TUNE LES CARRE-TEROS

M E X 1 C O D. F.

Sociedad Mexicana de Mecánica da Suelos, A.C. 1985

1 .

© Copyright México, 1983.

SOCIEDAD MEXICANA DE MECANICA DE SUELOS, A.C.

Valle de Bravo No. 19, Col. Vergel de Coyoacán, 01434-México, D.F., México

Prohibida la reproducción sin autorización escrita. Hecho en México.

Las opiniones y conclusiones expresadas en esta publicación son responsabilidad exclusiva de sus autores.

Editor: Alfonso Olivera Bustamante.

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AGRADECIMIENTO la Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos, agradece su valiosa colaboración a todas las personas, empresas y' orga­nismos oficiales que hicieron posible y contribuyeron al éxito de este Seminario, organizado por la Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos en colaboración con la Sociedad Mexicana de Mecánica de Rocas y la Asociación Mexicana de Vías Terrestres; contando con el patrocinio de la extinta Secretaría de Asentamientos Humanos y Obras Públicas. Se agradece en particular a la Secretaría de Comunicaciones y Transportes el patrocinio de la impresión de esta Memoria.

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El Seminario de Tuneles Carreteros fué organizado por la Mesa Directiva 1981-1982. Conforme a_los objetivos de la So ciedad Mexicana de Mecánica de Suelos de difundir los conocimientos de esta especialidad, la Mesa Directiva 1983 1984 llevó a feliz término la edición e impresión de dicho Seminario.

IV

SOCIEDAD MEXICANA DE MECANICA DE SUELOS, A. C.

MESA DIRECTIVA

1981 -1982 luis Vietes Utesa

Germán E. Figueroa Vega Jaime A. Martínez Mier

Manuel Jara lópez J. Rafaél Alpuche Cual

Jorge Flores Núf'lez J. Alfonso Mier Suárez

Sergio A. Ruelas Moncayo

1983-1984 Gabriel Moreno Pecero Raúl F. Esquive! Díaz Alberto Jaime Paredes

Agustín Deméneghi Colina Roberto Avelar lópez

Hugo S. Haas Mora Alfonso Olivera Bustamante

Armando Wong Ramos

CONSEJO CONSULTIVO

Alfonso Rico Rodríguez Enrique Tamez González

Guillermo Springall Cáram Edmundo Moreno Gómez Carlos J. Orozco y Orozco

V

Enrique Tamez González Guillermo Springall Cáram Edmundo Moreno Gómez Carlos J. Orozco y Orozco

luis Vietez Utesa.

SEMINARIO DE TUNELES CARRETEROS

REUNION TECNICA

OCTUBRE DE 1982 .

MEXICO, D.F.

ORGANIZADOR: ARMANDO WONG RAMOS

' -

SOCIEDAD MEXICANA DE MECANICA DE SUELOS, A.C.

VIl

COMITE DE OBRAS SUBTERRANEAS

Germán E. Figueroa Armando Wong Ramos

Luis Vieitez Uteza Daniel Reséndiz Núf\ez

Carlos E. Castaneda Narváez Fernando Arean Carrillo

Andrés Moreno Fernández M. Luis Salazar Zúf\iga

César Mondragón Lerma Hermilo del Castillo Mejía Arturo A. Bello Maldonado

Mariano Ruíz Vázquez

IX

PROBLEMAS GEOTECNICOS

OPERACION DE TUNELES

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL TUNEL CARRETERO

METODOS PARA EL DISEÑO DE TU N ELES.

ESTUDIOS GEOLOGICOS PREVIOS PARA LA CONSTRUCCION DE TUNELES CARRETEROS.

ESTUDIOS PREVIOS

EXPLORACION Y MUESTREO PARA DEFINIR PARAMETROS DE DISEÑO DE TUNHES CARRETEROS.

EXCAVACION Y ADEMES

ALGUNOS ASPECTOS SOBRE LA FACTIBILIDAD DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN TUNEL CARRETERO EN EL ESTADO DE CHIAPAS. REPUBLICA MEXICANA.

CONSTRUCCION DE TUNELES EN SUELOS MEDIANTE EL EMPLEO DE

--ESCUDOS O MAQUINA$ ROZADORAS.

EXCAVACION DE TUNELES MEDIANTE EL USO DE TOPOS O MAQUINAS EXCAVADORAS DE TUNELES DE ROCA

COSTO DE TUNELES

PROCEDIMIENTO DE ·coNSTRUCCION PARA LA EXCAVACION DE TUNELES.

VOLADURASSUBTERRANEAS

ANALISIS ECONOMICO EN TUNELES

LA ILUMINACION DEL PUENTE Y SU IMPORTANCIA PARA EL TRAFICO MOTORIZADO

CONTENIDO

XI

PAG.

- H. DEL CASTILLO MEJ lA 1

- A. MARTINEZ DURAN 7

- L. VIEITES UTESA 11

- J. OROZCO Y OROZCO 15

- J. L. ROSAS 37

- C. F. SALINAS F. 48

- C. BOTAS ESPINOSA 53

- E.J. FLORES SANCHEZ 62

-M. PEREZ GONZALEZ A. BELLO MALDONADO C. SAUNAS F

66

- H. CANSECO ARAGON 77

-H. CANSECO ARAGON 86

-V. HARDY MONDRAGON 91

- J. HUIDOBRO 114

-A. SAMUELSON -187

- M.A. NAVA URIZA 200

· - Material proporcionado por el personal­técnico de Philips Mexicana S.A. de C.V. División Alumbrado 207

PROBLEMAS GEOTECNJCOS

H. del Castillo Mejía

1. ANTECEDENTES

la construcción de los túneles está, por antonomasia, ligada a la Mecánica de Rocas y a la Geología Aplicada; raros son los túneles cuyo trazo discurra por completo sólo por suelos, aun cuando en esos casos poco frecuentes en número, pue­dan presentarse algunos de los problemas más difíciles de re­solver en el arte de la construcción de túneles, Además, las rocas intensamente fracturadas o las más moderadamente rotas, pero con sus juntas y fracturas rellenas de suelo, pre­sentan comportamientos que resultan imposible de separar nítidamente de los que son objeto de interés por parte de la Mecánica de Suelos. los túneles son quizá la estructura en la que más difícil puede resultar intentar separar las tres dis­ciplinas de la Geotecnia, la Mecánica de Suelos, la Mecánica de Rocas y la Geología Aplicada.

la utilización de los t(meles en la tecnología de las vías . terrestres está muy desigualmente repartida. Desde luego es­tas estructuras constituyen un recurso familiar a los proyec­tistas y constructores de vías férreas en todo el mundo, pero en las carreteras el empleo de los túneles parece, hasta cierto grado, materia de preferencia personal de .los proyectistas o de costumbres y tradiciones imperantes en cada país. Hay naciones en cuya red carretera el túnel es una estructura fre­cuente y hasta hay algunas, en que cabría preguntarse si no es demasiado frecuente; muchos países de Europa son ejem­plo de todo lo anterior. Hay otras muchas naciones en que, por el contrario, los túneles escasean muchísimo en las redes carreteras o no existen en absoluto.

Desde luego, el que haya o no un túnel en un determinado lugar de una carretera es, ante todo, una cuestión de topografía, de que exista un obstáculo que al ser atravesado permita ahorrar longitud de trazo guardando los requerimientos adecuados de curvatura y pendiente. En los ferrocarriles, los costos de opera­ción ligados al desarrollo del trazo y las exigencias de curvatu­ra y pendiente son sumamente importantes, por lo cual los pro­yectistas de vías férreas están acostumbrados a tomar en cuenta el túnel en sus análisis de alternativas y a adoptarlo co­mo solución final frecuentemente, cuando resulta más favo­rable que las demás soluciones tentativas competidoras.

En las carreteras, las exigencias de pendientes y curvatura son mucho más flexibles y, en muchos país.es, las intensida­des de tránsito permiten, por ser relativamente bajas, mayo­res desarrollos longitudinales, con tal de evitar los costos de

construcción, iluminación, ventilación, etcétera, que conlle­van los túneles. No cabe duda de que el balance de todos es­tos criterios debe condicionar, en una red de transportes bien concebida, una mayor incidencia de túneles en las vías fé­rreas que en las carreteras, pero también es probable que en estas últimas esta clase de estructuras resulte con cierta fre­cuencia la económica y la conveniente.

El túnel es una estructura de·construcción peligrosa e incier­ta, pese a lbs avances que sus técnicas him experimentado en los últimos anos; por lo menos esa es la opinión de muchos hombres con experiencia en la construcción de vías de trans­porte. Mt¡cho más que en ot[aS estructuras de las vías terrestres, ocurren en los túneles situaciones no previstas por la exploración y los estudios previos, que hacen aparecer montos adicionales muy importantes de trabajo, tiempo y di­nero que trastornan los programas de construcción y provo­can dificultades sociales y políticas; naturalmente que estos riesgos serán tanto menores cuanto mayor sea el monto de exploración y estudios previos que se efectúen. Todo esto influye seguramente bastante en el hecho de que los cons­tructores de carreteras de muchos países los eviten casi siste-. máticamente. Al lado de esto, en esos mismos países, los constructores de vías férreas opinan que los túneles pueden hacerse con seguridad y dentro de normas de programación ·muy razonables; de hecho no es raro que entre Jos proyectis­tas de los dos grandes tipos de vi as terrestres esté planteada una amistosa, pero muy viva polémica, sobre las virtudes del túnel, los azares de su construcción y los alcances de su ca m-

. po de aplicabilidad.

Las técnicas actuales permiten afrontar la construcción de los túneles con el mis'mo ambiente general de seguridad y espe­ranza de éxito que se tenga en cualquier otra gran obra de ingeniería. la decisión de construcción de un túnel debe ser, en la gran mayoría de los casos, una cuestión económica y de disponibilidad de equipo, en la que la decisión resulte de la comparación usual entre los costos de construcción, de opera­ción y de mantenimiento. El túnel debe ser sistemáticamente tomado en cuenta dentro del conjunto de soluciones dispo­nibles y construido cuando resulte ser la solución más econó­mica, segura y conveniente.

El arte de la construcción de túneles debe figurar en las vías terrestres en otro aspecto diferente del usual. Muchas veces el túnel es una solución muy apropiada para la construcción de alcantarillas, obras de drenaje y de desvío, y también en

estos campos debe de ser tomado en consideración. Los tú­neles constituyen excelentes obras de subdrenaje. 2. INTRODUCCION

El análisis de las presione$ de tierra sobre los recubrimientos de los túneles, se hace generalmente con una metodología que tiene su raíz en los estudios teóricos, pero modificados e influenciados por la intuición y la experiencia, de manera que, a fin de cuentas, el diseño de tales recubrimientos es más un arte que una ciencia.

Hay soluciones teóricas del problema que permiten calcular los esfuerzos y las deformaciones de los túneles en materiales idealizados, pero el proyectista debe adaptar los cálculos a materiales reales, cuyas propiedades no necesariamente son las mismas que las de los materiales ideales considerados; ade­más, las propiedades del material real rara vez se conocen en forma segura y cambian mucho en distancias cortas. Como consecuencia, los conceptos presupuestos en las soluciones teóricas a menudo no son muy satisfactorios. Por lo anterior, será preciso continuar investigando el comportamiento de los túneles, para llegar a mejores métodos de análisis; es opinión general de los especialistas que la combinación de estudios teóricos y de conocimiento empírico, resultado de observa­ción y mediciones de comportamiento de túneles reales será el camino más prometedor para llegar pronto a mejorar substan­cialmente los métodos de análisis de que hoy se dispone o para desarrollar otros nuevos y mejores.

El primer requisito para tener un túnel satisfactorio es que pueda construirse en forma segura, de manera que permanez­ca compliendo sus funciones por sí mismo o con ayuda de un revestimiento. El segundo requerimiento será que la construc­ción no cause daños a estructuras vecinas, si las hubiere; es fre­cuente que en las zonas en que las densidades de tránsito y otras condiciones permiten o aconsejan la construcción de tú­neles (sobre todo carreteros) existan desarrollos urbanísticos que pueden ser influenciados por la obra. Una tercera condi­ción que debe cumplir un túnel satisfactorio es revelarse ca­paz de permanecer durante toda su vida de servicio a cubierto de las influencias a que pueda quedar sujeto. La primera de és­tas será la presión de tierra, pero otros muchos accidentes o circunstancias pueden ser importantes.

3. IDEAS GENERALES SOBRE EL COMPORTAMIENTO DE LOS TUNELES

La apertura de un túnel cambia las condiciones de esfuerzos en el medio original, que puede concebir6e en principio co­mo una masa en equilibrio dentro de un campo gravita­dona!. Los cambios que tengan lugar pueden ocurrir en for­ma continua o por etapas, hasta que llegue a alcanzarse una condición final en la masa, ya relativamente invariable, que puede considerarse como de equilibrio definitivo. Esta condición final implica nuevas condi.ciones hidráulicas en el subsuelo y el cese de las deformaciones y los cambios de es­fuerzo producidos por .la excavación.

Cuando se excava un túnel se produce una región de esfuer­zos cambiantes, en la que generalmente se incrementan Jas presiones verticales y que se localiza en el frente de la exca­vación, desplazándose con ella. En el frente, los estados de esfuerzo son netamente tridimensionales, pero tienden a

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transformarse en bidimensionales a medida que las zonas en que se producen van quedando más atrás y el avance de la obra continúa. Los cambios de estados de esfuerzos que pro­duce la excavación no pueden ocurrir sin deformación en el medio; cuando hay revestimientos, éstos se deforman tam­bién. Los procesos de deformación resultantes evolucionan con el tiempo, de manera que este último representa una nueva variable en el proceso. La excavación produce cam­bios en las presiones de poro del agua en su vecindad; como el túnel representa siempre una zona a la presión atmosféri­ca, invariablemente el agua tenderá a fluir hacia su interior. De esta manera, el juego de presiones en el agua constituye otra importante variable del problema; en suelos de permea­bilidad relativamente baja, la adaptación de las presiones del agua a los nuevos estados de esfuerzos de ninguna maAe­raes instantánea, por lo que el tiempo influye otra vez a tra­vés de los mecanismos de evolución de presiones de poro y de transmisión de presiones a la estructura sólida del suelo. La aparición de presiones efectivas allí donde las presiones de poro se vayan disipando es fuente de la generación de nuevos esfuerzos cortantes y de nuevas deformaciones del medio. Todo el cuerpo puede aún complicarse más por la aparición de toda una serie de efectos viscoplásticos, tales como el creep.

La construcción del túnel no sólo cambia los estados de es­fuerzos en el interior del medio, sino que muchas veces cam­bia el propio medio; el empleo de los explosivos suele redu­cir la resistencia de rocas y suelos duros en torno a la galería y otros métodos de excavación tales como escudos, produ­cen remoldeo en los suelos vecinos. Solamente en túneles que puedan excavarse en forma manual y en los que no se re­quiera ningún tipo de ademe podrá pensarse que la perturba­ción en los materiales de la galería sea realmente pequeña.

La mayor parte de los túneles en suelos han de ser ademados en algún momento de la construcción. Muchas veces el ade­me se requiere para garantizar la estabilidad inmediata; en ocasiones, inclusive antes de iniciar la excavación han de me­jorarse los suelos involucrados. Los ademes son generalmen­te rígidos, formados con piezas de madera o de acero, aun cuando con cierta frecuencia se utilizan en una primera eta­pa otros métodos de soporte que dan lugar a sostenes mucho más flexibles, si bien, aun en tales casos, lo común es cons­truir un ademe rígido muy poco tiempo después. También es común que el revestimiento pueda construirse con un cierto desfasamiento respecto al avance de la excavación, de mane­ra que su erección vaya avanzando a cierta distancia detrás. En este caso se produce una relajación parcial de los esfuer­zos en la parte de la excavación no sostenida, la cual está asociada a los movimientos del terreno que se produzcan an­tes de colocar el revestimiento. También muchas veces se construye un soporte que posteriormente se expande, apre­tándose contra las paredes del túnel; este proceso induce un incremento en los estados de esfuerzos, tanto en el revesti­miento como en el terreno y estos nuevos esfuerzos produ­cen las correspondientes deformaciones.

Aun cuando no haya amenaza de un colapso, derrumbe o cierre de la excavación, puede requerirse el revestimiento co­mo forma para mantener las deformaciones de la excavación en límites tolerables. Deformaciones muy grandes pueden distorsionar en exceso la sección estructural o producir cam-

bios en la superficie del terreno o danos a estructuras próxi­lnas; además, las grandes distorsiones suelen producir reduc­ciones indeseables en la resistencia al esfuerzo cortante de los suelos, como consecuencia de degradación estructural. De esta manera, e! ademe colocado a tiempo, puede impedir e.l desarrollo ultenor de fuertes presiones de tierra. los mate­nales expansivos, los que muestran tendencias a creep 0 las rocas con juntas rellenas de suelos arcillosos no pueden al­ca.nzar, de hecho, ninguna condición satisfactoria de equili­bno fmal SI no se ademan y ello aun cuando inicialmente no presenten ningún signo de inestabilidad.

Es posible e indeseable impedir del todo las deformaciones de la galería. Algo de deformación es necesaria para llegar a una distribución favorable de las presiones y el ingeniero de­be en cada caso determinar qué monto de movimiento míni­mo debe tolerar para obtener beneficio y a partir de qué mo­mento la deformación le resultará desfavorable. Este control de la deformación se hace sobre todo con restricciones y .acunamientos en el revestimiento. Las cargas que soporte un ademe o un revestimiento dependen de la condición del sue­lo en el momento en que dicho soporte se coloca; si el suelo hubiese alcanzado una condición de equilibrio final antes de que se coloque el revestimiento, éste no recibirá empujes posteriores, pero si el revestimiento se coloca antes de alcan­zar el equilibrio final, representará una nueva condición de frontera al estado de esfuerzos y .deformaciones preexisten­tes, de manera que estos estados evolucionarán de manera diferente a que si el ademe no se hubiera puesto.

La excavación hace que, por lo menos durante un tiempo, los esfuerzos normales radiales en la frontera del material se re­duzcan al valor de la presión atmosférica y esto conduce a· tales deformaciones en las paredes, que los esfuerzos que ac­túan finalmente sobre cualquier revestimiento que se colo­que no se parecen en nada a los esfuerzos que había original­mente en el medio.

la construcción de los túneles produce cambios radicales en las condiciones hidráulicas del subsuelo; éstos pueden ser temporales o definitivos, según sea la permeabilidad de la estructura. Un túnel generalmente produce abatimiento del nivel freático vecino a él y ello hace aumentar los esfuerzos efectivos en la masa de suelo y los pesos de esa masa, de donde resultan asentamientos no reversibles. Si el revestí-

. miento del túnel es impermeable o se toman precauciones para restaurar el contenido de agua y la condición de la mis­ma en el suelo, el nivel freático se recuperará al cabo de un tiempo; en caso contrario el túnel será un dren permanente. La primera actitud conduce a la necesidad de que los revesti­mientos soporten adicionalmente presiones hidrostáticas, en tanto que la segunda exige tomar todas las precauciones pa­ra que el túnel funcione efectivamente como un dren, sin que ello interfiera en su utilización principal.

Es evidente que siempre será económico y deseable un criterio de diseno que haga el máximo uso posible de la capacidad del material para soportarse a sí mismo. Una elección apropiada de los sistemas de revestimiento y de los momentos en que se instalen puede contribuir a minimizar las cargas de tierra y a hacer que el medio tome por sí mismo la mayor parte de sus

·presiones. De hecho, y·ésta es una regla fundamental, un re­vestimiento debe contemplarse siempre como una restricción

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que se coloca para ayudar al material excavado a soportarse a sí mismo. Desde este punto de vista es muy importante el control de los movimientos, pues .mientras los muy grandes aflojan y debilitan al medio, haciéndolo perder capacidad de SOP<;>.rte, los demasiado pequenos pueden impedir también, ya s~ diJO, que el material desarrolle toda su capacidad. E 1 permi­tJr que tengan lugar los niveles apropiados de desplazamiento es uno de los puntos esenciales también en el diseno de revestí~ mientos. El cómo controlar los movimientos depende mucho de las propiedades del material y de la naturaleza del propio revestimiento; para unas condiciones dadas existe una combi­nación óptima de flexibilidad y rigidez.

4. TIPOS Y CAUSAS DE LAPRESION DE TIERRAS Y ROCAS EN TUNELES

En .la naturaleza, las rocas están sujetas a su propio peso y al peso de las masas sobreyacentes; como consecuencia, en su interior se desarrollan esfuerzos y deformaciones que se pro­ducen entre las partículas individuales constituyentes. Mien­tras la roca o un suelo duro estén confinados, no podrán produ­cirse los desplazamientos interparticulares necesarios para que se desarrollen los estados de deformación correspondien­tes a los esfuerzos actuantes, por lo que éstos se acumulan o almacenan en el material, pudiendo llegar a valores muy altos, muy por encima de los límites de fluencia. Tan pronto como este material así esforzado pueda moverse, ocurrirán en él desplazamiento en forma de flujos plásticos o, inclusive, de "explosiones", en las que fragmentos de la roca o del suelo du­ro pueden salir proyectados violentamente; sólo si los esfuer­zos residuales no han sobrepasado el límite elástico del mate­rial, ocurrirán desplazamientos en el rango elástico.

Las excavaciones que se hagan en el interior de la masa crean siempre un espacio vacío hacia el que se posibilitan los des­plazamientos; a la vez, los pesos de los materiales supraya­centes actúan como una carga repartida sobre el techo de la excavación producida. la resistencia del suelo o de la roca proporciona los elementos resistentes, casi en nada moviliza­dos antes de la excavación, como consecuencia de la situa­ción prevaleciente de deformación impedida. Para mantener el orificio practicado, que tratará de cerrarse por sí mismo, suele ser necesario emplear elementos auxiliares de reten­ción. la presión que estos elementos reciben del material que actúa en contra de ellos es la carga de roca o la carga del sue­lo, o la presión de roca o la presión de suelo, como también suele decirse. . la determinación de estas presiones en un caso dado es uno de los problemas más difíciles a que puede enfrentarse un in­geniero geotécnico. Las dificultades provienen, no sólo de lo difícil que pueda ser establecer las condiciones primarias u originales de los esfuerzos en la masa virgen, sino también del hecho de que el estado de esfuerzos se modifica alrede­dor de la excavación, una vez practicada ésta y, como ya se comentó, esas modificaciones dependen de muchos factores difíciles de valuar, tales como la naturaleza y resistencia del suelo o roca, del tamano del orificio practicado, del método con que se produjo, de la forma y rigidez de Jos elementos de soporte que se empleen y del tiempo que se haya dejado la excavación sin sostén, antes de ponerlo.

la historia de esfuerzos residuales de una masa rocosa o de

un suelo firme queda de un modo u otro reflejada en todo el conjunto de grietas, fisuras u otros accidentes que existan, pero suele resultar extraordinariamente difícil el poder es­tablecer cuáles de esos esfuerzos actúan aún y juegan un pa­pel. los suelos transportados se depositan en forma más o menos ininterrumpida y uniforme, adquiriendo un perfil de estratificación que suele ser relativamente poco perturbado por influencias externas. los estados de esfuerzos residuales no alcanzan generalmente valores muy elevados y es común considerar en los análisis de presiones sólo los esfuerzos ver­ticales debido al peso de los estratos sobreyacentes y los ho­rizontales, producidos como consecuencia. En los suelos re­siduales, por el contrario, es mucho más cercana la situación a la que prevalece en los macizos rocosos y la herencia de la roca original se manifiesta no sólo en accidentes, fisuramien­tos o fracturamientos, sino también en estados de esfuerzos previos de tipo residual. Otro tanto sucede en las forma­ciones de roca fragmentada o de roca fisurada, que figuran en la frontera entre suelos y rocas. De esta manera han de es­tablecerse diferencias básicas, desgraciadamente no bien di­lusidadas, entre las formaciones de suelos transportados y las de suelos residuales o las de materiales de comportamiento que pudiera considerarse mixto. Parece probable que en las formaciones de suelo residual o en las formaciones de roca fragmentada, o muy fisurada (con esas fisuras rellenas de suelo) lo razonable sea estimar las presiones con métodos que no se aparten mucho de los que establece la Mecánica de Rocas, en tanto que en las formaciones de suelos trans­portados podrán utilizarse esquemas más sencillos, que con­sideren sólo el esfuerzo vertical del peso y el horizontal causado por el anterior.

la experiencia actual parece probar que en las rocas los esta­dos de esfuerzos no se establecen en la forma diferenciada entre esfuerzos horizontales y verticales que es común acep­taren los suelos; hay indicaciones importantes en el sentido de la existencia de estados iniciales hidrostáticos, antes que orientados y a éstos se sobreponen Jos esfuerzos tectónicos muchas veces actuando en sentido opuesto al campo gravi~ tacional. las juntas de las rocas, con sus orientaciones en cualquier dirección parecen comprobar que la dirección ver­tical no es en las rocas, ni con mucho, tan privilegiada como suele considerársela en los suelos.

En los suelos transportados, especialmente en los depósitos arcillosos, es común observar que las presiones laterales no se desarrollan de acuerdo a lo que sería de esperar a partir de las deformaciones correspondientes, sino que van sufriendo un cambio gradual desde la condición inicial, en que el es­fuerzo horizontal es una fracción del vertical hasta una con­dición final más parecida a la hidrostática.

A partir de los trabajos de Terzaghi se ha hecho costumbre expresar las presiones secundarias de roca o suelo firme, es decir, aquellas que se ejercen sobre los ademes después de excavar el túnel, como el peso de una masa de una cierta al­tura sobre el túnel; se considera que ésta es la masa que se caería en primera instancia si no se colocara ningún ademe. las deformaciones del sistema de soporte producen arqueo posterior de la masa sobre el techo y alivio de la presión. El propio Terzaghi distingue el caso de las presiones ejercidas por Jos suelos plásticos blandos, en las que la deformación posterior del ademe no produce alivio. Estas presiones no de-

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penden mucho en magnitud del momento de la instalación del ademe o de las características de éste, si bien la distribu­ción de la presión si se ve afectada por estos conceptos. la presión de rocas y suelos firmes, en cambio, si se ve afectada por el momento en que se coloque el ademe, porque las de­formaciones que siguen a la excavación varían mucho con el tiempo.

las razones para que se desarrollen las presiones sobre los ademes son las siguientes:

Aflojamiento de las masas de roca o suelo firme

El peso de masas sobreyacientes

las fuerzas tectónicas

Expansión del material en que se excava el túnel

Estos mecanismos conducen a la aparición de tres tipos de presiones sobre los techos de los túneles:

Presión por aflojamiento

Verdadera presión de montaña

Presión por expansión

Estos tipos de presiones pueden presentarse individualmente o en conjunto. El tipo de presión que se desarrolla en un caso dado depende mucho de la naturaleza del material sobre y alrededor del túnel. Conviene diferenciar tres casos:

Rocas sanas y masivas

Rocas blandas o meteorizadas. Suelos residuales duros

Suelos blandos, residuales o transportados

4.1 Presión por aflojamiento

Cuando se afloja la masa de roca o suelo firme sobre el techo de un túnel, por efecto de la excavación y del peso de la car­ga sobreyacente, el comportamiento de esa masa puede asi­milarse al de una masa de suelo granular colocada en un silo, cuando en el fondo de éste se abre una abertura.

Esta es la condición de presión que consideró Terzaghi en sus análisis sobre empujes en túneles de manera que la presión por aflojamiento de la roca se considera hoy básicamente representada por los mecanismos de arqueo propuestos por él; éstos se desarrollan más cuanto más friccionante y menos cohesivo sea el suelo o la roca fisurada o fragmentada; ello no quiere decir que estos efectos no ocurran en cierta escala en suelos cohesivos; en éstos el aumento de presión posterior y la llegada al equilibrio final ocurre más lentamente y la dis­minución de presión por arqueo será más grande cuanto ma-yor sea la cohesión. ·

4.2 Verdadera presión de montaña

Este fenómeno aparece cuando los estados de presión secun­darios que se desarrollan ya excavado el túnel, en sobreposi­ción a los esfuerzos primarios en la masa, existentes antes de efectuar la excavación, exceden la resistencia del material excavado y no sólo en el techo, sino en los lados y aún en el piso del túnel; es decir, cuando los esfuerzos secundarios al­canzan un orden de magnitud semejante al límite de plastici-

dad del material. La condición puede producirse por una sobreposición de esfuerzos, en la que los esfuerzos originales del material se combinan con los .que se producen sobre un ademe como consecuencia de la excavación: pero también puede ser una condición natural, existente en el material an­tes de excavarlo, cuando en él existe lo que se llama un esta­do plástico latente, en el cual el flujo plástico de la roca o de un suelo residual muy firme se ha mantenido impedido por el confinamiento de masas vecinas. las experiencias de Kar­mán han demostrado que bajo estados triaxiales de compre­sión aún los materiales más duros pueden llegar a plas'fuicar­se; todo es cuestión de la magnitud de los esfuerzos que se apliquen.

En el caso del material de una montana a través de la que se. excava un túnel, el que el material esté previamente en esta-

. do plástico latente es simplemente cuestión de que la magni­tud de las presiones verticales sea suficientemente grande(lo cual suele estar asociado a profundidades de cubrimiento importantes) y de que las expansiones laterales estén sufi­cientemente impedidas. la condición no se manifiesta hasta que la deformación plástica pueda tener lugar; es decir, has­ta que el confinamiento lateral desaparezca, lo cual ocurre cuando se produce la excavación del túnel. ·

Cuando aparece verdadera presión de montana comienzan a manifestarse movimientos en las paredes del túnel y sola­mente se manifiestan las presiones cuando el ingeniero inten­ta impedir esos movimientos. Si se permite el desarrollo de tales movimientos hasta que gradualmente decrezcan por sí solos, se creará una zona alrededor de la excavación libre de estas presiones.

El efecto de esta región plastificada alrededor de la cavidad es producir una zona de esfuerzos relajados o aliviados; en esta zona el material está en el límite plástico.

la genuina presión de montana es esencialmente una mani­festación de las presiones geostáticas, que depende en mucho de la estructura geológica y de las perturbaciones tectónicas. Muchos autores consideran a esta presión como una presión primaria, de las que se refieren a los estados ini­ciales de esfuerzos, prevalecientes antes de excavar el túnel. Otros autores la consideran una presión secundaria puesto que se manifiesta cuando las presiones tangenciales que ac­túan en 'las paredes del túnel alcanzan un valor límite y exce­den la resistencia a la compresión no confinada del material.

El efecto de la presión de montana depende del carácter de la roca o suelo. En arcillas, lutitas o en pizarras arcillosas se· produce un flujo en toda la periferia de la excavación; a la vez, los esfuerzos se alivian y se redistribuyen, la zona plásti­ca aumenta de tamano y puede alcanzarse eventualmente una condición de equilibrio. Por el contrario, en materiales fuertemente pre-esforzados, el flujo puede continuar hasta que se cierre la cavidad. Al colocar un ademe, se reduce la zona plástica y puede llegarse a la estabilidad, a condición de que sea capaz de soportar las fuertes presiones que se producen como consecuencia de la restricción. Estas depen­den de la flexibilidad del ademe y de lo que se hubiera de­sarroll.ado la zona plástica antes de construirlo.

En las rocas poco duras o en los suelos, el desarrollo de lazo­na protectora en torno al orificio del túnel es mucho más len-

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to y se caracteriza por un flujo plástico de la periferia hacia el interior, este fenómeno toma, en cambio, la forma de un fracturamiento sucesivo en materiales más duros. En térmi­nos generales, la zona plástica se desarrolla en mayor exten­sión cuanto más altos sean los esfuerzos en juego y más blan­da sea la roca.

o Como· se dijo, la presión ejercida sobre un ademe por este concepto depende de la flexibilidad del ademe y de la natu­raleza del suelo o de la roca. Si basta una cedencia pequena para que la zona plástica se desarrolle por completo y las presiones se alivien, pudiera resultar conveniente colocar un ademe que tenga la posibilidad de ceder lo necesario; para estos casos, Mohr ha recomendado colocar un colchón de ceniza u otro material equivalente, entre el ademe y el túnel, para que este colchón proporcione la cedencia correspon­diente. En. otras ocasiones, como ya se dijo, la intensidad de los movimientos en las paredes y en el techo del túnel, nece­sarios para que se desarrolle la zona plástica de presión dis­minuida, son tan importantes que no se puede permitir que ocurran por completo; en este caso, la magnitud de las pre­siones ejercidas aumenta en proporción al esfuerzo que· se haga para· impedir la cedencia del material. Estas presiones han de tomarse con ademe suficientemente resistente, espa­ciado lo necesario. En los suelos y rocas blandas, tambíéri se dijo que el desarrollo de la zona protectora es lento, por lo que las presiones iniciales pueden estar creciendo durante varios. meses después de colocado el ademe. la presión de IT!Ontana puede alcanzar miles de toneladas por metro cuadrado, al grado de hacer irrelevante cualquier sistema de ademe en que se piense, para estos casos de intensa presión, la colocación inmediata del ademe es negativa y si el revestí­miento permanente ha de construirse antes· de que se de­sarrolle la deformación necesaria para un substancial y defi­nitivo alivio de la presión, debe dejarse un espacio entre el revestimiento y el túnel y éste rellenarlo de escoria, cenizas o algún otro material cedente.

En tanto que en· el caso de las presiones por aflojamiento, la mejor norma suele ser excavar rápidam~nte y construir lo más pronto que se pueda un ademe cercano al frente de la excavación, en el caso de la presión de montana, según se desprende de todo lo anterior, no puede darse una regla úni­ca, independiente de la naturaleza.del material excavado. En las rocas duras y masivas, los fenómenos de presión de mon­tana suelen manifestarse con la aparición de roca explosiva

· que no afecta mayormente la estabilidad. En estos casos conviene usar un ademado rígido, coloéado tan pronto como se excava el material. En materiales blandos, no conviene la constr~cCíón inmediata, puesto que no daría tiempo al de­sarrollo de zonas plásticas de protección. Por otra parte, no puede pensarse en construir un ademe que resista toda la presión de montana susceptible de desarrollarse. Sin duda la mejor práctica es construir un ademe reemplazable, que se pueda ir sustituyendo a medida que se permita la cedencía del material; ya se mencionaron los criterios para hacer fren­te a aquellos casos en que una cedencia pequena basta para aliviar la presión. ·

4.3 Presión por expansión

Bajo ciertas condiciones se ha encontrado presión por expan­sión en arcillas, lutitas y pizarras alteradas o en otras rocas in­terestratifícadas con arcilla. la explicación a esta expansión

fue ofrecida por Terzaghi y se fundamenta en relajaciones no uniformes de los esfuerzos, causados por migraciones del agua de los poros del suelo de las zonas más esforzadas a las menos, que correspondientemente se expanden. Como resul­tado de la excavación, seguramente quedan en la condición de zonas menos esforzadas todas las de la periferia del túnel, sobre todo las del frente de ataque, en que aún no se pudo co­locar ademe; también suelen ser críticos el piso del túnel y las ~ partes bajas de las paredes, a no ser que se use un completo ademe periférico. En estas condiciones, ocurrirá una migra­ción de agua de los poros del interior de la masa a la periferia del túnel, con la correspondiente expansiÓn en estos lugares.

Hasta hoy no se pueden prever las presiones por expansión. Cuando se han medido, se ha visto que pueden ser muy inten­sas (de decenas de kilogramos por centímetro cuadrado) y desarrollarse durante largo tiempo (semanas o meses), cre­ciendo siempre. Cuanto mayor sea la deformación que se permita, más se aliviará la presión sobre cualquier ademe y este hecho ha fijado la norma de conducta para contrarres­tarla, la cual consiste en permitir la deformación del material hasta un cierto límite y construir entonces un ademe sólido, capaz ya de resistir las presiones adicionales. El punto deli­cado estará en saber elegir el momento de la construcción y en valuar el monto de la presión que aún Sf1J:UOducirá.

Muchas veces es muy difícil distinguir la presión por expan­sión de la verdadera presión de montaña; el problema se difi­culta aún más, pues lógicamente los suelos y las rocas expan­sivos tienen módulos de deformación muy bajos, en los que

es de esperar el desarrollo de presiones de montaña aún con cubrimientos poco espesos. Presiones laterales o en el techo que se encuentren muy cerca de los portales, en túneles ex­cavados en formaciones relativamente estables, ser'án indi­cio de la existencia de presiones por expansión. Una identifi­cación más precisa de las presiones de expansión sólo es po­sible al investigar muy acu<:iosamente las propiedades físicas de los suelos.

MuGtRls veces las presiones de expansión son consecuencia de transformaciones químicas de los suelos cuyo contenido de agua aumenta; un caso típico es la transformación de anhidrita en yeso.

De todo lo antes dicho, se desprende claramente que el mon­to de las presiones de expansión que se desarrollen depende mucho de la naturaleza del ademe que se coloque y de la

- cantidad de expansión que éste aún tenga que soportar.

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5. CONCLUSIONES

Los problemas geotécnicos que se presenten en los túneles, deben estudiarse y resolverse tomando en cuenta la estabili­dad propia del túnel y que las estructuras que existan en la superficie no se perjudiquen por la existencia de esta obra.

6. REFERENCIAS

Rico A, del Castillo H. (1974), "La ingeniería de suelos en las vías terrestres", Limusa S.A., México, D.F.

OPERACION DE TUNELES

A. Martínez Durán

1. INTRODUCCION

El desarrollo que ha presentado el país en los últimos anos; se ha traducido para el sector transporte en un importante incremento en el movimiento de bienes y personas que ha­motivado una mayor motorización y un senaladci aumento del tránsito en la red carretera.

Así, el parque vehicular del país en los últimos anos ha crecido a una tasa de 15% promedio anual pudiéndose decir que ac­tualmente circulan por las calles y carreteras nacionales, alre­dedor de 7 000 000 de vehículos, de los cuales, la proporción que transita la red carretera federal genera un movimiento diario de 103 millones de veh-km, cifra que significa, si se distri· buyera uniformemente el tránsito en la red federal. una utiliza­ción promedio de todos los tramos carreteros por volúmel)es de tránsito diario de 2 500' vehículos.

Se ha determinado, por medio de los aforos de tránsit<;>, que una tercera parte de la red básica soporta volúmenes de más de 4 000 vehículos diarios, mismos que generan bajos nweles de servicio y operación deficiente en cerca de 10 000 km de la propia red.

Para mejorar los niveles de servicio y por con~;guiente la operación de esos 10 000 km, se ha establecido un programa de modernización de carreteras, en el que el análisis de los proyectos, al igual que en el programa de ca.reteras nuevas, debe considerar el estudio de diferentes alternativas, entre las que se deben contemplar las soluciones a base de túneles en ciertos tramos, cuando las condiciones del terreno su­gieran esa factibilidad.

los proyectos de las carreteras, se desarrollan bajo una metodología conocida que consid_era tres etapas, la selec­ción de ruta, el anteproyecto y el proyecto definitivo. las dis­tintas alternativas se plantean originalmente en la etapa de , selección de ruta y aquéllas que resultaron con mejores posi­bilidades se analizan a nivel de anteproyecto para selec­cionar la que deba pasar a proyecto definitivo para su cons­trucción.

Dentro de este enfoque metodológico del proyecto, el túnel, como un puente o un viaducto, constituye como obra especial producto del ingenio del hombre, una solución para salvar un obstáculo y debe considerarse .parte de un todo, más impor­tante, como lo es en sí la carretera, que debe cumplir con su

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objecivo de permitir el transporte por medio de vehículos aut->propulsados, en las mejores condiciones de seguridad, economía y comodidad compatibles con su función.

Vista así, la solución túnel debe contemplarse con naturali­dad, como lo, que es, una alternativa ingenierilmente válida y no verla como un tabú envuelta en el misterio de lo descono­cido como sucede, da esa impresión, en su aplicación a túne­les carreteros, quizás por la gran variedad de aspectos a con­siderar en este tipo de obra.

los túneles carreteros, principalmente cuando son de gran longitud, o sea del orden de 1 000 metros, requieren de una elevada concentración de inversión, razón por la cual justifi­can gastos en el proyecto fuera de lo común, esto debe en­tenderse porque se· trata de obras cuyo costo resulta del or­den de $500 000.00 a $1 000 000.00 por metro lineal.

Para este caso se requieren estudios interdisciplinarios con suficiente grado de detalle, a nivel de anteproyecto, para ob­tener presupuestos.confiables, hasta donde es posible, que retroalimenten el estudio de factibilidad económica para la decisión final en cuanto a la programación de la obra.

2. OPERACION

En los túneles carreteros o eón mayor amplitud en los túneles viales que incluyen el medio urbano, debe distinguirse opera­ción eh el túnel de operación de/ túnel. El primer caso se re­fiere á las características del tránsito y su comportamiento dentro del túnel y el segundo, al equipamiento del propio tú­nel para ofrecer seguridad y comodidad al tránsito y en últi­ma instancia al usuario, aunque debe reconocerse que existe una estrecha vinculación entre estos dos cpnceptos.

2.1 Operación en el túnel

Depende de los volúmenes y composición del tránsito, pues representan el dato a partir del cual se establecen las especifi­caciones de proyecto que permitirán disef\ar las característi­cas geométricas de la planta, el perfil y la sección transversal desde el punto de vista del tránsito. Requisitos geológicos, geotécnicos, de drenaje, ventilación y demás relativos al equipamiento del túnel, cpnstituyen elementos de igual jerarquía para definir la geometría que finalmente integrará el proyecto.

En la actualidad, los proyectistas de carreteras disponen de ·especificaciones relacionadas con las características geomé­tricas de las carreteras al aire libre. E 1 problema para un pro­yectista de túneles, es conocer en qué medida las caracte­rísticas geométricas recomendadas para las carreteras al aire libre, pueden adoptarse o reducirse para la construcción de túneles sin que esto tenga efectos desfavorables para la fluidez de la circulación y la seguridad. Sobre este particular a continuación se expresan algunos conceptos y criterios.

En cuanto al cálculo de la capacidad y niveles de servicio, puede decirse que en la etapa actual de conocimientos, los métodos de cálculo y los valores utilizados no se diferencian de los aplicados para vías al aire libre, por lo cual, los volú­menes de servicio y la capacidad determinados para el pro­yecto Y su evaluación, no requieren de co'nsideraciones espe­ciales en el caso de túneles.

Por lo que se refiere a la selección de las especificaciones de proyecto geométrico, debe apuntarse que deben ser consis­tentes con la velocidad de proyecto y las propias especifica­ciones de la autopista o carretera al aire libre.' Sin embargo, debe tenerse en mente que un túnel es una obra de carácter permanente, no susceptible a modificaciones en trazo y per­fil ni a ampliaciones de la sección transversal, de ahí que sus especificaciones deban .concebirse con criterios generosos.

Para el trazo en planta, debe procurarse que el túnel se aloje en tangente y si es necesario introducir una o más curvas, que éstas resulten del menor grado de curvatura posible, de­be recordarse que a menor curvatura se requiere menor am­pliación en la sección transversal con la consiguiente reduc­ción en costo, además de las ventajas operacionales que ofrecen las curvas suaves.

Los accesos al túnel deberán trazarse, si es el caso, introdu­ciendo grados de curvatura que permitan una transición de velocidades adecuadas a las que se tendrán fuera y dentro del túnel como medida de seguridad, pues cualquier acci­dente en esos sitios podría provocar un congestionamiento dentro del túnel, situación totalmente inconveniente.

El trazo debe prever que los entronques se retiren a la mayor distancia posible de los túneles, pues las rampas de acceso y los entrecruzamientos constituyen puntos de conflicto que en el interior de estas obras significan un mayor peligro po­tencial, por el tiempo que requiere el conductor para adap­tarse de la condición de alumbrado natural al artificial o vi­ceversa; esto, además del impacto en el costo al requerirse una mayor sección transversal en esas zonas.

El alineamiento vertical o perfil de u.n túnel tiene un efecto muy importante en la capacidad y operación del tránsito, por lo cual, su proyecto requiere de especiales cuidados en los si­guientes aspectos:

Las pendientes máximas en los accesos al túnel y dentro de él, deben tener un valor tal que permita la circulación de los vehículos pesados a una velocidad mínima del orden de 50 km/h lo cual impone pendientes máximas de.2.5 a

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3%, debiéndose revisar el perfil con un análisis de capad­. .dáá y nivel de servicio del túnel para asegurarse que no se genere un cuello de botella. Cabe senalar, que en los túne­les que requieren de ventíla~ión artificial, se originan aumentos importantes del aire necesario para diluir los ga­ses nocivos y humos que adicionalmente resultan de las pendientes elevadas, así, a manera de ejemplo, se tiene que para una pendiente de 4% el incremento a la circula­ción del aire resulta del 20% en relación a una rasante a .nivel.

Para túneles de dos carriles, uno en cada sentido de la circulación, se recomienda no exceder un valor de 2% en la pendiente para evitar la formación de tapones o lar­gas colas en la circulación, originadas por los vehículos pesados. En nuestro país, estos vehículos representan un 30% a 40% de la circulación dependienta del tipo de carretera.

la longitud de las curvas verticales debe garantizar que en cualquier punto dentro del túnel y en sus accesos, se otorgue la distancia de.visibilidad de parada para la velo­cidad autorizada como medida mínima de seguridad; sin embargo, principalmente para el caso de 2 carriles de circu­lación, uno en cada sentido, se recomienda, siempre que sea posible, proporcionar la distancia de visibilidad de re­base como medida de mayor seguridad,· aún cuando. se reglamente la prohibición de rebase o cambio de carril en el interior. ·

La pendiente mínima en este tipo de obra, debe garanti­zar el drenaje de las aguas durante y después de la cons­trucción, por Jo cual se deben prever pendientes para este caso, del orden de 0.25 a 1.00%.

El proyecto de la sección transversal constituye un capítulo que merece especial atención, puesto que su forma y dimen­siones insiden en forma muy notable en el costo de la obra como resultado de la integr~ción de los requisitos impuestos, por el tránsito para su .correcta operación, por el equipamien­to del túnel para la seguridad y comodidad de los usuarios y .por los estudios geológicos, geotécnicos e hidrológicos para la estabilidad de la obra.

Así, en cuanto a los requisitos impuestos por el tránsito, se considera que la sección transversal para un tubo que con­tenga dos carriles, debe presentar un ancho total de 9.50 m con el siguiente arreglo: dos carriles de 3.50 m cada t,~no, fa­jas de contracción por banquetas de 0.50 m a cada lado y banquetas de 0.75 m, también a cada lado.

H carril de 3.50 m de ancho, desde el punto de vista de la ca­pacidad y de la seguridad, ofrece las mejores condiciones de operación; la franja de 0.50 m para disminuir el efecto de con­tracción del tránsito por la presencia de un obstáculo lateral como es la banqueta, ofrece mejores condiciones de seguri­dad y permite que el tránsito conserve la velocidad de opera­ción sin disminuirla; las banquetas son necesarias para pro­tección de peatones en caso de alguna emergencia y para las labores de conservación de los dispositivos de seguridad, alumbrado y senalamiento alojados en las paredes del túnel.

Se recomienda que las banquetas sean bajas con guarnición montable para que en caso de la descompostura de algún vehículo, éste pueda hacerse a un lado· sobre la banqueta, permitiendo en esta forma mantener el flujo en dos carriles aunque con restricción en la velocidad.

Es importante senalar que, pára asegurar la continuidad del· flujo de tránsito en toda la carretera, se recomienda no redu­cir en un túnel el número de carriles que tiene la carretera al aire libre. 1

En lo que se refiere al gálibo vertical que se requiere para la circulación de los vehículos, la experiencia en nuestro país, derivada de la observación de pasos a desnivel; senala la conveniencia de proyectar con gálibos de 5.00 m para evitar danos al túnel, a sus instalaciones y a los propios vehículos.

Los requisitos impuestos por el equipamiento del túnel para la seguridad y comodidad de los usuarios, condicionan las di­mensiones de la sección transversal para disponer de los es­pacios necesarios para alojar los duetos de ventilación o un mayor gálibo vertical si se requieren aceleradores para venti­lación longitudinal. En los túneles abovedados, la ventila­ción generalmente no influye en las dimensiones de la sec­ción.

En lo que se refiere a iluminación, en los túneles abovedados y en los circulares con falso plafón, así como en los rectangu­lares cuando las hileras de alumbrado y los dispositivos de senalamiento se colocan sobre la calzada, debe considerarse una altura adicional igual a la de esos dispositivos.

Se debe prever que la conducción de cables para las distintas instalaciones del túnel, se aloje en un lugar accesible y que permita inspeccionarlos en toda su longitud. En el caso de tú­neles de sección abovedada o circuléir, conviene utilizar los espacios disponibles fuera de la sección de circulación del tránsito.

Es importante senalar que la forma y el dimensionamiento fi­nales de' la sección transversal del túnel, para efectos de construcción, se derivan de los estudios geológicos y geotéc­nicos, que ,también determinan el espesor requerido del re­vestimiento del propio túnel y solucionan la impermeabiliza­ción y los requerimientos de drenaje con la asesoría de un. hidrólogo de ser necesario. Debe considerarse también, para el dimensionamiento de la sección, el espesor suficiente pa­ra alojar el pavimento.

2.2 Operación del túnel

Como ya fue expresado, se refiere al equipamiento del' pro­pio tanel, necesario para ofrecer al usuario condiciones de seguridad y comodidad que le den confianza para transitar en un ambiente ajeno a su costumbre, con garantías de segu­ridad fisiológica y física.

La contaminación, originada por los vehlculos en circulación que desprenden gases tóxicos como es el monóxido de carbo­no (CO) y humos de los vehículos diesel, requiere disminuirse por medio de inyección de aire fresco que diluya esos conta­minantes para asegurar una pureza conveniente de la atmós­fera dentro del túnel.

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El cálculo de la renovación de aire fresco, se basa en la deter· minación de los volúmenes de tránsito. Para túneles urbanos generalmente se usan los valores que corresponden a la ca­pacidad, o sea, 2 000 vehículos ligeros por hora y por carril; sin embargo, es frecuente considerar condiciones de conges­tionamiento en que se tienen avances sucesivos de pocos metros, tomándose para este caso, valores de densidad del tránsito de 180 vehiculos ligeros por carril y por kilómetro. Para túneles en el medio rural, que manejan altos volúmenes de tránsito, se recomienda tomar, para el cálculo, el volumen correspondiente a la capacidad.

A partir del volumen de tránsito definido con los criterios an­tes senalados se determinan las cantidades de monóxido de carbono y de humos que se requiere diluir con la inyección de aire fresco, a través del sistema de ventilación convenien­te para cada caso particular, pudiendo ser el sistema selec­cionado del tipo longitudinal, semitransversal o transversal, enunciados del de menor al de mayor costo.

El equipamiento de un túnel largo con elevados volúmenes de tránsito, requiere de dispositivos de detección de monóxi­do de cárbono y de humos, que determinen su concentración en la atmósfera del túnel y transmitan esa información a una sala de control de operación en donde a través de una compu­tadora se regule la inyección de aire fresco.

El paso de las condiciones de luminosidad del exterior al in­terior de un túnel, exige del conductor de un' vehículo un es­fuerzo de adaptabilidad a los cambios de luz. La adaptación residual al cambio de luz es una función' de la retina y re­quiere de un tiempo mayor al pasar de luz a obscuridad que el necesario en el caso contrario. Es por ello que, como una medida importante de seguridad, se especifica la ilumina­ción, con base en criterios y normas que consideran la longi­tud del túnel, la velocidad de operación, los tiempos de adaptación de la retina, los niveles de luminosidad en los ac­cesos al túnel y el tipo de vehiculos que circulan, ya sea en un solo sentido o en ambos.

Cabe senalar, que los proyectos de iluminación de túneles de­ben ser realizados por ingenieros especialistas en iluminación, conocedores de las normas y criterios que sobre el particular existen.

El control de la circulación dentro de los túneles muy largos o con tránsito intenso, resulta indispensable para el logro de una fluidez en la circulación que sea compatible con la de­mandé: máxima del tránsito, para evitar embotellamientos en caso de descomposturas o accidentes y para proporcionar se­guridad y comodidad al usuario a través de un sistema de in­formación adecuado. Otra función del control de la circula­ción, es la de reducir los gastos de la energía que requiere el funcionamiento de la ventilación.

El control reviste varios aspectos que en los casos más com­plejos puede comprender:

La integración de la información proveniente del túnel, co­mo es la velocidad y la densidad, que procesada en compu-

b

tadora proporciona datos sobre la velocidad necesaria para mantener un nivel de servicio compatible con la demanda máxima del tránsito.

La detección automática de las paradas o de las reduc­cione~ de velocidad.

La vigilancia por televisión de todo el espacio disponible para la circulación.

Un sistema de control automático de la ventilación.

Un enlace por radio entre el diverso personal que debe in­tervenir en cada caso.

Un sistema eficaz de alarma.

Un sistema eficiente de información a los usuarios en cuanto a senalamiento, altoparlantes y radio, con el fin de influir en su comportamiento.

La individualización de los carriles a nivel de senala­miento.

Es evidente que un sistema como el descrito, resulta costo­so desde el punto de vista de la instalación y de la conser­vación, por lo que debe preverse sólo en los túneles de im­portancia; en túneles cortos o de poco tránsito, est~s equipos deben limitarse y se recomienda realizar aforos para conocer la evoludón de los volúmenes de tránsito pa­ra prever la operación futura.

Finalmente, para dar a ustedes una idea sobre los costos, mencionaré que un análisis de once túneles construidos en Inglaterra, a precios de 1970 en libras esterlinas y aplicando la paridad actual con nuestra moneda, arroja costos totales por metro lineal de túnel que varían de $700 000.00 a $1 200 000.00, correspondiendo al equipamiento del túnel, que incluye la planta de ventilación, edificios, instalaciones eléctricas, servicios y dispositivos auxiliares, inversiones del orden del 9 al12% de esas cifras. En aquellos casos en que los costos de excavación, recubrimiento y sello resultan rela-

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tivamente bajqs, el equipamiento del túnel puede correspon­der al 28% del costo total.

Los costos de operación representan un parámetro funda­mental para la evaluación de este tipo de obras, ya que adi­cionalmente a los costos de conservación normales en una carretera, el túnel debe ser ventilado y continuamente ilumi­nado y vigilado por el personal encargado de su operación, lo que hace que sus costos sean considerablemente mayores a los de las carreteras en la superficie.

En el mismo estudio de costos realizado en Inglaterra, al que ya me he referido, se indica que el valor presente, del flujo total de costos de operación y renovación del equipo del tú­nel, representa del 5% al10% de los costos de construcción de los túneles carreteros construidos en buen terreno y que ese porcentaje resulta considerablemente menor para túne­les de elevados costos de construcción.

Para terminar, permítanme hacer una reflexión:

Considero que la solución túnel, es una alternativa que debe contemplarse con mayor frecuencia en los estudios previos de carreteras que manejarán volúmenes de tránsito más o menos elevados, para ello es necesario que los proyectistas tengan siempre en mente las ventajas operacionales que implica este tipo de obra, así como las relativas a los aspec­tos de ecología y ambiente.

Debe desecharse la idea del tabú y del misterio, así como el te­mor a emprender obras en las que la experiencia es casi nula.

Existe una experiencia mexicana muy amplia en la construc­ción de túneles, pero no en el equipamiento de túneles carrete­ros, pensemos que la experiencia existente cubre, en términos gruesos, el85% del costó de la obra y para el15% restante, se cuenta con información y con el talento de nuestros inge­nieros para resolver lo "no experimentado".

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL TUNEL CARRETERO

L. Vieitez Utesa

1. INTRODUCCION

Deben entenderse las ventajas y desventajas como términos relativos. En este caso el análisis de unas y otras se realiza por comparación implícita o explícita con las que correspon­den a la alternativa en superficie. Se han de manejar factores tangibles, cuantificables como son la inversión inicial, los costos de construcción, los de operación y los de manteni­miento, y factores intangibles como son el riesgo y la incerti­dumbre, los costos sociales, los costos de oportunidad y otros aspectos relacionados con características locales.

El presente artículo pretende comentar sobre algunos de es­tos factores, sin entrar en el detalle y sólo con el propósito de orientar las ideas que se tienen al respecto para buscar y des­pertar el interés por ahondar en este tema.

Hay una serie de características propias del túnel que deben tenerse siempre presentes al considerar sus ventajas y des­ventajas.

Se trata de una obra lineal con un número de accesos limitado.

Se trata de un espacio más bien reducido en el que transi­ta y trabaja el personal y el equipo, apoyados por" recur­sos (aire, agua, energía, materiales) que se transportan a través del mismo túnel, a veces por grandes distancias, en tuberías, duetos, cables, y unidades diversas de acarreo.

Se trata de un lugar de trabajo encerrado en el que hay que ofrecer un mínimo de condicio'nes ambientales que garanticen la salud y la seguridad del personal que en él labora.

No pueden utilizarse partes del túnel para los fines (vehicu­lares) propuestos hasta no haber concluido por completo la perforación y buena parte, sino la totalidad, del revesti­miento definitivo.

En cuanto a estas características que, comparadas con las de las obras a cielo abierto, cabría considerarlas desventajas, se puede anadir que en virtud de ellas el trabajo en túnel tiene ventajas sobre el trabajo exterior: Se trata de una obra guareCi­da de las inclemencias del tiempo, y por lo tanto, hábil, en todo momento y de tal manera dispuesta que obliga a guardar un or­den y una sucesiÓn de actividades que, por repetitivas, se orga­nizan en ciclos y "trenes" de trabajo con cierta semejanza a los de la industria de transformación. Esta forma seriada y cíclica

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de trabajo favorece el aprendizaje y promueve la eficiencia. Ello es válido, claro está, cuando el terreno excavado no ofrece grandes variaciones ni complicaciones y cuando la longitud del túnel es lo suficientemente grande para que se rebase el perío­do de aprendizaje y se estable;zca un nivel de producción, de alto rendimiento, durante un lapso tal que compense los bajos avances propios de dicho período que coincide en general con las fases de comienzo y primeros progresos de la obra.

He aquí, pues, dos ventajas del túnel: Es una obra guarecida y es una obra cuya ejecución en gran medida puede y conviene "industrial izarse".

Dentro de este último término debe incluirse un grado relativa­mente alto de mecanización y un interés por reducir los tiem­pos muertos y las demoras.

2. TUNELES VIARIOS O CARRETEROS

Para los diferentes tipos de túneles carreteros, se van a analizar sus posibles ventajas y desventajas, sin perder de vista las ca­racterísticas antes comentadas,

.2.1 Túneles de puerto

Son los que se ubican a muy alta cota en carreteras de mon­tana en las que con la pendiente gobernadora se han agota­do las posibilidades de desarrollo exterior. Tienen la ventaja de ser túneles cortos, pero a costo muy probablemente de un desarrollo tortuoso y por consiguiente antieconómico de las vías. Son soluciones inadmisibles en carreteras de alta espe-

. cificación, con bajas pendientes y altos radios de curvatura.

Por ser túneles de poca longitud, sé pueden atacar con equipo poco sofisticado. Por ejemplo, el mismo equipo de rezagar puede cargar, transportar y tirar a barrancas vecinas sin afec­tar seriamente el ciclo. La barrenación se haría con pistolas de pierna sobr~ tarangos o plataformas hechizas. La deman­da de ventilación sería reducida. Los bajos rendimientos pro­bablemente no pesarían en el programa general de la carre­tera. Ya en operación estos túneles no requieren en general ventilacióh y las necesidades de iluminación también son bajas.

Como desventajas o inconvenientes pueden citarse, aparte del desarrollo para alcanzar sus bocas, que es reflejo tam­bién de su inaccesibilidad inicial, estas otras:

Al quedar localizado el túnel de puerto en la parte culminan­te de la montana, habrá de encontrar condiciones geológicas desfavorables, propias de las zonas de macizos rocosos pró­ximos a la superficie: Efectos de intemperismo y alteración, diaclasas de tensión por liberación de esfuerzos, fenómenos de reptación de ladera, infiltraciones de agua, materiales de transición (saprolitos, regolitos). Estas o parecidas condi­ciones pueden encontrarse en los portales, de manera que re­quieran éstos de importantes trabajos de estabilización o afianzamiento, mismos que pesarán notablemente en la eco­nomía del conjunto.

2.2 Túneles de laderas

Tienen por finalidad mejorar el trazo de la carretera al permi­tir tramos más rectos y de pendiente más suave. Compiten con los cortes, tajos y tramos en balcón cuando éstos resul­tan de alturas superiores a los 20 m, o cuando la disposición geológica del terreno plantea problemas potenciales de ines­tabilidad durante las fases de construcción o de operación de la obra exterior que obligan a obras mayores de estabiliza­ción o afianzamiento.

