones de la Mecánica del Suelo y de las Rocas, en el cálculo de túneles es necesario efectuar una serie de simplificaciones que hacen que el análisis sea siempre aproximado. Existen varios métodos de cálculo para el estudio de las excavaciones subterráneas, con diversos grados de simplificación y, por lo tanto, con diversos grados de exactitud y también de facilidad de manejo. Puede efectuarse una primera clasificación de los métodos de cálculo en dos grupos: analíticos y numéricos. Los analíticos son los basados en el empleo de expresiones obtenidas de la teoría de la Elasticidad aplicada al terreno. Los métodos numéricos se basan en dividir el terreno y10 el revestimiento del túnel en una serie de elementos, tanto más pequeños cuanto más exacto queramos que sea el cálculo, y aplicar en ellos las leyes de la Elasticidad. En ambos casos, la complejidad de las expresiones resultantes obligan a realizar el cálculo por medio de un programa de ordenador. Los métodos usados más comúnmente para el cálculo de túneles son los siguientes:

ANAL~TICOS:

o Formulación elástica o Método de las Curvas Características

NUMÉRICOS:

0 Método de los muelles o Reacciones Hiperestáticas Método de los Elementos Finitos

0 Método de las Diferencias Finitas Método de los Elementos de Contorno

a Método de los Elementos Discretos En los capítulos siguientes se describen los fundamentos y posibilidades de cada uno de ellos.

Las expresiones de la Teoría de la Elasticidad, que son un sistema de ecuaciones en derivadas parciales, pueden ser aplicadas al caso de los túneles haciendo una serie de hipótesis simplificadoras:

El túnel se supone de forma circular y sin revestir. Q El terreno se supone indefinido, homogéneo e isótropo.

Se analiza un problema bidimensional en deformación plana. Con estas hipótesis las ecuaciones son integrables analíticamente. En la figura 5.1, figura 5.2 y figura 5.3, se muestran los resultados que se obtienen para los tres casos más habituales: medio elástico y condiciones iniciales isótropas, medio elástico y condiciones iniciales anisótropas y medio elasto-plástico con condiciones iniciales isótropas '3'.

El alcance de este método es muy limitado ya que las hipótesis simplificadoras son tan severas que no se ajustan prácticamente a ningún caso real. El interés de estas formu- laciones reside en que dan un orden de magnitud de las tensiones y deformaciones que

Medio eldstico. Tensiones iniciales

isótropas

van a aparecer y de su distribución, y también en que son la base del Método de las Curvas Características.

MEDlO ELÁSTICO. TENSIONES INICIALES ISÓTROPAS

MEDlO ELÁSTICO. TENSIONES INICIALES ANISÓTROPAS

0~=0 .5 (o :+o~) (1 +a2)+0.5(o:+o~)(1+3a4) C O S ~ @

~~=0.5(o:+o~)(1-a~)-0.5(o~+of)(193a~-a~) cos28

T,~=O.~(CJ:+CT~)(I -3a4+2a2)sin28

siendo a=Wlr

MEDlO ELASTOPLÁSTICO. TENSIONES INICIALES ISÓTROPAS

Medio elástico. Tensiones iniciales

cp 1 +sencp s iendo k, = td(45+-) =

2 1- sencp

Medio elastoplástico Tensiones iniciales

isótropas

El Método de las Curvas Características o Método de Convergencia/Confinamiento permite analizar el comportamiento tensodeformacional de la superficie excavada así como del sostenimiento aplicado a la misma. Es un método simple y fácil de usar, pero que también presenta tantas hipótesis simplificadoras, que su utilidad es más bien relativa. El método de curvas características del terreno y del sostenimiento explica de forma gráfica los fundamentos del Nuevo Método Austríaco de Construcción de Túneles (NATM), que es el origen de muchos de los métodos constructivos de túneles usados hoy en día. Las hipótesis de partida del método de las curvas características son las que se relacionan a continuación:

- Se considera una sección plana del problema, supuesto un comportamiento con simetría cilíndrica, en deformación plana.

- El túnel se supone circular y con un sostenimiento colocado en todo su contorno. El terreno es indefinido, homogéneo e isótropo. El estado de tensiones inicial es también isótropo, con una tensión inicial 00.

Para el terreno es válido alguno de los siguientes criterios de rotura: elástico, elastoplástico perfecto, elastoplástico frágil y medio puramente cohesivo (con rozamiento cp=O). Para el sostenimiento son válidos todos o alguno de los siguientes elementos: anillo de hormigón proyectado o colocado, anclajes o bulones y cerchas.

Los fundamentos del método se explican con ayuda de la figura 5.4. El sistema consiste en dibujar dos curvas: la curva de convergencia o del terreno y la curva de confinamiento o del sostenimiento. Ambas se representan en el mismo diagrama, donde el eje horizontal es la deformación S, del contorno de la excavación hacia su interior y el eje vertical representa la tensión radial o, del elemento de terreno situado en el contorno de la superficie excavada del túnel. La curva del terreno ABC se obtiene de las ecuaciones elásticas vistas en el apar-

Deformacion radial 81

tado anterior. Inicialmente el terreno tiene una tensión o 0

(punto A). Una vez excavado el terreno, la roca empieza a relajarse, disminuyendo la tensión y aumentando la deformación. En una primera fase (A-B) el comportamiento es elástico, por lo que la curva es una Iínea recta. En el punto B se supera el criterio de rotura, y la Iínea tiene una forma u otra dependiendo del comportamiento plástico elegido para el terreno. Si la Iínea del terreno corta el eje X significa que la excavación se autosostiene sin necesidad de ningún elemento estructural

Modelo para cálculo por

reacciones hipe 7 -estáticas

de refuerzo, con una deformación radial dada por la abcisa del punto de corte. Si, por el contrario, la curva no toca el eje X y comienza a subir de nuevo (punto C) se produce el colapso del túnel. La forma de la curva del sostenimiento depende de la rigidez de los elementos resistentes, que lo componen: hormigón, bulones y cerchas. Es posible definir el momento en que deben colocarse los diversos elementos resistentes, que generalmente se realiza un tiempo después de efectuada la excavación. La curva del sostenimiento es la D-E-F-G. En el ejemplo se supone que se emplean dos elementos resistentes (p.e. bulones y hormigón). El primero empieza a actuar cuando ya se ha producido una deformación 61, mientras que el segundo se coloca cuando ya se ha producido una deformación ¿j2. Cada elemento del sostenimiento tiene un comportamiento elastoplástico perfecto: tiene una primera zona elástica (DE ó FG) hasta alcanzar un cierto criterio de rotura, y a partir de ahí una zona plástica (EF), en que se deforma sin soportar más carga. Generalmente las dos curvas se cortarán en un punto de equilibrio, que nos define la deformación radial alcanzada por el contorno del túnel (6,) y la presión que la roca está ejerciendo sobre el sostenimiento o,. Si no hay punto de equilibrio significa que la excavación es inestable. Otra posibilidad es que el terreno se autosostenga antes de colocar el refuerzo, en tal caso la curva del terreno cortaría el eje X entre el origen y el punto D. Del método se extraen dos conclusiones de interés: e La roca tiene una cierta capacidad de autosostenerse, es decir, el túnel puede ser estable sin necesidad de sostenimiento.

Es conveniente dejar relajarse al terreno antes de colocar el sostenimiento, por supuesto, sin que se produzca el colapso, porque de este modo la cuantía de los elementos estructurales del mismo podrá ser menor. Dicho de otro modo: hay que aprovechar al máximo la capacidad autoportante de la roca. La sencillez del Método de las Curvas Características hace que sea posible usarlo manualmente, o escribir un programa sencillo que proporcione puntos de las curvas. El programa SOSTENIM, publicado por el Instituto Geológico y Minero de España permite efectuar estos cálculos de forma cómoda en un ordenador personal ").

numérico consiste en modelizar una sección plana del sostenimiento o revestimiento del túnel mediante una serie de elementos lineales o barras. Los nodos tienen tres grados de libertad: movimiento X e Y y giro Z, lo que permite obtener axiles, cortantes

y flectores en las barras. El terreno, se representa me- diante unos muelles que, por un lado, conectan con los nodos del revestimiento y, por otro, están totalmente coac- cionados (véase figura 5.5). Los muelles simulan la reacción pasiva que ejerce el terreno sobre el hormigón cuando éste trata de desplazarse hacia él. Por tal motivo sólo trabajan a compresión y nunca a tracción.

EsJCiserzos obtenidos en el cúlculo d e

Reacciones Hip e~estriticas

La carga activa que ejerce la roca sobre el revestimiento se modeliza mediante una fuerzas actuando sobre los nodos del mismo. El valor de la carga ha de suponerse, y es aquí donde radica la inexactitud de este método. Se hacen distintas consideraciones según la zona de aplicación de las cargas:

CARGAS ?/EATICALES SOBRE SOVEDA: Normalmente se toman igual a p, = y . H , es decir, directamente la presión litostática. No obstante, si el túnel es muy profundo ese valor resulta excesivo, y debe reducirse para considerar que es una cierta zona de descarga la que únicamente gravita sobre el revestimiento del túnel.

CARGAS i-iORiZrJ:\JiALES §OBRE I-IASI;ALES: Pueden tomarse igual a p, = Ko . p,, siendo Ko el coeficiente de empuje en reposo del terreno, que normalmente se toma como 0.5 en suelos y variable en rocas, oscilando entre 0.5 y 3.0 dependiendo de la profundidad y de la historia tectónica del macizo. No obstante, las cargas horizontales sólo deben considerarse cuando el terreno realmente empuje horizontalmente, lo que sucede si Ko es alto o si el revestimiento es relativamente flexible.

c~ i%Gi - .S vrmcri,irs E?\! SCiLC2A: No suelen considerarse, pues el terreno normalmente ya se ha relajado bajo el túnel cuando se hormigona la solera. Aplicar el valor de p, = y . H da resultados incorrectos generalmente.

Cr-,F.GA5 DE AGUA: Se aplica la presión hidrostática si se supone que el revestimiento es totalmente impermeable. Si no, hay que reducir su valor en una cierta fracción. La constante elástica del muelle Em se obtiene a partir del módulo de balasto del terreno K, de la longitud de los muelles L y de su separación medias. La expresión es la siguiente: €,=S-L-K, suponiendo que la sección transversal de los muelles es A=l m2.

Por su parte, el módulo de balasto t< es complicado de obtener, pues depende no sólo del terreno, sino también de las dimensiones del túnel y del radio de curvatura del revestimiento en cada punto.

E Se suele utilizar el valor medio que se obtiene de: K=-

R.( IW)

donde E es el módulo de elasticidad del terreno, u es el coeficiente de Poisson, y R es el radio medio del túnel. Algunas veces se ha modelizado también el rozamiento entre terreno y hormigón. Esto se

consigue colocando otros muelles perpendiculares a los que simulan la reacción normal. La simplificación básica que adopta este método es que no considera el terreno, sino que sustituye éste por unas fuerzas y por unos muelles que tratan de reproducir su acción. Los resultados están del lado de la seguridad, pues generalmente no actúa sobre el hormigón el total de las cargas de excavación, sino solamente una parte. Esto es así porque no se considera la capacidad auto- portante de la roca, ni la excavación en sucesivas fases constructivas, ni la acción del bulonado, etc. Los resultados típicos obtenidos con este tipo de cálculo son: la deformada del revestimiento y las leyes de axiles, cortantes y flectores en el hormigón (figura 5.6), que permiten dimensionar la armadura del revestimiento. Para efectuar el cálculo es válido cualquier programa de análisis matricial de estructuras que incluya barras reticuladas planas.

GENERALIDADES El Método de los Elementos Finitos (FEM ó MEF) consiste en modelizar el terreno, que es un medio continuo, mediante una serie de elementos discretos conectados unos con otros a través de unos puntos comunes llamados nodos. Dentro de cada elemento planteamos las ecuaciones de la Elasticidad en función de los valores de los movimientos y de las tensiones en los nodos, suponiendo que en el interior del elemento ambas siguen unas leyes conocidas. Posteriormente se elabora una matriz, llamada matriz de rigidez [K], que contiene las r~gideces de cada elemento frente a cada movimiento y la conexión entre los diversos elementos. En definitiva, se llega a la s~guiente expresión matricial: [p] = [Y\] - [d] donde [K] es la matriz de rigidez del problema, [p] es el vector de cargas sobre los nodos, dato del problema, y [d] son los movimientos de los nodos, que son las incógnitas. Una vez resuelto el sistema lineal, pueden obtenerse las tensiones en cualquier punto volviendo a aplicar las ecuaciones de la Elasticidad dentro de cada elemento. NO se profundizará aquí en el desarrollo de las formulaciones concretas del MEF por ser de gran complejidad y estar fuera del alcance de estas páginas. En la bibliografía que se adjunta pueden encontrarse los correspondientes desarrollos matemáticos '",17)

El MEF es el método más usado hoy en día para el cálculo de túneles. Esto es así porque reúne las siguientes características:

El modelo puede ajustarse a la real~dad tanto como se desee: es posible calcular túneles de cualquier forma y con cualquier revestimiento, el límite lo fija la capacidad del programa y del ordenador.

c Pueden efectuarse cálculos trid~mensionales o bien cálculos simplif~cados bidimensionales.

3 Se pueden considerar las fases constructivas de que consta el proceso de excavación del túnel. Para el terreno existen gran variedad de comportamientos y de criterios de rotura. Asimismo, pueden modelizarse terrenos anisótropos y no Iiomogéneos. Pueden tenerse en cuenta las orientaciones reales de las diaclasas de la roca con respecto al túnel.

o El único inconveniente es la elevada potencia de cálculo que se neces~ta para la mayoría de las aplicaciones, aunque hoy en día existen programas para ordenadores personales que permiten efectuar cálculos completos mediante el MEF.

A continuación se exponen unas normas de tipo práctico que es conveniente seguir en las dos etapas principales de que consta el cálculo: la introducción de los datos y la obtención de los resultados.

CREACIUN DE MODELO

a En primer lugar se debe abordar la cuestión de si el cálculo se efectúa con un modelo tridimensional o uno bidimensional. El cálculo 3D es lógicamente más exacto, pero también más complicado de manejar y consume mucha más memoria y tiempo de ordenador. Para la mayoría de los problemas, la simplificación 2D resulta más que suficiente, ya que un túnel posee aproximadamente una simetría cilíndrica a lo largo del eje del mismo. Solamente en casos tales como entronques, embocaduras, cruce de túneles a distinto nivel, etc. es necesario abordarlos mediante 3D.

El cálculo bidimensional puede efectuarse con elementos tridimensionales, que es lo que se denomina cálculo pseudo-3D. Esto permite tener en cuenta las orientaciones reales de las diaclasas y de la esquistosidad de la roca.

En el cálculo 20 hay que tener en cuenta que el problema es realmente tridimensional, y que la cercanía del frente del túnel a la sección calculada afecta a las cargas que actúan sobre el conjunto terreno-sostenimiento. Esta simplificación de 3D a 2D puede efectuarse por dos métodos: el método de distribución de tensiones y el método de la reducción de rigideces. El primero consiste en aplicar la carga total de excavación en varias etapas, de forma que sobre una sección dada, en función de su distancia al frente, actúa un cierto porcentaje de la carga total. El segundo método consiste en reducir la rigidez de los elementos del sostenimiento colocados con posterioridad, para simular el hecho de que soportan una carga menor.

La malla de elementos finitos (véase figura 5.7) se elabora teniendo en cuenta varias premisas: debe adaptarse a todas las fases constructivas (otra posibilidad es crear una malla distinta para cada fase), los elementos deben ser tanto menores cuanto mayor se prevea la variación de tensiones en cada zona; el aspecto de los elementos debe ser lo más regular posible, ...

El tamaño de la malla debe ser tal que, como mínimo, existan entre dos y tres diámetros de terreno en torno al túnel. Si el túnel es somero la malla debe llegar hasta la superficie del terreno.

Si es posible utilizar simetrías para simplificar el problema debe hacerse, pues eso reduce notablemente el tamaño del cálculo.

Las condiciones de contorno dependen de cada caso pero generalmente se coaccionan los lados laterales e inferior de la malla perpen- dicularmente a sí mismos (figura 5.7).

Las cargas actuantes son el peso de la roca y la reacción del terreno que rodea la zona modelizada. Sólo en casos especiales se consi- derarán otras fuerzas: agua (si el revestimiento es impermeable), ciertas sobrecargas de uso, etc. e Dentro de las fases constructivas, siempre hay que considerar una fase O o fase inicial que reproduzca el estado tensional de la roca antes de comenzar la excavación del túnel. La

estabilidad de un túnel depende en gran medida del estado tensional inicial, por lo que este dato es de suma importancia.

Las características de la roca se obtendrán a partir de los ensayos de laboratorio de que se disponga pero también de la experiencia del calculista, ya que los parámetros a usar no son solamente función del terreno, sino del método y de las hipótesis de cálculo que se utilicen.

Existen diversos criterios de rotura para el terreno. En muchas ocasiones es válido un cálculo elástico, mientras que en otras es necesario emplear un modelo elastoplástico o incluso un modelo viscoplástico. Los datos del criterio de rotura suelen ser en el caso más simple la cohesión y el ángulo de rozamiento interno.

de números incomprensibles, por lo que esta costumbre está tendiendo actualmente a desaparecer.

Los gráficos a obtener dependerán del programa concreto que se esté usando, pero

O B T E N C I Ó N D E RESULTADOS

generalmente están comprendidos en tres grupos:

e LOS resultados del cálculo conviene presentarlos siempre

G R Á F I C O S DE MO'dliVllENTZ)S

D E L T E R R E N O . - Puede pre- sentarse un gráfico de la malla deformada (figura 5.8) o en forma vectorial, apli- cando en cada nodo un vector que señala en módulo y dirección la cuantía del movimiento en cada punto (figura 5.9). Otra posibilidad es un gráfico de isolíneas de deformación, donde se di- bujan las líneas que unen los puntos de igual movimiento (f igura 5.1 O) , pudiendo colorearse las zonas inter- medias o no.

GRÁFICOS DE TEj\l51QNES

T E R R E N O . - Se representan habitualmente en forma de

en forma de gráficos y tablas. Es poco útil presentar largos listados de impresora llenos

gráficos de isolíneas para cualquiera de los valores ten- sionales: o,, o, (figura 5.1 l ) , tensiones principales, T,, etc. Es también de ut i l idad representar en cada elemen- to la dirección y magnitud de las tensiones principales (figura 5.12).

G R Á F I C O S DE TENSIONES Ehl

E L S O S T E N I M I E N T O . - E S conveniente obtener las leyes de axiles, cortantes y flectores (figura 5.13) en el hormigón en cada fase constructiva, y estimar a continuación la necesidad o no de armadura y dimen- sionar su cuantía en caso afirmativo

Movimientos verticales

Tensión vertical ( ~ y

tensiones principales

1.