Para evitarlos problemas comunes en macizos rocosos próxi­mos a la superficie, como los anotados en el inciso anterior, los túneles de ladera conviene alojarlos lo más hacia el inte­rior de la montana que sea económicamente posible, según dicten las condiciones locales de sanidad y competencia de las rocas.

la solución de túneles de ladera es muy socorrida en carreteras de alta especificación en países montanosos (Austria, Suiza, Italia, Japón) en los que además interesa quedar en todo tiem­po al abrigo de desprendimiento de rocas, de avalanchas o de tormentas de invierno.

Son túneles de cierta longitud pero en los que en muchos ca­sos todavía puede pesar en la economía glo~al el costo de las obras en los portales. De ahi que en la medida que el tra­zo lo permite, la buena ubicación de éstos muchas veces re­sulta de primordial importancia.

A medida que la longitud es más importante más necesario es equipG sofisticado para cumplir con las condiciones de trabajo y con los programas de obra, equipo que será tanto más rentable cuanto pueda amortizarse en la obra, o en el conjunto de obras, por realizar. Cuando se tienen túneles de ladera contiguos o próximos hay oportunidad de obtener una mayor y mejor utilización del equipo.

los túneles de ladera, por lo tanto, ofrecen ventajas geo­métricas que mejoran el trazo y perfil de la carretera; venta­fas de seguridad al quedár al abrigo del exterior y evitar-cos­tosas obras, en superficie, de retención y protección. Dichas ventajas serán aún más apreciadas si se consigue que el cos­to de los portales no incida notoriamente en la economía de la obra, y si las condiciones de vientos dominantes y gradien­tes de temperatura favorecen la ventilación natural.

Es importante considerar en estas obras la incidencia que tienen en el programa general de la vía. Si caen en la ruta

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crítica, como sucede cuando son de carácter especial y to­man mayor tiempo en la ejecución que los tramos a cielo abierto, puede pesar en el costo además de los portales pro­piamente dichos, las obras de penetración y auxiliares nece­sarias para alcanzar y hacer accesibles dichos portales y las zonas aledanas de trabajo, con suficiente anticipación al res­to de la carretera.

Una ventaja adicional de los túneles de ladera se evidencia cuando las obras exteriores alternativas invaden propiedades cuya expropiación resulta cara o implica trámites engorrosos o costos sociales o políticos importantes.

2.3 Túneles de base

los túneles de base, llamados así para describir que su locali­, zación es en la base de la montana, pueden en varios casos

resultar más ventajosos que los de puerto o los de ladera a pesar de su mayor longitud. Estos -casos son:

Cuando la geología en la base de la montana es conside­rablemente mejor que en las laderas o en la cumbre.

Cuando se acorta considerablemente el trazo y se mejora el perfil de manera que el tiempo y la economía de re­corrido mejoran considerablemente la operación de toda la carretera.

Cuando, a pesar de su longitud, introduce economía en la construcción total de la línea, al evitar obras de arte, viaductos, cortes y terraplenes en terreno difícil o acci­dentado, para dar especificaciones equivalentes de re-corrido. ·

la gran longitud de un túnel de base ahora si hace casi obli­gado el empleo de equipo especializado y la organización y operación de un tren de trabajo semindustriaL Si bien el cos­to de ejecución de accesos y portales pierde importancia en el costo total de la obra, su ubicación y su seguridad ad­quieren valor estratégico primordial porque de ellos y de sus instalaciones de apoyo aledanas depende una mayor y más importante longitud de obra. la ventilación, tanto durante la ejecución del túnel como durante su operación, pesa no­tablemente porque garantiza la continuidad de las mismas e incide en su eficiencia. Todas las estructuras auxiliares de ventilación para uno y otro propósito merecen la mayor atención. Bien localizadas e insertadas oportunamente en el programa conjunto pueden prestar no sólo el servicio para el que están destinadas sino otros complementarios. Piénsese, por ejemplo, en pozos de ventilación que puedan utiliarse durante la excavación como tiros de aire y como lumbreras de acceso intermedias.

la longitud de estos túneles obliga muchas veces, por razo­nes de operación, a incluir en el proyecto, además de las es­tructuras de ventilación, otras obras auxiliares, como pueden ser túneles de servicio y bahías o remansos de seguridad; Ta­les estructuras pueden ser de mucha utilidad durante la cons­trucción. Piénsese por ejemplo en el túnel de servicio como galería de reconocimiento adelantada al o los túneles princi­pales que a la vez puede servir a la ventilación y drenaje, dar flexibilidad a las operaciones de construcción, como la reza­ga, y permitir el acceso a las zonas difíciles que ameriten tra-

bajos de tratamiento especializado. Es conveniente advertir IÓ siguiente en cuanto a las galerías de reconocimiento: Por una parte habrá que buscar su oportunidad de ejecución dentro del programa general de obra y la justificación de su costo en el caso de que no estén asociadas a obras definiti­vas; por la otra, debe tenerse presente que su sección es no­tablemente menor que la de los túneles viarios, y que por consiguiente pueden iAfluir efectos de escala en la extrapola­ción de parámetros o de observaciones de las unas a los otros; además, experiencias adversas en la ejecución de .una galería de reconocimiento inducen a trasladar las soluciones dadas para salvarlas al túnel viario, cuando en éste pueden adoptarse soluciones más simples en los mismos tramós, ha­bida cuenta de que se dispóne de información previa que. permite modificar los procedimientos y aplicar los cuidados necesarios con oportunidad.

De lo antes expuesto se deduce que una de las desventajas o inconvenientes principales del túnel de base es la proporción de incertidumbre y riesgo que lleva implícita. Estas están en relación con la cobertura; con el número, espaciamiento y even­tual profundidad de los accesos y con la complejidad y grado de precisión posible de la caracterización geológica y geo­técnica. En ésta adquieren importancia mayor la definición de la naturaleza y estructura del terreno, la geometría y ca­racterísticas de las discontinuidades y el conocimiento lo más aproximado posible de las condiciones del agua freáti­ca. Esta desventaja se obvia en gran medida con la galería de reconocimiento y demás obras que permitan alcanzar la pro­fundidad del túnel con suficiente anticipación al ppso del mismo y en dimensiones que permitan hacer observaciones y pruebas en magnitudes capaces de ser extrapoladas a la obra definitiva. En este sentido amerita también analizar con todo cuidado las ventajas y d~sventajas globales que pueda tener el resolver la obra de base en dos túneles o en uno solo.

En todo caso, los estudios previos de un túnel de base debe­rán encaminarse a precisar lo mejor posible las condiciones medias más frecuentes, que son las que normarán los proce­dimientos constructivos, y las condiciones extremas desfavo­rables que son las que en un momento dado puedan definir el programa por necesitar cambios radicalt;!s en los procedi­mientos, tratamientos especiales o grandes demoras.

los estudios previos, como es evidente en el caso de obras subterráneas de esta naturaleza, deberán complementarse con estudios durante la etapa de construcción, así como ob­servaciones o mediciones del comportamiento que verifi­quen o lleven a rectificar o ajustar las hipótesis de base del modelo de partida.

Cabe mencionar que al ser obligada la ventilación artificial en el túnel de base, su sección transversal es considerable­mente mayor que la de un túnel de igual capacidad vehicular que disponga de ventilación natural suficiente. Para éste. pueden bastar 50 m2 mientras que para aquél se necesitarán alrededor de 90 m2. la galería o túnel de servicio tendrá una sección vecina a los 20m2. Para cada sección habrá una de­terminada planta de equipo que dará el mayor rendimiento. Estas diferencias necesarias del equipo deberán tenerse muy en cuenta al pretender extrapolar experiencias de una a otra sección.

13

Hasta aquí se ha hecho breve mención de algunos aspectos re.levantes de túneles carreteros· no urbanos, los cuales por lo general se excavan en roca. los suelos o material~s de transi-. ción, producto de alteración o intemperismo, se presentan más bien por excepción y casi siempre en los portales y en el entorno de fallas importantes.

2.4 Túneles urbanos

En túneles urbanos, por el contrario, el caso más frecuente es la excavación en suelos o en terrenos de transición. Su estu­dio puede hacerse exhaustivamente si se considera su poca profundidady su relativa accesibilidad.

El túnel vial urbanotitme ventajas cuando desahoga la con­gestión de tráfico y cuando evita la interferencia total o par­cial de la propiedad urbana, de las instalaciones municipales y de la actividad citadina. Dados los volúmenes detránsito que estos túneles deben mover, son necesariamentede gran sección, superior incluso a la del túnel de base, necesitan im­portantes instalaciones de ventilación y han de proporcionar una seguridad al usuario y al área vecina muy superior a la de un túnel vehicular no urbano. Excavados en roca sana, con sufi­ciente techo, pueden ejecutarse en una sola sección; en suelos. y terrenos de transición, donde además de la estabilidad propia de la excavación hay que cuidar el evitar asentamientos en su­perficie, debe considerarse siempre la posibilidad de conducir el tránsito, en un sentido y en el otro, en túneles separados.

Un aspecto a ponderarse con la mayor atención es el de las rampas de acceso, cuya ubicación y características no deben provocar más que en mínima medida los problemas que el túnel pretende resolver.

los procedimientos de ataque y soporte en estos casos di­fieren notablemente de los de los túneles no urbanos. Pero el valor de las inversiones iniciales, en muchos casos aparente­mente elevadas, se compensan largamente en la operación, al preservar e incluso incrementar el valor de una propiedad urbana de por si apreciada.

2.5 . Túneles subacuáticos

El túnel subacuático es la solución alternativa al puente. Su justificación comienza a ser evidente cuando el puente ha de dejar una alturalibre al nivel del agua de más de 30 a 50 m, que obliga a un largo desarrollo de accesos: Razón de más si estos mismos penetran en terrenos blandos de poca capaci­dad de soporte, o en propiedad urbana de elevado valor o en zona urbana donde se altere su aspecto y su ambiente.

Siendo asimismo túneles de gran sección deben encontrar buenas condiciones de impermeabilidad y soporte del terre­no en el que se alojan bajo el agua, y a relativa poca profun­didad para evitar el desarrollo de largos accesos. De otra for­ma deberá considerarse la alternativa de túneles formados por cajones prefabricados sumergidos, que no interfieran con el calado necesario.

En los túneles subacuáticos se complica notablemente la exploración previa. los accesos también pueden interferir con propiedad urbana valiosa aunque su trazo tiene más to­lerancias de curvatura y pendie¡;1te que en el caso del puente.

Las instalaciones de ventilación, salvo excepciones, deben si­tuarse en los extremos en tierra, lo que implica estructuras de considerable porte para alojar todos los equipos.

3. EVALUACION

A final de cuentas-la consideración de las drferentes aTterna~ tivas viales tiene que sujetarse a una cierta ponderación, a una evaluación que lleve a decidir por una u otra.

Hay fórmulas que incluyen la inversión inicial, los desarro­llos verticales y horizontales equivalentes, los costos de construcción y los costos de operación y mantenimiento. En los costos de operación interviene principalmente el consumo de energía y el de tiempo. Intervienen también parámetros finan­cieros que estiman la recuperación de la inversión y la cobertu­ra de los costos de operación y mantenimiento.

Tales fórmulas ayudan a ponderar los factores en cierto mo­do medibles, pero hay otros, como al principio se dijo, que inciden también en la calificación de la utilidad de la obra. Algo pueden ayudar la teoría de la confiabilidad y la de to­ma de decisiones bajo condiciones de incertidumbre y ries-

14

go. Pueden manejarse incluso conceptos, como costos de oportunidad, que valoran las consecuencias de no optar por determinada alternativa o de diferirla en el tiempo.

Pero hay otro factor que interviene muchas veces con gran peso, ·este es el costo social. las ventajas o desventajas que aguí s~ han comentado y otras más q1.1e p.ueden surgir en ca- . sos ya específicos pueden tener un valor muy diferente, más allá del estrictamente técnico, cuando se consideran én el marco de efectos sociales. Así por ejemplo, la expropiación de terrenos ejidales, puede inclinar a decidir construir el tra­mo en túnel, aún cuando los. riesgos Inherentes hayan dado preferencia técnic'a a la solución superficial.

'una carretera de ladera, panorámica, puede tener efectos tu­rísticos que la hagan finalmente preferible al túnel, aún cuando sus costos de mantenimiento hagan que el costo glo­bal de ella sea superior al de éste.

La obligación principal del ingeniero proyectista es perfec­. cionar los m~todos de evaluación de los pros y contras estric­

tamente técnicos.

Reuniones como la presente deben coadyuvar a ello.

METODOS PARA EL DISEI\JO DE TUNELES

J. OROZCO Y OROZCO

1. INTRODUCCION

El diseno de túneles puede efectuarse de acuerdo con cual­quiera de los tres enfoques siguientes:

Analítico.

Observacional.

Empírico.

1.1 E 1 enfoque analítico es el menos usado, no por las técni­cas analíticas mismas, de las cuales destacan:

Método del elemento finito.

Soluciones matemáticas cerradas.

Fotoelasticidad y otras técniéas de simulación.

Sino por la dificultad, siempre presente, para alimentarlas con parámetros que realmente representen las condiciones del macizo.

Estas técnicas analíticas son muy útiles para determinar la in­fluencia relativa de los diversos parámetros que intervienen y para comparar las distintas soluciones posibles.

Son, sin duda, los métodos del futuro, a pesar de que hoy día aún no son aceptables como medios de diseno en la ingenie­ría práctica.

1.2 El enfoque observacional, cuyo exponente más desta­cado es el nuevo Método Austriaco de Tuneleo, se basa en la medición del comportamiento d_el túnel según se construye, para modificar el sistema de soporte según se requiera:

Este enfoque se basa en la premisa siguiente:

"Un sistema de soporte flexible para un túnel, siempre es preferible a un soporte rígido."

En la práctica, lo anterior se logra mediante la colocación de anclas y concreto lanzado, para evitar un aflojamiento exce­sivo, a la vez que se permite la suficiente deformación como para que se desarrolle el efecto de arqueo y autosustenta­ción de la roca, mediante la redistribución de esfuerzos.

15

El problema que se afronta con este método es la contrata­ción de la obra, pues el proyecto varía a lo largo del período de construcción.

1.3 El enfoque empírico se basa en la experiencia adquirida en obras similares. Para un manejo más eficiente se requiere de un sistema de clasificación, en base al cual SEtpodrá extra­polar la experiencia y aplicarla mediante un jÚicio sano al nuevo caso.

De esta manera, los sistemas de clasificación de macizos ro­cosos constituyen la espina dorsal del enfoque empírico y han sido ampliamente usados en todo el mundo. El sistema de clasificación de rocas más usado hoy en día, a pesar de que cuenta con más de 30 anos de.haber sido propuesto, es el de Terzaghi.

2. SISTEMAS DE CLASIFICACION EN LA INGENIERIA DE ROCAS

2.1 Aspectos generales

En el estado actual de conocimientos, la tecnología de túne­les puede resumirse en las palabras siguientes:

"La predicción del sistema de soporte requerido para tú­neles·, se ha basado por muchos anos en la observación, la experiencia y el juicio personal de aquéllos involucra-' dos en la construcción de túneles. A pesar de la aún poco probable introducción de técniéas geomecánicas para la exploración de sitios, la predicción de los requerimientos de soporte en el futuro requerirá del mismo enfoque" (Wickham, Tiedemann y Skinner.)

Por lo tanto, un sistema de clasificación de macizos rocosos,· que permita combinar los hechos observados, la experiencia y el criterio ingenieril, para proveer una valoración cuantita­tiva de las condiciones de la roca, se constituirá en la espina dorsal para la predicción del sistema de soporte.

2.1.1 Propósitos de un sistema de clasificación de rocas

Dividir el macizo rocoso en grupos de comportamiento similar.

Proporcionar las bases para la comprensión de las ca­racterísticas de cada grupo.

Facilitar la planeación y el diseno de las excavaciones en roca, suministrando la información cuantitativa que se requiere para la solución de los problemas ingenieri-les. ·

Establecer -una base común para la comunicación efec- . tiva entre todas las personas involuéradas en el proyec­to y construcción de un túnel.

2.1.2 Atributos de un sistema de clasificación de rocas

Los propósitos atrás descritos podrán alcanzarse si el sistema de clasificación posée los siguientes atributos.

Simple, fácil de recordar y entender.

Claro en cada uno de sus términos, con una terminología ampliamente aceptada.

Que incluya únicamente las propiedades de los macizos rocosos más significativas.

Basado en parámetros medibles, que puedan ser deter­minados mediante pruebas apropiadas, rápida y econó­micamente en el campo.

Basado en un sistema de calificación que pueda-pesar la importancia relativa de los parámetros. de clasificación.

Que sea funcional mediante el suministro de informa­ción cuantitativa para el diseno del soporte del túnel.

Que sea lo suficientemente general como para que un macizo rocoso posea la misma clasificación, indepen­dientemente de que vaya a ser usada para un túnel, un talud o una cimentación.

2.1.3 Sistemas de clasificación de rocas más conocidos

Terzaghi.

Lauffer.

Deere.

(1946)

(1958)

(1964)

Wickham, Tiedemann y Skinner. (1972)

Bieniawski. (1973)

Barton, Líen y lunde. (1974)

El sistema de "Carga de Roca", propuesto por Terzaghi ha probado ser muy útil en la construcción de túneles con mar­cos de acero.

El sistema de clasificación de Lauffer representó un gran adelanto en el arte del tuneleo, al introducir el concepto de "tiempo de sustentación" para el claro activo en un túnel, concepto fundamental para determinar el tipo y densidad del soporte requerido.

Deere introdujo el concepto "lndice de Calidad de la Roca" (R Q D) que es un método simple y práctico para describir la calidad de los corazones de roca obtenidos de perforaciones.

16

-Wickham, et. al. fué primero en proporcionar un método de calificación para dar peso relativo a los diversos parámetros de clasificación.

la Clasificación Geomecánica, propuesta por Bieniawski y el Sistema Q, propuesto por Barton, Líen y Lunde, propor­cionan información cuantitativa para seleccionar sistemas de soporte modernos, tales' como concreto lanzado y anclas.

El sistema Q fue desarrollado para túneles, al igual que la Clasificación Geomecánica, aunque esta última ha sido apli­cada a taludes de roca y cimentaciones, a la determinación de la "arabilidad" de los terrenos y a problemas de minas.

2.1.4 Campo de aplicación de los sistemas de clasificación

los sistemas de clasificación descritos dan lineamientos para la selección del soporte primario (o soporte temporal). Este siempre se coloca muy próximo al frente de avance y gene­ralmente lo componen anclas, concreto lanzado y marcos de ac~ro.

la función del soporte primario es mantener abierta la exca­vación hasta que pueda colocarse el soporte difinitivo, gene­ralmente integrado por un recubrimiento grueso de concreto hidráulico.

Debe recordarse que probablemente el soporte prim·ario sea capaz de resistir todas las acciones actuantes en el túnel y, puesto que los materiales con los que actualmente se cons­truye no se deterioran, para túneles carreteros y ferroviarios un revestimiento de concreto puede no servir más que como cosmético, para satisfacer la necesidad sicológica de seguri­dad de los usuarios.

2.2 Método de la carga de roca de Terzaghi (Terzaghi, 1946)

En la Fig. 1 se presentan esquemáticamente los datos de entra­da y la informaciól) para diseno obtenible de este método.

En la Tabla 1 se presenta una traducción libre del "Sistema de Clasificación de Cargas de Roca para Túneles Soportados por Marcos de Acero" originalmente propuesta por Terzaghi.

En la Tabla 11 se presenta el sistema de Terzaghi, pero ligera­mente modificado y en él se han introducido sendas escalas para el espaciamiento entre fracturas y el RQD, que comple­mentan la descripción cualitativa original.

\ El mérito de Terzaghi estriba en haber propuesto, hace más de 30 anos, un método de estimación de cargas en túneles so­portados por marcos de acero; el método más usado durante los últimos 50 anos; sin embargo, este método ya no es tan ~ adecuado para sistemas modernos de soporte, como anclas y concreto lanzado.

También, se considera actualmente que el método de Ter­zaghi es demasiado general como para permitir una eva­luación objetiva de la calidad de la roca y que no provée in­formación cuantitativa acerca de las propiedades de las ma­sas rocosas.~

1.

2.

Tabla l. Clasificación por carga de roca para túneles soportados con marcos de acero según Tarzaghi. (Carga de roca Hp en pies (espesor) de roca sobre el techo del soporte en un túnel de ancho B en m (pies) y altura 1:11 en m (pies) a una profundidad de más de 1.5 (B + H1), •

Condición de la Roca Carga de Roca Comentarios HP

Dura e intacta Cero Se requerirá revestimiento ligero sólo si hay desgaja-miento ó desorendimiento de material.

Fuertemente estratif.icada ó esquistosa** Oa0.5 8 Soporte ligero, principalmente para protección contra

caídas. La carga puede cambiar erráticamente de un 3. Masiva, ligeramente fracturada. O a 0.258 punto a otro.

4. Ligeramente fracturada for- 0.258 a 035(8 + H1) No hay presión lateral. mando algunos bloques.

5. Muy fracturada formando (0.35 a 1.10X8 + H1) Pequena o nula prtsión lateral. muchos bloques. '

6. Comptetamente fracturada pe- 1.10 (8 + H1) Presión lateral considerable. Si hay efectos de ablan-ro químicamente intacta. damiento, debidos a infiltraciones c~rcanas a la parte

inferior del túnel. se requer.irán soportes continuos pa-' ra las partes inferiores de los marcos, o bien marcos

circulares. 7. Se extruye bajo carga a poca

profundidad. (1.10 a 2.10)(8 + H1) Presión lateral muy alta, se requieren puntales inverti-

8. Se extruye bajo carga· a gtan profundidad.

(2.10 a 4.50)(8 + H1) dos. Se recomiendan marcos circulares.

9. Roca ·expansiva. Hasta 76.20m (250 Se requerirán marcos circulares. En casos extremos se

pies), · sin importar el usarán soportes flexibles (yielding support). valor de(8 + H1)

-Se. supone que el techo del túnel está localizado por debajo del nivel freático. Si está localizado permanentemente ,por arriba. del nivel freático. Los valores dados para los incisos 4 a 6 se podrán reducir en un cincuenta por ciento. Algunas de las formaciones rocosa; más comunes contienen capas de esquistos. En un estado no intemperizado, los esquistos no son peores que __

otras rocas estratificadas. Sin embargo, el término esquisto sé aplica frecuentemente a sedimentos de arcilla fuertemente compactados que aún no ad­quieren las propiedades de la roca. Dicho esquisto se.comportará en un túnel, como una roca que se extruye bajo carga o hasta como una roca ex­

pansiva. Si una formación rocosa esta formada por una secuencia de estratos horizontales de areniscas o calizas y de forMaciones esquistosas, que no alcan-

zan aún el grado de roca, la excavación del túnef está comúnmente asociada con una compresión gradual de la roca en ambos lados del túnel, involu erando esto un movimiento descendente. del techo. Además, la relativa baja resistencia contra el derrumbe a los lados del.túnel, entre ~os ya menciona

i dos esquistos y hí roca, es probable que reduzcan muy considerablemente la capacidad de la roca localizada por encima del techo que sirve de puente. Por lo tanto, en dichas formaci el e o uede ser tan ande o ura a en bloques.

METODO DETERZAGHI DATOS DE ENTRADA INFORMACION DE SALIDA

~~~ ; CLASIFICAOON DE ~ION CARGAS DE ROCA DISCONTINUIDAIES. PARA TUNELES GRADO DE ' · . ALTERACION SOPORTADOS CON NIVEL FREATICO. MARCOS DE ACERO.

= TERZAGHI. 194&

G ANCHO B TABLA t ALTURA H,

.. CARGA DE ROCA

1 COMENTARIOS SOBRE Tlftl · DE· ADEME RECOMENDABLE. COMENTARIOS SOBRE LA CARGA DE ROCA LATERAL ..

• Triturada; pero qu~ • carga de roc:a-27.94 mlcamente Intacta' I.ICB+Htl ' ton/m'! ejemplo: • 'r= 2.34tontm2 --2- • Presklnlateralmuy

• NAF bajo rasante· lmportanJe. • B =10m H1 =10m

Fjg. 1 Esquema del método de carga de roca de Terzaghi

17

~

o "' ~

.... n:J ..2.Ó e: ... ::J

QJ a Q. ·- u E n:s -~ -~..::

u "' Q. n:J n:J ...... o.- 2' "' QJ ~ Li.l -o ·o 5

f.-

2 ó -6" f-

1 o 4" •·

5 2"

1" ~

2 -

>tl.l .... QJ e: .... QJ e: ... QJ QJ

:E-g ~ u ... o u ~

Tabla 11. Cargas de roca y clasificación

Carga de roca t\ ~

~ Inicial Final Observaciones Q O' Revestimiento solo si hay 0::: 1. Dura e intacta o o .& ~ ~ . caídas o proyección de mate-~

V) .... u o rial ·x ~ -z .o

QJU•I"OO ... 2. Dura, estratificada ó n:J Qj n:J

Se presentan caídas 95 o 0.25 B O...J ._ e: n:J - esquistosa :- . ~ 00 q¡iO:o-=

90 ....... ·e: QJ E e: Presión lateral si hay estratos

0.5 B tl.l1;ín:s:::l

3 .. Masiva, moderadamen- o E- u QJ inclinados, algunos caídos te agrietada -¡¡; e: "'O

._ •O QJ tl.l 4 Moder~damente frac- 0.25 B QJ ·- "'O ....

c:<~>q¡C:

tl.I~::JQJ turada formando algu- o a l.:l o. o. E 75 nos bloques. . o.Js e

5. Muy fracturada y muy o o.3s e Pequeña o nula 50 agrietada formando mu-- a a

25 chos bloques o.6 e 1.1C Presión lateral

- 6. Completamente tritu- Presión lateral considerable. 10 - rada 1.1 e Si hay infiltraciones usar so-porte continuo 2.

o.s4 e o.62 e 7. Grava y arena a a Densa

1.2 e 1.38 e Presión lateral Ph = 0.3c5(0.5 H1 + HP) 0.94(

1.os e Suelto a 1.38 e 1.2C

8. Se extruye bajo carga 1.1 e Poca profundidad a

Presión lateral muy alta. Se 2.1 e 9. Se extruye bajo carga. 2.1C requerirá soporte continuo

a Gran profundidad 4 o;('

hasta Usar soporte circular. En ca-10. Expansiva 250 sos extremos usar soportes

pies flexibles

Notas: 1. Para rocas, clases 4, 5, 6 y 7, cuando se encuentran arriba del nivel freático, reducir cargas en un 50%

2. Para arenas (7) H~ m in, para pequenos movimientos ( -0.01 e a 0.02 e) Hp máx para grandes movi· mientas a lo ancno ( -0.15 e).

3. B es el ancho del túnel, e = B + H1 = ancho + altura del túnel (en pies) Para túneles circulares, e = 2B = 2H1

4. t. = densidad del medio, lbs/ft3

18

· 2.3 Clasificación de Lauffer (Lauffer, 1958)

La clasificación propuesta por Lauffer en 1958 está basada en un trabajo de Stini referente a la geología de túneles (Sti­ni, 1950). A Stini se le reconoce como el padre de la "Escuela Austriaca" de Tuneleo y Mecánica de Rocas.

Stíní enfatizó la importancia de las discontinuidades en los macizos rocosos y propuso que el tiempo de sustentación pa­ra cualquier claro libre activo, en relación de las diversas categorías de los macizos de roca, es el mostrado en la Fig. 2.

El claro libre activo es el ancho del túnel o la distancia entre el frente y el ademe, si éste es menor.

El tiempo de sustentación es el lapso durante el cual un túnel se sostendrá sin ademe a partir del momento de la excava­ción.

Varios factores afectan al tiempo de sustentación, siendo los principales:

Orientación del eje del túnel respecto a la estratifica­ción o a la dirección de la familia principal de disconti­nuidades.

Geometría de la Sección Transversal.

Método de Excavación.

Método de Soporte.

Este sistema de clasificación ya no se utiliza, pues ha sido modificado por varios ingenieros austriacos, como Rabce­wiez, Gosler y Pacher (Pacher; Rabcewicz y Gosler, 1974).

2.4 lndice de calidad de la roca (RQD) de Deere

Una de las desventajas serias de los dos métodos menciona­dos anteriormente es la dificultad para clasificar un cierto macizo rocoso, así como la sensibilidad de los resultados ob­tenidos, respecto a dicha-<:lasificación.

C LA S 1 F 1 e A e 1 O N DE L AU F FE R .

lmln 10 mln 111 1 dia lsem lmes fallo lO años 100 allos TIEMPO Dé SUSTENTACION.

EJEMPLO.

CLASIFICACION

DEL MACIZO A.MUY BUENA 8. c. D. E. F. G. MUY MALA

En un mismo macizo rocoso, sea de clase D, mientras que un túnel piloto de 2m se soporta sin ademe entre media hora y un dia, un túnel de 10m sólo se soporta entre 3 minutos y 2 horas, aproximadamente. · · · · · · Si se requieren 3 h para colocar el ademe primario, el avance deberá limitarse entre 80 cm y 8 m la selección del macizo rocoso es critica.

Fig. 2 Tiempo de sustentación de acuerdo a la categoría del macizo rocoso.

19

. 3.0 ~ I:D ...... o fj J! 2.5

11 e

~ 2.0 o Q:

w o 1.5 <E (!) Q: <E u 1.0 w o Q:

~ 05 ~-

o o

MUY MALA REGULA~

BUENA MALA EXELENTE

\.

' !\.MARCOS DE ACERO

\ \

\ \

ANCLASl \ 0.25 0.10 1 1 1

25 50 75 100 RQD (%)

Fig. 3. Comparación de di senos dé soportes de techo, para túneles con marcos y para cavernas con anclas.

En 1964, Deere propuso un índice cuantitativo, basado en la longitud de los fragmentos de corazón de roca extraídos me­diante broca de diamante, en el que únicamente se suman las piezas mayores de 10 cm y se divide esta suma entre la longitud perforada. Posteriormente, laiSRM propuso que se utilizara por lo menos un diámetro NX. (5.48 cm) y barril doble giratorio en la perforación.

la relación entre RQD y la calidad ingenieril del macizo ro­coso propuesta por Deere fue:

RQD(%) <25

25-50 50.75 75-90

90.100

Calidad de la roca Muy mala

Mala Regular

Buena Muy buena

Cording, Hendron y Deere (Cording, Hendron y Deere, 1972) intentaron correlacionar el RQD con el factor de carga de ro­ca de Terzaghi. Esta correlación fue satisfactoria para túne­les soportados por marcos, de acero o madera, pero no para excavaciones con anclas, según puede verse en la Fig. 3, lo que confirma ql.!e el método de Terzaghi sólo debe emplear­se en túneles con marcos.

La Fig. 4, está formada con la información procedentft de va­rios túneles, en lo que se refiere a su ancho, al valor RQD pa-

20

ra el macizo y al tipo de soporte usado satisfactoriamente. las dos lineas presentes en la figura pretenden agrupar los tres tipos de soporte. Arriba de la línea curva no se requiere soporte, entre la línea curva y la recta se requieren anclas co­locadas en forma sistemática y abajo de la línea recta se re­quieren marcos. la información presentada en la parte infe­rior de la misma figura permite afinar aún más la predicción del tipo de anclaje requerido, aunque la información experi­mental sólo cubre el rango de los 15 a 25 pies para el ancho de la excavación.

las limitaciones del RQD más importantes son:

No considera los rellenos delgados de arcilla en las dis­continuidades.

No toma en cuenta la orientación de las discontinuida­des respecto al túnel.

A

~~~~~20~~3~0~94~0~~5~0~~6~0 ft

• SIN SOPORTE 0 ANCLAS OCASIO­

NALES

6 9 12 15 18 m

ANCHO DEL TUNEL (Merritt)

o ANCLAJE SISTEMATICO

4 MARCOS DE ACERO

Fig. 4 Correlación entre el RQD y el soporte colocado en diversos sitios

No toma en cuenta la abertura de las discontinuidades.

No considera la geometría y rugosidad de las disconti­nuidades. ·

Por lo anterior, no se considera que el RQD sea suficiente por sí mismo para describir un macizo rocoso.

2.5 Calificación de la estructura rocosa (RSR Rock Structure Rating)

2.5.1 Generalidades

Fué desarrollada por Wickham, Tiedemann y Skinner.

-----Es un método cuantitativo para calificªr un macizo ro­coso y para seleccionar el sistema de soporte.

2.5.2 Avances que introdujo

Método cuantitativo y no cualitativo, como el de Ter­zaghi.

Sistema de calificación de macizos, basado en varios parámetros, no en uno sólo, como el del RQD.

Sistema completo con información de entrada y de sali­da, no del tipo del sistema de Lauffer, que se apoya en la exper.iencia personal para seleccionar el tipo de roca y únicamente define el claro libre activo y el tiempo de sustentación.

2.5.3 Características del sistema

Considera dos grandes grupos d~ factores relevantes:

a. Factores geológicos

Tipo de roca.

Patrón de discontinuidades.

Orientación de discontinuidades.

Tipo de discontinuidades.

Fallas mayores, planos de cortante y pliegues.

Propiedades de la roca intacta

lntemperismo o alteración.

b. Factores constructivos

Tamano del túnel.

Dirección de excavación

Método de excavación.

Todos estos factores se agrupan en tres parámetros.

l. Parámetro A

Apreciación general de la estructura del macizo; se basa en:

1.1 Tipo de roca según su origen.

lgnea.

Metamórfica.

Sedimentaria.

21

1.2 Dureza de la roca

Dura.

Mediana.

Blanda.

Alterada.

1.3 Estructura geológica

Masiva.

Ligeramente fallada o plegada.

Moderadamente fallada o plegada.

Intensamente fallada o plegada.

11. Parámetro B

Efecto del patrón de discontinuidades con respecto a la di­rección de excavación del túnel, basado en:

11.1 Espaciamiento de discontinuidades.

11.2 Orientación de discontinuidades (Rumbo y echado)

11.3 Sentido de excavación del túnel.

111. Parámetro C

Efecto del flujo de agua hacia el túnel, basado en:

111.1 Calidad global del macizo rocoso, expresada por la combinación de los parámetros A y B.

li1.2 Características de las discontinuidades.

Buenas.

Regulares.

Malas.

111.3 Gasto de infiltración esperado. En galones, por minu­to, por pie de túnel.

. 2.5.4 Valor RSR

Este se obtiene para cualquier sección de túnel, como la su­ma de los valores numéricos de Jos parámetros A, B y C.

RSR = A+B+C

El RSR representa la calidad del macizo rocoso en relación a sus requerimientos de soporte, independientemente del ta­mano del túnel.

Las Tablas 111, IV y V permiten definir los valores individuales de los parámetros A, B y C.

2.5.5 Relación de soporte (RR, Rib Rating)

Para poder correlacionar los valores de RSR con los sistemas de soporte instalados, para posteriormente poder, en base a aquél, predecir éste, se introdujo el concepto de Relación de Soporte (RR).

Tabla 111. Clasificación estructural de la roca- Parámetro A

Clasificación estructural de la roca - Parámetro "A" Geología generar del área

Dura 1

Tipo básico de roca

Med. Suave Alterada 2 3 4

Máximo valor 30

Estructura geológica

Ligeramente Moderadamente 1 ntensamente lgneas Metamórficas Sedimentarias

1 2 3 4 Masiva fallada o fallada o fallada o

Tipo 1 Tipo 2 Tipo 3 Tipo 4

2 3 4 4

Puesto que la información disponible se refería en un 90% a túneles soportados por marcos de acero, se seleccionó el RR como el porcentaje del soporte teórico (tamano de marcos y su espaciamiento) que se requeriría para un túnel geométri­camente igual, pero excavado en arena suelta.

Se desarrolló a partir de la fórmula de Terzaghi para determi­nar la carga en el techo de un túnel en arena suelta bajo el ni­vel freático. Esta fue la condición base, por lo que cualquier otro Sistema de Soporte se expresaría como el porcentaje de éste, requerido para otras condiciones de roca en un túnel del mismo ancho B y la misma altura Ht.

El valor de RR para un túnel sin soporte será naturalmente cero.

30 27 24 19

plegada plegada plegada

22 15 9 20 13 8 18 12 7 15 10 6

Al analizar 190 secciones de túneles con el criterio anterior se encontraron las siguientes expresiones empíricas.

(RR + 80) (RSR + 30) = 8 800 (RR + 70) (RSR + 8) = 6 000

(1974) (1972)

También se concluyó que para RSR<19 se requería un siste­ma de soporte muy pesado, mientras que, para RSR>80 no 5e requería soporte.

2.5.6 Correlación entre RR y carga de roca

Esta correlación se muestra en la Tabla VI y es directa, pues­to que un cierto RR está destinado a soportar una cierta car­ga de roca para un cierto ancho de túnel.

Tabla IV. Clasificación estructural de la roca- Parámetro B

Clasificación estructural de la roca - Parámetro "B" Patrón de fracturamiento

1 Fracturas muy cerradas

2 Fracturas cerradas

3 Fracturamiento moderado

4 Moderado a fracturada en bloques

5 Fracturada en bloques ma-sivo

6Masivo

Dirección de la excavación

Ambos

Rumbo ..L al eje

Dirección de Avance

Favorable al echado

Desfavorable al echado

Echado de fracturas principales'

lncli- lncli-

Máximo valor 45

Rumbo ..L ..L al eje

Dirección de Avance

Ambos

Echado de fracturas principales'

Piano nado Vertical nado Vertical Plano Inclinado Vertical

9 11 13 10 12 9 9 7

13 16 19 15 17 14 14 11

23 24 28 19 22 23 23 19

30 32 36 25 28 30 28 24

36 38 40 33 35 3 34 28

40 43 45 37 40 40 38 34

' Echado: Plano- O a 20 grados; inclinado- 20 a 50 grados; y vertical - 50 a 90 grados.

22

Flujo

anticipado

de agua (gpm/1000')

Nulo

Ligero (< 200 gpm)

Moderado (200-1000

gpm)

Grande (> 1000 gpm)

Tabla V. Clasificación estructural de la roca-Parámetro C

Clasificación estfuctural de la roca Parámetro C

Nivel freático Condiciones de las fracturas

Max. Valor 25

· Suma de parámetros A + B 13-44 45-75

Condiciones de las fracturas*

Bueno Regular Pobre Bueno Regular· Pobre 22 18 12 25 22 18

19 15 9 23 19 14

15 11 7 21 16 12

10 8 6 18 14 10

• Condiciones de las fracturas: Bueno: compacto o cementado; Regular = ligeramente intemperizado o al-terado; Pobre = severamente intemperizado, alterado o suelto.

Tabla VI.

Diámetro

del túnel

(0)

10'

12'

14'

16'

18'

20'

22'

24'

26'

28'.

30'

Correlación entre la clasificación estructural de la roca y la carga de roca, Y el diámetro del túnel

(Wr) Carga de Roca en la bóveda del túnel (k/sq ft)

0.5 1.0 1.5 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0

Valores correspondientes de la clasificación estructural de la roca (RSR)

62.5 49.9 40.2 32.7 21.6 13.8

65.0 53.7 44.7 37.5 26.6 18.7

66.9 56.6 48.3 41.4 30.8 22:9 16.8

68.3 59.0 51.2 44.7 34.4 26.6 20.4 . 15.5

69.5 61.0 53.7 47.6. 37.6 29.9 23.8 18.8

70.4 62.5 55.7 49.9 40.2 32.7 26.6 21.6 17.4

71.3 63.9 57.5 51.9 42.7 35.3 29.3 . 24.3 20.1 16.4

72.0 65.0 59.0 53.7 44.7 37.5 31.5 26.6 n,3 18.7

72.6 66:1 60.3 55.3 46.7 39.6 33.8 28.8 24.6 20.9 17.7

73.0 66.9 61.5 56.6 48.3 41.4 35.7 30.8 26.6 22.9 19.7 16.8

73.4 67.7 62.4 57.8 49.8 43.1 37.4 32.6 Í8.4 24.7 21.5 18.6

23

2.5.7 Campo de aplicación del RSR

ª S e ...J

~

1

i ~ ~ ~ e ...J u

Primeramente fue desarrollado para túneles soportados con marcos de acero, lo que define su campo de aplica­ción natural.

Adicionalmente, se hizo una estimación de los requeri­mientos de anclas y concreto lanzado, bajo suposi­ciones que limitan fuertemente el grado de confianza en su aplicación. Para anclas de 2.5 cm (1 ") y una carga de trabajo de 24 000 lb, se obtuvo la siguiente expresión:

Separación (ft) = ~ . . w

donde:

W == Carga de roca, en miles de lb/pie2 (pst)

No se encontró ninguna correlaCión entre las condi­ciones geológicas y el espesor de concreto lanzado, por lo que simplemente se sugirió la siguiente expresión:

t=1+~ó 1.25

donde:

t = espesor del concreto lanzado W = carga de roca, en 1 000 lb/pie2 D = Diámetro del túnel, en pies

10

0.5 60

50 J. O .. .... ... ..... .. .; ~ 1!1

~

.o

1 4 • SEPARACION DE LOS MARCOS, EN PIES SEPARACION DE LAS ANCLAS, POR PIE CUADRADO ESPESOR DEL CONCRETO LANZADO, EN PULG.

7 8

Fig. 5 El concepto RSR: gráfica de soporte para un túnel de 10 pies de diámetro.

24

~ 10 AA~~~---S

0.5 S• ; -1 _.,..., 1

1.0 N ,__, 16H20_RI.!

:5 60 1- ., --~ /

l!t 1.5 :..: / lewf"&~

1 2.0 ---50 1

~ 3.0 1 ewf!'---40 ............ '1 4.0

:z .... 1 l!ls e 30 ' lgz 3 - ~VE,.h 1!. ~~.!lN-J i.s ~ ¡:¡; (REL.DELOSMARCOS=IOO)..j ~,.:: en 20 :~"'i :5 u lil"" ..,j....l

10 o 2 3 4 5 6 1 8

SEPARACION DE LOS MARCOS, EN PIES SEPARACION DE LAS ANCLAS, POR PIE CUADRADO ESPESOR DEL CONCRETO LANZADO, EN PULG.

Fig. 6 El. concepto RSR: gráfica de soporte para un túnel de 20 pies de diámetro. · ·

2.5.8 Modo de operación del sistema

En las Figs. 5, 6 y 7, se presentan gráficas para diseno de túne­les de 20 pies. Cartas similares pueden dibujarse o existen pa­ra otros diámetros.

Los pasos a seguir son:

a. Se divide el túnel en tramos geológicamente similares.

b. De las tablas 11 a IV se determinan los valores de los pa­rámetros A, B y C y se obtiene ~SR.

c. Se determina el tipo y densidad de soporte en una gráfi­ca similar a las mostradas en las Figs. 5, 6 y 7.

C<IICRE'TO ANCLAS DE 1" 0. /LANZADO . ~ 0.5 t•l"+ .•;e s • .Ji -1 _

70 \ . .:......,- .J.---

i 1.0 \ ANCLAS DEIIA"'X... ,..,. ... 1&112!..1!!! \ ~~ --s..,o

1.5 \ ··~ / ... " 1

S \ Wr / 1 .. ' / 1 ,.,,110,_

2.0 t: / ---:5 ~ ' .-

so 1 1!1 s 1 ,o'll!,'!!.

1 l. O ,--1 1!1

40 J :11!1 4.0 5 ,si

1 10

S. O 1i s 1.0 .... , !¡ ~ 7.0 NIVB. DE CXItiPAIIACia. '""" l :; :5 ,..

20 .o- --¡iii:L.o'E!DsiAROOS=Tocii---r---1 1

10 ~0-----L~--·2----~.----~4----~----.~--~7--~8

Fig. 7

SEPARACION DE LOS MARCOS.· EN PIES SEPARACION DE LAS ANCLAS. POR PIE CUADRADO ESPESOR DEL CONCRETO LANZADO. EN PULG.

El concepto RSR: gráfica de soporte para un túnel de 24 pies de diámetro.

. 1

'-

Tabla VIl. Clasificación geoniecánica de macizos rocosos agrietados

A-Parámetros de clasificación y su importancia

Parámetro Rango de valores

lndice de resis- > 8 MPa 4-8 MPa 2-4 MPa 1-2 MPa Para este ran-1. Resistencia del tencia en el go tan bajo,

material rocoso punto de apli- se prefiere intacto ción de la una prueba

carga de compre-sión axial.

Resistenc.ia a > 200 MPa 100-200 MPa 50-100 MPa 25-50 MPa 10-25 3-10 1-3 la compre- MPa MPa, sión axial .MPa

Clasificación 15 12 7 4 2 1 o

2. Calidad del 90-100% 75-90% 50-75% 25-50% < 25% núcleo de per-foración según RQO.

Clasificación 20 17 13 8 3

3; Espaciamiento >3m 1-3m 0,3-1 m 50-300 mm <50 mm de pí.mtós

Clasificación 30 25 20 10 5

Superficies Superficies Superficies Superficies Ligera salbanda muy ásperas. ligeramente ligeramente con planos < 5 mm No. son conti- ásperas. ásperas. de desliza- de grueso o

4: Condición de nuas. Separación Separación miento o sal- grietas abier-las juntas No están se- < 1 mm. Ro- < 1 mm. Ro- banda· tas más de

paradas. ca de respal- · ca de respal- < 5 mm de 5 mm. Grietas Roca de res- do muy agrie- do ligeramente grueso, o continuas. paldo muy tada agrietada grietas abiertas agrietada de 1 a 5 mm.

Grietas continuas

Clasificación 25 20 12 6 o

a) Infiltración por Ninguna < 25 25-125 > 125 cada 10m 1/min 1/min 1/min de longitud

ó ó ó de túnel ó

5. Flujo Presión E del agua

de agua o O. 0-0.2 O. 2-0.5 > 0.5 b)Relación

en la fisura

esfuerzo principal ó ó ó mayor

ó e) Condicio- ·completamen- Humedad Agua a una Problemas

nes genera~ ·te seca solamente presión mo- severos de les (agua inters- derada. agua

ticial)

Valor .10 7 4 o

25

Tabla VIl. (Cont.)

Parámetro Rango de valores '

B- Ajuste de la clasificación de acuerdo a la orientación de las grietas 241-Y40a

Orientación del rumbo y echado Muy Muy de las grietas Favorable Favorable Regular Desfavorable Desfavorable Túneles o -2 -5 -10 -12 Clasificación Cimentaciones o -2 -7 -15 -25 Taludes o -5 -25 -50 -60

.,

C- Diferentes clases de macizos rocosos determinados en base a las clasificaciones totales

Clasificación 100-81 80-61 60-41 40-21 20 Clase Núm: 1 11 111 IV V Descripción Muy buena Buena Roca regular Roca pobre Roca muy pobre

roca roca

D- Significado que tienen las diferentes clases de macizos rocosos \

Clase Núm: 1 11 111 IV V Tiempo promedio 10 af'los 6 meses 1 semana 5 horas 10 minutos en que se soporta por sí sola para claros para claros para claros para claros para claros

de S m de 4 m de 3m de 1.5 m de menos de O.Sm

Cohesión del macizo rocoso >300 KPa 200-300 KPa 150-200 KPa 100-150 KPa <100 KPa Angulo de fricción interna del macizo 1

.J >45° 40°-45° 35°-40° 30°-35° <30° rocoso

* Salbanda: material suave que se encuentra en las diaclasas (zonas de falla).

2.6 La clasificación geomecánica o RMR (Rock Mass Rating)

e. Características de discontinuidades.

f. Condiciones hidráulicas.

2.6.1 Generalidades

Fue desarrollada especialmente para la ingeniería de ro­cas.

2.6.2 Valor RMR

Este se obtiene de la Tabla VIl.

'

-

Utiliza seis parámetros

a. Resistencia a la compresión simple de la roca intac-ta.

También en este caso representa la calidad del macizo roco­so en relación a su necesidad de soporte, independientemen­te del tipo de obra, de sus dimensiones, así como del procedi-. miento constructivo.

b. RQD.

c. Espaciamiento de discontinuidades. 2.6.3 Método de operación

d. Orientación de discontinuidades. a. Se divide el túnel en regiones.

26

b. Se determina el valor de cada uno de los seis parámetros mediante observaCiones y mediciones de campo, para cada una de las regiones. El método proporciona una descripción detallada para la calificación de cada pará­metro.

c. Se asigna una calificación para cada uno de Jos primeros cinco parámetros y se obtiene la suma para obtener la "calificación básica" del macizo en cada región, auxi­liándose de la Tabla VIl, Sección A.

d. Se toma en cuenta la influencia del rumbo y echado de las discont~nuidades ajustando la "calificación básica" del macizo, auxiliándose de la Tabla VIl, Sección B, donde se é:Ja un tratamiento diferente según se trate de un túnel, una cimentación o un talud. la calificación, se­gún la orientación, es cualitativa y se define con el auxi­lio de una tabla.

e. Finalmente, de acuerdo con la Tabla VIl, Sección C, se obtiene la Clasificación del Macizo Rocoso (RMR), en cualquiera de los cinco grupos.

f. la Sección D de la propia Tabla VIl muestra el significado físico de cada una de las cinco clases de macizo rocoso.

2.6.4 Información de salida

Para el caso de túneles, el Sistema de Clasificación Geome­cánica proporciona el tiempo de sustentación, de acuerdo con la Fig. 8.

DI AS

Si se requiere un tiempo de sustentación mayor, puede alcan­zarse éste mediante la colocación de un sistema de soporte, de acuerdo con la Tabla VIII

En la formulación de esta tabla, se ha tomado en cuenta:

Ancho del túnel

Método de Construcción.

El sistema de soporte propuesto puede considerarse como definitivo, por lo que no se requerirá ningún revestimiento adicional de concreto. Sin embargo, se recomienda observar el comportamiento del túnel para asegurarse de su estabili­zación.

2.7 Sistema Q (Barton, lien, lunde)

2.7.1 Generalidades

Fue desarrollado en el Instituto Noruego de Geotécnia.

Representa una contribución significativa por las razo­nes siguientes:

a. Se basa en el análisis de alrededor de 200 túneles en Escandinavia.

b. Es un sistema cuantitativo.

MESES AÑOS

100

80 70 60

1 HORA

10 HORAS 2 3 4 5 6 10 15 3)25 1 2 3 4 5678101 2 3456810

50

40

EÑEL 1~~sp1 !k DE MI S

- 10¡;;;' • 1 !t COLAPSO INMEDIATO ~

""... ~ • 50 • • •

~~V\ •

"\ • • . .. :so • \_ 1 • 207' - .-- 70

V' .l][ ,.., 110

30

1 _!,...1"' Jr ~ NO REQUIERE SOPORTE ',

\ ~f""20

~ 2

1 30 1 10 MINUTOS

Fig. 8

HORAS TIEMPO EN QUE SE SOSTIENE. POR SI SOLA~ LA ESTRUCTURA

Clasificación Geomecánica: Relación entre el tiem­po en que se sostiene por si sola la estructura y el cla-ro no soportado. .

27

111

....:: ¡,¡¡¡

\ \ \

I \ \ • \ 1

80

Tabla VIII. Guía de acuerdo a la clasificación geomecáriica para excavaciones y ·soporte de túneles en roca (anchos de túnel 20 a 40 pies, construcción: barren ación

y voladura).

Clase de maci-

zo Rocoso.

Muy buena roca 1

RMR: 81-100 Buena roca .

11 RMR: 61-80

Roca regular 111

RMR: 41-60

Roca pobre IV

RMR: 21-40

Roca muy pobre V

RMR: 20

Excavación

Frente completo Avance de 10 pies

Frente completo. Avance de 3 a 5 pies. Soporte completo a 60 pies del fumte.

Galeria de avance y banqueo. Avance de 5 a 10 pies en el frente. Comenzar sustenta­ción después de cada voladura. Soporte completo a 20 pies del frente.

Galeria· de avance y banqueo. Avance de 3 a 5 pies en el frente. Instalar soporte al ir haciendo la excava­ción.

Varios frentes, avance de 1.5 a 3-pies en el frente Instalar soporte al ir haciendo la exca­vación. Concreto lanzado tan pronto como se pueda después de realizar la tronada.

Soporte

Anclaje* (longitud: 1/3 a 1/2 del ancho del túnel) Concreto lanzado Marcos de acero

Generalmente no require soporte excepto el colocar ocasionalmente anclas

Anclajes locales en el te­cho de 10 pies de long., es­paciados 8 pies, con una malta de alambre que se coloca ocasionalmente.

Uso sistemático de anclaje de 12 pies de long., espa­ciados de 5 a 6 pies en el techo y las paredes con malla de alambre en la bó­veda.

Uso sistemático de .anclaje de 12 a 15 pies de longitud, espaciados de 3 a 5 píes en el techo y las paredes con una malla de alambre.

Uso sistemático de anclaje de 15 a 20 pies de long., es­ciados de 3 a 5 pies en el te­cho y en las paredes con ma­lla de alambre. Plantilla de anclaje.

2 pulg. en el te­cho donde se re­quiera

2 a 4 pulgadas en el techo y 1 pulg. en 1 as paredes

4 a 6 pulgadas en el techo y 4 pulg. • en las paredes.

6 a 8 pulg. en el te­cho, 6 pulg. en las paredes y 2 pulg. en el frente.

Ninguno

Ninguno

Marcos ligeros a medianos espacia­dos 5 pies donde se. requieran.

Marcos medianos a pesados, espacia­dos 2 pies y 6 pulg. con revestimiento metálico y utili­zando puntales y listones de avance en el frente, si es necesario. Plantilla de cierre

• La longitud de las anclas que aquí se especifican son aplicables a túneles de 30 pies de ancho.

28

2.7.2

c. Es un sistema ingenieril que permite el diseno de so­portes para túneles.

Utiliza seis parámetros independientes.

a. RQD.

b. Número de familias de diaclasas. (Jn)

c. Rugosidad de la familia de diaclasas más desfavo-~~~(J~ o

d Grado de alteración o relleno de las diaclasas más desfavorables. (Ja)

e. Flujo de agua hacia el túnel. (Jw)

f. Estádo de esfuerzos existente en la vecidad del tú-nel. (SRN) (Stress Reduction Number).

No toma en cuenta la orientación de las discontinuida­des.

Para la selección del soporte sólo considera anclas y concreto lanzado.

El valor de Q

Los parámetros utilizados se agrupan en la siguiente expresión:

RQD . J Jw Q =~X Ja X SRF

los parámetros RQD y Jn se pretende que representen la estructura del macizo rocoso y a su cociente se le atribuye la representación del tamano del bláque.

El cociente Jr/Ja se dice que está relacionado con la resisten­cia al corte entre bloques. El quinto parámetro, Jw, es una medida de la presión del agua, mientras que el sexto pará­metro es una medida de:

a. la carga de aflojamiento, en el caso de zonas intensa­mente fracturadas o de roca con arcilla en las caras de las fracturas.

b. Del estado de esfuerzos en roca sana. -

c. De las cargas producidas por roca que fluye o por roca expansiva.

A este sexto parámetro se le llama "parámetro del esfuerzo total". · -

El cociente Jw/SRF se dice que describe el esfuerzo actuante.

El valor de Q se relaciona con el soporte requerido mediante la definición de la "dimensión equivalente" de la excava­ción, que es una función de las dimensiones y de la utiliza­ción de ta excavación; se obtiene de:

Dimensión Equivalente = . Ancho, diámetro o altura ESR

a 100 EXCEPCIOOAI.MENTE EXTREMADAMENTE MUY MUY EXT. EXC.

POBRE POBRE POBRE POBRE REGUlAR BUENO BUENO BUENO BUENO

~ ~~~~~~~~~!!~~~~~~~~~:!~~;:~~~~~~~~~~~~~~~ 8 f4--"

~ 12~~ ~ 40 20 1 1~1--:::-r · 7__..- 2 -?

~-a: o 28 eo24 ·~ .-lcs:-j5 \ ~¡--¡-~ ~ U) 20 o ~r¡ooo~ oiO~~ e "' ~ o • 35 o - ~J--;.~ 23clo o ~iD c'J!.~ ~~

3!J 1 o 1::- o 38

1 • .~o 31 • 27 o~ ~8~L~~~-oo~ -,,l,3~~~~~~~iJ~ 2! o ~ , • 1 o~2j~~f':C!oll • E __..---¡ o o " -,_A ~J_O-~ - 1~

~ 4 ~ . 1 • 34 ~ ~ --~ o o 21 ~-lf!I=I-I+-+.-+--H=-HIH+--+-++t-Hittl a 37 o v-- ~ 25 • .,.--f!!~.4. f+l+-....... H-++++++I---t-t-+++11tt1

21 ----- 29 ~ 33 , "",- NO REQUIEREN DE SOPORTE

36

0.4 '"""

0.2~ ~

NOMENCLATURA: CALIDAD DEL MACIZO ROOOSO Q: (~ x ( ~~) x (;;)

o CASOS RECOPILADOS POR BARTON Y OTROS • CASOS RECOPILADOS POR CECIL • EXCAVACIONES SIN SOPORTE

Fig. 9 Sistema Q dimensi6n equivalente vs. calidad del ma­cizo rocoso (después de Barton). ·

29

Donde:

ESR (Excavation Support Ratio) tiene que v~r con el tipo de obra y el grado de seguridad requerido.

2.7.3 Modo de operación

a. La longitud total del túnel se divide en regiones de características similares.

b. Se determina el valor de RQD en cada región. Si no se cuenta con corazones de roca, el RQD se estima a partir del número de diaclasas por unidad de volumen, suman­do las diaclasas por metro lineal de cada familia, con lo que se obtiene Jv.

Para rocas sin arcilla:

RQD = 115- 3.3 Jv

Para Jv < 4.5 - RQD = 100%.

J>ara RQD s 10, se le asigna un valor nominal de 10.

c. Se definen los valores de Jn, Jr, Ja, Jw ySRF con base en la información de campo y haciendo uso de la Tabla IX.

d. Con los valores anteriores se calcula el valor de Q.

e. Se selecciona el valor de ESR de acuerdo al tipo de obra, variando desde 3 a 5, para excavaciones mineras tempora­les, hasta 1.0 para centrales hidroeléctricas, carreteras principales, portales, intersecciones (0.8 para plantas nucleares, estaciones ferroviarias y fábricas) ..

f. Se define la dimensión equivalente.

g. Con el valor de Q y de la dimensión equivalente se entra a la gráfica de la Fig. 9 y se elige el dígito más próximo, que corresponde a la categoría del soporte, cuy'a descripción detallada se consulta en tablas de tipo de la Tabla X, que proporcionan el soporte definitivo. Para definir soportes temporales, Q se incrementa a 5Q o ESR se incrementa a 1.5 ESR.

h. La longitud de las anclas se define como:

L = 2 + 0.15 B/ESR

Donde:

B = ancho de la éxcavación.

i. El límite superior para excavaciones sin soporte se puede definir utilizando las gráficas de la Fig. 10 o mediante:

0.4 Claro máximo sin soporte = 2 (ESR) Q

j. La Fig.11 permite definir el tiempo de sustentación a partir de Q y del claro en metros.

k. La Fig. 12 ·proporciona la presión (Ptecho) que sopor­tará el ademe; esta gráfica se basa en:

Ptecho = 2.0 Q -1/3

Jr

Si el número de familias de discontinuidades es me­nor de tres, la expresión anterior se tranforma en:

Vz -1 -% P te e h o = 2 Jn Jr Q

3

3. Referencias

Wickham, G.E., Tiedemann, H.R. y Skinner, E.H. Support Determination Based on Geo/ogic Predic­tions. Proceedings, Rapid Excavation Tl"'meling Con­ference. American lnstitution of Minin~:, Engineers.

Terzaghi, K., "Rock Defects and Loads on Tunnel Suppor". Rock Tunneling with Stee/ Supports. Ed. R.V. Proctor and T. White, Commercial Shearing Co., Youngstown,, Ohio, 1946. pp. 15-99.

Lauffer, H. "Gebirgsklassifizierung für den Stollenban." Geo/ogie und Bauwesen, Vol 24, No. 1, 1958, pp. 46-51.

Stini, 1., "Tunnel baugeologie" Springer Verlag, Viena 1950, p. 336.

Pacher, F., Rabcewicz, L. y Gosler, J. "Zum Derseítígen Stand der Gibergsklassi -fiz~erung in Stollen- und Tun­nelbau". Proceedings, XXII Geomechanics Colloquium, Salz-burg, 197 4, pp. 51-58.

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Tabla IX. Sistema Q: Descripción y valores de los parámetros

l. Descripción de calidad

A. Muy mala

B. Mala

c. Regular

D. Buena

E. Excelente

(RQD)

O a 25

25 a 50

50 a 75

75 a 90

90 a 1oo

Nota.- Cuando, RQD < 10, incluyendo el valor cero, se emplea valor 10 en el cálculo de Q.

30 '\.

TABLA IX (Continuación)

2. Número de familias de diséontinuidades

A. Masiva, ninguna o pocas discontinuidades.

B. Una familia

C. Una familia más distribución aleatoria

D. Dos familias

E. Dos familias más distribución aleatoria

F. Tres familias

G. Tres familias más distribución aleatoria.

H. Cuatro o más familias, d,istr-ibución alea-toria, intensamente fracturada, fragmentos pequenos, etc.

l. Roca triturada, granular tipo suelo

Nota.- En intersecciones úsese 3 X por Jn y en portables 2 x Jn.

3. Rugosidad

a) Cuando existe contacto roca con roca en las juntas y

b) Cuando existe este contacto antes de 10 cm de desplazamiento de corte.

A. Juntas di~continuas

B. Asperas y onouladas

c. Tersas y onduladas

D. Lustrosas y onduladas

E. Asperas y planas

F. Tersas y planas

G. Lustrosas y planas

e) cuando no hay contacto roca con roca al existir desplazamiento de corte.

H. Rellenas de arcillas, limos, arenas o gravas con espesores tales que im­piden el contacto de roca con roca.

(Jn)

0.5 a 1.0

2

3

4

6

9

12

15

20

(J r)

4

3

2

1.5

1.5

1.0

0.5

1.0

Nota.- Suma 1.0 al Jr si el espaciamiento medio de las discontinuidades importantes es mayor de 3m.

4. AlteraCión y relleno de juntas (Ja)

a) Cuando existe contacto entre roca y roca en las juntas.

A. JÚntas limpias o con relleno resistente e impei'me·ables como cuarzo y epidota · 0.75

B. Juntas apenas oxidadas superficialmente. 1.0

C. Paredes ligeramente alteradas. Relleno de materiales que no pierden resistencia al deformarse como roca desintegrada y particulas de are-na sin arcilla. 2.0

D. Paredes recubiertás o con rellenos arcillo-arenosos que no pierden re-sistencia con la deformación. 3.0

31

TABLA IX (Continuación)

E. Rellenos de minerales de arcilla que pierden resistencia al deformarse como caolinita, mica y también talco, yeso, grafito, etc. y pequenas cantidades de arc:fllas expansivas. Los rellenos de esta clase son dis­continuos y de 1 a 2 mm o menos de espesor. 4.0

b) Cuando existe contacto entre roca y roca en las juntas antes de 10 cm de cizalla.

F. Relleno de partículas arenosas o roca desintegrada sin aréilla. 4.0

G. Rellenos continuos de menos de 5 mm deespesor de arcilla fuertemen-te consolidada que no pierde resistencia al deformarse. 6.0

. H. Rellenos continuos de menos de 5 mm de espesor de arcilla con pre-consolidación de media a baja, q~e pierde resistencia al deformarse. 8.0

l. Rellenos continuos de menos de 5 mm de espesor de arcilla de alta plasticidad. El valor deJa depende del porcentaje de partículas de ar­cilla expansiva, de la factibilidad de entrar en contacto con el agua, etc. 8.0 a 8.12

e) Cuando no hay contacto con roca al existir desplazamientos de corte.

K.LM. Zonas o bandas de roca desintegrada o triturada y arcilla (véase la descripción de la arcilla de G, H, 1 respectivamente)

N Zonas o bandas de limo o arena arcillosas con pequena cantidad de arcilla (no pierde resistencia al deformarse)

Q.P.R. Zonas o bandas de arcilla continua y de espesor considerable (véase la descripción de la arcilla de G, H, 1, respectivamente).

6.0, 8.0 ó 8.0 a 12

5.0

10.0, 13.0 o 13.0 a 20.0

5. Condición de flujo de agua (Jw) Presión

A. Ambiente seco o flujo reduCido por ejemplo, < 5 1/min lo­calmente.

B .. Flujo o presión medianos •. lavado ocasional. del relleno de las juntas. · ·

C. Flujo o presión grandes en roca competente con juntas lim­pias.

D. Flujo o presión grandes, lavado considerable del relleno de las juntas.

E. Flujo excepcionalmente grande o presión durante explo-

hidrostática aproximada

en kg/cm2

1.0 1.0

0.66 1.0 a 2.5

0.5 2.5 a 10.0

0.33 2.5 a 10.0

siones que decae con el tiempo. 0.2 a 0.1 10.0

F. Flujo excepcionalmente grande o presión constante sin r~ ducirse en forma perceptible. 0.1 a 0.5 10.0

Nota 1.- Los factores Ca F están burdamente estimados. El valor de Jw deberá aumentarse si hay necesidad de instalaciones de drenaje.

Nota 2.- Los probl~,;,as especiales que caus~ el hielo al formarse en el interior de las grietas no han sido considerados.

32

TABLA IX (Continuación)

6. Condición de esfuerzo

a) Existencia de zonas de debilidad que intert:eptan la ex (SRF) cavación y pueden ocasionar que se formen zonas de

10.0 material suelto al excavar el túnel

A. Numerosas zonas de debilidad conteniendo arcilla o ro-ca desintegrada químicamente o roca muy suelta a

5.oe cualquier profundidad

B. Zonas de debilidad aisladas conteniendo arcilla o roca 2.5'

desintegrada químicamÉmte a una profundidad de 50 m. o menor 7.5

c. Igual a B a una profUndidad de más de 50 m

D. Zónas de corte numerosas en roca competente sin ar- 5.0

cilla o roca suelta a cualquier profundidad 2.5

E. Zonas de corte aisladas en roca competente sin arcilla a una profundidad de 50 m o menor ! 5.0.

F. Igual a E a una profundidad mayor de 50 m

c. Roca suelta con discontinuidades abiertas, roca inten-samente fracturada

b) Roca competente con altos esfuerzos Re/u, Rtla,

H. Esfuerzos reducidos cerca de la superficie del terreno. >200 >13

l. Esfuerzos medianos 200 a 10 13 a 0.66 1.0

j. ~sfuerzos grandes estructura bien interco-nectada 10 a 5 0.66 a 0.33 0.5 a 2

K. Ocurrencia leve de estallidos en roca masi-va (mild rock bursts) 5 a 2.5 0.33 a 0.16 5 a 10

l. Ocurrencia importante de estallidos en ro-ca masiva (heavy rocks bursts) <2.5 <0.16 10 a 20

e) Extrusión de la roca bajó la acción de grandes esfuerzos

M. Extrusión leve 5 a 10

N. Extrusión importante 10 a 20

d) · Expansión de la roca debido a la presencia de agua y esfuerzos

o. Expansión leve 5 a 10

P. Ex¡:>ansión importante 10a 15

Nota 1. Reducir en a) el valor de SRF del 25 al 50 por dento si las zonas de debilidad importantes influencian pero no interceptan la excavación.

Nota 2. 01 y u3 son los esfuerzos principales-mayor y menor y Re y R1 son léi resistencia de compre-sión y tensión respectivamente. · · · ·

Nota 3. Cuando 5 < u1/u3 < 10, se recomienda reducir Re y Rt alBO por ciento cuando u,Íu3 > 10, se deberán reducir Re y R1 a un 60 por ciento.

Nota 4. En H se sugiere aumentar el valor de SRF de 2.5 cuando la profundidad del túnel sea me­nor que su claro.

33

Categoría del

soporte

1* 2* 3* 4*

5* 6* 7* 8* 9

10

11*

12*

13

14

15

16*

Tabla X Sistema- Q: Medidas del soporte de macizos rocosos de "excepcional" "extremadamente buena", "muy buena" y "buena" calidad

· (Rango de Q: 1 OOQ-1 O)

p

Factores kg/cm2 condicionales Claro/ Claro/ Tipo de

Q RQD/Jn Jr/Jn ESR(m) (aprox.) ESR(m) soporte

1 OOQ-400 0.01 20.40 sb(utg) 1 OOD-400 0.01 3Q-60 sb(utg) 1 OOQ-400 0.01 46-80 sb(utg) 1 OOQ-400 0.01 65-100 sb(utg)

400.100 0.05 12-30 sb(utg) 40Q-100 0.05 19-45 sb(utg) 400-100 0.05 30-65 sb(utg) 400.100 0.05 48-88 sb(utg) 100.40 ~ 20 0.25 8.5-19 sb(utg)

< 20 B(utg) 2.5-3m 100-40 ~ 30 0.25 14-30 B(utg) 2-3 m

< 30 B(utg) 1.5-2 m+ el m 100.40 ~ 30 0.25 23-48 B(tg) 2-3m

< 30 B(tg) 1.5-2 m+ el m 100.40 ~ 30 0.25 40.72 B(tg) 2-3m

< 30 B(tg) 1.5-2 m +el m 40.10 ~ 10 ~ 1.5 0.5 5-14 sb(utg)

~ 10 < 1.5 B(utg) 1.5-2m < 10 ~ 1.5 B(utg) 1.5-2m < 10 < 1.5 B(utg) 1.5-2m +S

2-3 cm 40.10 ~ 10 ~ 15 0.5 9-23 B(tg) 1.5-2m. +el m

< 10 ~ 15 B(tg) 1.5-2m + S(mr) 5.-10 cm

< 15 B(utg) 1.5-2 m+ el m 4Q-10 > 10 0.5 15-40 B(tg) 1.5-2 m+ el m

:S 10 B(tg) 1.5-2 m +S (mr) 5-10 cm

4Q-10 > 15 0.5 30.65 B(tg) 1.5-2 m+ el m :S 15 B(tg) 1.5-2 m

+ S(mr) 1Q-15 cm

* Estimaciones de los soportes hechas por los autores. El número de casos disponibles para estimar en forma confiable los requerimientos de soporte es insuficiente. El tipo de ,soporte que se usará en las categorías 1 a 8 dependerá de la técnica de voladura que se use. Medi¡mte voladura suave en las paredes y barren ación cuida-dosa se puede prescindir del soporte. Si se utiliza voladura áspera en las paredes· puede resultar necesaria una simple aplicación de concreto lan_zado, especialmente en donde la' altura de la excavación sea > 25 m. El re-gistro futuro de los casos deberá diferenciar las categorías 1 a 8. Claves: sb =colocaCión de anclaje; Y = bulonando sis-temático; (utg)= no tensada con inyección de lechada; (tg)= tensada (puntas expansivas para macizos de roca sanas, inyección de lechada y postensado en macizos rocosos de muy pobre calidad); ver nota XI); S= concreto lanzado; (mr) + malla de refuerzo; clm = malla de eslabones de cadena; CCA =moldes de arcos de concreto; (Sr)= acero reforzado. La separación del anclaje está dado en metros (m). E 1 espesor del concreto lanzado o de los arcos de concreto está dado en centímetros (cm).

34

200

:::11!100

2: ..... !50

~ 40

B 30

20

~ 10 o a: ct -J 5 (.,)

4 3

2

MUY EXT. EXC. POBRE REGULAR BUENO BUE NO BUENO BUENO

·"'

..... • ; .,.,.

¿. ~ ¡...." o o o

~ -" •' ¡...-

?V o ...

,"' o

o

2 4 10 20 40 lOO 200 400 1000

CALIDAD DEL MICIZO ROCOSO, a

o. LOS CIRCULDS REPRESENTAN LAS EXCAVACIONES SIN SOPmTE HECHAS POR El HOMBRE QUE APARECEN EN lA'liTERATURA. LOS CUADROS REPRESENTAN ALGUNAS ABERTURAS NATURA -lES EN CARLSBAD, NUEVO MEXICO. . LA CURVA ENVOlVENTE ES UNA ESTIMACION DEL MAXlMO • CLARO DE DISEflO PARA EXCAVACIONES PERMANENTES SIN -NINGUN SOPORTE HECHO POR EL HOMBRE .

200

100

50 40 30

20

10

5 4 3

2

POBRE REGUL AR BUENO MUY EXT. EXC. BUENO BUENO BUE NO

¡... ~"~.o

~- ~

V ~,.e ,rt ¡,.... V ¡...- ~~ V ¡...-

¡.....--~ ~ ~ ~ ~~ ~ / ~ b:= ¡...1-' ::::...::-; ~t'O·

.... - V .... -V""2.- f-'" .... '

~-""'...........-:: t::- ,......

V

2 4 ~ w 40 ~ m 400 tooo CALIDAD DEL MACIZO ROCO~, a

b. LIMITES DE DISEÑO SUGERIDOS PARA LOS VARIOS TIPOS DE EXCAVACIONES LDS VALORES DE ESR. MAYORES QUE 1·6 SE APLICAN A -EXCAVACIONES TEMPORALES, PARA LAS CUALES SE ACEP • TARAN REQUERIMIENTOS MENOS RIGIDOS, EN LO QUE SE -REFIERE A TIEMPOS DE SUSTENTACION DE LA ESTRUCTURA. SE REQUERIRA DE SOPORTE SI SON EXCAVADOS CLAROS • • MAYORES QUE LOS DADOS POR LOS LIMITES DE DISEAO.

Fig. 10 Sistema Q: Claro sin soporte 'vs. calidad del macizo rocosa (después de Barton).

~ e;; Q:

~ !i! 1&.1

6;\rl 2z 1&.1~ Cl) -J 1&.11&.1

5 ~ ~ :E 1&.1 ¡::

50 AIIOS

10 AIIOS

1 AÑO

\

1 MES

1 SEMANA

1 OlA

1 HORA

CALIDAD DEL MACIZO ROCOSO , a

NOTA: lAS ENVOLVENTES REPRESENTAN UN INTENTO PRELIMINAR DE PREDECIR CUAN10 DISMINUYE EL TIEMPO DE SUSTENTACION DEl TUNEL CUANDO EL ClARO ~ LA EXCAVACION SIN SOPORTE ES INCREMENTADO MAS ALLA· DEl MAXIMO CLARO DE DISEAO

Fig. 11 Sistema Q: Tiempo de sustentación vs. calidad de maciso rocoso.

35

'"e lO ~ l.ll ~

Ul ... 0: o a.. o U)

Ul Q

z ·~ U) Ul 0: a..

O.l

0.01 0.001

EXTREMADAMENTE POBRE

MUY POBRE POBRE BUENO ·MUY EXT.

BUENO BUEN D

: LOS PUNTOS TRAZADOS SE REFIEREN AL REGISTRO DE LOS CASOS QUE DESCRIBEN LA MEDICIDN Y EL DISEflO DE LAS PRESIO.NES ~~-4-4-+-J-H-HI---f-i DE SOPORTE DEL TECHO(DESPUES DE BARTON Y OTROS_ 1

0.01 1 10 100 1000

CALIDAD DEL MACIZO ROCOSO Q =(RJ~D}a(J;)•(~•) * RQD : INDICE DE CALIDAD lE LA ROCA ** SRF: FAC'ItlR lE REWCCION !EL ESFUER2D

fig. 12 Sistema Q: Presión de soporte vs. calidad del macizo rocoso.

36

'.

ESTUDIOS GEOLOGICOS PREVIOS PARA LA CONSTRUCCION DE TUNELES CARRETEROS

.J.L. Rosas

RESUMEN El presente trabájo pretende hacer resaltar la importacia de los estudios geológicos que se de­ben realizar en el proyecto de un túnel carretero; ya que son determinantes para la localización, diseño y construcción de la obra. ·

En primer lugar, se mencionan brevemente las etapas que debe de seguir un estudio geológico y los alcances de cada una. Se comentan los.métodos exploratorios comúnmente utilizados, y la forma en que debe pre­sentarse la información de los estudios para su análisis.

. -. . . Posteriormente, se analizan con 111ayor detalle las características geológicas de mayor importancia para la construcción y diseño de los túneles; como son la litología y estratigrafía, las discontinuidades, el estado de alteración, las condiciones hidrogeológicas, los fenómenos de geodinámica externa y los esfuerzos internos.

Las discontinuidades se tratan con más énfasis, por ser de suma importancia en la estabilidad y seguridad de la obra. Se analizan la estratificación, las fracturas y diaclasas; y ias fallas; asimismo se mencionan todas las características que deben desc;:ribirse de las discontinuidades y la importancia de cada una.

Por último, se mencionan los grados de confi.abilidad con la que pueden proyectarse los ragos geológicos su­perficiales a profundidad.

1. INTRODUCCION

Un e~tudio geológico, debe prestar una atención especial a todos los rasgos geológicos que puedan influir en la localiza­ción, diseño y construcción del itúnel. Estos aspectos serán tratados con detalle en el siguiente tema. ·

Por lo general, ljnestudio geológico previo a la construcción y diseño de un túnel se efectúa en tres etapas:

1a. Estudios preliminares

En esta etapa se realiza la recopilación y análisis de la infor­mación existente, y un reconocimiento preliminar del área de interés. En esta fase se pretende conocer el ambiente geológico-geotecnico general para planear y fundamentar las investigaciones subsecuentes.

2a. Estudios de detalle

La segunda etapa es la más completa, puesto que está enfo­cada a determinar la factibilidad de un trazo en particular. En fase se consideran las diversas alternativ.as del trazo del túnel, basándose en la comparación de las condiciones geo­lógicas y geotécnicas obtenidas con las exploracionés dentro de la ubicación general de la ruta.

__ Para desarrollar los estudios de esta etapa es necesario auxi" liarse de diversos métodos de exploración; los cuales se, muestran ·en el cuadro de la figura 1.

37

1

3a. Estudios especiales

Comprende investigaciones adicionales, especiales o más de­talladas, una vez que se ha elegido el trazo definitivó del túnel, cuyos datos habrán de ayudar al diseno final, a la estimación de costos del túnel y a la previsión de futuros problemas geo­lógicos.

Durante la construcción y operación'~del túnel se deben con­tinuar los estudios geológicos, con la finalidad de verificar los estudios anteriores, de preveer problemas futuros y de .auxiliar a un mejor diseño del revestimiento.

',··

La información obtenida por la exploración ge,ológica se pre­senta para su análisis en forma individual e integral, para lo cual deben elaborarse:

Mapa geotécnicos. Perfiles geotécnicos individuales.

Sondeo Socavón Pozo a cielo abierto Geofísico .

Perfiles geotécnicos integrados o Sección geotécnica.

Perfil de problemas geotécnicos específicos.

METOVO VE EXPLORACZON VETALLAVA

1 Fot·ointerpret_!

ción Geológica.

Levantamiento de

Campo

Piloto

-- 1

1 . Excavac1ones

Abierto

Z . '6' " -nve~.t.Lgac.~- n

1 METODOS,DIRECTOS

Perforaciones

1 de.t Subúle.lo -

1 METODOS INDIRECTOS

Métodos eofísicos

Eléctrico Sl.smico de

Refracción

Fig. 1 Diversos métodos de exploración.

-:l. CARACTERISTICAS CEOLOCICAS DE LA

LOCALIZACION, DISEf:IO Y CONSTRUCCION DEL TUNEL CARRETERO

En este capítulo se hará una descripción de los rasgos geoló­gicos más importantes para la localización, diseño y cons­trucción de un túnel carretero.

Se analizarán la litología y estratigrafía; las discontinuidades (estratificación, fracturas y fallas; así como la forma de describirlas); el estado de alteración de las rocas; los proble­mas relacionados con .el agua; la influencia de alteración de_ las rocas; los problemas relacionados con el agua; la influen­cia de los factores de geodinámica externa y de los esfuerzos internos.

2.1 litología y estratigrafía 0

Al hablar de la litología de una roca se hace referencia a su mineralogía, textura y su medio ambiente de depósito (fábri­ca), así como a algún nombre o término descriptivo de un sis­tema de clasificación reconocido, por ejemplo, cali;:a oolítica; pero este nombre y clasificación son únicamente gt>ológicos.

Los terminas litológicos son útiles en la geotecnia de túneles, ya que su empleo es una relación entre la textura, fábrica y anisotropia estructural de las rocas de un determinado ori­gen. Por ejemplo, una roca ígnea tiene una estructura densa con muy pequeñas diferencias en sus propiedades mecánicas (con sus excepciones); mientras que algunas rocas sedimenta­rias y metamórficas muestran una anisotropia considerable.

Otra ventaja del nombre geológico, es la asociación que puede hacerse entre ciertos tipos de roca y otras característi­cas "in situ" qrie pueden presentarse. Por ejemplo, la presen­cia de caliza o yeso inclina a buscar fenómenos de disolu­ción; el basalto indica la posible presencia de diaclasas.

Sin embargo, en ocasiones el nombre geológico es insuficien­te si no se complementa con otras características físicas co-

/ mo es una clasificación de tipo mecánico. .

La estratigrafía, por su parte, permite establecer una relación entre las distintas unidades litológicas o formaciones presen-

38

tes y así conocer el origen, es-pesor, distribución y posición cronológica en la secuencia de las diversas unidades.

E 1 conocimiento de la litología y estratigrafía es de suma im­portancia para saber, entre otras cosas, qu~ .tipos de rocas se encontrarán d-entro del túnel, qué problemas pueden causar durante la construcción ycon qué confiabilidad se pueden proyeCtar los datos de súperficie: · · . ·

2.2 Discontinuidades ..

El término discontinuidad se usa en Mecánica de Rocas, en . un sentido general, para designar cualquier interrupci9n física de la continuidad del macizo rocoso, e_ incluye todos los tipos de fracturas, planos de estratificación, fallas, planos de foliación y de esquistosidad, así com9 contactos litoló­gicos.

Son importantes ya queform~n los principales planos poten­ciaÍes de deslizamiento, tanto de bloques aisfados, como de

1 ' ' ' ' ' • • '. '- : '

macizos rocosos.

A continuación, se analizarán con detalle la estratificación, fracturas y fallas, por ser las de mayor importancia.

Fig. 2 Influencia de la estratificación en el revestimiento de un túnel (Krinine, 1957).

2.i1 EstratificaCión

la posición relativadel futuro tún~l eón respecto a lospla­nos de la estratificación, .principalmente en> terrenos seqi- · mentarios, es importante desde varios puntos de v'ista: · .

lapresión total sobre• el revestimiento de un túnel y la forma como se distribuye a IÓ largo de él, dependen en primer lu~ gar, de la estratificación de la roca. los cuadros de la figura 2 muestran la ·influencia de esta discontinuidad: · · ·

Existen dos posiciones extremas de la dirección de túneles en relación a la orientación de la estratifi~ación; y, entre ellas;·· hay numerosas posiciones intermedias.

1. ' Túneles en dire~ción: Su eje longitudinal coincide con la dirección de los estratos (Fig. 3a). lo cuál es aconsejable si

• la formación atravezada presenta buenas características.

2. 1 Túneles atravezando estratos: El túnel es llevado per­pendicular u oblicuo a la dirección de las capas (Fig. 3b), lo cual-origina el irse enton~rando varios tipos de rocas con diferentes propiedades e inclinaciones, esto puede ocasionar problemas de est~bilidad o permeabilidad.

la )nclinación.de Jos estratos con respecto al túnel es tam­bién de importancia, por lo siguiente:

Silos estratos son verticales, y se construye un túnel per­pendicular al rumbo, cada estrato puede actuar como una viga dando mayor estabilidad (Fig. 4a); con la des· ventaja de que puede filtrarse mucha agua de la superfi­cie o por su posición la efectividad de los explosivos es menor.

En el caso de que el tune! sea paralelo al rumbo de los estratos verticales (Fig. 4b), la masa de roca del túnel se

.. sostiene por lafric_ción. a lo largo. deJos .planos. En estos casos el límite superior de caídas de·roca,, de acuerdo

·· <::on'Ter:z:aghi (J940), nb se extiende una distancia mayor de 0.25 veces el ancho del túnel.

a)' t)) '· ~ >

·r,·

_.,<:J:/i~~~:,?~>-:.,· -77$_ ,: ·.·~·~-. ~;:·~· >0~<-.,~ c.o:-Vy . ..-. · :/.72_;! >'-f ~~é~~~~%~~;;,~~-~Y.Y;f.~~~ . ... ...... ... ____ ,/- ·--"·---···+·,~~,\~•:!>.·.-··' ~-;::.L.'·"~·. ·. y::x-;:;c-~::z;:J?:~.~~::¡:.;:·:;~~~~n~e'"..>:; -. ·

a b e Fig. 3 Posiciones extremas de la dirección del túnel eri rela­

ción a la orientación de la estratificación: a) Túnel paralelo ~1 rumbo de las cap~s. b) y e) Túneles per-pendiculares al rombo. · ·

'39

o)

b)

Fig. 4 Inclinación de los estratos con respecto al túnel: a) Túnel perpendicular al rumbo de capas verticales; b) Túnel paralelo al rumbo de capas verticales.

Sí la estratificación es inclinada pueden presentarse problemas de inestabilidad, más aún si se encuentran ro­cas alteradas, afalladas, fisuradas o intercalaciones de

,rocas. competentes e incomp~tentes con bajo ángulo de fricción (yesos, sal, lutitas carbonosas, etc.), o bien si existen esfuerzos verticales u horizontales naturales del macizo o por esfuerzos tectónicos (Tabla 1).

En este caso hay que seleccionar correctamente el senti­do de ataque del túnel para estabilizar lo mejor posible el frente (Fig. 5). En el caso de rocas horizontales la estabilidad del túnel es función del espesor de las capas, el fracturamiento y la resistencia a. la tracción de la roca y de su variación

·. co'n el contenido de agua; ya que una acumulación fuer· te de agua en el techo aumenta la carga.

favorable >

Túnel

desfovora!l:• < .

fig. 5 Túnel atravezandó capas inclinadas.

Tabla l. Influencia de la orientanon de la Pstratificación Pn la estabilidad de las obras subtPrránPas (C.~J. 1979) Caso N -~~~~~~~a~~--- CORTE _ DIAGRAMATICQ_ . . ___ .;_ ______ -f -- ·-~-- ------· -+----,...,:-:-:-:-~:-:---:-:-:-:----.-------.---,--......:....---------4

2

3

4

5

Paralelo al eje IQngitu· dinal de la obra y echada igual a ex.

PerpeMi· cular al eje de la obra y echado igual a 13

Formando un ángulo ~con el e1e de la obra. Echado vertical.

Paralelo al eje de la obra Estratifica· ción ondu· lada.

Perpendi· cular al eje de la Obra. Estratifica­ción ondu· lada.

l

~'~ ' ··... · .... , )'! .

y

l

_«._

~~ ,Y ·-..

y' 1 l

~=o Se tiene el caso de estratificación horizontal tratado en el inciso 2.4.21a

~=0 Igual a oc = o

f=O Igual a (3 = 90'

O-< ()( ( 20'. Las paredes late:ales se com· 2o•(O( ( 70, Los bloques caldos 1 portan como en el casoac =O . ya que de

1as paredes son más fre-

la roca falla a través de tos est~~tos y n.o cuentes debido a que los blo-a lo largo de-los planos de.debll~da~. 81 ques pueden deslizar a través

~ro~~~e ~ ~~t'::ti~~c:~n~':;m~r:~:~- d~ ros plan~s ~e estratifica-método recomendado en 2.4.2.1a. Por ctón. La SUJBCtón de los blo-

otra parte. si el techó se ~xcava hori- ~~~50 5~ue~~o: ~~~r~r~:~~e:es Y zontalmente. los estrafos mterceptan el ancla¡e ligero. Para un estado

·techo con. unilángulo pequeno y algunos de esfuerzos en que el es-b!oqu~s d1fiC. es de detecta~ .. quedan en fuerzo horizontal es pequeno

~~~~~:~t~.r~~~~~~~~ ~~n~~~~~t~~;~~e o no exist~. debido al esfuer-problema de estabilidad t t 1 d 1 , 1 zo de tens1ón en el techo: al

T . es ruc ura e ~ aumentar el ángulo a. la mes-

~~~d~~ ~~:~~=~u~:r~~s c~~~:a~en tabilidad se incrementa instalado en hileras longitudinales y no en bloques aislados.

70'<0C ( 90" La estabilidad depende en gran med1da del estado de esfuerzos existente Para un estado de es1uerza hor\zantal sea \gua\ o mavor a un ter-cio del vertical. el cnterio de d1seno y/o evaluación de la esratJilidad debe ser el del jnctso 2.4 1 1 re­lativo a exc-avaciones en roca mas1va Cabe hacer notar-. sin embargo. que puede ser necesano tam­bién su jetar con anclas bloques en forma de cuna

,que tienden a desprenderse de las paredes Para un estado de esfuerzos en el cual el esfuerzo hori­zontal es igual a cero menor que un tercio del ver­tical. existirá esfuerzo de tensión en la clave y en el piso. los bloques de la clave pueden caer y el caldo extenderse hacia arriba en la direcc1ón de la estratificación. En la práctica este caso es común cuando se construye el túnel paralelo a la ladera del canon de un río

o <..8<'20. El problema de las paredes laterales es similar al de O"< ex (20°. pero las con- 20&<8(70°EI soporte local del' 70"(/3 < 90"La arientac1ón (; = 90Q. aunque un tanto

-:o..lilciones del techo son diferentes ya que se r;reará la situaci(ln critica de bloques sueltos en los extremos de los estratos. Sin embargo la estabilidad general de la formación suprayacente no queda afecta­da. Es conveniente asegurar la estabili­dad por medio del anclaje sistemático del1eCI11> ya que es dit!cil detectar los bloques sueltos de los extremos de los estratos durante la excavación.

O(~ (io•. La condición ~e estabilidad es tan la-1 · vorable corilo cuando 13 = oo•

techo es menos importante a adversa a la eficiencia de la excavac1ón mediante medida que ,. crece sobre explosivos. es la ma~or estabilidad para atraversar 20" la resistencia al corte formaciones estratificadas de las paredes es menor que en rocas masi\'as.

20' < 1 < 70' Puede requerirse soporte liQero en el techo y paredes laterales. pero la es­tabilidad general de la obra no se afecta

70'( lf (90'Es la onentación más desfavorable con estra11f1cacion vertical

Cuando el eje longitudinal de la obra subterránea deba ser paralelo al rumbo de los estratos eQ una formación ondulada en la que exista anticlinal y sinclinal la obra deberá ubicarse en el anticlinal donde existirá mayor estabilidad En el sinclinal la obra quedaría expuesta a deslizamiento de bloques hacia el interior-y a inundaciones y filtraciones.

Cuando el e[e longitudinal es perpendicular al rumbo de tos estratos en una formación ondulada con anticlir.ales y sll\~1\nales las presiones probables y. por tanto. la tendencia al deslizamiento de bloques al interior de la excavación varia a lo largo del túnel Los tramos desfavorables son las entradas de los anticlinales y los favorables son las zonas centrales de los m1smos En los sinclinales laS condiciones son· a la inversa

La situación estructural de las capas es.significativa, ya que si se construye un túnel en un anticlinal existirá mayor estabili­dad, puesto que la presión vertical sobre el techo· es menor que en un sinclinal.

Además, si la formación rocosa es permeable, en los anticli­nales el agua escurrirá por los flancos, mientras que ~'n los sinclinales fluirá hacia el túnel (Fig. 6).

Sin embargo, es necesario tomar en cuenta, que en los an­ticlinales, los estratos superiores están más doblados y fisura­dos que los inferiores. por lo que es aconsejable tratar de si­tuar el túnel a un¡¡ profundidad tal que la fisuración no tenga consecuencias o bien en los flancos de la estructura (fig. 7).

Fig. 6 Diversas posiciones de un túnel con respecto a la entrada de agua a la excavación (Zaruba, 1976').

40

Fig. 7 Túneles situados en anticlinales y sinclil)ales (Kryni-ne, 1957).

En cuanto a la tendencia al deslizamiento de bloques al inte­rior de la excavación, los tramos desfavorables son las entra­das de los anticlinales y los favorables las zonas centrales de los mismos. En sinclinales las condiciones son a la inversa.

En los túneles cercanos a las laderas escarpadas una estratifi­cación desfavorable puede poner en peligro la estabilidad de un túnel entero (Fig. 8).

2.2.2 Fracturas o diaclasas

La presencia de fracturas ·o diaclasas, cualquiera que sea su origen y roca que afecte, puede causar serios problemas de estabilidad, ya que comúnmente se presentan asociadas en ·uno o varios sistemas con diversas direcciones e inclina­ciones. los cuales definen bloques inestables.

Un túnel donde el echado de las capas fracturadas sea de 30° o más, dará lugar a bloques inestables (Bell, 1980). Si las

Fig. 8 Túneles próximos a laderas escarpadas (Kiynine, 1957).

juntas buzan entre 45 y 90° y son paralelas al eje del túnel, se formarán bloques con tendencia a deslizar tanto en la clave como .en las paredes de la excavación (Fig. 9).

En el caso de rocas estratificadas horizontales, el fractura­miento es importante, ya que si el espesor de la capa es gran­de y tiene pocas fracturas el estrato actúa como viga propor­cionando estabilidad (Fig. 10) sin embargo, las rocas con estratos delgados y fracturas tienden a dejar una zona ines­table en el techo (Fig. 11), de aproximadamente 0.5 el ancho del túnel, (Bell, 1980).

2.2.3 Fallas

La presencia de fallas puede ocasionar múltiples problemas durante la construcción:

Las fallas deben detectarse perfectamente; conocer su posición respecto al túnel y dónde están los bloques desplazados para planear el sentido de ataque y la for­made estabilizar las paredes.

Es importante determinar si la falla es inactiva o activa, ya que si este es el caso, poco podrá hacerse para proteger la construcción; ya que el túnel estaría sometido, repen­tinamente, a fuertes esfuerzos cortantes, que inclusive podrían ocasionar corrimientos.

Si por necesidades de proyecto hay que atravezar una falla, es conveniente hacerlo, lo m[\s perpendicular que sea posible, para así acortar la zona de problemas. Si eSI

Fig. 9 Túnel en rocas. con fuerte inClinación de juntas. i) Junta entre 45 y 90° paralelas al eje del túnel, dejan bloques inestables A, 8 y E (Bell, 1980).

41

Um1te de sección transversal según •

proyecto (para pago) 1 "-'-..J..--

'

1

1 - 1 .~·-·-·-·-·-·_j

Fig~ 10 Las rocas estratificadas horizontales cuando son de espesor grande son estables (Bell, 1980).

necesario seguir el trazo del túnel paralelo. a la falla, también es recomendable que se aleje lo más posible de ellas.

Las fallas grandes están asociadas, por lo general, con fallas menores y con fracturas. La zona de dislocación puede ser de muchos metros. Los problemas tienden a incrementarse con el ancho de la zona de falla.

En ocasiones, las zonas de falla están formadas por ma­teriales alterados o faltos de cohesión con tendencia a fluir en el túnel y que puede confundirse con arena. Si. el relleno está formado por materiales expansivos, se pro­ducirán presiones sobre los revestimientos. También puede encontrarse milonita o algún material Impermea­ble que podría obstaculizar el paso del agua subterránea de uno ji otro lado de la falla, produciendo fuertes car­gas hidrostáticas sobre el túnel; o bien, puede suceder lo

. ·contrario, poniendo en contacto a rocas permeables que ocasionen fuertes entradas de agua al túnel.

~r· /,,.----,.........__·

~~=T, ,~·--L 1 '\ '-T--'--~ ...,--L...,Ji \

i 1

1 1 1 1

i 8 1

----11 L. Fig. 11 Las rocas con estratificación delgada y en postcton.

horizontal .o inclinada, que estén afectadas por frac-turas dan lugar a desprendimientos en el techo (Bell, 1980).

Tabla 11. Densidad de las discontinuidades (Aftes, 1978)

Clases Intervalos entre las Densidad de discon~inuidad discontinuidades

ID 1 > 200

ID 2 de 60 a 200

ID 3 de 20 a

ID 4 de 6 a

ID 5 < 6

2.2.4 Descripción de las características de las discontinuidades

Como se vió en los capítulos anteriores, las discontinuidades son de suma importancia para la estabilidad del túnel, por lo que se analizaron sus características y la forma de descri­birlas de una manera completa.

a) Densidad de las discontinuidades (ID)

Se refiere a la cantidad o frecuencia de discontinuidades que afectan al macizo rocoso. Para su medición se emplea como índice básico, el intervalo entre discontinuidades (ID) y se describen según los ragos de la Tabla 11.

b) Orientación e inclinación

La orientación del plano de una discontinuidad está dada por el vector de buzamiento (P) del plano y la inclinación por el ángulo (8), mostrados en la figura 12.

La forma de representación aconsejable para manejar un vo­lumen grande de datos, es por medio de estereograinas que permiten representar la posición y dirección preferencial de sistemas de discontinuidades, y mostrarlas en forma objetiva y estadística (Fig. 13).

e) Número de familias (N)

Los planos de estratificación de las rocas sedimentarias, y la esquistosidad y foliación de las rocas metamórficas, es co­mún que se formen en una familia de discontinuidades, ya sea paralelas o subparalelas. Las diaclasas, fracturas y fallas, muy a menudo también se organizan en.varias familias, cu­yos elementos son subparalelos; y ·tienen en común, además

Fig. 12

Nor!e(tt) Nono IN)

Dirección del vector Nap (con relación al norte (Aftes).

60

20

42

ery el macizo rocoso

·'Muy baja ....

cm

cm Baja

cm Media

cm Alta

cm Muy alta

/

al b)

a) Esfera que muestra la representación estereográfica de una fractura con rumbo NE 45° SW y echado 45° NW.

b) El hemisferio inferior, empleado comúnmente en geología estructural.

DD~Eilll~~~~-o-1 1-2 z-3 / 3·4 4-6 6-8 8-lo 10-11 11-12%

Fig. 13 Diagrama de frecuencia de las 311 diaclasas de los montes en Adirondak representadas en el hemisfe­rio inferior (C.F. E., 1979).

'Tabla U L Familias de discontinuidades (Aftes) ·.•

' ,. . Desc:rip<;ión

N . 1 Ninguna discontinuidad o algunas dis continuidades dispersas.

N. ,2. ,. a .. ; l)na fan-~ilia principal.

b Una familia principal y discontinuida des difundidas. '

. ' - . -N 3 a .. D<:>sJamil.ias ,p~incipales.

,,, ' ; ': :... ~~ ~ .· ~ ·, ' ...

b Dos familias. principales y discontinui dades difundidas.

.. .: ; ; :,:·:·· ''· :·.; . ; ' ' . . N. 4 a ... .· .. r~e.s (y más) fami.lias principales.

b Tres (y más) familias principales y discontinuidades difundidas.

N :5 \:: (" :· Varias~ discpntinuidades sin. jerárquiza-ción ni constancia. en la repartición,

de la direccióri, muchas otras características descritas más adelante.

Esta ,organización se observa directamente "in situ". y/o en · estereogratnas, y se describen·según la tabla IIL

d) Espaciamientos (S o R.Q.D.) ,

El ~spaciairiiento medio ed~ ;dl!itaHcia0qlii{existe e~ire las'

discontinuidades sucesiv.as de una misma familia, según la perpendicular al plano de esta familia.

En'efcaso de macizos estratificados, se;determiná; principal~ rhente, 'el espesor dé hts capai - ... . ' . .

Tabia IV; Clases de espaciamientos· ~. '-.t.

Clases ... O e s cr i p e i ó n

Espacia- <Slo'CEJ EspaCiamiento de Espesor de miento Es'pesor en cm. las discontinuida las capas.

des de una familia.

.S 1 E 1 200cm Discontinuidades Capas muy ,. muy espaciadas. gruesas ..

S 2 E 2 de 60 a . 'Discontinuidades Capas 200 cm. especiales. gruesas.

S 3 E 3 de 20 a Discontinuidades Capas ine-60 cm. mediamente di amente

especiales. gruesas.

S 4 E 4de 6 a Ois<!ontinuidades Capas del-20 cm.· reducidas. gadas.

S 5 E 5 de 6éms. Discontinuidades ·ca·pas muy reducidas. múy del-

gadas.

43

/

Tabla V. lndice de calidad de la roca (Aftes)

Descripción de la Clases R. Q. o . % fracturación

RQD 1 > 90 Densidad de frac-turación muy baja.

RQD 2 de 90 a 75 Densidad de frac-turación baja. )

RQD 3 de 75 a 50 Densidad de frac-turación mediana.

- '

RQD 4 de 50 a 25 Densidad de frac-turación alta.

RQD 5 < 25 Densidad de frac-turadón muy alta.

Las clases de espaciamientos se muestran en la tabla IV.

Otro parámetro de suma utilidad para medir lá frecuencia de , disCohtinúidades es ellndice de Calidad de la Roca (R.Q.D.), propuesto por D. Deere en 1963, el cual se basa en la recupe­ración tnodifieada de un testigo, con diámetro del orden de 50 mm. Sólo se toman en cuenta los t~ozos del testigo supe­riores a 10 cm, en estado sano y compacto, que sean corta­das por discontinuidades. La suma acumulada, expresada en porcentaje, sobre la longitud perforada, proporciona el 'índice de calidcid de la roca, el cual se relaciona con el espa­ciamiento y densidad de fracturamiento (Tabla V).

Existen nuevas técnicas para la medición del R.Q.D., a partir de datos de superficie, las cuales miden el número total de discontinuidades por metro cúbico o por metro Jineal. Sin embargo, estas mediciones deben ser corregidas para poder extrapolarlas al nivel del túnel, ya que la densidad de discon­tinuidades no es la misma en superficie que a profur¡didad.

e) Continuidad

Es importante investigar si las discontinuidades conservan o no su continuidag, tanto lateral como a profundidad. Una buena ayuda para comprender su comportamiento, es cono­cer el origen de las discontinuidades y el de .la roca misma.

f) Abertura

La distancia entre las caras de una discontinuidad juega un papel primordial en su comportamiento mecánico; afecta también la circulación del agu{l en el macizo, y, como conse­cuencia, las filtraciones de agua hacia la excavación.

g) Morfología

Es un elemento. importante en el comportamiento mecánico, en particular su resistencia al corte; describe la planaridad,

1 '''liS J l~ • .,1 •

l RUGOSAS

IMBRICADAS

EHJ E-=ffi ~

DESIMBRICADAG

~ ~:_j

) ''' [, 'J LA t.l ~.S {

11 S A S E§>?5

~

~

~

Fig. 14

, P 1 ill0SAS

ÍLISAS

1RI.'GüSAS

!:JEMPl.O

E'??Sd ~

~ª Discontinuidad ondulada lisa con relleno.

Morfología de las caras de las discontinuidades (Aftes).

las irregularidades y la rugosidad de la superficie de las caras (Fig. 14).

h) Relleno

El comportamiento de una discontinuidad sin relleno es muy distinto al de una con relleno; entonces es necesario precisar la naturaleza, el espesor, la alteración y la resistencia del ma­terial de relleno.

2.3 Estado de alteración

Las rocas al ser sometidas a la acción agresiva del ambiente, sufren modificaciones en su estructura y en su composición mineralógica.

intemperlzodo ~

1~ (

M B M A

A. Condiciones de alto presión

M.Condicianes de 11resoón media

B. Condiciones de boia.presiOÍ'I

Fig. 15 Extensión de la zona intemperizada (De Széchy, 1973, p. 59).

44

La alteración se relaciona con la resistencia.y deformabili­dad de la roca; ya quf¡! a mayor grado de alteración, menor resistencia y mayor deformabilidad del material.

La alterabilidad (capacidad de una roca para alterarse en el futuro) de una roca es consecuencia de la fisuración y la alte­rabilidad específica de sus minerales.

En el caso de túneles carreteros este parámetro es de suma importancia, ya que en algunas ocasiones, se tiende a cons­truir los túneles, a poca distancia de la pendiente de una la­dera con la finalidad de reducir su longitud, lo cual no es conveniente ya que es precisamente esta zona donde, común­mente, es mayor el grado de alteración del macizo. También las zonas de los portales de entrada o salida del túnel son zo­nas de mayor alteración (fig. 15).

Para describir el estado de alteración de lo~ macizos roco­sos se recomienda utilizar la clasificación mostrada en la Ta­bla VI.

2.4 Condiciones hidrogeológicas

La construcción de un túneLpuedevariar el régimen hidroló­gico de un lugar, es decir la posición del agua dentro de las rocas, su dirección, velocidad de movimiento y provocar vá-=­riaciones en el tiempo (Fig. 16).

Es lógico pensar que si el túnel esta excavado en rocas per­meables y se encuentra por debajo clel nivel freático;-la pre­sencia de agua dentro de él es muy probable. (Fig. 17); por lo

Tabla VI. Descripción del estado de alteración del macizo rocoso (Aftes).

Clase Descripción Terminología

A M 1 Ninguna seña visible de altera-· ción o indicios muy leves de alteración limitados a las su-perficies de las discontinuida-des principales. Sano

A M 2 Las superficies de las discon-tinuidades principales están Levemente alteradas pero la roca sólo lo alterado está levemente.

A M 3 La alteración se extiende a to- Medianamente da la masa rocosa, pero la ro- alterado ca no es friable.

A M 4 La alteración se extiende a to-da la masa rocosa y la roca es Muy altera-en gran parte friable. do

A M 5 La roca está totalmente descome puesta y es muy friable. Sin em- Completa-bargo la textura y la estructura mente de la roca están preservadas ¡ al_terado

;---·--·--·------ -·-·· ---··--:

.__ ______ ------- ------B

r·----·-···-----------, r---· -------------=---1

..----.---·~---- .

•• e

Fig. 16. Origen y distribución de conductas dP disolución er. calizas (Wahlstrom, 1973).

que es recomendable ubicar el túnel por encima del nivel hidrostático.

La cantidad de agua que contiene el macizo rocoso depende de sus propiedades de almacenamiento y son las que condi­cionan la cantidad de agua que p~de drenar al túnel. Para que una roca contenga agua debe presentar una permeabili­dad ya sea primaria o secundaria, esta última es mas común en los macizos rocosos, ya sea por fracturamiento o por fe­nónwnos de disolución (fig. 17). Las fallas, anticlinales, sincli­nales y otras estructuras geológicas pueden también acumu­lar el agua (Fig. 18).

En general, el caudal de agua que fluye en un túnel disminu- · ye a medida que se avanza en la construcción de éste. El fe­nómeno se debe al abatimiento gradual en el origen de la corriente y en la disminución del gradiente. También puede darse el caso de que con las operaciones constructivas se provoque un fracturamiento de la roca que ocasione un aumento dzl caudal de agua, o se corte una zona acuífera.

Es importante estimar correctamente el caudal de agua que entrará al túnel, así como la distribución de los flujos a lo lar­go de él y sus cambios con el tiempo, ya que estos influyen en el programa de construcción.. ··

El agua puede penetrar al túnel de modos diferentes: ya sea goteando por el techo, con intensidad variable; por las pare­des, en forma de gotas o corriente continua; bajo una fuerte presión puede irrumpir ery forma de chorro por cualquier punto de la periferia, debido a la presencia de alguna discon­tinuidad permeable.

En el caso de túneles carreteros ubicados en las laderas de montaña y que se construyan sobre roca fracturada o altera­da, es muy segura la presen~ia de agua durante la construc­ción, aunque no se encuentren necesariamente por debajo del nivel hidrostático. .

2:5 Geodinámica externa

Corresponde a la actividad de Íos agentes modificadores del medio natural que se desarrollan externamente a la corteza

45

·---------...

Estos parámetros adquieren una importancia muy especial en el caso de los túneles carreteros cercanos a laderas, ya que es en estas zonas donde los fenónemos de geodinámica externa adquieren mayor importancia (Fig. 18).

La acción erosiva del agua es de las más fuertes, producien­do entre otros problemas: alteración física y química de la roca; facilita el deslizamiento de los macizos rocosos al re­ducir el ángulo de fricción, etc.

La presencia del agua- superficial puede ocasionar infiltra­ciones al túnel, o bien si la fuerza de la corriente es grande, al paso del tiempo, podría llegar a entrar completamente a la excavación.

E 1 intemperismo actúa sobre las rocas bajando su resistencia mecánica; se produce una zona de descompresión que crea' nuevas fracturas, o bien agranda las ya existentes, o las relle-na con materiales perjudiciales. ·

Los cambios climáticos extremosos álteran fuertemente al­gunos tipos de roca (granito).

El água infiltrada en las fracturas o poros al ser sometida a congelamiento aumenta su volumen ocasionando agrieta­mientos en el macizo.

2.6 Esfuerzos internos

Las rocas, especialmente a profundidad, están afectadas por el peso de los materiales que le sobreyacen y por los esfuer­zos que éstas ocasionan. En algunas zonas, principalmente

· en áreas orogénicas, .el estado de esfuerzos esta también influenciada por factÓres tectónicos, los cuales se presentan en diversas direcciones.

Mientras las rocas c;ontlenen confinadas los esfuerzos se acumularán y pueden llegar a valores altos. Si se alter~ la condición confinante como en un túnel, los esfuerzos resi--

O· 50 ' 100rn·

Fig.18 Pérfil de un Talud Colapsado. 1. Esquisto cloritico. 2. Superficie.Original de Ta" lud. 3. Superficie del talud del deslizamiento. (Zaruba, 1976).

duales ·pueden. causar •desplazamientos. La. ca'ntidad ·de movimiento depende de la magnitud de los esfu~rzos residuales. Los esfuerzos se miden mediante pruebas de campo ..

Las excavaciones subterráneas destruyen el estado de equili­brio existente de los materiales alred~~or del túnel y se esta­blece un nuevo estado de esfuerzos.

Es muy importante detectar y cuantificar la magnitud de los esfuerzos para lograr realizar un diseño del revestimiento adecuado y prevenir problemas de inestabilidad.

3. GRADO DE CONFIABILIDAD EN LA PROYECCION ~ PROFUNDIDAD O LATERALMENTE DE LOS RASGOS GEOLOGICOS OBSERVADOS EN SUPERFICIE

Niveles de confiabilidad en la proyección a profundidad o la­teralmente de los rasgos geológicos observados en superfi­cie, según Wahlstrom (1971).

3.1 Proyección con la máxima confiabilidad (Fig. 19a)

a) Fallas aisladas y marcadas, zonas de falla o zonas dia­clasadas con fronteras planas y bien acusadas de rumbo

46

/Y echado conocidos por haberse medido en afloramie'n­tos o en barrenos.

b)· Estratos sedimentarios no plegados y no fallados de es­pesor constante cuyos detalles estratigráficos están dis­ponibles en los exámenes de superficie o bajo superficie.

e) Colad.as de lava o de materiales piroclásticos en las. que los espesores de las capas individuales no varían apre­ciablemente de un lugar a ,otro.

d) Grandes intrusiones ígneas monolíticas, particularmente grandes cuerpos de granito.

3.2 Proyecciones con apreciable confiabilidad (Fig. 19b)

a) Fallas maestras de tend(mcias conocidas en regiones de comph:ijidad geológica moderada.

b) .Sistemas de diaclasas a,sociados a fallas maestras.

e).

d)

Conjuntos de rocas sedimentarias falladas o plegadas pero con sef:tJencias claramente entendibles, rocas pi­roclásticas o coladas de lava, de espesor constante y cu­ya geometría de pleg-amientos y fallas es conocida.

Conjuntos de rocas metamórficas gruesos, no fallados o moderadament~ fatlados, de estructura regional cono­cida.

l1fi~:;¡;~j[~f[;f~~~o:;;-~~~~'il=-=.,¡ '' Nivel del

---------------, Túnel

Fig.19

3:3 P~oyeccioríes con cierta r~serva respecto a la precisión de la proyección (Fig. 19c)

a)

b)

e)

d)

Fállá. secundaria en áreas de áf~llamiento complejo. ' -

$istemas de diaclasas asociapos de fallas subsidiarias o· secundarias.

Rocas estratificadas plegadas o falladas en las que la geometría de fallas y fracturas es conocida sólo parcial­mente.

Conjuntos de rota estratificadas con discordanCias an~ gularés. · · ·

e) . Conjuntos de rocas _estratifi-cadas altamente lenticu-lares. ·

f) ! _Intrusiones ígn~as transversales como diques y "stocks".

g)' lntemperización localizadU.Io largo de la zona de frac-'turamiento. · · ·

hí Alteración destructiva a profundidéJ,d .por soluciones templadas a calientesde una diversidad de orígenes. ·

i) Sistemas o familias de diadasas aparentemente no rela­cionados a fallas maestras o ·a fallas secundarias.

j) Intrusiones ígneas lenticulares en r?cas metamórficas.

47

k)

/)

3.4

a)

b)

e)

d)

3.5

a)

b)

Nivel del Túnel

Inclusiones lenticulares de rocas metamórficas en cuer­pos ígneos.

Intrusiones ígneas concordantes como los sills.

Proyecciones dudosas (Fig. 19d)

Fallas o ·sistemas de diaclasas o subsidiarias, que no aflo­ran en superficie ni se encuentran en los barreno_s y que se supone están presentes por los resultados de prospec­ciones geofísicas de superficie o .del análisis de la cu­bierta de roca y de los rasgos topográficos.

Zonas alteradas de formas irregulares y de controles estructurales desconocidos.

Rocas estratificadas con estratigrafía y tendencias poco o mal conocidas.

Rasgos de superficie identificados sólo por mapeo de muestras lavadas o de residuos de roca y suelo.

Proyeccion~s muy dudosas

ProyecCiones ·basadas en hipótesis derivadas del co~oci­miento de la historia geológica del área.

Proyecciones basadas en la teorización e imaginación del geólogo sin una adecuada investigación en el terreno.

ESTUDIOS PREVIOS

C. F. Salinas F.

1. CRITERIOS DE lOCALIZACION

En. la planeación y proyecto d~ carreteras debe considerarse seriamente la 'necesidad de prever parámetros que permitan proporcionar a los usuarios el más alto nivel de servicio dentro del marco de posibilidades económicas con que cuenta el país.

Es por eso -que al contemplar el crecimiento de la demanda de mejores y más eficientes sistemas de comunicación terrestre, la preocupación por abatir los costos de operación y mejorar la calidad del medio ambiente, conducen a pensar cada vez más en opciones más audaces, como viaductos, Y túneles, formando parte inherente de las soluciones a los problemas carreteros.

la importancia y complejidad de los problemas de circula­ción se ponén de manifiesto en la atención constante con que se examinan las redes de carreteras, y es por medio de amplios estudios que se trata de alcanzar una solución, a los problemas del transporte, evaluada en términos de mejora­miento de los flujos de circulación, de economías en distan­cias y tiempos y del abatimiento del costo total de estos pro­yectos.

Por otra parte, la urgente demanda de servicios. y la ·limita­ción de recursos económicos ha justificado la realización de análisis cuidadosos para' tratar de que las inversiones que se apliquen en la construcción de carreteras beneficie al ma­yor número de personas o a la mayor área del territorio na-cional. /

Para jerarquizar en lo posible los recursos disponibles de acuer­do a la magnitud de las necesidades, los proyectos de carre­teras se han clasificado en seis tipos, que van d,esde el "Espe­cial" para soportar eficientemente un tránsito de más de 15 000 vehículos de tránsito promedio diario anual (T.P.D.A.) hasta el conocido como tipo "E" para menos de 50 vehículos d.e T.P.D.A ..

En cada uno de estos tipos varían las características geo­métricas a que debe sujet~rse el diseño. Correspondiendo al primer caso la corona más amplia y los alineamientos verti­cal y horizontal más suaves para permitir mayores capacida­des; disminuyendo la dimensión de la corona y tornándose más fuerte los alineamientos, conforme disminuyen los volú­menes de tránsito de proyecto.

48

Con esta clasificación los localizadores y proyectistas se enfrentan a las primeras limitaciones. En las siguientes eta­pas tendrán que aplicar su mejor técnica para sortear los problemas topográficos, geológicos, geotécnicos, hidrológi­cos y de uso de suelos.

El prob.lema topográfico es sin lugar a dudas el más significa­tivo en nuestro país, ya que ~1 70% del territorio nacional es montañoso, lo que ha obligado hasta ahora a localizar los ca­minos con fuertes desarrollos con ascensos y descensos muy importantes.

Tomando en cuenta esta configuración topográfica del país, algunos de los est~dios de modernización de carreteras concluyen hacia la necesidad de realizar acortamientos im­portantes a las distancias por recorrer; correspondiendo a la alternativa de túnel ser una opción importante á estudiar.

Paralelamente a la modernización de carreteras, en donde la tendencia en la construcción es hacia mayores seccion~s transversales con pendientes longitudinales y curvaturas suaves que provocan cortes y terraplenes considerables, se ha ~enido observando un conflicto de mala apariencia y fal­ta de integración al paisaje ya que a su paso se provoca en múltiples ocasiones un .aspecto artificioso o de destrucción y que además afecta el eql!ilibrio natural de la zona al produ­cirse erosiones, interrupciones de cuencas y diversas conse­cuencias de tipo biológico. la solución de paso subterráneo en ocasiones resulta una alternativa viable ya que reduce en forma notable la magnitud de los desarrollos por superficie y permite minimizar las perturbaciones provocadas.

Se nos presenta entonces la necesidad de abocamos al estu­dio de rutas que en forma de análisis alternativo contemple todas las posibilidades económicamente lógicas para alojar el camino en cuestión sean opciones totalmente superfi­ciales o con tramos subterráneos.

El estudio de rutas es un proceso que involucra varias activi­dades, que van desde la recopilación de información Y ~náli­sis de la misma, hasta los levantamientos terrestres Y aereos que sean necesarios para plantear a este nivel la locali~ación de acuerdo a las especificaciones de proyecto, optimizando características y ventajas. de cada alternativa.

la geología y la geotecnia tienen un factor determinante en la localización de la obra y de hecho constituyen la informa­ción básica para el desarrollo del proyecto.

Las limitaciones que estos elementos impongan normarán en gran m~dida las necesidades que principalmente en el túnel deban ser cubiertas, especialmente por lo que respecta a las opciones que se pueden presentar en la solución de la sec­ción transversal.

Con estos elementos podremos dimensionar preliminarmente la geometría de las alternativas, definir sus componentes y esti­mar sus principales costos. En el caso de túnel es particular­mente importante la definición de las necesidades de equipa­miento que pueJJan requerirse para cubrir eficientemente al servicio demandado.

La selección de la alternativa más conveniente deberá ser el resultado del análisis comparativo tanto técnico como eco­nómico de las diversas soluciones planteadas.

2. CRITERIOS DE FACTIBILIDAD ECONOMICA

Considerando al número de vehículos que transitan por una ~carretera en un período dado de tiempo, como elemento func

damental eh la determinación de las características de la vía y en consecuencia de la inversión, es pertinente mencionar, en apoyo a los conceptos económicos, algunos aspectos rela­'tivos a la capacidad de carreteras.

La determinación de la capacidad de diseño de una carretera plantea un balance entre el volumen de tránsito aceptable en la vía y la inversión. La capacidad seleccionadá evidente­mente aceptará volúmenes de tránsito superior en un cierto número de horas al año; ya que el construir una carr.etera con capacidad para cubrir la hora de máxima demanda al año; significaría un dispendio de recursos. La búsqueda de este balance conduce a la aplicación de criterios económicos pa­ra la toma de la mejor decisión posible.

Surge aquí la necesidad de considerar otro enfoque de la ca­pacidad. Se define, para el propósito de esta exposición, a la capacidad económica como el.valor ,del volumen de tránsito en un período dado de tiempo que jú'stifica una inversión pa­ra incrementar la capacidad real del camino. Es obvio que existirán diferentes umbrales de tránsito e'n este sentido, de­pendiendo de la capacidad que se pretenda alcanzar en la si­guiente etapa. Sin embargo, la selección previa qel siguiente nivel de operación del camino fijará, también con anticipa­ción, el volumen de tránsito que justificará la inversión.

La justificación a las inversiones antes citadas, se busca a tra­vés de dos factores de la operación de la carretera, que aun­que dependientes uno del otro, aportan diferentes elementos al análisis económico; estos son: velocidad de operación y tiempo de recorrido: El primero como determinante sobre el costo de oJ:1eración de los vehículos y el segundo incidiendo sobre el costo de horas/hombre para la economía.

Es pues claro, que el análisis económico de alternativas para un carretera deberá evaluar los factores antes dichos; esto sin embargo, presenta ciertos problemas. Cuantificar el valor de las horas/hombre perdidas es muy difícfl; el valor del tiem­po de una persona varía en una amplia gama, en función de la actividad de cada una de ellas y del motivo del viaje. Aspi­rar a valuar el tiempo de los viajeros, siquiera a ci.erto de-

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talle, es utópico. Ante ello, se plantea, como una estimación gruesa y puesta hacia el límite inferior, el aplicar el salario mínimo de la región o el promedio nacional, dependi~n!o de si la carretera es local o troncal, al número promtdio de ocu­pantes por vehículo en circulación.

' Menos compleja es, por otra parte, la valuación de los costos de operación de los vehículos como función de la velocidad. Existen estudios y experimentos sobre la variación del consu­mo de combustible y desgaste general del vehículo a diver­sas velocidades de operación e, inclusive, a consecuencia de. las pendientes. La agregación de estos costos,_para cada al­ternativa, permite cuantificar los costos de operación del ca­mino.

La comparación económica de diversas alternativas contempla la valuación de la inversión, los costos de mantenimiento y, como beneficios o ahorros que justificarán la inversión, la dife­rencia de los costos de operación entre las alternativas. La solu­ción de túnel para un tramo carretero seguramente permitirá un acortamiento en la distancia, una mayor capacidad y en consecuencia, una mayor velocidad de operación, al evitar, muy probablemente, pendientes y curvas; esto significa meno-

'res costos de operación. Por otra parte, la inversión requerida para una alternativa con túnef será, en los más de Jos casos, mayor a la alternativa sin túnel; esto puede no ser cierto sólo si el acortamiento es muy significativo, en cuyo caso ningún análisis· económico es necesario. Los costos de mantenímien­to tomarán en cuenta el consecuente del túnel que, en mu­chos casos, requerirá labores periódicas particulares, impli­cando además ventilación e iluminación.