G i a f i co

AWSYS 5.0 A JAN 1.7 1 9 9 5 &:&$0&43

STEP=2 SUB =4 T 1 WE=2

sostenzmzento

Se comentan de forma más breve otros métodos numéricos que también se usan con cierta frecuencia, aunque son menos potentes que el Método de Elementos Finitos.

ecuaciones de la Elasticidad se aplican al modelo, pero sustituyendo las derivadas parciales según X e Y por los correspondientes cocientes incrementales, con lo que se transforma el sistema de ecuaciones diferenciales que define el problema, en un sistema de ecuaciones algebraicas lineales. Existen formulaciones explícitas e implícitas. Las primeras dan directamente las tensiones en cada punto partiendo de las zonas de tensión o movimiento conocido: los contornos. En las formulaciones implícitas se llega a un sistema de ecuaciones que es necesario resolver. En este caso es necesario efectuar iteraciones hasta ajustar todos los resultados del contorno a las condiciones iniciales dadas. El Método de Diferencias Finitas únicamente puede modelar el terreno, aunque se puede combinar con el MEF introduciendo elementos lineales o barras que simulan el comportamiento del hormigón o de los bulones.

M r- r r 9DO DE LAS DIFERENClAS FINITAS

(BEM) se basa en discretizar el contorno de la excavación del túnel mediante unos

El Método de las Diferencias Finitas consiste

elementos lineales, mientras que el terreno se supone elástico, homogéneo e isótropo. En cualquier punto del continuo se pueden calcular los movimientos y las tensiones

básicamente en dividir el terreno en una serie de incrementos según X y según Y. Las

deformaciones en torno a una

excavación circular ('oek & Brown)

inducidas por la excavación como sumatoria de las producidas por cada uno de los elementos lineales que forman el contorno del túnel, cuya expresión analítica es conocida. En "Underground Excavations in Rock" de Hoek & Brown '2', se incluye un pequeño programa que calcula mediante este método, así como unos gráficos de distribución de tensiones en torno a excavaciones de diversas formas y con diversas condiciones tensionales iniciales (figura 5.14). Se han desarrollado también formulaciones no explícitas, que permiten combinar el BEM con el MEF. En tal caso el contorno del túnel, el sostenimiento y la zona de roca más próxima a la excavación se

%mula mediante Elementos Finitos, mientras que la roca más alejada, dado que se mantendrá en régimen elástico, se modeliza mediante Elementos de Contorno, Esto permite simplificar algo los cálculos efec- tuados unicamente con el MEF.

que se hace es modelizar el terreno por medio de unos bloques que están en contacto unos con otros. Estos bloques se supone que representan al macizo rocoso roto por las diversas familias de diaclasas (véase figura 5.1 5). Las ecuaciones se plantean en el movimiento de cada bloque, pudiendo éstos ser rígidos o deformables. Se resuelve para cada pequeño incremento de tiempo, pudiéndose obtener desplazamientos, velocidades y aceleraciones. El parámetro fundamental en este método es la resistencia a esfuerzo cortante de las diaclasas, que viene dado por la cohesión y el ángulo de rozamiento de la junta. Es un método que exige una gran potencia de cálculo y que sólo modeliza adecuadamente los terrenos formados por roca de buena calidad con familias de juntas bien definidas.

i v s ~ i ~ 3 ~ DE ifi5 EF:!,/:ER!TGS GICCEF-35 En el Método de 10s Elementos Discretos lo

(1) Sinha R.S. (Editor): "Underground Structures, Design and Instrumentation", Developments in Geotechnical Engineering, 59A, Elsevier, 1989.

(2) Hoek & Brown: "Undergrounds Excavations in Rock", lnstitution of Mining and Metalurgy, 1980.

(3) Bouvard-Lecoanet A. et al: "Ouvrages Souterrains. Conception, Realisation, Entretien", Presses de I'école nationale des Ponts et C haussées, 1988.

(4) Pande G.N. et al: "Numerical Methods in Rock Mechanics", John Wiley e( Sons Ltd, 1990.

(5) IGME: "Sostenimiento de Excavaciones Subterráneas. Programa para el Cálculo de Curvas Características", Instituto Geológico y Minero de España, 1988.

(6) AFTES-Grupo de Trabajo no 7: "L'emploi de la Méthode Convergence/confinement", AFTES, 1979.

(7) Wittke W.: "Rock Mechanics", Springer-Verlag, 1990.

Los métodos de excavación de túneles dependen en primer lugar, y de forma fundamental, del tipo de terreno a atravesar. De este modo cabe hablar por separado de la excavación de túneles en roca y de la excavación de túneles en suelos o terrenos blandos. En el presente manual nos estamos refiriendo siempre a la excavación en roca, que es lo más habitual en los túneles de carretera. Solamente en ciertos túneles urbanos podría plantearse la excavación en suelos. La perforación de túneles en terrenos blandos es un tema muy complejo en el que se mezcla la excavación en sí y el tratamiento del terreno, existiendo un gran número de sistemas de ejecución: escudos, precorte mecánico, prebóveda de jet-grouting, congelación, incluso sostenimiento con hormigón proyectado de forma similar a los túneles en roca. En la literatura especializada puede encontrarse mucha información respecto a este tema, que se escapa del alcance del presente manual. Los métodos de excavación de túneles en roca son básicamente dos: el de perforación y voladura, mediante la utilización de explosivos y la excavación mecánica, mediante tuneladoras o topos (TBM), especialmente diseñados para tal fin y las máquinas de ataque puntual, rozadoras o martillos de impacto. El método de perforación y voladura, es el más utilizado para túneles en roca y el único posible cuando la roca es muy abrasiva, muy resistente o se encuentra en estado masivo. Básicamente consiste en efectuar unos taladros en el frente de excavación, cargarlos con explosivos y hacerlos detonar. La reacción explosiva genera una energía en forma de presión de gases y energía de vibración, capaz de quebrantar la estructura de la roca. En la excavación mecánica, la energía utilizada se concentra en la punta del útil o útiles de la máquina en contacto con la roca, de modo que supera la resistencia de la roca a su penetración o indentación y la resistencia a tracción y cizallamiento. Generalmente, la energía inicial es suministrada por motores eléctricos que, mediante un circuito hidráulico, la transmiten a las herramientas de corte en contacto con la roca. Los sistemas de excavación mecánica son fundamentalmente tres:

ROZADORA.- Máquina de ataque puntual; consta de un brazo desplazable que bate la sección de excavación y que lleva en su extremo un cabezal provisto de las herramientas de corte "picas". El par de rotación del cabezal, el empuje de los cilindros hidráulicos del brazo y las fuerzas de reacción de la máquina, se concentran en las puntas de las picas iniciadoras del rozado. El material rocoso excavado se desprende en forma de lajas o chips de roca.

TLii\l?ELADORA, TOPO O TBM (TL;i\?i\?EL BC)RIi\IG MACI-!]HE).- Se produce la excavación de la roca a plena sección, generalmente de forma circular. La energía mecánica es generada mediante motores eléctricos y transmitida a la cabeza giratoria de la máquina en forma de un par de rotación, a través de circuitos hidráulicos. Este par de rotación, junto con el empuje proporcionado por unos cilindros hidráulicos a la cabeza de la máquina contra el frente de excavación, aportan la energía mecánica a las herramientas de corte "discos", que la transmiten a la roca a través de la superficie de contacto de los mismos.

El nivel de la energía liberada es capaz de producir, en primer lugar la penetración o indentación de los cortadores de disco y, en segundo lugar, el quebrantamiento por tracción y cizallamiento de la roca entre las series de cortadores concéntricos dispuestos en la cabeza de la máquina. La excavación de la roca se produce en forma de lajas o chips de roca de un tamaño superior al producido con rozadoras.

!MARTILLO H I D R A ~ L I C G . - Máquina de ataque puntual; la energía se genera mediante motores eléctricos o diesel y se transmite a través de un circuito hidráulico, a la herramienta "puntero", situada en el extremo del brazo articulado de la máquina. La roca es quebrantada mediante la energía de impacto generada, y el material rocoso excavado se desprende en forma de pequeños bloques o esquirlas. En los próximos capítulos se analiza con más amplitud cada uno de los sistemas de excavación, así como los criterios que permiten elegir el sistema más adecuado. Otro aspecto que tiene una importancia básica en los rendimientos que puedan alcanzarse, es el sistema que se utiliza para la extracción del escombro resultante de la excavación, desde el frente hasta el exterior del túnel.

FUNDAi\REi~TOS DEL WIÉTODO

Como ya hemos señalado anteriormente, la excavación mediante perforación y voladura es el sistema más utilizado para la excavación de túneles en roca. Las partes o trabajos elementales de que consta el ciclo de trabajo característico de este sistema son las siguientes:

Replanteo en el frente del esquema de tiro Perforación de los taladros Carga de los taladros con explosivo (barrenos)

0 Voladura y ventilación e Retirada del escombro y saneo del frente, bóveda y hastiales.

El esquema de tiro es la disposición en el frente del túnel de los taladros que se van a perforar, la carga de explosivo que se va a introducir en cada uno y el orden en que se va a hacer detonar cada barreno. En la figura 6.1 se muestra un esquema de tiro correspondiente al avance de un túnel típico excavado en dos fases. El esquema de tiro

se diseña al principio de la obra en base a la experiencia y a una serie de reglas empíricas recogidas en los

manuales sobre explosivos. Posteriormente, a lo largo de la excavación del

túnel, se irá ajustando en función de los resultados obtenidos en cada voladura. En

la f igura 6.2 se observa una hoja resumen con los datos de una voladura

1 0 6 4 2 2 4 6 1 0 en un frente de túnel. . . . . S + . a . . Los esquemas indicados se refieren al

avance o primera fase constructiva del túnel . Para las siguientes fases (destroza), existe la posibilidad de perforar el f rente, con taladros

horizontales, o en banco y con taladros

DETALLE DEL CUELE DATOS DE LOS DETONADORES

TIPO : lvllCRO RETARDOS DE A. I

tvllCRO It\!STANTE DE INTERVALO RETARDOS DETONACION ENTRE DOS 1 1 / SUCESIVOS 1

TIPO DE CARGA N" DE CARGA ,Y L = 4 . 2 - 4 TALADRO (kg) TALADROS TOTAL (kg) ----

CUELE 2,9A 10 29.4

VACIO 2

' DESTROZA 4,2 38 1595

ZAPATERA 4,2 15 63

TOTAL CARGA EXPLOSIVA (kg) m

1 DATOS DE TALADROS, CARGA Y EXCAVACION

1 AREA EXCAVADA 47.5 m ' LOhlG TOTAL PERFORADA 436.8 m / 4,2 m TALADROS CARGADOS 50.8 mm AVAi\KE COblSEGUIDo -

VOLUMEN EACNADO 199,5 m ' TALADROS \/ACIOS 89 nim

DENSIDAD D t TALADROS 2,19 m /m '

esci-iución del lo' ud CARGA MAX DLTONADOR 25,2 C,g

1.42 kg/m3 LONG PERFORACION 4.2 m DENSIDAD DE CARGA

verticales, del mismo modo que en las voladuras en banco en el exterior. (figura 6.3). La voladura de la destroza con barrenos horizontales, tiene la ventaja de que se uti l iza la misma maquinaria y sis- temática de trabajo que para la fase de avance y además, puede recortarse con la voladura la forma teórica del túnel. Por otro lado, la vol~dura en banco es más rápida de llevarse a cabo, con un consumo menor de explosivo, y no necesita de la retirada del escombro en cada voladura, pero necesita un recorte posterior para conseguir el perfil del túnel en los hastiales. Los taladros deben de tener una longitud un 5-10 % superior a la distancia que se quiera avanzar con la pega, llamada longitud de avance, ya que siempre se producen pérdidas que impiden aprovechar al máximo la longitud de los taladros. Las longitudes de avance típicas están comprendidas entre 1 y 4 metros y se fijan en función de la calidad de la roca: cuanto mejor es la calidad del terreno, mayores serán los avances posibles. Con una roca de

calidad media-buena es habitual perforar taladros de 3 a 3,50 metros para avanzar entre Z,80 y 3,20 metros en cada voladura. Los gráficos de la figura 6.4 y figura 6.5, obtenidos de la experiencia en la excavación de un gran número de túneles, permiten estimar aproximadamente el número de taladros y el consumo de explosivos necesarios en función de la sección de excavación, la longitud de avance y la calidad de la roca. Los taladros de un esquema de tiro típico se disparan con cierto desfase (microretardo ó retardo) entre ellos, con objeto de hacer más efectiva la voladura. En la figura 6.1 aparece, junto a cada taladro, un número que indica el orden en que son disparados. En función de dicho orden se distinguen cuatro zonas dentro de un esquema de t i ro , y cada una tiene un tratamiento diferente (véase figura 6.6):

FRONTAL

EN BANCO

Para la perforación y voladura, la sección teórica del túnel se divide en zonas, en las que las exigencias, tanto de densi- dad de perforación, como de carga específica de explosivo y secuencia de encendido son distintas. Estas zonas son:

Cuele e Contracuele e Destroza

de explosivo 1 " SECCION DE EXCAVACION ( mz) e Zapateras

Contorno

de trllrldros 1 2 SECCION DE EXCAVACION ( m?) en la roca que ofrezca al resto de las

En la figura 6.6. se muestra la s~tuación de estas zonas dentro de la secc~ón

c Fadmenre disgregable transversal. A continuación se definen las carac- terísticas de estas zonas:

k W ' l ' C G E L E - El cuele es la fase de la voladura

fases una superficie libre hacia la que

a "l W

pueda escapar la roca, con lo cual se posibilita y facilita su arranque. El cuele es sin duda

l

la más importante de todas las fases de la voladura de un túnel en relación con el avance de la voladura.

l l ~

Existen distintos tipos de cuele (figura 6.7). Los cueles en V y en abanico facilitan la salida

l I

de la roca hacia el exterior, pero tienen el inconveniente de que los taladros forman u11

que se d~spara en primer lugar. Su

ángulo con respecto al eje del túnel, por lo que su correcta

~ ú n z e r o especificol 9 o 10 20 30 40 50 60 /O 80 90 100 final~dad es crear una primera abertura

perforación tiene una mayor dificultad y exige variar el esquema de perforación para cada long~tud de

avance. En túneles de secciones de excavación reducidas estos cueles no permiten grandes

avances por voladura. El cuele más usado por su simplicidad es el cuele paralelo. Consiste en un taladro vacío (barreno de expansión), sin explosivos, de mayor diámetro que el resto (75 a 102 mm) y, a su alrededor, tres o cuatro secciones de taladros cargados que explotan sucesivamente siguiendo una secuencia preestablecida. La misión del barreno de expansión es la de ofrecer una superficie libre que evite el confinamiento de la roca de modo que fac i l i te su arranque. Su

Zonas de 1

esquema de tiro A : CUELE C : ZAPATERA

/ AA : CONTRACUELE 1 1 D : CONTORNO 1

diámetro varía entre 100 y 300 milímetros. En ocasiones puede sustituirse por dos taladros vacíos de diámetro menor (2 x 75 m m).

cisii>,ozk.- La destroza es la parte central y más amplia de la voladura, cuya ef~cacia depende fundamentalmente del éxito de la zona del cuele y contracuele, que es la zona crítica de la voladura.

-f.tI 7 ¿-Y "CRP 5 - La zapatera es la zona de la voladura sltuada en la base del frente, a ras de suelo. Los taladros extremos suelen ir un poco abiertos í l p i n ~ h a d ~ ~ l f hacia fuera con objeto de dejar sitio suficiente para la perforación del siguiente avance. Los barrenos de las zapateras son los que más carga explosiva contienen ya que, aparte de romper la roca han de levantar ésta hacia arriba. Para evitar repiés, van ligeramente "pinchados" hacia abajo y son disparados en último lugar.

G - Los taladros perimetrales o de contorno son importantes pues de ellos

dependerá la forma perimetral de la excavación resultante. Lo ideal es que la forma real del perímetro del túnel sea lo más parecida posible a la teórica, aunque las irregularidades y discontinuidades de la roca dificultan dicho objetivo. Existen dos técnicas de efectuar los tiros perimetrales: el recorte y el precorte. El recorte consiste en perforar un número importante de taladros paralelos al eje del túnel en el contorno, a la distancia conveniente (entre 45 cm. y 100 cm.) y con una concentración de explosivo pequeña o incluso nula. En la secuencia de encendido son los últimos barrenos en detonar. La técnica del recorte es la más ampliamente empleada. En la técnica del precorte se perfora un mayor número de taladros perimetrales y paralelos entre sí unas distancias entre 25 cm. y 50 cm., con una concentración de carga explosiva entre 0,l y 0,3 kglm. Esta técnica exige una perforación muy precisa que asegure un buen paralelismo y una homogénea separación entre los taladros. La carga explosiva, además de una adecuada concentración, debe distribuirse uniformemente a lo largo del barreno. El tipo de explosivo debe ser especial para precorte. En la secuencia de encendido, son los primeros en detonar, con lo que se crea una fisura perimetral que aísla y protege la roca de las vibraciones del resto de la voladura. Esta técnica del precorte, por su esmerada ejecución y costo elevado, es de uso poco frecuente en túneles, excepto en casos muy especiales. Para el diseño de los esquemas de perforación y voladura en túneles, se recomienda consultar la bibliografía especializada y "'.

procedimientos: el primero es mediante el uso de martillos manuales accionados por aire MAQUINARIA DE PERFORACIÓN

comprimido, y el segundo es mediante martillos hidráulicos montados sobre una maquina

La perforación de los taladros se puede hacer por dos

automóvil denominada jumbo.

i\/iARTiiLOS MANUALES.- LOS martillos manuales de aire comprimido fun- cionan a percusión, es decir, la barrena golpea contra la roca y gira de forma discontinua entre cada percusión, separándose del fondo del taladro. El detritus es arrastrado hasta

P el exterior del taladro mediante agua, que tiene también la finalidacl de refrigerar la barrena. Los martillos manuales son actual- mente de uso infrecuente, sólo se usan, obviamente, en túneles muy pequetios o de forma accidental, pues tienen rendimientos muy inferiores a los jumbos y requieren mucha mano de obra.

6 bar

~ u ~ ~ o s . - La maquina ha- bitual de perforación es el jumbo (véase figura 6.10). Consta de una carrocería automóvil dotada de dos o tres brazos articulados, según los modelos. En cada brazo puede montarse un martillo de perforación (perforadora) o una cesta donde pueden alojarse uno o dos operarios y que permite el acceso a cualquier parte del frente. E l funcionamiento de los jumbos es eléctrico cuando están estacionados en situación de trabajo y pueden disponer también de un motor Diesel para el desplazamiento. Los martillos funcionan a rotopercusión, es decir, la barrena gira continuamente ejerciendo simultáneamente un impacto sobre el fondo del taladro. El accionamiento es hidráulico, con lo que se consiguen potencias mucho más elevadas que con el sistema neumático. El arrastre del detritus y la refrigeración se consiguen igualmente con agua. Los rendimientos de perforación que se consiguen en los jumbos hidráulicos modernos, pueden superar los 3,5 mlmin. de velocidad instantánea de perforación. Los jumbos actuales tienen sistemas electrónicos para controlar la dirección de los taladros, el impacto y la velocidad de rotación de los martillos e incluso pueden

PRESIOI\J DE EMPUJE ( id )

PLB 23 CWI

PLB 29 c w i

(1) Cable de alimentación eléctrica (380V a 550V) (8) Gatos para estacionamiento de la máquina (2) Sistema de iluminación (9), (lo), (1 1) y (12): Puesto de mando para la perforación (3) Motor Diesel para desplazamiento por el túnel (13) Techo de protección (4) Puesto de conducción para el desplazamiento (14) Brazo hidráulico (5) Tanque principal de fluido hidráulico (1 5) Deslizadera del martillo hidráulico (6) Bomba hidráulica (1 6) Martillo hidráulico (7) Motor eléctrico para la perforación (17) Cesta o plataforma de trabajo

memorizar el esquema de tiro y perforar todos los taladros automáticamente. En este caso un único maquinista puede perforar una pega completa en unas pocas horas. En la tabla 6.1 se indican las marcas y modelos de jumbos más conocidos actualmente en el mercado.

A C C E S G R Í O S B E P E R F O R A C ~ ~ F ~ . - LOS accesorios de perforación comúnmente usados son las varillas o barrenas y las bocas de perforación. Además se emplean manguitos y otros adaptadores para el ensamblaje de las piezas. Las barrenas de perforación son sim- p lemente barras de acero con un conducto interior para el paso del agua

de refrigeración y unas roscas en los extremos donde se acoplan las bocas o los manguitos. La boca de perforación es la herramienta de corte, que generalmente es de metal endurecido (carburo de tungsteno) o widia, dispuesto en formas diversas: en cruz, en X o botones (véase figura 6.1 1 ) . Los diámetros habituales están comprendidos entre 45 y 102 milímetros.

Bnvena y bocas de perj%aciólz

(Cortesh. A t h C o p o )

La elección de un tipo LI otro de boca, así como de sus diámetros, depende del t ipo de ma- quinaria de perforación, de las características de la roca y del diámetro de los cartuchos del explosivo a introducir. Generalmente las bocas de botones son las que proporcionan u11 mayor rendimiento, al golpear la roca de forma más homogénea y ser más fácil la evacuación del detritus de roca. Para tal fin se pueden disponer varias entradas de agua frontales y también laterales. Para la elección del material de perforación y sus accesorios se recomienda el uso de los manuales especializados facilitados por los fa bri cantes.

Los tipos de explosivo que deben utilizarse en túneles dependen de las características de la roca, principalmente de su densidad, resistencia a compresión y velocidad de propagación sónica de la roca. Además los explosivos, durante la detonación, deben generar gases no tóx~cos, lo que limita el tipo de explosivos en interior. El tipo de explosivo también depende del grado de humedad existente en la roca. El explosivo más utilizado para el cuele y contracuele, destroza y zapateras, es la GOMA-2 E-C o RIOMEA E20140; como carga de columna NAGOLITA, AMONITA 2-Y O EMUNEX 3000; cuando los barrenos dati agua deberá usarse el EMUNEX 6000-8000. Para los barrenos de contorno deberá usarse como carga de columna el RIOGUR F o cordón detonante de alto gramaje. El diámetro de los cartuchos deberá ser lo más próximo al diámetro de perforación de los taladros, compatible con su introducción dentro del barreno. La iniciación de la explosión en cada barreno se realiza en el cartucho cebo ~nstalado en el fondo del barreno y que contiene un detonador. La iniciación de los detonadores puede ser eléctrica o por impacto; en el primer caso se utilizan detonadores eléctricos. Por razones de seguridad, contra corr~entes parásitas, se utilizan exclusivamente detonadores de alta insensibilidad (Al). Una mayor seguridad ofrecen los detonadores de iniciación no eléctrica, tipo Nonel, cuyo uso sería especialmente aconsejable. Atendiendo a los tiempos de retardo, los detonadores pueden ser: instantáneos, de microretardo (retardo de 25 ó 30 mseg. entre números contíguos), o de retardo (retardo de 0,5 seg. entre números contíguos). El resto de los elementos que se utilizan para la voladura son los siguientes:

E/>-i; *;SC ;:-S 5~:~::

r , ~ : i - s -Son tubos de PVC (tubos omega) ab~ertos longitudinalmente en cuyo interior se colocan los explosivos, cordón detonante, etc. Permiten ~ntroducir fác~lmente todos los elementos en su disposición correcta dentro del taladro. - -- - = i - c ~ r ; ' ~ ~ - El retacador es el material que cierra o tapona el taladro y de este modo impide que la energía deb~da a la explosión se escape por la boca del mismo. Normalmente se usan unos cartuchos de arcilla muy plástica.

En la tabla 6.2 se resumen las principales marcas comerciales de explosivos fabricadas en España y se incluyen sus características principales.

EAPLOSOR. - Es el mecanismo que produce la corriente eléctrica que da lugar a la explosión. Suelen estar basados en un condensador que se va cargando con una manivela o una batería y que cierra el circuito manual o automáticamente.

CABLES.- LOS cables eléctricos que transmiten la corriente desde el explosor hasta los detonadores son los usados habitualmente en trabajos eléctricos.

próximas al túnel así como a la roca circundante y al revestimiento. Por este motivo tiene interés el estudio de la ley que rige la propagación de las ondas sísmicas y los valores máximos de vibración admisibles en cada proyecto. El factor principal que provoca los daños es la Velocidad Pico de Partícula, que se define como la velocidad máxima que alcanzan las partículas del terreno al vibrar por acción de la onda sísmica. La ley que rige la propagación de la velocidad de partícula es la siguiente:

CONTROL DE LAS VIBRACIONES

donde, V: Velocidad Pico de Partícula, en mmlsg. D: Distancia, en m. Q: Carga de explosivo en cada intervalo de retardo, en Kg. M: Constante empírica, oscila entre 200 y 400. a: Factor empírico, que oscila entre 0.33 y 0.66 según diversos autores. p: Factor de amoriiguamiento, también empírico, cuyo valor suele oscilar entre -1 4 0 y -1 -60.

Las vibraciones producidas por las voladuras se transmiten por el terreno y pueden llegar a producir daños en edificios y estructuras

Criterios de da6os en voladuras 1

Esta expresión se utiliza normalmente de forma experimental, pues los coeficientes a, P y K varían con el terreno, geometría, etc. Para determinarlos se efectúan una serie de voladuras de prueba y mediante un sismógrafo se mide V para varias distancias y cargas de explosivo conocidas. Posteriormente se interpola una expresión por mínimos cuadrados que se ajuste lo mejor posible a las medidas efectuadas, y de esa expresión se obtienen los coeficientes a, p y K. Los daños que se producen en los edificios a causa de las voladuras están tabulados según diversos autores en función de la velocidad de partícula y del tipo o estado del edificio. En la figura 6.12 se incluye un resumen de diversos criterios. En general se considera que por debajo de 5-1 0 mm/sg no hay nunca daños y que por encima de 100- 200 mm/sg los daños son considerables. Para un estudio detallado de las vibraciones producidas por las voladuras en túneles debe consultarse la bibliografía especializada '4','6'Y!7'

OHz

ACELERACION 100Hz

OHz

AMPLITUD 100Hz

OHz

TUNELES

OHz 15Hz

SEGURIDAD PRECAUCION -f / DANOS

PRECAUCION PROPIEDAD RESIDENCIAL

PRECAUCIOP! ESTRUCTURAS DE

SEGURIDAD PRECAUCION

PEQUENOS DANOS FUERTE

AGRlETAYlENTO i - 1 AGRIETAl~!llENTO 8 8 8 ,

1 I I I l 1 1 1 1 1 PEQUENOS

SEGURIDAD DANOS GRANDES DANOS

(SUPEAFICIA!ESI

MENOS DEL 50%

DANOS

SEGURIDAD PRECAUCI0I.I GRANDES DANOS

l

l l l

l I I i 1

SEGURIDAD CAIDA DE PIEDRAS

AGRlETAbllENTO DE ROCA

l l I i l l l i l I

THOENEN AND WINDES (1 942)

SEGURIDAD

l i I I I

CRANDEL (1 949)

LANGEFORS ET AL (1 958)

PRECAUCION

PEQUENOS DANOS

EDWARDS Y NORTHWOOD (1 960)

DUVAL Y FORGELSON (1 962)

l / I I l

--

DVORAK (1 962)

GRANDES DANOS

LANGEFORS (1 963)

DEVINE (1 966)

STANDARDS ASSOCIATION OF AUSTRALIA (1 967)

BRlTlSH STANDARDS (1 970)

TIPO DE VIBRACION NO ESPEClFlCADA (20 Hz) SEGURIDAD

l I l 1 1 1 1 l . l / /

p ~ ~ ~ j ~ ~ ! 2 , ~ E DANOS PROBABLES A ELEIVIENTOS SOPORTE

DANOS Y DESTRUCCION DE ELEiviENTOS SOPORTES

ESTRUCTURA RESISTENTE

GASEODUCTO, ALCANTARILLADO

2,5 5 10 15 2 0 2 5 50 100 200 500 mm/sg

SEGURIDAD

EDlFlClO CALIDAD

MEDIA

AFTES (1 975)

SEGURIDAD

Vc (m / s)

DANOS

EDlFlClO BUENA CALIDAD

EDlFlClO CALIDAD

SEGURIDAD

EDlFlClO MALA

CALIDAD

4500

3000

1500

4500

3000 MEDIA

EDlFlClO MALA

CALIDAD

DANOS

EDlFlClO MALA

CALIDAD

I I I / 1 1 1 1 ' 1 I

I I I I l l l

1500 1

SEGURIDAD

SEGURIDAD DANOS

SEGURIDAD

4500

3000

1500

DANOS

DANOS

l l I l

SEGURIDAD 1 DANOS

DANOS

I l

ARTISTICOS. hOSPITALES EDIFICIOS OE CONSiRUCClOii

DEFICIENTE

. - - - -

000-2000 1 I

SEGURIDAD

<lo00 /

DANOS CONSTRUCCIONES

CORRIENTES

>2000 1

1 1

>2000

ESTRUCTURAS RESIDENCIALES ANTIGUAS EN MAL ESTADO

1000-2000

, l I I I l l / /

EDIFICIOS EN MUY BUENAS CONDICIONES Y BIEN ARRIOSTRADOS

ESTRUCTURAS RESIDENCIALES NUEVAS EN BUEN ESTADO DE CONSTRUCCION

SEGURIDAD

SEGURIDAD

1000-2000 1 SEGURIDAD 1 DANOS

<lo00 / l I I I / I l l

DANOS

<lo00 1

SEGURIDAD DANOS

1

ESTRUCTURAS RESIDENCIALES EN MUY MAL ESTADO DE CONSTRUCCION

CHAE (1 978)

ESTEVES

SEGURIDAD

(1 978)

l l l l l

DANOS

l

l l I I I

SEGURIDAD DANOS

l I I 1

CLASE l

CLASE l l

1 WISS (1981)

NEW SWlS SEGURIDAD DANOS STANDARD PARA

CLASE III VIBRACIONES I I 1 I I I l l I I I l

' EN EDIFICIOS I

CLASE l v SEGURIDAD DANOS

l 1 I I 1 I I 1 I I I I

2 2,5 5 10 15 2 0 2 5 50 100 150 200 250 500 mmlsg

LEYENDA

CLASE I : EDIFICIOS METALICOS O DE HORMIGON ARMADO CLASE II : EDIFICIOS CO lviUROS Y PILARES DE HORMIGON, PAREDES DE HORMIGON O MAMPOSTERIA CLASE III : EDIFICIOS COMO LOS MENCIONADOS ANTERIORMENTE PERO CON ESTRUCTURA DE MADERA Y PAREDES DE MAMPOSTERIA CLASE IV : CONSTRUCCION MUY SENSIBLE A LAS VIBRACIONES, OBJETO DE INTERES HlSTORlCO

4 Hz - PARED PREFABRICADA

SEGURIDAD DANOS 4 TABIQUE TRADICIONAL

10 Hz 1 1 ,

VELOCIDAD MAXIMA DE PARTICULA (rnrn 1 s )

SEGURIDAD DANOS

100 Hz 1

USBM (1982)

NORMA DIN 41 50 (v RESULTANTE)

TlPO I : EDIFICIO PUBLICO O INDUSTRIAL

TlPO II : EDIFICIOS DE VIVIENDAS O ASlMlLABLES A VIVIENDAS. EDIFICIOS CON REVOCO8 Y ENLUCIDOS

TlPO III : EDIFICIOS HISTORICO-ARTISTICOS O QUE POR SU CONSTRUCCION SON SENSIBLES A LAS VIBRACIONES Y NO ENTRAN

EN LOS GRUPOS l Y ll

DIN 41 50

(1 983)

SEGURIDAD DANOS ( igss) EDIFICIOS ANTIGUOS

E HlSTORlCOS

10 Hz 1 1

Útiles de excavación mechica

la roca y arranca 5 ~ E " i ; i "i3S DE CP,?"; in distintas herramientas o

n de ella En la excavac~ón mecán~ca se util~za

pequeños fragmentos. Algunos de los útilies de corte pueden verse en esquema en út~les de corte, que son los elementos que impactan sobre

figura 6.1 3: e Picas de fricción (o de desgaste). Q Cortadoras de disco

Cortadoras de ruedas dentadas e Cortadora de botones e lmpactadores o Cortadores vibrantes

PICA DE DESGASTE

CORTADOR DE DISCO

m

IMPACTADOR

RUEDA DENTADA

n m

CORTADOR DE BOTONES

0 20 - 30 mm.

Esquema de mdquina topo

(Co rtesia WIR TH)

MATRIZ - BASE r"

Las picas de fricción son el elemento de corte utilizado por las rozadoras y por algunas tuneladoras de terrenos blandos. Básicamente constan de un inserto de metal duro (Widia) dentro de una matriz de acero de alta dureza y tenacidad (figura 6.14). El campo óptimo de utilización de las picas está dentro de las rocas que no superan los 800 I<p/cm2 de resis- tencia a compresión, o menor si es muy abrasiva. Para rocas de mayores resistencias, entre los 800 y los 2200 I<p/cm, el elemento de corte adecuado es el cortador de disco, que es el que habitualmente utilizan las tuneladoras a

o topos. Para resistencias aún mayores y se emplean los cortadores de botones, pero no es frecuente utilizar excavación mecánica en tales casos. El cortador de disco consiste en una base de metal

duro en forma de disco con uno o varios filos recambiables 7

de acero endurecido y montado sobre un soporte de rodamientos (figura 6.15).

Machine) son máquinas integrales de construcción de túneles, por cuanto son capaces por sí solas de excavar la roca, retirar el escombro y aplicar el revestimiento del túnel. La máquina va avanzando dejando detrás de sí el túnel terminado. En la figura 6.16 (b) se observa el esquema de un topo. Consta de una cabeza de corte giratoria de forma circular donde van alojados los discos cortadores. Detrás de la cabeza se encuentra un sistema formado por gatos que presionando sobre el terreno y sobre la

~, ! -Q~J: , ,L 5 732; /-:&

cabeza ejercen en ésta la presión necesaria para la excavación de la roca. El escombro se carga automáticamente en el frente y se conduce hacia atrás mediante una cinta transportadora, que lo deposita en unas vagonetas para su traslado al exterior. También pueden existir sistemas adi- cionales de colocación de bulones, de cerchas y de hormigonado. Los topos también pueden tener sistemas para colocación de railes sobre los que circulan las vagonetas y una plataforma donde va alojado todo el sistema de control, guiado y suministro de energía. En definitiva, el topo consta de todos los elementos necesarios para completar el túnel, montados uno tras otro y ac- tuando de forma sucesiva . En la tabla 6.3 se han resumido los principales fabricantes de topos del Mundo.

Las máquinas topo, tuneladoras o TBM (Tunnel Boring

I R O Z A S O R A S ~ La rozadora es una máquina excavadora que, mediante una cabeza rotatoria provista de picas de fricción que inciden sobre la roca, arranca pequeños fragmentos de ésta. La cabeza va montada sobre un brazo articulado con el fin de que pueda acceder a todos los puntos del frente de excavación. Completan la rozadora un sistema de recogida y transporte del escombro y un chasis automóvil sobre orugas (figura 6.17).

Existen dos sistemas distintos de corte en las rozadoras actuales: el ripping de cabezal frontal y el milling de cabezal radial (véase la figura 6.18). En el ripping la cabeza gira en torno a un eje que es perpendicular al eje del túnel, tratándose en realidad de dos cabezas simétricas. Las picas golpean frontalmente a la roca. En el milling la cabeza gira en torno a un eje longitudinal, paralelo al eje del túnel. Las picas van dispuestas en forma

Sistemd de corte

Picas &fricción (Cortesía

Kennametal)

C - m E m RADIAL

helicoidal y golpean a la roca de forma lateral. Ambos sis- temas proporcionan resultados similares, por lo que no se puede considerar que uno sea mejor que el otro, s i bien a igualdad de potencia de la cabeza de corte y para una roca de dureza determinada, el rendimiento de excavación de las rozadoras de cabezal frontal es un 30% superior al de las rozadoras con cabezal radial. Por otra parte, también existen varios sistemas de carga del

escombro: mediante brazos recolectores, mediante mesa recolectora, paletas, cinta transportadora acoplada al brazo, etc. Las picas son de dimensiones y formas distintas según los usos (figura 6.19).

U 40 KHD

Cada fabricante proporciona unos criterios de uso de sus picas, que también han de comprobarse sobre el terreno hasta elegir el t ipo más adecuado. Generalmente se usan picas delgadas y estrechas para suelos y rocas blandas y picas gruesas de forma fus i forme para las rocas más duras. Las rozadoras se clasifican por su peso, dado que la fuerza que ejerce la cabeza contra la roca es contra- rrestada únicamente por el peso de la máquina. De este modo, a mayor peso mayor será la capacidad de la rozadora para excavar rocas más resistentes, y por tanto irá dotada de mayor potencia de corte. En la tabla 6.4. se expone una clasificación de roza- doras en cuatro grupos según su peso y potencia '". Los principales fabricantes mundiales de rozadoras se relacionan en la tabla 6.5.

M a ~ ~ i i L c > H I D R Á U ~ I C O El martillo hidráulico montado sobre una retroexcavadora ordinaria de cadenas tiene una importante utilidad cuando se trata de excavar rocas blandas o fisuradas en las fases de destroza, donde compite ventajosamente con los otros métodos más potentes. En la fase de avance no debe emplearse, pues este sistema necesita al menos dos caras libres de salida de la roca para lograr un rendimiento adecuado. Las ventajas principales son el bajo coste-, necesidad de pocos operarios, y una mayor producción, movilidad y flexibilidad. Hoy en día

Cinta transportadora

existen sistemas automáticos que ajustan la

Martillo 7,

\

Brazo hidraul~co

Puesto de mando

F g ~ d a de escombros

fuerza y la cadencia de los golpes en función de la resistencia que presenta el terreno, con lo que se consiguen rendimientos muy elevados. También se montan martillos sobre excavadoras-cargadoras provistas de un sistema de eva- cuación de escombros (fig. 6.20). Puede usarse un cazo, como elemento excavador alternativo al mart i l lo para rocas muy blandas o suelos

1

extracción del escombro reduce el tiempo de los ciclos de trabajo y el coste de la excavación de un túnel. Esto es así porque en una excavación subterránea se dispone siempre de poco espacio y además el acceso al frente de excavación es muy restringido (únicamente a lo largo del túnel ya excavado). Es fundamental, pues, quitar el escombro rápidamente para que puedan iniciarse las tareas de sostenimiento, sacándolo al exterior para que no dificulte el movimiento de máquinas y materiales por el túnel. El sistema a emplear dependerá de la cantidad de material a transportar por ciclo y de la longitud de transporte. En túneles de carretera las secciones de excavación son grandes (entre 80 y 11 0 m2 por lo general), con lo que el volumen de escombro es importante. Esto hace que no se usen en general los sistemas de transporte mediante cinta o vagonetas, sino los sistemas mediante maquinaria sobre neumáticos. Los métodos más usuales, en función de la distancia de transporte, son los siguientes:

PALAS C A R G A D O R A S D E P E R F I L B A J O . - Para distancias cortas (inferiores a unos 500 metros) y túneles de pequeña y mediana sección, se utiliza una pala con un cazo de gran capacidad (3m3) que carga el escombro del frente y lo lleva hasta el exterior. No es

necesario girar la máquina ya que el maquinista se sienta lateralmente y puede conducir igualmente en ambos sentidos. Para distancias más largas se utilizan zonas de acopio intermedio de escombros.