De este modo es posible calcular la rentabilidad de la inver­sión marginal o adicional de una alternativa con túnel que deberá ser compensada con el ahorro neto en los costos de operación. La aplicación del método beneficio-costo o de la tasa interna de retorno al flujo de la diferencia de costos de operación (como ahorros o beneficios), deducidos ya los cos­tos de mantenimiento, aceptará o rechazará la inversión.

3. CRITERIOS DE INGENIERIA DE TRANSITO

La Ingeniería de Tránsito es la herramienta con que se cuenta hoy en día para proyectar adecuadamente las características geométricas de una carretera que se tenga en estudio, a tra­vés de análisis sobre el volumen y composición del. tránsito esperado, así como de los niveles de servicio que se conside­ren adecuados Pélra que opere en forma satisfactoria durante su vida útil. ·

Mediante el es.tudio del comportamiento de los tres elementos del tráfico: el usuario, el vehículo y el camino, la Ingeniería de Tránsito aporta datos que auxilian también a la definición de algunas de las características de las estructuras que se en­cuentran sobre el camino como es en este caso un túnel.

'

De acuerdo con lo anterior, en los siguientes péÚrafos se mencionarán algunos de los conceptos fundamentales de .los elementos de la Ingeniería d~ Tránsito que se tomarían en cuenta en el proyecto de un túnel, considerando la necesi~ dad de mantener en éste, cuando menos condiciones de ope­ración similares a las que se tengan en otros tramos del camino.'

3.1 El estudio. de la composición del tránsito actual y la rea­lización de una estimación futura de ella,' considerando el volumen de tránsito que generará la obra al implementarse, permitirá determinar el vehículo de proyecto a utilizar, para ·definir algunas de las características geométricas de la obra, ·como son el ancho de los carriles y el espacio libr~ vertical. ·

3.2 Mediante un estudio de capacidad y niveles de servicio .será posible definir la sección transversal adecuada que per­mita lograr una operación aceptable del volumen de tránsito futuro.

la capacidad de un camino es el número máximo de vehícu­los que pueden circular por é.l durante un período de tiempo determinado y bajo condiciones prevalecientes del camino y la operación del tránsito. Por lo tanto estará en Junción, prin­cipalmente, de la composición del tránsito, de los alinea­mientos horizontal y vertical del camino y del número y ancho de los carriles.

El término nivel de servicio nos señalará las condiciones de operac)ón que un conductor experimentará durante su viaje por la carretera, cuando los volúmenes de demanda estén por abajo de la capacidad y estar~ en función, básicamente, del volumen y composición del tráfico y de las velocidades que puedan alcanzarse en ese camino.

De acuerdo con lo anterior, este estudio llevará como objeti­vo fundamental, el suministrar un nivel de servicio acep­table; proporcionando una capacidad del camino que sea mayor que el volumen de demanda e;perado.

3.3 Mediante la estimación del volumen de tránsito espera­do, su composición vehicular y su variación estacional y a lo largo del día, se podrá contar con bases sólidas para obtener

- los tipos y volúmenes de contaminación que se pueden pre­sentar durante la vida útil del proyecto.

Se podrán plantear alternativas de ventilación, que depen­diendo de la magnitud de la obra, juegan un papel muy im­portante en la definición de las características geométricas principalmente en lo que refiere a la sección transversal, por la necesidad que se puede presentar para el acomodo de ducterías de aire o instalaciones auxiliares.

3.4 Otro de los aspectos en los que la Ingeniería de Tránsito juega un papel importante es en el conocimiento de las. características del conductor, en lo que se refiere a sus reac­cio·nes y sus limitaciones ante la. existencia de circunstancias especiales encontradas a lo largo del camino. En el caso par­ticular de la existencia de un túnel, el conductor puede quedar ciego momentáneamente para los objetos insuficien­temente iluminados a la entrada (de día) o la salida (de noche). Debido a ello, es importante que los elementos de iluminación de .los túneles estén estudiados teniendo muy presente no sólo la necesidad de que no se produzcan des­lumbramientos, sino también la conveniencia de que los cambios de iluminación de los objetos que caen dentro del campo visual sean graduales, de acuerdo con las posibilida­des del ojo humano.

3.5 Relacionado con lo anterior, resulta conveniente disponer de dispositivos para el control del tránsito, tales como señala-

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miento preventivo y restrictivo o semáforos, que advierten al conductor sobre la existencia pró~ima del túnel, con objeto de que regule la velocidad del vehículo a una magnitud acorde con las condiciones esperadas y esté en posibilidad de detenerse o de reducir su velocidad en una forma segura, cuando exis­tan circunstancias especiales dentro del túnel tales como un vehículo estacionado por descompostura, carencia o insufi­ciencia de iluminación, inundación por deficiencia en el dre­naje,etc.

4. CRITERIOS DE PROYECTO GEOMETRICO

En primera instancia, el problema básico en los túneles es po­der determinar en qué medida las características geométri­cas recomendadas para las carreteras por superficie deben adoptarse o reducirse para su dimensionamiento, sin que es­to tenga efectos desfavorables con respecto a la fluidez de la circulación y a su seguridad.

Dado que el túnel generalmente no es una obra· aislada sino que forma parte integrante de una carretera, los principios básicos que deben regir su geometría pueden resumirse en lo siguiente:

La capacidad del túnel debe compararse aceptablemen­te con la de la carretera al aire libre.

Las limitaciones máximas de anchos de carril y pendien­te deben ser congruentes entre ambos tramos.

Por lo que indiscutiblemente la geometría del túnel será fun­ción directa de las características del tráfico que circular á y del nivel de servicio que se pretende ofrecer: Sin ·embargo existen otras limitantes' ajenas al tráfico que en determinado momento pudieran obligar el dimensionamiento, tales como las características estructurales de la masa rocosa por atra­vesar o espacios requeridos para alojar duetos de ventila­ción.

Sin embargo trataremos de señalar aquí solamente las limita­ciones de cada elemento que constituye la geometría del 'tú­nel, en relación al tránsito.

4.1 Sección transversal

Ancho de carril. Este ancho dentro del túnel deberá co· mo mínimo ser del mismo ancho que en la carretera al aire libre, pero no menor de 3.50 m para carretera tipo "Especial" y 3.25 m para los otros tipos de carretera.

Número de carriles. No se deberá reducir en el túnel el número de carriles con que cuenta la carretera al aire

·libre.

Espacio libre vertical. Deberá quedar un espacio libre de cuando menos 50 cm sobre la altura de los vehículos que normalmente puedan transitar, con relación al techo del túnel, alumbrado, plafón o señal que se instale.

Banquetas. Se define como banqueta la zona limitada por la orilla del pavimento y la pared. Su finalidad. es múltiple, como: permitir el paso al personal de manteni­miento, la salida de los pasajeros _que viajan en vehícu­.los accidentados, protecciÓn de los dispositivos de equipo suspendido en la pared (alumbrado, séñalamien-

-. to, teléfonos, extingu'idC:Íre~. etc.). Este ancho varía co­mo mínimo entre 1.00 m y 0.60 m.

B.ombeo transversal. Con opjeto. de facilitar el ~scurri­mientodel agua de filtración ó de iimpie~a ~obre la su­perficie del pavimento, se proporcionará. un bombeo

. Úansversaf hacia las banqueté;lS . con una pe.ndiente mínima del2%. · · · ·-

. 4.2 Alin.~~~iento ho~izontal localización.. Para evitar deslumbramientos indesea­bles, en la localización deberá cuidarse no ubicarcel tú" nel de tal manera-que la entrada o salida estén dirigidas· en determinado momento y estación determinada hacia el sol a poca altura s.obre e,l horizonte ..

Trazo general. De ser posible, el túnel deberá ubicarse totalmente en' tangente horizontal, para evitar sobre­anchos provocados por la ampliación de las curvas .. _.-.

Curvatura. 'Siempre que ~~a posiblé, se ·observarán cuando menos _las mismas normas que· en la carretera a Cielo abierto para la velocidad de proyecto, principal­m_e':lte en foque se refiere a grados máximos y aJas dis-tancias de visibilidad de parada. ·

Intersecciones. los entronq~es deberán.estar situad6s lo más lejos posible de la entrada y salida del túnel, para evitar entrecruzamientos peligrosos.

4.3 Alineamiento, vertical

· localización. De·ser posible el·túnef se locaJizará en una cresta del alirieamiehtovertical de la carretera, pa­ra propiciar el e,!icurrimiento del agua por gravedad ha­cia los portales; tanto en la etapa de construcción como enlaóperaC:ión.''' '• , .. ''·'· , ...

~emli~nt~ longitudinal. El valor máximo.debe ser con-. gruénte con el que permita mantener en el túnell_a c~pa­

c:idaq y _el nivel. de servicie;> de !a carretera a cielo abiel;­to. la pendiente mínima será del 0.5% para garantizar el escurrimiento longitudinal del agua. En el caso de. tú­neles que. requieren ventilación artificial no debe reba­sarse el 4% para evitar incrementos importantes en la producción de contaminantes de los vehículos usuarios.

Curvas verticales. Deberán tener una longitud de cur­va apropiada a la velocidad de proyecto y a la distancia de visibilidad de parada.

5. CRITERIOS DE VENTilACION

Como ventilación de un túnel carretero debemos entender aquí la serie de medidas que se deben tomar para garantizar que los contaminantes que se vierten en la atmósfera del túnel sean di­luidos hast,;i un nivel tolerable por el cuerpo humano, de acuer­do a los tiempos de exposición a que estén sujetos los usuarios.

BásiCamente existen dos formas de ventilación, la natural y la forzada o artificial. la primera se provoca en función exclusi­vamente del efecto de los vientos dominantes en la zona y de la diferencia de altura y temperatura entre los portales del tú­nel, formándose una corriente longitudinal de aire en el interior motivada por diferencia de presiones que varía en intensidad a lo lar.go del tiempo y no puede ser controlada. En condiciones favorables puede esperarse una velocidad del aire entre 2 y

/

5' fn/s. la segunda forma puede diferenciarse en tres sistemas: longitudinal, semitransversal y transversal.

En el sistema longitudinal el aire es movido á lo largo del tú­nel, el aire fresco penetra ·por un portal y sale el contamina­do 'por el otro. En el interior se· colocan ventiladores o ·acéle: rádores que hacen circular la corriente de aire en forma controlada. Su campo de aplicación quedájimitado por el valor máximo que puede :~kanzar la velocidad del aire dentro del túnel, considerándose que ésta no debe exceder el valor de .10 m/s por razones de comodidad y seguridad. El ni­vel de contaminación crece de un valor mínimo en la ent.rada hasta un valor. máximo a la salida.

.En el sistema semitransversal el aire fresco es movido a lo largo del túnel, el aire contaminado es recogido y expulsado por un dueto con rejillas que se-colocan a lo largo de la obra. los ven­tiladores pueden instalarse en el exterior. la velocidad longitu~ di,nal del aire en el.interior del túnel se reduce notable11;1ente al propiciarse la expulsión hacia ambos extremos. Puede adoptar~ se la misma velocidad: límite de 10 mis en el aire, lográndose entonc~s aumentar la longitud del túnel prácticamente al doble que en el sistema longitudinal. Se obtiene mayor control del nivel de contaminación especificado.

En el sistema transversal.el aireJrescoes introducido al· túnel por medio de duetos con rejillas .separadas periódicamente. El -aire contaminado es recogido.y expulsado por otros due­tos semejantes. que mueven.elaire en sentido-opuesto. los ventiladores pueden instalarse en .el exterior de la obra y re­quieren urÍ equipo,para la inyección y otro para la extrac­ción. la velocidad longitudinal-del aire se reduce al mínimo, presentándose en cambio un movimiento transversal entre una rejilla del dueto de inyección y la correspondiente del dueto de extracción. El control del nivel de. contaminación especificado .e.s máximo.

En el mismo orden en que se han descrito brevemente los sis~ temas de ventilación, várían sus costos de con·strucción y mantenimiento; así como la longitud de túnel recomendable para el uso de cada uno.

la ventilación natural es la más economica pero en general sólo aplicable a túneles unidireccionales con bajos volúme­nes de tránsito o bidireccionales cortos, siempre y cuando las quacterísticas metereológicas particulares sean favorables.

la ventilación longitudinal ha tenido un importante de­sarrollo en los últimos años, debido a su simplicidad y a su bajo costo de inver~ión inicial; además de ser el sistema que con mayor facilidad puede reforzar la ventilación en obras ya existeAtes. los túneles unidireccionales constituyen el más importante campo de aplicación, en donde aprovecha además el efecto de pistón producido por los vehículos que viajan en la misma dirección. los túneles bidireccionales casi siempre requieren de una ventilación reversible, debido~ al sentido alterno del tráfico; por Jo que este sistema sólo es aplicable para aquell~s casos en que ef sentido' del tráfico se diferencia claramente a lo largo del día. · ·

la ventilación transversal es definitivamente la de más alto costo inicial 'y de operación, sólo justificable para obras de

gran longitud y COl"\ un tráfico muy importante, sea unidirec­cional o bidireccional.

La ventilación semitransversal corresponde a la solución in­termedia entre la longitudinal y la transversal, y puede apli­carse tanto para túneles unidireccionales como bidirecciona­les, siendo el concepto limitante la velocidad del aire dentro de la obra.

6. CRITERIOS DE SEGURIDAD . ·~

Las condiciones de circulación dentro de un túnel carretero presentan una serie de aspectos diferentes con relación a la circulación en la carretera al aire libre, unos son desfavo­rables y otros en cambio favorecen esta circulación.

Las condiciones desfavorables por lo que se refiere a seguri­dad y comodidad del usuario pueden ser: menor iluminación, mayor opacidad, más ruido, sensación de estrechez, etc. Sin embargo los aspectos favorables son más significativos, tales como: estar más atento al penetrar al túnel, tener menores distrac;ciones por el medio ambiente, la velocidad permitida está más controlada, no existen cruces ni desviaciones y en general no se permite el paso a peatones y ciclistas.

Sin embargo, la presencia de un accidente dentro de un túnel reviste mayores consecuencias que en la carretera que pue­den provocar reacciones en cadena difíciles de prever y con­trolar. Por lo que es indispensable que en todo proyecto se contemplen las medidas de seguridad adecuadas, de acuer­do a la magnitud de cada obra én particular y sobre todo del volumen y tipo del tránsito esperado.

Estas normas de seguridad están estrechamente ligadas a las diversas actividades del proyecto y deben contemplarse des­de su origen, principalmente en lo que respecta a la Ingenie­ría de Tránsito, al proyecto geométrico, a la iluminación y a la ventilación.

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La Ingeniería de Tránsito debe reglamentar la circulación v~hicular tanto en los accesos como en el interior.

El proyecto geométrico debe prever las facilidades para rea­lizar eficientemente las labores de limpieza de piso y pare­des del túnel, mantenimiento del equipo de iluminación y ventilación sin entorpécer la operación de la obra. f n casos particulares de gran longitud, deben establecerse zonas para refugio temporal de vehículos accidentados, y cuando ade­más sean túneles unidireccionales separados, deben preverse galerías transversales de liga o intercomunicación entre am­bos duetos a 'cé'tia 300 a 400 m para que en caso de incendio los vehículos puedan escapar por el otro túnel. En caso de tú­neles bidireccionales, éstas ligas pueden sustituirse con zo­nas ensanchadas para permitir la vuelta.

Los proyectos de iluminación y ventilación deberán prever características en los materiales que garanticen resistencia mecánica de acuerdo al trabajo intenso a que va ha estar so­metido el equipo, resistencia a la corrosión, al viento, al agua, etc. Además la distribución de circuitos se planteará de tal forma que una falla local no anule todo el sistema y en casos particulares de una obra muy larga, es conveniente que los diversos circuitos propuestos se conecten de ser po­sible a diferentes fuentes de abastecimiento de ene·rgía.

Además en ocasiones, debe complementarse con aparatos de control de la atmósfera, tales como analizadores de óxido de carbón y aparatos de control de opacidad, etc.

La clara concepción d'e todos estos elementos que inciden en la operación segura de una obra de este tipo nos permitirá rea­lizar un análisis lo suficientemente aproximado, que propor­cionará los elementos de juicio sólidamente evaluados pára la toma de decisión sobre la alternativa de solución más con­veniente.

EXPLORACION Y MUESTREO PARA DEFINIR PARAMETROS DE DISE~O DE UN TUNEL CARRETERO

G. Botas Espinosa

1. INTRODUCCION

Los túneles carreteros normalmente se planean desde un punto de vista de ruta y ésta fija ef trazo y dirección correspondiente. Se hace por tanto indispensable en este caso, -estudiar un solo túnel o a lo más dos alternativas de _túneles; a menos que: la carretera vaya_por un túnel muy largo que permita estudiar va­rias alternativas desde el punto de vista geológico y geotécni­co; en cuyo caso, con estos estudios iniciaremos la planeación del trazo o ruta definitiva {véase figura 1).

La definición del trazo en el anteproyecto de un camino está supeditada en gran parte a la topografía.

2. ESTUDIOS PREVIOS

Dentro de los estudios previos, ocupa un lugar predominante la Geofísica, cuyos datos nos darán idea de la compacidad y localización de las formaciones rocósas o depósitos de sueh Esta investigación previa permitirá planear mejor la investi­gación mediante sondeos y obtención de muestras tanto alteradas como inalteradas, inclus_ive en túneles de gran longitud, permitirá definir su elevación en base a los d~pósi­tos más competentes encontrados en el sitio (véase figura 2).

Los métodos geofísicos más comúnmente utilizados son el método geosísmico por refracción o por reflexión y el méto­do geoeléctrico que en la actuaiidad se tienen mejor calibra­dos para determinar competencia de las rocas.

El método geoléctrico más usado en depósitos de suelo, tam­bién es.tá calibrado pa~a detectar características de compaci­dad. Una vez obtenido un perfil geofísico del trazo o alterna­tivas de trazo se procederá a la investigación mediante muestreos de rocas o suelos. En el caso de rocas nos interesa su fracturamiento, alteración química o física, estudiar en forma exhaustiva las zonas de fallas geológicas que cruce el túnel, las juntas o contactos entre formaciones, ya que todos estos elementos tendrán una influencia primordial en el dise­no del procedimiento de construcción.

En general deberemos hacer una combinación de los estu­dios de estas discordancias geológicas en estrecha unión con estudios del agua subtérránea, tales como permeabilidad y piezometría; inclusive, el problema del agua aunado al de juntas o fallas puede dar lugar a la realización de pruebas mediante pozos de bombeo para obtener la permeabilidad·

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de formaciones rocosas en su conjunto. En la figura 3 se muestra el perfil de t.,m piezómetro y en la tabla 1 se da una idea de los valores de la perme,abilidad medidos en depósitos de s'uelo. ·

3. MUESTREO DE MATERIALES Y PRUEBAS FISICAS

E 1 muestreo integral será el que nos proporcione información ·sobre fallas, juntas o grietas y especialmente sobre el mate­rial con el cual están rellenas. Este tipo de muestreo consiste en hacer un agujero de 2.5 cm de diámetro en el material que se desea muestrear, se introduce una varilla de acero en este orificio rellenándola con lechada de cemento; una vez fra­guada, se hace una perforación con barril hueco qe mayor diámetro (mínimo NX) obteniéndose una muestra, en cuyo in­terior se encuentra la varilla que sirve de "ancla" a los deJ>Ó7 sitos sueltos én juntas o grietas. Este tipo de muestreo se pre­senta esquemáticamente en las figuras 4 y 5.

Una vez iniciada la excavación del túnel podremos sacar muestras inalteradas .de sus paredes y del frente de excava­ción para probarlas en el laboratorio (ver Fig. 7); además, podremos hacer pruebas in situ para determinar sobre todo módulos de rigidez y de elasticidad (véase Fig. 6).

La prueba más comúnmente usada para esto es la prueba de placa determinando módulos de elasticidad estáticos con ctdos dP carga y des<'arga para (•liminar t>ft>dm <k istí•r'i•sts. · Un segundo método es la determinación insitu del módulo

Tabla 1 .. Permeabilidad de macizos rocosos

Menos de 1 X 1D-7 Muy baja, equivalente a la de la ar­cilla.

1 x 10-5 a 1 X 10-7 Baja, equivalente a la de los limos_

1 x 10·4 a 1 X 10·5 Media, equivalente a la de arena muy fina.

1 x 10-2 a 1 x 10·4 Alta, equivalente a la de la ¡uena.

Más de 1 X 1Q-2 Muy alta, equivalente a la de la grava y la arena limpias. ·

de rigidez dinámico, midiendo una velocidad de onda trans­versal mediante geófonos especiales por medio del método geosísmico utilizando un martillo o una carga con dinamita en muy pequena cantidad.

El peso volumétrico natural y el peso volumétrico en estado seco son determinados en el laboratorio mediante pruebas estándar. Asimismo, las pruebas triaxiales efectuadas en muestras de suelo y de roca, nos servirán para determinar va­lores de e y ~-

Los parámetros del suelo más comunes que intervienen en las fórmulas de diseno son:

'Y

0

E

uR

e 51

52

Pi

¡J.

=

=

peso volumétrico natural

ángulo de fricción interna

módulo de elasticidad de roca o suelo

resistencia a la compresión simple en rocas

cohesión determinada en prueba triaxial

velocidad de transmisión de onda longitudinal

velocidad de transmisión de onda transversal o cortante.

presión hidróstatica o piezométrica al nivel del túnel.

relación de Poissón de los depósitos de suelo o formaciones rocosas.

4. EJEMPLO DE DISEf'IO, TRAMO 1Q-11 DEL EMISOR CENTRAL

Como un ejemplo de diseno me referiré al tramo de túnel entre lumbreras 1Q-11 del Emisor Central, el cual forma parte del Sistema de Drenaje Profundo, en donde hubo necesidad de excavar materiales expansivos.

Durante el muestreo de roca se obtuvieron especímenes compactos de una riolita alterada color rosa grisáceo apa­rentemente competente. Por esta razón se decidió excavar el túnel con explosivos en sección de herradura de 8 m de altu­ra y 8 m de gálibo horizontal. Se excavó el túnel sin mayores problemas mediante una plantilla de barrenación estándar y a sección completa; se encontraron pocas aportaciones de agua a lo largo del túnel. En algunas zonas se empezaron a observar bufamientos del piso teniendo que alinear la vía con una frecuencia mayor de lo normal. El problema se fue agudizando sobre todo en algunas zonas, preocupándonos por el agrietamiento que presentaba el concreto lanzado uti­lizado como ademe.

Se tomaron muestras de roca para su ensaye en el laborato­rio, las cuales se probaron a la compresión simple dando por resultado resistencias superiores a los 100 kg/cm2; sin embar­go, al cabo de algún tiempo las piedras y especímenes al mantenerse saturadas, perdían totalmente su consistencia llegando a desintegrarse completamente; convirtiéndose en arena suelta.

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Esta alteración tan grande se iniciaba en un lapso del orden de 5 días como máximo.

Se analizaron en este caso los componentes de la riolita, obte­niéndose que los feldespatos se convertían en arcilla blanca tipo montmorillonita, lo que provocaba expansión por satura­ción y agrietamiento inmediato de la roca.

En el túnel, se colocaron marcos después del concreto lanzado y rastras en el piso, se aisló en lo posible a la roca del contacto con el agua mediante canalizaciones y drenes impermeables; sin embargo, la propia humedad del túnel provocaba la ex­pansión de la arcilla.

Se trataron de labrar especímenes mediante muestreador con broca de carburo de tugsteno (ver figura 7). Se midió la presión de expansión de la roca en un consolidómetro, las presiones obtenidas resultaron muy heterogéneas en cuanto a magnitud, encontrándose especímenes con prácticamente cero expansividad y especímenes con una presión de 1 kg/cm2

Las observaciones en el túnel coincidieron con estos resulta­dos encontrando muy diversos grados de expansión, desde zonas sin alteración de roca hasta zonas con marcos muy de­formados (veánse figuras 8 y 9).

En las zonas de mayor alteración de la roca el muestreo se hi­zo prácticamente imposible pues no fue posible obtener pe­dazos de roca o piedras en las cuales se pudiera labrar nin­gún especimen, ya que al tratar de hacerlo estos pedazos se deshacían.

Las únicas pruebas in situ que lograron llevarse a cabo fueron mediciones de la velocidad de transmisión de ondas transversales, obteniendo de este modo los valores del mó­dulo de elasticidad y mediciones del N.A.F. que en este caso se encontró a 90 m arriba de la clave del túnel.

Otro parámetro que se determinó en el laboratorio, fue el pe­so volumétrico natural que resultó de 1.7 ton/m3 en los especímenes de roca n_1ás compactos.

Para valuar la carga de roca o peso de la zona relajada de es­fuerzos en la clave se utilizó la teoría de Protodyakonov. El factor F que inte.rviene en la fórmula, se obtuvo igual a 3, cu­ya clasificación según la tabla publicada en el libro "The Art of Tunneling" de K. Szechy (véase Tabla 11), corresponde a pi­zarras y esquistos o mármol denso. El resto de los parámetros se midieron tal como se ha mencionado; el nivel de agua freá­tica medida por piezómetros, se consideró actuando en for­ma totalmente recuperada una vez que el túnel se revistió y quedó lo más impermeable posible.

Además de las cargas normales de diseno, en este tramo, se dió como especificación una carga de 20 ton/m2 provocada por la expansividad de la roca (10 ton/m2 por un factor de seguridad de 2) actuando en la zona más desfavorable del tú­nel y con una longitud tal que provocara los mayores mo­mentos y fuerzas cortantes al revestimiento. Esta especifica­ción tan rígida se bajó después, disminuyendo un poco el factor de seguridad (de 2 se bajó a 1.5) para la carga adi-

' cional de roca provocada por la expansión. de la arcilla que contenía.

Hasta la fecha, se tienen reportes de un buen comportamien- · to del revestimiento definitivo en este tramo.

Tabla 11. Peso volumétrico, resistencia a la compresión v factor de resistencii;!para distintas categorías de ro­cas (K. Szechy)

·Peso Resistencia Factor Grado de volumétrico a la comp. de

Categoría resistencia Naturaleza del suelo o roca kg/m 3 cont. kg/cmJ resistencia

Muy alta Cuarcita densa, basalto y rocas 2800 sanas de muy alta resistencia. 3000 2 000 20

11 Muy alta Granito, rocas ígneas, calizas y 2600 algunas areniscas de éilta resistencia. 2 700 1 500 15

111 Alta Granitos y rocas ígneas, areniscas resistentes y calizas, conglomera- 2 500 dos bien cementados. 2600 1 000 10

lila Alta Calisas, granito poco alterado, · areniscas sanas, mármol y piritas 2 500 800 8

IV Moderadamente Areniscas competentes 2400 6()0 6 fuerte

IV a Moderadamente Areniscas· estratificadas .2 300 500 5 fuerte

V Media lutitas, areniscas y caliza de baja resistencia, conglomeradas 2400 mal cementadas. 2800 400 4

Va Media Pizarras y esquistas. Mármol 2 400 denso. 2600 300 3

VI Moderadamente Pizarras sueltas y calizas muy suelto suaves, yeso, terrenos de deshielo,

mármol, areniscas en bloques, . 2 200 200 gravas y boleos cementados. 2 600 150 2

V la Moderadamente Terrenos con gravas, pizarras en suelto bloques y fisurados, gravas y 2 200

boleos compactos, arcillas duras. 2400 1.5

VIl Suelto Arcillas densas, suelos arcillosos, arenas y gravas éon poca cementa- 2000 ción. 2 200 1.0

VIl a Suelto Gravas, loes, depósitos de arena 1 800 suelta 2000 0.8

VIII Sueltos. Sueltos con vegetación, arenas 1 600 sueltas húmedas, húmos. 1 800 0.6

IX Suelos AJenas limpias, gravas finas, 1 400 granulares rellenos superficiales. 1600 0.5·

X Suelos Suelos limosos, loes modificadas y 1 plásticos suelos en condiciones saturadas. 0.3

55

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... 1 1 ....

Fig. 1 levantamiento geológico

56

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PROFUNDIDAD "d •

A LA ROCA

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SdAL DEL INSTAN TE DE

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LA EXPLOS ION

lNSTRUMENTACION SISMICA (POR REFRACCION)

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ALAMBRE DE . TIRO INICIAL

ONDAS REFRACTADAS .

SISMOGRAMA .

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' '( 1\.

' ONDAS

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2 ll 4

5 8

1

SISMDGRAFO

SUELO O SOBRECARGA CON VELOCIMD V 1

CON VELOCIDAD· Va

TRAZOS DE LAS ONDAS CAPTADAS POR LOS GlroFONOS

LINEAS DE TIEMPO 1/100 aeg. "ENTRE SI"

GRAFICA TIEMPO- DISTANCIA

~ 20 DISTANCIA AL CAMBIO DE VELOCIDAD

18

12

§ ¡:

8 VI -VI X

PROFUNDIDAD • d •• :A LA ROCA • 2 va+ VI

4

2 ll 4 5 8 7 DISTANCIA ENTRE GEOFONOS

DISTANCIA A LA CARGA. EXPLOSIVA m )

Fig. 2 Localización de distintas formaciones de suelos o rocas por el método geosísmico

57

N-82.0

~ N-92.0

~. N-97.0

~ N-105.0

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N-115.0

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F 1 L TRO DE MATERIAL GRANULADO

Fig. 3 Piezómetro

58

RELLENO DE LECHADA DE CEMENTO

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Fig. 4 Sondeo integral. Prime.ra y segunda etapa ·

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Fig. 5 Tercera etapa del sondeo integral

59

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4 8 16 32 64 LIBRAS POR PULGADA CUADRADl ( 103)

RESISTENCIA A LA COMPRESION SIMPLE C7a ( UL T)

Fig. 6 Clasificación de las rocas inalteradas según U. Deere y otros.

60

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Cabeza

lil':ót:;;t-- Válvula de paso

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Tuba uterlor

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l~ l¡

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Canast-Illa

Fig. 7 Muestreador con broca de carburo dé tugsteno

detaúe de colocaciÓn de concreto lanzado

1° y 2° .. etapa

~ig. 8 Deformaciones presentadas en marcos tipo herradura

deformaci6n de Id· columna del marco apoyo de la tornapunta.

Fig. 9 Colocación. del concreto lanzado y deformación del marco. en el apoyo de la tornapunta,

61

EXCAVACION Y ADEMES

E.J. Flores Sánchez

1. INTRODUCCION

Conocido el proyecto, definido el trazo del túnel y depen­diendo de su función; carretero, para conducción de aguas, metro, etc., se efectuarán los estudios geológicos como pri­mera etapa; elegido el trazo más conveniente, se localizan claramente los portales de entrada y salida del túnel, así co­mo de las lumbreras necesarias para bajar el equipo que se re­quiera y efectuar el proceso de manteo de los materiales.

Toda esta documentación deberá ser estudiada y analizada, perfectamente; tanto la geomorfología superficial que nos da en algunos casos índices de posibles problemas durante el proceso de excavación; como la fiseografía y la geología que nos darán una visión más amplia sobre los procedimientos generales que pueden ser empleados en la excavación del túnel.

Con mayor detalle se deberá contar con la información obte­nida en los estudios previos de mecánica de suelos si es que el túnel cruza por depósitos de suelos o bien los estudios y espesores de mecánica de rocas si el túnel atraviesa por for­maciones rocosas. De cualquier forma se deberá contar con

·un perfil de suelos detallado a lo largo del eje del túnel que contenga información sobre la estratigrafía, resistencia y ti­po de material en por Jo menos dos diámetros arriba de la clave y un diámetro por debajo del túnel.

2. PROCEDIMIENTO DE EXCAVACION

Para poder elegir un procedimiento para la excavación de lumbreras y túneles, es 'necesario estudiar la selección del equipo, de acuerdo a la magnitud de la obra y a las condi-. ciones del terreno, para que de acuerdo a ello se defina el proyecto de construcción más adecuado que sea consistente con la cantidad de obra por realizar, así como con el tiempo fijado en el programa, garantizando en todo lo posible la ter­minación de la obra en el tiempo previsto.

Dado lo heterogéneo del material por encontrar que puede ser desde roca sólida hasta suelos limosos, arcillosos o arena suelta, obligarán a que las características de las operaciones durante el proceso de tuneleo varíe.

2.1 Ademado

Efectuada la excavación y retirada la rezaga, se efectúa el ademado del frente mediante la colocación de marcos metá-

62

licos y retaque de madera o bien empleando el concreto lan­zado. La finalidad del ademe "temporal~' es garantizar la es­tabilidad del túnel desde el momento de la excavación hasta el colado del revestimiento definitivo, si este es necesario.

Este último paso "ademado'' completa el ciclo de avance entre barrenación, voladura, rezaga y ademe.

Los ademes se pueden dividir en dos grupos:

a) "Primarios o Provisionales", son aquellos cuya función principal es mantener la estabilidad de la excavac1on du­rante la construcción.

b) "Secundarios o Definitivos" son con los cuales se da un acabado o una protección final a la excavación.

Si en un medio rocoso se excava una obra subterránea, como puede ser un túnel, este hecho provoca un cierto estado de esfuerzos distinto al que inicialmente tenía, por lo tanto, es necesario efectuar estudios para calcular los nuevos esfuer­zos inducidos, los cuales estarán en función del procedimien­to de excavación de las diferentes etapas de construcción y, principalmente del tipo de terreno.

Es importante hacer mención cómo la construcción de un tú­nel no sólo cambia las condiciones de esfuerzo sino también en algunos casos las condiciones de la roca misma ocasiona­das por las explosiones que comúnmente fracturan y redu­cen la resistencia de la roca alterada del túnel, es decir, que si queremos lograr un equilibrio es necesario diseñar un siste­ma de soporte en el que se consideren como factores impor­tantes el tiempo, el procedimiento de excavación, la forma de colocación del ademe, así como sus características de de­formación.

Los ademes son elemeotos que forfl1an el sistema de soporte que reacciona confra la roca que lo rodea, produciendo una presión interior que los estabiliza. En términos generales, se puede decir que, dependiendo de las características de la ro­ca y del túnel a excavar se puede decidir si el ademe es a ba­se de marcos metálicos o una combinación con concreto lan­zado; aunque en túneles de gran sección transversal se puede utilizar ademe de madera, es recomendable utilizar marcos. metálicos, debido a su facilidad en su colocación. Es conveniente que los marcos metálicos a emplear sean versá­tiles en su colocación y en su empleo, esto es con la finalidad de poder usarlos en cualquier tipo de procedimiento cons­tructivo.

Al colocar el marco es necesario acunarlo con madera, con objeto de lograr que las cargas de la roca se transmitan como concentraciones en la estructura de soporte, conocidas estas cargas es posible hacer el análisis del marco por cualquiera de los procedimientos de resistencia de materiales mediante el uso de las teorías de elasticidad y plasticid"ad.

3. PRINCIPALES TIPOS DE ADEME

3.1 los principales tipos de ademe primarios o provisiona­les qu~ se emplean son:

a) Marcos metálicos y retaque de madera. b) Concreto lanzado.

e) Marcos metálicos y concreto lanzado.

d) Caso especial con anclas.

calidad por las dificultades en su control de calidad y por el aumento del rebote, el cual depende en gran medida de la habilidad del lanzador, de la cantidad de agua, ya que se de­pende como se ha comentado, de personal especializado, lo cual no ocurre en el caso de los ademes metálicos.

Ademe de marcos metálicos y concreto lanzado. Este tipo de aderries .se usa normalmente cuando no existen problemas de aportaciones de agua importantes o simplem'ente no existe. el terreno pudiera ser arenoso pero compacto, el cual al in­temperisarse se vuelve deleznable al perder humedad, lo que provoca desconchamientos en el terreno; el uso del concreto lanzado en espesores de no más de 10 cm soluciona este problema. Otro uso que tiene es el de funcionar como bóve­da, transmitiendo los empujes del terreno a los marcos metá­licos (ver Fig. 2).

Ademe de concreto lanzado. Este se usa principalmente cuando los terrenos son bastante cementados con problemas· de intemperismo, pero que son prácticamente autoportantes, por lo que los espesores de concreto lanzado son del orden de 10 a 15 cm de espesor, solucionando eficientemente éste el uso como ademe temporal, por lo tanto elimina el uso del

los . marcos· metálicos y el retaque de madera. Se emplea principalmente en las excavaciones en que no existe problema en el terreno y la separación de ellos o cuando se usa concreto lanzado, normalmente se define en el proyecto; sin embargo la decisión final para el l,lSO de. los mismos se define en el campo, . ya que las condiciones de la roca como del agua son muy va~ riables, es por eso que la presencia o no del agua define el uso de los marcos metálicos o del concreto lanzado (ver. Fig. 1).

' ~deme metálico.

Ademe de concreto lanzado. Se usa principalmente para proteger el terreno del intemperismo dependiendo mucho su

MARCO H-6"

TORNAPUNTA H- 6 "

3.2 Anclas

las anclas se emplean casi exclusivamente en las excava­ciones en donde existan rocas relativamente sanas; para su

11 1 1

lo

fl 11 1 1 1 1

1 1 1 1

1 1 1 1

1

1 1 1

1 DETALLE "A"

Fig. 1 Deformaciones presentadas en marcos tipo herradura.

63

detalle de • -1

co1ocacton de concreto lanzado

etapa

H-6"

deformación de la columna del marco en el apoyo de la tornapunta.

tornapunta H6"

Fig. 2 Colocación del concreto lanzado y deformación del marco en el apoyo de la tornapunta

64

cálculo se determinan los mecanismos de falla de la roca y se calcula el número y la capacidad de las anclas para evi-tarlo. · ·

El principio general del anclaje de las ro.cas es hacer que és­tas formen parte de la estructura del soporte, es decir, que se autosoporte a excepción de cuando las anclas soportan frag­mentos sueltos de roca.

Para que las anclas funcionen se deberán colocar inmediata­mente después de efectuada la excavación.

Existen diferentes tipos de anclas que son:.

a) Anclas con dispositivo de anclaje. en un extremo y en el otro un dispositivo rígido que permite mantener una ten­sión suficiente, produciendo un esfuerzo de compresión en la roca a base de placa o tuerca. ·

b) Anclas que se encuentran alojadas en barrenos previos cementados e inyectados, cuyo anclaje depende de la re­sistencia que se genera entre las paredes del barreno, el mortero y el ancla.

las anclas son usadas generalmente en las patas de los mar­cos metálicos para darle mayor capacidad, evitando con ello el pateo del marco causado por el efecto del empuje lateral del terreno.

Otro empleo que tienen es en el concreto lanzado como anclas del mismo, proporcionan un anclaje del concreto lan­zado al terreno, y mejorando las condiciones mecánicas del terreno.

El uso de anclas generalmente se restringe debido principal­mente a los cambios tan importantes que sufre el terreno o la roca y que obligan a cambios en los sistemas de anclaje en la se­paración y orientación de las anclas, todo lo cual repercute en los costos.

Por otro lado, es conveniente efectuar pruebas de la capaci­dad de cada una de ellas, por lo que se requiere un control estricto de las capacidades de carga del terreno o de la roca en cuestión.

4. PROCEDIMIENTO DE EXCAVACION EMPLEADO EN El TRAMO DE LUMBRERA 10 A LUMBRERA 11 DEL EMISOR CENTRAL

Un ejemplo de lo anteriormente descrito fueron los proble­mas que se presentaron durante el proceso de excavación del tramo l-10 a l-11 E.C., en donde debido a las características del terreno y a la presencia del agua, se tuvo que recurrir al empleo de diferentes procedimientos para poder efectuar la excavación.

4.1 Primer procedimiento

Debido a las características del terreno que era roca de tipo Riolítica y a la presencia relativa del agua, se adoptó como procedimiento para la excavación, la de ¡¡tacar totalmente el

65

frente empleando explosivOs y como ademe se empleó concreto lanzado de un espesor de ::¡:: 10 cm. En este ademe se presentaron agrietamientos y en algunos casos desconcha­mientas, principalmente en la zona de clave y laterales y en mayor grado el deterioro de la vía del túnel, ya que había que estarse alineando y nivelando continuamente debido al proceso expansivo·de la roca.

la roca al ser expansiva, requirió la necesidad de colar una plantilla de concreto que serviría inicialmente como aisla­miento entre el agua y la roca.

Posteriormente esta plantilla sirvió como base para armar con limpieza la cubeta o apoyar correctamente la cimbra.

Conforme se fue avanzando se fueron detectando deforma­ciones en piso y laterales de la excavación, provocadas por el empuje del terreno debido al intemperismo de la roca. Para esto fue necesario colocar tornapuntas en el piso de la exca­vación abajo de la línea."B~'. para evitar el cierre de los mar­cos, los cuales fueron insuficientes para detener el proceso ·· expansivo de la roca.

4.2 Segundo procedimiento

Para estabilizar los empujes se requirió del uso del ademe metálico, mediante el uso de marcos de 11-8" y retaque de madera y sobre este sistema de ademe se lanzó concreto; sin embargo, se siguieron presentando agrietamientos y des­conchamientos en l¡¡s zonas comprendidas entr.e los marcos metálicos. ·

Este ademe a base de concreto lanzado tenía como finalidad · · principal la de evitar el flujo del agua y por consiguiente, el intemperismo de la roca al no permitir la degradación de la roca como ya se mencionó y .transformarla en arena.

4.3 Solución final

Debido a que el ademe a base de concreto lanzado no tenía la capacidad estructural para absorber los empujes del terre­no, lo cual era evidente al presentarse agrietamientos y des­conchamientos del concreto lanzado, la solución final con­sistió en darle la forma de bóveda cóncava hacia el interior del túnel, de tal manera que funcionara exclusivamente bajo esfuerzos de compresión y cortante, transmitiendo las cargas a los marcos, los cuales sí tenían capacidad a la flexión.

El efecto del agua sobre la roca había obligado a revestir los drenes laterales que servían para canalizar el agua y al colar una plantilla ésta, serviría como diafragma horizontal para meJorar .la capacidad de los marcos baJO el empuJe lateral (coceo); asimismo, evitaba que el agua estuviera todo el tiempo en contacto con la roca, minimizando el intemperis­mo de la misma para impedir el efecto de bufamiento de la plantilla de la excavación y por consiguiente, d~ la plantilla de concreto, adicionalmente fue necesario colocar torna­puntas en fo~ma de arco (cóncavas) que mejoraría notable­mente el trabajo estructural, tanto de las tornapuntas como de las patas de los marcos metálicos. ·

AlGUNOS ASPECTOS SOBRE lA FACTIBILIDAD, DISEI'íO Y CONSTRUCCION DE UN TUNEl CARRETERO EN El

ESTADO DE CHIAPAS, REPUBLICA MEXICANA

M. Pérez Conzález A. Bello Maldonado C. Salinas Falejo

RESUMEN La Orografía de México es, salvo algunas regiones bien definidas, de tipo montanoso. Esto ayuda a que sea postergada para muchas regiones el satisfactor comunicación terrestre.

Los trazos carreteros que salvan grandes prominencias, contemplan una solución casi generalizada a base de largos de­sarrollos por superficie y por otra parte son muy escasos los ejemplos de túneles carreteros.

Es indudable que la solución a base de túneles presenta dificultades que le son inherentes desde el punto de vista técnico y abarcan diversos campos como son el geológico, de mecánica de rocas, de ventilación, de iluminación, de equipo y pro­cesos constructivos, etc. Si a lo anterior sumamos la necesidad de cumplir restricciones económicas, se comprenderá el marco general que ha impedido un mayor uso de la solución tunelera.

En este trabajo se presentan las condiciones bajo las cuales en el caso específico de un camino de acceso a la planta Hidroeléctrica de Chicoasén, en el Estado de Chiapas, México, se prefirió la solución túnel, lo que permitió reducir la lon­gitud total de 40 km considerados inicialmente, a 25 km.. Este acortamiento traducido a ahorro en los costos de transporte de materiales, permitirá algo más que la amortización de la inversión realizada en el camino.

En el túnel en cuestión, de 0.9 km de largo, las dificultades topográficas no permitieron la exploración exhaustiva de la masa' caliza por cruzar. El diseno anticipaba la presencia de zonas calizas masivamente intemperizadas, zonas de contac­to con lutitas y carsticidades; así, en el proyecto se especificó un ademe definitivo a base de concreto lanzado. En la cons­trucción los problemas apuntados fueron mínimos y fue suficiente un ademe permamente mediante barras de anclaje.

En cuanto a ventilación (el túnel contempla circulación en ambos sentidos, con un alto porcentaje de vehículos movidos por diesel), el diseno no proveyó la instalación de sistemas especiales pues se creaba una ventilación natural adecuada, a la vista de las diferencias de temperatura y presión en los portales. Esta hipótesis ha sido comprobada en la operación del túnel.

las experiencias obtenidas de este caso y otros, permiten concluir:

1. El estado de avance actual de diversas técnicas aplicadas incluida la Ingeniería Económica, debe permitir el con­templar la alternativa a base de túnel, tan digna de ser estudiada como otras soluciones tradicionalmente aceptadas.

2. Es obvio que el diseno, el equipo y el proceso constructivo de un túnel deben estar regidos por el tipo de material por excavar, así como por el tamano intrínseco de la obra. las labores de proyecto, construcción, instrumentación y su­pervisión deben guardar entre sí una relación tal que permita la correcta, oportuna y económica toma de decisiones en cualquier fase del trabajo.

DESCRIPCION DEL TU N El DE LA CARRETERA SAN FERNANDO-CHICOASEN

l. PROYECTO Y CONSTRUCCION DE CARRETERAS

1. INTRODUCCJON

66

El camino San Fernando-Chicoasén, se construyó con el fin de dar acceso al sitio donde se ubicará la cortina del proyec- · to hidroeléctrico Chicoasén en el Estado de Chiapas, México, que construye la Comisión Federal de Electricidad.

Esta vía servirá básicamente para el transporte del material arcilloso que, con volumen de 1 345 000 m3, formará parte de la cortina; igualmente por dicho camino se hará llegar

. personal, otros materiales, maquinaria de construcción y el equipo hidroeléctrico.

las diversas alternativas de ruta planteadas consideraron siempre el transporte de la arcilla y, en su caso, la utilización de brechas existentes hasta puntos cercanos al sitio. Dichas alternativas hacían optar entre vías por superficie con de­sarrollo de 40 km o una que midiendo 25 km, requería cruzar en túnel un macizo montanoso.

la determinación de los elementos geométricos, operativos y de costo de construcción que, de acuerdo a estudios prelimi­nares, caracterizaron a lás alternativas propuestas, permitió un análisis comparativo que finalmente favoreció a la ruta que además de ser totalmente nueva, incluía un túnel con longitud de 894.35 m.

En la Tabla 1 se muestran las prin~ipales características de las dos rutas alternas que fueron comparadas en última instan­cia; ambas son presentadas en la Fig. 1.

En caso de haberse eliminado a priori la alternativa en túnel, se habrían erogado algunos millones de pesos de más y la co­modidad y tiempo de recorrido habrían resultado desfavo­rables a los usuarios.

2. DISEfi;IO DEL TUNEL

En su diseno se atendió a los aspectos de estabilidad, proce­so de construcción, ventilación en su fase operativa, ilumina­ción y drenaje. Adicionalmente se formularon especifica­ciones de calidad de materiales, de su control y·tolerancias geométricas y un programa de instrumentación durante la excavación.

Tabla l. Comparación de rutas

A Csometría Alternativas . Con túnel 1 Superficie

1. longitud total 40.2 Km 25.4 Km 1 2. Ancho de corona 11.0m 11.0 m 3. Ancho de carpeta 8.0m 8.0m .. 4. Grado de curvatura máximo 42° 30° 5. Suma de deflexiones 7 734° 4028° 6. Pendiente máxima 10.0% 8.0%

. ......,;...,

B. Operación

1. Velocidad máxima de proyecto 70 km/h 75 km/h

2. Velocidad de proyecto promedio 45 km/h 55 km/h

3. Tiempo de recorrido 54 min 28min

··~

c. Costos

1. ¡;>e construcción, incluyendo afectaciones 36.7 millones 48.6 millones

2. Acarreo de arcilla 117.9 millones 77.0 millones 3. Suma de construcción y

acarreo i 154.6 millones 125.6 millones

67

SlMBOLOS CAMINO PAVIMENTADO----====!

CAMINO TERRACERIA--­

CAMINO EN PROV. ALTERN. CON T\JNEI=- -··-··-·-l.. CAMINO EN PROV. ALTERN. SIN TIINEL- -··--··-11 BANCO DE ARCILLA----­

BANCO tE GRAVA----­

TUNEL EN PROYECTO-----

Fig. 1 localización de las dos alternativas para el proyecto de la carretera Sn. Fernando Chicoasén

los párrafos siguientes refieren a grandes rasgos, los linea­mientos que se siguieron en los tres primeros aspectos.

2.1 Estabilidad

2.1.1 Geología general de la zona

la fisiografía montañosa muy escarpada de la región, se ori­ginó a causa de plegamientos de la corteza terrestre que dieron lugar a la formación de sinclinales y anticlinales cu­yos ejes tienen una dirección noroeste-sureste; además se ha establecido la existencia de importantes fallas geológicas, sensiblemente paralelas a los ejes de los sinclinales; una de estas fallas dió origen a la Canada Muniz donde, en su para­mento noreste, se localizará el túnel en estudio. la fisiogra­fía general acusa, de manera muy importante, los rasgos del canón formado por el Río Grijalva que cruza la Canada Mu­ñiz al sureste del sitio donde se ubicará el túnel (como se muestra en la Fig. 2).

las rocas que se encuentran superficialmente, se clasifican como calizas nacaradas y margas de la formación Angostu­ra, lutitas areniscas y conglomerados estratificados con ca­pas de caliza.

la zona donde se excavaría el túnel, de acuerdo con los as­pectos geológicos observables, es el remanente de un anticli-

68

nal, que con una falla longitudinal-por su cresta, dió origen a la Canada Muniz, de manera que el túnel atravesaría una porción de un anticlinal formado en calizas y margas estrati­ficadas que siguen la configuración de la prominencia escar­·pada del lado noreste de la Cañada Muniz y en ésta, quedan expuestas en una altura libre de 500 m con sus planos de estratificación sensiblemente horizontales. En la figura 3 se muestra esquemáticamente la formación geológica a lo lar­go del eje del túnel.

2.1.2 localización preliminar de los portales de entrada y salida

El paramento expuesto en la falla de la Canada Muniz, que es casi vertical, permitió observar la existencia de rocas cali­zas estratificadas, que en este cantil aparecen con sus estra­tos en posición prácticamente horizontal. encontrándose sin embargo algunas fallas y deformaciones locales, y casi en ge­neral, depósitos al pie del cantil como vestigios de fallas ocurridas en el paramento formado por la falla. Sobre esta. parte se buscó la ubicación del túnel en una zona con esca­sos depósitos al pie del cantil y ausencia de fuertes deforma­ciones en la estratificación visible de la masa rocosa, ya que ambos son índices de una estabilidad mayor a la que han te­nido todas las zonas de la Canada Muniz en las posibles ubi­caciones para el túnel. Cualquier localización del túnel en una posición más al Este de la definida en campo, implicaría

. E 11 ··· . ·· ..

·· .. ·.

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............ ¡ ··., ... •'