PALA CARGADORA + C A P A I ~ N DUMPER.- Se usa en distancias mayores de 500 metros en túneles de gran sección (>70 m2). Una pala cargadora sobre neumáticos recoge el escombro y lo carga sobre camión, que lo saca fuera del túnel. La pala suele ser articulada para facilitar sus movimientos dentro del túnel. Si la distancia es muy grande, se pueden habilitar zonas de ensanche a lo largo del túnel que permiten el cruce de camiones dumper o emplear dumpers formados por una cabeza tractora y cajas desacoplables. Cuando la excavación se realiza con máquina tuneladora y para túneles de gran sección, la extracción se escombros se realiza con camiones dumper que son cargados en el frente por la cinta porticada del topo.

VAGONETAS SOBRE '/íA,.- Para túneles muy largos y de secciones medianas, la extracción de escombros se realiza con vagonetas sobre vía. Son recomendables para distancias de transporte superiores a los 1500 m.

de excavación a emplear en un determinado túnel se manejan varios criterios, algunos de índole técnica y otros económica. A continuación se muestran los aspectos que se tienen en cuenta en cada uno de ellos. Por supuesto, cada caso concreto puede tener condicionantes de otro tipo que obliguen a una determinada solución.

RESlSTEEidCIA D E I TERREP4O.-

Cuando la roca tiene una alta excava bilidad mecánica (Romdmz1993) resistencia es obligado em-

- n

plear la excavación mediante ;,,,,,, Z O O 'i 6 12 20 60 150 200

explosivos, mientras que si la resistencia es media o baja pueden emplearse indis- tintamente la voladura o la excavación mecánica. La figura

6.21 muestra un criterio , , 25 I , ' 1-

generalmente aceptado de "1 ' \ I ~ l

excavabilidad mecánica de ---...- O l 1 ' \ , l l !

0 2 0 6 2 6 1 2 2 0 6 0 1 2 0 2 0 0 1

l as rocas e n f u n c i ó n d e S u DENOIvIINACION SUELO i R A t ~ s l c ~ o t i l ROCA 1 ROCA ROCA , ROCA ROCA 1

RESISTENCIA 1 IIIUY BNA I BNA ' ihEDlA ALTA / IAUY ALTA

Resistencia a Compresión Simple y de su RQD"'

,4BPAsiVIDAs; DE Lf?, ROCA.- Una alta abrasividad de la roca hace inviable la excavación mecánica, principalmente con rozadora. La tabla 6.6 muestra las condiciones de la excavación mecánica en función del Contenido Equivalente de Cuarzo (CEC) de la roca '5 ' .

El CEC se obtiene a partir de la composición mineralógica de la roca y aplicando a cada mineral el factor que figura en tabla 6.7. Existen ensayos de laboratorio, como el ensayo Cerchar, que determinan la abrasividad de una roca.

FORMA Y DlMEr\?SIGNPS DE LA ~ . E C C I Ó N . - La sección tipo del túnel puede ser un condi- cionante por alguno de los siguientes motivos: Los topos permiten únicamente perforar túneles de forma circular, por lo que en túneles de carretera, que necesitan una base plana, se desaprovecha mucho espacio. Hoy en día ya se fabrican topos con varias cabezas que proporcionan secciones ovaladas, pero son relativamente caros y sus uso está limitado a suelos o rocas blandas. En la excavación de túneles de carretera en roca, los topos se usan en ciertas ocasiones en la ejecución de galerías piloto. Estas galerías sirven para el reconocimiento del terreno y actúan como un gran "cuele" que facilita la excavación posterior del resto de la sección con perforación y voladura o con cualquier otro sistema de excavación. Actualmente los topos más grandes existentes en el mercado alcanzan los 12 m. de diámetro y las rozadoras de mayor envergadura de brazo alcanzan los 7,50 m. de altura de corte. Los túneles de carretera, por su gran sección, generalmente se excavan en fases, usándose mayoritariamente el método de perforación y voladura para rocas duras y las rozadoras y excavadoras hidráulicas para rocas blandas.

COSTE DE LA MAQUIb1ARIA.- LOS topos tienen un coste elevado de inversión inicial. Esta inversión resultará rentable para un determinado número de metros lineales de túnel perforado, lo que exigirá un proyecto con importantes longitudes de túneles que permitan la amortización del topo. Para secciones normales, existe un amplio mercado de topos de segunda mano que, convenientemente readaptados pueden ser utilizados en régimen de alquiler o compra con unos costes razonables.

VIBRACIONES.- LOS explosivos producen unas vibraciones que los hacen muy complicados de utilizar en zonas urbanas o próximos a edificios habitados o de interés. Incluso pueden existir problemas cuando la voladura se efectúa en la proximidad de vías de circulación en USO: carreteras, ferrocarriles, etc. En tales casos, normalmente se prefiere utilizar medios mecánicos de excavación por razones de seguridad con el fin de evitar posibles daños.

Cuando la sección del túnel es mayor de un cierto valor, estimado en unos 40-50 m2, conviene realizar la excavación del túnel por fases, sobre todo cuando la calidad y estabilidad del terreno son bajas. Los motivos técnicos de la excavación en fases se resumen en los siguientes puntos:

e Un túnel de una dimensión menor da menos problemas en cuanto a la estabilidad del terreno que otro con mayor dimensión. Por lo tanto, si se excava una primera fase de reducidas dimensiones, los problemas que puede dar la roca serán menores y más fáciles de solucionar. Además, a la hora de excavar las restantes fases, ya se habrán localizado todas las zonas de mala calidad del macizo rocoso, por lo que se podrán poner los medios adecuados para atravesarlas. El alcance de la maquinaria normal (palas, jumbos, rozadoras) está limitado a unos 6-8 metros de altura, aunque existen modelos especiales que alcanzan mayores dimensiones. El excavar secciones de más altura dificultaría enormemente las labores de excavación y, sobre todo, de sostenimiento: gunitado, colocación de cerchas, bulonado, etc.

o Mediante la excavación por fases pueden conseguirse mayores rendimientos, ya que distintos equipos pueden trabajar simultáneamente en fases distintas a una cierta distancia, logrando avances superiores a los que se conseguirían a sección completa.

e Cuando la calidad de la roca no es suficientemente buena, no es posible

El esquema habitual de fases de un túnel de carretera de dimensiones normales es el mostrado en la figura 6.22. A la primera fase se la denomina AVANCE y a las siguientes DESTROZA. La destroza puede excavarse a su vez en una única fase o en dos: banco central y bataches laterales.

A - Terreno buena calidad B - Terreno mala calidad

I : Avance II : Destroza Central 1 1 1 : Destroza Bataches laterales

8 - 1 2 m C I : Avance II : Destroza Central 1 1 1 : Bataches laterales IV : Contrabóveda

Fases de excavación

de zm tziízel

En terrenos de mala calidad puede excavarse una tercera fase de CONTRABÓVEDA con objeto de cerrar un anillo de hormigón. Para túneles de dimensiones mayores (cavernas) se usan los esquemas mostrados en la figura 6.23 según se trate de terrenos de buena o de mala calidad. En cualquier caso, en la etapa de Proyecto se deben hacer los correspondientes cálculos de estabilidad de cada una de las fases y de la sección completa. E l desfase entre una fase y la siguiente depende, tanto de criterios constructivos (movimiento de las máquinas, rampas), como de criterios geotécnicos. Para garantizar que la excavación de una fase no influye en la anterior deben estar separadas como mínimo dos diámetros.

A - Terreno buena calidad B - Terreno mala calidad

Fases de excavación

de urza caverna

I : Avance ó galería II : Orejas lll : Destroza central IV : Destroza lateral V : Contrabóveda

I : Galerias laterales II : Avance 111 : Destroza

(1) Cornejo, L.: " Excavación Mecánica de Túneles", Ed. Rueda, 1988.

(2) Sinha R.S. (Editor): " Underground Structures. Design and Construction", Elsevier, 1991.

(3) Edwards J.T. (Editor): " Civil Engineering for Underground Rail Transport" , Butterworths.

(4) I.T.G.E.: "Manual de perforación y voladura de rocas", Instituto Tecnológico Geominero de España, 1994.

(5) Romana M. : "Clasificación de macizos rocosos para la excavación mecánica de túneles", 1993.

(6) Laugefors- Kihlstrom: "Voladura de rocas", Ediciones URMO, 1968.

(7) Seguiti, Tullio: " Le Mine.Nei lavori minerari e civili " , Ediciones L'lndustria Mineraria, 1969.

Desde la antiguedad el hombre ha realizado excavaciones subterráneas, principalmente ligadas a actividades mineras. Estas actividades han permitido experimentar y conocer el comportamiento del medio rocoso cuando se realizan excavaciones en su interior. Esta experiencia secular ha propiciado el análisis de los comportamientos de las rocas y el desarrollo de técnicas de construcción eficaces para asegurar la estabilidad de las excavaciones subterráneas. En épocas recientes, las técnicas de construcción de trabajos subterráneos han experimentado principalmente en la Europa Central (Alemania y Austria) un notable desarrollo con la proliferación de métodos de construcción, Alemán, Belga, Austríaco ... Simultáneamente ha ido cristalizando una tecnología propia de los trabajos en

'

subterráneo, con la contribución inestimable de ciencias como la geología, la mecánica de rocas y la resistencia de materiales. Modernamente, a partir de los años 60, el profesor austriaco Rabcewicz supo explicitar con una mayor claridad y sintetizar, en unos pocos principios, lo que comunmente se llama Nuevo Método Austriaco (NMA), la experiencia acumulada durante siglos en los trabajos subterráneos. Realmente, aunque fue objeto de patente en su día como método de construcción, el NMA no es un método propiamente dicho, sino una filosofía que permite ejercitar acciones eficaces para contribuir a la estabilidad de las excavaciones subterráneas. En realidad, los principios enunciados por el profesor Rabcewicz son de posible cumplimiento con cualquiera de las técnicas constructivas modernas de las obras subterráneas, en las que predominan la utilización de nuevos elementos estructurales en el sostenimiento y revestimiento, de técnicas de mejora del terreno y la aplicación creciente de una maquinaria de alta tecnología y una gran especialización, como las máquinas de excavación mecánica de túneles (máquinas TBM, escudos, rozadoras), las técnicas que permiten cualquier tipo de inyección previa de los terrenos, la congelación de terrenos con presencia de agua, ... En esencia, las ideas fundamentales enunciadas por el profesor Rabcewicz son las siguientes:

O La zona de roca que circunda al túnel interviene en la estabilidad de la excavación y es el principal elemento del que depende ésta. Es decir, es la propia roca la que se autosostiene, ya que se forma un arco de descarga en torno al túnel que transmite las tensiones a ambos lados de éste. Como consecuencia de lo señalado en el punto anterior, conviene mantener inalteradas, en la medida de lo posible, las características de la roca que rodea al túnel. Para ello es beneficioso emplear cualquier técnica de excavación mecánica o, en su defecto, técnicas que suavicen el efecto de las voladuras sobre la roca: recorte, precorte, ...

Q Para facilitar la distribución de tensiones en el anillo de roca que rodea al túnel, se deben diseñar los túneles con formas redondeadas, evitando los puntos angulosos. El sostenimiento se colocará de forma que deje deformarse al terreno,

siempre dentro de la estabilidad del túnel, con objeto de que la roca desarrolle su capacidad autoportante. La carga que va a soportar el sostenimiento dependerá pues del momento en que se coloque tras la excavación.

o En la etapa de Proyecto se diseñan varios tipos de sostenimiento a aplicar según sea la calidad de la roca. Durante la obra los sostenimientos se optimizan con la información que aporta la instrumentación del túnel.

o Inmediatamente tras la excavación se coloca un sostenimiento primario que estabiliza al túnel. Más adelante, en función de otros factores, tales como presencia de agua u otros factores funcionales, puede colocarse o no un revestimiento definitivo de hormigón encofrado.

Dado que, como se ha indicado más arriba, el anillo de roca que rodea al túnel es el principal elemento que proporciona estabilidad a la excavación, el sostenimiento tendrá como primera misión evitar que el terreno pierda propiedades por efecto del proceso constructivo, o incluso que las mejore. Solamente en segundo lugar se sitúa la capacidad resistente por sí misma del sostenimiento, que es muy pequeña comparada con las grandes tensiones que pueden existir en el interior de los macizos rocosos, debido al enorme peso de las coberteras de roca habituales. Los elementos generalmente usados para el sostenimiento de las excavaciones subterráneas en roca son dos:

El hormigón proyectado, en masa o armado e Los bulones Además de estos dos elementos se usan otros en algunas circunstancias, especialmente cuando se trata de atravesar zonas de roca de mala calidad: las cerchas metálicas, los paraguas o enfilajes, chapas tipo Bernold, otros tratamientos especiales: inyecciones, drenajes, etc.. . En los capítulos que siguen se detallarán de forma minuciosa las características, posibilidades, aplicaciones y limitaciones de cada elemento. A continuación, de forma resumida, se señalan las acciones más importantes de cada uno de los elementos estructurales del sostenimiento de los túneles:

HORMIGÓN PROYECTAD0.- El hormigón proyectado tiene dos efectos principales: Sella la superficie de la roca, cerrando las juntas, evitando la decompresión y la

alteración de la roca. De este modo el terreno puede mantener, en una mayor medida, sus características iniciales. e El anillo de hormigón proyectado desarrolla una resistencia y puede trabajar como lámina, resistiendo las cargas que le transmite la roca al deformarse. También resiste la carga puntual ejercida por pequeñas cuñas o bloques de roca que descansan sobre la capa de hormigón.

BULONES. - LOS bulones tienen igualmente dos efectos básicos sobre la roca: El bulonado cose las juntas de la roca, impidiendo que cuñas y bloques puedan deslizar

a favor de las fracturas. Generalmente la rotura de un macizo rocoso se produce siempre a favor de las juntas. e Por otra parte, el bulonado tiene un efecto de confinamiento de la roca, actuando del mismo modo que las armaduras lo hacen dentro del hormigón. Gracias a este efecto se consiguen absorber las tracciones que aparecen en el terreno, e impedir la formación de zonas decomprimidas.

CERCHAS. - La cercha tiene una función resistente trabajando como un arco y colaborando con el hormigón proyectado. Tiene la ventaja sobre éste que su resistencia inicial ya es la definitiva, mientras que en el hormigón las resistencias se desarrollan con el tiempo. Otra función de las cerchas es definir claramente la geometría del túnel, lo que ayuda a conseguir los espesores adecuados de hormigón proyectado y a evitar sobreexcavaciones o zonas dentro de gálibo.

PARAGUAS.- LOS paraguas o enfilajes son elementos lineales de refuerzo previo colocados paralelamente al túnel por delante del frente y situados por encima de la línea de excavación. Mediante la acción de los paraguas, se puede conseguir atravesar una zona de mala calidad de roca sin que se produzcan desprendimientos en clave.

CHAPAS BERNOLD.- Este tipo de chapas ranuradas se usan como encofrado perdido para rellenar huecos, zonas donde ha habido un desprendimiento, etc. Su buena adherencia al hormigón hace que puedan actuar como elemento resistente junto con éste, además de servir de encofrado perdido.

T R , ~ , T A N I I E ~ Y - ~ O S ESPECIALES. - LOS tratamientos especiales son de muchos tipos, y se utilizan para atravesar zonas de mala calidad del terreno. Entre los principales están los siguientes: drenajes del frente, machones en el frente, inyecciones convencionales, inyecciones mediante jet-grouting, anclajes tensados, congelación, bulonado del frente, etc.

-1 El hormigón proyectado (también llamado gunita) es el hormigón que se coloca mediante proyección del mismo contra la superficie de roca que se desea proteger, de forma que queda adherido a ésta. El hormigón proyectado se diferencia únicamente del hormigón colocado (encofrado y vibrado), aparte del método de puesta en obra, en que el tamaño máximo de los áridos es menor y en que lleva siempre, como aditivo, un acelerante para facilitar su adherencia a la superficie de roca y para conseguir altas resistencias iniciales. Existen dos tipos de hormigón proyectado en función del método de puesta en obra: por vía seca y por vía húmeda. En el hormigón por vía seca se proyecta separadamente el agua y la mezcla de áridos y cemento, lográndose su unión precisamente en el impacto contra la superficie que se está gunitando. En cambio, en el hormigón por vía húmeda se efectúa la mezcla completa (cemento + áridos + agua + aditivos) como en el hormigón convencional y se proyecta posteriormente la mezcla obtenida.

-1 LOS materiales de que consta el hormigón proyectado son los siguientes:

Cemento O Aridos

Agua Aditivos: acelerantes, etc. Armadura de refuerzo: mallazo o fibra.

A continuación se analiza detalladamente cada uno de ellos excepto la armadura de refuerzo, que merece un capítulo aparte.

CEMENTO.- El cemento que se emplea para el hormigón proyectado puede ser el mismo que cualquiera de los que se usan para el hormigón convencional. Se deben cumplir las especificaciones del Pliego de Prescripciones Técnicas RC-88'7', pero además se recomienda cumplir las siguientes características "':

1 g 0 1 O Principio de fraguado: 1.5 a 4 horas.

Huso p-a n ulo ín étrico pam Taman'o

fMdxinzo 16 írznz.

Huso g a n zdo~nétrico para Taman'o

Mhcinzo 12 mm.

Finura de molido: 3500 a 4500 cmzlg. e Resistencia a Compresión Simple, según la tabla 7.1.

Contenido en aluminato tricálcico: <3%, si el contenido en sulfatos del agua es >400 mgll, o tan bajo como sea posible, si es mayor de 1000 mgll.

Temperatura de almacenamiento: ~70°C . El contenido típico de cemento oscila entre los 300 y los 450 KgIm3, mayor cuanto menor es el tamaño del árido y mayores resistencias se quieren alcanzar.

ÁRIDOS.- Se seguirán las recomendaciones generales de la Instrucción de Hormigón EH-91@), limitando el tamaño máximo del árido a 8 mm en hormigón por vía húmeda y 16 mm (recomendable 12 mm) para el hormigón por vía seca. Actualmente la tendencia es no superar los 8-10 mm. tamaño máximo del árido. Experimentalmente se comprueba que las características del hormigón proyectado mejoran si se consigue una granulometría de áridos continua. Se han establecido unos

TAMIZ (mm)

husos granulométricos dentro de los cuáles es recomendable encajar la granulometria para lograr un hormigón óptimo. Las distintas normativas nacionales ofrecen husos similares (DIN1045 alemana, AFTES francesa, Comité 506 de la ACI (USA)), de los que se han extraído los que se muestran en la tabla 7.2 y en las figuras 7.1, 7.2 y 7.3., para los casos de 16mm, 12mm y 8mm, respectivamente, de tamaño máximo del árido. Para otros valores puede interpolarse linealmente entre los husos dados.