Et \ ... i

S MBOLOGIA @Cenizas arenosas, conglomeradas y .arenisco~

interestratificodas. . . I]]Jconglon:'erodos, areniscos ~ algunas. copas de

~~~. . . .

. (]J] Lutitas con algunas copos delgados de calizo

(EE]Cofizos nacarados y morgas ( i=: Angostura)

JKsm lcalizos grís obscuro y dolomitas (F. Sierro Madre) ·

ESC .. I:IOO,OOO;Eiev. en metros. . . . .

Tomado d.e planos elaborpdos por .la oficina. de Estudios Civiles de la C. F .E.

Kem

Fig. 2 loc~lizaciÓn de distintas fallas ce~canas a la zona del t.únel Muniz

69

El

E u··

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8~000 Calizo• ·dolomilicaa

9~000 Lulotas

10~000 a lizos arcilloso\

1 1 1 1

\,.-==:....:;:::=

*"*

t ...

m.s.n.m.

*:-Tomado del plano "Levantamiento geolÓgico del sumidero Chiapas. C.F. E."

,..,. .- Deducido de lo fotogeología general y de las observaciones de campo

Fig. 3 Esquema de la formación geológica a lo largo del túnel

la remocron de fuertes volúmenes de depósitos al pie del cantil para formar el emportalamiento del túnel y en algunos sitios, la presencia de fallas y fuertes deformaciones en los estratos de las calizas permitieron concluir que no eran sitios adecuados para ubicar el túneL,Además, por la topografía de esta zona y las pendientes necesarias en el camino, se consi­deró muy remota la posibilidad de lograr una ubiéadón satis­factoria en una posición más al Este de la definida e~ campo sobre esta cara del macizo rocoso que se atravesada con el túneL

En la ladera Norte, que constituye el descenso del anticlinal, se pudieron observar algunas aparentes fallas con dirección sensiblemente perpendicular a la protuberancia rocosa en todo el tramo desde el Río Grijalva hasta la zona más alta en que era posible ubicar el túnel. Teniendo en cuenta la eleva­ción de anteproyecto del túnel en esta zona y la ubicación tentativa de la entrada por el lado de la Cañada Muniz, se buscó en esta ladera un sitio alejado de las aparentes fallas geológicas perpendiculares a la Cañada, lográndose situar la salida del túnel en una roca caliza masiva que presenta características favorables desde el punto de vista de su com­portamiento mecánico y además, el sitio definido presentaba una pared casi vertical que facilitaría la formación del portal de salida en este lugar. Aproximadamente a 50 m al Este de la ubicación mencionada, se inicia una franja de 200 a 300m de ancho, en la que aparentemente, en la pendiente qUe va del anticlinal al sinclinal Osumacinta, se produjo un desliza­miento de los estratos más superficiales de la caliza estratifi­cada.

70

las ubicaciones tentativas pa!a la entrada y salida del túnel, buscaron la compatibilidad .entre las. elevaciones de las terracerías del camino y los aspectos geológicos. descritos.

En el portal de entrada sobre la CanadaMuñiz la roca se identi­ficó como lutita calcárea de color café claro; los estratos hori­zontales de la roca presentan espesores de 20 a 40 cm.

En el portal de salida se apreciaron partes masivas de la cali­za de color café claro, presentando partes blancas y algunas iluviaciones fuertes de carbonatos; se observan los estratos paralelos a la topografía, con espesores de 10 a 300 cm, sien­do más frecuentes entre 20 y 40 cm.

2.1.3 Determinación de las propiedades de la roca

La determinación de las propiedades de la roca se efectuo con carácter normativo y con el propósito de obtener un or­den de magnitud de dichas propiedades, mediante el ensaye de probetas labradas de muestras colectadas en los para­mentos donde se formarían los portales. Las muestras seco­lectaron a 50 cm de la parte expuesta del paramento rocoso, de ellas se labraron especímenes cilíndricos de 5.5 cm de diámetro e igual altura, las cuales se sometieron a pruebas de comprensión y tensocompresión, para determinar indirec­tamente sus características de resistencia al esfuerzo cortan­te; con dichas probetas se determinó también su peso volu­métrico en estado seco y en estado saturado, en este último se realizaron las pruebas antes mencionadas. Se obtuvo tam­bién la densidad de sólidos para juzgar el grado de satura­ción del material en estado natural.

Tabla 11. R~sultad~- de pru~ba~ de comp~~siÓn .. sim.pl~ ~ tér{s~compresión, en estado saturado, efectuadas en el laboratorio

- -· ---·--- f---Pe_s_o ----T··- ., .. ;~~--o--"'":---·--·--·---~---------------......,..--.-----------~ ¡ volumétrico ¡ volumétrico Resistencia a la Resistencia a la Gravedad '¡··

Muestra · natural i saturado compresión simple tenso-compresión espetífica 1 · tonfm3 ¡ tontm3 kg/cm2 · kg/cm2 ' 1

Frente de entrada

1 2 3

4 1 5

! ' 1

1

1 2.87

1 2.80 1 2.67 1 ¡

¡ . 1 2.70

! ! 2.77 6 . 2.76

2.88 2.82 2.68

2.71 2.77 2.77

1113.5 1 276.9

851.7

98:2

101.2 92.2

-:

2.85

l 1

---+----------+--------------4-------------+--------·--.-.,_..._.,"

Frente de -i salida

1 1 2.07 2.07 2 2.14 2.14 3 2.09 2.10

4 2.10 2.10 5 2.09 2.09 6 2.09 2.09 .,.

'· -' , .. ;" : ... '

En la T~bla JI se consignan los resultados de las pruebas de la­boratorio efectuadas, que además, se presentan gráficamen~ te en la figura 4, donde se indica la envolvente de falla que, mediante la aplicación de una hipótesis conservadora, puede establecerse para la masa rocosa en función de la resistencia de los fragmentos ensayados. Esta hipótesis toma en conside­ración la presencia de los planos de estratificación y fisura­miento observados en la masa rocosa, én Jos cuales no existe resistencia a la tensión.

los valore!¡ de las propiedades de resistencia al ésfuerzo cor­tante: cohesión y ángulo de friccic)n interna, deducidos con esta consideración sobre la presencia de .fisuras, fueron los que se emplearon en el cálculo del patrón de anclaje que for­mó parte del sistema de soporte provisional disenado.

2.1.4 Sistema de ademe

las dimensiones y forma ~e la sección· transversal, considera­ron los requerimientos operativos del camino así como la dis­posición de la estratificación de la roca y los resultados obte­nidos en el laboratorio.

las resistencias relativamente altas de la roca, obtenidas de los ensayes preliminares de' laboratorio, confirmaron la im­presión de que tanto el sistema de soporte durante la exca­vación, como el definitivo durante la operación del túnel, podrían consistir de un anclaje para uniformizar el compor­tamiento de la masa rocosa y mejorar así sus condiciones de autosoporte;. a l.a v~z. este anclaje impedida la dislocación de Jos E!stratos de roca ye(desprendimiento.de trozos limitá­dps entre los planos de estratificación, los sistemas de ·fisura-

..

769.2 359.8 •.

457.8 2.44

46.6 47.4 49.4

' ... ·,,. ,, ., ·-· ,,,.',

' miento y la superficie excavada, los cuales podrían afloj_arse ~ causa de las explotaciones .~ubsecuE!ntes _en la excavación y, sin representar inconvenientes para. la estab-ilidad general, significaban un inconveniente serio en Jo que respecta a la seguridad del personal ocupado en la obra. Para complemen­tar el trabajo de las anclas antes descrito, pero sobre todo para prevenir los efect()S. de intemperización en la superficie de la roca expuesta por la excavación, se dispuso. una capa de concreto lanzado (shotcrete), comprendiendo la clave y los in u­ros de la ·excavación del túnel:

la distribución de.las anclas en la excavación, así como su diámetro, longitud v disposición con respecto a la superficie excavada, se determinaron empleandq las propiedades de la roca obtenidas en el laboratorio y el método de diseno es­tablecido PQr V.M. Roguinsky, ·ajustándolo para tomar en cuenta le geometría de la excavación y los resultados de me­diciones que han sido realizadas con el propósito de refinar· las hipótesis empleadas en este método de diseno. (Ref. 1 y 2) las presiones generadas a causa del aflojamiento producido por la excavación, sin considerar ningún efecto de expansibili­dad, se calcularon utilizando en forma comparativa, los méto­dos de Terzaghi y Protodyakonov.

El patrón de anclaje obtenido y la geometría de Ja·Sección Trans­versal se muestran en la figura 5. Para obtener un funciona­miento eficiente de las anclas, sin dificultar innecesariamen­te las maniobras de su colocación, éstas deben colocarse en _planos radiales trazados desde el centro de curyaturá de, la

l_ excavación y aproximadamente perpendiculares a la direc­. ciÓÍ'l dé Jós pla'nos dé esti'atificáción dé Ja -roca.; en el caso de

que se informa; se limitó la inclinación de las anclas a no

71

Esfuerzo tangencial (~cm')

200

Análisis preliminar de la roca

Muestras superficiales en los paredes de los porto les, ensaya­dos en el laboratorio.

8 01)

o o· .. o o ... Esfuerzo

normal (ir:tfcm2

)

Fig. 4 Gráficas de esfuerzo normal y tangencia obtenidos en pruebas de laboratorio

Llla:A "8" 764

1 950 -----------~

NOTA!ACOl'ACIONP EH CEHl'llllfl'IIOS

Fig. 5 Croquis de la sección transversal del túnel y patrón de anclaje

72

más de 60° con el eje del túnel, con lo que se obtendría un trabajo eficienté del anclaje sin complicar en exceso las ma" niobras para su colocación.

En las partes cercanas a los portales, donde las presiones ejercidas por la roca son mayores que en el cuerpo general del túnel, se proyectó un ademe exterior a base de concreto reforzado, capaz de soportar las presiones inducidas por el peso de la· roca, Fig. 6. El diseno de este ademe se realizó considerando de manera aproximada, la interacción entre las deformaCiones de la masa rocosa y las producidas en la es­tructura de ademe colocada; sin embargo, ·como las caracte­rísticas de deformabilidad de la roca no fueron determinadas de manera específica, se planteó un diseno aproximado y se intentó mantenerlo dentro de /a seguridad y con economía razonable ..

Para prever la necesidad de colocar soportes especiales en aquellas zonas del túnel.en que, debido a un fisuramiento más acentuado, a una alteración hidrogenética o mecánica, se encontraron zonas de baja resistencia en el cuerpo de roca atravesada, se disenaron arcos formados de concreto ·lanza­do y reforzados con varillas corrugadas en cuantía igual a la obtenida en los tramos adyacentes a los portales, donde las presiones de diseno son aproximadamente igual al doble de las empleadas para· el cálculo del patrón de anclaje, que constituyeron el sistema de soporte general del túnel.

3~ PROCESO DE CONSTRUCCION

A título de resumen, se presentan enseguida los procesos que fueron recomendados para las diversas fases constructivas.

3.1 Portales Formar con terracería sendas plataformas para atacar simul-táneamente 'por ambos portales. · ·

Con las inclinaciones de talud previamente establecidas, cor­tar la roca, anclando según el patrón previsto, para evitar deslizamientos de estratos y retirando los fragmentos ines­tables.

Iniciar la excavación deftúnel y tan pronto se anticipara que las operaciones explosivas no los danarían, construir los so­portes de concreto ,refor1;ado especificados, colándolos por etapas a la menor distancia posible del frente de excavación.

Construir las protecciones ·de mampostería en los extremos exteriores·.

3.2 Excavación

Teniendo en cuenta la magnitud relativamente reducida del volumen de excavación, el proceso. para ejecutarla se plan­teó prácticamente sin restricciones en cuanto a equiP.O por

15 eapetol' nominal del concreto tonz.ado

692

NOTA: ACOTACIONES EN CENTIMETROS

l.intá B (Lineo de pago l r In o A ( Lillla ficticio do lo quo no deben.

980 ----------------------~

10brttallr , poroio,._• del concreto lanzado.). ·

CoftCreto c-otado .'IM:.:....-..-''="~'1 lugar

10 eapiaor nominal del concrt]to· lanzado

Fig. 6 Ademe exterior de las partes cercanas .a los portales

73

emplearse y método de avance, pues se-esperaba que así lo permitiera la relativamente alta calidad de la roca; solamen­te en el frente de ataque por el portal de entrada, se especifi­có que la excavación fuera realizada con un banco de 2/3 de la altura del túnel y escalonamientos laterales para poder realizar inmediatamente después de ejecutada la explota­ción, fa colocación del anclaje, e impedir así al maximo po­sible, el aflojamiento y disÍocación de los estratos de la roca, que en la parte inicial de fa excavación por este frente se es­peraba fueran aproximadamente horizontales.

En el frente de excavación por el portal de salida, se planteó la alternativa de ejecutar fa excavación a sección completa, debido a la favorable disposición de los estratos de roca, re­quiriendo el uso de plataformas auxiliares para barrenación y colocación del anclaje inmediato a la explotación.

Puesto que el proyecto de Jos sistemas de ademe consideró en forma muy importante la capacidad de autosoporte de la roca excavada, se propuso una separación de 40 cm entre las líneas A y B. Esta dimensión se consideró equilibrada entre las necesidades de no afectar el material perimetraf y no en­carecer el trabajo. Adicionalmente, para lograr el primer pro­pósito se recomendó el método de explotación suave. (Smo-

_oth Bfasting.)

3.3 Anclaje

Antes de dinamitar debería haberse terminado la colocación de las anclas en la parte descubierta por el avance anterior. No se autorizaría la explotación de avance si no se encontra­ba anclado todo el túnel hasta una distanci-a no mayor de 4 m del frente de explotación. El anclaje de cada avance de­bió ser terminado en un plazo no mayor de 12 horas después de efectuada la explotación respectiva. -

3.4 Concreto lanzado

Una vez realizada la explotación de un avance, se debía pro­ceder a lanzar el concreto en la parte descubierta de manera que toda parte excavada de las paredes y techo del túnel quedara protegida de inmediato. En ningún caso debería te­nerse por.más de 12 horas una longitud de túnel mayor de 3 m sin la capa de concreto lanzado.

3.5 Ademe especial

Cuando se encontraran zonas en roca altamente fracturada o, escasa. cementación o aflojamiento progresivo notorio, debían construirse soportes especiales inmediatamente des­pués de haber lanzado la capa de concreto. Tales soportes. consistían de varillas corrugadas de refuerzo y concreto lan­zado formando arcos colocados en capas, garantizando una correcta adherencia en todo el espesor del arco.

4. VENTILACION

La combustión de gasolina o diesel produce gases nocivos a la salud o nubes de humo negro; los efectos son en conse­cuencia la toxicidad o falta de visibilidad respectivamente.

Los análisis químic-os de los gases expulsados por los moto­res, indican una amplia variedad de compuestos indeseables, entre los cuales están el monóxido de carbono, óxidos de

74

nitrógeno, dióxido de azufre, compuestos de plomo, partícu·. las de carbón, etc. La proporción de estos gases varía de acuer­do al tipo de combustible y a fas condiciones propias del_ motor.

Las experiencias conducidas por la Fi.siología, senalan que el monóxido de carbono es el compuesto crítico, lo que aunado a Jos r.equerimientos de visibilidad pe~miten afirmar que: . . . .

La finalidad principal de la ventilación en urrtúnel carretero es la dilución de los gases nocivos muy particularmente del monóxido de carbono emitido por los vehículos impulsados con gasolina y del humo negro conteniendo partículas de carbón producido por los motores a base de diese l.

4.1 Requerimientos de aire fresco

a) Por toxicidad

Mediante la conocida fórmula:

Qco =. K Qco l 103

ó 60

donde:

(1)

Qco = Necesidad de aire fresco dentro del túnel, en m3/s

K = No. de vehículos por kilómetro de túnel Qco = Producción d~ CO por vehículo, en 1/min·

vehículo L = Longitud del túnel, en km ó = Concentración permisible de CO, en

p. p.m.,

es posible determinar el requerimiento de aire fresco por toxicidad.

Los parámetros adoptados fueron:

K = 67 vehículos/km en 2 carriles de circulación 1qc0 = 60 1/min-vehícufo L = 0.894 km ó = 150 p.p.m., obteniéndose Qco = 399.3 m3/s.

b) Por visibilidad

Igualmente, la necesidad por visibilidad es determinada por la exl?resión:

K qo L Qo = 3600 e (2)

donde:

Q0 = Necesidad de aire fresco dentro del túnel, en m3js

K = No. vehículos por hora qo = Producción de humo por vehículo, en

mg/km-vehículo L :;= longitud del túnel en km C = Proporción aceptable 'de partículas de car·

bón, en mgfm3

Los valores fueron:

K = 1333 vehículos/hora en 2 carriles. qo = 3 900 mg/km-vehículo. L = 0.894 km e = 3.0 mg/m3, encontrándose Qo = 430.3 m3fs

Es notorio que el requerimiento de aire fresco por visibilidad es mayor que por toxicidad.

Qo = 430.3 > Qco = )99.3 m3Js

Es de comentarse que los valores utilizados en las concentra­ciones permisibles fueron conservadores, pues las recomen­daciones existentes indican:

150<5< 250 p.p.m. dependiendo del tiempo de exposición. 1.0< C < 8.0 mgfm3 según la velocidad de operación.

. . Además en los cálculos se consideró una composición de trá-fico del100% con vehículos de gasolina para el caso toxici­dad y de 100% con vehículos de diese! para el caso de visibi-lidad. · · .

4.2 Ventilación natural

Establecidos los req'uerimientos de aire fresco, a conti­nuación se vió la aportación dada por la ventilación natural y en caso de ser ésta insuficiente, entrar al diseno de ventila­ción artificial.

Cabe decir que la ventilación artificial origina costos impor­tantes en su instalación, operación y mantenimiento, por lo que en el caso presente y dentro de las limitaciones conoci­das del trazo del camino y de las condiciones geológicas, se buscó una orientación lo menos divergente posible a la direc­ción de los vientos dominantes así como un trazo en tangen­te y un desnivel en los portales, para favorecer el flujo de las corrientes naturales de aire.

De acuerdo a las teorías de Andreae, es factible determinar la velocidad Vn del aire moviéndose dentro del túnel, con la fórmula:

Vn = .V 2 g hn 'Y (1 + E )\ (

R

(3) .

donde:

g = Aceleración de la gravedad, en mfs2 hn = Diferencia total de carga hidrostática, medida

en mm, ocasionada por diferencias en tempe­ratura, presión barométrica y velocidad de viento

'Y = Peso específico del aire, en kgfm3 e · = Coeficiente por cambios de dirección y sec-

.• X ción transversal en el túnel

= Coeficiente por fricción L R

= Longitud del túnel, en metros = Radio hidráulico de la sección transversal

75

Introduciendo en (3) los valores propios de la meteorología de la zona, se obtuvo:

Vn = 8.3 m/s, lo que aplicado a la sección transver­sal del túnel, arrojó:

Q = 465.3 m3fs

Adicionalmente, se aplicó el criterio empírico de H. Kress quien determina la longitud máxima deltúnel sin necesidad de ventilación artificial.

Este criterio no toma en cuenta la influencia de las condi­ciones meteorológicas de la zona, como se puede observar en la expresión:

L = óA a v 120000 Qc0

(4)

donde:

L = Longitud máxima del túnel sin ventilación arti­ficial, en km

ó = Contenido permisible de CO dentro del túnel, en p.p.m.

A = Area de sección transversal, en m2 a = Separación promedio entre vehículos,. en m v = Velocidad vehicular dentro del túnel, en

km/hora qc0 · = Producción de · CO por vehículo, en 1/min­

vehículo

Despejando de (4) al contenido permisible de CO dentro del túnel y aplicando los valores respectivos, resulta:

ó = 191 p.p.m., valor que se encuentra dentro del rango aceptable.

4.3 Solución y resultado

Puesto que los gastos de aire necesarios (aún en condiciones desfavorables por el. volumen y composición del tráfico o por los bajos niveles de contaminantes planteados) resulta­ron menores que la provisión lograda en forma natural, el di­seno no recomendó ventilación artificial en ninguna de sus formas conocidas.

Esta decisión se ha encontrado congruente con la realidad en más de medio ano de operación, lapso en el que se han pro­ducido picos de tránsito ligeramente superiores a los previs­tos~ Es de esperarse que las condiciones a futuro se'an de igual confiabilidad.

5. CONSTRUCCION

La excavación fué realizada atacando por ambos frentes, ob­teniéndose un avance promedio de 3.58 m/día de trabajo, equivalentes a un volumen diario de 200.5 m3 El control to­pográfico se llevó a cabo con métodos y aparatos tradicio­nales.

La calidad de la roca encontrada fué mejorando en la direc­ción suroeste-noreste, salvo en tres cortas zonas donde se en-

contraron contac;:tos de la caliza con arcillas húmedas; en es­tos tramos se procedió a protegl;r la excavanón nwd1antP los ademes especiales senalados en el punto 3.5, permitiendo el libre paso de las filtraciones hacia el dren propio de la sección transveraf.

Las barras de anclaje fueron colocadas y probadas según las indicaciones prescritas.

Se tuvo un considerable ahorro al suprimir in situ la capa de concreto lanzado; esta decisión fué tomada a la vista de la sanidad de la roca encontrada, del pequeno grado de fractu­ramiento del perímetro excavado y de la inclinación 'favo­rable de los estratos.

6 .. CONCLUSIONES

Las experiencias obtenidas de este caso y otros, permiten concluir:

El estado de avance actual de diversas técnicas aplica­das incluida la Ingeniería Económica, debe permitir el contemplar la alternativa a base de túnel, tan digna de ser estudiada como otras soluciones tradicionalmente aceptadas.

Es obvio que el diseno, el equipo y el proceso constructi· vo de un túnel deben estar regidos por el tipo de mate­rial por excavar, así como por el tamano intrínseco de la obra. Las labores de proyecto, construcción, instrumen-

76

tación y supervisión deben guardar entre sí una relación tal que permita la correcta, oportuna y económica toma de decisiones en cualquier fase del trabajo.

7. REFERENCIAS

Roguinsky V.M. On the Estimation of the Basic Parameters for Grouted i\nchors. Editorial Niedra, Moscow 1971.

Bello M.A. y Serrano L.F. Measurements of the Behavior of Grouted Bolts Used as Reinforcing Elements for the Sup­port of Underground Openings. Proceedings of<the 3r~. lnternational Congress on Rock Mechanics. Denver, Co­lorado, Septiembre 1974.

Karoly Szechy The Art of Tunnelling. Editorial Akadé­miaikiadó, Budapest 1973.

Andree A.A. Problémes du Proyet et de L'établissement des Grands Souterrains Routiers Alpins. Editorial Leemann, Zurick 1949.

Haerter A.A. Fresh Air Requeriments for Road Tunnels. Pro­ceedings of the lnternational Symposium on the Aerody­namics and Ventilation of Vehicle Tonnels. University of Kent at Canterbury, England, 1973.

Megwa T.M. Desing of Ventilation Systems for Road Tunnels. Proceedings of the lnternational Symposium on the Aero­dynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels. University of Kent at Canterbury, England, 1973.

CONSTRUCCION DE TUNELES EN SUELOS MEDIANTE· EL EMPLEO DE ESCUDOS O MAQUINA$ ROZADORAS

H. Canseco Aragón

1. INTRODUCCION

En las 12 ~últimas décadas el crecimiento acelerado de los países ha obligado~ a.construir y ampliar una serie de servi­cios de infraestructura a fin de dotar a sus habitantes de me-jores condiciones de vida. · ·

Entre esos servicios se cuentan: Transporte, conducción de agua potable, drenaje, explotación de yacimientos, etc.

Dentro de las soluciones tendientes a resolver los problemas hubo la necesidad de construir toda clase de túneles lográn­dose avances tecnológicos de suma importancia.

En lo.que se refiere a construcción de túneles en suelos blan­dos el auge no se hizo esperar desarrollando técnicas sofisti­cadas con lo que se. intenta encontrar un sistema universal

. de excavación de túneles, que pueda ser usado a través de cualquier condición de suelo sin causar ningúntraston1o en superficie (en la mayor parte de los casos el túnel debe atra­

. vesar bajo zonas densamente construidas, bajo el fondo del mar, etc.}. En este renglón los es.cudos y las máquinas rozado­ras han recibido especial atención.

2. ESCUDOS

2.1 . Cara'cterísticas principales·

Constituidos por una coraza metálica son básicamente un sistema de soporte movible que provee de áreas de trabajo seguras para la excavación del frente del túnel al' mismo tiempo qÜe se coloca el revestimiento. Generalmente cons­tan de 3 partes de acuerdo a sus funciones:

a} · Visera o parte frontal.

b} Cuerpo o parte intermedia.

e} Faldón o parte posterior.

En la visera se realizan las actividades de excavación del frente y en la mayor parte de los casos alojan la maquinaria o el personal con el que se realiza dicha actividad. El cuerpo aloja todo el equipo hidri!Uiico propio para el movimiento del escudo además de servir de apoyo para la instalación del equipo con el que se ejecutan la excavación del frente y c<r locación del revestimiento. En el faldón se coloca el revesti­miento del túnel en .forma continua, quedando el túnel reves-

77

tido a medida que el escudo avanza. Para avanzar el escudo. se apoya en el revestimiento recién colocado empujándose a través de un sistema de gatos hidráulicos los cuales ál de­sarrollo de toda su carrera· dejan espacio para la colocación del revestimiento.

las actividades fundamentales· que se realizan en la excava­ción de túneles con escudo son las comunes a cuálquier tipo de túnel:

, a} Excavación del frente.

b} Rezaga y transporte del material de excavación.

e} Colocación del revestimiento.

d) Manteo o eliminación del material excavado.

5in embargo, dependiendo del grado de mecanización de los escudos, dichas actividades pueden ejecutarse en forma si­multánea.

2.2 Tipos de escudos

En los últimos anos el nombre de "Escudo" ha tendido a ser menos usual cambiándose por "Máquinas Tipo Escudo" o "Máquinas Perforadoras de Túneles", estando íntimamente ligado este cambio con el grado de mecanización o con las principales características de éada escudo en particular.

En un concenso general existen 2 grandes grupos de escudos, en función a la forma de ataque del frente de excavación:

-Escudos de frente abierto.

-Escudos de frente cerrado.

Estos 2 grupos pueden integrarse en la forma siguiente:

2.2.1 Escudos de frente abierto

-Escudo manual.

-Escudo con rejilla al frente.

-Escudo con cabeza cortadora oscilante.

-Escudo excavador.

-Escudo con cabeza cortadora giratoria.

. 2.2.2 Escudos de frente cerrado

-Con cabeza cortadora giratoria.

-Con mampara de presión

-Con frente presurizado por lodos.

-Con presión de tierra balanceada.

2.3 Breve descripción de los diversos escudos

2.3.1 Escudos de frente abierto

Escudos manuales

Sin equipo propio para excavación del frente, dicha activi­dad debe realizarse en forma manual.

Son los escudos más simples y c~entan con gatos frontales y plataformas occio[ladas hidráulicamente para ademar el frente. Su uso está restringido al rango de suelos blandos o poco compactos puesto que la eficiencia en el avance de la excavación disminuye conforme se incrementa la compac;:i­dad del suelo. Estos escudos han tenido bastante uso en la Ciudad de México a partir de la década de los 60's, conti­nuando su utilización hasta la fecha; en condiciones críticas de estabilidad del frente de excavación ha sido necesario emplear aire comprimido en el interior del túnel, resultando una buena combinación.

Escudos con rejilla al frente

Dotados con una rejilla metálica al frente realizan la excava­ción empujando contra el suelo por excavar, el cual se intro­duce a través de cada una de las divisiones de la rejilla en un fenómeno de extrusión. La rejilla cumple ·las funciones de ademe y para condiciones críticas de estabilidad pueden co­locarse placas en la estructura de la rejilla para cerrar el fren­te. Este tipo de escudo es aplicado en suelos blandos cohesi­vos y es de patente mexicana.

Escudo con cabeza cortadora oscilante

El movimiento del cortador se logra generalmente mediante un par de potentes cilindros hidráulicos que se extienden y retraen, haciendo que el cortador oscile a través de un buje. Un fabricante de Estados Unidos construye escudo de este ti­po c~m varios segmentos diferentes del cortador oscilando independientemente alrededor de centros separados, tenien­do la parte superior del cortador inclinada hacia adelante.

Al accionar la cabeza cortadora t~mbién cumple las fun­ciones de ademe para estabilizar el frente. Sin embargo, el movimiento oscilante es poco eficiente.

Escudos excavadores

Son los escudos clásicos a los cuales se les monta una o más excavadoras en su interior, a fin de atacar el frente en. forma más eficiente. Una de las principales ventajas de montar una herramienta de excavación en el interior de un escudo es que el escudo puede aportar mayor apoyo para la herramienta, no sucediendo así con retroexcavadoras montadas sobre oru­gas o con cualquier equipo móvil.

Las excavadoras más usuales son las palas-retroexcavadoras y las rozadoras o desgarradoras.

78

Otra de las ventajas de los escudos excavadores consiste en la posibilidad de ademar el frente aún con la máquina exca­vadora; algunos escudos son. construidos con sistemas de compuerta de ademe accionada hidráulicamente y que pue­den cerrar el frente en unos cuantos segundos. Algunos escu­dos cuentan con gatos hidráulicos adicionales para extender y retraer un conjur. to de placas que constituyan una visera movible.

Obviamente estos escudos pueden excavar a través de suelos compactos.

Escudos con cabeza cortadora giratoria

Provisto de motor y trasmisión para el movimiento giratorio de la cabeza de corte han sido bastante usados en suelos ge­neralmente buenos, autosoportables, secos y estables. Debi­do a que la cabeza cortadora tiene aberturas no son ade­cuados para suelos inestables, sin embargo ofrecen buena protección contra caídos en la corona y las paredes. Una va­riante de estos escudos ha sido aplicado en suelos muy duros y competentes o en rocas suaves; escudos de cabeza corta­dora giratoria con "patas" laterales, fas cuales avanzan sin .necesidad de apoyar contra el revestimiento del túnel.

2.3.2 Escudos de frente cerrado

Escudos con cabeza cortadora giratoria

La cabeza cortadora es casi totalmente cerrada o se puede cerrar hidráulicamente en forma total. El objetivo de esto es conservar el cortador prácticamente en contacto con el fren­te del túnel y solamente dejar pasar el material que es corta­do por las navajas del cortador.

Si el suelo no es estable pueden ocurrir caídos los cuales pueden no ser detectados por el personal en el túnel. En teoría solamente pueden ser caídos pequeños debido a que no hay suficiente espacio y en tales condiciones debe avan­zar lo más rápido posible empujando el. frente con fa cabeza cortadora.

En algunos casos han ocurrido caídos por falla parcial del frente mientras el resto permanece estable;y el escudo ha ex­cavado grandes cavidades antes de que fa falla sea detecta­da. Se recomienda usar equipo para. pesar o medir volumen de material comparando contra el avance a fin de detectar cualquier sobreexcavación.

Escudos con mampara de presión

Cuentan con una mampara metálica al frente (al inicio de. fa visera) formando una cámara en donde se aplica aire compri­mido para estabilizar el frente, dejando el resto del túnel en condiciones normales de presión atmosférica.·

El primero en su tipo fue construido en 1961 y usado en el Metro de París, fa excavación se realizó con varios excavado­res hidráulicos mor-hados adelante de la mampara de pre­sión, siendo controlados por el operador a través de ventanas provistas en fa mampara.

Con estos escudos se vislumbró la posibilidad de introducir un líquido para contener" el frente, regulando la presión del líquido mediante una cámara de aire comprimido formada

por 2 mamparas. Asimismo, se descubrió la conveniencia de usar escudos que trabajaran .con el .frente húmedo, evitando peligros de incendios y explosiones al entrar en contacto el a·ire comprimido con formaciones conteniendo gases.

A partir de este momento se introdujeron los escudos con ca­beza cortadora giratoria con mampara.de_presión y las diver­sas modalidades de escudos con frente presurizado.

2.3.3. Escudos con frente presurizado de lodos

Cuentan con una cabeza cortadora giratoria para realizar la excavación del frente. Son aplicables en suelos que presen­tan problemas de estabilidad, lá cual se logra mediante el uso de lodo bentonítico a presión confinado entre el frente. de excavación y la mampara. Con el lodo presurizado -se re­duce la dependencia de la cabeza cortadora giratoria para contener el frente.

El lodo a presión es suministrado a la cámara formada por la mampara y el frente de excavación, a través de una tubería de suministro, desalojando los materiales excavados en com­binación con lodo bentonítico a través de una tubería de re­torno.

Generalmente, para el manejo de lodos bentoníticos se re­quieren instalaciones superficiales en los que se separan los materiales excavados y se regenera el lodo para ser usado nuevamente.

El uso de estos escudos se ha incrementado enormemente a partir de 1971, principalmente en Japón, Alemania e Ingla­terra.

Actualmente en Japón se está desarrollando una nueva mo­dalidad de estos escudos, denominado Escudo de Lodos de

, Alta Densidad; al usar lodos muy viscosos se trata de elimi­nar el uso de grandes volúmenes de lodo y para eliminar el material excavado no se requiere licuarlo pudiendo ser ma-nejado por un transportador de tornillo. ·

Los alemanes, competidores de los-japoneses, han desarrolla­do otro tipo de escudo que cuenta con una cámara de aire comprimido para regular la presión del lodo bentonítico con­tenido entre la mampara y el frente.

Escudo de presión de tierra balanceada

De fabricación y tecnología japonesa constituyen una va­riante de los escudos de lodos de alta densidad en los que se elimina totalmente el uso de lodos bentoníticos; el material excavado por la cabeza cortadora llena la cámara de tal ma- _ nera que se mantiene una presión que contrarresta los empu­jes del subsuelo. Conforme el escudo avanza el material ex­cavado es forzado a entrar a un transportador de tornillo que se encarga de depositarlo en una tolva localizada en la parte posterior del escudo.

3. TIPOS DE REVESTIMIENTO EMPLEADOS CON ESCUDOS

A la fecha existen varios tipos cuya calidad estructural de­pende en gran parte de las condiciones del subsuelo atrave-

79

sado así. como de las fuerzas originadas por el empuje del es­cudo. El ancho del revestimiento (en. sentido longitudinal al eje del túnel) está ligado a la longitud de la carrera de los ga~ tos de empuje del escudo así como a la longitud del faldón, constituyéndose en la mayoría de los casos por segmentos unidos entre sí por medio de tornillos:

Segmentos precolados de concreto reforzado.

Segmentos de acero.

Una combinación de ambos.

Marcos matálicos con retaque de madera.

Concreto extruido coloéado en el lugar -esta técnica está en vías de desarrollo.

4. PRESENTE Y FUTURO DE LOS ESCUDOS

Una vez resuelto el problema de ataque y estabilización del frente de excavación, los disenadores y constructores de es­cudos han dedicado sus esfuerzos a crear un sistema comple­to que permita las construcciones de túneles con altos pro­medios de avance diario; se han implementado eficientes mecanismos de colocación del revestimiento (anillos erecto­res o erectores circulares), el transporte y eliminación del material excavado utiliza diversos equipos que mueven gran­des volúmenes a gran velocidad y lo que es muy importante, es el grado de automatización electrónico que se implemen­ta día con día para el control óptimo de todas las actividades de la construcción de túneles.

En lo que respecta al aspecto económico, la proliferación de uso de escudos con todo tipo de configuraciones ha demostra­do que se encuentran en nivel competitivo con los sistemas convenciondles, motivo por el que cuentan con un futuro pro­misario de capital importancia dentro de la planeación y ejecu­ción de obras de infraestructura.

5. MAQUINAS ROZADORAS

Estas máquinas excavadoras cuentan con una cabeza de cor­te giratoria dotada de dientes de alta resistencia.

,.la cabeza está montada sobre un brazo largo el cual es accio­nado por medio de gatos hidráulicos.

El uso de estas excavadoras nació en las explotaciones mine­ras, determinándose posteriormente su aplicación en túneles en suelos compactos y en rocas suaves.

A diferencia de los escudos, solamente son un equipo auxi­liar para la excavación de túneles y su uso prácticamente puede combinarse con cualquier tipo de soporte emplea­do en la construcción del túnel; son muy versátiles, co­mo se mencionó con anterioridad, pueden montarse en es-cudos. , Dependiendo de la forma de uso que se les dé, también pueden recolectar Jos materiales excavados y cargarlos al sis-

tema de transporte con que se cuente en el túnel. En estos casos están equipados con un sistema de brazos recolectores y un· transportador.

En función de su versatilidad pueden atacarse los túneles en diferentes etapas sin llevar una sección completa como es/ el caso de los escudos.

80

Actualmente, el uso de estas máquinas e~cavadoras se está incrementando notablemente en México.·

En el artículo "los progresos más recientes en los sistemas rápidos de ex­cavación" de la publicación Geomimet (3a. Epoca. Enero-Febrero 1981. No. 109) se proporciona una visión clara y completa de la evolución y aplicaciones de estas máquinas.

PROCEDIMIENTO DE EXCAVACIONDE TUNELES EN SUELOS BLANDOS CON EL USO DE ES(:UDO pE FRENTE ABIERTO Y AIRE COMPRIMIDO.

M. tópez Portillo Verdugo

1 .. ANTECEDENTES

El primer escudo para túneles fue patentado en Inglaterra en 1818 por Sir Marc Brunel, el cual se us9 a partir de 1823 en la construcción de un túnel bajo el río Tamesis. Este tenía una sección rectangular de 6.75 X 11.40 m y estabaprovisto de un complicado sistema de plataformas de ademe que sostenían ·el frente por medio de tornillos mientras que el escudo se movía hacia adelante penetrando en el terreno mediante unos ·gatos de. tornillo' apoyados contra el revestimiento final.

El escudo moderno, de frente abierto, puede ser de sección circular, rectangular, herradura, etc., siendo en todos los ca­sos una estructura rígida abierta en ambos extremos; p'rovee faéilidades en el frente para la excavación del terreno y es su parte posterior para la erección del revestimlento prefabri­cado.

Debido al crecimiento y desarrollo industrial de diversas ciudades en el mundo, se han construido una gran cantidad de túneles en suelos blandos, de los cuales se pueden citar

. entre otros:

Los túneles bajo el río Hudson en New York.

Los túneles ferrocarrileros en la Ciudad de Londres.

El metro de París.

El drenaje de la Ciudad de Chicago.

El metro de New York.

El metro de la Ciudad de México.

Los interceptores oriente y central del drenaje profundo de la Ciudad de México.

El metro de San Franci.sco.

El metro de Moscú.

2. PROPOSITO DEL ESCUDO

la idea fundamental del escudo es ql!e el proceso de excava­ción y el montaje del revestimiento sean actividades casi si" multáneas, ofreciendo esencialmente las siguientes ventajas: .

La·sección del túnel puede avanzar con sus dimensiones completas.

Ofrece un soporte constante al terreno, en todas direc­dones.

81

Facilitar el trabajo de construcción. . Evitar deformaciones excesivas del terreno y por lo tan­to, reduce los asentamientos en la superficie.

3. EQUIPO DEL ESCUDO

EJ principal elemento de la estri.Jctura .del escudo es el forró o camisa que está constituido de placas de acero, de acuerdo a la se.cción del túnel y ligeramente mayores que él.

la camisa puede dividirse en tres partes principales, en fun­ción de su rigidez y del arreglo de acuerdo a su propósito.

. '

En el extremo delantero o cuchilla cortadora, donde se efectúa la excavación, es sumamente reforzada, ·su pro­pósito principal es facilitar el avance del escudo hacia el frente.

Su segunda tarea es dar una protección adecuada a los trabajadores ocupados en la excavación del frente.

El diámetro de la cara de corte debe ser ligeramente ma­yor que el diámetro del escudo, con objeto de disminuir la presión del ter.reno sobre el escudo.

la parte ce~tral o tronco está destinada para alojar los gatos hidráulicos, mangueras, válvulas, tableros de con­trol y plataformas deslizantes de ataque. ·

1 • ..

la parte trasera o faldón está disenada para soportar el terreno mientras se realiza el montaje de los segmentos del revestimiento.

Gatos de empuje: el movimiento del escudo es efec- · tuado por medio de. gatos hidráulicos, los cuales ac­cionan contra el revestimiento del túnel previamente erigido.

Gatos de ademe: el método usado para soportar el fren­te al tiempo de excavarse y mientras que el escudo avan­za, es mediante gatos hidráulicos al frente, los cuales ejercen una presión constante y uniforme.

4. REVESTIMIENTO PRIMARIO

El ademe primario de los túneles excavados en suelos blan­dos con escudos, consiste en dovelas o segmentos que for-· man anillos, los cuales pueden o no estar ligados entre sí.

Estas dovelas .pueden ser de concreto, de fierro fundido, de acero o una combinación de· marcos metálicos con madera.

Dichas dovelas deben tener las siguientes características:

Capacidad de carga suficiente para soportar la presión total (suelo más agua) sin que existan deformaciones ex~ cesivas y filtraciones abundanh!s.

Resistencia a los esfuerzos ocasionados por un manejo brusco en su transporte y colocación.

Resistencia a los esfuerzos producidos por los gatos de empuje durante el avance del escudo.

Resistencia a fa humedad y a los efectos del agua del terreno sobre el segmento mismo, así como resistencia a la corrosión.

5. GClO DE OPERACION

Antes de iniciar el ciclo de excavación, el frente del túnel- es­tá soportado por un ademe de madera sobre el cual ejercen presión los gatos frontales del escudo. Este se inicia al derri­bar el· ademe por secciones y "banquear" con herramienta neumática el frente en una longitud equivalente a un empu­je. E 1 material producto del banqueo cae a fa parte inferior del escudo para posteriormente ser extraído por medio de una rezagadora o de bandas y vaciado en los trenes de reza­ga, los cuales son transportados hasta el fondo de la lumbre­ra para poder extraer hacia la superficie el material producto de la excavación.

Dicho material es vaciado en camiones volteo para ser trans­portado a fa zona de tiro elegida.

Al terminar de rezagar todo el material producto del ban­queo, se inicia el avance del escudo apoyando los gatos de empuje en el revestimiento anteriormente colocado: Poste­riormente los gatos se retraen y se colocan los segmentos ne­cesarios para formar un anillo. Es aquí donde se cierra un ciclo de excavación con un avance equivalente al ancho de un anillo, quedando como actividadE;!S críticas la rezaga, el empuje y la colocación del anillo, simultáneamente a estas a_ctividades se desarrollan otras,· tales como:

Inyección de gravilla y !.echada.

Banqueo y ademe del frente.

Colocación de dispositivos para mantener la geometría de los anillos.

Colocación de líneas de conducción para aire, bombeo ventilación, hidráulico del escudo, agua, -inyección, lfneas pára el control remoto del escudo, teléfono y alumbrado.

Ajuste de los tornillos de las dovelas.

Manteo.·

Bajada de materiales.

Al realizar un empuje queda un espacio vacío entre las dove­las y el terreno natural, el cual es llenado previamente con gravilla inyectada a presión y posteriormente con diferentes tipos de lechada, logrando así uniformizar las cargas del terreno sobre los anillos a la vez que se disminuyen las filtra­ciones hacia el túnel y los asentamientos en superficie.

La gravilla es· colocada mediante el uso de una lanzadora. neumática que se conecta· a una manguera, la cual se intr07

82

duce en perforaciones estratégicamente colocadas en las do-. velas.

Posteriormente se inicia la inyección de lechada de acuerdo a la siguiente secuencia:

· 1a. Etapa o Tapón. Es una inyección q4e se realiza en los últimos tres anillos del tramo a tratar y que tiene como finali­dad evitar que la lechada de las etapas siguientes se prolon­guen a la zona del escudo. Esta mezcla consiste en un morte­ro de fraguado rápido.

2a: Etapa. Es una inyección menos densa que la anterior, si­gue siendo un mortero pero más fluido y sin acelerente, su función principal es r.ellenar los huecos que ~an quedado entre dovelas, terreno y gravilla. 1

3a. Etapa. Esta inyección es mas fluida y esta formada de agua, cemento y bentonita, su función principal es fa de sello e impermeábilización.

6. ASENTAMIENTOS

Los asentamientos que se producen en la superficiedebido.a la construcción de un túnel en suelos blandos se deben a:

a) La consolidación de los suelos producida por el abati­miento del nivel freático o por. las extracciones locales de agua ..

b3 Las pérdidas del suelo durante el proceso de la excava­ción.

e) La presencia de espacio vacío entre dovelas y terreno.

Los asentamientos evolucionan con el tiempo y su radio de acción varia de acuerdo a las características de los suelos.

7. TOPOGRAFIA

El uso de sistemas láser en la construcción de túneles sirve no sólo para reducir costos, sino para mejorar la exactitud, reducir pérdidas de tiempo y proporcionar mayor seguridad.

En túneles con escudo en suelos blandqs, el uso de un láser con tarjetas elimina mucho tiempo de comprobación des­pués de cada empuje ayudando a acelerar el ciclo. El escudo puede ser dirigido únicamente por el operador, y el turno de topógrafos debe concentrar su atención a comprobar cons­tantemente la colocación del láser, tarjetas y puntos inter­medios (o de control), sin presión de ninguna especie y sin in­t~rferir con las actividades del ciclo.

La luz láser se dirige continuamente a dos tarjetas de mate~ rial transparente fijas en el escudo (una adelante y otra atrás). En las intersecciones de la luz con las tarjetas, aparecen pun­tos rojos brillantes conforme el escudo se mueve; los puntos rojos trazan trayectorias en fas tarjetas.

La posición relativa de la trayectoria marcada por el punto, comparada con la trayectoria calculada, indica la desviación del escudo en la posición deseada. Para un r.ápido chequeo del giro y la pendiente del escudo, se puede usar una plomada y.

una placa graduada en grados de giro_ y porcentaje de pen-diente. -

8. CUANDO USAR AIRE {~OMPRIMIDO

En el año de 1830 Thomas Cochrane, patenta el us? de_l aire comprimido en la contrucción de túneles y lumbrer/as. Poste­riormente, en el año de 1879, se utiliza por primera ve~ aire comprimido en la construcción de túneles y lumbreras. Poste­riel, simultáneamente en Inglaterra y E.U.A.

A partir de esa fecha se ha seguido utilizando este método en los túneles donde las condiciones de estabilidad del frente son precai-ias y los gradientes de_ filtración hacia la excava­ción producen situacion-~s peligrosas, como son el arrastre de. material, tubificaciones, ebulliciones de las arenas, etc.

la teoría de este método es muy simple: -

Al.túnel -se le adiciona una presión de aire a baja presión, en exceso d~ la atmosférica que actuará en todas las ·paredes y el frente, ayudando as_í a mejorar la estabilidad del frente y a evitar o disminuir las filtraciones hacia -la excavación.

Para definir la presión de aire a utilizar se toma en cuenta el criterio de Broms y Bennemark, para el cual se tiene la extru­sión en la arcilla cuando los esfuerzos en el frente del túnel alcanzan los siguientes valores: _

¡h = (6 a 8) e

donde:

'Y h = Presión total a la profundidad media del túnel e = Cohesión de la arcilla en prueba no drenada.

Para el tramo 9-8 del interceptor ce-ntral que actualmente es­tá en etapa de excavación, se .tomaron los siguientes datos:

'Y = 1.3 ton/m 3 h = 26.5 m e = 6.5 tonfm2 '

La presión de aire se define de la siguiente manera:

Pa ·= h- 4C

Cabe aclarar que se toma elfactór 4C y no el6 u 8C para tra­bajar en el rango elástico, evitando así deformaciones mayo" res en el frente y por consiguiente menores asentamientos en superficie, por lo tanto:

Pa = 1.3 x 26.5 - 4 x 6.5. = 34.45 - 26-= 8.45 tonimz

La presión de aire que se utiliza actualmentP es de 0.9 kg:cm2 Aún cuando las propiedades del suelo por excavar no cam­bien, se puede variar la presión de acuerdo a los problemas ocasionados por el flujo de agua hacia el interior del túnel:

9. FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA

De acuerdo a las necesidades de proyecto se define la posi­ción-en el túnel de la mampara, la cual·alojará a la esclusa de personal y de materiales. ·

83

Dicha mampara delimita la_ zona presurizada· del túnel y por medio de las esch,1s~s es posible mantener el tráfico de perso­nal y materiales sin necesidad de variar la presión en ,el túnel.

El suministro de aire a baja presión se_ logra por medio de un banco de compresores, el cual debe calcularse de tal manera que se tenga una-reserva del100% en cuanto a capacidad de suministro (P.C.M.}. ·

Dado que el aire suministrado por dicho banco es el· que pre­valecerá en el medio ambiente del túnel, éste debe ser trata­do para poder entregarlo en condiCiones óptimas de salubri­dad; para tal motivo, se hace pasar previamente a través de interenfriadores de agua, con lo cual se le disminuye la tem­peratura excesiva ÓcasionacÍa por la compresión del mismo, posteriormente pasa a dos series de separadores-de impure­zas (agua y aceite en suspensión) y por último es enviado por medio de tubería hasta el frente de trabajo.

A continuación se presenta un corte en el que se ilustran las­instalaciones principales:

Escudo de frente abierto.

Mampara.

Es<;lusas de rezaga y personal.

Tablero de control.

líneas de conducción de aire B. P.

Sistema de manteo.

Banco de compresores de B.P.

Cuando las condiciones del ~erreno ameritan que la excava­ción del túnel se tenga que iniciar con aire comprimido a par­tir di:da lumbrera, entonces la mampara y las esclusas son colocadas en posición vertical.

En esta figura se observa la disposición de dichas instala­ciones:

lumbrera.

Mampara.

Esdusa de rezaga y personal.

Anillo de sujeción.

lastre.

Escalera de acceso.

El funcionamiento de este sistema es básicamente el mismo de las esclusas en posición horizontal, existiendo pequeñas variantes en cuanto al procedimiento de manteo, lo cual ha­ce que disminuyan los rendimientos.

Actualmente se está trabajando por primera vez en México con esclusas verticales en la excavación del tramo 8-7 del in­terceptor central del drenaje profundo, siendo satisfactorio el comportamiento de este sistema a la fecha.

10. SERVICIO Mf;DICO

las condiciones en que labora el personal en ambiente hiper­bárico, son similares a las existentes donde se desarrolla el trabajo de los buzos en el mar.

Por lo tanto dicho personal debe estar sujeto a ciertos tiem­pos de descompresión, que están en función de la presión y el tiempo que laboren en el ambiente arriba mencionado, es­tos tiempos de descompresión están diser'lados de tal manera que permitan que el aire disuelto en los tejidos del personal, sea expulsado sin las formaciones de burbujas de nitrógeno, las cuales dan origen a las enfermedades por descompresión.

La incidencia normal de este tipo de trabajo es de un enfer­mo por cada 1 500 descompresiones.

Las tablas de descompresión que actualmente se usan en los trabajos del drenaje profundo de la Ciudad de México, se. ob­tuvieron a partir de las tablas de la Ciudad de Washington, D. C. de 1971. Estas hubo necesidad de modificarlas ya que sólo contemplan la eje<;:ución de trabajos al nivel del mar y no al de la Ciudad de México.

Dicha modificación se llevó a cabo con la siguiente fórmula:

donde:

PB P.n.m.

Pt Pe

=

= ;:::

Pe = P.n.m. X Pt PB

Presión barométrica del lugar de trabajo. Presión barométrica al nivel del mar. Presión de trabajo Presión corregida por altitud

Por lo tanto, para la elevación de la Ciudad de México (2,245 m.s.n.m.) corresponde un factor de corección de:

Pe= 760 mm de Hg = 1.31 580 mm de Hg

Teóricamente, hacer estas correcciones no tendría ningún problema; pero a pesar de ello se llevaron a cabo una serie de pruebas en cámara médica tendientes a corroborar dicha teoría o en su defecto modificar las tablas.

En todas las pruebas efectuadas se llevó un control muy estricto de las condiciones de los trabajadores antes, durante y después de las mismas.

El control médico del personal es el aspecto más importante en este tipo de obras, ya que el trabajar en ambiente hiperbá­rico, requiere de una estrecha vigilancia médica y una estric­ta selección del personal, el cual debe cumplir con los si­guientes requisitos:

Integridad física.

Capacidad para desarrollar ejercicio físico.

No rebas·ar el 20% de sobrepeso.

Edad inferior a1 35 anos ..

Aptitud para igualar presiones en los senos para nasales y oídos. ·

84

No padecer enfermedades de pulmón, oídos o articula­ciones.

Para lograr dicho control se formó un servicio médico espe­cializado, cuyas funciones principales sori: ·

1. Selección de t. abajadores.

2. Vigilancia médica.

3. Tratamiento de enfermedad por descompresión.

4. Elaborar las normas de seguridad.

1. La selección de los trabajadores se hace en base a: Su historia clínica. Exámenes de laboratorio. Radiografías de tórax y articulaciones. Espirometría .o capacidad pulmonar. Audiometría. Prueba de compresión en-la Cámara Médica.

2. La vigilancia médica está encausadafundamentalmente a ensenarle al personal normas elementales referentes a los hábitos higiénicos-dietéticos y a la prevención y aten­ción de las infecciones respiratorias.

3. las enfermedades por descompresión pueden presentar-se como de:

Síntomas tipo 1 (comezón, color de cabeza, ·fatiga, etc.), como de:

Síntomas tipo JI (vértigo, dolor de pecho, falta de aire e inconciencia).

Estos síntomas se pueden tratar con: Recompresión con aire,

Recompresión con aire y oxígeno y con

Tratamiento a base de productos farmacéuticos.

4. la formulación de las normas de seguridad es el aspecto más importante del servicio médico, básicamente se re­fiere a la definición y aplicación de los tiempos de des­compresión correctos.

11. INSTALACIONES Y EQUIPOS UTILIZADOS

Para llevar a cabo la instalación de un túnel con escudo y aire comprimido, es indispensable el uso de las siguientes ins­talaciones:

Sub-estacón eléctrica·

Cuya capacidad se define de acuerdo a la demanda.

Plantas de emergencia

Se debe contar con un banco de plantas generadoras, cuya capacidad permita desarrollar normalm.ente las actividades de excavación aún cuando se interrumpa el suministro de energía proveniente de la calle.

Banco de comprt>sores de alta presión

Cuya capacidad debe satisfacer la demanda de.aire que re­quiere la maquinaria de túne! y algunas de superficie.

Sala de bombas del escudo Contiene las bombas hidráulicas con sus respectivos depósi­tos de aceite y los tableros maestros. Es aquí donde se genera la presión que hace funcionar todo el sistema hidráulico det escudo.

Caseta de inyección Donde se fabrican las mezclas de cemento, bentonita, arena, agua. Pos'teriormente son enviadas. al túnel por medio de tuberías para ser utilizadas en el tratamiento de inyección de contacto entre dovelas y terreno nat.ural

Malacate de manteo El cual se utiliza para extraer por la lumbrera el material pro­ducto de la excavación y para introducir al túnel materiales de consumo.

Es más conveniente utilizar malacate de doble tambor que de tambor sencillo, va que se agiliza la operación.de manteo, estando esto condicionado por el diseño del sistema.··

Servicio médico Constade una sala de espera, 2 consultorios, oficiriá médica, archivo, cuarto de curaciones, laboratorio y la cámara médi­ca, así como las instalaciones auxiliares de ésta (oxígeno pa­ra tratamientos, aire comprimido de emergencia, mezcla de aire nitrógeno, agua ~ontra incendio, etc.). ·

Un compresor de alta presión suministra el aire a utilizarse en la .cámara médica, el cual es tratado en un enfriador y un separador de impureZas después de salir de los tanques de al­macenamiento hacia la cámara.

Banco de compresores a baja presión Los cuales suministran el aire que se utiliza en el túnel para mantenerlo presurizado.

Corrio anteriormente se dijo, este ·aire circula a través de ínter­enfriadores de agua para reducirle la temperatura de 55° a 26° e aproximadamente, dándole posteriormente un tratamiento de purificación para poder .enviarlo al túnel en condiciones aceptables de pureza y temperatura. El agua utilizada en

85

enfriar el aire se trata en una torre de enfriamiento para vol­verla a recircular por los mismos ínter-enfriadores, formando así un circuito cerrado. ·

···.,' la presión de aire en el túnel es controlada en superficie por una válvula reguladora, la. cual se cierra o se abre automáti­camente de acuerdo a las necesidades del mismo, sin que es­to implique variaciones notables en la presión.

Talleres Se debe contar con taller mecánico, eléctrico, de soldadura y · carpintería. ·

Almacé11 Se debe contar con las 'refacciones V los materiales básicos que requiere la obra por un período de un mes.

Vestidores y bancos.

Para cargar de las baterías de las locomotoras eléctriéas.

12.12 Esdusa de descanso Cuando los tiempos de descompresión son largos, resultá in­cómodo para. los trabajadores el des'coinpríinirse en la esclu-sa de personal ya que se tiene espacio muy reducido. _ .

Para· tal efecto se debe instalar una cámara de descanso a presión, la cual cuenta con sillas acoginadas, regaderas, sani­tarios, T.V. y sobre todo mayor espacio ..

12. CONCLUSIONES

los trabajos que se han desarrollado con aire comprimido han arrojado resultados satisfactorios·, adaptándose el perso-nal rápidamente al ambiente hiperbárico. ·

En lo que a rendimiento se.refiere se mejoran ligeramente en comparación de los frentes en que no se usa aire compri­mido. la aplicacióñ de este sistema tiene sus limitaciones,- ya que para condiciones más desfavorabfes del terreno, habría la ne­cesidad de establecer turnos de trabajo muy cortos· por tiem­pos de descompresión muy prolongados, lo cual haría este sistema antieconómico.

EXCAVACION DE TUNELES MEDIANTE El USO DE TOPOS O MAQUINA$ EXCAVADORAS OE TUNELES EN ROCA

H. Canseco Aragón

la excavación de túneles en roca mediante el uso de estas máquinas c!,io comienzo en 1958 cuando la compaflía Rob· bins (USA) empleó una máquina de 3.2 m de diámetro en un túnel para el drenaje de Toronto (en 19551a misma compaflía Robbins fracasó en un intento por usar una máquina de este tipo). El avance máximo obtenido de 35 m/día demostró sin ninguna duda que la época de la construcción de túneles en roca dura totalmente mecanizados había llegado.

A partir de ese momento el auge de los topos hizo que los proyectos imposibles se tornaran en prácticos y comunes.

A la fecha,'en los países desarrollados es una práctica común diseflar grandes proyectos tomando en cuenta la confiabili­dad de topos con diámetros superiores ~ 10.6 m.

Aunque la mayor parte de los éxitos de los topos han sido en roca dura, la posibilidad de encontrar fallas, acuíferos y suelos inestables han obligado a disenar todos los topos con el mismo principio del escudo; a la fecha estas máquinas es­tán constituidas por 2 corazas tipo escudo que se mueven en forma telescópica una con respecto a la otra, estando la co­raza trasera soportada por gatos hidráulicos de tal forma que se permita un movimiento articulado para mejor guía.

A diferencia de los escudos, los topos no se apoyan contra el revestimiento del túnel para avanzar (cuentan con "patas" laterales) y tampoco requieren colocar revestimiento a base de segmentos (esta actividad depende de la calidad de la ro­ca y del uso al que se destine el túnel), sin l;!mbargo en la m a~ yor parte de los casos se coloca el revestimiento conforme la máquina.

Al igual que los escudos, el futuro de los topos es muy promi­sorio.

En el reporte de la visita ai·Túnel Buckskin, de Arizona (USA), se da un panorama amplio de este equipo, y se anotan las características importantes del proyecto.

1. INFORME DE UNA VISITA Al TUNEL BUCKSKIN LOCALIZADO EN ARIZONA

1.1 Característi<:as generales del proyecto

localización del sitio Buckskin Mountains, cer.ca de de la obra Parker Arizona.

86

longitud total de la excavación

longitud excavada al momento de la visita

Uso final

ClasifiCación geológi· ca de los materiales atravesados

Instalaciones, ma­quinaria y equipo

10 700 m (35 000 ft.).

9 965.4 m (32 695 ft.)

Conducción de agua.

Andesita, conglomerados y tobas, con resistencias variables ·entre 700 a 2 800 kg/cm2 (10-40 ksi) de­terminadas en pruebas de com­presión simple.

la Planta de Dovelas se 'localiza a suficiente distancia del portal de entrada al túnel, dicha. plan· ta cuenta a su vez con una planta para fabricación de concreto, zona de colados, zona de curado, tol· vas para suministro de gravilla y cemento para la inyección, sistema de vías para movimiento de las "corridas" de rezaga, preparación de los trucks para transporte de las dovelas, reparaciones de loco· motoras y las zonas de talleres e instalaciones de energía comunes a este tipo de obras.

las corridas que se usan constan de un carro para transporte de dovelas que cuenta con un recipiente de gravilla (5 gal.) para preparar la cama en donde asienta la dovela de la plan­tilla, un carro para suministro de gravilla, 8 carros para trans· porte de rez¡1ga con capacidad total de 128 yd3 (16 yd3fc) y una locomotora eléctrica o diese! que empuja toda la corrida hasta el primer cambio california que se encuentra en el irite­rior del túnel (aproximadamente a la mitad de la longitud ex­cavada). En este cambio se efectúa la transferencia de las corridas llenas con las corridas vacías que van hacia el frente.

Antes de llegar al frente se localiza otro cambio california en el cual se encuentran las instalaciones para la inyección; carros "Morán" y bombas.

En la zona del frente se encuentra el tren de equipo que transporta todo el equipo necesario para el funcionamiento de la máquina excavadora. Dicho tren es una plataforma que va montada sobre la vía central del túnel por medio de un conjunto de ruedas metálicas. En sus partes láterales se apo-

------~~- _-_0 ____ ;,_--~~ --------

ya directamente en el,revestimiento a traves de otro conjunto de ruedas con revestimiento de hule.

En el frente de excavación se localiza la máquina excavadora.

Durante el trayecto también se obs~rvaron dos pequenas lumbreras usadas exclusivamente para ventilación; en la pri­mera existía solamente ventilador expulsando aire hacia el frente, en tanto que en la segunda la instalación de tubería ae ventilación continuaba hasta la rampa del tren de equipo.

1.2 Características de la máquina excavadora

Diárn.etro interior

Tipo

Marca

i Modelo

Sistema de excava- : ción

Sistema de. erección, de dovela·s ·

Giro del cortador

Sistema de acarreo de rezaga

Avance del cortador y la· máquina

7.16 m (23 ft. 5 pulg.).

"Topo".

Robins.

233-172.

. Cortador rotatorio en forma de · ··. domó al frente, provisto con 58

discos cortadores de 15 1/2", de . alta capacidad para altas relacio­

nes de penetración en roca dura y máxima vida del cortador; nor­malmente se excavan 1.5 metros en un tiempo de 20 a 25 minutos y la vida útil de los dientes es de 10 000 ft.

· Anillo erector.

6 motores eléctricos de 200 · HP c/u, localizados alrededor de la flecha y caja de transmisión:

2 velocidades de operación; velo­cidad estándar para operación

· normal y baja velocidad para operaciones en condiciones de suelos difíciles.

·Además los motores eléctricos es­tán provistos de clutches conec­tados a reductores de velocidad.

los baleros principales son lubri­cados a presión, antifricción y doblemente sellados, de tal forma que absorben altas cargas del cor-tador. ·

A través de una banda transporta­dora localizada en la parte cen­tral superior y que descarga en las bandas instaladas en el tren del equipo.

1.50 m (5 ft .), a través de 4 gatos hidáulicos de 13" f/J colocados diágonalmente apoyados contra el cuerpo de. la máquina. Normal­mente excava -1.5 metros en un tiempo de 20 a 25 minutos.

87

Sistema usado para avance y alineamiento

Giro del erector

Presión hidráuli!=a para operación del sistema

. de ·,Péitas" .

Presión hidráulica para el resto del sistema

longitud del faldón

Espesor del faldón

Tipo de faldón

la máquina se-mueve en dos partes y por lo tanto en dos etapas. En la primera etapa se avanza solamente la parte. frontal (correspondiente al cortador) a medida que el cor-

. tador excava. En la segunda etapa se avanza . en forma telescópica el r~sto de la máquina (permane­ciendo fijo el cortador).

,Para cada uno de los movimientos ambas partes cuentan c_on su pro­pio sistema de gatos hidráulicos que les permite apoyarse contra

· el ·terreno del túnel excavado; dichos gatos accionan un conjunto de placas que se apoyan a mane­ra de "patas" en Iéi periferia del túnel excavado, dejando fija una de las partes mientras la otra se

· desplaza impulsada por los 4 gatos hidráulicos diagonales.

El sistema de "patas" permite ali­near la máquina durante el ciclo de excavación.

A través de 2 motores hidráulicos localizados en la sección inferior y equidistante respecto al plano . vertical que pasa por el centro de "fa máquina.

3 OOO.psi.

2 500psi.

1.83 m (6').

2.54 cm (1").

Abarca solamente la media se.c­ción superior.

1.3 Descripción del procedimiento constructivo

El ciclo normal de operación consta de las siguientes etapas: 1 .. Excavación del frente avanzando el cortador.

2. Rezaga de los materiales excavados hasta el tren de equipo.

3. Avance del resto del cuerpo de la máquina.

4. Colocación del revestimiento.

5. Colocación e inyección de gravilla con calafateo de fas juntas entre dovelas.

ó. Inyección de contacto.

7. Colocación de la vía.

A continuación se realizan descripciones necesarjas par,!!l fa­cilitar el mejor entendimiento del ciclo.

1.4 Descripción del anillo erector

El grado de eficiencia observado en el anillo erector es muy digno de mencionarse. El anillo erector consiste en una estructura circular rígida que gira alrededor de una gran co­rona. Para levantar y colocar las dovelas está provista de otra pequena estructura que se mueve prácticamente en todas direcciones:

a) Desliza en forma longitudinal respecto al eje del túnel a través de 2 tubos de 10" de diámetro, siendo generado este movimiento por medio de 2 gatos de 2" de diámetro y 40 pulgadas de carrera.

b) Se mueve hacia arriba o hacia abajo por medio de 3 g~­tos hidráulicos colocados en forma entrelazada. Este movimiento facilita ef izado de las dovelas sin necesidad de guardar una posición radial.

e) Cuenta con gatos hidráulicos para accionar los pernos (2 1/2" $)que se introducen en los agujeros de las dovelas.

d) Puede girar alrededor de un eje perpendicular al centro del túnel de tal forma que es posible izar una dovela en la posición en que se encuentre. Este movimiento puede hacerse manualmente.

Otras características importantes son:

Máxima velocidad de rotación

4 Roles guías

Bombas hidráulicas

1 r.p.m.

localizados a 45° respecto a la vertical en los 4 cuadrantes y 25" dentro del cuerpo de la máquina.

localizadas en el lado derecho del tren de equipo y conectadas independientemente del resto del sistema hidráulico (originalmente estaban interconectadas).

Como resultado se obtiene un sistema de erección muy rápi­do y versátil.

Problemas que se han presentado en la erec­ción del revestimiento

a) Por deformación del faldón. b) Por mal alineamiento del fal­

dón con el túnel excavado.

1.5 Características del revestimiento de concreto

No. de segmentos por anillo

Junta entre dovelas

Ancho

Espesor

Diámetro interior·

Diámetro exterior

4; urió en la plantilla, 2 laterales y uno en la clave. A cada 90° y con los extremos ahusados aproxima­damente 11 ° en el sentido longi­tudinal al eje del túnel. ·

Formando un machiembrado con lengüeta al centro. Sin tornillos.

152.4 cm (60").

15.24 cm (6"). la parte más gruesa de la pl¡mtilla es de. 24.13 cm.

6.70 m (22').

7.01 m (23').

88

Materiales

Sello entre dovelas

Calafateo de las juntas

lainas

Anclaje para vía

Anclaje para tubería de ventilación

Agujeros para izajee inyección '

Concreto precolado de 350 kg/ cm2 (5 000 psi), reforzado con malla. de alambre No. 35 (a cada 1 O cm) X 1.8 (a cada 45.7 cl')1), en cada cara. El segmento de la corona tiene un emparrill~do adicional en el centro de la cara interior hasta 1.52 m a ambos lados del eje.

Cemento tipo 11

T amano máximo de agregado 3/4"

Tiras de poliuretano poroso de 1.2 in X 3/8" adheridas a todo lo largo de la unión entre segmentos a base de un pegamento. Este mP terial se conoce con el nombre de Rubetex 411 y es producido por Rubber de New Jersey. Se supone que dicho material es resistente al fuego y es capaz de comprimir­se hasta ser de 1/8" de espesor.

las rellenan con Mono-Calk 100, el cual se coloca con un dispositi­vo con motor en el cual bombea (como sí fuera grasa) el Mono­Calk a través de una manguera. Antes de colocar el Mono-Calk 100, se limpian las juntas con un chiflón de aire a presión.

Además observamos placas de baquelíta pegadas en las juntas de unión transversales (aisladas), las cuales se usan para corrección de los planos de contacto y quizá para emparejar el anillo respecto a la curva del .trazo sobre el que se encontraba la máquina en el momento de la visita.

Al colocar el segmento de la plan­tilla se dejan ahogadas 8 prepara­ciones de 5/8" de diámetro, para anclas tipo Burke o Raymond.

los rieles se atornillan a cada seg­mento a través de estas prepara­ciones.

En el segmento de la corona se de­jan 2 preparaciones iguales a las anteriores.

Todos los segmentos se encuen­tran colocados dejando 2 aguje­ros de 2 3/4" de diámetro y ahusa­dos 1/8" para facilitar el remover los tapones despues de colar. So­lamente en el segmento . de la plantilla dichos agujeros no se usan para izarlo, porque se cuen­ta con una estructura especial formada con viguetas que se ator-

/

Colocación de segmentos

Gatos hidráulicos usados en el armado del anillo

Liga entre anillos

nillan en las preparaciones para la vía, de tal forma que el seg­mento de la plantilla se levanta del' carro' que transporta los seg-

',mentos pot medio de un malaca­te eléctrico que corre a lo largo de la parte superior de la estruc­

' tura del tren de equipo hasta co­locarlo en su posición definitiva (sin usar el anillo erector).

Todos los segmentos son izados y trasladados del carro de segmen­tos (localizado al frente de el tren de equipo} hasta el faldón de la máquina por mediO-del malacate eléctrico ya mencionado. Previo a la colqcación ,del segmento de

, la plantilla se coloca una cama de gravilla para recibirlo. En la zona de los segmentos laterales se coloca una tira tubular de po­liestireno de 3" de diámetro que queda entre el terreno y el revesti­miento (tiene como finalidad suavizar el as~ntamiento del seg­mento sin que se fracture).

Antes de colocar el segmento de la corona se inyecta gravilla en .la corona del anillo anterior a través de unos cortes que le hicieron al. faldón (usando una manguera de 2 1/2" de diámetro y 2 lanzadoras Reed).

Los tiempos. normales para colo­cación de un anillo son: Inyección de gravilla 10 a 15

minutos Plantilla 3 minutos Lado izquierdo 3 minutos Lado derecho 3 minutos Inyección de gravilla 10 a 15

Corona Total

minutos 4 minutos-23 a 28 minutos

Para facilitar la colocación de las dovelas se usan los 10 gatos hi­dráulicos que existen en la parte trasera de la máquina. Estos gatos presionan los segmentos ante­riores (a falta de los tornillos de unión). Además usan cunas de madera· para alinear las dovelas durante su colocación.

Una vez armado el anillo se colo­can cadenas tensadas v sujetas

Supervisión de los segmentos coiecados

r

por medio de los agujeros de iza­je de los segmentos (6 anillos atrás). Las cadenas también eje­cutan la funCión de los tornillos de unión para evitar que el faldón arrastre los segmentos debido a la fricción que se desarrolla durante el avance de la máquina.

Se .ejerce un estricto control de calidad de lonegmentos fabrica­dos y colocados. Si el segmento se rompe de los bordes al extraerlo de los moldes (que es frecuente) se repara pintando epoxy sobre el área y rellenando con una mezcla de epoxy y arena. La rnisma ope­ración se ejecqta con los segmen-

. tos que están colocaaos y que por diversas razones se rompen. 'No se permite colocar segmentos da- . nadas a menos que Jos danos· sean mínimos.

1 6 Descripción del tren de equipo deslizante

Arreglo general El tren se localiza a 1.5 m atrás de el faldón de la máquina y es jalado con dos cables de acero de 1 3/8" de diámetro que están conecta­dos a la viga principal del cortador y a una viga de la estructura para alojar el equipo (2a. sección). Tiene montados dos juegos · de vías de 36" de separación, y toda la estructura para alojar el equipo. Además cuenta ,eon una rampa · para conectar con la vía central del túnel.

Hidráulico y equipo adicional

Equipo instalado !

La estructura para el equipo consta de secciones típicas en forma de marco de 15.5' de longitud, ex-cepto las dos más cercanas a la máquina que son de 45' de longi­tud. La longitud total de la estruc­tura es de 240'. En el caso izquierdo (viendo hacia el frente) se locali­za un andador y sobre el lado de­recho está colocado el equipo.

En la parte central superior de la estructura está colocado un siste­ma de bandas transportadoras con una tolva receptora que puede desplazarse a lo largo de las bandas guiadas por un operador, y de esta forma llenar cada uno de los ca­rros de la corrida que están esta­cionados en el tren. En la parte frontal superior se localiza el ma­lacate eléctrico que se corre a lo largo de 2 vigas de 12" y en la parte trasera superior se localiza la es-

tructura para colocación de la tu­bería de ventilación (a un lado de la rampa).

las secciones de ·la estructura están conectadas con 3 tor­nillos a través de tubería; 2 en la parte inferior y uno en la parte superior.

También se observaron; las instalaciones eléctricas en. la parte trasera de la estructura, instalaciones para inyección de gra­villa e inyección de lechada y estantes para colocación de materiales de uso continuo.

las ruedas laterales para estabilizar el frente son de 4" de es­pesor por 12" de diámetro y 3 por conjunto.