TAMIZ (mm)

Huso granulométrico para Tumaiio Máximo 8 nzm.

AGUA.- Se seguirán las recomendaciones de la EH-91; en general son válidas las aguas sancionadas por la práctica y aquéllas con bajo contenido en sales y sustancias orgánicas.

ADITIVOS.- LOS principales aditivos que pueden usarse en el hormigón proyectado son los acelerantes, las cenizas volantes y el humo de sílice.

ACELERANTES: Los acelerantes son productos químicos (silicatos, aluminatos, carbonatos, hidróxidos, cloruros, etc.) que hacen que el cemento reaccione más rápidamente, con lo que se consiguen altas resistencias iniciales. Como inconveniente se observa una reducción de la resistencia final, a largo plazo, del hormigón. Dado que existen muchos tipos de acelerantes, debe buscarse uno que sea compatible con el cemento utilizado, y tantear la cantidad de acelerante óptima, suficiente para lograr una alta resistencia inicial pero que no reduzca demasiado la resistencia final. En el hormigón proyectado, debido a su procedimiento de puesta en obra, así como a la necesidad de que desarrolle resistencia de forma rápida, es indispensable el uso de acelerantes.

El acelerante se puede suministrar en polvo o Iíquido. En este ú l t imo caso se puede dosificar con mayor precisión siendo la acción del acelerante más eficaz. Los contenidos máximos recomendados (relación acelerante / cemento) son: 10% para polvo y 8% para Iíquido. Con los acelerantes líquidos se elimina el ambiente agresivo en el frente de trabajo, originado por las partículas del acelerante en polvo en suspensión en el aire. Los contenidos recomendables según diversos casos son los indicados en la tabla 7.3"':

CENIZAS VOLANTES: La adición de cenizas volantes al cemento normalmente mejora la adherencia a la superficie de roca y la resistencia a largo plazo. Se recomiendan los valores indicados en la tabla 7.4").

HUMO DE S~LICE, O MICROSILICE: La adición de Si02 al hormigón tiene varias ventajas:

reduce el polvo, reduce el rechazo, mejora la adhesión y la resistencia. Debe comprobarse, no obstante, la compatibilidad con el acelerante. Necesita, para un uso adecuado, de una buena distribución en la mezcla. En cuanto a sus características, se recomiendan los valores que se muestran en la tabla 7.5:

IPUESTA EN OBRA 1 Como ya se ha indicado anteriormente, existen los métodos para la puesta en obra del hormigón proyectado: por vía húmeda y por vía seca. El funcionamiento de cada uno es como sigue:

V ~ A SECA.- En la figura 7.4 se muestra una gunitadora típica por vía seca. El proceso es

Gunitadonz por vía seca

(Cortesía ALíVA)

e-- AGUA

Guízitado por vía seca

e----- MEZCLA SECA

1 - TOLVA DE ALIMENTACION

2 - AGITADOR

3 - AlRE COMPRIMIDO

4 - SALIDA DEL MATERIAL

5 - EJE DE TRASMISION

6 - AlRE COMPRIMIDO

como sigue (figura 7.5): la mezcla de cemento, áridos, aditivos en polvo y fibras, si existen, se va echando en la tolva de la gunitadora. Allí se agita y alimenta un rotor alveolar que gira en torno a un eje vertical. Cuando un determinado compartimento alcanza una cierta posición, el aire comprimido pro-cedente de un compresor empuja la mezcla a través del conducto de transporte y proyección (tubería y manguera de proyección). En la boquilla de la manguera se añade el agua y los aditivos Iíquidos disueltos en ésta, que llegan a presión por otra manguera. La mezcla de cemento, áridos y agua se produce en la boquilla de la manguera. El operario que está gunitando porta la manguera de la mezcla y gradúa manualmente la entrada de agua, en función de la consistencia que aprecia en el hormigón resultante. Por este motivo el hormigón proyectado por vía seca resulta bastante sensible a la habilidad y experiencia del operario. V ~ A H U F \ A E D A . - E l gunitado por vía húmeda es un proceso muy similar al

Gunitado por vía húmeda

manguera, en cuya boca se añade aire comprimido para proyectar la

bombeo de hormigón. En la figura 7.7 se muestra una guni-tadora de vía húmeda típica. La mezcla completa (cemento + áridos + agua + aditivos) se vierte sobre la tolva de la gunitadora. Allí, mediante un sistema de torni l lo sin f in o neumático, se impulsa por la

u

mezcla. También es posible añadir . . ... . .

aditivo: ADITIVOS

hl ; líquidos en la boquilla de la

manguera (figura 7.6).

Gzt í z itado ra por vta húmeda

(Cortesta Sch wing;)

En tabla 7.6 se muestran las principales características, ventajas e inconvenientes de ambos sistemas.

Robot gunitador

(Col-testa ALIVA)

RECOR4ENDACIONES GENERALES.- En lo referente al proceso concreto de proyección del hormigón, existen algunas recomendaciones a tener en cuenta para lograr una buena calidad del hormigón resultante. Estas pueden resumirse en los siguientes puntos:

La superficie a gunitar debe estar limpia y ligeramente húmeda para que se adhiera bien el hormigón. Esto puede conseguirse proyectando, previamente a la mezcla completa, agua y aire durante unos minutos.

En puntos donde fluye agua desde la roca la gunita no se adhiere. En tal caso conviene entubar el flujo de agua y gunitar alrededor, dejando salir el agua. También es práctica habitual reducir un poco la cantidad de agua de la mezcla.

El operador que gunita debe tener experiencia, ya que un correcto gunitado depende, en gran medida, de la habilidad del operador.

El trabajo de gunitar es penoso, por lo que se consiguen mejores condiciones de trabajo y mayores rendimientos usando un robot gunitador (figura 7.8). Esta máquina tiene un dispositivo que permite manejar la manguera por control remoto con un operario situado a una distancia de seguridad del frente.

La distancia de la boquilla a la superficie a gunitar debe estar entre 0.60 y 2.0 metros. Se debe gunitar perpendicularmente a la superficie, moviendo la boquilla describiendo círculos de abajo a arriba. Con ello se consigue una mejor adherencia y homogeneidad y un menor rechazo.

Se llama rechazo a la parte de la gunita proyectada que no se adhiere y cae al suelo. El rechazo habitualmente está entre un 50 y un 100 % del total de hormigón que queda adherido (vía seca), por lo que supone un porcentaje muy importante que encarece notablemente el costo del hormigón proyectado. El rechazo se reduce con una buena dosificación de la mezcla y una adecuada puesta en obra, siendo importante la habilidad del operario. Por vía húmeda el

suele ser mucho menor que 1 ~ @ @ ~ ~ ~ @ % % % @ ! = ~ 1 por vía seca, incluso menor del 10% con una mezcla correcta. e Las gunitadoras funcionan con aire comprimido, por lo que es necesario la instalación de un compresor de caudal adecuado en el túnel. En la tabla 7.7 se muestran los caudales necesarios de aire a 700 I<Pa de presión según los casos's':

masa únicamente cuando se utiliza como sellado de la superficie de roca, en espesores generalmente inferiores a 5 cm. Cuando se le quiere dar una capacidad resistente, se utiliza hormigón armado. El refuerzo puede ser mediante malla electrosoldada o mediante fibra de acero. Ambos tienen el efecto adicional de permitir gunitar mayores espesores de una sola vez, lo que agiliza la colocación del sostenimiento.

REFUERZOS: MALLAZ3 Y FIBRA

MALLA ELECTBQS0LDADA.- La malla electrosoldada o mallazo está formada por una parrilla de barras corrugadas unidas mediante electrosoldadura, y se utiliza como refuerzo del hormigón proyectado por su facilidad de adaptación a la forma del túnel. Generalmente se usan mallazos de diámetros 4, 5 ó 6 milímetros a separaciones comprendidas entre 10 y 20 centímetros. En la tabla 7.8 se muestran los mallazos más usados habitualmente y sus cuantías en KgIm2. Por facilidad de manejo y colocación, conviene utilizar cuantías inferiores a los 3 KgIm2 y diámetros inferiores a 6 mm. Si se superan estos valores, la maniobra de colocación del

El hormigón proyectado se coloca normalmente en

i t @ 7 Q @g@~i&@@g&-,% / mallazo en la clave del túnel, adaptándose a las irregula- ridades del terreno, se vuelve muy penosa. La sujeción de los paños de mallazo al terreno puede hacerse por varios métodos (figura 7.9), aunque lo más recomendable es utilizar las placas de los bulones.

A - Placas de bulones B - Alambres en hormigón

C - Diapasones m

De este modo se consigue que gunita, mallazo y bulones tra- bajen conjuntamente. Es recomendable que entre unos paños y otros de mallazo se dejen siempre al menos 20-30 cm de solape. El mallazo debe ajustarse lo más posible al terreno, ya que, de otro modo, al gunitar sobre él podrían quedar huecos entre el hor- migón proyectado y la roca. Además la vibración, inducida en la malla por la proyección, eleva el porcentaje de rechazo. Para trabajar adecuadamente, el mallazo debe estar embebido

dentro del hormigón. Esto implica efectuar el gunitado en dos capas, y colocar el mallazo entre ambas. Muchas veces se coloca el mallazo en primer lugar y luego se gunita todo el espesor encima. Esta práctica tiene la ventaja de que el mallazo actúa desde el primer momento evitando la caída de pequeñas cuñas, pero tiene el inconveniente de una menor durabilidad (corrosión por las aguas que afloran desde la roca) y de peor comportamiento estructural (el acero no está completamente embebido en el hormigón). En ciertos túneles de sección reducida y en roca de buena calidad, en los que no se utiliza hormigón proyectado, puede usarse el mallazo solo, en combinación con los bulones, para evitar la caída de cuñas y bloques.

FIBRA DE ACERO.- Si en la mezcla del hormigón se añaden fibras de acero junto con los áridos y el cemento, el producto resultante tendrá, embebidas en su masa, gran número

1 L 1 d =0.5 mm.

L = 30 mm.

CARTA DE IDENTIDAD DRAMIX ZP 301.50

de estas fibras dispuestas en todas las direcciones, lo que le confiere una resistencia a tracción que el hormigón en masa no tiene. Las fibras usadas para refuerzo del hormigón proyectado tienen la forma que se muestra en la figura 7.10. Son alambres de acero conformados en fr ío formando unas patillas que mejoran su adherencia con el hormigón. Se fabrican en varios diámetros y longitudes, siendo el más habitual el de 0.5 mm de diámetro y 30 mm. de longitud. La cuantía con que se emplean está comprendida entre 30 y 50 Kg de fibra por m3 de hormigón. Las fibras se suelen conocer por uno de sus nombres comerciales: DRAMIX (de la casa Bekaert S.A.). En la figura 7.1 1 se muestra la carta de identidad de un tipo de fibra DRAMIX"). Este gráfico muestra varias características del hormigón con fibra para varios contenidos de ésta. El factor Ru indica la relación en tanto por ciento entre la resistencia a flexión de una probeta de 150x1 50x600 mm. con y sin fibra. Los otros factores indican la tenacidad del material, es

decir, la energía de deformación que absorbe el hormigón con varios contenidos de fibra. La utilización de hormigón proyectado con fibra conlleva una serie de ventajas e inconvenientes con respecto al uso de mallazo, y es un tema controvertido hoy en día el distinguir cuándo se debe utilizar uno y otro. Se pueden señalar los siguientes consideraciones a este respecto:

La puesta en obra de la fibra es muy sencilla puesto que simplemente se añade a la mezcla del hormigón junto con los áridos. En cambio, el mallazo tiene una colocación lenta y en ocasiones dificultosa.

- El hormigón con fibra ocasiona unos desgastes en distintos componentes de la máquina en la manguera y en la boquilla de gunitado, muy superiores a los debidos al hormigón sin fibra. La fibra no actúa hasta que el hormigón ha endurecido, es decir, después de varias horas de la colocación. En cambio el mallazo actúa desde el primer momento, y es capaz por sí solo de resistir la caída de pequeñas cuñas y bloques.

- El contenido en fibra del hormigón es muy difícil de controlar. Normalmente es necesario añadir más cantidad en la mezcla para conseguir un cierto contenido in-situ, ya que el rechazo de fibras es importante.

c: El rechazo del hormigón con fibras es menor que el del hormigón sin fibras. El mallazo, si está mal colocado, dejando huecos entre él y la roca, aumenta el rechazo de forma considerable.

largo plazo). A continuación se describen los principales controles que se realizan habitualmente en la obra: r n~~ - rn , , i \ l ~ ~ ; ~ ~ CEL E5PiSO3. - El control del espesor es importante porque suele ser uno de

los motivos de discusión más habituales entre Contratista y Dirección de Obra, debido a la tendencia de aquél a colocar espesores menores de los exigidos. El espesor de la capa de hormigón puede controlarse dejando unos clavos en las paredes y clave del túnel antes del gunitado, que sobresalgan una distancia equivalente al espesor que es necesario colocar. Estos clavos han de cubrirse con el gunitado. Después de la puesta en obra puede controlarse el espesor con una taladradora manual, haciendo un taladro hasta encontrar la roca y midiendo su profundidad. Otro método posible es sacar un testigo del hastial del túnel, que también puede emplearse para ensayarlo a compresión simple.

E!\JS.&'!~S C G ~ . I T ~ \ O L

COMTXOL DEL CONTENIDO ti\! FIB?,A.- Se puede medir en laboratorio el contenido en fibra de una muestra de hormigón mediante molido y separación del acero por un procedimiento magnético o manual. El control se puede efectuar sobre una muestra obtenida de artesa o del hastial del túnel y también sobre una muestra de mezcla antes del gunitado. El contenido en fibra exigido siempre debe considerarse in-situ, y suele ser diferente del contenido en la mezcla.

RESiSTEi\!CIA A LARGO PLAZO.- La resistencia a largo plazo se evalúa rompiendo una probeta de hormigón de forma cilíndrica a compresión simple. Generalmente se mide la resistencia a las edades de 3, 7 y 28 días. Las probetas se obtienen mediante una máquina tomatestigos, bien del mismo hastial del túnel, bien de una artesa. Este último procedimiento es el más utilizado, y consiste en lo siguiente: durante el gunitado se proyecta también sobre una artesa de madera colocada en posición vertical. La artesa se deja en el túnel hasta su fraguado y de ella se extraen un mínimo de seis probetas (testigos) que se rompen en el laboratorio.

El control que se realiza sobre el horm~gón proyectado es de dos tipos: cuantitativo (espesores, contenido en fibra) y cualitativo (resistencia a corto y

SES~ST;:V~!R ,A E3Fj.13 p ~ i . 7 9 . - Generalmente es más importante la resistencia a corto

sobre resistencia temprana del

homigóón p ívy ectado

Métodos para detenninnr La

resistencia a corta edad

plazo del hormigón proyectado que a largo plazo. Esto es especialmente evidente cuando el túnel lleva un revestimiento definitivo de hormigón encofrado y si tenemos en cuenta que la roca presiona sobre el sostenimiento inmediatamente tras la excavación. La figura 7.12 muestra las resistencias requeridas por la Norma Austríaca de hormigón proyectado en las primeras 24 horas"' A edad tan temprana, es imposible obtener probetas o testigos del hormigón que se puedan romper a compresión simple, por lo que hay que acudir a procedimientos indirectos para evaluar la resistencia del material. En la figura 7.1 3 se muestran los

RC (WIPa) procedimientos existentes y el rango de aplicación de cada uno"'. Dado que se trata de métodos indirectos, suelen dar bastante dispersión. Por esta causa se recomienda efectuar el ensayo sobre el mayor número de muestras posible. E l primer método se realiza me- diante el uso de un penetrómetro (figura 7.14). Consiste en clavar una aguja en el hormigón fresco a una presión fija proporcionada por un muelle. E l fabricante facilita una correlación entre la longitud a la que

15 30 1 2 3 6 9 17 24 se introduce la aguja y la resistencia

MINUTOS HORAS -1 del hormigón'

1 J, : CASOS NORMALES

J, : TUNEL CON ALTAS CARGAS INICIALES i

J, : CASOS EXCEPCIONALES

A - Penetrómetro dia.9 mm.

B - Penetrómetro dia.3 mm.

C - Método de arrancamiento o clavado de bulón.

D - Testigos.

5 15 30 1 2 5 1 0 24 2 3 7 28 29

MINUTOS HORAS & DIAS -1

Penetrómetro

Otro método es el llamado Kaindl-Meyco (figura 7.1 5). Consiste en dejar en el hastial del túnel unas piezas metálicas de la forma y dimensiones que se observa en la figura y gunitar sobre ellos una capa de 3-4 cm de hormigón. Posteriormente se tira de dichas piezas mediante un gato y se arrancan junto con un cono de gunita. El fabricante suministra unas curvas en la que se correlaciona la resistencia del hormigón con la fuerza que es necesario aplicar para arrancar los clavos y el tamaño de éstos. Por último está el denominado ensayo de arrancamiento (figura 7.16). Se intro-

~ ~ ~ ~ , ~ N ~ TUERCA DEL MANGUITO 7 MUELLE CALIBRADO

AGUJA DE PENETRACION

I 1

AGUJA DE PEA VASTAGO GRADUADO ORIFICIO DE VENTliAClON

DEL DESLIZAMIENTO PUNTA DE APOYO DE LA AGUJA

TUERCA DE MARIPOSA PARA EL VOLANTE

I ROSCA DEL MANGUITO

ducen unos clavos en el hormigón mediante una pistola y luego se arrancan mediante un gato. El fabricante proporciona igualmente una curva de calibración que relaciona la resistencia del hormigón con la fuerza necesaria

1 para arrancar el clavo.

a ésta por un procedimiento mecánico o por medio de una sustancia adherente. Tienen

-. si: ~IJLOM:S

los efectos que ya se analizaron en el apartado 7.2: cosido de las juntas y fuerza de confinamiento sobre el macizo rocoso. Por su forma de actuar, existen en principio dos tipos de bulones: los activos y los pasivos. En la figura 7.17 se muestra el funcionamiento de cada uno. El bulón activo funciona como un anclaje: está unido a la roca por la punta, tiene un fuste libre y una cabeza con placa. El bulón se tensa a una carga comprendida entre 6 y 15 toneladas, según tipos y diámetros, y la placa transmite dicha carga al macizo rocoso. El bulón pasivo, por el contrario, se adhiere a la roca a lo largo de toda su longitud, y actúa de forma similar a las armaduras del hormigón: sólo entra en carga cuando la roca se deforma y arrastra con ella al bulón. Teóricamente no es necesario el uso de placa, aunque se suele poner para sujetar al mallazo, si éste existe. En la construcción de túneles se usa casi siempre el bulón pasivo. Los motivos son

Los bulones, también llamados pernos, son elementos lineales, de refuerzo que se colocan dentro de un taladro efectuado en la pared de roca y se adhieren

Bulo~zes activos y pasivos

Bulón de anclaje mecánico

Bulón de redondo inyectado

A - ACTIVOS

., . BULBO A N C W E FUSTE

TUERCA

E W

B - PASIVOS

BULONES DE ANCWE MECANICO - ANCLAJE DE EXPANSION

fundamentalmente dos: es más rápido y sencillo de colocar, y deja deformarse a la roca, con lo cual ésta desarrolla su capacidad autoportante (uno de los principios básicos de la construcción moderna de túneles). Aparte del mecanismo de funcionamiento, existen varios sistemas de bulones en función básicamente de su sistema de colocación y adherencia a la roca. Los más utilizados son los siguientes:

B!JLÓN 3 E AN[@,jE $ ~ ~ c Á $ j j ~ 3 . -

(f igura 7.18 y tabla 7.9) Consiste en una barra de acero que lleva en la punta un mecanismo, cuña de expansión, que se abre mediante una rosca, lo que le permite fijarse a la roca por rozamiento. La barra se tensa mediante una tuerca en la cabeza. Es un bulón activo, y su uso es muy limitado. La fuerza de anclaje es muy sensible al diámetro del taladro y a la calidad de la roca. Con el tiempo tiende a perderse la fuerza de anclaje por relajación del sistema de expansión.