El sistema de ventilación es bastante novedoso, consiste en un brazo erector en el cual se coloca un tubo de ventilación el brazo levanta el tubo y lo coioca en la posición para ser to~ mada por una estructura tubular que se abre y cierra (puertas tipo "Bombay"). Una vez que la estructura se cierra, el tubo queda en su interior deslizándose en forma telescópica. Esta tubería es de 48" de diámetro.

Como sistema de ventilación adicional, sobre ambos lados de la estructura se encuentran instaladas líneas de tubería de 24" de diámetro que llegan prácticamente hasta et frente de la

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máquina, alimentando aire fresco y extrayendo aire viciado del frente (sobre todo el polvo producido por la rotación del cortador).

1.7 Pro~:;edimiento. de inyección

La inyección de la cubeta se ejecuta a luna distancia aproxi­mada de 45 m atrás del frente colocando primero una inyec­dón de tapón. El resto de la inyección se ejecuta en el cam­bio california eri el que se encUentran las instalaciones para la inyección (aproximádamente 500 m atrás del frente) El ce­mento se atrae en seco usando los carros Moran Se emplean bombas Moyno para inyectar.

1.8 Control topográfico

Se lleva a cabo con dos rayos láser localizados a media sec­ción en ambos lados del túnel (cada uno con su tarjeta res­pectiva). Este control se usa parael avance de la máquina y pára la colocación de segmentos. En el tiempo de nuestra vi­sita estaba en operación solamente el lado izquierdo debido a la curva del trazo de proyecto y el procedimiento para ob­tener resultados es el· convencional, medición de distancias de refere.ncia a base de cinta y plomada.

1.9 Colocación de vía

Conforme el tren es movido hacia adelante se van colocando tramos de riel de 3.0 m de longitud.

COSTO DE TUNELES

V. Hardy Mondragón

1. · INTRODUCCION

El hablar sobre los costos en cualquier proceso de construc­ción ingenieril implica un amplio tema que presupone que se ha partido de una base sólida del conocimiento de los métodos de construcción equipos, sistemas de información geológicos, estructurales, de mecánica de rocas y uso ~e explosivos, concretos, etc.; en donde el principio y el fin de la planeación y ejecución de la obra nos dará una base de presupuesto, un ordenamiento de actividades y su corrrelación con los gas­tos que ello representa así como el testimonio escrito de las variaciones que dichos gastos tienen en el transcurso de los. trabajos. Esto es en sí lo que implica utilizar el término "cos­tos" en un sistema de trabajo de construcción. Se dice que presupuestar una obra de excavación de un túnel, es el arte· de plasmar todo un proyecto en papel, evaluando adecuada­mente los costos de la construccióf! planeada en todos sus conceptos.

Para ello se debe escoger el método de construcción de túne­les más adecuado, dependiendo de· la relación estrato­geológico-sección-programa. Es obvio que habiendo diferen­tes equipos, formas de ataque, condiciones de tiempo y terreno, no se pueda hablar del método más eficiente, seguro y costeable sino más bien de qué sistema puede resultar más adecuado y hacer el presupuesto más competitivo en una li­citación pública.

El costo estimado de cualquier proyecto debe incluir costos de equipo, mano de obra, materiales, refacciones, supervi­sión y escalamiento de precios dependiendo de la duración de. la obra. En este último aspecto (escalamientos) debe de tratarse como un tema especial y motivo de un ahálisis por separado debido a los drásticos movimief)tos económicos que en la actualidad afrontamos.

Contingencias normales, utilidades, seguro, intereses y otros no son considerados en este costo, ya que siendo estos cos­tos indirectos, su incidencia recae directamente sobre el pre­cio de venta y no en el costo real del trabajo ejecutado.

Cuál es er objeto entonces de un presupuesto en un túnel, si­no que el tener una base sólida para poder licitar una obra y obtener una utilidad razonable. Ahora sí podemos decir que si se quiere entrar al grupo de constructores en excavaciones en roca es necesario proyectar y planear una obra determina­da de tal forma que sus costos sean lo más apegados a la rea~

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lidad para que las consideraciones de cotización coincidan con lo que realmente se erogará. ·

Esto, implica un conocimiento a fondo de los procedimien­tos de construc'ción, los ejemplos idóneos de acuerdo a las diferentes características de la obra, el factor tiempo y la combinación que se haga de todos ellos para optimizar los recursos dentro de un costo que quede circunscrito en los pa­rámetros fijados en la planeación.

La persona que realiza esta función primordial en ~ualquier proyecto debe tener ciertos atributos, aún cuando de nuestro medio son perfectamente identificados los conocedores de . la materia. Sin ir más lejos, se ven en cualquier visita que se ' hace para concursar una obra y ahí evalúan todos los efe: mentos que son de importancia e incidentes en sus apre­ciaciones para cotizar los diferentes conceptos de obra que se especifiquen; tratando de incluir en ellos todos los ele­mentos que representan una erogación. Los atributos a que hacíamos mención; aun cuando son cualidades que el senti­do común y la misma esencia de la actividad presuponen, pueden enmarcarse en los siguientes conceptos.

a) Educación, integridad y temperamento. Tiempos definidos de trabajo para la presentación de la cotización exigen del "ingeniero de costos" o encargado del departamento de concursos de un estricto control de la información y de la utilización del tiempo disponible en una forma que programe sus actividades con una visión de asignar la importancia y el peso que tiene cada concepto de la obra en cuestión.

b) Conocimientos de geología. El tipo de material de que se trate asi como su comportamiento normarán la forma de ataque y el equipo que se propondrá.

e) Preparación de programas. Un buen programador com­bina y agrupa actividades y operaciones de una forma lógica y económicamente factible.

E.l programa o programas nos fijarán frentes de ataque, númer:o de equipo, programa de abastecimiento de. ma­teriales, explosivos, refacciones, etc. El programar impli­ca una visión total del proyecto sin perder de vista los detalles. Los detalles conforman un buen presupuesto, pero una programación integral debe de abarcar todos los detalles y no que los detalles controlen al programa­dor.

d) Conocimientos de métodos de construcción y equipo. Es obvio que se debe estar al día con las técnicas y equipos existentes.

e) Conocimientos de costos. Tanto operativos como de as­pectos legales-laborales, fiscales, hacendarios y de dife­rentes métodos y sistemas constructivos.

f) Desarrollo de formatos, nomogramas y matrices. Que incluyan y relacionen conceptos varios de tal forma que exista una correlación de éstos con los costos y a su vez de los conceptos y su costo con los registros contables de la empresa.

g) Fianzas y seguros. Esto permitirá que se consideren estos conceptos en los costos que los mismos representen en los diversos incisos de obra y de actividades.

h) Reglas de seguridad y ope~ación. Estos puntos varían de­pendiendo de las diferentes dependencias, países y tipo de materiales .por excavar. Por ejemplo, ventilación (caustión o esquistos versus granito, diorita, lioleo empa­cado, etc.), sistema de aislamiento eléctrico, cantidad de agua, protección adicional en zonas de falla pro­bables, etc.

i) Conocimiento de histórica. En otros túneles y situa­ciones pasadas, así como visitas a obras en proceso y literatura pertinente de otras obras que no son sino expe-riencias. · ·

2. FORMAS PARA ESTJMACION DE COSTO

Hay· muchos métodos para preparar la estimacion del costo de un túnel, teniendo cada uno sus propias ventajas respecto a los otros. Algunos ingenieros de costo solamente estiman el costo de la mano de obra, materiales y equipo para cada uno de los conceptos de trabajo, y luego se toman en cuenta el mantenimiento, supervisión, instalaciones y reparaciones.en una forma global; estos elementos del costo, se prorratean post~riormente entre los conceptos de obra. Este método de costeo. no es muy recomendable; ya que a mayor importe a prorratear menos precisa será la estimación de los conceptos de obra.

El formato para la estimación de costos debe disef'larse de tal forma que sea sencillo de llenar y al mismo tiempo sirva de guía para la contabilidad de los costos de producción. Si la contabilidad de costos se apega al catálogo de conceptos y viceversa, será más sencillo para el ingeniero el comparar sus costos reales con los costos estimados y así ejercer un. mejor control sobre el trabajo, además de que se puede crear un archivo que sirva para futuros proyectos.

3. PASOS QUE St DEBEN SEGUIR EN lA PREPAC/ÓN DE UNA ESTIMACION DE COSTO

Los pasos que se siguen e~ la estimación del costo de ~n tú­nel, están interrelacionados, por lo que los factores que Se empleeri en uno de los pasos puede afectar las decisiones que se tomen en otras. Esto hace imposible el preparar una estimación del costo en el orden exacto en que se presenta a continuación y requiere una revisión continua de todos los pasos precedentes cuando se ha terminado con uno adi­cional. Debe tenerse en cuenta cÚando se prepara una esti-

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mación del costo, que el concepto que mayor peso tiene es · la mano de obra y el hecho de que este costo varía con la ve­locidad de avance, procedimiento constructivo y tipo de equipo.

Los pasos que se recomienda que se sigan en una estimación de costos para un túnel, son los siguientes:

a) Estudio de planos y especificaciones. b) Inspección del sitio. e) Revisión geológica. d) Catálogo de conceptos. e) Cotizaciones de materiales y subcontratos. f) Salarios de la mano de obra. g) Procedimiento de excavación. h) Selección del equipo. i) Planeación de la excavación y preparación de un progra­

ma de construcción. j) Instalaciones y planta de construcción. k) Estimación del costo de la mano de obra de la excava-·

ción .. 1) Estimación del costo de los materiales de la excavación. m) Estimación del costo de la mano de obra del revesti­

miento. n) Estimación del costo de los materiales· del revestimiento. 1'1) Estimación del costo directo de otros conceptos del ca-

tálogo. o) Tabulación de los costos directos .. p) Estimación del costo de las instalaciones y equipo. q) Estimación del costo indirecto. r) Estimación de los costos de campamento. s) Escalación. t) T abulacióri del costo total estimado. u) Información a niveles superiores.

A continuación, se desarrollan brevemente cada uno de los pasos sugeridos.

a) Estudio de planos y especificaciones

Cuando se hace la revisión de estos documentos, debe tener­se en cuenta el hecho de que son del cliente y que fueron escritos para su beneficio y que se interpretan y se harán cumplir por ~u supervisión.

Se debe poner especial cuidado a las cláusulas generales y especiales propias del proyecto para determinar si hay for­mas en que el contratista pueda incrementar sus precios, y si hay cláusulas que permitan el alargamiento del tiempo de ejecución en el caso de condiciones geológicas diferentes, huélgas, condiciones meteorológicas, etc.

Las condiciones de pago y los conceptos del catálogo debe­rán revisarse para determinar si hay provisiones para pago al contratista por movilización y demovilización, si el cliente hará retenciones y en qué porcentaje, cómo y cuándo se ha­rán los pagos y si éstos son en base a precios unitarios o can­tidades de soportes de acero, el ademe y la inyección de con­tacto en algunos casos, constituyen algunos de los riesgos que se pasan al contratista, y éste debe reconocerlas al pre­parar su propuestac/

los planos y especificaciones deben reunirse con mucho cuidado para determinar si hay costos adicionales en la cons­tr.ucción. Estos costos pueden resultar de la propia localización del proyecto o de consideraciones constructivas especiales. Un ejemplo típico de este último caso, podría ser el siguiente:

los portales de un túnel de desvío pueden estar localizados bajo el nivel del agua; para trabajar en seco, será necesariO construir ataguias, o dejar una cierta longitud de túnel sin ex- . cavar para que sirva como tapón. Si se erilplea este último método, el tapón del;lerá removerse al terminar la excava­ción. Todos fos costos adicionales que ocasiona el procedi­miento constructivo empleado, deberán tomarse en cuenta en esta fase de la estimación del costo.

b) Inspección al sitio . .-/

la visita detallada al sitio debe realiz.arse una vez que se han estudiado todos ios planos y se han entendido las especifica­ciones. En este viaje de inspección, debe ponerse especial cuidado a los puntos que pueden· causar problemas espe­ciales en el desarrollo del trábajo. Siempre es/ aconsejable llevar un juego de los documentos de licitación para aclara­ciones en el sitio mismo de dudas que puedan surgir. Se reco­mienda que se ponga especial atención a los siguientes as-peétos: ·

1. Poblados cercanos para oficinas y alojamiento.

2. Acceso al sitio del proyecto.

3. Facilidades de energía eléctrica y agua.

4. El sitio donde se t>xcavará_n los portales deberán exami­narse para estimar los costos necesarios y qué tipo de excavación y método de estabilización de taludes será necesario empléar.

5. Tiraderos de desperdicio su localización, acceso y trata­miento.

6. los bancos de materiales para producción de agregados deben ser analizado_s en su calidad y potencia probable caminos de acceso, área para almacenamiento, y distan­cia a las plantas de producción de concreto o de tritura­ción.en su caso.

7. Todos los datos correspondientes a la geología del túnel sobre su eje deberán ser cuidadosamente examinados ya que tendrán influencia sobre la selección de equipo, méto- . do de soporte y velocidad de avance.

8. los salarios y la disponibilidad de mano de obra calificada y no calificada cercana, así como los sindicatos que ope­ran en la región y Jos pagos que por regalías se deben hacer, deberán tomarse en cuenta para el cálculo de los costos. Asimismo se debe hacer un estudio de mercado para de­terminar la disponibilidad de materiales y equipos y re­facciones.

e) Revisión geológica

El factor controlante en la planeación y cálculo de la excava­ción de un túnel es la velocidad de avance promedio que se pueda obtener. Uno de los factores aleatorios que más afec­ta la velocidad de avante es la naturaleza del material que se va a excavar. Tomando en cuenta la dificultad que presen-

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te el terreno, si se hace una buena estimación de la velocidad de avance, la obra generará ~inero. Toda la información geo­lógica que pueda obtenerse del cliente y de agencias dedica­das a este tipo de estudios, deberá interpretars.e Y\estudiarse en relación al túner que se va a excavar.

En la construcción de túneles: la naturaleza del material afecta todas las fases del ciclo de trabajo inCluyendo la velo­cidad de barrenación y rezaga, cantidad de ademe, sobreex-cavación y manejo del agua. ·

Debe también tomarse en cuenta la. experiencia que se haya tenido en túneles de la región, ya que es muy probable que se encuentren problemas similares.

d) Catálogo de conceptos

En cualquier discusión sobre el catálogo de conceptos, es ne­cesario definir perfectamente tres términos: volúmenes de

.obras estimados .. volúmenes más aproximados sobre el pro-yecto. ·

1. . los. volúmenes de obr;Í estimados son cantidad{!s que se toman de los planos de licitación y las especificaciones y representan para el contratista los volúmenes más aproximados sobre el proyecto.

2. los volúmenes de licitación son las cantidades impresas en las hojas del catálogo de conceptos. Estas cantidades las proporciona el cliente y se emplean para tener una base consistente en la comparación de oferta. los volúmenes de l-icitación multiplicados por los precios unitarios, re­sultarán en el importe total de la propuesta.

3. los volúmenes de pago finales son cantidades de mate­riales medidas durante la construcción. los volúmenes de pago finales multiplicados por el precio unitario de la oferta, darán el importe del pago total al contratista.

los volúmenes de la obra que se obtienen de planos, especifi­caciones y visitas al sitio deben ser Jo más aproximado posible por las siguientes ra;zones:

1. Son necesarios para verificar Jos volúmenes de licita­ción. En cualquier concepto donde las cantidades de pago finales vayan a ser menores que los volúmenes de lici-. tación, el prorrateo del costo a este concepto debe man­tenerse a un mínimo o el contratista no será propiamente reembolsado por este costo.

2. Son necesarios los volúmenes de obra estimados para determinar el número de metros lineáles que van a ser soportados por diferentes sistemas de ademe, así como su separación. Una vez determinada la longitud de túnel que requiere soporte, se puede calcular el número total y el peso. los volúmenes de obra así determinados, tienen influencia sobre los costos directos de la excava­ción del túnel, ya que un túnel.ademado es más costoso que uno no ademado.

3. los volúmenes de obra estimados son necesarios para determinar la sobreexcavación. El .costo de la sobreexca­vación, y el concreto adicional que se requiere para rellenarla, no son conceptos de pago por lo que se deben estimar volúmenes para el cálculo del costo. Estas canti-

l

dades deberán tomarse en cuenta para el cálculo de la capacidad del equipo de construcción.

4. Los volúmenes de obra estimados son necesarios para determinar el número de metros cuadrados de formas para vaciado de concreto y la relación de metros cuadrados de forma por metro cúbico de concreto para . trabajos diferentes al revestimiento. Mientras más delgada y compleja sea una sección de concreto, mayor será fa relación de forma (m2 formafm3 de concreto), y debido a este pequeno volumen y complejidad, mayor será el cos­to de colocación.

5. Los volúmenes de obra estimados se emplean cuando el . costo de una operación se divide entre la cantidad de trabajo a ejecutar para llegar al precio unitario que se concursará. Esto resultará un costo unitario más aproxi­mado que si los volúmenes de licitación son los que se toman en cuenta.

e) Cotizaciones de materiales y subcontratos

Para preparar una estimación del costo no debe perderse mucho tiempo en el cálculo del precio de los materiales o subcontratos; pueden emplearse costos pasados con factores de actualización para hacer el estimado.

Las cotizaciones de materiales y subcontratos deben solici­tarse de inmediato un'a vez que se tienen los documentos de licitación.

La única ventaja que ofrece la subcontratación en un túnel, es que el contratista puede dedicar todo su esfuerzo en el propio túnel, otra ventaja puede ser que la subcontratación de un trabajo fija el precio de ese trabajo antes de que se pre-sente la oferta. ·

f) Salarios de la mano de obra

El tabulador de salarios es normalmente uno de los principa­les documentos que se producen, y que debe circularse ato­do el personal que tiene ingeniería en el cálculo de los pre­cios unitarios. Además de los factores que comúnmente tienen influencia en el cálculo de los salarios (IMSS, Ley Fe­deral del Trabajo, Impuestos, INFONAVIT, etc.), deben to­marse en cuenta los siguientes factores:

1. Costo por hora efectiva.

2. Porciento de horas extras debidas a: a) Cambios en el material de la frenta. b) Tiempo de viaje a la frente. e) Previsión para horas de alimentos. d) Tiempo extra.

3. Bonificaciones por avance.

4. Factores de salarios mínimos y de condiciones locales.

5. Pagos por viáticos, ayudas alimenticias, etc.

6. Gastos médicos en caso de no existir las facilidades para emplear las que ofrece el Estado.

g) Procedimiento de excavación

Después del estudio de planos y especificaciones, visita al si­tio y revisión de las características físicas del material, la pri-

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mera decisión importante que debe hacerse, es respecto al procedirn iento de construcción.

De acuerdo a la sección por excavar, a la naturaleza del terreno y a las condiciones generales del sitio, deberá elegir­se el procedimiento de construcción del túnel, que puede ser:

1. Topo: Utilizable únicamente $i se cumplen las condi­ciones siguientes:

a) Que las condiciones geológicas no sean cambiantes.

b) Que se disene el cortador en función de la roca que se va a cortar.

e) Que el túnel sea lo suficientemente largo para garan­tizar la amortización de la máquina.

d) Que el túnel tenga sección circular.

2. Minero continuo: Utilizable en túneles en que la roca no es muy du'ra y el número de cambios de posición no es demasiado respecto a la sección transversal.

3. Jumbo de barrenación: Para el método convencional cuando la sección garantice su plena utilización.

4. Perforadoras: Normalmente de pierna, y en secciones pequenas o cuando se use el método de túneles piloto, galerías, frente en túnel y banqueo, etc.

5. Escudos: Utilizados para excavar en suelos blandos, ya sea de frente abierta, cerrada, bentonita, con platafor­ma, extendibles para efectuar la excavación o números continuos montados y también pueden emplearse con aire comprimido.

El tipo de equipo que se decida emplear: dependerá en gran medida del procedimiento de excavación que se elija: top head­ing y banqueo, sección completa, túneles piloto, galerías múltiples, etc., y tendrá una gran influencia en la velocidad de avance que se proponga dar.

El siguiente paso para determinar el procedimiento construc­tivo es la determinación de frentes que deben abrirse para cumplir con el programa del cliente. Cuando se tunelea con el método convencional, un programa tentativo debe ser de­sarrollado de tal manera que el número de frentes para ter­minar los trabajos dentro del tiempo límite del contrato pueda ser determinado. En el método convencional, el número y localización de las frentes tienen una gran influencia en el costo y debe entonces prepararse un estudio de costo aproxi­mado para determinar el número óptimo de frentes y su loca­lización.

Los análisis préliminares de tiempo y costo deben ser tabula­dos en forma tal que se puedan comparar los avances y los costos para que se pueda elegir la solución óptima. Se deben tomar en cuenta factores como frentes dobles, frentes alter­nas, accesos y lumbreras. Si la mejor solución es a base de un acceso o una lumbrera y estos trabajos no forman parte del

·catálogo de conceptos, deberán tomarse en cuenta como parte del costo de la planta de construcción.

Como normalmente el tiempo para presentar una oferta es muy corto, la experiencia y las tablas. que se publican en di-

ferentes libros, deben ser tomadas en cuenta para la prepara­ción de este estudio preliminar.

h) Selección del equipo

El siguiente paso es la elección del tipo y cantidad de equipo y planta de construcción requerida y la estimación de su costo. En la selección de equipo para un túnel se debe11 tener en cuenta Jos objetivos: el contratista tiene como principal ob­jetivo el llevar a cabo el trabajo en el menor tiempo posible y al menor costo. Estos dos objetivos están interrelacionados ya que aproximadamente el 80% del costo de la construc­ción de túneles es mano de obra, materiales, operación de equipo y rentas de equipo; estos elementos del costo son fun­ción directa del tiempo de construcción.

Cuando se selecciona equipo para construcción de túneles, a mayor inversión en equipo, menor costo de la mano de obra. El equipo de construcción para túneles es una inversión fija, de forma que la depreciación por metro lineal de túnel decrecerá a medida que la longitud del túnel se incrementa.

El costo de la mano de obra por metro lineal es independien­te de la longitud y varía únicamente de acuerdo al tipo de equipo empleado. De manera similar mientras más corto sea el túnel se puede gastar más en mano de obra para reducir la inversión en equipo.

la planta de construcción y el equipo que se requieren para diferentes métodos de construcción de túneles deben seguir el siguiente criterio:

1. El equipo seleccionado debe cumplir con el métod'o de excavación más económico.

2. E 1 equipo debe ser adecuado al tipo de terreno que se va a excavar.

3. . El equipo debe estar balanceado de acuerdo al volumen de trabajo.

4. Debe haber el suficiente número de equipos para cumplir con el programa.

5. El equipo debe estar balanceado en todas las fases del ciclo de trabajo.

6. El equipo debe ser capaz de cumplir con los requeri­mientos que impone la sección transversal del túnel.

7. El equipo debe cumplir con todas las normas de seguri­dad -reglamentos aplicables.

8. Dependiendo del tipo de roca excavada en el método convencional se deberá tener en la frenta el número de perforadoras óptimo de acuerdo al balance de equipo que se haya calculado. El tiempo muerto de equipo de construcción representa un costo no recuperable.

9.· El equipo para revestimiento del túnel deberá seleccio­narse de tal forma que las operaciones de producción, transporte, colocación, longitud de la forma, velocidad de vaciado, etc., estén balanceadas y den la producción requerida. Mucho cuidado deberá tenerse si las opera­ciones de excavación y revestimiento se llevan a cabo simultáneamente para no entorpecer los ciclos de ca­da actividad. Se recomienda el uso de diagramas de

95

cuadrillas para resolver las interferencias que pudieran surgir.

i} Planeación de la excavación y preparación del programa ·de construcción

Debido a que la velocidad de avance y la selección de equipo están íntimamente relacionadas una vez que el avan­ce ha sido determinado, se hace necesaria una revisión y ajuste a los cálculos hasta ahora realizados.

1. Velocidad de avance con el método convencional

La velocidad de avance con este método estará determi­nada por la eficiencia del ciclo de construcción y el número de ciclos que se puedan hacer en un día de trabajo efec­tivo.

la longitud de barrenación tiene una influencia definitiva en la velocidad de avance, y esto dependerá en gran me­dida de la longitud de túnel que pueda excavarse sin ne­cesidad de soporte. Tiene influencia también el tipo de diagrama de barrenación que se seleccione, y é~te una vez definido habrá que probarlo en campo, y ajustarlo de tal forma que se aproveche al máximo la longitud total de cada barreno. De lo que se trata en este caso es en ba­jar el coeficiente de barrenación (metros cúbicos/metro lineal) para ahorrar tiempo en el ciclo y hacer una barre­nación eficiente.

Una vez determinados los tiempos del ciclo de trabajo el número días por frente para un frente, frentes alter­nos, y para frentes múltiples (según sea el caso) deberá ser tabulado para fines estimati.vos. Deberán tomarse en cuenta los tiempos que toman todas las operaciones en cada caso para proceder a evaluar los diagramas de cuadrillas y obtener la velocidad de avance correspon­diente.

2. Velocidad de colado

Normalmente el costo del revestimiento de un túnel es de Jos conceptos que menos se toman en cuenta cuando se hace el estimado de costo de un túnel. Por esta razón, muchos contratistas tienen mayores utilidades en la fase de excavación que en la de revestimiento. Es recomen­dable que el avance del revéstimiento sea calculado se­paradamente en cada una de las operaciones que se mencionan a continuación para hacer un cálculo ade­cuado del ciclo:

Remoción de la línea de ventilación.

Reajuste de marcas de acero; reademado y ajustes generales de sistema de soporte.

limpiezas del túnel.

Manejo del agua.

Concreto en clave y cubeta.

Inyección de baja presión.

limpieza final.

Tiempo requerido para ensamblar el equipo y principiar cada operación.

los tiempos requeridos para las operaciones anteriores debe­rán tabularse para calcular los diagramas de cuadrillas y de aquí pasarán al programa general de construcción de tal for­ma que el tiempo total de construcción pueda ser determinado.

j) lnstal¡iciones y planta de construcción

Una vez que se ha localizado el sitio de la obra, se puede es­timar la planta y las instalaciones necesarias para llevar a ca­bo los trabajos. Algunas de las obras que puede ser necesario construir incluyen caminos de acceso, alojamientos, ofici­nas, talleres, plantas de energía eléctrica y de agua potable. Si en el catálogo de conceptos aparecen estos trabajos debe­rán entonces tomarse como costos directos, de otra forma se cargarán a planta de instalaciones como una parte del costo indirecto que se prorrateará en la obra.

k) Estimación del costo de la mano de obra de la excavación.

El costo de la mano de obra de la excavación es el número de días-cuadrilla multiplicado por el costo de la mano de obra por día. Los días-cuadrilla se determinan a partir de los diagramas de cuadrilla. El costo por día-cuadrilla se calcula multiplicando el número de personas de cada categoría por el costo por turno, de acuerdo a lo establecido en el paso f.

El tamano de la cuadrilla se determina de acuerdo al número de perforadoras en la frente trabajando y el avance requeri­do por día. Para determinar el tamano de la cuadrilla en un túnel es práctica común en separarlos del tiempo efectivo de operación de la máquina o incluirlas en la lista general de per­sonal, de todas formas se puede incluir dentro del costo ho­rario del equipo, pero se pierde el control efectivo· del costo real de la operación.

El tamano de la cuadrilla depende también de la sección transversal, y el método constructivo seleccionado y se ma­neja en una base por día en vez de por turno, ya que hay categorías que únicamente se requieren durante un turno al día.

Del costo por día-cuadrilla se puede obtener el salario, prome­dio por hombre por día para diferentes tamanos de cuadrilla.

Cuando los volúmenes de obra estimados difieren de los vo­lúmenes de licitación, el costo unitario más preciso se en­contrará dividiendo el costo total de la excavación entre el volumen de obra estimado. Este método da el costo unitario más acertado y no penaliza al contratista en la comparación final con otros concursantes.

1) Estimación del costo de los materiales de la excavación

Además de los materiales comunes como combustibles, lubricantes, aceites,· refacciones, etc., los hay que son espe­ciales de acuerdo al tipo de equipo y al material en que se ex­cavará el túnel.

Los materiales que varían· de acuerdo al tipo de material son:

Explosivos y artificios.

Acero de barrenación y brocas.

96

Madera.

Desgaste de elementos de corte.

los materiales que varían de acuerdo al tamano de la cuadri­lla son:

Botas de hule y equipo de protección.

Herramientas pequenas.

Equipo complementario de acuerdo a las condiciÓnes de la frente.

Los materiales que varían de acuerdo a la longitud del túnel son:

Tuberías de agua y aire.

Válvulas y conexión.

Tubería de ~entilación.

· líneas eléctricas.

Soporte para tubería.

Rieles y accesorios.

Acero y refuerzo y estru.ctural.

Se debe tener una provisión en el costo de Íos ·materiales pa­ra pérdidas en inventarios.

m) Estimación del costo de la mano de obra de revestimiento

la misma forma que se emplea para el cálculo del costo de las cuadrillas de excavación se emplea para el cálculo de las cuadrillas de revestimiento.

las cuadrillas para el revestimiento varían con cada tipo de arreglo y solamente pueden ser descritas en términos muy generales. Por ejemplo la cuadrilla para colado de clave con­siste de personal para realizar las siguientes operaciones:

Manejo de agregados.

Mezcla y carga de concreto.

Transporte.

Vaciado de concreto al equipo de colocación.

Operación del equipo de colocación.

Movimiento de tubería.

Operación de vibradores.

Curado y resanes.

Mecánicos.

Electricistas.

Operaciones de compresores.

Almacenamiento.

Topografía.

Ademadores y carpinteros.

n) Estimación del costo de los materiales de revestimiento

los materiales para revestimiento deben incluir lo siguiente:

Agregados, incluyendo IÓs que se estimen para el sobre­concreto de la sobreexcavación.

Cemento incluyendo el desperdiCio.

Madera para los tapones y formas adicionales.

Desmoldante y herramientas menores.

Energía determinada por la potencia del equip() eléctrico a operar, requerimientos de iluminación y período de tiempo en uso.

Combustibles, lubricantes, grasas y nifacciones.

Elementos varios para sujeción de la cimbra y sus movi­mientos.

í'\) Estimación del costo directo de otros elementos del catálogo de conceptos ·

El costo directo de la excavaciÓn y el revestimiento será el que mayor paso tenga en el importe total del trabajo. El costo dé la mano de obra para la instalación de ademe, anclajes, etc., deberá separarse del costo directo de la excavación y deberán asignarse a los conceptos del catálogo de precios adecuados. · ·-

o) Tabulación 'de costos directos

El costo directo de todos los conceptos debe ahora con­centrarse en una sola hoja que contenga columnas separadas para mano de obra. materiales, instalaciones y subcontratos. Se sugiere el formato dP la Tabla l. · ·

p) Estimación de costos de instalaciones y equ.ipos

La tabulación del equipo deberá iniciarse cuando se hace la selección. Conforme se av9-nza en la estimación del costo y se va viendo la necesidad de equipos especiales y planta adi­cional, los costos adicionales deben incluirse en ·la tabt.~la­ción para el equipo de construcción.

La información suministrada por los representantes de ven­tas y las cotizacionesde los fabricantes son elementos valio­sos en el cálculo del cargo por equipo. Debe tomarse en cuenta el valor de rescate dél equipo para una estimación

. correcta del costo horario. Si no se hace esta provisión, ade~ más del desmantelamiento y limpieza general, deberá enton-ces agregarse ur conce~to de costo adicional. -

La forma tradicional de calcular el costo del equipo para In­tegrarlo a los precios unitarios es en base al costo horario, deducido del precio de compra del equipo. Si el equipo es rentado deberá tabularse la renta que se ha cotizado.

q) Estimación del costo indirecto

La mayor parte de los conceptos del costo indirecto varían en forma directa al tiempo de ejecución, la eficiencia del personal indirecto y el número de reportes que se requierel)­por parte del cliente y las oficinas centrales del contratista. Los conceptos que están basados en otros factores son los equipos de oficina, equipo de ingeniería, irnpuestds, seguros y las primas por seguros y fianzas, Las fianzas de cumpli­miento y de seguros no pueden ser calculados hasta que el importe total de los trabajos ha sido determinado. La distri­bución de los conceptos que componen los costos indirectos son como sigue:

1. Mano de obra:

Supervisión.

Ingeniería.

Administración:

2. Otros costos:

Transporte.

Instalaciones y adaptaciones.

Teléfono, telégrafo y comunicaciones.

Gastos y visitas.

'- Licencias.

Multas y .recargos.

- Papelería.

Gastos de viaje y traslado.

Equipo de ingeniería.

Consultores externos.

Regalías por contrato.

Otros costos varios.

3. Seguros para el personal, equipo y almacenes así como para los vehículos. También deben considerarse los se­guros por danos a terceros. ·

4. Impuestos.

5. Garantías.

r) Estimación de los costos de campamentos

Normalmente son de dos tipÓs y usos:

Tabla l. Tabulación de costos directos

Descripción·

Exca. tú'nel Ademe Madera Anclajes Barrenos iny. Inyección

Total

Cantidad

400000 m3

2 óoo 000 ton. · · ·600p.t.

12 000 m.l. 2400m.l.

400 in2

Mano de obra Unitario. Importe

100.20 40080 10.00· 20000

120.00 72 . 98.00 1176 . 38.40 92 68.36 27

61447

97

Instalaciones Unitario Importe

40.16 16064

120.00 72 36.81 442 75.52 181 56.02 22

16 781

Materiales Unitario Importe

76.40 120.00

63.11

152800 72

757

153 629

Campamento de casados: son para el personal con familia y que por razones especiale.s el contratista o el cliente desean tener a pie de obra. Dependiendo de la duración del proyecto se construyen instalaciones para diversión y esparcimiento.

Campamentos de solteros: se deben usar únicamente en localizaciones remotas, ya que normalmente se prefiere viajar distancias largas a quedarse en un campamento. Pueden construirse de elementos prefabricfl.:!os y con instalaciones para esparcimiento y recreación.

Este es un concepto que por ningún motivo debe descui­darse ya que de la comodidad que tenga el personal de­penderá en gran medida que haya una buena supervi­sión y por consiguiente el avance de la obra será mejor.

s) Escalación

Dep~ndiendo de la duración del proyecto de las condiciones locales y de los índices de costos de mano de obra, materia­les y equipos, deberá hacerse una previsión para los incre­mentos de precios. Aunque actualmente la mayoría de los contratos prevén esta situación, el tiempo que pasa entre los incrementos de precios de los insumas y el reconocimien­to por parte del cliente de estos incrementos produce costos de financiamiento que deben ser tomados en cuenta .. Por otra parte los factores de escalación que toma en cuenta el cliente siempre son diferentes a Jos que aplica el contratista, ya que en muchas ocasiones debe acudirse al mercado negro de materiales de construcción para no frenar el avance del túnel.

En .caso de que el contrato contenga una cláusula de escala­ción, ésta deberá estar perfectamente definida en todos y ca­da uno de sus términos y además reglamentada en su forma de aplicación. Los períodos de revisión también deben que­dar perfectamente establecidos. Si se emplea alguna fórmula escalatoria, ésta deberá ser consistente con el tipo de trabajo de tune! que se realice y el procedimiento de construcción que se aplique.

t) Tabulación del costo total estimado

La parte concluyente de todo el cálculo del costo de la cons­trucción del túnel es la tabulación total del costo. Esta tabu­lación debe hacerse de forma tal que la distribución del cos­to sea fácil y rápidamente comprendida por las personas en los niveles superiores de la Empresa.

u) Información a niveles superiores

Cuando se han terminado los cálculos, la información conte­nida en la estimación de costos debe ser empleada para estimar Jos conceptos que no formen parte del costo pero constituyen información que debe proporcionarse a los niveles supe­riores para que se determine el importe total de la propuesta.

1. Contingencias: No deben ser incluidas en la 'determina- · ción del costo, pero.deben valuarse para ayudar en la determinación de la cifra túnel. Algunos de los factores contingentes pueden ser:

98

Condiciones geológicas no previstas. El riesgo de es­ta contingencia puede ser medido de acuerdo a la intensidad del estudio geológico que se haya reali-zado. ·

Flujos de agua inesperados.

Actos de la naturalza que no pueden ser previstos; inundaciones, guerras, huelgas, temblores.

2. Inversión y gastos por servicio de deudas:· la forma más sencilla para determinar los requerimientos de financia­miento es la elaboración de un flujo de fondos. Mientras más acettado sea el flujo de fondos, menos será el re­querimiento de financiamiento para el proyecto y por tanto menores los costos asociados con este.

Los pasos que aquí se han descrito para la determina­ción del costo de construcción de un túnel, no son nece­sariamente el único método que existe para hacer la evaluación, pero si propone una forma ordenada para el cálculo. Los factores que influyen en el costo, se verán también enormemente afectados por la forma de con­tratación que debiera ser diferente a la que común­mente se conoce, ya que los factores contingentes que lo afectan son difícilmente valuables, y el riesgo no de­biera asumirse totalmente por una sola de las partes. El éxito de cualquier excavación de túnel depende en gran parte de una relación cordial entre cliente-supervisiónc contratista; la flexibilidad que exista y la buena comuni­cación de acuerdo a las especificaciones darán por re­sultado una buena imagen para todos los participantes del proyecto.

4. EMPL~O DE CURVAS PARA LA ESTIMACION DE COSTOS EN TUNELES

Se han desarrollado desde hace dos décadas, curvas para el cálculo del costo en túneles, basados en los parámetros que principalmente influyen en su cálculo. L¡1 experiencia de va­rios túneles es la que en forma importante ha influido en el desarrollo de estas ·curvas.

En las gráficas de las figuras 1 a la 14, se muestran curvas de­sarrolladas para el método tradicional, tomando en cuenta diferentes condiciones del frente de ataque (seco o húmedo), y sí lleva marcos o es revestido, etc.

Aunque han sido desarrolladas para experiencias en túneles de los Estados Unidos de América, pueden actualizándose, dar una idea rápida de Jos costos que se puedan tener, para análisis comparativo de alternativas. No se recomienda usarlas para fines de cálculo de precios unitarios.

La gráfica de la figura 15 fue desarrollada por la Harza Engi­neering Company, se agruparon parámetros de condiciones de roca de acuerdo a estlldios geológicos, para dar cuatro ti­pos de condiciones designadas unidades X, Y, Z y DC.; su explicación es la siguiente:

Unidad X. Comprende 11 parámetros de condiciones de ro­ca, con características generales para su excavación emplean­

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o IO.S l&.o Nivel estimado de avance de excavaciÓn en metros por aía de rrabajo de·24 horas.

Fig. 1. Avance de excavación por día en distintas rocas y diámetro dt>l túnt>l.

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1

1 1 1

1 1 1 1 1

NOTAS: 1) El costo no incluye marcos de acero·

2) Año base• 1967

1

15000 187SO 22800 26250 3oooo 33iso Costo estimado en pesos. por· metro lineal

1

37500

Fig. 2. Costo del túnel de acuerdo al diámetro y a la roca en donde se aloja.

100

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112t1o ·aeteo 57t100 tl02t10

Costo aproximaclo ,de excavacion en 'petos por metro lineal.

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93750

fig. 3. Costos estimados de excavación básica en túnel, para frentes de avance secos.

101

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2.1

1 1

1 1

Fig. 4. Costo estimados de excavación básica de túnel para frentes con agua (húmedos).

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ZOINitol de Gllltr o PfiCOIOdo.

I.IEYIENOA• Car;o <14 roc<1 0.2118 · -----·-CilrCin lit roca · o.eo B .. caroa dt roca O.!SIB+Ht) -·-·-(;QrQa de roca 0:721HB+11t} •••••• ·---··· toroa de roca 1.10 (B+Ht) ----flOTA • 8- Aricllli al dia'mitró excavado de lo perfóroclo'n. l4t· Alt·rra al clidrnt'tro tliCOVaclo de· la pel'toraclón, Úatft ... ·en todaa taa condiclonea rocoiaa, excepto para tamalloa de perforo~ ·a~n reveatlmlento llqltrlorea a 4.8111. dt diámetro In mattrlalta tKOI trltiii'CI• 111'1! o ro t~r•:eildocloa y · tocloa loa tomoñoa de perforoclcSn en condlclofttl tl\lme. · doa triturada a o no conaolicladaa. ' El uao de puntalaa de pi~ (grcltica 15) 11 tnclloor9 en 1a1 1101a1 di campo .aolire el utudla oeoiÓ;Ico de alllltamlefttoe del t~nel. St utilizÓ un precio uÍIItOrlo de t5&.a&JI<o cotoeada. Prtclo llaii•IMFO ciii88T 'S. aúpone Qllt IÓ rOCCI peu 2'722.5 Kolml

~--~--~--~--~ 780o 112110 11000 18780 aaaoo 282150 aoooo U7SO 111100

~to utlmado de aoporte de actro en 11teo1 por .metro lln.eol.

Fig. 5. . Costo estimado de nervadura tipo herradyra continua dP soporte de acero sin puntal de piso.

103

Fig. 6.

1

1

1 1

1 1 1

1 1

1 1

1 1 1 1

1 1 1

1 /

1

1 1

1

1

0.7211 B+Ht)

/ 0,¡· .. ~

/ /

/ /

/

IJO(B+Ht)

/ / r-;;:;:=::=====::-'1

Coato 48 zapateta en peeoe par JutQo, .d t nervadUra.

Zopatae da concreto precolodo.

/,----~~--~----~--~--~ LEYENDA'

/ carga de roca carga de roca

0.258

0.50 8 Carga de roca 0.§ (8+ Ht) Carga de roc:a 0.725 (8+ Ht) carga de roca 1.10 ( 8 + Ht J

Se supone q.e la roca peta 2 722~ Kg/m 11

Nota' 8- ancho al diámetro acavado de la perforaciÓn. Ht- altura al diámetro excavado de la perforaciÓn. Úsence an todas loa condicionea rocoeaa, excepto poro tamaños de perforación 'ain revestirnllilto supel'iOl'lla a 4.8 m. de diámetro en llllteriales secos triturados ó no conaoliclados. '1 todos loa tamailas de perforación en CDndiciones l1umedas tritura . das ó no coneolicladas. . .

. El uso de_ puntalee de piso se indicord en las notas de campo 60bre el tudio. geológico de los alineamientos del túnet. Se utilizó un precio unitario_ de S~colocado (puesto en obra). Precio b se - e

Costo_ estimado de soporte de acero . en pesos .por metro lineo 1.

Costo estimado de nervadura tipo~herradura continua de soporte de acero con puntal de piso.

104

I.IOIB+Ht)

a1 8.8

7.8 IU

7.5 8.0

7.2

5.7

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4.2

3.9

3.6

30

2.7 UJWU..-...--.....iL...---...----. ...... -~--~-----..--....., ...... -...,.--_. o 37e0 7500 112&0 15000 187e0 22800' 262!50 300!)0 337e0 37500 412e0

Costo estimado de soporte de acero en pesos por met•a lineal.

'i ''!Fig.) i'. ,, Costorestirnado placa de csient'o,,nervadura de, soporte de, ;:¡cero y qg pie derecryo (poste);.~in;puntal piso. . ·

O.?U!Bolollll

6.1 1.1

e.o 48

48000 861150 Coato ett imado de aoporte de acero en ptaoa por mt1111 lineal.

Fig. 8. Costo estimado de nervadura de soporte de acero, placa de asiento y poste con puntal de piso.

106

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NOTA' El «:om1 de la pabuc:iait

de 2.7m. sera cestoll18 S!637.:l0 paro tllpOCiadeSdo de 58 CID.

&O(B+Ht)

Se t11J11111 un espaciamialto de 60 cm .

para tildas las CGfliiiS de -·-Los ....._ IOIIre coda - indican ro IIÍmlulll del cálcuJcr de caroo de ,..

ca. Costo IDiitario $ ~~/Kg. ..- en a Se 111pone roca de 2500 Kv m•· Pn!cio base- enem ele 1967.

4-0( .. HtJ

~7L-~----------.-------------~------------~--------------~------------~-------------' o 181150 37500 56250 7!5000 112500

Costo estm.do de ·~ · de acero e11 peeos par -tra 1ioftt.

Fig. 9 Costo estimado de marcos de acero.

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... J -¡; 1 ... e 1 ·i 4

i:5 3.6

45

4.2 :u NOTA•

Se supone un costo de a.o u

$13125 oo /mil pi• tablo'n. CJ § Bale' 1967 •

2.7 CJ u &

2.4

2.1 2.7

o 37S 1600 1876 2260 2G!s 3000 3376 3750 Costo estimado del forro en pesos I)Or metro lineal.

Fig. 10. Costo estimado del forro de madera para túneles.

108

&4r-----------------------------~----------------~~~ &1 8.8

1

NOTA•

1

1 1

1

Se aupone un coato de

$ 13125.001 mil pi ea tablÓn .

Base• 1967.

HZS aooo :sa78 a78o 4125 4500 4875 152150 5625 eooo ea1s &75o 7125 7500

Costo estimado de modero en pesoa por metro lineal.

'Hg. 11. .:costo· estimádo de s,oporte adicional de mad~ra requerido para múltiples •empujes.

109

NOTA•

Se supuso un precio del concreto de $zaooo~m•

colocado a linea de pago. El precio incluye lecltodo de cemento detroí del ,._

veatimienlll eatimodo en 0.28-0.47 m1/m. de túnel o . . un costo unitario de • 4640.00/ m. Bale• 1967.

2.1 27o~----~~~------~~------~~~~e~o~----~~~----~~~----~za~~

de revestimiento de concreto en pesos por metro ·lineal .

Fig. 12. Costo estimado de revestimiento de concreto para túneles ademados con marcos de acero.

110

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NOTA• Se aupueo un precio del concreto de $ 22 000.00/m~ colocado o linea de pa;o.

El precio Incluye tachada de cementa detnía del revu­timiento estimado en 0.28-0.47 rllm. di túnel o un coa­to unitario de $ 4640.00/m~ Bose• 1967.

11280 18000 18780 Costo estimado de revestimiento de concreto en peaos por metro lineal.

22800

Fig. 13. Costo estimado de revestimiento de .conc:reto para túneles sin soporte de acero.

111

.,; ~ .. E

i 'ii e ·z 'ii .... o ~ .. E ·o i5

8.4

a1

7.8

7.5

7.2

6.9

o ~ )~ 5.7

i 1!!

5.4 e ·.;;

5.1

4.8

4.5

4.2

3.9

3.6

33

3.0

2.7 o

8.0

5.7

11.4

11.1

4.8

4.2

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0::

3.8

3.3

3.0

2.7

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2.1

1.8

1 1

3750

NOTA:

Se aupuao un precio del concreto de $ ?2 000.00/m~ colocado a lineo de paga.

El precio incluye lecllado de cemento detrcía del re­

vestimiento estimado en 0.28-0.47m3/m. de túnel a un

costo unitaria de $4 640.00 /m~ Baae= 1967

11250 15000· 18750 Costo estimado de revestimiento de conc:reto en pesas por metro lineal .

22500

Fig. 14. Costo estimado de revestimiento de concreto para túneles con soporte circular.

112

do topos, en una base competitiva con los métodos conven­cionales de voladura.

Unidad Y. Comprende 4 parámetros de condiciones de roca que se consideran más difíciles de barrenar y con esfuerzos de comprensión mayores qwe para la unidad X.

Unidad Z. Comprende 9 parámetros de condiciones de ro­ca que se espera sean suficientemente duros o tan variables en dureza en distancias cortas que se recomienda únicamen­te el uso del sistema tradicional.

Unidad DC. Se designa con este término a condiciones de roca difíciles, que comprenden fallas y probables desliza­mientos.

Los costos directos de excavación en roca para los cuatro ti­pos de roca descritos arriba, se distribuyen porcentualmente en la siguiente forma:

Unidad X y Z DC

Concepto

Mano de obra 33 39 50 30

Equipo 62 54 38 65

Materiales 5 7 12 5 Los costos de mano de obra son proyectos para el método convencional (Z), y se incrementan en forma lineal eón el diámetro del túnel, como lo muestra la gráfica de la Fig, 15. Debido a este hecho, los nuevos métodos tienen, como com­paración un considerable margen para empleo de energía adicional, equipo más eficiente y otros factores. Entonces', para un método de fragmentación, la mano de obra puede ser reducida, logrando mayores velocidades de avance a me­nores costos, esto, desde luego condicionado a la longitud del túnel que garantice una inversión grande.

16878 ---------------------¡-, 1!5000

13125

·~ 112!50

" ,. §. •· • V

Ci • ~ g • e .. o ... ¡ • , ... t: • o ¡ u

Oior~•etro de exeovoeion en metros.

187!50

9378

é ; e l • 1l "' Q.

t: • o 1ii 8

Fig. 15. Costos de excavación para roca tipo X, Y, Z y DG.

113

PROCEDIMIENTOS DE CONSTRUCCION PARA LA EXCAVACION DE TUNELES

J. Huidobro

'"La Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos y la Secretaria de Comuoicaciones y Transportes asi como la Sociedad Mexica­na de Mecánica de Rocas y la Asociación Mexicana de Vlas Terrestres, tienen por norma no reproducir, folletos ni catálagos, pero tomando en cuenta que el trabajo que se presenta en este articulo es de interes didáctico y que el principal objetivo de las Agrupaciones que Organizaron el Seminario de Tuneles Carreteros, es difundir los conocimientos de esta especialidad, se -tia considerado conveniente hacer una excepción e inc:lulr el trabajo en estas memorias.

1. GENERALIDADES 2. Locomotoras de mina 3. Vagonetas

De los factores que influyen en la decisión del procedimien­to de construcción que se deba utilizar, los más sobresalien" tes son:,

a) Caracteristicas de la roca

Dureza

Tamaf'lo de grano

Tenacidad

Abrasividad

Estructura

Homogeneidad

b) Tipo de sección por excavar e) Dimensiones del túnel d) Equipo disponible e) Programa de construcción f) Disponibilidad de mano de obra especializada

2. DESCRIPCION SOMERA DE LOS DIVERSOS EQUIPOS FUNDAMENTALES

a) Para ataque a sección completa 1. Topos

b) Para ataque selectivo 1. Por corte 2. Por impacto

e) Para ataque por barrenación 1. J umbos con brazos de perforación 2. Brazos hidráulicos de perforación y dispositivos

auxiliares

d) Cargadores 1. Cargador-Transportador (LHD) 2. Cargador autocargable 3. Cargador minero de cucharón

De cuna con vertido trasero De cuna con vertido a transportador De vertido delantero o lateral

4. Cargador tradicional

e) Acarreadores 1. Acarreador minero auto propulsado

114

TUNELADORAS (TOPOS) DE ATAQUE A SECCION COMPLETA

Llamamos tuneladoras de ataque a sección completa a aque­llas máqt,Jin.as de excavaciól"! de túneles cuyo trabajo se efec­túa por ataque simultáneo de toda la cara del frente, un po­co a la manera en que un topo abre su galerla, motivo por el cual frecuentemente se da a estas máquinas el apelativo de "Topos".

Como todas las máquinas que operan en subterráneo, la aptitud de las tuneladoras de ataque a sección completa al trabajo a realizar, depende de numerosos factores los más importantes de los cuales son los párám,etros del terreno: resistencia, com· posición granulométrica, abrasividad y propiedades flsicas. De ahl el gran número y diver~idad de máquinas existentes.

Un primer intento de clasificación de estas máquinas ha de considerar el tipo de sección en la que operan: sección circu· lar o sección rectangular.

Las tunefadoras de sección circular disponen de una cabeza rotativa equipada de elementos cortantes (dientes, moletas, discos, fresas, etc.) que atacan el frente de manera continua. La ,cabeza recibe dos tipos de movimiento: uno circular de corte y otro lineal de avance. Este último es procurado por unos gatos hidráulicos que avanzan a cabeza respecto al cuerpo firmemente bloqiJeado en fa sección mediante, otros gatos. Algún modelo en lugar de elementos cortantes sin mo­vimiento propio monta un tren hepicicloidal de fresas con,mo­vimiento rotativo independiente del de la cabeza. Cuando los gatos de avance de la cabeza han finalizado su carrera, se retractan, se desbloquea el cuerpo de la tunefadora y , se avanza el conjunto un paso e9uivalente a la carrera anterior, con lo que la máquina vuelve a estar en posición de corte.

Las tuneladoras de sección rectangular montan dos o más ca­bezas rotativas con los útiles de corte repartidos en brazos. Como de no portar mas que las cabezas rotativas la sección resultante seria una serie de circulas secantes, estas má­quinas .disponen también de un dispositivo de escuadrado consistente por lo general en una cadena o un tambor cortan· tes.·Contrariamente a fas tuneladoras de sección circular, es· tas máquinas van montadas sobre un tren de rodaje de oru­gas.

Paso 1 • lnlélo.dei .. ido. la mAquina apoyada, piernas def:s,bporte trasero ret~aldas

Paso 3 Inicio del ciclo posicionado . La má· quina suelta, piernas de SC)porte trasero extendidas ·

Paso 2 Terminación del ciclo. la máquina apo­yada; el cabezal extendido . Piernas de soporte trasero retraldas

Paso 4 Terminación del ciclo de posicionado. La máquina suelta, el cabezal retraldo. La máqui.na está lista para apoyarse e ini· ciar otro ciclo

115 "

Esquemas del proceso de trabajo del topo WIRTH'

Fig. 1 Máquina con tensión. npoyos de so¡::ortc recogidos, comienzo de 1~ perforacoón

Fig. 2 Carrera terminada, fin de perforación

'1=ig. 3 Apoyos soportes en tensión, apoyos laterales recogidos ,.l<elly"' exte·rior deslizando hacia adelante

Fig. 4 Orientación de la máquina con el apoyo trasero, máquina sin tensión

Fig. 5 Máquina en tensión. apo!fos soportes reco­gidos. comienzo ·a., nueva perioración

116

MAQUINAS DE ATAQUE SELECTIVO

Las máquinas de ataque selectivo realizan su trab~jo~ en el ffente de manera secuencial y no global como los topos. De acuerdo con el procedimiento de ataque han de distinguirse dos tipos principales: ataque por corte y ataque por impacto.

Las máquinas de ataque selectivo por corte disponen por lo general de una cabeza provista de piCas, cuya dimensión es pequeña en relación con la sección de la frente. Esta cabeza está situada en el extremo de un brazo orientable que realiza el barrido selectivo a través de toda la superficie del frente, por lo cual el tamal'lo y forma de la sección abierta es muy versátil. Tanto la-fuerz~de.empuje de las picas como la pro­ducción de material arranCado es inferio.r a la de las má-

quinas de ataque global. El dispositivo de arranque puede ser de diversoHip()s: cabeza dentada cuyo eje de g.iro es parale­lo al frente (tambor); cabe2a dentada cuyo eje de giro es nor· mal al frente; fresa con eje de giro normal al frente; línea de fresas cuyo eje de giro es paralelo al frente; hélice dentada con eje de giro paralelo al frente; rosario de cadenas denta· das.

Lás máquinas de ataque selectivo por impacto llevan monta· do un martillo neumático en el extremo del brazo de barrido, y el arranque del material se produce por el golpeteo del útil.

Este tipo de máquinas van montadas generalmente sobre un tren de orugas que les permite una gran facilidad de despla­zamiento.

ALPñb\~lE NliNER AM100

Datos técnicos más importantes:

Altura ........................ . Anchura de la máquina sin rampa de carga ......................... . Anchura del dispositivo de carga .. . Longitud ...................... . Peso .......................... .

117

1 750 mm

3 000 mm

co N

·, ..

3.7 m, 4.6 m, 5.5 m 11 900 mm aprox. 70 t.

Máquinas de ataque selectivo por corte

MAQUINAS DE ATAQUE SELECTIVO POR ~ORTE

118

......

...... <O

M6qulnaacl8...__por_

La Luchs' es el mayor modelo de la serie de ras fr!ilsadoras-cargacloras Westfafra y es capaz de arrancar rocas de hasta 500 daN/cm2 de resls~ tencia. La Luchs se diferencia de los demás tipos de la serie por montar en el extremo de su brazo mientable un motor eléctrico de 90 kW que eTNia la energía directamente a la cabeza de corte. El transportador. de racletas del brazo cortador con­duce el material arrancado al brazo cargador · trasero. La máquina móvil puede superar pen­dientes de un 58 por ciento y fresar frentes dé hasta 28 m2 sin cambiar el emplazamiento. La Luchs ha sido dise~ada tanto para el arranque en explotaciones subterráneas y a cielo abierto como para el avance de galerías y túneles ya que con esta máquina pueden abrirse secciones mínimas de 3.2 m de diámotro o de 2,6 m de anchura por 2,5 m de altura.

Peso operativo Potencia total instalada Velocidad de traslación Presion de las orugas sobre él suelo Pote-ncia de accionamiento en ta cabeza de corte

24t 150kW

·o-1,2km/h 1,2daNicm•

90kW

H = 2280 L = 8780

. e, - 2300 SB • 3200 JI a 4840 AH = 1700-:I4CIO e - saso d a sao u ;. 300 1 = 2000 Dimensiones en mm.

J :3_'

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1 C)¡ ~¡

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l :: .. tB 0,.¡_0_... ' ·if! ----------------------~---.,~89 .. 0~----------------------------~ ~~

L_..L,I ----~-~~~:±:::::~~

Datos técnicos más importantes.:

Altura • o •• o •• o o •••••••••••• o •••

Anchura de la máquina sin rampa de carga o o o o. o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o Anchura del dispositivo de carga o o o longitud total o . o o o o o o o o o o o 00 o o o o o Peso o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o

120

1 537 mm

1 563 mm 2 000 mm 6 890 mm aproxo 12 t.

Hagg!oader, 9HR ! ' . ~- • . • . ' •. ,

CARACTERISTICAS GENERALES

Potencia a base de aire comprimido Velocidad de avance (propia potencia) Peso bruto ·

·Capacidad del depósito de aceite hidráulico Motores de aire, hidráulico Motores de aire, transportador Capacidad· de carga

20 m/min 11 200 kg.

100 lts. 2 X PA 23 1 X PA 23 2m3 /min 35·AO m3 /m in Consumo de aire . .

Presión necesa,ria del aire Diámetro de la tubería de aire Potencia a base de electricidad 2 X 18.5 kw, .380 V, 50 Hz, 1 460 rpm

..... ·- . 1500 ..

OIGGING WIOTH 2850

6 atm. . 3"

r------:-·-------- -·- --- --- ~ :... --'--·- b --- .

. ' ____ __,____,

... -- . -- --;: ; ----- J30 -~

b· -.

rl ~---~---.-·-;--r---b-.,-,--c--,----d-~ ,-e-l f .g r-;¡~- j

! 1 . . 1 ! . : 2275 ! 2850 ! 2030 1 3380 2520 1 2850 2270 1200 .

. t----¡.-¡-¡--~--~----~----¡ 1890 [ 2450 i 2100 J 3450 ¡ 2520 1 2850 1 2210 11500 ·

. i l 'l 11 ¡ ¡ 1425 ¡ 2300 í 2050 1 - - i - - ' - !

ALTURA MÁXIMA DEL ' TRANSPORTADOR DE BANDA . 2080 ~~-~~~0 ALTURA MÍNIMA DEL 1 ·. TRANSPORTADOR D( BANDA 2130 1900. 1350

PosiCIONADo PARA TRANSPORTE 2330 2100 1350

WESTFALIA LUNEN

/

b

1 1

Friis·Lader lucha® lYP FL-6R-110I

DIMENSIONES GENERALES Y RADIOS DE ACCIÓN DE LOS DISPOSITIVOS A1 = 1740mm A2 = 2970 mm Aa = 3185 mm

B = 2600mm D = 600mm H1 = 3300 mm

H2 = 4280mm Ha= 5350mm L = 13800 mm

Dureza de la roca' Potencia inst::Pada kW Capacidad min. N/crnz Cabeza de corte+ accion. adic. transformador I<.VA (PSI) = total

8000 (11200)

--· --------------+--

11 o + 92 ::: ?.02

122

250

b = h = 1 =

6800 mm 7200mm 3200mm

Sección min. de túnel circular

m 111 (ft)

4,8 15'90''

s = 4100 mm u = 870mm

15-40 (530-1400)

- -------- -····- -· -- __ . --------- _________ __:_ ____ _

Máquinas de ataque selectivo por impacto

JUMBOS

Bajo la denominación de jumbos entendemos aquellos equi­pos de minería provistos de uno o varios brazos de perforación y utilizados para la realización de barrenos eri las galerías y tú­neles. Consistentes esenciaiÍ'nenfe en un cuerpo portante al que van vinculados los brazos y que tiene un sistema de des­plazamiento propio o exterior.

los jumbos pueden ser de perforación de barrenos de vola­dura y de anclaje. los utilizados para la apertura de galerías en material duro (que. deba arrancarse por voladura), pueden

· trabajar prácticamente en cualquier tamano de sección. El ti­po él e cuerpo portante depende del trabajo a realizar. Para grandes secciones se emplea el pórtico sobre vías, disenado casi ·específicamente para cada trabajo, que puede montar

'>' 123

cualquier número y combi~ación de brazos. En secCiones más pequenas y con rápidos avances se ut_ilizan portad~res sobre neumáticos o con tren de orugas. Estas máquinas evo­lucionan hacia el semiautomatismo, de manera que un solo operario puede controlar dos brazos a la vez. Pueden montar martillos rotativos o rotopercusivos, neumáticos o hidráulicos.

El jumbo de anclaje se destina al enclavamiento de anclas en el techo de la galería que mejore su estabilidad. Un dispositi­vo especial de la deslizadera permite realizar el barreno introducir una catga de cementante. resinoso y colocar luego el ancla de fijación. Estas 'máquinas por lo general portan un solo brazo de trabajo y disponen. de un portante sobre neu­máticos ..

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124

«T» JUMBO

. PARA SECCIONES DE 10 A 50 M2

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~ .V .p is ..e> .,? JI . ~--:..=-.,~.:::=--=---- . lt

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-·---·---~· ~ ~~·:~:~~i.~~-~-- ,' . ·.

"1:---,

11

11 32 BARRENOS

rl-- ''• 128 METROS 1 i . : ~~----- :;: = ~- 3l-- BARRENOS

H . --- ; J09 ·-~ METROS

H--· -·--::.: 31 BA''!RENOS

H--- --- ~· 114.8 METROS ~.l---- :.·, -,,...... ,,, ,,, -,,, . '' .:':..,

DATOS GENERALES

AREA DE LA SECCIÓN

AVANCE POR CUELE.

NúMERO DE BARRENOS

lONGITUD BARRENADA

=

=

= =

45,5 M2 . 3,6 M

95 352.4 M

VoLUMEN EXCAVADO POR TRONADA = " Co:::F I C I ENTE DE BARRENAC IÓN ~

163.8 M3

· 2.15 MIM3 ,,, ~

·~

BRAZOS HIDRAUliCOS DE PERFORACION

El brazo hidráulico es el dispositivo que posiciona el elemento activo (martillo de perforación) en cualquier posición predeter­minada del frente. El brazo hidráulico a su vez va montado sobre un jumbo, que puede portar uno o varios brázos. Normal­mente, los brazos se montan con la dirección de perforación horizontal. Pero para aplicaciones· especiales pueden mon­tarse en otras posiciones.

El brazo está vinculado a su placa de fijación mediante una serie de articulaciones que, dependiendo del modelo, le per­miten algunos o todos de ios siguientes movimientos: rota­ción completa sobre su eje; deflexión angular horizontal; deflexión angular vertical. El brazo en sí puede ser a su vez telescópico con una elongación variable. En su extremo el

126

brazo porta una cuna sobre la que va dispuesta la deslizado­raque monta el martillo y la barrena. Esta cuna tiene otra serie de articulaciones que permite a la deslizadora: desplazarse res­pecto a la cuna; girar sobre su eje; una deflexión angular hori­zontal; una deflexión angular vertical. Todos estos movimien­tos del brazo se· realizan por medio de cilindros hidráulicos. La unidad hidráulica de accionamiento se compone dei"Clepósito de aceite; una motobomba (po~ lo general' de funcionamiento neumático) y un filtro, además de los correspondientes lati­guillos, válvulas y cilindros.

Algunos modelos disponen de un dispositivo de paralelismo automático que facilita enormemente la ejecución del es­quema de tiro del frente.

R-38 COif LA PERFORADORA

ER LINEA . Para techos o rt'!llldos ale

RP-38 PUNTAL DE EXTENSION los. Se P- ob- mn CORTO CON ALIMEHTACION Pasto leltsc6poto pan

TEWCOPICA · .cambilr barrenas •it AIIÍDtfttOCI6n dolllo Jin - l1111u. Al langitud porr. ..... IIOQuWs ... _161.

.,. pUNtAL

DE EXTENSION CORTO

Para III'IUiftas alturu ... _., .. So­dollltenorcon ...

C":'~.:J:::

Cormáa de la ltlll Mrmujutru~n¡¡ Compa"!!

~· li0-43A. l'lmtalet de ex11>aai6D

¡-J-40 Y ACCESORIOS

I\Om • f.

MANGUERA PARA AGUA

ILUS. NO.

1

2 3-

4 5 6

·1

8 9 10 11 12 13

1 MANGUERA

TIPO 5~

NO. DE PARTE

. 6DHC 75

3HDI 1 oH e 75

no. 6 T-88 :Y4 581 BCI 3/.1 A 1

5 DHC 75 3 HDI 1 oH e 75 no. 6 T-50%

6 oH e 75

..

La perforadora de piso mQdelo J..,4Q; es una unidad ligera para trabajos· de perfora· ción en general con capacidad suficiente para todo tipo de perforación en roca media y dura; útil para minas, canteras, construcción y trabajos industriales.

Se recomienda para hacer barrenos -de 1%" a 2" de diámetro, y hasta 18' de profundidad.

·Esta perforadora, puede barrenar en seco (con sistema soplador) o para barrenar con agua, me­diante pequeños cambios que se realizan fácil· mente.

Debido a su bajo consumo de aire, su alta velo­cidad de penetración para su tipo y su fácil manejo gracias a su poco peso, se obtiene consi­derable ahorro de tiempo, disminuye sus costos y aumenta la producción. ·

LUBRICADOR TIPO IRO 18F

MANGUERA TIPO 88

DESCRIPCION

TIPO 88 con conexiones Incluye

VASTAGO TUERCA VASTAGO

ABRAZADERA. (2). MANGUERA 19 mm x 3.8 m (3/.1" x 12.5 pies.) VASTAGO REDUCCION

TIPO 50 con conexiones Incluye

VASTAGO TUERCA (2) VASTAGO (2) ABRAZADERA (2) MANGUERA 19 mm x 15.2 m (%" x 50 pies.) VASTAGO

'

127

EMPUJt:.DO~=i UNIVERSAL V 64x450¡ V 6~x900 TAM:lOCK

DIMENSIONES PRINCIPALES

Peso sin anclaje Longitud total Longitud de avance Diámetro del cilindro Peso del anclaje tipo cuña, y cadena Peso del anclaje tipo "brazo palanca" y cadena.

Longitud 1 m ·Longitud 1,5 m

1 Cilindro 2 Vástago del pistó" 3 Gancho .pzro ·la c:;dena 4 Empuñadura 5 Válvula de escape 6 Válvula de control

Y 64 X 450

9,6 kg .700 mm 450 mm 64 mm 4,5 kg

13 kg 16 kg

C 230 ES

Y 64 X 900

12.5 kg 1150 mm 900 mm

64 mm 4,5 kg

13 kg 16 kg

1 ~ ~1 3 l UJ 1 j:'"- ------~~ ' •

- ·---L---L--Jl -- --~ ------- '9~0; :$00 - -

ANCLAJE SOBRE BRAZO DE PALANCA 1 Barra 2 Brazo do pn!nnc1 3 Cade~él 4 Pezón de reposé~ dnl

martillo

ANCLAJE CON CUÑA

Cuerpo 2 Cwin 3 C;-¡dena 4 Pelón de r(,[l050

del m;1r!illo 5 Cador1iln de In cur1n

Barren adora gemela sobre vía

Versión especial, equipada con un brazo hidráulico para dar mayor · c;;obertura de ataque.

129

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~.~···-··-~-·~· ... -·--··-···· 111" (2819ptm)-··Ho~lf Width ---------

Mod. 0H123 · o,;rtor Otill • .CV2" 81)re Two (2} • 12V/ lOOW light fixture

~-- ·-------·· 81" (2057.(mm)--Holf W.drh --------· --····

..... ...-.:-~ .

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' ~ ··.:·.. . ' ...... ~.. , .

1

TIJERAS ABIERTAS PARA PERFORACIÓN DE BARRENADO PERIFÉRICO EN EL TECHO

134

Armazones modulares Por la combinación de vatios tipos de armazones mo­

.dulares,.el mismo equipo se puede utilizar en avance

de túneles o galerías en una gran variedad de sec·

ciones.

135

CARGADORAS - TRANSPORTADORAS

El método de carga-transporte-descarga (lHD) ha constituido un avance positivo en la mecanización de las labores sub­terráneas. la facilidad de maniobra y rapidez de desplaza­miento de las modernas cargadoras-transportadoras ha traí· do a primer plano este tipo de máquinas.

Distinguimos dos tipos de cargadoras-transportadoras: má· quinas que utilizan-el cucharón para cargar el material en una caja propia, transportándolo en ella; máquinas que reali· zan el transporte sobre el mismo cucharón de carga.

!izarse en las minas de galerías estrechas y con pendientes fuertes en las que los malacates de arrastre eran considera­dos hasta hace poco como la·única solución económica. Asi­mismo en las galerías horizontales permiten la supresión de

-las vías. Construidas con dos puentes motrices y articulación hidráulica central, estas máquinas tienen un radio de giro extremadamente corto que les permite trabajar en galerías estrechas. los brazos de elevación de la cuchara se disenan

·de tal manera.que la carga ~a concentrada en la proximidad de las ruedas delanteras, lo cual posibilita velocidades de trasla­ción más elevadas y menos· vibraciones sobre pisos difíciles.

Son máquinas proyectadas y construidas especialmente para las segundas, las cargadoras-transportadoras que realizan el la carga y acarreo en galería, lo cual se trad~ce en un perfil transporte sobre el mismo cucharón de carga, son las pro- bajQ, una estructura robusta y un escape de gases tóxicos píamente denominadas lHD (load-Haui-Dump). Pueden uti- prácticamente nulo.

Cargadoras- Transportadoras

Realizan el transporte sobre el mismo cucharón de carga

los METROSCOOPS tienen una articulación central y un puesto del conductor puesto la­teralmente para facilitar la manejabilidad y la visibilidad en ambos sentidos.

CT 1500 2500 600Q 7000 10000 12000 15000

A r R

2.3 2.3 3.9

2.9 4 2.5 3 4.6 6.1

4.3 4.4 4.5 5.1 3 3,2 3.6 3.8 6.4 6.6 7 7.8

136

....... .;;;".:~~- .... ., f , ' , ' , . , ' , . , ,

•' •

Entrada de los gases

Escape

Nivel de agua

los METROSCOOP están equipados de cuba de barboteo de acero inoxidable, alimentada por depósito de agua; para pretratar los ga­ses de escape.

CARGADORAS - TRANSPORTADORAS QUE UTILIZAN EL CUCHARÓN PARA CARGAR EL MATERIAL EN UNA CAJA PROPIA.

EL CAVO 310 PUEDE CARGAR A UN TRANSPORTADOR DE BANDA ,

CARGADORAS MINERAS DE CUCHARON

Son las máquinas que cargan de manera alternativa el mate­rial arrancado del fr~nte, mediante un cucharón y lo descar­gan acto seguido a la instalación de acarreo correspondien­te. Los tres principales tipos en que se desglosa este. tipo de máquinas son: cargadoras de cuna oscilante con vertido tra­sero, cargadoras de cuna oscilante con vertido a transporta­dor incorporado y cargadoras de vertido delantero o lateral.

Las cargadoras de cuna oscilante disponen de un cucharón montado sobre una cuna de báscula hacia atrás elevando la carga y vertiéndola por la parte trasera en un solo movimien­to. La unidad suE:Ie estar accionada por motores neumáticos

. ..

t.anto en el movimiento del cucharón como en el desplaza­miento.

Una variación .de las anteriores lo constituyen las cargadoras cuyo mecanismo de captación es de una cuna oscilante, por­que en lugar de descargar el cucharón en otro equipo {vago­netas, camiones, transportador) descargan en un transporta­dor propio incorporado al mismo.

Las cargadoras mineras de vertido delantero se caracterizan por su bajo perfil que les hace apropiadas para el trabajo en localizaciones angostas. Muchas de estas máquinas cuentan con cucharón de descarga lateral que reduce la necesidad de maniobras aumentando con ello la productividad.

L ___ -•----' 1

·--·---· __¡

Pesos, medidas y rendimiento

Largo A 6.46m Potencia del motor según DIN 6270 9('CV

A<1cho H 1.80m Régimen correspondiente 2500r.p.m. Altura o 1.90m Par motor máximo 32.6mkp Ancho devia 1.42m Consumo de combustible plena carga 19.21/h Distancia entre ejes B 2.B9m Contenido del tanque de combustible 1351 Altura de elevación 2.65m Velocidad hacia adelante 0-5/10/19 km/h

Altura lib'e con cuchara volcada F 1,72m Velocidad hacia atrás 0-5/10/19 km/h

Alcance en altura máxima de descarga 0,65m Tiempo de elevación 6sec.

Angula de descarga a altura máxima . 46" Tiempo de descenso 3sec. Angula máximo de carga 49° Vuelco de la cuchara 2 sec. Radio de giro interior 3.75m Fuerza max. de elevación 6750kp Radio de giro exterior 5.50m Fuerza max. de arranque 6400kp Ancho de la cuchara G 1.80m Fuerza max. do empuje 8400kp

Contenido de la cuchara 1.6om• Carga útil 3.8t Ruedas 12.00-24 . Peso 9.4t Nos reservamos el derecho de canibiar las P.specificaciones. Tolerancia para los dntos técnicos± 3".

Otras cargat!oras mineras SCHOPF:

138

.

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1

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. . . . _._ .. ,_; _ .. ~. - - . .. • ·.::

o 70 1-z 60 w -u a: o 50

o.. z 40 w 32 w 30 1-z 20 w -Q z 10 w

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.. \ .l -- .. 2 34 56 7 8 9

No SE RECOMIENDA OPERARLA EN

PENDIENTES MAYORES DE 32% ( 18o} lA CARTA DE VELOCIDAD ESTÁ BASADA

CON PESO DEL VEHlCULO A PLENA CARG.

= ...

1 -----4--~~--------------~--+-_¿~------~~~~--~--~------~~--51t. (1524m:n) i>-:-----------------,

l------"'----------1!!..7~1t-~1-in. (5207mm)

18 lt. 6 in. (5639mm)

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1

, CARGADORAS DE CUNA OSCILANTE CON VERTIDO TRASERO

···-····- .. ···-#·-# ...

EL CAVO 320 CARGANDO UNA VAGONETA

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~~----~ .

EL CAVO 320 CARGANDO UNA VAGONETA . DE NEUMÁTICOS

fL CAVO 330 DESCARGANDO SOBRE UN TRANSPORTADOR DE BANDA

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CARGADORAS DE CUNA OSCILANTE CON VERTIDO A TRANSPORTADOR INCORPORADO

Vólvulo do elevoci6n de lo cuchara y de lo transootfodoro XIHivMhuO"'tl. 8Gnds~l r;;;;.,..,.. ___ _

1

-1100 ---,

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Plotolormo raqt. top~

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CARGADORAS DE VERTIDO DELANTERO O LATERAL

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Cargador de discos rotativos tipo FL .300

Vagón de fondo móvil shuttlecar LM 36, LM 56, LM 70 y•tM 250 sobre vagón de mina

LM 56, LM 70 y LM 250 sobre vagón de fondo móvil

Haggloader 8HR sobre vagón de fondo móvil

Accionamiento eléctrico

Haggloader 8HR sobre vagón de fondo móvil

Sin vía Accionamiellto neumático Accionamiento eléctrico CAVO 310, 511 Haggloader 9HR sobre Hagghauler HT

Diesel

Cavo 320, 520 sobra Hagghauler HT TBL630

CARGA ~ 2 A 2 1/2 MINUTOS LIMPIANDO SU PROPIO CAMINO

TRANSPORTA A ALTA VE~Q CIDAD (MÁS DE 5U KPH)

DESCARGA - 30 SEGUNDOS -RÁPIDO y Llf-1PIO CIJCHARÓN DE DESCARGA FRONTAL,