~ u k - 6 ~ DE REDONDO II\!VLCiAT>O.- (figura 7.19 y tabla 7.10) Es el bulón más utilizado. Se trata simplemente de una barra de acero corrugado, fijada a la roca mediante mortero o resina. Puede ser activo o pasivo, aunque éste último es el más habitual. La fijación puede ser mediante cartuchos de resina epoxi, cartuchos de mortero de cemento o directamente inyectando lechada de cemento en el taladro. Este último sistema es el que

u BULON INYECTADO

Tuer 1

Resina o mortero Barra de de cemento

Placa de apoyo simple

ofrece mejores resultados, pero es más lento y laborioso. Por eso en rocas de buena calidad se emplean gene- ralmente cartuchos, que ofrecen un comportamiento suficientemente satisfactorio. Si el bulón es activo es

redo?zdo inyectado DYWIDAG

CALIDAD DE ACERO 1 080 MPa

necesario inyectar sólo el bulbo de anclaje, lo que se consigue por medio de un obturador . S i se emplean cartuchos, solo se requiere la introducción de éstos en el fondo del taladro. El tesado se produce cuando ya ha fra- guado la resina o el cemento, lo que retrasa bastante su colocación. Algunas veces se inyecta también el fuste después de tensar el bulón, con lo que se tiene un com- portamiento híbrido activo- pasivo.

BULSF! C;V'i : iJiDA,G.- ( f igura 7.20 y tabla 7.1 1) Dywidag es una marca comercial de anclajes y bulones. En rea- lidad es el mismo bulón de redondo, pero hecho con un

acero especial más resistente en lugar de utilizar las barras corrugadas normales. Es por este motivo, más caro y menos usado y su uso queda restringido a casos especiales.

BULONES DE INYECCION - ACERO DYWIDAG

Tuerca con apoyo serniesferico

Barra de anclaje Inyección de mortero de cemento Placa de apoyo

B U L O N DE F I B R A DL v i u ~ 1 0 . - (tabla 7.12) Es idéntico al anterior, salvo que se usa una barra de fibra de vidrio en lugar de una barra de acero. Este tipo de bulón tiene interés porque resiste a tracción incluso más que el acero, pero es rompible mecánicamente, po r lo que se usa en zonas que se han de excavar en fases poster iores de

RESISTENCIA A TRACCIÓN 1.000 MPL~

RESISTENCIA A CORTE 3 15.7 iZ1Pn

MODULO DE ELASTICIDAD 44.000-50.000 MPn

Bulón de cdle inyectc~do

8 ~ ~ j i \ ! DC C A B L E C ; . - (figura 7.21 y tabla 7.1 3). El principio de funcionamiento es el mismo de los bulones de redondo, salvo que se utiliza un cable en lugar de la barra corrugada. No pueden usarse cartuchos, debiendo ser in- yectado necesariamente. Es

de utilidad en túneles de gálibo escaso en los que es necesario instalar bulones muy largos, ya que, al ser flexibles, pueden colocarse sin dificultad.

BULÓN DE CABLES

-

\ l E Bulón de cable inyección de mortero de cemento

7.22 y tabla 7.14) Split-Set es una marca comercial de INGERSOL RAND. Está const i tuido por una chapa de forma cilíndrica, abierto a lo largo de la directriz. Al introducirlo en un taladro de diámetro inferior al

suyo propio, ejerce una fuerza radial sobre la roca que hace que el bulón quede fijado a la misma por rozamiento. Es muy rápido de colocar, pero tiene el inconveniente de que es muy sensible al diámetro del taladro y a la calidad de la roca. En terrenos de mala calidad las paredes del taladro ceden ante la presión que les transmite el Split-Set y se pierde la capacidad de anclaje con el tiempo.

BULON DE ANCLAJE DE FRlCClON - SPLlT SET

ALZADO \ \ Tubo de acero con

hendidura longitudinal /

Placa de apoyo Split - Set

Bulón tipo Swellex

Bulonadora (Co ~tesia

Atlas Copco)

BULON DE ANCLAJE DE FRlCClON - SWELLEX U C L C N Sir i r lLE: : . - (figura 7.23 y tabla 7.1 5) Swellex es una marca comercial de ATLAS- COPCO. Es un bulón hueco, que se introduce en el taladro y se expande mediante el bombeo de agua a presión en su inter ior. Al expandirse rellena todo el taladro y

presiona contra las paredes de éste, logrando la fuerza de anclaje por rozamiento. La instalación es rápida y requiere el uso de una bomba de agua capaz de suministrar la presión necesaria para producir su expansión. Hay en el mercado varios tipos de bulones Swellex: el Swellex normal, el SuperSwellex (que tiene más sección de acero), el Coated Swellex con protección anticorrosión y el Yielding Swellex hecho de un acero más deformable para terrenos expansivos o fluyentes.

-1 c La colocación de los bulones se lleva a cabo en tres fases:

S E ~ L A M - E O . - Se marca en clave y hastiales la posición de los taladros mediante pintura u otro medio. El bulonado en los túneles generalmente es sistemático, aplicando la cuadrícula que figura en los planos. No obstante, puede ser conveniente variar la cuadrícula teórica para adaptarla a la disposición concreta de juntas que se observe en las paredes de roca. De este modo se consiguen fijar las posibles cuñas que pudieran tormarse.

Para conseguir un buen anclaje, es neces con el diámetro de la barra de anclaje y diámetros no supere los 10 mm.

E J E C U C I G N DE 1-05 TALADROS.- LOS taladros se hacen normalmente con el mismo jumbo que se utiliza para la perforación de los barrenos para la voladura en el frente. En túneles que no se excaven mediante explosivos, puede resultar más ventajoso el uso de una bulonadora: que es una máquina muy similar a un jumbo, pero con un solo brazo y de menor tamaño. Por lo demás el funcionamiento es el mismo, y ya se trató suficientemente en el capítulo 6 de este manual (figura 7.24).

ario que el diámetro del taladro guarde relación de los cartuchos, de modo que la diferencia de

CQICEAIIOT;~ G E L B U L G N . - La colocación depende del sistema concreto de bulón que se utilice. Cuando se utilizan cartuchos de resina o de mortero, el bulón ha de introducirse de forma que se rompan los cartuchos y se distribuya su contenido, para lo cual lo ideal es usar el jumbo, acoplando el bulón al adaptador del martillo e introduciéndolo en el taladro con rotación continuada. Esto permite que la resina o mortero quede bien repartida a lo largo de todo el fuste y que, cuando se utiliza resina, se produzca la mezcla adecuada con el catalizador de fraguado. En el resto de los sistemas se aplica el procedimiento recomendado por el fabricante correspondiente descrito en el apartado anterior.

Las cerchas son elementos de acero en forma de arco que tienen una misión resistente de por sí y fundamentalmente en unión al hormigón proyectado. Se han de colocar en contacto con el terreno a lo largo de toda su longitud y firmemente apoyadas en el suelo Generalmente en secciones grandes cada cercha se divide en tres arcos para facilitar SU colocación Entre una cercha y la siguiente se deben colocar unas

barras de acero de unión, llamadas tresillones, que permiten que el conjunto de 58 todas las cerchas trabaje solidariamente. En construcción de túneles se usan - normalmente tres tipos de cerchas:

C E ~ C H A S i v - El perfil TH o perfil omega es la sección empleada para este tipo H

de cerchas, muy usadas en minería y construcción de túneles. Las características - mecánicas de los principales perfiles TH son las que se muestran en la tabla 7 16

y figura 7 25 Se emplean por la facilidad que tienen para solaparse por medio de

~!\Js,A,\~os Y C O ~ G T ~ , O L El control principal que se debe llevar sobre el bulonado es cuantitativo: número y posición de los bulones. Para comprobar la calidad de la adherencia del bulón a la roca se emplea el ensayo de arrancamiento. El ensayo de arrancamiento consiste en tirar del bulón ya colocado mediante un gato y medir la fuerza necesaria para arrancarlo, que debe ser superior al mínimo exigido por las prescripciones técnicas de la obra. Generalmente no es necesario arrancar totalmente el bulón, sino únicamente comprobar que resiste hasta la tensión mínima exigida. La finalidad de este ensayo es medir la resistencia de la adherencia acero-roca, no la resistencia del bulón en sí, que es conocida. Se emplea en todo tipo de bulones pasivos. En los activos no es necesario ya que el propio tesado del bulón representa ya una prueba de su resistencia al arrancamiento.

Grapas de unión para

cedas

inconveniente es que el solape se

unas grapas como las que muestran en la figura 7.26, de forma que la longitud de solape se gradúa in-situ para que la cercha ajuste bien al terreno y se adapte a las dimensiones de la excavación, que generalmente son muy variables. C E R C H A S H C B . - Cuando se requieren mayores inercias que las proporcionadas por la cercha TH, se recurre a las cerchas con perfil HEB de tamaños comprendidos entre la HEB-100 y la HEB-180, ya que los perfiles mayores generalmente no pueden ser curvados con los radios habituales en los túneles. En la tabla 7.17 y figura 7.27 se muestran las características mecánicas de las cerchas HEB. Su

efectúa mediante chapa y tornillos con lo que, cualquier variación en las dimensiones del túnel, dificulta la colocación de la cercha y, sobre todo, que ésta se ajuste a la roca.

s especiales 1

Estabilización de la clave

-1 ~ ~ \ ~ T R O D U C ~ ~ O ~ Z . Con el empleo de hormigón proyectado, bulones y, ocasionalmente, cerchas se logra el sostenimiento del túnel prácticamente en todas las calidades de roca. No obstante, cuando se atraviesan zonas donde el terreno es de peor calidad (fallas, presencia abundante de agua, roca muy fracturada, roca alterada, etc.), puede no ser suficiente la utilización de los elementos anteriores, y es necesario recurrir a métodos de sostenimiento complementarios más potentes que son los que se conocen como tratamientos especiales. Los tratamientos especiales se usan de forma puntual, con objeto de atravesar una zona concreta de terreno de mala calidad. Hemos distinguido tres tipos diferenciados según la parte del túnel que es necesario estabilizar: clave, frente o solera. En otro grupo se situarían los tratamientos de consolidación del terreno en sí. A continuación se analizan en profundidad cada uno de ellos.

cuando ésta es inestable y cede al efectuar el avance. Las principales medidas se han E S T A B I F I Z A C I ~ N DE LA CLAVE

resumido en la figura 7.29. Su aplicación es la que se describe a continuación:

Las medidas de estabilización de la clave se utilizan

A - ENFILAJE (Forepiling) B - PARAGUAS DE BULONES (Ligero) O TUBOS (Pesado) L= 3-4 m / a 1 10 mm inyectado s----L=9m '

Son -f 50nT-r u n -4-3m-\

3m Cercha

-----A

C - PARAGUAS DE JET-GROUTING

Columna de iet tiwo I Ligero

Pesado

TUBOS BULONES

ENFILAJE O FOREPILING.- Esta medida consiste en disponer unos bulones en la parte alta del frente inclinados unos 40-45" hacia adelante. Con ello se consiguen coser por delante del frente las cuñas que puedan producirse en la zona de clave en avances posteriores. Tiene utilidad cuando se atraviesa roca muy fracturada.

PARAGUAS.- El paraguas se usa para atravesar una zona de roca muy fracturada o roca muy alterada, que produce desprendimientos en la clave al efectuar el avance. Consiste en la colocación de elementos lineales paralelos al túnel en toda la corona de éste. Puede tratarse de bulones de redondo de diámetro 32 mm (paraguas ligero) o de tubos huecos inyectados de lechada de diámetro 102-1 50 mm y espesor 3-4 mm (paraguas pesado). El paraguas actúa como una viga, por lo que es necesario apoyarlo en sucesivas cerchas conforme se va avanzando bajo él. Cuando la zona a atravesar es amplia, se colocan paraguas sucesivos, con un solape mínimo entre uno y otro de 2 ó 3 metros.

Esta bilizdción

PARAGUAS O CORONA D E JET GROUTING.- Cuando es necesario atravesar una zona suelta (relleno de falla, roca descompuesta,...), se puede tratar todo el contorno del túnel mediante jet-grouting. Con ello se estabiliza el terreno formando un arco y se puede avanzar bajo él. En terreno rocoso este sistema no funciona adecuadamente porque no se forma el cilindro de terreno inyectado en torno a cada perforación de jet.

delicado, ya que debe ser necesariamente provisional y no muy potente, ya que de otro modo impediría un sucesivo avance. Los sistemas más usuales son los mostrados en la

ESTABIL IZACI~N DEL FRENTE

figura 7.30, y se describen a continuación:

En ciertas ocasiones el frente del túnel es inestable, y se

A - MACHON C - SELLADO DEL FRENTE

producen desprendimientos desde éste hacia el interior del túnel. El tratamiento es muy

B - BULONADO DEL FRENTE D - EXCAVACION A MEDIA SECCION

FASE la

FASE lb r MACHÓN c ~ i m - R A L . - Consiste en no excavar el frente vertical en su totalidad, dejando en el centro del mismo un contrafuerte o machón que resista los posibles empujes del terreno del frente. Los hastiales y clave deben quedar en su posición con objeto de poder colocar el sostenimiento.

BULONADO D E L FRENTE.- ES un sistema que proporciona una buena estabilidad del frente, tanto en suelos o rocas alteradas como en rocas fracturadas. Consiste sencillamente en coser el frente con un bulonado largo (L=9 m), preferiblemente utilizando bulones de fibra de vidrio, que son fáciles de excavar posteriormente, con lo que se mejora la estabilidad general del túnel, al impedirse la relajación de la roca por delante del avance.

SELLADO DEL FRENTE.- Consiste en realizar un gunitado del frente con un espesor de 3-5 cm. Con ello se consigue que el terreno no se altere ni se decomprima. También se evita que las entradas de agua puedan lavar las juntas o arrastrar roca suelta, para lo cual deberá realizarse un drenaje del agua en el frente.

E X C A V A C I ~ N A MEDIA S E C C I ~ N . - La medida más eficaz para estabilizar un frente de excavación es reducir su tamaño, pasando a excavar la sección anterior en dos nuevas fases, dejando un desfase mínimo entre ambas de unos 20 metros. La ejecución del túnel se complica al existir más tajos abiertos, lo que exige disponer de más medios y una mejor organización de los trabajos.

Consoliddción del terreno

inferior, de forma que esta deformación puede llegar a partir el sostenimiento por flexión. En la figura 7.31 se muestran posibles actuaciones frente a este problema:

E S T A B I L I Z A C I Q N DE LA SOLERA

A - CONTRABOVEDA

Cuando el terreno no es f i rme y las presiones

C - PATA DE ELEFANTE

horizontales sobre el revestimiento son altas, el túnel tiende a cerrarse por la parte

C O N T R A ~ ~ \ ~ E D ~ , . - Un método eficaz es excavar la solera del túnel con forma de arco y no plana, con lo que se facilita la transmisión de las tensiones horizontales del terreno. Si además se hormigona esta solera curva (contrabóveda), se logra cerrar un ani l lo de hormigón que tiende a tra- bajar a compresión, evitándose de este modo las flexiones.

E U L O i W D O D E wsr D E H,ASTIAL.- ES un sistema menos eficaz que el anterior. Consiste en coser la base del hastial mediante bulones, usando además cerchas. Se consigue de este modo resistir las cargas horizontales que desestabilizan el túnel.

?,ATA D E E L E F A N T E . - La "pata de elefante" es una prolongación recta del sostenimiento tangente al túnel (véase figura 7.31). Se utiliza cuando el terreno de solera es flojo y no puede resistir las cargas verticales que le transmite el hormigón proyectado. Con la pata de elefante se logran dos efectos: por un lado se aumenta la superficie de carga, con lo que, a igualdad de fuerza vertical, la tensión se reduce; por otro, se puede excavar la siguiente fase del túnel sin descalzar el sostenimiento de la fase anterior.

calidad, puede recurrirse a tratamientos de consolidación del terreno. Los más potentes I C O N S S L ~ D A C I ~ ~ \ ? D E L T E R ~ E N O

son la congelación, inyecciones sistemáticas, etc., pero únicamente son de aplicación en terrenos de escasa cohesión, por lo que se salen del alcance de este Manual. En túneles en roca se emplean los dos métodos indicados en la figura 7.32.

iN\!ECCIOI\IES L O C A L I Z A D A S . - Se efectúan inyecciones de lechada de cemento o de

Cuando la roca que se ha de atravesar es de mala

A - INYECCIONES B - DRENAJES

mortero cuando se detectan huecos dentro del macizo rocoso. Los huecos son per- judiciales porque favorecen la afluencia de agua, concentran las tensiones del macizo rocoso en ciertas zonas y dificultan la colocación y el trabajo de los bulones.

D R E N A J E S . - LOS drenajes permiten eliminar las aguas a presión existentes dentro del

macizo rocoso. El efecto más perjudicial del agua en el terreno, es el de favorecer los deslizamientos de cuñas y bloques actuando en las juntas de la roca y disminuyendo la cohesión del relleno de éstas. También se logra gracias a los drenajes concentrar en unos pocos puntos la entrada de agua al túnel, con lo que se facilita enormemente el gunitado y en general todos los trabajos de excavación y sostenimiento.

(1) lnternational Tunnelling Association (ITA): " Shotcrete for Rock Support. Guidelines and Recomendations - A Compilation " , ITA, 1 993.

(2) AFTES - Working Group no 6 - Shotcrete: " Recomendations on Shotcrete Technology and Practice ", AFTES, 1986.

(3) F.G. Bell (Editor): " Engineering in Rock Masses", 1992.

(4) Sika, lmpormaq SA, Bekaert, Aliva & Schwing: "Jornadas Técnicas sobre Hormigón Proyectado por Vía Húmeda " , 1 99 1 .

(5) Marc Vandewalle, Bekaert SA: " Dramix. Tunnelling the World", Bekaert SA, 1991.

(6) Stillborg B.: " Professional Users Handbook for Rock Bolting " , Trans Tech Publications, 1986.

(7) Ministerio de Obras Públicas y Urbanismo (MOPU): "Pliego de Prescripciones Técnicas Generales para la Recepción de Cementos", MOPU, 1988.