~~~.~~(("'~"ji> ~J . "~ tr' ·· < ·.t--e' (.' ,~ ·.. ol . '{)1 ;JL_!;J ·,·; .• :~ ·, · . .)C---1-L . ..._ .. '-'.;1 .. 9.J-h~ . ~------

ACARREADOR MINERO AUTOPROPULSADO

Hemos unificado esta denominación a todo vehículo m mero

que se utiliza para el transporte ya sea de carga de mineral,

de material y herramienta, de personal o de lubricante.

Forzosamente los tipos incluidos han de tener entonces carac­

terísticas muy diversas, lo cual se pone de manifiesto conside­

rando los carriers para transporte de carga de mineral. Estos

equipos pueden ser de cuerpo rígido o articulado. Pueden reali­

zar su descarga por vuelco (como los dumpers normales) por

un tope telescópico que "barre" la carga de la caja, o bien

por medio de un transportador que constituye el mismo fon­

do de la caja. Característica común a todos ellos es el diseno

de perfil bajo, la construcción robusta y la capacidad de ab­

sorción de choques. El radio de giro de un carrier no sólo de­

pende del ángulo de articulación o de deflección de ruedas,

Volwnetrfc weight

sino de la distancia entre los ejes delantero y trasero; cuanto

menor sea ésta, menor será el radio de giro. El centro de gra­

vedad del conjunto camión-carga ha de ser lo más bajo po­

sible, no sólo por cuestión de estabilidad (esencial), sino tam­

bién para disminuir las tensiones dinámicas. La velocidad de

desplazamiento viene determinada más por el estado de la

superficie de rodamiento que por un sobredimensionamiento

del motor. Mientras que los costos operativos están en rela­

ción directa con el peso bruto (vehículo + carga) las produc­

ciones sólo guardan relación con la carga: consiguientemen­

te es vital que un camión minero tenga una relación peso

bruto: carga lo más favorable posible. La distribución de la

carga sobre los ejes es también un importante factor; entre

otras ventajas permite el ascenso de rampas con buenas con­

diciones de adherencia de las ruedas.

K- 162 • 12 m 3 • (20 ton}

~ __Mi_

ofthaloacliapprOJC. 2.&ton/tnl Volumetric: welgl\1

W11io¡¡hh f\oetm . .¡,¡nt 15.3tona ~'(¡u;:¡j ZSOlons ;rt.u ... ..ai"ht 40.3 tona

S,odyvolume $~r ... •cic 7.0m' l'ltbPMJ SAE 2:1 m 2.5m1

ÍOtalYOh,¡:ne 9.5m'

-..!!!!'---~........!...1..~ ------=-------'

Wetghta 1\;stweig:!"lt pay..:.J ,~c~w•:wh\

Bodyvotum• St!"'.oCk ~eaCitd S~~oE2:1 Tctal~umo

15.9tons 35.0tons 50.9tonl

&.2m' 2.5m*

U.?rrt'

Outpuu per ton loadedwck emptytn.~ck

~ ..... frontexle ........

AX~E~OADS lottded tniC;k: frol)t'IX\e 14.4 tona-36 .. rearaxle 25.9 tona-641M.

efnpty truck frontaxta 10.0 tona-65 ~ rearaxle a.3t .... -as'"'

Vclumftrlc Mlghl: o1 me loaelapprox. 3.0t/m'

i Outputs per ton

~~ loadodtruek empryuuck

1 Tyrea frontaxle rear•xle

AXU!LOADS loadld truck: frolntax:. rnraxle

empcytruck frontelde rean.xle

2.7kW/ton 8.8kW/ton

16.00>25 18.00>25

14.8 tora -29%, 38.'\tont-7'\11.

9.4tons;..58'11o •. 6--41"'

KIRUNA-TRUCK

146

Wolghll Netweight _payload Qroaa~ght

Bodyvolume ........ heopod SAE 2;1 Totalvolume

w.t;htt Netwei;ht ...... d grosa weight

Boctyvclume Struek • ~ ... podSM.2:1 TouiYOiumt

cft.MioadtPPI'O• 1.6Ston/mt

1 Output• penon

!------+' 1: ';:~~~~= 3.61r.W/tcn 7.7kWiton

17.5tons 20.0tons 37.5tons

IO.Om' 2.0m'

12.0m'

17.Gtolll 25.0 tons .u.s ....

14.0m' 2.0m'

t8.0m'

fyres (rcntaxle ruraxle

AXLELDADS Joaded truck fronta•l• r.aarule emptytru,;lr, ftontaxle ,..,.,..

16.00>25 18.00>25

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V()lume:rlc weight cf tha lc,adl;>iítOX 1.65ton/m'

Out~uts por ton ' lo~=~ ~.u;.r. 3.1 ~tW,'t;)ft Ul'l~:· .. ¡;y:k 1.1 k\'\'iton

Tyn.•a t~o~t au 16.~

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AXLELO.!t.~.;> loa..:t:t ~:,¡~k.: frontaxoe: reart>.:e emptytt;.:.:k fronta)Je rura~e

1i.7t0."\$-42 ~ 24.9!0!'1:1-58%

10.4 too-Si"-7.2.t01'14l,_

MANEJO DEL SIS.. TEMA DE BANDA­EXCAVADORA .

1------·-----1 ft

305mm

PuRIFICADOR DE GASES DE ESCAPE MANEJO DE LAS RUEDAS

4 ft 4 In ___ _..,f--.. 3ft 10 in 3 ft 10 in _ _.¡ 1321 mm 1168 mrn 1168 mm · 1

1000

19 In 483 mm

~----9ft 10 in 2997 mrn----- --10ft 21n 3099 mm-------.1

11 3

LOCOMOTORAS DE MINA

El diseno de las locomotoras de mina lógicamente difiere bastante del de las locomotoras de superficie. Las condi­ciones de trabajo de las galerías son mucho más adversas que en superficie. En primer lugar el tendido de rieles no se realiza con la calma, precisión y seguridad utilizada en los ferrocarriles, por lo que a veces el asentamiento no es ópti­mo. Las galerías además abundan en curvas cerradas y cam­bios de vía. Tampoco son frecuentes los hundimientos y las inundaciones. las condiciones de iluminación y ambientales son siempre críticas en las galerías.

positivos de escape de gases o catalíticos que reducen consi­derablemente el monóxido de carbono tóxico producido en la combustión. las locomotoras de batería son máquinas compactas, sin inconveniente alguno de gases nocivos, que requieren la carga periódica de los elementos acumuladores. El sistema de troley libra a las máquinas eléctricas de la ser­vidumbre de la recarga, pero necesita un tendido de toma de fuerza a lo largo de la galería.

En cuanto a su accionamiento las locomotoras de mina pueden ser diese!, diesel-eléctricas, por acumuladores y por troley. las locomotoras diese! y diesel-eléctricas montan dis-

El cuerpo de las locomotoras es una construcción robusta de acero soldado que forma un container que encierra todos los elementos de moción. Estos elementos deben ser fácilmente accesibles para su mantenimiento, para lo cual la carcasa ha de disponer de las puertas de acceso adecuadas.

~-----------------~~~~------------~

Tipo Ancho Trocha Batteria Peso de servicio

ETB 70 1250 mm ¡49") 600- 750 mm (24- 30") 120V/900 Ah5 9,4-10,0 t ETBB 70 1400 mm (55") 750-900mm (30-36") 120V/900 Ah5 9,7 -1;~,0 t

• Locomotora de concepto sólido, diseñada especialmente para las condiciones de trabajo en obras de construcciones subterrá­neas:

• Dos puentes moto-reductores con motores totalmente .encapsu­lados y reductores de una grada, lubricados en baño de aceite:

• Suspensión sobre resorte,:; de hojas con efecto auto-amorti­guador y con dispositivo de compensación de nivel:

• Cajas de eje estancas con rolineras p~ndulares de dcble fila de rodi'los:

,. Ejes con ruedas montadas a presión y estas con llantes de acero remplazables:

•. cor'nbinador .de tambores a levas con cámaras parachispas y bobinas sopladoras y con trinquete de seguridad:

• ~'?S velocid?des ::;;,; resistencias y ocho velocidades por regula-Cion reosta!lca: ·

o Freno electro-dinámico de siete gradas y freno mecánico de sinfin. efectivos sobre las cuatro ruedas:

• A petitión: Servo-freno de ·aire con cilindro acun.tllador por muelle, incluyendo fmnado hombre-muerto. interruptor de emer­gencia y conex.ion para fwnado simultimeo de vagonetas:

e En se1viciv pn ol. mundo entero:

148

Robusta Bajo mantenimiento

A prueba de agua Compactos Bajo mantenimiento

Rodamiento suave. Adhesión excelente

A prueba de agua Duraderas

Trocha convertible Desgaste económico

Mantenimiento fácil Duradero A prueba de operaciones erróneas

Operación económica Maniobras precisas

Seguridad de operación

Seguridad incluso bajo condiciones do operación criticas

Calidad comprobada

GOODMAN DI'/ISiON

DIMENSIONS OF 12 TON TYPE DI2CTC MANCHA DIESEL LOCOMOTIVE

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MINING ~AC~·~.~- ... ,..,(!,MM;.;,._.._ ~fx:no~.: ::~JI:.u-;. P:;;·• 1 Cktoi~T 19t:

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DIMENSIONS OF 20 TON TYPE D20CTT MANCHA DIESEL LOCOMOTIVE

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3. SELECCION DEL EQUIPO EN FUNCION DE LA DIMENSION DEL TUNEL Y DE LA [)UREZA DEL MATERIAL POR EXCAVAR

153

MAQUINARIA UTILIZADA EN LOS TRABAJOS DE EXCAVACION DE GALERIAS Y TUNELES

S I M B O L O G 1 A

JUMBO DE PORTICO

TREN DE VAGONETAS

TUNELADORA DE ATAQUE A SE' CIÓN COMPLETA

MAQUINA DE ATAQUE SELECTIVO

154

CARGADORA DE RAMPA

ACARREADOR

CARGADORA TRANSPORTADORA

~2.-r--- -- -- -- -- ~·

TRANSPORTADOR DE BANDA

PALA EXCAVADORA

ACARREADOR MINERO DE VOLTEO

CARGADOR FRONTAL SOBRE NEUMATICOS

CARGADOR MINERO

JUMBO DE BARRENACION

IMPACTADOR '""

155

SANEAMIENTO DE TECHOS

JUMBO DE ANCLAJE

EXCAVADORA CON CABEZA DE ROZA

CARGADORA DE CUNA BASCILANTE

cARGADORA DE ANFO

MAQUINARIA UTILIZADA EN El LABOREO DE GALERIAS DE 6-1 O m2

DE SECCION

MATERIAl DE DUREZA < 600 Kg/ cm 2

156

MAQUINARIA UTILIZADA EN El LABOREO DE GALERIAS DE 6-1 O m 2

DE SECCION

MATERIAl DE DUREZA 600-900 Kg;cm2

157

MAQUINARIA UTiliZADA EN. EL LABOREO DE GAlERIAS DE 6-1 O m 2

DE SECCION

MATERIAL DE DUREZA > 900 Kg/ cm2

158 .

MAQUINARIA UTILIZADA EN EL LABOREO DE GALERIAS DE 10-14 m2

DE SECCION

MATERIAL DE DUREZA < 600 K g/ cm 2

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159

MAQUINARIA UTILIZADA EN EL LABOREO DE GALEf!IA.S DE 10-14 m2

DE SECCION

MATERIAL DE DUREZA 600-900 Kg/ cm2

160

MAQUINARIA UTILIZADA EN EL LABQREO DE GALERIAS DE 10-14 m2 DE SECCION

MATERIAl DE DUREZA > 900 Kg/ cm2

161

MAQUINARIA UTILIZADA EN EL LABOREO DE TUNELES

DE SECCION < 25 m2

ROCA DE DUREZA < 600 K g/ cm 2

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162

. MAQUINARIA UTILIZADA EN EL LABOREO DE TUNELES DE SECCION < 25 m2 ·

ROCA DE DUREZA 600..;..900 Kg/cm2

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MAQUINARIA UTILIZADA EN El LABO~~EO DE TUt~ELES DE SECCION < 25 :n2

ROCA DE DUREZA > 900 Kg/cm2

164

MAQUINA111A U"nl.IZADA EN El LABOREO DE TUNELES DE SECCION 25-;-50 m2

ROCA DE DUREZA < 600. Kg/cm2

165

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MAQUINA~IA UTILIZADA EN El LABOREO DE TUNELES DE SECClON 25-r50 m2

ROCA DE DUREZA 600-:-900 Kg/ cm2

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MAQUINARIA UTILIZADA EN EL LABOREO DE TU N ELES DE SECCJON 25+50 m 2

ROCA DE DUREZA > 900 Kg/ cm2

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MAQUINARIA UTILIZADA EN El LABOREO DE TUNELES DE SECCION > 50 m2

ROCA DE DUREZA < 600 Kg/ cm2

168

MAQUINARIA UTILIZADA EN El LABOREO DE TUNELES DE SECClON> 50m 2

ROCA DE DUREZA 600; 900 Kg/ cm 2

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MAQUINARIA UTILIZADA EN LABOREO DE TU N ELES· DE SECCION > 50 m2

ROCA DE DUREZA > 900 K g/ cm 2

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170

4. PROCEDIMIENTOS DE CONSTRUCCION

1. Sección completa

2. Media sección y banqueo

3. Sección completa con túnel piloto central

4. Media sección superior con túnel piloto y media sec­ción inferior con túnel piloto (Método belga}

5. Media sección superior con rezagado a túnel piloto inferior (Método austriaco} ·

'-..._

6. Dos túneles piloto laterales y túnel piloto superior con banqueo posterior (Método alemán}

7. Túnel piloto central y ampliación de sección con tú­nel piloto superior (Método italiano}

171

1

1

1 DISE~O 'A' ·-·- ··-TtJN-EA---,B-" ·-+~-v

SOPORTE DE ACERO

1

SOPORTE DE MADERA

Ataque a plena sección con varios pisos.

f1~TODO DE MEDIA SECCIÓN Y BANQUEO

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1

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7SOmm VIGU~~:rA (11 , 1 1 \!!QC \ 1 . 1 ·-·----·- ____ ,_L.

\'-2x200mm · J \ VJGL!FTA 1 /

' - 1 ', 1 // ' / 75/15 ' ....... ..__j _____ ....

Posrr:s DE SO!'ülnE

¡

/./. LINEA PROYECTO DEL REVEST IM 1 ENTO

MARCOS COMB n~ADOS ANCLAS EN CLAVE

SISTEMAS DE SOPORTE CON MARCOS Y ANCLAS EN LA CLAVE

Ataque a plena sección. Variante con galería de base.

A-A

lA M~TODO DE TÚNEL PILOTO CENTRAL

.1 -:t~~ ;-:. t BLOQUES ENTRE LA ROCA Y EL MARCO tBLOQUES ENTRE LA BARRA.DÉ éLAVE

Y LA ROCA Y EL MARCO

CLAVE EMPUJANDO HACIA AFUERA (SEGÚN PROCTOR Y WHITE)-

AR"fADURA

PROCEDIMIENTO DE MARCOS SOBRE ARMADURAS

SECCIÓN fi-6 SECCIÓN F-F SECCIÓN Á-A

rp " ........ -' /1 . ' '' 1 1 1 • \\ 1 1 ' \ 1 1 1 ' 1

1 1 1 1 1 • 1 1 1• 1 1 1 1 1 . 1 1 -\.~ --+· -LJ..-

ESQUEMA DEL MtTODO BELGA (ARCO VOLADO), A PARTIR DE UN ATAQUE SUPERIOR

SECCIÓN A-A

... ..-;0>~,' ~: ,,, r .. \t,'\ ·1-l / \ \

.,., 11 . JJJ . 11

5'1 ,. .. ., ,, .:·a·.:: •• . f'

~1 :\ 1 ' :: '' lo ', 'j--\.-1 ' ' ••

:-J-40

SECCIÓN B-B SECCIÓN t-C Sfi:CCIÓN'D·O SECCIÓN 'f-E'

DETALLES DE ATAQUE DOBLE EN EL MÉTODO BELGA

SECCIÓN F-F

SECCIÓN'L-M COLADO DE LA

SOLERA

/TRANSVERSAL

SECCIÓN LONGITUDINAL /11 1"1 '.

NI Rl Fi

FASES CONSTRUCTIVAS DEL MÉTODO AUSTRIACO

SECCIÓN N-O

MÉTODO DE ETAPAS MÚLTIPLES

A),-EXCAVACIÓN Y PREPARACIÓN PARA EL COLADO B),-EXCAVACIÓN DE LA PARTE SUPERIOR

C),-AMPLIACIÓN DE LA SECCIÓN SUPERIOR

E),-COLADO .DE LA CUBETA

BORDE EXTERIOR DEL CONCRETO

POSTE DE CONCRETO RE FORZADO DEJADO ATRAS DE LA SECCIÓN

F),-CONSTRUCCIÓN EVENTUAL DE CAMISA INTERIOR DE CONCRETO REFORZADO

176

·-·-· ··_. -~---·-----

METODO ITALIANO

8.

1-77

SECCIÓN EN

DIVERSOS M~TODOS EN LA CONSTRUCCIÓN DE LOS MUROS

1 TROQUEL ~~~~~~·._--~~~~r

VIGUETA DE PARED (MADERA, ACERO O CONCRETO)

. .'-:.;.··.···. .. -· ...

LINDERO DEL CORTE CENTRAL

TORNAPUNTA TEMPORAL

TORNAPUNTA PARA CONSTRUIR LAS PAREDES

178

5. ARREGlOS GENERALES Y DISPOSITIVOS PARA LA UTILIZACION EFICIENTE DEl EQUIPO DURANTE El PROCESO DE ACARREO (REZAGADO)

o

1 179

ARREGLOS DEL SISTEMA DE DESCARGA EN.EL TUNEL

EMPUJADOR

1 LocoMOTORA

DESCARGA ENTRE LOS RIELES

TREN

LocoMOTORA 1

EMPUJADOR 1

LuMBRERA

1

DESCARGA LATERAL A LA VÍA

DEL CARGADOR FRONTAL

-1 ENTRADA

7~.'~ ~ v...q¡;.

~------------~-----------

180

A) VISTA LATERAL

2 3

B) PLANTA DEL TREN MODULAR USUAL

. D} AcARREADOR DE RECEPCIÓN

fLacAs N PR!)TEQ:Ii!H

11~\M.IIIIJITAIIOR

---}?/lf,,,i---

1

1 SICcliiH "INIIIA PARA fRNISOOliTI

~·- ~·~·~·· -~i ~?iii'174" __ _ 1 . 1

~..r-·d:--1-~~--d' ~-

1 '

d

CIJAHl)O SE CAI\I!A EN CURVAS

EN TREN DE!E .ACORTARSE

CUANDO SE CARGA EN

TRAMO RECTO SOLO SON

NECESARIOS ESTOS "

DISPOSITIVOS DE SUJECIÓN

5

Co!wil'O ELtCTRICO ESTACIONARIO

"T.""--lá~iElf==-7 PERNO DE E11PWE

e) St.CCIÓN TRANSVERSAL DE UN ELEMENTO ( l'IE }

e

')'BANDA DE CARGA, NORMAL, ALTURA OBLIGADA DE DESCARGA 1420 MM. ( 2 ) AcARREADOR DE RECEPCIÓN ( 3 ) D 1 SPO Sl TI VO DE COMPACTACIÓN ( 4 ) ELEMENTO TRANSPORTADOR ( WE ) ( 5 ) MoTOR TRACT 1 VO

) COMANDO DE CADENA PRINCIPAL ( 7 ) COMANDO ELkTRICO ESTACIONARIO ALTERNO, PARA DESCARGA

~"- --·-¡ . L.

malacate de .doble

escrepa mina

REZAGADO DEL FRENTE

Cambio catilornia

Portal elevador de cambio de vagones

Túnel con nicho, para cargadora frontal descargando so­bre camión

Ramal secundario

X X: X X X XX XXXXX:XXXJ(XXJK.XXXXít

Cambio lateral de placa

A

B

(,

o

LADERO DE AL~IACENAMI ENTO CARROS. VAdos CAMBIO

:. ?(5§?5* ~~LA DE • - · lZAJE

CAMBIO

LADERO DE

ALMACENAt-11 ENTO CAMBIO

LADERO PE

LADERO DE

CARROS CARGADOS

CARROSVAClOS CAMBIOS

VlA DE AVANCE

CARROS VACfOS

Cot1PUERTA

/ /

JAULA

DE lZAJE

\ ~ ALMACENAMIENTO . . . · ·. DE ·~···· . . .

~ ~·:¿ ;;; . ~ ~

ARREGLOS DE VfA EN EL FRENTE O LUMERERAS DE IZAJE

183

VlA PERMANENTE

LADERO PORTA TI L CON APOYOS DE ACERO

CAMBIO CALIFORNIA PORTÁTIL

~'--1

J__,-._;!.-:~~---.-. _· ~-'RR_~s;:CI;-= CARGADOR CARROS CARGADOS . LOCOMOTORA

( A ) ARREGLO GENERAL CON CARGADOR FRONTAL Y VÍA DE AVANCE

( E ) Y ( C ) CON VÍA DE ALMACENAMIENTO DE CARROS

184

... ~\

.\

SISTEMA COORDINADO CARD

\

SISTEMA DE IZAJE DE LA VAGONETA, CON MALACATE···.

6. REFERENCIAS

The Art of Tunnelling Károly SzéchyAkadémiai Kiadó-Buda­pest, 1970.

Tratado de Procedimientos Generales de Construcción; Cimentaciones y Túneles, Paul Calabru, Editorial Reverté.

Cantera~ y Explotaciones Revista Técnica de Maquinaria pa­ra Canteras, Minas, Cementos y Obras Hidráulicas No. 95

1 enero 1975. ·

Té~nica Moderna de Voladura de Rocas, U. Langefors y B. Kihlstrom Urmo, S.A. de Ediciones 1976.

Técnica Sueca de Voladuras, Rune Custafsson SPI, Nora, Suecia, 1977.

Handbook of Surface Drifling and Blasting Tamróck.

186

VOLADURASSUBTERRANEAS

A. Samuelson

Generalmente las excavaciones subterráneas son a base de túneles y lumbreras. Lo que no es túneles o lumbreras es una adaptación de voladuras de banco.

1. TUNELES

la diferencia principal entre voladuras de túnel y voladuras de banco es que en el túnel hay solamente una cara libre, comparado con mínimo dos en un banco. Esta cara es ade­más perpendicular al avance del frente. Por esto se necesita crear una apertura en todo el largo del avance previsto y des­pués volar la roca sucesivamente hacia esta apertura. En la ampliación de la apertura se aplica el método de voladuras de banco. Pero la carga específica es mucho más alta por las · siguientes razones:

a) Barrenos desviados (el ambiente subterráneo con obscu­ridad, humo, agua, alto nivel de ruido, etc., dificulta el trabajo).

b) Espacio requerido para el hinchamiento de la roca (el hinchamiento es arriba de 50%).

e) Barrenos sin inclinación.

d) No cooperan barrenos adyacentes.

e) El efecto de la gravedad en los barrenos qu~ tienen sali-da por arriba. .

. <··, .. ,.,· Hay una gran variedad d~ túneles para diferentes usos, ver la figura 1. -

En túneles con áreas menores de 80m2 normalmente se ata­ca toda la sección en una operación. En túneles más grandes se reparte la excavación en dos o más operaciones. Esta re­partición se puede hacer de varias maneras, pero ahora do­mina el método de excavar una galería arriba y después ban­quear.

El número de bancos depende de la altura del túnel y mu­chas veces de las condiciones de estabilidad de las paredes. Por ejemplo en la casa de máquinas (44 m de alt~.¡ra) y la gale-· ría de oscilación (55 m de altura) en Chicoasén se especifica el siguiente procedimiento: excavar un banco de 4 metros y después anclar las paredes antes que se excave el próximo banco, para evitar desprendimientos de las zonas relajadas. Ver Fig. 1.

El banqueo se hace con barrenación vertical u horizontal. Bancos con alturas menores de 4 metros son desfavorables por sus altos coeficientes de barrenacíón y carga. Ver Fíg. 2.

Túneles anchos o en roca mala es ventajoso de atacar con tú­nel piloto y ampliación (banqueo) lateral. Ver Fig. 3. Con el túnel piloto se pueden investigar las condiciones de roca sin abrir un techo ancho y poner andas y/o concreto lanzado an­tes de la ampliación lateral.

El emboquillado es preferible .de hacer con un túnel piloto _ abajo, después las ampliaciones laterales y finalmente bajar

Fig. 1

Telecom. eto. B

Estac16n ((e metro

Dep6sito de potr6leo

Chicoast!n, casa de md:quinas

1-1 1 1 1

1

44 m

Ejemplos de cortes transversales de túneles típicos

187

Galería

Banqueo con barrenao16n

vertical u horizontal

Fig. 2· Galería y banqueo

el techo. El túnel piloto debe tener una longitud de unos 10 metros O hasta que SE' compone la roca superficial, como SE'

muestra en la Fig. 4.

Ampliaci6n

lateral TWtel piloto Ampliaci6n

lateral

Fi~~ 3 Túnel piloto y ampliaciones laterales

Cuñas

La apertura antes mencionada se hace con una cuña (cuele) . . Hay una gran variedad de cuñas, pero las cuñas comunes son de tres tipos:

a) Cuñas en abanico.

b) Cuñas en V.

e) Cuñas paralela~

a) Cuñas en abar..co

En estas cuñas los barrenos trabajan sin la constricción en el fondo que significan otros tipos de cuñas. La primera hilera

Ampliaci&n hacia aba~o

Ampliaci&n Tdnel piloto Ampliación

lateral lateral

Fig. 4 Túnel piloto y ampliaciones

188

1

·.¡ 1 !

tiene fondo libre y las siguientes salidas en ángulo recto, ver figura 5.

la cuna en abanico puede considerarse como una especie de zanja volada a través de la sección del túnel y por eso es la cuna más suave· para la roca.

la semejanza de una zanja implica que se deben tomar en CIJt>nta las condiciones dt> rotura en una superficie perpendicu­lar a los barrenos y aplicar el principio de salida en ángulo rec­to (ver Fig. 5). la secuencia de ignición marcada es la.única po­sible para poder controlar bien el resultado. Por la dispersión de tiempo entre estopines del mismo intervalo es posible que un barreno lateral salga antes que el barreno central si se pone el mismo número en la hilera, y entonées el barreno lateral tiene un ángulo de salida del orden de 45°.

Por su geometría una cuna en abanico necesita un túnel bas­tante amplio y no es preferible de usarla en túneles de menos de 7 metros de ancho. Aunque es muy fácil de calcular una cuña en abanico no se usa mucho bajo condiciones normales por las siguientes limitaciones:.

la profundidad de los barrenos varía de hilera a hilera. Un barreno demasiado profundo puede excitar un barre­no adyacente y provocar una tronada fallada.

la desproporción entre el número de barrenos en los dos lados retrasa la barrenación.

la proyección de piedras es muy fuerte.

Con la secuencia de ignición requerida se necesita un gra·n número de intervalos de los estopines. '

Fig.~5 Construcción del esquema de perforación para.un cuele en abanico

189

' 1

1

'

referencia

Fig. 6 Principio para barrenación de una cuna en V

b) Cuna en V

La cuna en V (cuele de cuna) es la más usada en 'túneles ma­yores de 20m2, pero ahora se puede notar una tendencia ha­cia la cuna paralela, especialmente con barrenación mecani-zada. . .

la cuna en V es simétrica que facilita la organización del tra­bajo· en el frente. Otra ventaja es que la cuña en V no exige una barrenación tan perfecta como la cuna paralela para dar un avance razonable. El ángulo de la cuna debE' ser mínimo 60°, lo que limita el avance por tronada a la mitád del ancho del túnel. Esto implica quE' los barrenos de la cuna salen más largos QUE' los otros barrE' nos en la tronada. Por éjemplo, en una barrenación de 3.20 m los barrt>nos de la cuna son 3.20 X

- 2- = 3.70 m. En la figura 6 SE' muestra t>l esquema dE' ba-...[3 rrenación para una cuna E'n V.

los datos t>n la Tabla 1 sirven como guía para t>l cálculo dE' barrt>nación y carga de cunas en V con t>l ángulo 60°.

Tabla 1

Concen- Número Altura tracción dt>.hiiE>ras

Diámetro de de la de carga horizon-barrenación cuna Bordo V de fondo tales mm m m kg/m

30 1.5 1.0 0.9 3

38 1.6 1.2 1.4 3

45 1.8 1.5 2.0 3

48 1.8 1.6 2.3 3

51 2.0 2.0 2.6 3

l'l'ente te~zico

Fig. 7 Puntos de referencia para dirigir los barrenos.

La carga de fondo debe ocupar mínimo una tercera parte del barreno. Concentración de carga de columna = 0.5 X carga de fondo. Taco = 0.3 V. Durante la fase inieial de una obra es pre­ferible de aumentar la carga de fondo a la mitad del barreno.

Los ayudantes de la cuna son también'inclinados para faCilitar la salida hasta el fondo. La figura 7 muestra el principio para lo­calizar los ayudantes:

En la figura 7 st> puedt> ver como se usan los puntos dt> rt>ft>ren­cia para dirigir los barrE-nos corrt>CtamE>ntt>. En el túnt>l normal­mentE> 'se usan faint>ros blancos para marcar los puntos de. refe­rt>ncia. En un trabajo bien ejt>cutado sit>mprt> st> mantit>nt> t>l frt>ntt> t,J1l poco doblado, qut> entre otras ventajas da un postcor­tt> con mE-nos constricción. Como se ve en la figura st> nt>ct>sita tomar t>sto .t>n cuenta cuando se marcan los barrenos. inclinados. Esto es una dt>sventaja dt> la cuña t>n V.

Bordo y carga para los ayudantes de la cuna:

Diámetro de Carga dt> Carga dt> barrt>nación Bordo fondo columna Tacp mm m kgfm kg/m m

30 0.80 0.90 0.36 0.40

38 0.90 1.40 0.55 0.45

45 1.00 2.00 0.80 0.50

48 1.10 2.30 0.90 0.55

51 1.20 2.60 1.00 0.60

Altura dt> carga de fondo = 1/3 X profundidad del barreno. Concentración de carga de columna = 0.4 X carga dt> fondo. El bordo no debe t>xceder profundidad de barrenación - 0.4.

2 Esta condición toincid~ con la limitación para bancos bajos, dondt> el bordo máximo V máx no debe t>xcedt>r la mitad de la al­tura del banco:

V á = ~ mx 2

Consecuentt>mt>nte se necesita cerrar la barrenación con avan­ces cortos. Es prt>fNiblt> usar estopines MS en la cuna y sus ayu­dantt>s, para mayor colaboración entrt> los barrenos. (En la pri~

190

mt>ra V se pont>n t>stopint>s lnstantánt>os ).Al lado dt>l intt>rvalo t>ntrt> los Vs dt>bt> t>star suficientt>mt>ntt> largo para pt>rmitir t>l hinchamit>nto y movimit>nto dt> la roca desprt>ndida. Natural­mt>ntt> t>sto t>S más importante para avanct>s largos. En Mí>xico hay pocos númt>ros disponiblt>s qut> a vt>ct>s limita t>l avancE> por tronada.

e) Cunas paralelas

Lo antes expliCado en cUanto a la aplicación de las cunas pa­ralelas se extiende también a túneles grandes. Esto depende de las ventajas que ofrecen las cunas paralelas para la barre­nación mecanizada:

Todos Jos barrenos tienen la misma longitud. Esto vale especialmente para jumbos con pistolas que no tienen rotación reversible, lo que hace la extensión o el cambio de la barra muy tardado.

Los brazos pueden trabajar independientemente y se puede distribuir la barrenación bien entre los brazos.

Con los brazos con paralelidad automática se obtiene una barrenación perfecta solamente vigilando el embo­quillado.

Como el diagrama de barrenación coincide en la super­ficie y en el fondo, es más fácil de instruir a los perfo­ristas.

Usando el mismo equipo de barrenación las cunas para­lelas son iguales para todos los avances y todas las áreas de los túneles. Esto simplifica el entrenamiento de los perforistas.

La desventaja dominante de las cunas paralelas es la elevada precisión de barrenación que requieren, especialmente en ro­ca dura y avances largos.

Otra cosa importante es la concentración correcta de la car­ga, .para evitar que se queme la roca por exceso de carga.

Hay una gran variedad de cunas paralelas y normalmente el equipo de barrenación disponible indica el tipo de cuna. Si se cuenta con barrenas de un solo diámetro se usa una cuña quemada con 3 ó 4 barrenos sin carga.

En la figura 8 se presentah dos cunas quemadas comunes, la cuna Gronlund y la cuña de costura. La cuna de costura tiene la ventaja de tener los barrenos en una línea, que facilita la barrenación. ·

Para tener un avance máximo se usan las cunas paralelas con uno o dos barrenos centrales de gran diámetro. En adelante vamos a llamarlas cunas cilíndricas. También se llama cuna paralela con barreno quemado. La base para el cálculo de una cuna cilíndrica es la relación eritre el diámetro del barre­no centrill y la distancia y carga del primer barrt>no cargado.

En la Tabla 11 st> da concentración dt> carga en kg/m para cu­nas cilíndricas y máxima distancia a cuarido se dispara hacia barrenos vacíos con diámetros comprendidos entre 50 y 200 mm. El diámetro del barreno c:lrgado varía entre 30 y 45 mm. La concentración de carga corresponde a Gelatina Extra 40%. Con otros explosivos se corrige en relación a la poten­cia por peso.

Tabla 11. Relaciones básicas para cunas cilíndricas

Diámetro del barreno central mm 50 2X57 75 83 100 2X75 110 125 . 150 200

Diámetro del barreno cargado Concentración de carga mm

30 37 45

a-mm

Avance máx. m

C1ú'la Gr!lnlund .

1 100

1

1 .

~--~ 'l-- 210 ....

Cufla de costura

200

INST

1

100

100

100

kg/m

0.20 0.25 0.30

90

1.6

-t-·~ 100

0.30 0.35 0.42

15.0

3.0

(los ndmeros indican solamente el orden de ignioi6n)

Fig. 8 Cunas quemadas comunes

0.30 0.35 0.42

130

2.9

0.35 0.40 0.45 0.45 0.50 0.60 0.80 0.40" 0.45 0.53 0.53 0.60 0.70 0.95 0.50

145

3.1

191

0.55 0.65 0.65 . o.7o .· 0.85 1.10

175 200 190 220 2SO 330

3.6 3.9 3.9 4.3 4.8 6.0

la cuna en doble espiral es la más efectiva, pero se necesita un barreno central de mínimo 125 mm para obtener un buen avance, lo que implica· q~Je el jumbodebe tener una perfora­tiara especial para este barreno, Otra desventaja es que tiene una forma geométrica bastante complicada, que dificulta la barrenación. Sin embargo se usa el principio para la cuna Co­romant. Esta cuna se puede barrenar con máquinas de pierna usando una plantilla de aluminio para guiar la barrenación. Con un accesorio especial se barrenan dos barrenos con diámetro de 57 mm.en forma·de un8. Este huecocorrespon­de más o menos a un barreno de 75 mm ..

500 -.;K)-

Fig. 9 Cuna cilíndrica con un barreno vacío· de 11 O mm de diámetro. Para barrenación hasta 3.9 m

Fig. 10 Cuña cilíndrica con dos barrenos vacíos de 76 mm de diámetro. Para barrenación hasta 3.9 m.

la cuna Fagersta también se puede barrenar con máquinas de pierna. El barreno central de 75 mm se hace en dos etapas, primero un barreno piloto y después una ampliación con una broca é'scariadora. En las figuras 9 a 12 se presentan algunos ejemplos de cunas cilíndricas.

1

1

1

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_-1'-41..._ -t-+-~-·~L. __ _

' f 1

1

Fig. 11 <;uña Fagersta con un barreno vacío de 76 mm de diámetro. Para barrenación hasta 2.9 m

192

Ejemplo de diagrama de barrenación y cálculo de carga

En general

Hasta ahora la mecanización de la barrenación ha implicado el uso de brocas de 45 a 51 mm. Por eso la aplicación de equipo mecanizado ha sido retrasada, especialmente en tú­neles con diámetro pequeño.

Ultimamente han salido en el mercado brazos hidráulicos que pueden barrenar con acero integral. En realidad estas máquinas salieron hace años, pero ahora han pasado el esta­do de e~perimento.

Se piensa que una comparación entre barrenación con acero integral y acero de extensión puede ser útil para escoger el procedimiento má~ económico.

Sección del túnel en que se va a aplicar el ejemplo, ver el anexo 1.

Fig. 12 Cuna Coromant con dos barrenos vacíos de 57 mm de diámetro. la barrPnación se guía con una plantilla de aluminio. Para barrenación hasta 3.0 m.

Diámetro de barrenación

· Alt 1 Acero de extensión ~ = 1 7/8" (48 mm)

Alt 2 Acero integral, serie 12 0 = 40 - 29 mm con barrenación de 3.20 m~ = 37 mm

Constante de roca Explosivos

e = 0.4 kg/m3 Gelatina Extra 40% yDuramex C

Cuña (cuele) cilíndrica con 2 barrenos vacíos del diámetro 3" (76 mm)

Profundidad de la barrenación = 3.20 m Postcorte del techo Estopines

Bordo máximo = 0.7 X A, donde A = ApE-rtura librE' (ver figura 13)

MS, Acudet mark V Instantáneo

{Gelatina Extra 40%) 1.25 kg/litro Desviación de la barrenación:

0.40 m en et piso y 0.20 m en techo y paredes Diagrama de barrenación

Como en voladuras de banco hay que contar con cierta sub­barrenación para obtener el avance real. Pero en túneles 'lo más importante para el avance es la exactitud de la barrena~ ción. Según una larga estaaística se puede calcular con un avance de 90% de ia profundidad de la barrenaéión con un trabajo bien hecho.

Cqmo un detalle práctico se puede mencionar que no es sufi­ciente controlar los fuques sino también que se meta la barrena hasta el fondo. Existe todavía la mala costumbre de rE'tirar la barrE>na cuando todavía quE'dan 10 a 15 cm por ba­rrenar. En un túnel de 3 km de largo se pierde en esta .manera entre 100 y 150m de avance.

Otra mala costumbre es la de tratar de rectificar un frente un poco doblado con barrenos más cortos en el centro. Con esto se pierde avance y un frente ligeramente doblado tiene ade­m·ás varias ventajas en cuanto a salida de Jos barrenos, esta­b.ifidad del frente, etc.

Avance estimado por voladura= 0.9 X 3.20 = 2.90 m

Secuencia del cálculo, se muestra en la figura 14.

' ' 'Fig. 13 Concentración de carga retacada

193

;r J ~ le)

-· ·t-· :: ~

Fig. 14 . Diagrama de colocación de barrenos

Clave: 1. Barrenos de piso.

2. Barrenos con salida hacia arriba.

3. Barrenos de pared.

4. Barrenos de techo.

5.;Cuna con ayudantes.

6. Barrenos con salida horizontal.

7. Barrenos con salida hacia abajo.

Nota importante:

i \0

la secuencia mostrada es el orden de hacer el.cálculoy no se debe cqnfundir con la secuencia de iniciación.

Barrenación con acero integral

Con barrenación de 3:20 m la broca tiene el diámetro de 37 mm.

Barrenos de piso (ver la tabla correspondiente)

Para los barrenos con salida hacia arriba u horizontal se re­quiere la siguiente carga en el fondo:

Carga específica 1.0 + (~ - 25) x 0.02 kg/m3 (2)

donde ~ es el diámE>tro actual del barreno.

En este caso sale una carga específica de

1 + (37 - 25) x 0.02 = 1.24 kg/m3

la carga de fondo tiene una altura de una tercera parte del barreno y el taco es igual a 0.5 x bordo para barrenos con salida hacia arriba. Para los barrenos de piso se reduce el ta­co a 0.2 X bordo.

Otra condición es que el bordo no puede ser mayor que

l - 0.40 2

dondE' l es la profund.idad dE' la bammación ..

(3)

El espaciamiento es normalmente

1.1 x el bordo (4)

Con esta condición se ásegura que haya espacio para la car­ga de fondo y el taco. Se puede comparar con la voladura de bancos bajos donde el bordo no puede ser mayor que la mi-tad de la altura.del banco. ·

Es muy importante que se haga él cálculo con las medidas quP PXistPn Pn E"l fondo de la barrenación. VPr la línea puntPa­da Pn PI anpxo q, quP indica dondP caPn los barrPnos pPri­metrales con la desviación necesaria para dar espacio a la perforadora.

Se hace constar que esta desviación es independiente de la profundidad de la barrenación; porque depende únicamente del tamaño de la perfórádóra. ·

TUNEL CARRETERO "PALO GRANDE"

Localización

Km 12+900 a Km 17+ 200 aproximadamente de la Autopista San Cristóbal-La Fría en los Departamentos de Lobatera. y Cárdenas en el Estado de Táchira República de Venezuela.

Descripción

Dos tubos paralelos, cada uno de los cuales con dos vías de tráfico y un pozo cPntral dP ventiÍación.

Geología

Emplazado en toda su longitud en rocas sólidas calizas y luti­tas.

Flujo de agua esperado durante la construcción:

· La zona de los portales, al norte por unos 700 m y al sur por unos 250 m, se podrá considerar seca.

La zona central, al pie del pozo de ventilación por un tramo de unos 300 m donde se puede contar con impor­tantes cantidades de agua.

La zona restante, donde se prevé un flujo de agua mode­rado.