(8) Ministerio de Obras Públicas y Urbanismo (MOPU): "EH-91: Instrucción para el proyecto y la ejecución de obras de hormigón en masa o armado", MOPU, 1991.

(9) Recomendaciones de la American Concrete lnstitute (ACI), comité 506 - "Guía del Hormigón Proyectado" - " Recomendaciones Prácticas del Hormigón Proyectado" - "Especificaciones de materiales, dosificación y aplicación"

(1 0) F. G. Bell: "Engineering Treatment of Soils", Chapman & Hall, 1993

En la construcción de túneles se avanza siempre con un cierto grado de indeterminación, debido a la dificultad de conocer con exactitud las características del terreno a atravesar antes de iniciar la excavación del túnel. Debido a la variabilidad del terreno, en los Proyectos siempre se incluyen varios tipos de sostenimiento, debiéndose aplicar uno u otro según las características de la roca observadas en cada punto. La auscultación desempeña un papel fundamental para comprobar en qué medida una tipología de sostenimiento es adecuada a un concreto tipo de roca, así como para evaluar el grado de estabilidad conseguida en la excavación y sostenimiento del túnel. La auscultación permite detectar posibles inestabilidades que pudieran producirse durante el proceso constructivo, e incluso controlar deformaciones diferidas, una vez terminada la ejecución del túnel, durante su etapa de explotación. La instrumentación empleada con más frecuencia en las obras subterráneas es la encaminada a medir los movimientos relativos del terreno hacia el interior de la excavación, que proporciona una información directa y, por tanto, con menor posibilidad de error. Mediante las CONVERGENCIAS se miden los desplazamientos del contorno del túnel, mientras que con los EXTENS~METROS y con los INCLINÓMETROS se miden los movimientos en el interior del macizo rocoso. Además, se emplea también una instrumentación cuyo fin es medir las tensiones en los elementos del sostenimiento: CÉLULAS DE PRESIÓN para evaluar tensiones del hormigón proyectado, CÉLULAS DE CARGA para medir tensiones en los bulones, incluso EXTENSÓMETROS adheridos a las cerchas para conocer su deformación y, por tanto, su estado tensional. De todas formas, la auscultación del sostenimiento suele ser de tipo indirecto: se miden deformaciones para luego calcular tensiones, con márgenes de error elevados por la heterogeneidad del problema. Por este motivo se debe tender siempre, en primera instancia, a auscultar los movimientos del terreno y dejar las otras medidas como información adicional que puede resultar de interés. Existen otros aparatos de instrumentación que proporcionan otras medidas generalmente de menor uso: PIEZÓMETROS para conocer la profundidad del nivel freático, TERMÓMETROS para medir las temperaturas de la roca, MEDIDOR DE ASIENTOS para medir los asientos superficiales o de edificios, etc. Muchas veces se usa también la topografía convencional para medir movimientos, aunque deben emplearse aparatos de alta precisión (+/- 1 mm). La aplicación más utilizada es la relativa al control de los asientos superficiales sobre un túnel en construcción. Menos empleada es, sin embargo, en la medición de los desplazamientos del contorno de la excavación: convergencias, asientos de clave, etc. El instrumento concreto de medición, su manejo y la forma de adquisición de datos es muy variable de unos modelos a otros. En España existen actualmente varias firmas comerciales dedicadas a distribuir aparatos de auscultación, debiéndose consultar a cada fabricante sobre las características concretas de un determinado aparato. La adquisición o lectura de datos puede ser manual o automática. La lectura manual se hace habitualmente con un reloj comparador, y tiene el problema de una menor

precisión y la posibilidad de que el operario cometa errores de lectura. La lectura automática se hace mediante cuerda vibrante o potenciómetros, según el tipo de aparato, y se lee de forma digital mediante una centralita de lectura. Incluso es posible hoy en día transmitir los datos directamente en tiempo real a un ordenador central. Este método evita los errores de lectura y transcripción de datos, que de otra forma suelen ser bastante frecuentes. En la tabla 8.1 se han resumido las mediciones de auscultación más frecuentes hoy en día dentro del campo de las obras subterráneas. En los apartados posteriores se incide más en profundidad en los principales sistemas de instrumentación.

La medición de convergencias es la instrumentación más rápida, económica y más utilizada para el control de la excavación de un túnel. En la figura 8.1 puede verse una sección típica de medida de convergencias mediante cinta extensométrica. La medición se hace entre unos puntos que se anclan a la roca o al hormigón proyectado en el contorno del túnel. Según los diversos sistemas, estos puntos poseen en su extremo una rosca o un gancho donde se aplica el aparato de medición. El punto de medida debe ir protegido con un tapón a fin de aislarlo del polvo del ambiente, que suele ser muy abundante en los túneles en construcción. La cinta extensométrica es una cinta métrica metálica junto con un sistema que permite ponerla a una cierta tensión constante y un reloj comparador que aprecia, como mínimo, la décima de milímetro. La cinta debe tensarse para que se aproxime lo más posible a la línea recta entre los puntos de medida. En una sección generalmente se colocan entre tres y cinco puntos o clavos de convergencia. Lo más habitual es un punto en clave y otros dos, uno en cada hastial. La sección de medida debe colocarse y empezarse a medir lo más rápidamente posible tras la excavación, ya que de otro modo se pierden gran parte de las deformaciones producidas. De todas formas, hay un porcentaje importante del movimiento que se produce por delante del frente (un 30% aprox.), y otro porcentaje que se produce antes de

Medida de con vergeencim

empezar a medir (un 20% aprox.), por lo que con las convergencias únicamente se mide un 50% del movimiento total, o incluso menos. Las medidas deben hacerse diariamente hasta que se haya alcanzado la estabilización de los movimientos, e incluso dos lecturas diarias si la variación es muy brusca. Es conveniente realizar además medidas posteriores de comprobación con periodicidad mensual.

SECCION DE CONVERGENCIA

/////\\\\\

CINTA EXTENSOMETRICA

La medida de conver- gencias es una medida relativa, es decir, sólo se conoce la variación de distancias entre los puntos de medida, pero no su movimiento real. Todas estas características hacen que las conver- gencias se usen más bien de forma cualitativa que cuantitativa. Lo que interesa es conocer si la deforma- ción se estabiliza y cuánto tarda en estabilizarse, así como comparar unas secciones con otras, lo que nos da una idea de la calidad de la roca y de si el sostenimiento es adecuado para cada tipo de roca. Al

ser una medida rápida de leer y económica, se puede colocar en muchas secciones. Normalmente se coloca una sección cada 25 metros en túneles normales de carretera, y cada 10 ó 15 metros en zonas de especial problemática o en grandes cavernas. Modernamente se utilizan también estaciones totales topográficas de precisión para la medida de convergencias. En este caso se colocan unas dianas reflectantes pegadas al hormigón en lugar de los clavos anclados. Otra posibilidad es estacionar el aparato en una base fija y durante la medida ajustar el prisma sucesivamente en cada punto de lectura. El primer sistema es más rápido de leer, pero tiene el inconveniente de la suciedad que se deposita sobre las dianas, que imposibilita su lectura, y también la oscuridad del túnel, que dificulta la puntería del topógrafo hacia la misma. El segundo sistema resulta más caro al tener que colocar una base fija para el aparato y otra en cada punto de control y necesitar un operario adicional.

En ciertas ocasiones resulta muy conveniente controlar los asientos superficiales por encima del túnel. Esto es especialmente evidente en túneles urbanos, donde existen edificaciones próximas y la cobertera sobre la excavación es pequeña. En túneles de montaña no se suele hacer, salvo circunstancias especiales. El método habitual de medida es topográfico, utilizando un nivel de precisión, que permite apreciar el medio milímetro. Los hitos o puntos de nivelación se distribuyen sobre la traza del túnel, situando uno o varios lo suficientemente alejados del mismo para que sirvan de referencia. De este modo el nivel puede estacionarse dentro de la zona de influencia de la excavación.

Los puntos se deben proteger del tráfico y de los transeúntes mediante arquetas con

Sec de medida 1

tapa. El clavo de medida irá bien anclado en el terreno. Las medidas deben comenzarse antes de que la excavación del túnel alcance la sección de medida, y prolongarse por lo menos hasta que el frente se aleje dos o tres diámetros. Las lecturas suelen tener bastante dispersión por causas meteorológicas, ya que el volumen del terreno superficial resulta ser bastante sensible al contenido de humedad, que varía estacionalmente.

Existen aparatos más espe- cíficos que controlan un edificio en concreto que se halle próximo al túnel. Pueden instalarse medidores de asientos con mecanismo hidráulico, mucho más sensibles; también clinó- metros para control de la inclinación de las fachadas, fisurómetros o testigos de yeso para controlar la apertura de grietas exis- tentes, etc.

Los extensómetros de varillas y los inclinómetros son los aparatos más usados para medir los movimientos del interior del macizo rocoso. Son caros de instalación, por lo que únicamente se colocan en puntos de especial problemática, que requieran un análisis más detallado. En los túneles conviene normalmente concentrar todos los aparatos de medida en una misma sección completa de auscultación (véase figura 8.3), situada en una zona que pueda considerarse a priori más complicada que el resto. Las secciones completas necesariamente han de ser pocas en número debido a su alto coste, pero a lo largo del túnel tendremos gran número de secciones de convergencia,

con lo que podremos extra- polar los resultados de las secciones completas a toda la excavación. E l funcionamiento del extensómetro de varillas puede observarse en esque- ma en la figura 8.4. Está formado por un taladro en el que van alojadas una o varias varillas. Las varillas están protegidas por una vaina de plástico excepto en su parte final. Al rellenar el taladro con una inyección de mortero se consigue anclar cada varilla a profundidades distintas.

En la cabeza se coloca una pieza especial que permite leer la posición de cada varilla, bien mediante un reloj comparador, bien de forma automática mediante un potenciómetro. El extensómetro, pues, proporciona la variación de la distancia relativa entre la cabeza y cada punto de anclaje. No se trata de una medida absoluta, y si queremos conocer los movimientos absolutos debemos controlar topográficamente la cabeza o bien suponer que la varilla más profunda no sufre desplazamientos. Las lecturas son de gran precisión

(hasta la centésima de milímetro) y con poca dispersión en los resultados. Los extensómetros suelen ser de una a cinco varillas, que normalmente van alojadas en el mismo taladro, aunque puede resultar conveniente en ocasiones efectuar un taladro distinto para cada varilla. El extensómetro puede colocarse desde el interior o desde el exterior del túnel (figura 8.3). En general será preferible desde el exterior, pues puede comenzar a medirse antes del paso del frente por la sección, y además la lectura es mucho más cómoda. Desde el interior tendremos el mismo problema que con las convergencias: gran parte del movimiento ya habrá ocurrido cuando empiecen las lecturas. E l problema de los extensómetros de exterior es que únicamente pueden instalarse en el caso de túneles relativamente someros. Por otra parte, el esquema del funcionamiento de un inclinómetro se muestra en la figura 8.5. Este aparato de medida permite medir movimientos del terreno en dos direcciones perpendiculares, pero contenidas en un mismo plano horizontal. En un taladro, realizado desde el exterior, se introduce y se fija, mediante inyección de mortero, un tubo provisto de ranuras que sirven de guía. En el tubo se introduce una sonda que se desplaza por el tubo siguiendo las guías. Esta sonda es capaz de medir su desviación con respecto a la vertical, con lo que podemos calcular el desplazamiento

horizontal entre ambos extremos de la sonda, que normalmente distan un metro. La sonda se introduce hasta el fondo y se va extrayendo, efectuando una lectura a

profundidades dadas. De este modo se obtiene la deformación horizontal del terreno en función de la profundidad. Es una curva relativa, y para hacerla absoluta hemos de suponer que el fondo del inclinómetro tiene movi- miento nulo, o bien controlar topográficamente la cabeza. La precisión conseguida con un inclinómetro llega a la centésima de milímetro, pero, al tratarse de una lectura manual, está sujeta a posibles errores de lectura. Sólo puede colocarse desde el ex- terior, por lo que en túneles profundos no puede utilizarse.

Para medir las tensiones a las que trabaja el hormigón proyectado, o el anillo de hormigón encofrado de un túnel, se utilizan las células de presión. Su funcionamiento es hidráulico y constan de una placa hueca elástica rellena de un Iíquido a presión. Midiendo las variaciones de presión de dicho Iíquido conoceremos los incrementos de presión del material que rodea a la placa, que es el hormigón. Las células pueden colocarse de forma radial o tangencia1 (figura 8.6). Las radiales miden la presión que el terreno ejerce sobre el revestimiento, mientras que las tangenciales miden las compresiones dentro del anillo de hormigón. Con los espesores habituales de hormigón proyectado (5-20 cm) no hay espacio suficiente para colocar células tangenciales, por lo que su uso se limita a los revestimientos de hormigón encofrado. Estas medidas tienen una probabilidad alta de contener errores debido a defectos en la colocación de las células: el apoyo entre placa y terreno no es perfectamente liso, el hormigón no envuelve perfectamente a la placa, el mecanismo hidráulico de la célula pierde presión, etc. Por otra parte, sólo se miden las tensiones diferidas, pues la mayor parte de las deformaciones han ocurrido antes de colocar la célula. Por todo ello las células de presión no se utilizan nada más que en ocasiones especiales en que puedan tener interés, fundamentalmente para controlar las cargas diferidas sobre los revestimientos de hormigón del túnel. Mediante pequeños extensómetros de cuerda vibrante colocados dentro del hormigón, pueden medirse, con relativa precisión, las deformaciones de éste, y pasar a tensiones

Disposiciórz radial y tramvei"sal de las

céhlas de pesión

Células de m g a mecázica 1

supuesto conocido el módulo de defor- mación del material. Este es un método indirecto que no se utiliza habitualmente por su poca precisión. Las células de carga (figura 8.7) miden de forma mecánica o hidráulica la fuerza que la placa de cabeza de un anclaje ejerce sobre la roca. En los anclajes es de mucha utilidad para su control, pero la aplicación a los bulones de un túnel no es inmediata. En efecto, los bulones usados como sostenimiento de excavaciones subte- rráneas son generalmente pasivos y de anclaje repartido en toda su longitud, por lo que teóricamente su placa no ejerce presión sobre la roca. Si en un bulón normal colocamos una célula de carga no mediremos nada. Por tanto, para controlar el bulón lo que se suele hacer es instrumentar un anclaje de barra en lugar de un bulón. Es decir, el bulón con célula deberá ser activo y anclado sólo en la punta, dejando el fuste libre. De este modo podremos medir la evolución de la carga del bulón a lo largo del tiempo. Como se puede apreciar, la instrumentación no se corresponde directamente con el elemento de sostenimiento empleado, por lo que su interés es escaso.

&- -' & I ?<'; epresentación tos e interpretación La utilidad principal de la instrumentación es poder disponer a diario, durante la ejecución del túnel, de gráficos con curvas donde se representen las lecturas actualizadas para cada día. Esto permite observar rápidamente la tendencia a la estabilización, o no, de cada sección, con lo que los técnicos a pie de obra pueden tomar decisiones en lo relativo a sostenimientos a aplicar, refuerzos, medidas especiales, longitud y velocidad de avance, etc. Esto exige, lógicamente, que los técnicos de la obra tengan cierta experiencia en construcción de túneles. La auscultación exige un tratamiento informático de no demasiada envergadura. Se necesita un ordenador personal con un programa de hoja de cálculo y una impresora. En la hoja de cálculo se prepara una tabla de introducción de datos y otra tabla de resultados. Los cálculos para pasar de una a otra son muy sencillos: en general será suficiente con restar a cada lectura la lectura origen. Se preparan también unos gráficos XY y basta cada día con introducir la nueva medida e imprimir la gráfica actualizada. Las casas que comercializan los aparatos de medida, suministran también programas específicos y el hardware necesario para que los datos puedan introducirse directamente al ordenador, desde la centralita de lectura sin necesidad de teclearlos, pero en general suele ser suficiente el primer método. En la figura 8.8 y sucesivas se observan ejemplos de gráficas de auscultación. Normalmente se representa el movimiento medido con las convergencias o extensómetros en función del tiempo en días, ó de la distancia al frente en metros. En el inclinómetro se representa el movimiento horizontal en función de la cota para varios días. En cada caso concreto podrá ser de interés una cierta representación, que siempre será fácil de obtener con la hoja de cálculo. Otra utilidad interesante de la auscultación, es comprobar si los cálculos efectuados durante la fase de proyecto proporcionan valores similares a los reales en cuanto a las deformaciones del terreno, o bien, visto de forma inversa, calcular qué parámetros

debemos dar en el modelo de cálculo al terreno para obtener los movimientos reales medidos. Para este retro-análisis es necesario utilizar datos muy precisos y lo más completos posible. Esto sólo se consigue con la instrumentación colocada desde el exterior y comenzada a medir con suficiente antelación al paso del frente, en concreto con los resultados de extensómetros e inclinómetros. No es válida la instrumentación de interior ya que las lecturas empiezan cuando ya se ha producido una parte importante de la deformación. En este caso puede suponerse, como hipótesis, el porcentaje de deformación ocurrido antes del inicio de las medidas.

Resultados de medidas con

inclinómetros

(1) Dutro, Howard D.: "Underground Structures: Design and Instrumentation. Chapter 11 - Instrumentation ", Elsevier, 1989.

(2) Wittke W.: " Rock Mechanics", Springer-Verlag, 1990.

(3) Catálogos de fabricantes: GEODATA, INTERFELS, SOIL-EXPERTS, SOIL-INSTRUMENTS, etc

Una vez terminada la excavación y el sostenimiento del túnel, y quedando éste ya estabilizado, es necesario completar la construcción del túnel instalando la impermeabilización, el drenaje, el revestimiento y el firme. El único elemento imprescindible es el firme de la calzada, quedando la ejecución de los otros en función del diseño general, tipo de carretera, características de la roca e incluso coste máximo permisible para la obra. Los túneles poco importantes, cortos y situados en carreteras secundarias, generalmente no están impermeabilizados ni revestidos, mientras que los túneles con un tráfico importante sí conviene que lo estén. En los apartados que siguen se muestra la tipología y condiciones de utilización de cada uno de estos elementos.

Con la impermeabilización de los hastiales y de la bóveda del túnel se trata de evitar que las aguas de filtración, provenientes de la roca, entren al interior del túnel. Esta entrada de agua tiene dos efectos perjudiciales:

El agua ataca al hormigón y al acero del sostenimiento y del revestimiento del túnel, deteriorándolos. Con el t iempo pueden llegar a quedar completamente destruidos, lo que obliga a una reparación del revestimiento, que normalmente requerirá el cierre del túnel al tráfico.

6 Por otra parte, el agua que cae sobre la calzada puede resultar peligrosa para los vehículos por la posibilidad de deslizamientos e incluso de formación de placas de hielo.

Durante la etapa de construcción se habrán tomado las medidas precisas para excavar el túnel en zonas con abundante presencia de agua: inyecciones, taladros de drenaje (véase capítulo 7 ) , con lo que, una vez terminado el túnel, la afluencia de agua o es mínima, o está conducida al sistema de drenaje del túnel. No obstante, estas zonas se deben siempre impermeabilizar, ya que con el tiempo el agua va destruyendo y lavando el sostenimiento y el material inyectado, y termina por entrar al túnel. Por el contrario, en las zonas con escasa presencia de agua no se toma ninguna medida, con lo que al final de la excavación son normales los goteos localizados y las humedades en la bóveda y los hastiales. En los túneles con revestimiento de hormigón encofrado in-situ, puede confiarse al anillo de hormigón la misión de impermeabilizar el túnel, pero generalmente el agua entra siempre, en mayor o menor medida, debido a que el hormigón presenta juntas de construcción, fisuras debidas a retracción o a defectos estructurales y defectos constructivos (coqueras, juntas frías). La impermeabilización de los túneles, salvo casos muy concretos, no es tal. Es decir, no se impide que el agua entre al túnel, sino que se le permite entrar por lugares prefijados y allí se conduce y se canaliza a través del sistema de drenaje longitudinal del túnel hasta el exterior. Esto tiene varias ventajas frente al sistema de una impermeabilización completa

que impida por completo la entrada de agua: en primer lugar se evitan las cargas hidrostáticas sobre el revestimiento, que, con coberteras altas, pueden llegar a ser muy importantes, y por otro lado, se consigue un menor coste de la obra. Las medidas de impermeabilización son de varios tipos, desde las más simples hasta las más potentes, pero en general responden a tres grupos o sistemas de trabajo: drenes puntuales, bandas drenantes y la impermeabilización completa:

D R E N E S P U N T U A L E S . - También llamado sistema "Oberhasli". Se emplea para captar un goteo puntual en un túnel sin revestimiento de hormigón encofrado. El sistema se observa en la figura 9.1. En el punto donde existe un goteo se perfora un taladro de captación de una longitud aproximada de un metro y de diámetro mínimo unos 30 mm. A continuación se fija una media caña de PVC, de unos 80 mm de diámetro o más, al hastial para conducir el agua desde el taladro hasta el sistema de drenaje longitudinal del túnel. Por último, se aplica una capa de hormigón proyectado sobre la media caña para dejarla embebida dentro del sostenimiento. Suelen conectarse unas medias canas con otras en forma ramificada, con objeto de limitar el número de conexiones al dren longitudinal, que es el punto más engorroso del sistema.

BAI\;IDAS DXENf?,i\!TES.- Cuando los goteos son generalizados en una zona más amplia y no puntuales, no es viable el sistema Oberhasli y se recurre a las bandas drenantes (figura 9.2). Las bandas son distintas según el fabricante y el modelo, pero las más utilizadas son unas láminas de polietileno de alta densidad en forma alveolar ("huevera") que se fijan a la pared del túnel mediante clavos en toda la zona con agua, conectándose en su borde inferior con el drenaje longitudinal del túnel. Sobre la banda puede aplicarse una capa de hormigón proyectado o incluso hormigonarse el anillo de revestimiento definitivo. En ocasiones las bandas drenantes se usan de forma preventiva instaladas detrás de todas las juntas constructivas del revestimiento de hormigón encofrado, para evitar que el agua aflore por dichas zonas.

Esquema de impermeabilizdción

completa

\~~?EF",~\J~?AB~LIZ/-./- .C:LC~\~ f C-ir i4FLE-i~ . - Este es el sistema más costoso, pero también el que mejor impide la entrada de agua al túnel. Es obligado en las zonas con abundante presencia de agua, aunque en ocasiones se usa de forma preventiva a lo largo de todo el túnel. Requiere un revestimiento de hormigón encofrado para funcionar adecuadamente. El sistema de impermeabilización se observa en la figura 9.3. Sobre el sostenimiento se coloca una Iámina de geotextil de 250 a 500 grlm y una Iámina de PVC o de polietileno de un espesor de 1.5 a 2 milímetros. Tanto la Iámina de geotextil como la Iámina de PVC, se anclan al terreno por puntos, mediante arandelas especiales del mismo material fijados a la superficie soporte con clavos. Tanto la soldaduras a las arandelas como la de los solapes de la Iámina de PVC, se realizará por aire caliente mediante soldadura termoplástica. La Iámina de plástico realiza la función impermeabilizadora y el geotextil tiene por misión conducir al agua y proteger al PVC de las irregularidades superficiales del sostenimiento, que podrían rasgarlo de otro modo. El geotextil se conecta en su base con un tubo colector de pequeño diámetro que está unido a intervalos regulares con el sistema de drenaje longitudinal del túnel. Posteriormente se hormigona el revestimiento definitivo, con lo que los elementos de la impermeabilización quedan embebidos entre el sostenimiento y el revestimiento.

iento

A lo largo del túnel es necesario disponer un sistema de drenaje longitudinal que conduzca las aguas hasta el exterior del mismo. El agua puede tener procedencias diversas:

2 Agua que circula por las cunetas en el exterior del túnel y entra al mismo al no poder evacuarse por otros puntos.

S Agua procedente de las filtraciones desde el terreno, que según lo visto en el apartado anterior, se capta para que no caiga sobre la calzada. Sobre la calzada puede haber algún vertido procedente de algún vehículo, aguas producidas por labores de mantenimiento y limpieza del túnel e incluso aguas de filtración por un incorrecto funcionamiento del sistema de impermeabilización.

2 Por último, bajo la calzada es normal que aflore agua procedente del terreno por filtración.

Para evacuar el agua se pueden utilizar sistemas diversos, pero el más empleado hoy en día es el que se describe a continuación. El sistema consiste en colocar dos tubos de drenaje longitudinal, uno bajo cada acera o arcén, de diámetro entre 300 y 500 mm, en función de los caudales esperados. Se tratará de tubos-dren de PVC perforado. La disposición descrita de los tubos (figura 9.4) permite suprimir la colocación de tuberías bajo la calzada, para evitar zonas de posibles asientos diferenciales y para facilitar las posibles reparaciones en el drenaje.

Las aguas de la calzada se captan mediante sumideros dispuestos junto al bordillo cada 25-50 metros, al tresbolillo o en ambos lados. Pueden hacerse coincidir con arquetas registro que se utilizan para la limpieza del tubo-dren. El agua que aflora bajo la solera debe recogerse mediante una base drenante situada bajo el firme, de zahorra o de grava, desde donde se transmitirá al drenaje longitudinal.

\Tubo 0 400 mm. \ \ Base drenane perforado

Esque

-1 En la práctica totalidad de los túneles de carretera excavados en roca se usa un sistema de ejecución (originado en el denominado Nuevo Método Austríaco), que consiste básicamente en la colocación de un sostenimiento inmediatamente después de la excavación, que estabiliza el túnel. Dado que la estabilidad estructural está garantizada por el sostenimiento, la colocación del revestimiento debe regirse por otros criterios: estéticos, de impermeabilización relacionados con las instalaciones del túnel de mantenimiento, etc. En función de esto, hoy en día se utilizan tres tipologías distintas de revestimiento para los túneles de carretera:

La primera es simplemente no colocar ningún revestimiento adicional, dejando a la vista el sostenimiento de hormigón proyectado junto con los demás elementos estructurales (bulones, mallazo, cerchas, etc.).

Una segunda posibilidad es colocar un revestimiento decorativo, fijado a ambos hastiales del túnel, con una finalidad estética y funcional de cara a los conductores de los vehículos.

Por último, se puede colocar un revestimiento formado por un anillo de hormigón encofrado. La elección de uno u otro sistema dependerá en cada caso de los criterios que se van a señalar a continuación, aunque es necesario destacar que éste es un tema que no está cerrado hoy en día, existiendo diversas posturas sobre el mismo. En la tabla 9.1 se han tratado de resumir las ventajas e inconvenientes de cada sistema según los criterios que a continuación se indicarán y que más influyen en la decisión. 4zp-r-a g r - - 3 32 ,, J

D.V...: v s , n - . - Teóricamente el sostenimiento proporciona la estabilidad estructural del túnel, pero ello sólo es cierto a corto plazo. Con el tiempo, el deterioro debido principalmente a la acción del agua, termina por arruinar cualquier sostenimiento que pudiera colocarse, especialmente en zonas húmedas. El sostenimiento está en contacto

directo con el terreno, por lo que es atacado directamente por el agua. Además, su espesor es relativamente pequeño, por lo que la acción de la corrosión es mayor. Por el contrario, un revestimiento de hormigón tiene un espesor importante y está separado del terreno por el propio sostenimiento y, en ocasiones, por una impermeabilización. En zonas de una moderada presencia de agua el revestimiento tiene una vida útil de decenas de años, mientras que la duración del sostenimiento se estima en solamente unos pocos años. Por otra parte, en ciertos tipos de terreno pueden generarse cargas diferidas, que actúan a largo plazo. En estos casos puede resultar adecuado que sea el revestimiento, y no el sostenimiento, el que resista estas cargas.

PRESENCIA DE AGUA.- Cuando la afluencia de agua es grande, es muy conveniente emplear una impermeabilización con Iámina de PVC, lo que obliga a la ejecución de un revestimiento de hormigón encofrado. Con escasa presencia de agua puede ser suficiente el sostenimiento.

~ S i É l l ~ 0 . - LOS mejores revestimientos desde el punto de vista estético son obviamente, los revestimientos prefabricados decorativos. El anillo de hormigón puede quedar mejor o peor según la habilidad de los operarios en la puesta en obra, aunque generalmente suele tener un número importante de coqueras, juntas constructivas, juntas frías debidas a corte en el hormigonado, etc. El aspecto del sostenimiento se considera en general poco estético.

V E N T I L A C I ~ ~ - . - La ventilación se ve favorecida por una superficie interior del túnel lo más lisa posible. Esto se consigue con el anillo de hormigón, pero no con los otros dos sistemas, que dejan una superficie rugosa.

~ L U ~ i i q ~ t i ó ~ . - El sostenimiento, por su superficie rugosa y su color oscuro, absorbe la luz, por lo que requiere mayores potencias luminosas que los otros dos sistemas para lograr un nivel equivalente de iluminación en la calzada.

i\AJ!Ai\iTrNi!\RiEí\ITO.- El anillo de hormigón no requiere apenas mantenimiento, salvo quizás alguna limpieza. En cambio el sostenimiento, por su elevado potencial de degradación, debe ser revisado continuamente y reforzado cuando se le aprecian defectos. Además, si se instala un revestimiento decorativo, la limpieza periódica de éste exige un importante costo de mantenimiento.

COSTE.- El sistema más económico a corto plazo es, lógicamente, la exclusiva aplicación del sostenimiento, y el más caro el anillo de hormigón, especialmente en túneles cortos, donde el peso del coste del carro de encofrado repercute en mayor medida.

En definitiva, podemos decir que cada solución debe adaptarse a las tipologías de túnel indicadas en la tabla 9.1 Los túneles se pueden dejar sin revestir: cuando son cortos, cuando no es necesaria la ventilación artificial, y en carreteras secundarias de poco tráfico, donde es posible cortar el paso de los vehículos para efectuar reparaciones, siempre y cuando la presencia de agua sea baja o moderada. Si un túnel de estas características tiene un tráfico medio o incluso alto (carretera principal o autopista), conviene colocar un revestimiento decorativo, aunque es necesario prever un desvío para el caso de reparaciones (caso de dos tubos paralelos). El anillo de hormigón como revestimiento es muy conveniente en túneles largos, para favorecer la ventilación y reducir el mantenimiento; además el incremento relativo del coste no es tan alto como en túneles cortos. También es conveniente en túneles urbanos de mucho tráfico, por las dificultades que acarrean las labores constantes de mantenimiento, y también donde la presencia de agua es abundante, para poder colocar Iámina de impermeabilización.

CRITERIO SOLAMENTE SOSTENIMIENTO SOSTENIMIENTO + REVESTIMIENTO SOSTENIMIENTO + ANILLO DE HORMIGON DECORATIVO

COSTE RELATIVO Bajo Medio-alto Alto, especialmente en túneles cortos

TI PO DE TÚ N E L Corto (c 500 m), con poco wLf;co. Corto (400 m), tráf;co m e d i o - o . Túneles largos (> 500 m), con mucho trríf;co MAS l N D [CADO Preserzcia de agzu moderada Presencia de agua modemda o bien con abundantepresencin de agua

En primer lugar se hormigona la solera y el arranque de los hastiales. En éstos se dejan las esperas en el caso de que haya armadura, y unas roscas embebidas donde luego se

fi jará el encofrado mediante unos torni l los.

ANILLO DE HOR~\/~IGÓN !N - S i l U

La cimbra es una estructura metálica que soporta el peso del encofrado y del

hormigón fresco. Debe poder despla- zarse a lo largo del túnel por unos

carriles, permitiendo el paso de maquinaria a su través. El encofrado debe ser metálico, y generalmente está dividido en tres partes mediante unas rótulas que se abren y se cierran por medio de unos gatos hidráulicos.

La cimbra se debe posicionar en su lugar cuidadosamente, compro- bando topográficamente

El revestimiento de hormigón generalmente está

Gálibo para \solera SU colocación. Una vez

paso de colocada, se despliega el maquinaria encofrado y se atornilla éste

formado por un anillo como mínimo de 30 cm de hormigón de resistencia 250 KpIcm2 o superior. El espesor está limitado inferiormente por razones constructivas, ya que se requiere un mínimo de 30 cm. para la puesta en obra del hormigón de forma adecuada. La resistencia exigida no lo es generalmente por razones estructurales, sino para lograr una cierta impermeabilidad y un menor plazo de desencofrado. El revestimiento suele ser de hormigón en masa. Las armaduras son difíciles de colocar y dificultan el hormigonado, por lo que deben evitarse, diseñando preferiblemente un espesor mayor de revestimiento en el caso de que el cálculo arroje la necesidad de armar el hormigón. El esquema de colocación de un revestimiento de hormigón in-situ se muestra en la figura 9.5. Los pasos a seguir son los siguientes:

Revestimientos p refd b ricados oi-ndrne?zta/es

a las roscas que se habrán dejado en la base de los hastiales. El encofrado de los extremos, denominado tape, se efectúa con madera o nervometal, y se fija normalmente con unos puntales.

El hormigonado se lleva a cabo mediante bombeo. El encofrado lleva, a distintas alturas, unas ventanas que permiten introducir por ellas la manguera que conduce el hormigón. El vibrado se realiza mediante unos vibradores superficiales aplicados al propio encofrado, o bien introduciendo vibradores normales de botella por las ventanas.

El desencofrado se suele realizar entre las 24 y las 48 horas, con objeto de sacar el máximo rendimiento al encofrado. Generalmente esto obliga a utilizar algún acelerante en el hormigón. También se suele emplear un plastificante para facilitar el bombeo del hormigón.

En la zona de clave suelen quedar huecos entre el hormigón y el terreno. Debido a ésto, es una práctica recomendable efectuar unos taladros e inyectar mortero o lechada de cemento en dicha zona. Para evitar la perforación de los taladros pueden dejarse unos tubos embebidos durante el hormigonado

figura 9.6. En clave, por encima del nivel de la iluminación, no se considera necesario colocar placas, ya que su finalidad principal es estética. El material de que están fabricadas es diverso: hormigón, acero, aluminio, hormigón con fibra de vidrio, etc. En cualquier caso debe tratarse de un material ligero de colores claros, resistente al fuego y

que no produzca humos tóxicos. En alguna ocasión se han empleado placas de hormigón in-situ.

La fijación al terreno se lleva a cabo mediante unos pernos, con ayuda de unas vigas longitudinales que solidarizan

varias placas, lo que les impide caerse. Entre la placa y el hastial se deja un hueco que se puede utilizar para conducciones diversas y para el flujo del agua de filtración. La tolerancia en la colocación de las placas es pequeña (2 0.5 cm), ya que los errores son muy evidentes desde la posición del conductor, que mira en la dirección del túnel.

.\EVESTIT\JiIENIOS DECORATlVOS

El firme del interior de un túnel tiene unos condicionantes que lo

LOS revestimientos decorativos están formados por

diferencian del firme habitual de las carreteras, a cielo abierto. Los más importantes son los siguientes:

Generalmente pueden emplearse firmes de espesores inferiores en el túnel con respecto al exterior, ya que la intensidad del tráfico es la misma y la calidad de la explanada es mayor, ya que se trata de roca sana en la mayoría de los casos.

Q Es conveniente emplear un f i rme de color claro, ya que mejora considerablemente la eficacia de la iluminación del túnel. Son convenientes por otra parte, los firmes drenantes, con objeto de evitar acumulaciones de agua en puntos donde existan goteos.

B En cualquier caso, como se ha apuntado anteriormente, es obligada la colo- cación de una primera capa de subbase drenante formada por zahorra o grava con objeto de recoger las humedades y filtraciones provenientes de la solera.

placas prefabricadas situadas sobre los hastiales del túnel en la forma en que muestra la

El tipo de firme puede ser rígido o flexible, siendo preferible el rígido, que es más duradero, por la dificultad que supone cualquier tarea de mante- nimiento o conservación dentro de un túnel.

La norma española de carreteras"' proporciona un catálogo de firmes para cada tipo de explanada y para cada nivel de tráfico. En el caso concreto que nos ocupa, la explanada a considerar debe ser la E3, formada por roca, regularizada con hormigón pobre H-50 ó H- 100. En la tabla 9.2. se han transcrito los firmes correspondientes a la explanada E3 para cada nivel de tráfico.

MEZCLAS BITUMINOSAS 35 30 27 15 10 30 25 22 15 10 - - - - - - - - - - - - - - HORMIGÓN COMPACTADO 25 22 - - - - - - - - - - - - -

EXPLANADA E3 E 3

GRAVA CEMENTO 18 ------ SUELO CEMENTO 22 ------ ZAHORRA ARTIFICIAL 30 30 ------ ZAHORRA NATURAL ------ EXPLANADA E3

Elemefltos laterales I por elementos laterales nos referiremos a todos C 1

aquellos elementos del túnel que se colocan en la base de los hastiales, junto a la calzada, pero que no pertenecen estrictamente a ésta. Fundamentalmente se trata de la acera, el bordillo, la barrera de seguridad, etc. En los túneles interurbanos, donde no se permite la circulación de peatones, se suele disponer en cualquier caso una acera, que es conveniente para la circulación accidental de peatones, labores de mantenimiento y para el tendido bajo ella de las conducciones de las instalaciones y del drenaje. El bordillo entre la acera y la calzada puede ser rebasable o no. Hoy en día generalmente se prefiere un bordillo rebasable para proporcionar una anchura extra de seguridad para la circulación de los vehículos y para apartar vehículos averiados, vehículos de mantenimiento del túnel, etc. Aun siendo rebasable, la altura del bordillo debe ser de 10-1 5 cm. para que los conductores adviertan su presencia y reconozcan la acera como tal y no como parte del arcén. En tal caso es preciso no colocar en la acera ninguna arqueta u otro elemento que no sea pisable por un vehículo y además debe colocarse una barrera rígida en la base del hastial, con objeto de reflejar hacia la calzada los vehículos que se desvíen contra la pared del túnel. La barrera más conveniente en estos casos es la barrera rígida de hormigón prefabricado o in-situ con perfil New Jersey (véase figura 9.7). Hay que tener en cuenta también un gálibo mínimo sobre la acera (véase el capítulo 2).

Bodillo rebasa ble y barreya ri@da con perfzl New Jersey 1

(1) Ministerio de Obras Públicas, Transportes y Medio Ambiente, MOPTMA,"lnstrucción de Carreteras 6.1. IC y 6.2. IC ", MOPTMA, 1989.