Trazado del. túnel

La longitud del túnel de aproximadamente 4 200 m puede ser dividida en dos zonas:

La zona de los portales, donde una primera parte rectilínea (de unos 375 m al sur y 265 al norte) sigue una curva circular con radio medio de 700 m y que se extien­de a unos 585 m al sur y 605 m al norte.

La distancia entre los ejes de los dos túneles es de 25 m en la pi-ímera párte rectilínea para llegar a 30 m al final de las curvas. ·

La zona central rectilínea tiene una longitud t~tal de unos 2 335 m, la distancia entre los ejes de los túneles es constante en todo este tramo e igual a 30 m.

Las distancias dadas anteriormente se entienden por término medio, pues la longitud de los dos tubos no es igual: el del es­te es de casi 4&.6 m más largo que el del oeste.

194

Sección transversal

La sección transversal del túnel tiene forma de herradura for­mada por arcos de circunfPrencias, la partP dP la bóvPda COn un radio interno de 5.15 m y la de los hastiales con un radio interno de 7.00 m. El revestimiento de concreto tendrá un es­pesor normal teórico de 30 cm, pero para aquellas zonas que lo requieran se prpvén 45 cm o 60 cm de revestimiento con contrabóveda en la solera para el caso más desfavorable.

El túnel está separado en dos partes bien distintas, una supe­rior que es la reservada para la ventilación y una inferior pa­ra el tráfico y duetos de servicio.

La parte superior está dividida por medio de una pared de se­paración vertical, de 15 cm de espesor suspendida a la bóve­da eri dos canales, uno para el aire fresco y otro para el vi­ciado. Los dos canales no son iguales siendo el del aire fresco un poco más grande, por consiguiente la pared de separación no se encuentra en el eje, pero desplazada de 30 cm hacia el canal del aire viciado.

Los canales de ventilación están cerrados interiormente por el techo del túnel, con un espesor de 15 cm que está suspen­dido en la parte central de la pared de separación y apoyado en sus bordes a ranuras continuas"previstas en el revestimien­to del túnel. .El techo no es horizontal pero ligeramente incli­nado para permitir el escurrimiento de eventuales aguas de condensación. El techo del túnel como también la pared de se­paración, serán reforzados con mallas de acero y ejecutadas con concreto Rcc/28 = 300 kg/cm2

Cada 8 m un canal de ventilación secundario permite de ha­cer desembocar el aire fresco a O cm sobre la acera de la vía rápida.

ta parte inferior reservada al tráfico prevé un gálibo libre de 7.70 m de ancho por 4.5 m de altura, lo que permite obtener dos vías de tránsito de 3.85 m. Entre este gálibo libre y el techo, hay una tolerancia de 40 cm bajo la pared de separación y 25 cm en los extremos. Al borde de las vías de circulación se encuentran las aceras· laterales de un ancho de 90 cm lo que lleva a 9.50 la base del túnel, .a la cota de la calzada.

Bajo las aceras se encuentran, de un lado, ocho tubos de P.V.C. para cablps (6 dP 10 y 2 dP 12 cm dP diámPtm) y dPI otro tres tubos de P.V.C. para cables (8 cm de diámetro) y la tubería de agua a presión que sirve para alimentar los hidran­tes; todos estos tubos están embutidos en concreto. Los bor­des de las dos aceras están delimitados por brocales prefabri­cados, con sumidero continuo. El espacio que quede entre la línea efectiva y teórica de excavación, a la base del túnel, se rellenará de concreto.

Bajo la calzada, formada por una sub-base en macadam de 25 cm de espesor, una pavimentación en concreto Rcc/28 = 280 kg/cm2 de 20 cm de espesor, armado con mallas de re­fuerzo, se colocará en el eje de la vía oeste de cada túnel un desag1,1adero formado por un tubo de concreto de 60 cm de diámetro.

Solamente bajo la calzada de la vía lenta del túnel este se colocará una tubPría dP acPro dP 20", SPgún lo rPquPrido por PI Instituto Nacional de Obras Sanitarias (INOS).

Tanto la calzada como las aceras tienen una pendiente del 2% hacia el Oeste para favorecer el escurrimiento de las aguas de lavado o de eventuales infiltraciones.

Sistema de drenaje.

El revE>stimiento del túnel tendrá un módulo de 8 m y entre ca­da elemento se dejará una junta abierta, de 70 cm de ancho, por todo el perímetro del perfil con el objeto de captar las aguas de infiltración y drenar así la rota.

De cada fado de fa junta abierta, un colector de 8 cm de diámetro encanala el agua y la descarga en la cuneta del bro­cal. En caso que sea necesario, se podrán hacer unas perfora­ciones de drenaje radiales desde la junta abierta.

Esta última será recubierta en fa parte inferior con una cober­·tura de aluminio. En cada canal de ventilación se colocará cada 56 m, tras un pequeño sumidero, un tubo de desagüe de 3 cm de diámetro que descargará en la junta abierta.

Los brocales con sumidero continuo, ubicados a ambos lados de la calzada, recogen el agua de infiltración y la de lavado

GALERIA

SUPERIOR

SECCIOl;

del túnel. Esta agua descarga a través de los respectivos co­lectores de fundición de 20 cm de diámetro, en la correspon­diE>nte boca de visita del dE>saguadero.

E 1 drenaje de la base de la calzada será garantizado por agu­jeros colocados a intervalos de 2 m a. lo largo de todo el desa­guadero. Ver figura 15.

Excavación

Se realizará la excavación de la sección superior como primera etapa.

Ciclo de excavación

a) Trazo topográfico y acercamiento de equipo 0.5 hr = 30 min.

b) B?rrenación (Dos yumbos equipados con 4 perforadoras c/u)

1. Longitud de barrenación * · 3.2 m

TRANSVERSAL·

.E;{CAVACJON

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Fig. 15 Sección transversal del túnel

2. Longitud real excavada 0.9 X 3.2 :!: 2.9 m

3. Número de barrenos de 1 7/8" 77

4. Número de barrenos de 3" 2

5. Longitud de barrenación ( (3) + (4)) 3.2 252.8 m

6. Número de perforadoras (2 yumbos de 4) 8

7. Velocidad de barrenación * * 12 m/hr

8. Tiempo de barrenación = (5)

(6) X (7) 2.63 hr = 158 m in.

e) Carga de explosivos

9. Tiempo de carga por barreno

10.

11.

Número de cargadores

Tiempo de carga = ( (3) X (9))

(10)

d) Conexión, retiro de equipo y tronado

e) Ventilación

f) Rezagado

12. Area de la sección superior a Línea "A"

13. Volumen de excavación a Línea "A" ( (2) X (12))

14. Area de ·la sección superior a Línea "B"

15. Volumen de excavación a Línea "B" ( (2) X (14))

16. Volumen de rezaga ((15) X (1.4))

17. Rezagadora Cat. 977-L descarga lateral

18. Capacidad nominal

5 min.

8

0.83 hr = 50 min.

0.34 hr = 20 min.

0.50 hr = 30 min.

46.7 m2

135.4 m3

50.4 m3

146.2 m3

204.7 m3

del cucharón 2.5 yd3 = 1.91 m3

19. Capacidad real ( (18) x factor de llenado para material de voladura bien fragmentada) 2 yd3 = 1.53 m3

20. Capacidad de la unidad de acarreo 6.0 m3

21. Número de ciclos del cargador pua llenar cada unidad de acarreo ( (20) + (19) ) = 4

22. Tiempo del ciclo básico del. cargador·

23. Tiempo de llenado de cada

0.60 min.

unidad ( (21) X (22)) 2.40 m in.

• Se usarán perforadoras montadas D93AR con carro para admitir barras de 12 pies de longitud.

Ver nomograma E'n anE>xo No. 1.

196

24. Tiempo de posicionamiento 0.60 min.

25. Número de unidades cargadas por hora:

60 min/hr x 0.75 = 15 Unid. (23) + (24)

26. Volumen cargado por hora 90 m3fhr

27. Tiempo de rezagado ( (16) + (26)) 2.30 hr = 138 min.

28. Resumen ciclo:

29.

30.

31.

32.

33.

34.

Trazo

Barrenación

Carga

Conexión, retiro equipo

Ventilación

Rezaga

Varios

Ciclos por día efectivo (de 20 hrs)

Avance por día efectivo ( (29) X )

Longitud por excavar en cada frente

Días E>fE'ctivos ((31) + (30))

Días calendario (32) X 365 + 300

Ciclo de acarreo de los volteos

Espera ·

Posicionamiento

Carga de la unidad

Recorrido cargado = 2.1 km X 60 min/hr =

15 km/hr

Acomodo y desca·rga

Regreso vacío = 2.1 km x 60 min/hr =

20 km/hr

35. Número de viajes por hora unidad =

60 min/hr X 0.75

21 min/viaje

36. Número de unidades nE'CE'sarias =

90 m3fhr = 2.14 viajE>s/hr x 6m-'/viajE'

Horas Minutos 0.50 30

2.63 158

0.83 50

0.34 20

0.50 30

2.30 138

0.50 30

7.60 hrs 456 min.

2.6

7.54 m

2100 m

279

340

1.8 min.

0.6 min.

2.4 min.

8.4 min.

1.5 min.

6.3 min. 21.0 min.

2.14 viajes/hr

7

ANEXO 1

DPtNmina~ión dP la vPiocidad mPdia dP barrPnación, para las siguipntPs condi< ionP~

1 7/8"

90 Lbs/pulgl

250 pipsl/min.

Uno

Cali.za mPdia

DiámPtro dP broca

PrPsión dP airP

Consumo dP airP

NúmPro dP cambios

Tipo dP roca

Condicionps dP trabajo MPdias (subtNránE>o)

VELOCIDAD BRUTA DE BARRENACION PIES/M 1 HR

Pieo1111J !!JIOI3 3>16 30

19 40

112 !!OJI!! 60l1a

Pin¡ 11 !!J1 10_1 M· 1·.!1 3 2016 3o¡9

40112 !101

1~

Plei¡M 113

511·5

1013 2016 3019

Pie~¡ M 1b 511·!1 IOh 20[& 3019

PULG/MIN, 30 27 24 21 ,. -' 15 12 9 6

CM/MINo 70 60 501 40 30 20

PULG. 4 3.5 3 2.!1 2.2!1 2 • 1.7!1 1.!1

MM. 102 aa 7!1 63 !17 !10 44 3B

OIAMETRO DEL BARRENO

40112

~

10

1.375

E CONDICIONES DE

BARRENACION .. BUENAS

RAZONABLES

MEDIANAS

MALAS

1 VELOC1DAO DE PENETRACION -

1 EN GRANITO

E stl maclo'n del fndk:e de barrenoclon con per foradciras de roca de percus1on.

197

~12 M/Hr.

------------------------------

REQUERIMIENTOS DE AIRE COMPRIMiqO

Consumo unitario

Equipo No. piPs3/min.

a) Barrpnación

Pprforadora D93AR 8 250

Bomba dP sumidPro M-15 2 160

b) AnclajP

Pprforadora dP f:'Spiga 2 160

e) Concrf:'to lanzado

lanzadora aliva 1 800

Bomba Stabilator 1 4

Tolva agragados y cPmPnto 1 300

Corrección por altura sobre el nivel del mar (4 000 pies = 1 220 m);

Multiplicadores para consumo de aire de perforadoras Consumo de aire comparado con el consumo de aire o nivel del mor poro pres•ones

monometrlcos en lo perf01odoro de 70 o 90 lbs.

o 1000 2000 3000 4000 --------1.00 1.032 J. 063 1.100 1.136

Alt uro en pies

!5000 6000 100~ 8000 9000 10000 12000

l.i741.2i3 Ws 1.2 98 00 l397 1.520

1500 -1.66

o 5

Estos mu ltiplicodores eston basados en un ciclo completo de expqrskin odiabotico 11-os perforadoras operan entre uno expansión odlabatico y un ljiCio de tarjeta cuodrodo.l>or lo tonto, los cantidades proporcionadas representan valores de seQurldod'. Pueden obtenerse multiplicadores basados en el ciclo de tarjeta-cuadrado dividiendo el índice de compresión en altura entre el ind•ce de compresion a nivel del mor. Para -calcular el cuadro se uso un valor poro n de 1.3947. Se supuso que los temperaturas y presiones monometricos en las que estaba basado el consumo de aire a nivel del mar,novarforian con la altitud.

Consumo total

pipsl/min.

2 000

320

320

tlOO

4

30 ---3 744·

3 744 X 1.136 .. ---·-------= ________ .4 253

_Corrección por factor de diversi,dad (0.85) -----

Capacidad nominal del. banco df:' comprf:'sores: ····--·--·-··-·-- ... - __ _

3 61 S 0.9

198

3615

.j.

_ . .A 000 pil:'s3/min.

EQUIPO DE PERFORACION

1 '

5~-8" 1· 12'·11" . . 1

173 ~m-• -+--• --- 394 cm -----1

EQUIPO DE TRANSPORTE

EQUIPO DE CARGA

199

ANALISIS ECONOMICO EN TUNELES

M. A. Nava Uriza

1. PREPARACION DE PROYECTOS

1.1 Etapas de un proyecto

En su etapa de estudio, el proyecto se puede definir como el conjunto de antecedentes que permiten juzgar las ventajas y desventajas que presenta la asignación de recursos económi­cos, a un centro o unidad productora, donde serán transfor­mados en determinados bienes o servicios.

Si se. decide llevar a cabo la iniciativa, se entra en una etapa dé realización, y el proyecto pasa a ser el conjunto de ante­cedentes y planos que permiten montar aquella unidad pro· ductor a.

En un esquema ideal, el proceso de elaboración y selección de proyectos posibles debería pasar por las siguientes etapas:

a) Selección de los proyectos.

b) Preparación de anteproyectos que permitan justificar la asignación de recursos para estudios más avanzados.

e) Elaboración de anteproyectos que permitan determinar relaciones entre las realizaciones posibles.

d) Calificación de prioridades entre los proyectos estu-diados.

e) Preparación de proyectos finales.

f) Montaje de nuevas unidades productoras.

g) Puesta en marcha y funcionamiento normal de las unida­des productoras.

En la etapa de estudio, el aspecto económico es lo que se considera principalmente (etapas a, b, e y d), mientras que una vez decidido llevar a cabo la iniciativa, se da mayor inte­rés al aspecto técnico (e, f y g).

El Manual de Proyectos de Desarrollo Económico de las Na­ciones Unidas, define como válido en el análisis de un pro­yecto de inversión, el desarrollo de las etapas o temas de es­tudio de la siguiente manera:

1. Estudio de mercado.

2. Determinación del tamaño y localización.

3. Ingeniería del proyecto.

200

4. Cálculo de las inversiones.

5. Presupuesto de gastos e ingresos anuales y organización de los datos para la evaluación.

6. Financiamiento, organización y ejecución.

Desde luego la importancia que se le asigne a uno u otro punto del esquema general variará según la naturaleza del Proyecto o según las circunstancias locales, y el orden de presentación no es necesariamente el orden en el que se . pueden o deben estudiar.

Existe sin embargo interdependencia entre ellos, por lo tanto el estudio del proyecto se aborda de hecho simultáneamente por varias partes, llegándose al planteamiento de soluciones finales mediante un sistema de aproximaciones sucesivas.

Desde un punto de vista económico, la clasificación más corriente de los proyectos de producción de bienes y de pres­tación de servicios corresponde a la división de la economía en sectores de producción. Este enfoque sectorial permite clasificar los proyectos en: agropecuarios, industriales, de infraestructun social, de infraestructura económica y de ser­vicios.

Los proyectos agropecuarios abarcan todo el campo de la producción animal y vegetal. Las actividades forestales y pesqueras se consideran a veces como agropecuarias y otras como industriales. Los proyectos de riego, colonización, re­forma agraria, extensión y crédito agrícola y ganadero, meca­nización de faenas y abono sistemático, suelen incluirse en los proyectos complejos de esta categoría, aunque indivi­dualmente pudieran caÍificarse como proyectos de infra­estructura y servicios.

Los proyectos industriales comprenden toda la actividad ma­nufacturera, la industria extractiva y el procesamiento de los product?s de la pesca, de la agricultura, de la actividad pe­cuaria y los extractivos.

Los proyectos de Infraestructura Social, tienen la función de atender necesidades básicas de la población, como salud, educación, abastecimiento de agua potable, redes de alcan­tarillado, vivienda y ordenamiento espacial urbano y rural.

Los proyectos de infraestructura económica, inclu~en los proyectos de unidades directa e indirect'amente productivas

que proporcionan a la actividad económica ciertos insumos, bienes o servicios, de utilidad general, tales como energía eléctrica, transporte y comunicaciones:

Esta categoría comprende los proyectos de construcción, modernización y conservación de carreteras, ferrocarriles, aeropuertos, puertos y navegación, centrales eléctricas y sus líneas y redes de transmisión y distribución de sistemas de te­lecomunicaciones y sistemas de información.

Los proyectos de servicios, finalmente, son aquellos cuyo . propósito no es producir bienes materiales, sino prestar servi­

cios de carácter personal, material técnico, ya sea mediante el ejercicio profes[onal o a través de instituciones. Se inclu­yen entre ellos los trabajos de investigación tecnológica o científica, la comercialización de los productós de otras acti-

. vidades y los servicios sociales que no estén incluidas en la infraestructura social.

2. EVALUACION DE PROYECTOS

La palabra evaluación indica un proceso de comparación de ventajas y desventajas que se observan al tomar éste o el otro curso de acción. Este proceso puede hacerse antes, (va­luación de alternativas) durante (control y chequeo de la rea­lización del proyecto) y después (verificación de resultados con la operación del proyecto, con respecto a los calculados).

Por lo anterior la evaluación se puede considerar como una . etapa del diseno, pues en términos generales se consagra al detalle de cómo los hombres, el dinero y los materiales se de­ben combinar para alcanzar un gran objetivo.

La asignación de recursos es un problema común en toda la amplia escala del diseno en ingeniería, industria y admi­nistración. Normalmente es parte de un proceso en el análisis de proyectos y en general, conlleva las siguientes etapas:

a) Definición de objetivos.

b) Formulación de medidas de efectividad.

e) Generación de alternativas.

d) Evaluación de las alternativas.

e) Selección de la alternativa.

a) Definición de objetivos

Ningún análisis lógico puede hacerse si no se procede prime­ro a precisar los objetivos. Estos pu~den ser por ejemplo: la producción, venta y obtención de utilidades en una nueva planta por instalarse, para la sustitución de importaciones, o la producción de energía eléctrica mediante la construcción de una presa, etc. El analista tiene la obligación profesio­nal de cuidar que su estudio esté planteado inteligentemente para que sirva de base en la toma de decisiones, por lo tanto, deberá ser lo más claro posible y permitir conocer las impli­caciones de dichos obje~ivos para tomarlas en cuenta.

En general se pueden distinguir 2 ciases de objetivos: los que caen en el área de intereses del sector privado y los que están dentro del área de interés delsector público o social.

201

b) Formulación de medidas de efectividad

. Se trata de encontrar índices de evaluación que permitan comparar las ventajas y desventajas de tomar la acción A o B para alcanzar el objetivo formulado r n el paso previo. Nor­malmente son cocientes del tipo:

lndice de evaluación o efectividad = Ventajas · (1)

Desventajas Por ejemplo: kilómetro/litro de combustible en el diseno de automóviles, costo de construcción en el diseno sísmico de una torre de oficinas, la tasa interna de retorno eri una nueva planta productora, etc.

Asimismo, en la selección de las medidas de efectividad se presenta en muchas ocasiones un problema de relación no li­neal entre la medida y el valor, por ejemplo, el primer plato de comida cuando se está hambri~nto, no tiene el mismo va­lor que cuando se lleva ya el cuarto o el quinto.

e) Generación de alternativas

Dado que el esfuerzo de todo. el análisis es lograr el objetivo de descubrir o especificar la mejor solución al problema en cuestión, el analista deberá realizar un esfuerzo conside­rable en la exploración de un amplio rango de soluciones po­sibles. La pregunta es:.¿con qué intensidad y hacia dónde de­bemos mirar?

Excepto para problemas muy restringidos, para los cuales una cerrada formulación matemática es factible, no es razo­nable considerar todas las posibilidades. Inclusive aún si fuese probable pensar en todas las variantes, el sentido co­mún sugiere que la investigación de todas las alternativas no tiene valor; ya que algunas no son suficientemente diferentes como para efectuar un análisis para cada una y otras clara­mente dominan sobre otras.

d) Evaluación de alternativas

Debemos distinguir entre evaluar los efectos de cada alterna­tiva y el seleccionar una solución particular. ·

La evaluación de las alternativas consiste en relacionar cada alternativa con sus efectos y observar sus ventajas y desven­tajas a través de los índices de efectividad (costos, benefi­cios, impacto en la comunidad, etc.) prefijados.-

La selección es una actividad dí.ferente al proceso de eva­luación que es una actividad mecánica, pues consiste en ef exámen de Jos efectos de cada alternativa y la comparación de sus valores relativos para una toma de decisión respecto al grupo que se prefiere.

Se trata principalmente de una cuestión de juicio y de valori­zación. La distinción no es generalmente muy clara; por ejemplo en muchos estudios de beneficio/costo la diferencia entre estas 2 fases es por definición prácticamente inexisten­te, ya que el diseno se hará con la relación beneficio/costo más alta aceptable.

e) l'inalmente, la selección es el arte de balancear todas las consecuencias~ requiere de la aplicación de juicios de valor a las medidas de efectividad, objetivamente deducidas, mis­mas que constituyen las salidas del proceso de evaluación.

La selección como se ve no es únicamente un problema téc­nico. El analista deberá remover tanto como sea posible cualquier incertidumbre de orden técnico, para el que toma las decisiones.

Finalmente, es necesario contar con el mecanismo de retro­alimentación ya que la implementación de la solución, muchas veces lleva un largo tiempo y es necesario revisar los resultados iniciales, pues constituyen sólo una aproximación preliminar al diseno deseable final.

3. CRITERIOS DE EVALUACION

Se distinguen dos grupos principales en los criterios de eva­luación: por un lado los índices de comparación de proyec­tos se formulan conforme a los objetivos del empresario pri­vado y por el otro conforme a los de la colectividad en su conjunto, se conocen como criterios privado y social respec­tivamente.

El primero se emplea como una valoración (generalmente monetario para fines de homogenización) a precios de mer­cado pues, interesa maximizar utilidades. En el segundo la valorización se hace tanto a precios de mercado como a cos­to de oportunidad (también monetario).

El precio de mercado será representativo del valor real de los bienes y servicios si funcionan libremente las leyes de la oferta y la demanda en condiciones de competencia perfec­ta, con ocupación plena de todos los recursos y completa movilidad de los factores de producción cuando estas condi­ciones no se cumplen, que es la situación normal, debido a las condiciones estructurales de la economía, el sistema de precios se ve deformado.

El costo de oportunidad es aquél en el que se incurre cuando se desvía un recurso del capital hacia un fin distinto al que se tenía asignado, dejando de producir en una actividad inicial Por ejemplo este concepto es de gran importancia en los ca· sos en que habiendo desempleo se piensa utilizar la mano de obra disponible para la realización de un proyecto la cual se­rá remunerada con el salario mínimo.

En este caso, el precio de mercado de esa mano de obra es el salario mínimo, sin embargo el costo ·de oportunidad de la misma será cero, ya que no se está distrayendo de ninguna otra actividad productiva.

4. CONCEPTOS DE ACTUALIZACION

El. dinero tiene un valor que es función del tiempo, por ejemplo, si colocamos un capital en un banco éste nos pro­porcionará un pago porcentual como ·ganancia al cual llama­mos interés.

Este monto lo calculamos con la expresión:

K == Ko (1 + r)"

202

donde:

Ko = Capital inicial. K = Capital al final del período. n = Tiempo expresado en números de períodos ca­

pitalizables. r = Porcentaje de ganancia o interés del capital.

Los plazos y las tasas son convencionales. E~is~e ~demás otro efecto del tiempo sobre el dinero que es su perdrda de valor adquisitivo".

Esto se debe a una serie de causas que se acostumbra englo­bar con el nombre de "inflación".

Llamando r1 a la tasa de ganancia del dinero y r2 a la pérdida de poder adquisitivo tenemos:

K futuro = K inicial (1 + r,)"(1 + r2l"

Normalmente: r, r2 < < r, r, r2 < < r2

Así que si hacemos r, + r2 = r

Kf = Ko(1 + r)"

(3)

(4)

(5)

Normalmente r es el precio de mercado del dinero Y lo cono­ceremos solicitando un préstamo a un banco.

Como se vió anteriormente los cálculos de evaluación abar­can toda la vida útil del proyecto, por lo que habrá que ope­rar con valores monetarios correspondientes a transacciones realizadas en distintas fechas.

Para que tales magnitudes sean comparables, es necesario hacerlas homogéneas respecto al tiempo, empleando para ello equivalencias financieras.

Las equivalencias financieras más utilizadas en la eva­luación de proyectos son el monto compuesto, el valor pre­sente, el valor presente de una serie.de valores y el factor de recuperación del capital.

a) Monto compuesto (interés compuesto)

Se utiliza para determinar el valor equivalente que tendrá una cierta cantidad actual, al cabo de (n) períodos acumulan­do a una tasa de interés (i) por período. (Como se muestra en la Fig. 1.)

Valor inicial: lo Valor al final del período 1: l1 = lo + i lo = (1 + i) lo (6)

Valor a! final del período 2: l2 = 1, + i l1 = = (1 + i) l1 = (1 + i)21 0 (7)

Valor al final del periodo n: In = (1 + l)"'o (8)

Al factor (1 + i)" se le llama factor de interés compuesto.

Fig. 1

b) Valor presente

Períodos

Monto compuesto

Se udliza para determinar el valor equivalente actual que tendría una cierta cantidad correspondiente al final del pe­riodo n. Este concepto es el inverso del tratado en el inciso anterior (véase Fig. 2).

l In o= (1 + i)"

2 3 4

Períodos

Fig. 2 Gráfica del válor presente.

e) Valor presente. de una serie de valores

n

Se utiliza para determinar el valor equivalente actual de una serie de valores iguales correspondientes a .los períodos 1, · 2, ... , n. (Fig. 3}. ·

Aplicando el concepto del valor presente anteriormente vis-. to, se llega a: ·

1' lo = + '12 + ... + --- =

(1 + i) (1 + iJ (1 + if (1 + i)".

"' •111 ... ! C.

(1 + i)" - 1 (1 + i)"

2 3

Períodos 4

Fig. 3 Valor presente de una serie de valores

(10)

n

203

Al factor (1 + i)" - 1 1 se llama factor de actualización (1 + i)" .

de una serie uniforme de valores.

d) Factor de recuperación del capital

Se utiliza para transformar un valor inicial en una serie uni­forme de valores iguales equivalentes. (Véase figura 4.)

Este proceso es el inverso del anterior, o sea que:

1 = (1 + i)" -1 1 n o (1 + i) 1

(11)

Al factor --'-,_(1'--'+--"i)~~"-; -se le llama factor de recuperación de (1 + 1)0

-1

capital.

o 1. 3

Períodos 4

Fig. 4 Factor de recuperación del capital

5. RENTABILIDAD Y RELACIÓN BENEFICIO-COSTO EN EL CASO DE CARRETERAS.

Existen varios métodos del análisis económico que son apli­cables a la evaluación de alternativas de proyectos de inver­sión, los cuales pueden enumerarse como sigue:

1. Método del costo uniforme anual equivalente o método del costo anual.

2. Método del valor pre4nte para:

a) Los costos

b) Los beneficios

e) Los beneficios menos los costos, generalmente lla­mado valor presente neto.

3. Método de la tasa interna de retorno.

4. Método de la relación beneficio-costo.

5. Efectividad-cost~ o costo-efectividad.

Estos métodos tienen la particularidad común de considerar flujos futuros de costos o de costos y beneficio, de tal mane­ra que las alternativas de- inversión se pueden comparar. Las diferencias en el valor dei dinero a través del tiempo se refle­jan en las ecuaciones de interés compuesto que se utilizan, las cuales se constituyen en un medio para hacer tales com­paraciones.

Los siguientes incisos consideran brevemente las característi­cas esenciales de cada método, y algunas de sus limitaciones y ventajas.

.5.1. Método del costo uniforme anual equivalente

El método del costo anual uniforme equivalente combina los costos iniciales de· capital y los gastos futuros periódicos, en pagos iguales anuales en el horizonte económico considerado.

Puede expresarse como sigue:

CA(X,n) == frc CCI(X) + CAPMO(X) + CPAU(X) (X,n)

frc VR (12)

donde:

Ca(X,n) ==

frc =

CCI

CAPMO =

CPUA ==

VR(X,n) =

Costo anual uniforme equivalente para la alter­nativa X para una vida útil o periodo de análisis den anos. factor de recuperación del capital para una tasa de interés i en un plazo de n anos

fcr == i (1 + i)n (1 + i) n- 1

(13)

Costo del capital inicial de construcción (incluye los costos actuales de construcción, costo de los materiales, costo de ingeniería, etc.) para la al­ternativa X. Costo anual promedio de mantenimiento más costo de operación para la alternativa X. Costo promedio anual del usuario para la alter­nativa X (incluye costos de operación del vehículo, costo del tiempo de viaje, costo de los accidentes): Valor del rescate en caso de que se considere pa­ra la alternativa X al final de los n anos.

Esta ecuación considera costos anuales, mantenimiento y operación del usuario sobre uria base promedio. Esta simpli­ficación puede ser satisfactoria para muchos objetivos. En el caso en que tales costos no se incrementen uniformemente, se puede utilizarun factor de crecimiento experimental.

El atractivo básico de este método en su simplicidad y facili­dad de compresión. Sin embargo no puede ser utilizado, ex­cepto intuitivamente, para determinar si un proyecto es o no económicamente justificable, de~ido a que no incluye los beneficios en la evaluación. En consecuencia , la compara­ción entre alternativas debe hacerse sobre la base de su cos­to únicamente, con la inherente suposición de que todas tienen iguales beneficios. Sin embargo, especialmente donde se invo!ucren diferencias en los costos de operación de los vehículos esta suposición es cuestionable.

5.2 Método del valor presente

El método del valor presente puede aplicarse o sólo con los costos, o sólo con los beneficios o con los costos y beneficios juntos. Involucra la transformación de todas las sumas futu­ras al presente, utilizando una tasa apropiada de descuentC' o actualización.

204

El factor para obtener los "descuentos" de costos o benefi-' cios es:

1 fvp = ---'------(1 + i)"

(14)

donde:

fvp = factor del valor presente para una tasa i y un período n.

i = tasa de actualización o "descuento" n = horizonte económico del estudio.,

E 1 método del valor presente para el caso en que se consi,de­ran sólo los costos es el sigu~ente:

t=n

VPCT(X, n) = CCI(X) + E fvp[CC(X, t) + CMo(X, t) + t=O

CU(X."t) - fvp VR( +, n) (15)

donde:

VPCT(X, n) = valor presente del costo total para la alternati­va X, en el período de n anos.

CCI(X) = costo del capital inicial de construcción para la alternativa X (en el ano cero o de base)

CC(X, t) = costo del capital de construcción, etc., para la alternativa X en el ano t, donde t < n.

f"p = factor del valor presente.

CMO(X, t) = costos de mantenimiento y operación para la alternativa X en el ano t.

CU(X,t) = costo del usuario o costo de recorrido (incluye costos de operación del vehículo, tiempo de viaje, accidentes, etc.). para la alternativa X, en el ano t:

VR = valor de rescate, si lo hay, para la alternativa X, al final del período de diseno y horizonte eco­nómico (n anos) o vida útil.

El valor presente de los beneficios puede calcularse de la misma manera que el valor presente de los costos, utilizando la siguiente ecuación:

n

VPBT(X n) = I: fvp [BDU(X, t) + BIU(X, t) + BINU(X, t)] t=O (16)

donde:

VPBT(X, n) = valor presente de los beneficios totales para la alternativa X en el horizonte económico n.

BDU(X, t) = beneficios directos al usuario correspondientes a la alternativa X para cada ano t.

BIU(X, t) = beneficios Indirectos al usuario correspondien­tes a la alternativa X para cada ano t.

BINU(X,t) = beneficios indirectos a no usuarios correspon­dientes a la alternativa X para cada ano t.

Debido a las dificultades para medir los beneficios indirectos al usuario y los beneficios indirectos a no usuarios, es común.

considerar en el análisis únicamente l~s beneficios directos. Las técnicas avanzadas de investigación de operaciones co­mo los "árboles de decisiones", las curvas de utilidad, la pro­babilidad subjetiva, etc., están permitiendo en algunos casos estimar tales beneficios.

En el caso en que se consideran beneficios y costos se le co­noce como "Método del valor presente neto", y no es más que la simple diferencia entre el valor presente de los benefi-

. cios menos el valor presente de los costos. Obviamente los beneficios deberán exceder a los costos si el proyecto se va a estudiar sobre un resultado positivo económico. Este método es el que se emplea en la evaluación del proyecto de carrete­ras frecuentemente.

La ecuación para este caso se simplifica como sigue:

VPN(X) = VPBT(X, n) - VPCT(X, n)

Ventajas y desventajas de método Entre ias ventajas se ·tiene:

(17)

a) Los beneficios y los costos de un proyecto son relaciona-dos y expresados como un valor simple.

b) Los cálculos son muy simples y directos.

e) La respuesta se da como un pago total para el proyecto.

d) Todos los costos y beneficios son expresados en térmi­nosmonetarios actuales.

e) Proyectos de diferente vida útil, y etapa de desarrollo pueden ser comparables en forma sencilla y directa.

Entre las desventajas:

a) Los resultados en términos de una suma, pueden no ser tan fácilmente entendibles para ciertas gentes como lo es la tasa interna de retorno o un costo anual.

'---

5.3 Método de la tasa interna de retorno

El método de la tasa interna de retorno muy utilizado en el sector de transporte, considera tanto a los costos como a los beneficios y determina la tasa de descuento o actualización a la cual los costos y los beneficios a lo largo de la vida útil de un proyecto son iguales. Puede expresarse en términos de la tasa a la cual el valor presente de los costos es exactamen­te igual al valor presente de los beneficios, esto es:

VPBT(X, n) = VPCT(X, n) (18)

Cuando se aplica este criterio, cada alternativa primero se compara con una alternativa base que podría ser la alternati­va cero, es decir, no hacer nada, para así poder establecer di­ferencias entre los beneficios de las diferentes alternativas. Utilizando la ecuación anterior se puede entonces calcular la tasa de retorno para todas las alternativas en estudio.

Sin embargo, esto es sólo una comparación con la base, y es necesario también calcular la tasa interna de retorno me­diante comparaciones entre pares de alternativas.

205

'Este método tiene su mayor ventaja en el hecho de que los resultados se pueden entender como un retorno o desembol­so que proporciona una "inversión" en el mundo de los nego-cios.

5.4 Método de la relación beneficio/costo

El método de la relación beneficio-costo tiene tal vez la más amplia aceptación y uso en el campo de las carreteras que en cualquier otro. Involucra expresar la relación entre el valor presente de los beneficios de una alternativa con el d~ sus cos­tos, o también la relación entre el beneficio uniforme anual equivalente y los costos anuales uniformes equivalentes. Los beneficios se establecen también mediante la comparación entre alternativas y comúnmente se utiliza la alternativa cero como base de comparación. Utilizando la fórmula del valor presente neto, que es preferida por muchos ingenieros, la rela­ción beneficio/costo puede expresarse como sigue:

RBC(X n) = · VPBT(X) - VPBT(y) ' y, VPCT(X) - VPCT(y)

(19)

donde: RBC(X, y, n) = relación beneficio costo de la alternati­

va X, comparada con la alternativa y (donde X conduce a los beneficios más grandes y representa la inversión ma­yor), sobre un período de análisis de n años.

VPBT(X), VPCT(X) = valor presente de los beneficios y cos-. tos totales respectivamente para la al­

ternativa X.

VPBT(y), VPCT(y) = valor presente de los beneficios y cos­tos totales respectivamente para la al­ternativa y.

Los cálculos de la relación beneficio-costo para un conjunto de alternativas propuestas se hacen con base en la compara­ción con la alternativa base o estándard. Así, aquellas alter­nativas que tengan una relación mayor que 1.0 se ordenan de acuerdo a sus valores crecientes. Comparando los incremen­tos en Jos costos y procediendo sobre la base de comparar parejas de alternativas, se busca la más económica.

,.

la mayor desventaja de este método radica en la naturaleza abstracta ~el índice, el cual es difícil de comprender por sí mismo. Otra des;entaja es la posible confusión sobre si re­ducciones en los gastos de mantenimiento, deben aparecer en el numerador o en el denominador. Esto es, si reducciones en los gastos son beneficios o costos negativos.

5.5 El método efectividad-costo ó costo-efectividad

Este método puede utilizarse para comparar alternativas donde se tienen beneficios significativos derivados del pro­yecto que no son expresables en términos monetarios.

Involucra una determinación de lás ventajas y beneficios que se obtendrán en términos subjetivos, por gastos adicionales. Es­to requiere que se establezcan medidas subjetivas de efectivi­dad o de beneficio, J:!Or ejemplo: índices para medir el·confort de los usuarios de autopistas y vías rápidas; índices para medir la incorporación de grupos económicamente aislados, incre-

mento en el ingreso familiar en las áreas de influencia, de una nueva red de caminos, disminución de los accidentes de trán­sito debidos al camino por mejoras en la educación vial, (la inversión por habitante es un ejemplo de estos índices en el caso de caminos rurales en México), etc.

.Los gastos o desembolsos en este método de análisis general­mente se expresan en términos del valor presente de los cos-

206

tos. Sin embargo, las medidas de efectividad no pueden redu­cirse a una base de valor presente; por lo tanto, deben ser representados o por sus valores promedio o sobre algún período o por valores en un cierto tiempo específico.

Cuando se utilice más de una medida adicional de efectivi­dad se deberán asignar pesos a cada medida, lo cual requiere de un juicio de valor o de prioridades.

LA ILUMINACION DE TUNELES Y SU IMPORTANCIA PARA EL TRAFICO MOTORIZADO

Material proporcionado por el personal técnico de Philips Mexicana, S.A. de C.V., Divisón Al'umbrado.

INTRODUCCION

Desde tiempos inmemoriales, los ríos y montanas han consti­tuido siempre un obstáculo para el tráfico y la comunicación del hombre. Sin embargo, el hombre, gracias a su ingenio, ha logrado en el transcurso de los siglos salvar todas estas barre­ras, valiéndose de puentes, viaduCtos o túneles.

Un ejemplo muy representativo son las construcciones ac· tuales de varios túneles en la república mexicana. ·

El objetivo de estas obras siempre es una mejor seguridad y comodidad de los conductores de miles de vehículos que diariamente circulan por la red de carreteras de México, tan­to en el día como en la noche, cuándo se baja la intensidad del tráfico si no se aumenta la velocidad proQ'ledio.

Uno de los aspectos más determinantes para una seguridad adecuada del automovilista es el sistema de iluminación del túnel. En el transcurso de esta presentación se verá la complejidad del problema de la iluminación del túnel por las variaciones en las condiciones que definen la visibilidad del conductor al momento en que se acerca al· túnel.

2. TEORIA BASICA DE ILUMINACION

El corazón.de cada instalación de alumbrado es la fuente lu­minosa; la' lámpara.

La lámpara, por medio de su filamento o su tubo de descarga de gas, transforma la energía eléctrica suministrada en una emisión de energía electromagnética, la luz .

. -~ ';

La cantidad de luz emitida por la lámpára, se llama "flujo lu· minoso" (lúmenes). La cantidad de luz depende del tipo y la potencia de la lámpara utilizada. ·

Para un mejor control de la luz y un mayor rendimiento de ella, se instala la lámpara en un sistema óptico de un lumi­naria.

Así se obtiene una curva óptica que resulta en más luz en el punto P. Aparte de la luz directa, L..d, llegará también un componente reflejado por el difusor y el espejo. (Como se rt;~uestra en la Fig. 1.)

Cada lámpara puesta en su propio sistema óptico tiene sus propias curvas fotométricas.

207

p

Fig. 1 Luz que recibe el punto P

-El diagrama polair del luminaria. Con estas curvas se define cómo la luz sale del sistema óptico.

Cada dirección dada por los dos ángulos e y ex corresponde con un valor de intensidad lumínica 1 (cd = candela) (Fig. 2).

_ Fig. 2 Localizac1on de los ángulos ex y e

Una vez conoc;idas las curvas fotométricas delluminario y el flujo luminoso de la lámpara aplicada, se puede calcular cuál será eJ nivel de iluminación de·cualquierpunto del pla-no a iluminar. -

Este nivel se mide en Lux = lúmenes fm2.

El nivel de iluminancia horizontal del punto P se cali:ula se­gún:

EH- P = 1 (C, ex) 3 A2 cos ex (Fig. 3) (1)

Fig. 3 Nivel de iluminancia horizontal del punto P

Para obtener los valores de iluminancia promedio y las uni­formidades de iluminancia, se deben calcular los valores de varios puntos P.

N

. El promedio = ..!... E EH1 N i=1

N - ..!..._1_ E

N A2 Ji cos3a

E M' . la uniformidad U1 = rmmo

E P.M.

Para la definición de la calidad de una instalación hay que calcular la visibilidad del observador.

Con este criterio, la luminancia está dada por la fracción de la luz llegando en el punto P, reflejada hacia el observador e incluye el nivel de iluminancia E y la característica del pavi­mento qo- según:

la iluminancia l = q0 X EH ¡cdjm2)

El coeficiente de reflexión q0 depende de:

El color de la superficie.

la estructura de la superficie.

la posición del observador (Fig. 4).

Fig. 4 luminancia en el punto P

208

lp = (\, X EHp con EHP =

Clo = q (a,/3)

1 (C, a)

A2

la calidad de la instalación depende de:

la luminancia promedio ['

la uniformidad longitudinal Ul

la uniformidad general U o

= (cd/m2)

= (l mín.) long.

(l máx.)

= (l mín.) (l P.M.)

El deslumbramiento, la luz directa que disminuye la visi­bilidad del conductor.

Aparte de estos factores fotométricos, hace falta considerar:

El color de la luz.

El sistema de guía óptica.

E 1 costo inicial.

El costo de operación anual.

la calidad mínima necesaria depende de la necesidad del usuario por esto la Comisión Internacional de Iluminación (CIE) ha definido las normas en base al tipo de calle y tráfico (Tablas 1 y 11).

3. TEORIA DE ILUMINACION DE TúNELES

la correcta aplicación de la teoría anteriormente discutida, es muy complicada en el caso de túneles.

la alta intensidad del tráfico en los tramos de los túneles, y las variaciones sumamente grandes en las condiciones que determinan el nivel de adaptación del ojo humano antes de que entre el conductor en el túnel, hasta el efecto sicológico que se demuestra al entrar a un agujero negro, todo esto requiere de una atención especial del ingeniero en iluminación en el momento de disenar una instalación de alumbrado para tú­nel vehicular.

El problema se divide en 4-5 etapas (Fig. 5).

1. Zona de acceso.

2. Zona de umbral. .

3. Zona(s) de transición.

4. Zona interior.

5. Zona de salida.

Cada zona tiene su criterio específico.

3.1 Zona de acceso

El aspecto más importante de la iluminación de un túnel es la adaptación del ojo acostumbrado al nivel de la luz natu­ral, al nivef relativamente bajo en el interior del túnel.

El nivel al exterior puede variar entre 8 OOQ-10 000 cdfm2 (- 100 000 lux), y el nivel dentro del túnel será de 15 cdjm2

Tabla l. Clasificaciones de las calzadas (basadas en las recomendaciones CIE)

Clase de Tipo y densidad Tipo de calzada Ejemplos calzada de tráfico

A Tráfico motorizado Calzada con carriles Autopista pesado y de gran sin acceso a pasos Autovías velocidad de nivel, control total·

o de accesos

"' <'O Carretera impoitánte N B Cr. interurbana. ·;::::

o para tráfico motori- , Cr. principal .... o zado solamente, po-~ o siblemente con carri-u les separados para ;;::

-ro tráfico lento y/o pea- Carretera de ... ~ e Tráfico motorizado tones. circunvalación

pesado y de veloci-dad moderada

o Tráfico pesado mixto Ctra. rural o urbana Ctra. extra: de velocidad de todo uso radio, etc.

~moderada

D Tráfico mixto Calles urbanas o Ctras. importante, con una comerciales, calles interurbanas mayor proporción de acceso a edificios Calles de tráfico lento oficiales o zonas comerciales, o peatones. turísticas en las que etc.

o el tráfico motorizado .... se une al tráfico pesa-X

~ do lento o a los pea-o tones. u

;;:: .-ro ... E Tráfico mixto con Calzadas que unen · ·ctras .. 1:-

limite de velocidad áreas residenciales colectoras y densidad moderada y ctras. del tipo A (/urbanas, etc.

Zona central . ,. ,- 1~

Fig. 5 Etapas de iluminación de un túnel vehicular

209

Tabla 11. Recomendación para instalaciones de alumbrado de calzadas de varias categorías (según la publicación No. 12 de la CIE, Edición, 1975).

Categoría Alrededores Nivel de Coeficiente de uniformidad Control de deslumbramiento luminancia

luminancia Coeficiente de Coeficiente de lndice del Incremento media en ser- uniformidad uniformidad control del de umbral. vicio sobre la medía. longitudinal deslumbra-superficie de l Mín.

miento la calzada= u, G T1 (%)

l med (cdJm2). Uo = l Med.

>

A Cualguíera 2

B 1 Claros 2

2 Obscuros

e 1 Claros 2

2 Obscuros

D Claros 2

E Claros

2 Obscuros 0.5

(150 lux), eso quiere.decir que durante el día la relación de · uno a mil que existe dentro y fuera del túnel, no es ninguna excepción (Fig. 6).

Dos propiedades del órgano de la vista: los ojos y el cerebro, impiden que en tales circunstancias podamos percibir los de­talles críticos que es muy importante para la seguridad del tráfico.

La primera.consiste en que el hombre es incapaz de percibir detalles minuciosos en una pequel'la parte obscura (la entra-

-~ -R. 80

2:

0.4

so~----+-----~+-~---+-

2: 2: S

6 10

0.7 5 10

6 10

5 20

6 10

0.5 4 20

4 20

5 20

da del túnel) del ca~po visual por estar ajustada la sensibili­dad del ojo al nhtel de iluminación del medio ambiente. Este fenómeno se llama "Inducción".

la segunda de las propiedades (imitadoras es que el ojo ne­cesita mucho tiempo para adaptarse a otro nivel de ilumina­ción pasando de la luz a la obscuridad (fa dilación de la pupi­la del ojo) (fig. 7).

Ambos efectos ocurren en los últimos 100 metros antes de entrar al túnel, la zona de acceso.

o~----~------_.------~----~------_.----~--~~ 1000 2000 5000 10000 20000 so 000 100 000

----~•~ EhClux) Fig. 6 Iluminación horizontal recibida en % del tiempo

210

0.001

0.1 7

6 Dilac16n de la L Pll?ila

~) r 1 =r. 10 14

55 3 100

2000 2

'· 1

2001~~--------~----~--~--~----~---L--~----~---L--~~------1 2 3 4 S 6 7 . . 8 9

1 JT)L = 0,3142 od,hn2

(millilanbertl

Tieup:) (segundos)

Fig. 7 Dilé!ción de la pupila del ojo

El contraste entre los alrededores y la mera entrada del túnel es de 10 000 cdfm2 a 15 cdfm2. El tiempo necesario para que se adapte el ojo humano es de 18 segundos, que corresponde a una distancia de 210 metros a 50 km/hora; y 400 metros re­corridos a una velocidad de 100 km/ hora.

la primera medida necesaria entonces, es la reducción de la velocidad máxima en la zona de acceso.

Para reducir el contraste y directamente el tiempo necesario para la adaptación, se podria aumentar el nivel de ilumina­ción en la entrada y/o disminuir el nivel de adaptación. lo úl­timo se puede lograr por medio de:

Aumentando la altura de la entrada para que la parte re­lativamente Óbscura tenga más importancia en el cam­po de visión del conductor.

Plantar árboles, etc., en los alrededores del acceso del túnel.

Construir una rejilla arriba del último tramo de la zona de acceso.

Usar una pintura obscura para hls paredes del acceso del túnel.

Sin embargo la reducción máxima que se podrÍa obtener es de 10 000 cdfm2 a 6 000 cdfm2. ·

211

3.2 Zona de umbral En la zona de umbral el ojo humano tiene que adaptarse del ríivel al exterior del túnel, a los niveles que se pueden obte­ner con una buena instalación de luz artificial.

En una distancia de 60..100 metros, el ojo se preparará para los niveles del interior del túnel. El nivel recomendado por las normas internacionales es de 10% del nivel lo(= lumi­nancia al exterior). La longitud de la zona de umbral depende de la localización del punto de_ adaptación (Fig. 8). General­merite se ha demostrado que el conductor necesita 15 segun­dos para la adaptación de sus ojos conservando una probabi­lidad de percepción de 75%.

3.3 Zonas de transición

El último tramo del túnel antes' de la parte central, es la zona de transición.

En esta zona el nivel de iluminación se reduce del nivel de la zona d~ umbral 500..1 000 cdfm2, al nivel de la parte central

' ' 1 o-s cdfm2. .

la longitud de esta zona depende de la longitud total del tú­nel, pero en la práctica varia entre 300 y 100 metros.

3.4 Zona interior la parte menos critica es.la zona central. Una vez adaptados los ojos por medio de las zonas de acceso, umbral y tran.si-

771//11/1111177717/1/1711 /~ 177 717171177 17 liJ.l 1 1 JI/ 171 1 ll/~ 117 !7 ~--------------~---------- IE--~----------~--------~

7 771717 7 7 r 17 7 777 7/7 7 7 7 7 7 77 7117771777 lr:.llllll/llllll'jiOII r ·IA .

~ ---LE ~~ Fig. 8 Longitud de la zona de umbral

ción, el nivel de luminancia en la zona central de 15 cd/m2 es aceptable y suficiente para la seguridad del conductor.

En el caso de túneles muy largos, hay que ver que el sistema de guía óptica sea adecuada. Esto se puede obtener por me­dio de una correcta posición de los luminarios, y por medio de unas bandas de sombras longitudinales paralelas al eje del túnel.

Otro aspecto importante en la colocación de los luminarios, es la distancia .longitudinal entre Jos luminarios.

En el caso que la variación brusca en la luminancia dellumi­nario ocurriera con cierta frecuencia, aparecerá el efecto si­cológico "Flicker Effect".

La solución para este problema es el uso de "una banda cantínua de luminarios, instalando lámparas que tengan la potencia necesaria para obtener el nivel necesario.

3.5 Zona de salida

En la zona de salida normalmente se mantiene el nivel como es instalado en la zona central; hay que mencionar que en el caso de que el túnel sea de doble circulación, la zona de sali­da se convertirá en una zona de umbral con las mismas nece­_sidades.

212

Resumen

Zona de acceso

Zona de umbral

Zona de transición

Zona central

Zona de salida

Sin alumbrado, longitud 250 m.

Nivel de luminancia 600 cdfm2. longitud 100 m.

Nivel de luminancia 600-15 cdfm2, longitud 250m.

Nivel de luminancia 15-10 cdfm2.

Nivel de luminancia 15-10 cdfm2.

Vale la pena mencionar que en la ·noche la situación es completamente distinta. La mayoría de las autopistas fuera de las ciudades no son iluminadas, y el nivel de luminancia en todo el tramo del túnel se puede bajar a 5 cdfm2; sin em­bargo hay que instalar una zona de adaptación a la salida del túnel, y una senalización a la entrada.

Ambas instalaciones serán de 100 a 200 metros (3-5 postes con luminarias para alumbrado público.

Recomendaciones

Ver Tabla 111 y figura 9.

1

t 10 oeo

sooo (;"

~ 'S -2 000 ..J

1000

1500

lOO

50

20

10

5

2

1 -e o

Tabla 111. Recomendaciones de iluminación _para túneles

Zona· Zona. de Zona central -umbral transición ·Día Noche Salida

Holanda C!: 0.13 L., Fig. 1.0 C!: 10 cd/m2 S2l, -- " (1963)

Alemania -C!: 0.10 La Fig.10 a! 1 O cdJin2 3 cdJm2 -

Din 67524 1972

Inglaterra C!: 0.10 l 0 Fig. 10 - ~ 3l0 -BCP CP 1004 1971

Suiza C!: 0.15 La 0.9 "Fig. 10 C!: 3 cd/m2 2 cd/11'12 -SEV 4024 1968

Noruega C!: 0.04 La Fig.10 C!: 0.0005 ~- -N243 (5 cdJm2) 1970

.;.

L0 . == Luminancia del exterior

10000

5000

. 2000

..........

"' " 1000

ISO O

!'... 1

" - 1

~ ¡....,_

200

lOO

110

~ r--.... 20

10 1

¡ 11

i

1 2

1 -110 o 110 lOO 1110 200 2110 ~o aso 400 450 1100

~- ., .. . ............ ---zoná de Zona de Zona ~e transición

.J.. Zona de transición Interior

l(ml-

acceso umbral

Fig. 9 Valores de iluminación recomendados en la zona de entrada del túnel (CIE)

213

4. FUENTES DE LUZ

Hace más de cien anos cuando. por primera vez en la histo­ria del hombre, se usó la lámpara eléctrica; inventada por el Sr. Thomás Alva Edison en 1879, para la iluminación de las calles en los Estados Unidos.

En estos cien anos se ha cambiado mucho el producto mis­mo, la necesidad de alumbrado público y también el conoci~ miento del hombre en relación al método de cálculo para de­terminar correctamente la calidad de una instalación de alumbrado.

De un punto de luz, puesto en una farola rústica, como pro­tección al viajero, se ha desarrollado una lámpara de descar­ga de gas, instalada en un sistema profesional que hoy en día ilumina las vías terrestres del mundo, dando una seguridad y comodidad a los conductores de millones de automóviles.

· Hace falta mencionar que con la calidad perfecta, también el costo inicial del equipo ha aumentado mucho.

En lugar de utilizar un foco de 25 watts, que en esa época costaba un par de pesos, hoy en día se instalan equipos que valen miles de pesos, que consumen hasta1 OOOW de energía eléctrica.

Las características más importantes, que nunca se han cam- · biado, son:

a) La vida de la lámpara.

b) La eficacia de la lámpara.

e) El color de la luz emitida por la lámpara.

4.1 La vida

Las primeras lámparas eléctricas tenían una vida máxima de 10 horas, las lámparas modernas duran unas 20 000 horas. Sin embargo hay que aclarar que existe un mal entendido respec­to a lá vida de una lámpara publicada por los fabricantes. Existen dos criterios para determinar la vida de una lámpara.

La vida de una lámpara como publican los fabricantes norte­americanos, corresponde al momento que la probabilidad en que se funda la lámpara es de 50%, o sea, decada 100 lám­paras instaladas sólo 50 estarán funcionandó.

En la instalación práctica este porcentaje será más bajo por las diferentes condiciones que ocurren en una instalación: vibraciones, variación de temperatura ambiental. variacio­nes en el voltaje de la red eléctrica.

A veces se maneja como vida de una lámpara, su vida econó­mica que es el número de horas de operación (que correspon­de) antesde que se deban reemplazar las lámparas.

Esta vida generalmente es más corta que la vida técnica y de­pende del tipo de lámpara, condiciones eléctricas, el grado de contaminación del ambiente, la depreciación del flujo lu­minoso de la lámpara, sistema de mantenimiento, etc. Gene­ralm.ente es recomendable reemplazar las lámparas cada 2 anos (8 000 horas).

214

4.2 La eficacia de la lámpara

La única definición correcta de la eficacia de una lámpara es:

La cantidad de luz dada por cada watt de consumo eléctrico.

'11 Lamp = __!!_ = lúmenes 1 watt w

Sin embargo, para comparar correctamente una lámpara con otra, hay que tomar en cuenta las pérdidas causadas por el uso de equipo eléctrico que necesita cualquier lámpara de descarga de gas.

La lámpara de vapor de mercurio de 400W tiene un flujo lu­minoso de 23 500 lúmenes, entonces la eficacia de esta lám­para es de

23 500 400

= 58.75 lúmenes por watt

Considerando la pérdida del balastro de unos 55 watt, la efi­cacia se reduce a:

--=2==3:....:5::.:0:..:0'--- = 51.65 lúmenes por watt 400 + 55

La diferencia en eficacia entre las lámparas incandescentes, teniendo una eficacia de sólo 15 lúmenes/watt y la lámpara de descarga de gas más eficaz, la lámpara SOX 180W con una eficacia de 183 lm/watt, es enorme.

Como valor representativo para cada familia de lámparas, s~ toman los valores de la tabla IV.

4.3 Color de la luz emitida

El color de la luz, o la composición espectral de la luz es por ·varias razones importante. Primero, el color determina la apariencia de los objetos que aparecen en el campo de visión del conductor.

Segundo, la correcta aplicación de los diferentes colores puede dar una información adicional al sistema de guía óp­tica.

El color depende del gas dentro del tubo de descarga, y el material que cubre el interior del bulbo de la lámpara.

La lámpara de vapor de sodio baja presión con puro sodio en el tubo de descarga y con bulbo claro, da luz monocromáti­ca, del color amarillo del gas de sodio; por esto, todos los ob­jetos aparecen de un solo color.

En el caso de la lámpara flourescente se pueden obtener va­rios tonos de colores; cambian de la composición del fósforo que cubre el interior del tubo.

Generalmente se puede conseguir siempre una lámpara que cumpla con las necesidades determinadas por la aplicación

Tabla IV. Valores de 11 para distintas familias de lámparas

Tipo Familia

Incandescente Incandescente Halógena

Vapor de mercurio

Descarga de gas Vapor de.mercur.io con aditivos met.

Vapor de sodio

Luz mixta

• No requiere balastró. * • Balastro integrado en la lámpara.

específica; sin embargo, la selección siempre tendrá que to­mar en cue..nta:

Rendimiento de color, eficacia, vida y costo.

5. LUMINARIOS.

Por las condiciones fotométricas especiales del sistem! de iluminación d~túrieles, no se pueden utilizar los luminarias desarrollados para alumbrado vial.

El sistema óptico delluminario para túneles requiere un dise­no especial que dé el nivel, y la uniformidad necesaria para la seguridad del automovilista, quien también necesita un control perfecto del grado de deslumbramiento. Las caracte­rísticas ópticas del luminaria dependen totalmente' de la ins­talación del mismo.

En el caso de que el luminaria se instale en dos filas a ·ambas paredes del túnel, la curva debe ser totalmente asimétrica en el plano perpendicular al eje de la lámpara, y la distribución de luz en el plano paralelo á la dirección del tráfico debe ser tal que el conductor no sienta ningún deslumbramiento. Cuando Jos luminarias se instalen sobre la linea central del techo, la curva transversal debe ser simétrica para iluminar uniformemente el carril del tráfico.

También con esta geometría hay que limitar el deslumbra­miento en el sentido longitudinal (Fig. 10).

Para la facilidad de inspección y mantenimiento, hay que aplicar luminarias con un vidrio plano y un sistema de broches de cierre especial para que el.tiempo necesario para limpiar los luminarias sea mínimo.

Se ha' calculado que por la contaminación que existe en el in­terior de un túnel es tal que el rendimiento del luminaria se reduce en muy poco tiempo hasta 40% de su valor inicial.

215

'1 Lamp. it Sist.

CLS 14 14* HAL 22 22*

TL 80 62 HPL/N 57 52

HPI/N 80 71

SON/T _120 110 sox 180 150

Mll 21 21 **

Cada tres meses hay que limpiar los vidrios de los ruminarios· para que se mantenga el nivel de iluminación a su valor mínimo necesario.

Fijac;i.6n al techo

FijaciOn a las pare­des.

Fig. 10 · Limitación en el sentido del deslumbramiento longi­tudinal

·El luminario debe estar completamente-cerrado y sellado pa­ra evitar el ingreso de agua durante períodos de lluvia y de limpieza.

6. CONCLUSIONES

Por lo discutido anteriormente, se puede conduir:

Cada proyecto requiere un estudio específico por las condicio~es variables. -~;-·'-~-~ · ···· ··

El estudio debe empezár con un análisis del medio am­biente del túnel y su posición geográfica. ·

Hay que elegir cuidadosamente el tipo delámpara t~ mando en cuenta su costo, vida, eficacia y rendimiento de colores. -

216

Hay que utilizar luminarios especiales para túneles.

Hay que utilizar el conocimiento y experiencia de los in­genieros en iluminación.

7. REFERENCIAS

W.J..M. Van. Bommel y J.B. BQers, Roadlighting.

A. Ketvirtis, Visibility study for long vehicular tunnels.

Roland WaÍthert, Tunnellighting systems.

Commission lnternationale de L'eclairage CIE TC-4.6, /nter-· national recommendations for tunnel lighting.

A.M. Marsden, The economics of installation design.